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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Umrichters bei einer elektrische Energie liefernden Zelle mit sich änderndem Innenwiderstand.
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Eine stromerzeugende Zelle, wie Fotovoltaikzelle oder Brennstoffzelle, setzt Eingangsenergie, wie Sonnenstrahlung oder Energie aus chemischen Reaktionen, in elektrische Energie um. Die elektrische Energie wird mittels eines Umrichters an die Gegebenheiten einer Senke, wie Wechselstromnetz oder Akkumulator, angepasst. Je nach der Intensität der Energiezufuhr zur Zelle ändert sich deren elektrischer Innenwiderstand und damit das Strom-Spannungsverhältnis am Ausgang der Zelle und letztlich der Wirkungsgrad. Der Innenwiderstand der Zelle ändert sich auch bei konstanter Energiezufuhr in Abhängigkeit vom zum Umrichter fließenden Strom und bei einer Alterung der Zelle.
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In der
DE 42 43 205 A1 ist eine Vorrichtung zum Einspeisen von fotovoltarisch erzeugtem Strom in ein Wechselstromnetz beschrieben. Um den schaltungstechnischen Aufbau des Wechselrichters zu vereinfachen, wird dessen Eingangsspannung mittels einer Proportional-Differential-Regelung geregelt, deren Taktfrequenz aus dem Wechselstromnetz erzeugt wird. Der Wechselrichter ist in seiner Eingangsleistung an die Leistung des Solarmoduls angepasst. Durch den Verzicht auf eine Eingangsstrommessung wird der Umwandlungswirkungsgrad des Wechselrichters verbessert. Der Wechselrichter arbeitet mit einer Maximumpowerpoint (MPP)-Regelschaltung zur kontinuierlichen automatischen Einstellung des Arbeitspunktes maximaler elektrischer Leistung des Solarzellenmoduls.
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Aus
DE 100 60 108 A1 ist ein Verfahren zur Einstellung des Punktes maximaler Leistung eines Solargenerators einer fotovoltaischen Solaranlage bekannt. Dabei werden die Generatorgrößen Ausgangsstrom, Ausgangsspannung und Temperatur gemessen und die Spannung oder der Strom im MPP numerisch bestimmt. Für die Bestimmung wird eine vorgegebene Strom-Spannungs-Beziehung nach einer Gleichung verwendet. Die Stromspannungskennlinie wird einmal durchlaufen und der Strom, die Spannung und die Temperatur gemessen und gespeichert. Weiter werden aus der Strom-Spannungs-Beziehung die Parameter des Solargenerators berechnet.
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Aus
DE 195 02 762 C2 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur MPP-Regelung fotovoltaischer Solaranlagen bekannt. Hierbei werden die Verfahrensschritte angewendet, dass in einem Mikro-Controller die Kennlinienscharen der anzuschließenden Module oder Modulzusammenschaltung gespeichert werden. Zur Ermittlung der momentanen Einstrahlung und der Modultemperatur bewirken Steuersignale des Mikrorechners das Kurzschließen bzw. die Lastabschaltung der Modulkonfiguration ,um den Kurzschlussstrom bzw. die Leerlaufspannung zu ermitteln. Der Vergleich mit dem im Mikrorechner gespeicherten Kennlinienscharen ergibt den MPP. Ein DA Wandler gibt eine Steuerspannung analog der MPP Spannung an einen Komperator. Im Komperator erfolgt ein Vergleich mit der von einem Stützkondensator gehaltenen Modulspannung. Je nach Vergleichsergebnis wird die Last kontinuierlich zu- und abgeschaltet d.h. der Laststrom wird getaktet.
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Aus
DE 40 17 860 A1 ist eine Energiegewinnungsanlage bekannt bei der Energie von einem Solargenerator über einen Gleichspannungswandler geliefert wird. Mithilfe eines Mikrocomputers wird der Eingangswiderstand des Gleichspannungswandlers dem sich abhängig von der solaren Einstrahlung und der Solarzellentemperatur ändernden optimalen Betriebspunkt MPP laufend angepasst.
