DE10247776A1

DE10247776A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose von Photovoltaikgeneratoren

Info

Publication number: DE10247776A1
Application number: DE10247776A
Authority: DE
Inventors: Peter Kremer; Viktor Dr. Wesselak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2004-04-15
Also published as: PT1403649E

Abstract

Bei dem Verfahren zur Diagnose von Photovoltaikgeneratoren (PV) einer Photovoltaikanlage (PA), deren Photovoltaikgeneratoren eine charakteristische Strom-Spannungs-Generatorkennlinie (KL1-KL3, KLF) aufweisen, wird ein Teil der Generatorkennlinie wiederholt in kurzen Zeiträumen vermessen (A, V) und dann ein automatisierter erster Wartungshinweis (WH1) ausgegeben, falls ein Teil der vermessenen Generatorkennlinie eine Knickstelle (KN) aufweist. Es wird ein zweiter Wartungshinweis (WH2) ausgegeben, falls ein Teil der Generatorkennlinie eine vorgebbare betriebliche Grenzkennlinie (KL0V) zumindest in einem Punkt unterschreitet. Zur Durchführung des Verfahrens kann vorteilhaft ein Solarwechselrichter (WR) verwendet werden. Damit ist vorteilhaft die Ausgabe von automatisierten Wartungshinweisen an den Betreiber einer Photovoltaikanlage möglich, falls eine Abschattung, ein Ausfall oder eine Leistungsdegradation eines oder mehrerer Solarmodule eines Photovoltaikgenerators vorliegt. Es können vorteilhaft die bereits vorhandenen Halbleiterschalter und die Spannungs- und Strommesser eines Solarwechselrichters als aktive Last zur Vermessung der Generatorkennlinie eines Photovoltaikgenerators verwendet werden. Dadurch kann vorteilhaft auf eine externe Messeinrichtung verzichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose von Photovoltaikgeneratoren einer Photovoltaikanlage während des Einspeisebetriebs, wobei ein Photovoltaikgenerator ein oder mehrere Solarmodule und eine zugehörige charakteristische Strom-Spannungs-Generatorkennlinie aufweist, und wobei ein Solarmodul mehrere untereinander verschaltete Solarzellen aufweist.
Die Erfindung betrifft einen Solarwechselrichter zur Durchführung des Verfahrens, sowie eine Photovoltaikanlage mit zumindest einem Solarwechselrichter.

Photovoltaikanlagen dienen der Einspeisung von elektrischem Strom in ein elektrisches Netz, wie z.B. in ein 1-phasiges 50Hz/230V-Spannungsnetz oder in ein 3-phasiges 50Hz/400V-Spannungsnetz. Dazu können Photovoltaikanlagen ein oder mehrere Photovoltaikgeneratoren aufweisen, wobei ein Photovoltaikgenerator aus einem oder mehreren Solarmodulen bestehen kann, welches bzw. welche wiederum eine Vielzahl von untereinander verschalteten Solarzellen aufweisen können. Dabei werden üblicherweise die Solarzellen eines Solarmoduls als „String" in Reihe, insbesondere mäanderförmig geschaltet. Der auf photovoltaischem Weg erzeugte elektrische Strom wird dann einem oder mehreren Wechselrichtern zugeführt, welcher oder welche die zugeführte Niedervoltspannung in eine geregelte standardisierte Netzspannung umwandelt. Derartige Solarwechselrichter sind für 1-phasige Ausführungen z.B. in der DE 196 42 522 C1 oder für 3-phasige Ausführungen in der Österreichischen Patentanmeldung mit dem amtlichen Anmeldekennzeichen 1737/01 bekannt. Eine Photovoltaikanlage kann zudem eine Anlagenleitebene zur Steuerung und Betriebsführung von mehreren angeschlossenen Solarwechselrichtern aufweisen.

Für den Betreiber einer Photovoltaikanlage ist die Kenntnis von Interesse, ob die eingesetzten Photovoltaikgeneratoren eine vom Hersteller garantierte elektrische Leistung auch noch nach einem längeren Betriebseinsatz erbringen. So ist bekannt, dass nach einiger Zeit die maximale elektrisch erzeugte Leistung gegenüber einem Inbetriebnahmezustand der Anlage abnimmt. Hersteller von Photovoltaikgeneratoren garantieren z.B. einen Wert von 90% eines maximalen Leistungswertes für einen Betriebszeitraum von 10 Jahre.

Allerdings ist ein entsprechender Nachweis für eine bereits vorliegende Leistungsdegradation schwer zu führen, da die von den Photovoltaikgeneratoren erbrachte elektrische Leistung von mehreren Faktoren abhängig ist. Zum einen hängt die erzeugte elektrische Leistung von der aktuellen Einstrahlungsintensität ε der Sonne ab, wobei mit zunehmenden Werten für ε der elektrische Strom im Photovoltaikgenerator ansteigt. Zum anderen nimmt für steigende Temperaturen T der Photovoltaikgeneratoren die anliegende elektrische Spannung ab. Weitere Aspekte sind z.B. Verschmutzungsgrade der Photovoltaikgeneratoren oder Abschattungseffekte. Abschattungseffekte können z.B. durch Laub entstehen, welches z.B. einen Teil der Solarmodule bzw. einen Teil der Solarzellen eines Solarmoduls bedeckt. In diesem Fall trägt diese bzw. tragen diese Solarzellen nicht zur Energieerzeugung bei. Vielmehr wirken diese wie eine in Sperrrichtung betriebene Diode, welche den Stromfluss der dazu in Reihe geschalteten anderen Solarzellen verhindert. Aus diesem Grund weisen verschaltete Solarzellen Bypassdioden zur „Umgehung" abgeschatteter Solarzellen, insbesondere zwischen den Mäandern eines „Strings" eines Solarmoduls auf.

Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Photovoltaikgeneratoren dient vor allem eine zugehörige charakteristische Strom-Spannungs-Generatorkennlinie. Beispiele für eine solche Generatorkennlinie sind in den 4 und 5 der vorliegenden Anmeldung dargestellt. Dabei weist die Abszisse die an einem Photovoltaikgenerator anliegende Spannung, die Ordinate den durch den Photovoltaikgenerator fließenden Strom auf. Durch Anlegen einer variablen Last an den Photovoltaikgenerator, wie z.B. eines variablen Widerstands, können dann alle Punkte auf der Generatorkennlinie vom Leerlauf bis zum Kurzschluss des Photovoltaikgenerators „durchfahren" und somit vermessen werden.

Wie eingangs beschrieben, unterliegen diese Generatorkennlinien Verformungen, so dass Kurvenscharen in Abhängigkeit von der Einstrahlungsintensität und der Solarzellentemperatur resultieren. Aus diesem Grund wurden standardisierte Testbedingungen festgelegt, welche eine normierte Temperatur sowie eine normierte spektrale Einstrahlungsintensität festlegen. Die normierte Temperatur T₀ beträgt hierbei 298K, die spektrale Einstrahlungsintensität ε₀ 1000W/m² auf Basis eines AM 1,5-Spektrums nach der IEC-Norm 904.3, Teil III. Mittels geeigneter Normierungsvorschriften kann somit eine gemessene Strom-Spannungs-Generatorkennlinie bei Kenntnis der aktuellen Solarzellentemperatur in einem Solarmodul sowie der aktuellen spektralen Einstrahlungsintensität normiert werden. Solarzellentemperatur sowie spektrale Einstrahlungsintensität können hierzu mittels geeigneter Sensorik erfasst werden. Zeitliche Änderungen der Sonneneinstrahlung, wie z.B. bei eintretender Bewölkung, bedingen, dass zur Vermeidung von Ungenauigkeiten die Vermessung einer Generatorkennlinie in einem kurzen Zeitraum erfolgen muss. Folglich liegen die typischen Messzeiträume im Millisekundenbereich.

Aus einer Veröffentlichung von Wesselak, Viktor: Regelungstechnische Beiträge zum leistungsoptimalen Betrieb von Solaranlagen, Diss., Erlangen, 1999, ist das Prinzip einer Messeinrichtung bekannt, welche parallel an einen Photovoltaikgenerator angeschlossen werden kann. Die Messeinrichtung weist dort eine elektronisch steuerbare Last zum messtechnischen „Durchfahren" einer Generatorkennlinie auf. Die aufgezeichnete Generatorkennlinie beinhaltet dabei wertvolle Informatio nen über den Zustand der Gesamtanlage. Ein Betrachter, der mittels dieser Messeinrichtung regelmäßig eine Generatorkennlinie aufzeichnet, kann dann z.B. erkennen, ob ein Teil eines Moduls ausgefallen oder abgeschattet ist. Dies ist dann der Fall, wenn der Kennlinienverlauf der Generatorkennlinie eine signifikante Knickstelle aufweist.

Für einen Betreiber einer Photovoltaikanlage ist es als nachteilig zu betrachten, dass in regelmäßigen Abständen eine Aufzeichnung der Generatorkennlinie veranlasst werden muss. Diese ist dann visuell zu bewerten, um ggf. auch Wartungsmaßnahmen einleiten zu können.

Ein weiterer Nachteil ist, dass eine zusätzliche elektronische Messeinrichtung benötigt wird, um während des Einspeisebetriebs die Generatorkennlinie vermessen zu können.

Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, welche eine Notwendigkeit zur Bewertung des gesamten Anlagezustands durch den Betreiber vermeidet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anzubieten, durch welche auf die Messeinrichtung zur Vermessung einer Generatorkennlinie verzichtet werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Diagnose von Photovoltaikgeneratoren einer Photovoltaikanlage während eines Einspeisebetriebs, wobei ein Photovoltaikgenerator mehrere untereinander verschaltete Solarmodule und eine charakteristische Strom-Spannungs-Generatorkennlinie aufweist, wobei ein Solarmodul mehrere untereinander verschaltet Solarzellen aufweist. Die Solarzellen eines Solarmoduls können zudem Bypassdioden aufweisen. Es wird zumindest ein Teil der Generatorkennlinie des Photovoltaikgenerators wiederholt in kurzen Zeitenräumen vermessen, und dann ein automatisierter erster Wartungshinweis ausgegeben, falls der zumindest eine Teil der vermessenen Generatorkennlinie mindestens eine Knickstelle aufweist.

Es wird ein zweiter Wartungshinweis ausgegeben, falls ein Teil der Generatorkennlinie eine vorgebbare normierte betriebliche Grenzkennlinie zumindest in einem Punkt unterschreitet.