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Aus der Veröffentlichung „Physics of Semiconductor Devices‟ (New York, NY, USA: John Wileys & Sons, 1981. S. 790-838. - ISBN 0-471-05661-8) ist die Stromspannungscharakteristik einer Fotovoltaikzelle bekannt. Unter idealen Strombedingungen vermindert sich die Effizienz bis zu einer Temperatur von 200°C für Silizium.
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JP H08- 123 561 A beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Umrichters. Der Eingangswiderstand des Umrichters kann mittels einer Steuerelektronik eingestellt werden. In der Steuerelektronik kann eine zellenspezifische Spannungs-Stromkennlinie bei unterschiedlichen Innenwiderständen abgelegt sein. Strom und Spannung werden am Umrichter erfasst und mit einer Stromspannungskennlinie verglichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem sich trotz Änderung des Innenwiderstands der Zelle ein hoher Jahresenergieertrag erreichen lässt.
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Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die herstellerseitig entsprechend der Zelle oder dem Zellentyp ermittelte und gespeicherte Kennlinie gibt für verschiedene Energiezufuhren zur Zelle, beispielsweise Bestrahlungsintensitäten einer Solarzelle, die jeweiligen Punkte der maximalen Leistungsabgabe an, wobei jeder Punkt einem Spannungs-Strom-Wertepaar entspricht. Zwischen den Punkten ist interpoliert. Durch Messung der jeweiligen Spannung und des jeweiligen Stroms wird nach dieser Kennlinie der Eingangswiderstand des Umrichters so gesteuert, dass er dem strahlungsabhängigen Innenwiderstand der Zelle entspricht, also jeweils maximale Leistungsübertragung stattfindet. Die Kennlinie wird als Kennfeld repräsentativ für eine Baureihenserie bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken und Stromentnahmen aus Messungen und Berechnungen empirisch ermittelt und abgespeichert. Nach Inbetriebnahme wird die Kennlinie des Stromerzeugungssystems durch zyklisches Kalibrieren bei unterschiedlichen Erzeugungsleistungen innerhalb vorgegebener Grenzen aktualisiert.
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Da sich im Laufe der Zeit der Innenwiderstand der Zelle, beispielsweise durch Alterung oder Verschleiß, zwangsläufig ändert, führt dies dazu, dass der Eingangswiderstand des Umrichters auf einen für die jeweilige Strahlungsintensität unpassenden Wert gestellt würde, was im Endergebnis die Jahresenergieausbeute verringern würde.
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Um dies zu vermeiden, wird in zeitlichen Abständen, beispielsweise nach jeweils einigen Stunden, der Kalibrierzyklus gefahren. Durch den Kalibrierzyklus wird die zunächst gespeicherte Kennlinie gegebenenfalls derart verschoben, dass ihre Punkte wieder die maximale Leistungsabgabe der - gealterten - Zelle bei unterschiedlichen Bestrahlungsintensitäten beschreiben. Damit ist auf einfache Weise erreicht, dass auf den Umrichter in allen Betriebszuständen praktisch die maximal mögliche Leistung übertragen wird.
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Der Kalibrierzyklus unterbricht den Regelbetrieb nur kurz. Der Kalibrierzyklus ist einfach automatisch durchführbar, weil hierfür nur der Eingangswiderstand nach einer Rampenfunktion, insbesondere schrittweise, geändert werden muss und die sich ergebenden Strom-Spannungswerte gemessen und verarbeitet werden müssen. Die Anzahl der erforderlichen Messschritte ergibt sich aus der Änderungsgeschwindigkeit eines Eingangswiderstandes des Umrichters ΔRe' (Änderung von Re' pro Zeiteinheit) und der Taktfrequenz des Messerfassungssystems je nach Anzahl der gewünschten Messpunkte. Bei 10 - 50 Punkten dauert der Kalibriervorgang ca. 0,5 - 2 sek.
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Am Umrichter treten nur geringe Verluste auf, was mit einer geringen Erwärmung des Umrichters verbunden ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Durchführung des Verfahrens,
- 2 verschiedene Leistungsverläufe bei verschiedenen Eingangswiderständen der Zelle und
- 3 eine Strom-Spannungskennlinie maximaler Leistungsabgabe sowie Darstellung des zeitlichen Ablaufs des Kalibrierprozesses,
- 4 eine Strom-Spannungskennlinie vor und nach dem Kalibriervorgang und
- 5 eine Strom-Spannungskennlinie mit Kalibrierpunkten und Bereichen TB1 und TBn.