Es kann der maximale Leistungspunkt auf der Generatorkennlinie insbesondere rechnerisch ermittelt werden, und dann ein dritter Wartungshinweis ausgegeben werden, falls ein vorgebbarer normierter maximaler Grenzleistungspunkt unterschritten wird.

Zusätzlich kann die aktuelle Temperatur der Solarzellen und /oder die aktuelle spektrale Einstrahlungsintensität zur Normierung eines aktuell vermessenen Teils der Generatorkennlinie gemessen werden. Der vermessene Teil der Generatorkennlinie kann z.B. auf eine Temperatur der Solarzellen von 298K bei einer spektralen Einstrahlungsintensität von 1000W/m² auf Basis eines AM 1,5-Spektrums nach der IEC-Norm 904-3, Teil III, normiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als zumindest eine Teil der Generatorkennlinie des Photovoltaikgenerators der Bereich um den maximalen Leistungspunkt auf der Generatorkennlinie vermessen. Es können auch Bereiche auf der Generatorkennlinie mit starker Krümmung vermessen werden, wobei ein Bereich mit starker Krümmung um den maximalen Leistungspunkt liegt. Weiterhin können die Photovoltaikgeneratoren während des Einspeisebetriebs und außerhalb der Messzeiträume vorzugsweise im maximalen Leistungspunkt auf der Generatorkennlinie betrieben werden. Zur Vermessung zumindest eines Teils der Generatorkennlinie kann eine vorgebbare elektrische Netzeinspeiseleistung als aktive Last für die Photovoltaikgeneratoren eingestellt werden.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Solarwechselrichter zur Einspeisung in ein elektrisches Netz, insbesondere in ein 1-phasiges oder 3-phasiges 50Hz- bzw. 60Hz-Wechselspannungsnetz. Der Solarwechselrichter weist eine Eingangsseite zum Anschluss zumindest eines Photovoltaikgenerators, eine Ausgangsseite zur Netzeinspeisung sowie zumindest einen Energiespeicher, Dioden und Halbleiterschalter zur Erzeugung der ausgangsseitigen Wechselspannung bzw. Wechselspannungen auf. Halbleiterschalter können z.B. MOSFET-Transistoren oder IGBTs sein. Der Solarwechselrichter weist eine elektronische Datenverarbeitungseinheit, wie z.B. einen Mikrocontroller oder einen Mikrocomputer, zumindest zur Ansteuerung der Halbleiterschalter sowie Messmittel zumindest zur Erfassung der elektrischen Ein- und Ausgangsgrößen für die Steuerung bzw. Regelung des Solarwechselrichters auf.

Erfindungsgemäß sind die Halbleiterschalter durch den Mikrocontroller so ansteuerbar, dass zumindest ein Teil einer charakteristischen Strom-Spannungs-Generatorkennlinie eines angeschlossenen Photovoltaikgenerators vermessbar ist. Dabei können die Halbleiterschalter durch den Mikrocontroller so ansteuert werden, dass eine vorgebbare elektrische Netzeinspeiseleistung einstellbar ist, welche dann wie eine einstellbare Last für den Photovoltaikgenerator wirkt.

Die Halbleiterschalter können ferner durch den Mikrocontroller so ansteuert werden, dass eine variable elektrische Netzeinspeiseleistung ausgehend von einem maximalen Leistungspunkt in beiden Richtungen auf der Generatorkennlinie einstellbar ist. Der Mikrocontroller kann Ausgabemittel für einen ersten Wartungshinweis aufweisen, falls der zumindest eine Teil der vermessenen Generatorkennlinie mindestens eine Knickstelle aufweist. Weiterhin kann der Solarwechselrichter Vergleichs- und Ausgabemittel für einen zweiten und dritten Wartungshinweis zur Durchführung des Verfahrens aufweisen. Zudem kann der Solarwechselrichter über eine Anschlussmöglichkeit zum Anschluss eines Temperatursensors und/oder eines Einstrahlungsintensitäts-Sensors für einen Photovoltaikgenerator, sowie über Vergleichs- und Ausgabemittel für alle Wartungshinweise zur Durchführung der Verfahren verfügen.

Schließlich wird die Aufgabe gelöst mit einer Photovoltaikanlage zur Einspeisung in ein elektrisches Netz mit zumindest einem Solarwechselrichter mit zumindest einem daran angeschlossenen Photovoltaikgenerator. Dabei können die jeweiligen Solarwechselrichter datentechnisch mit einer Anlagenleitebene zur zentralen Steuerung und Betriebsführung der Photovoltaikanlage verbunden sein, u.a. zur Übermittelung der Wartungshinweise der jeweiligen Solarwechselrichter.

Damit ist vorteilhaft die Ausgabe von automatisierten Wartungshinweisen an den Betreiber einer Photovoltaikanlage möglich, falls eine Abschattung, eine übermäßige Verschmutzung, ein Ausfall oder eine Leistungsdegradation zumindest eines Photovoltaikgenerators vorliegt.

Ein Vorteil ist weiterhin, dass teueres Wartungspersonal nur dann angefordert werden muss, wenn ein entsprechender Wartungshinweis beim Betreiber eingegangen ist.

Zudem kann vorteilhaft im Rahmen einer Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage ein bereits fehlerhafter Photovoltaikgenerator sofort erkannt und dieser dann ausgetauscht werden.

Ein weiterer Vorteil ist es, dass als aktive Last zur Vermessung der Generatorkennlinie eines Photovoltaikgenerators die bereits vorhandenen Halbleiterbauelemente und Messmittel eines Solarwechselrichters verwendet werden können. Dies sind insbesondere die Halbleiterschalter für die Wechselrichtung und die Strom- und Spannungsmesser für die elektrischen Eingangsgrößen des Solarwechselrichters.

Schließlich kann vorteilhaft auf die externe Messeinrichtung zur Vermessung der Generatorkennlinie verzichtet werden.

Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 : einen beispielhaften Aufbau einer Photovoltaikanlage, mit einer Messeinrichtung zur Vermessung einer Generatorkennlinie eines Photovoltaikgenerators nach dem Stand der Technik,
2 : einen beispielhaften Aufbau einer Photovoltaikanlage mit einem erfindungsgemäßen Solarwechselrichter, welcher zusätzliche Mittel zur Vermessung einer Generatorkennlinie eines Photovoltaikgenerators und Vergleichs- und Ausgabemittel für Wartungshinweise aufweist,
3 : ein beispielhaftes Pulsmuster zur Ansteuerung der Halbleiterschalter eines Solarwechselrichters,
4 : beispielhafte Strom-Spannungs-Generatorkennlinien eines Photovoltaikgenerators, welcher vier verschaltete Solarmodule gemäß dem Beispiel in 1 und 2 und eine beispielhafte Knickstelle aufweist, und
5 : beispielhafte Generator-Kennlinienscharen in Abhängigkeit von der Solarzellentemperatur und der Einstrahlungsintensität, eine zugehörige normierte Generatorkennlinie und eine betriebliche Grenzkennlinie.
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Photovoltaikanlage PAS, mit einer Messeinrichtung MV zur Vermessung einer Generatorkennlinie eines Photovoltaikgenerators PV nach dem Stand der Technik. Dabei wurde eine besonders einfacher Messaufbau zur Erläuterung des Messprinzips gewählt. Beispielhafte Verläufe einer Generatorkennlinie sind in den 4 und 5 dargestellt.
In einem Einspeisebetrieb ist über einen Schalter 5 in der Schalterstellung P1 ein Photovoltaikgenerator PV mit einem Solarwechselrichter WRS verbunden, so dass eine ausgangsseitige Einspeisung in ein elektrisches Netz U_N möglich wird. Der Photovoltaikgenerator PV ist im Beispiel der Figur der Einfachheit halber aus einer Parallelschaltung von zwei Reihenschaltungen aus je zwei Solarmodulen SM1-SM4 aufgebaut. Die Solarmodule SM1-SM4 eines Photovoltaikgenerators PV können dabei eine Vielzahl von Solarzellen aufweisen, welche üblicherweise als „String" in Reihe geschaltet und mäanderförmig angeordnet sind. Zur Vermeidung von unverhältnismäßig großen Einspeiseverlusten wird z.B. über einen Teil des „Strings" des Solarmoduls SM1-SM4, wie z.B. zwischen zwei Mäandern eines „Strings", eine Bypassdiode D1-D4 geschaltet, so dass der Ausfall einer oder mehrerer Solarzellen in einem „String" nicht zu einem Ausfall des ganzen „String" führt. Die Verschaltung der Solarzellen mittels Bypass-Dioden D1-D4 wird der Einfachheit halber exemplarisch durch eine Bypass-Diode D1-D4 für je ein Solarmodul SM1-SM4 dargestellt. Weiterhin ist die am Photovoltaikgenerator PV anliegende Spannung US sowie der zugehörige elektrische Strom IS in die Figur eingetragen.
In einem Messbetrieb kann durch Umlegen des Schalters S in die Schalterstellung P2 eine für den jeweiligen Photovoltaikgenerator PV charakteristische Strom-Spannungs-Generatorkennlinie vermessen werden. Dazu dient eine beispielhaft dargestellte variable ohmsche Last RL, welche ein „Durchfahren" der Generatorkennlinie vom Kurzschluss (RL = 0Ω) bis zum Leerlauf (RL = ∝Ω) erlaubt. Für jeden Belastungspunkt kann dann der jeweilige Strom IS und die jeweilige Spannung US mittels eines Strom- und Spannungsmessers (A,V) gemessen werden.
In der Praxis wird auf den Schalter S verzichtet, und ein elektronisches Bauelement, wie z.B. ein FET-Transistor, parallel zur Einspeisung am Solarwechselrichter WRS angeordnet. Dieses wird dann zur Einstellung der gewünschten ohmschen Last angesteuert. Die Ansteuerung kann z.B, über einen Digital-/Analog-Ausgang eines Messrechners erfolgen.