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Eine gleichstrom-erzeugende Zelle 1, beispielsweise Solarzelle oder Brennstoffzelle, ist mit einem Glättungskondensator C beschaltet. Ihr elektrischer Innenwiderstand ist mit Ri bezeichnet. An Ausgangsanschlüssen 1' der Zelle 1 liegen Eingangsanschlüsse 2' eines Umrichters 2. Dessen einstellbarer Eingangswiderstand ist mit Re bezeichnet Der Umrichter 2 kann in an sich bekannter Weise mit Pulsweitenmodulation arbeiten, wobei durch die Pulsweitenmodulation der Eingangswiderstand Re einstellbar ist.
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Über den Umrichter 2 wird die elektrische Energie der Zelle 1 an eine Senke 3, beispielsweise Verbraucher, Wechselstromnetz oder Akkumulator, abgegeben, was mit einer möglichst hohen Jahresenergieausbeute geschehen soll.
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Ein Spannungsmesser 4 erfasst die Ausgangsspannung U der Zelle 1. Ein Strommesser 5 erfasst den von der Zelle 1 zum Umrichter 2 fließenden Strom I. Eine Steuerelektronik 6, die mit einem Mikroprozessor arbeiten kann, erfasst über Leitungen 7 bzw. 8 die jeweilige Ausgangsspannung U und den jeweiligen Strom I und steuert den Eingangswiderstand Re des Umrichters 2 über eine Steuerleitung 9.
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In der Steuerelektronik 6 ermittelt die Leistungsmessstufe 10 aus der jeweiligen Spannung U und dem jeweiligen Strom I die jeweilige Leistung P. Eine Vergleichsstufe 11 ermittelt die sich während eines Messzyklusses bzw. Kalibrierzyklusses ergebende Maximalleistung Pmax. In einer Speicher-Auswertestufe 12 ist eine Strom-Spannungskennlinie K abgelegt. An die Speicher-Auswertestufe 12 ist die jeweilige Spannung U und der jeweilige Strom I (die jeweilige Maximalleistung Pmax) gelegt.
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Der Speicher-Auswertestufe 12 ist eine Regelstufe 13 nachgeschaltet, die über einen Umschalter 14 auf die Steuerleitung 9 wirkt. Der Umschalter 14 kann in eine Funktionsstellung S1 (Kalibrierzyklus) oder in eine Funktionsstellung S2 (Regelbetrieb) gehen. Er ist dafür von einer Zeitgeberstufe 15 gesteuert, die periodisch zwischen den Funktionsstellungen S1 und S2 umschaltet, wobei die Dauer der Einschaltung der Funktionsstellung S1, beispielsweise um den Faktor 100 bis 10.000, kürzer ist als die Dauer der Einschaltung der Funktionsstellung S2. Ein Rampengenerator 16 ist in der Funktionsstellung S1 wirksam.
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Die 2 zeigt verschiedene Kurven a, b, c, d der von der Zelle 1 in Abhängigkeit von ihrem Innenwiderstand Ri, also ihrer Energiezulieferung, d.h. Bestrahlungsintensität bei einer Solarzelle, und ihrem Alterungszustand abgegebenen Leistung P. Es ergeben sich:
- Die Kurve a bei einer neuen - nicht gealterten - Zelle 1 bei hoher Bestrahlungsintensität,
- die Kurve b bei einer gealterten Zelle 1 bei hoher Bestrahlungsintensität
- ersichtlich weichen die Leistungsmaxima der Kurven a und b voneinander ab -
- die Kurve c bei einer neuen - nicht gealterten - Zelle 1 bei niedriger Bestrahlungsintensität,
- die Kurve d bei einer gealterten Zelle 1 bei niedriger Bestrahlungsintensität,
- ersichtlich weichen die Leistungsmaxima der Kurven c und d voneinander ab -.