2 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Photovoltaikanlage PA mit einem Solarwechselrichter WR gemäß der Erfindung. Der Solarwechselrichter WR weist dabei zusätzliche Mittel zur Vermessung einer Generatorkennlinie eines Photovoltaikgenerators PV, Vergleichsmittel und Ausgabemittel BUS für Wartungshinweise WH1-WH3 auf. Die o.g. Mittel können z.B. durch einen in der 2 dargestellten programmierbaren Mikrocontroller MC verwirklicht werden. Zusätzlich können neben den Wartungshinweisen WH1-WH3 auch gemessene Generatorkennlinien der jeweiligen Solarwechselrichter WR ausgegeben werden. Die Ausgabemittel BUS können z.B. eine Datenverbindung, wie z.B. eine draht- oder funkbasierende Busverbindung sein. Die Wartungshinweise WH1-WH3 und/oder die Generatorkennlinien können auch an eine übergeordnete Anlagenleitebene zur zentralen Steuerung und Betriebsführung der Photovoltaikanlage übermittelt werden. Ein möglicher Leitrechner der Anlagenleitebene kann dabei zentral die Steuerung und Betriebsführung, die Weiterbehandlung der Wartungshinweise WH1-WH3 sowie einen Vergleich der übermittelten Generatorkennlinien mit hinterlegten betrieblichen Grenzkennlinien übernehmen.
Damit ist vorteilhaft die Ausgabe von automatisierten Wartungshinweisen WH1-WH3 an den Betreiber einer Photovoltaikanlage PA möglich, falls eine Abschattung, eine übermäßige Verschmutzung, ein Ausfall oder eine Leistungsdegradation einer oder mehrerer Solarzellen zumindest eines Solarmoduls SM1-SM4 eines Photovoltaikgenerators PV vorliegt. Die Anlagenleitebene kann dabei wiederum eine Vielzahl von verteilt angeordneten Solarwechselrichter WR steuern, welche ihrerseits von Photovoltaikgeneratoren PV gespeist werden.
Teueres Wartungspersonal ist vorteilhaft nur dann anzufordern, wenn ein entsprechender Wartungshinweis WH1-WH3 beim Betreiber eingegangen ist.
Erfindungsgemäß weist der Solarwechselrichter WR eine Eingangsseite +,- zum Anschluss zumindest eines Photovoltaikgenerators PV, eine Ausgangsseite L,N zur Netzeinspeisung U_N sowie zumindest einen Energiespeicher W, C, Dioden D11,D12 sowie Halbleiterschalter S1-S5 zur Erzeugung der ausgangseitigen Wechselspannung auf. Die Halbleiterschalter S1-S5 können z.B. MOSFET-Transistoren oder IGBTs sein.
Im Beispiel der 3 ist dazu ein beispielhaftes Pulsmuster zur Ansteuerung der Halbleiterschalter S1-S5 eines Solarwechselrichters WR dargestellt. Die pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Halbleiterschalter Sl,S2 führt dabei zu einer Aufwärtswandlung der Eingangsspannung US mit Hilfe der beiden Energiespeicher C und W. Die Halbleiterschalter S3-S5 schalten die dann erzeugten sinusförmigen Halbwellen als „Polwender" auf den Ausgang L,N. Ein Filterkondensator CF dient abschließend der Glättung der Ausgangsspannung U_N.
Der Solarwechselrichter WR weist ferner im Beispiel der 2 einen Mikrocontroller MC als Datenverarbeitungseinheit zumindest zur Ansteuerung der Halbleiterschalter S1-S5 auf. Messmittel A,V dienen dabei der Erfassung der elektrischen Ein- und Ausgangsgrößen IS, US, U_N für die Steuerung bzw. Regelung des Solarwechselrichters WR. Erfindungsgemäß sind die Halbleiterschalter S1-S5 durch den Mikrocontroller MC so ansteuerbar, dass zumindest ein Teil einer charakteristischen Strom-Spannungs-Generatorkennlinie eines angeschlossenen Photovoltaikgenerators PV vermessbar ist. Dabei können die Halbleiterschalter S1-S5 durch den Mikrocontroller MC so ansteuert werden, dass eine vorgebbare elektrische Netzeinspeiseleistung einstellbar ist, welche dann wie eine einstellbare Last RL für das Photovoltaikgenerator PV wirkt.
Die bereits vorhandenen Halbleiterschalter S1-S5 sowie die Messmittel A,V des Solarwechselrichters WR können dabei vorteilhaft zur Vermessung der Generatorkennlinie eines Photovoltaikgenerators PV verwendet werden. Dadurch kann vorteil haft auf eine zusätzliche Messeinrichtung MV bzw. mehrerer Messeinrichtungen MV bei entfernt zueinander angeordneten Photovoltaikgeneratoren PV verzichtet werden.