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Wie der Vergleich der Kurven a bis d zeigt, wird in den verschiedenen Zuständen die jeweilige Maximalleistung bei ganz unterschiedlichen Innenwiderständen Ri abgegeben.
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Die in der Speicher-Auswertestufe 12 gespeicherte Strom-Spannungskennlinie K ist in 3 gezeigt. Diese stellt die bei verschiedenen Bestrahlungsintensitäten E1 bis E4 auftretenden U/I-Werte bei Leistungsmaximum dar. Die Kennlinie K enthält dementsprechend auch die Leistungsmaxima der Kurven a und c der 2 einer neuen Zelle 1.
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Die Kennlinie K wird herstellerseitig dadurch ermittelt, dass bei verschiedenen Bestrahlungsintensitäten, beispielsweise E1 bis E4, das dem jeweiligen Leistungsmaximum entsprechende Wertepaar von Strom und Spannung ermittelt wird (vgl. Punkte P1 bis P4). Zwischen den gemessenen Punkten P1 bis P4 wird zur Darstellung der Kennlinie interpoliert.
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Im Regelbetrieb besteht die Funktionsstellung S2. Die Speicher-Auswertestufe 12 erfasst die jeweilige Spannung U und den jeweiligen Strom I und vergleicht diese mit der Kennlinie K. Liegt bei gemessenem Strom I die gemessene Spannung U unterhalb (Bereich A in 3) der zum gemessenen Strom I gehörigen Spannung U der Kennlinie, dann wird der Eingangswiderstand Re des Umrichters 2 vergrößert.
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Liegt dagegen bei gemessenem Strom I die gemessene Spannung U oberhalb (Bereich B in 3) der zum gemessenen Strom der Kennlinie K, wird der Eingangswiderstand Re des Umrichters 2 verkleinert. Der Regler 13 passt dabei den Eingangswiderstand Re des Umrichters 2 so an die Kennlinie K an, dass eine maximale Energieübertragung von der Zelle 1 auf den Umrichter 2 erfolgt. Der Regler 13 kann mit einem P- oder PI-oder PID-Algorithmus arbeiten.
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Nach einem beschriebenen Regelbetrieb wird zyklisch ein Kalibrierzyklus dadurch ausgelöst, dass der Umschalter 14 in die Funktionsstellung S1 geschaltet wird. Vor dem Kalibrierzyklus wird die momentane Leistung P und der aktuelle Eingangswiderstand Re gespeichert. Der Rampenfunktion des Rampengenerators 16 ist ein Fenster mit einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert zugeordnet. Im Kalibrierzyklus wird der Eingangswiderstand Re vom Rampengenerator 16 schrittweise von einem Wert:
aktueller Eingangswiderstand - Fenster/2
bis zu einem Wert:
aktueller Eingangswiderstand + Fenster/2
erhöht oder erniedrigt. Dabei werden schrittweise der sich ergebende Strom I und die Spannung I gemessen und in der Leistungsmessstufe 10 wird daraus die jeweilige Leistung P berechnet. Die Vergleichs stufe 11 ermittelt die sich beim Kalibrierzyklus ergebende Maximalleistung und das dazu gehörige Wertepaar aus Spannung und Strom wird gespeichert. Es wird verglichen, ob dieses Wertepaar mit dem entsprechenden Wertepaar der bisherigen Kennlinie K' übereinstimmt. Ist dies der Fall, dann ist keine Änderung der Kennlinie nötig. Ist dies jedoch nicht der Fall, dann wird anstelle des entsprechenden Punktes der Kennlinie der neue Kalibrierpunkt gespeichert, woraus sich eine verschobene, neue Kennlinie K ergibt.