Die Halbleiterschalter Sl-S5 können ferner durch den Mikrocontroller MC so ansteuert werden, dass eine variable elektrische Netzeinspeiseleistung ausgehend von einem maximalen Leistungspunkt in beiden Richtungen auf der Generatorkennlinie einstellbar ist. Der Mikrocontroller MC weist im Beispiel der vorliegenden 2 Ausgabemittel BUS für einen ersten Wartungshinweis WH1 auf, falls der zumindest eine Teil der vermessenen Generatorkennlinie mindestens eine Knickstelle aufweist. Zudem kann der Solarwechselrichter WR eine Anschlussmöglichkeit für einen Temperatursensor TS und/oder einen Einstrahlungsintensitäts-Sensor ES für den beispielhaft dargestellten Photovoltaikgenerator PV sowie die Vergleichsmittel und Ausgabemittel für die ersten bis dritten Wartungshinweise WH1-WH3 aufweisen. Stellvertretend kann für mehrere Photovoltaikgeneratoren PV auch nur ein Sensor TS,ES verwendet werden, falls diese bezüglich der Sonneneinstrahlung die gleiche Ausrichtung besitzen. Die jeweiligen Messwerte T,ε können auch z.B. vom Mikrocontroller MC direkt erfasst werden. Dadurch sind die gemessenen Generatorkennlinien KL1-KL3,KLF rechnerisch in eine normierte Generatorkennlinie KLO abbildbar. Die für eine rechnerische Normierung notwendigen Bezugswerte T₀ bzw. ε₀ können dabei z.B. im Mikrocontroller MC hinterlegt werden. Die Vergleichsmittel dienen einem anschließenden Vergleich zwischen einer aktuell errechneten normierten Generatorkennlinie KLO mit einer weiterhin im Mikrocontroller MC hinterlegten betrieblichen Grenzkennlinie KLOV.
4 zeigt eine beispielhafte normierte Strom-Spannungs-Generatorkennlinie KLO eines Photovoltaikgenerators PV für einen störungsfreien Betrieb sowie eine schon gleichfalls normierte Strom-Spannungs-Generatorkennlinie KLF für einen gestörten Betriebsfall mit einer beispielhaften Knickstelle KN.
Die Generatorkennlinie KL0 resultiert aus einer Überlagerung aus vier Teilgeneratorkennlinien KLSM1-KLSM4 der vier verschalteten Solarmodule SM1-SM4 gemäß dem Beispiel in 1 und 2, die störbehaftete Generatorkennlinie KLF aus einer Überlagerung der störungsfreien Teilgeneratorkennlinien KLSM1-KLSM3 und einer störbehafteten Teilgeneratorkennlinie KLSM4'. Die Addition der einzelnen Teilgeneratorkennlinien KLSM1-KLSM4,KLSM4' erfolgt dabei gemäß den Kirchhoffschen Regeln. Auf der Abszisse ist die jeweilige am Photovoltaikgenerator PV abfallende Spannung US, auf der Ordinate der zugehörige Strom IS eingetragen. IG bezeichnet dabei im Diagramm den Kurzschlussstrom IG durch den gesamten Photovoltaikgenerator PV. USM bzw. 2USM ist die entsprechende Leerlaufspannung an einem Solarmodul SM1-SM4 bzw. die gesamte an den beiden Reihenschaltungen aus den Solarmodulen SM1,SM2 und SM3,SM4 anliegende Leerlaufspannung.
Das Entstehen der bereits o.g. Knickstelle KN wird durch eine graphische Superposition der Teilgeneratorkennlinien KLSM1-KLSM3,KLSM4' deutlich. Dazu wurde angenommen, dass das Solarmodul SM4 zur Hälfte abgeschattet sei und dieses folglich nur die Hälfte des Solarmodulstroms ISM bereitstellen könne. Bei kleinen Solarmodulspannungen bestimmt das Solarmodul SM3 den Strom durch die Solarmodule SM3 und SM4, dagegen bestimmt das Solarmodul SM4 den Strom bei großen Solarmodulspannungen. Der Einfachheit halber wurde die über den Bypassdioden D1-D4 abfallende Durchlassspannung vernachlässigt.
Erfindungsgemäß kann zumindest ein Teil der Generatorkennlinie des Photovoltaikgenerators PV wiederholt in kurzen Zeiträumen vermessen A,V werden, und dann ein automatisierter erster Wartungshinweis WH1 ausgegeben wird, falls der zumindest eine Teil der vermessenen Generatorkennlinie KLF mindestens eine Knickstelle KN aufweist.
Damit ist vorteilhaft die Erkennung einer Abschattung, einer übermäßigen lokalen Verschmutzung oder die Erkennung eines Ausfalls einer oder mehrerer Solarzellen zumindest eines Solarmoduls SM1-SM4 eines Photovoltaikgenerators PV während des Betriebs oder bei einer Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage PA möglich.
5 zeigt beispielhafte Generator-Kennlinienscharen KL1-KL3, welche in Abhängigkeit von der Solarzellentemperatur T und der Einstrahlungsintensität ε verformt werden, sowie die zugehörige normierte Generatorkennlinie KLO gemäß 4 und eine betriebliche Grenzkennlinie KLOV. ISO,ISOV bzw. VSO,VSOV bezeichnen die zu den beiden Generatorkennlinien KL0 bzw. KLOV eingetragenen Kurzschlussströme bzw. Leerlaufspannungen. Zusätzlich ist in den jeweiligen Generatorkennlinien der maximale Leistungspunkt MPP, MPPO,MPPOV eingetragen. In diesem „Arbeitspunkt" herrscht Anpassung, d.h. es ist eine maximale Entnahme von elektrischer Leistung aus dem Photovoltaikgenerator PV möglich. Die jeweilige elektrische Leistung eines Punktes auf der Generatorkennlinie kann dabei rechnerisch durch Produktbildung aus dem aktuellen Strom- und Spannungswert IS,US ermittelt werden.
Die Generatorkennlinie KL1 zeigt auch nochmals zur Verdeutlichung, in welche Richtung sich die Generatorkennlinie mit zunehmenden Werten für die Einstrahlungsintensität e verformen. KL2 zeigt die Verformung von Generatorkennlinien für zunehmende Temperaturen T.
Erfindungsgemäß kann nun ein zweiter Wartungshinweis WH2 ausgegeben werden, falls ein Teil der Generatorkennlinie KL1-KL3,KLF eine vorgebbare normierte betriebliche Grenzkennlinie KLOV zumindest in einem Punkt unterschritten wird (siehe 5). Weiterhin kann gemäß der Erfindung, wie bereits gezeigt, der maximale Leistungspunkt MPPO auf der Generatorkennlinie ermittelt werden und dann ein dritter Wartungshinweis WH3 ausgegeben werden, falls ein vorgebbarer normierter maximaler Grenzleistungspunkt MPPOV unterschritten wird.
Damit ist vorteilhaft eine Leistungsdegradation oder eine übermäßige flächige Verschmutzung der Photovoltaikgeneratoren PV durch einen automatisierten Vergleich detektierbar.
Weiterhin kann gemäß der Erfindung die aktuelle Temperatur T der Solarzellen und/oder die aktuelle spektrale Einstrahlungsintensität ε zur Normierung KLO eines aktuell vermessenen Teils der Generatorkennlinie gemessen werden. Der vermessene Teil der Generatorkennlinie kann weiterhin erfindungsgemäß auf eine Temperatur T₀ von 298K bei einer spektralen Einstrahlungsintensität ε₀ von 1000W/m² auf Basis eines AM 1,5-Spektrums nach der IEC-Norm 904-3, Teil III, normiert sein.
Dadurch ist vorteilhaft eine weitgehend von aktuellen Umwelteinflüssen wie Sonneneinstrahlung und Temperatur unabhängige und somit exaktere messtechnische Bewertung der gemessenen Generatorkennlinien KL1-KL3,KLF möglich. Damit ist weiterhin eine vorteilhaft höhere Zuverlässigkeit bezüglich der auszugebenden Wartungshinweise WH1-WH3 erzielbar.
Es kann gemäß der Erfindung der Bereich um den maximalen Leistungspunkt MPP,MPPO auf der Generatorkennlinie KL1-KL3,KLF als zumindest eine Teil der Generatorkennlinie KL1-KL3,KLF des Photovoltaikgenerators PV vermessen werden. Insbesondere wird der Bereich mit geringen Generatorspannungen US „vermieden", um eine elektrische Eigenversorgung des Solarwechselrichters WR mit einer Mindestspannung aufrechtzuerhalten. Dadurch kann vorteilhaft auf eine Pufferung der Energieversorgung verzichtet werden.
Es können auch zusätzlich als zumindest eine Teil der Generatorkennlinie KL1-KL3,KLF des Photovoltaikgenerators PV Bereich mit starker Krümmung auf der Generatorkennlinie KL1-KL3,KLF vermessen werden. Ein Bereich mit starker Krümmung kann z.B. der Bereich um den maximalen Leistungspunkt MPP,MPPO sein. Weitere Bereich sind z.B. die o.g. Knickstellen KN, die z.B. bei noch geringer Ausprägung messtechnisch beobachtet werden können. Zur Vermessung zumindest eines Teils der Generatorkennlinie KL1-KL3,KLF kann eine vorgebbare elektrische Netzeinspeiseleistung als aktive Last RL für die Photovoltaikgeneratoren PV eingestellt werden. Die variable Netzeinspeiseleistung wirkt dabei wie eine variable elektrische Belastung der Photovoltaikgeneratoren PV. Die betriebliche und vorzugsweise maximale Einspeiseleistung MPP wird dann nur für sehr kurze Zeiträume im Millisekundenbereich zur Vermessung abgesenkt.
Damit ist der Vorteil verbunden, dass zum einen die Bereiche der Generatorkennlinie vorzugsweise untersucht werden, in welchen signifikante Änderungen bei Störungen zu erwarten sind.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass durch eine vorgebbare Netzeinspeiseleistung bei der Vermessung eines Teils der Generatorkennlinie die sonst in der Messeinrichtung MV abfallende Verlustwärme nicht entsteht und folglich nicht abgeführt werden muss. Vielmehr geht diese Verlustleistung wegen der elektrischen Einspeisung in das Netz U_N nicht verloren.
Schließlich können gemäß der Erfindung die Photovoltaikgeneratoren PV während des Einspeisebetriebs und außerhalb der Messzeiträume vorzugsweise im maximalen Leistungspunkt MPP,MPPO auf der Generatorkennlinie KL1-KL3,KLF betrieben werden, so dass vorteilhaft ein maximaler wirtschaftlicher Betrieb der Photovoltaikanlage PA ermöglicht wird.