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Vorzugsweise wird nicht jeder neue Kalibrierpunkt gleich in die Kennlinie aufgenommen, weil er auf Änderungen beruhen kann, die sich aus Verhältnissen ergeben, die nicht berücksichtigt werden sollten. Beispielsweise sollen Änderungen der Bestrahlungsintensität während eines Kalibrierzykluses nicht berücksichtigt werden. Solche können beispielsweise auftreten, wenn die Zelle durch eine schnell vorbeiziehende Wolke beschattet wird. Es wird deshalb vor der Aufnahme eines neuen Kalibrierpunktes in die Kennlinie bzw. eine Verschiebung der Kennlinie eine Plausibilitätsprüfung vorgenommen. Dabei ist der neue Kalibrierpunkt plausibel und wird übernommen, wenn
- a) die Leistungsabgabe der Zelle vor und nach dem Kalibrierzyklus nahezu gleich ist und/oder
- b) die Leistungsabgabe der Zelle während des Kalibriezykluses ein Maximum hat (vgl. 2), das nicht am Beginn und am Ende des Kalibrierzykluses liegt und/oder
- c) die Leistungsabgabe der Zelle während des Kalibrierens keinen Wendepunkt hat und/oder
- d) der neue Kalibrierpunkt innerhalb eines Toleranzbandes der aktuellen Kennlinie liegt und/oder
- e) der neue Kalibrierwert innerhalb eines Toleranzbandes der ursprünglich werkseitig eingestellten Kennlinie liegt.
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Ist das oder sind die vorgesehenen genannten Kriterien erfüllt, wird der neue Punkt in die Kennlinie aufgenommen, was auch durch eine gleitende Mittelwertbildung erfolgen kann, wie in 4 dargestellt. Der aktuelle und der vergangene Messpunkt P2 wird bei der gleitenden Mittelwertbildung prozentual gewichtet, beispielsweise der aktuelle Messpunkt P5 mit 20 % und der vergangene Messpunkt P2 mit 80 %, wie in 4 dargestellt, um stochastische Einflüsse auf das Messergebnis zu filtern. Dadurch wird die Kennlinie gleitend adaptiert.. Das Berechnungsverfahren ist: Neuer Kalibrierpunkt P6 (Mittelwert) = (0,8 x Vorgängermittelwert) + (0,2 x aktuell gemessener Wert).
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Nach der Beendigung des Kalibriervorganges wird zunächst der vor dem Kalibrierzyklus eingestellte Innenwiderstand Ri wieder eingestellt und von diesem aus wird dann der genannte Regelbetrieb nach der gegebenenfalls neuen Kennlinie durchgeführt.
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Aus dem Vergleich der ursprünglichen Kennlinie und der geänderten Kennlinie lassen sich Aussagen über das Altern der Zelle und Fehler der Zelle ableiten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach 5 wird in dem Verfahren der Kalibrierprozeß zyklisch nach Ablauf einer vorgegebenen Betriebszeit TKAL durch die Zeitgeberstufe 15 aktiviert. Um zu verhindern, dass der Kalibrierprozeß gehäuft in bevorzugten Abschnitten der Strom-Spannungskennlinie erfolgt, wird die Strom-Spannungskennlinie in Abschnitte, beispielsweise B1 - Bn, unterteilt, denen Zeitfenster TB1, TB2, TB3 und TB4 zugeordnet sind. Nach einer erfolgreichen Kalibrierung, beispielsweise im Punkt P1 zum Zeitpunkt T1 wird von der Steuerelektronik 6 ein Zeitfenster TB1 geöffnet. Innerhalb dieses Zeitfensters TB1 erfolgt keine weitere Kalibrierung im Wertebereich B1. Damit ist gemäß Beispiel festgelegt, dass der Zeitraum zwischen zwei Kalibrierungsprozeduren TKAL kleiner als das Zeitfenster TBx sein muß. In einer weiteren Ausführung wartet die Steuerelektronik 6 bei einer Kalibrierungsanforderung so lange mit dem Aktivieren des Rampengenerators 16, bis ein Betriebszustand erreicht ist, bei dem das Zeitintervall TB1 für den Wertebereich B1 abgelaufen ist. Dies ist z.B. in 3 der Zeitpunkt T9.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist es, wenn die Kalibrierung immer dann aktiviert ist, wenn durch sich ändernde Stromerzeugungs-Bedingungen ein Wechsel von einem Abschnitt B mit geöffnetem Sperrzeitfenster TB in einen Bereich Bx mit geschlossenem Sperrzeitfenster erfolgt. Der Wechsel in einen Bereich mit geöffnetem Sperrzeitfenster TB ist dann das Startkriterium einer Kalibrierung.