Claims

Verfahren zur Diagnose von Photovoltaikgeneratoren (PV) einer Photovoltaikanlage (PA) während eines Einspeisebetriebs, wobei ein Photovoltaikgenerator (PV) ein oder mehrere Solarmodule (SM1-SM4) und eine zugehörige charakteristische Strom-Spannungs-Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF) aufweist, und wobei ein Solarmodul (SM1-SM4) mehrere untereinander verschaltete Solarzellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF) des Photovoltaikgenerators (PV) wiederholt in kurzen Zeiträumen vermessen (A,V) wird, und dann ein automatisierter erster Wartungshinweis (WH1) ausgegeben wird, falls der zumindest eine Teil der vermessenen Generatorkennlinie (KLF) mindestens eine Knickstelle (KN) aufweist.
Verfahren zur Diagnose von Photovoltaikgeneratoren (PV) einer Photovoltaikanlage (PA) während eines Einspeisebetriebs, wobei ein Photovoltaikgenerator (PV) ein oder mehrere Solarmodule (SM1-SM4) und eine zugehörige charakteristische Strom-Spannungs-Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF) aufweist, und wobei ein Solarmodul (SM1-SM4) mehrere untereinander verschaltete Solarzellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) zumindest ein Teil der Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF) des Photovoltaikgenerators (PV) wiederholt in kurzen Zeiträumen vermessen (A,V) wird, und b) dann ein automatisierter zweiter Wartungshinweis (WH2) ausgegeben wird, falls der zumindest eine Teil der Generatorkennlinie eine vorgebbare betriebliche Grenzkennlinie (KLOV) zumindest in einem Punkt unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der maximale Leistungspunkt (MPP) auf dem zumindest einen Teil der Generatorkennlinie ermittelt wird und dann ein dritter Wartungshinweis (WH3) ausgegeben wird, falls ein vorgebbarer maximaler Grenzleistungspunkt (MPPOV) unterschritten wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine aktuelle Temperatur (T) der Solarzellen und/oder eine aktuelle spektrale Einstrahlungsintensität (ε) zur Normierung (KLO) eines aktuell vermessenen Teils der Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Normierung (KLO) auf eine Temperatur (T₀) von 298K bei einer spektralen Einstrahlungsintensität (ε₀) von 1000W/m² auf Basis eines AM 1,5-Spektrums nach der IEC-Norm 904-3, Teil III, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei als zumindest eine Teil der aktuell vermessenen und ggf. normierten Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF,KLO) des Photovoltaikgenerators (PV) Bereiche mit starker Krümmung auf der Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF,KLO) vermessen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Bereich mit starker Krümmung um den maximalen Leistungspunkt (MPP, MPPO) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Photovoltaikgeneratoren (PV) während des Einspeisebetriebs und außerhalb der Messzeiträume vorzugsweise im maximalen Leistungspunkt (MPP,MPPO) auf der Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF,KLO) betrieben werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zur Vermessung zumindest eines Teils der Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF) eine vorgebbare elektrische Netzein speiseleistung als aktive Last für die Photovoltaikgeneratoren (PV) eingestellt wird.
Solarwechselrichter (WR) zur Einspeisung in ein elektrisches Netz (U_N), insbesondere in ein 1-phasiges oder 3-phasiges 50Hz- bzw. 60Hz-Wechselspannungsnetz, mit a) einer Eingangsseite (+,-) zum Anschluss zumindest eines Photovoltaikgenerators (PV), b) einer Ausgangsseite (L,N) zur Netzeinspeisung (U_N), c) zumindest einem Energiespeicher (W, C), Dioden (D11,D12) und Halbleiterschaltern (S1-S5) zur Erzeugung der ausgangseitigen Wechselspannung bzw. Wechselspannungen (U_N), d) einen Mikrocontroller (MC) zumindest zur Ansteuerung der Halbleiterschalter (Sl-SS), und e) Messmittel (A,V) zumindest zur Erfassung der elektrischen Ein- und Ausgangsgrößen (IS,US,U_N) für die Steuerung des Solarwechselrichters (WR), gekennzeichnet durch den Mikrocontroller (MC), welcher die Halbleiterschalter (S1-S5) so ansteuert, dass zumindest ein Teil einer charakteristischen Strom-Spannungs-Generatorkennlinie (KL1-KL3, KLF) eines angeschlossenen Photovoltaikgenerators (PV) vermessbar ist.
Solarwechselrichter (WR) nach Anspruch 10, wobei die Halbleiterschalter (S1-S5) so ansteuerbar sind, dass eine vorgebbare elektrische Netzeinspeiseleistung einstellbar ist.
Solarwechselrichter (WR) nach Anspruch 10 und 11, wobei der Mikrocontroller (MC) die Halbleiterschalter (Sl-S5) so ansteuert, dass eine variable elektrische Netzeinspeiseleistung ausgehend von einem maximalen Leistungspunkt (MPP) in beiden Richtungen auf der Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF) einstellbar ist.
Solarwechselrichter (WR) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 12, mit Ausgabemitteln (BUS) für einen ersten Wartungshinweis (WH1), falls der zumindest eine Teil der vermessenen Generatorkennlinie (KL1-KL3,KLF) mindestens eine Knickstelle (KN) aufweist.
Solarwechselrichter (WR) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 13, mit Vergleichsmitteln und Ausgabemitteln (BUS) für einen zweiten und dritten Wartungshinweis (WH2, WH3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 oder 3.
Solarwechselrichter (WR) nach Anspruch 13 oder 14 a) mit einer Anschlussmöglichkeit für einen Temperatursensor (TS) und/oder einen Einstrahlungsintensitäts-Sensor (ES) für einen Photovoltaikgenerator (PV), und b) den Vergleichsmitteln und Ausgabemitteln (BUS) für Wartungshinweise (WH1-WH3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Photovoltaikanlage (PA) zur Einspeisung in ein elektrisches Netz (U_N) mit zumindest einem Solarwechselrichter (WR) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 15 mit zumindest einem angeschlossenen Photovoltaikgenerator (PV).
Photovoltaikanlage (PA) nach Anspruch 16, wobei die jeweiligen Solarwechselrichter (WR) datentechnisch (BUS) mit einer Anlagenleitebene zur zentralen Steuerung und Betriebsführung der Photovoltaikanlage (PA) verbunden sind, u.a. zur Übermittlung der Wartungshinweise (WH1-WH3) und/oder von gemessenen Generatorkennlinien (KL1-KL3,KLF) der jeweiligen Solarwechselrichter (WR) zur zentralen Ausgabe von Wartungshinweisen (WH1-WH3).