DE112014000638B4

DE112014000638B4 - Solarzellen-Regelvorrichtung

Info

Publication number: DE112014000638B4
Application number: DE112014000638.6T
Authority: DE
Inventors: Kohei Ohnishi; Masanori Kurita; Shunsuke MATSUNAGA; Toru KOUNO; Masaaki Fujimori
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: DE112014000638T5; CN105074604B; JP6097601B2; WO2014141760A1; CN105074604A; JP2014174777A

Abstract

Solarzellen-Regelvorrichtung, umfassend:
eine Leistungsmesseinheit (31), die einen Leistungswert einer Solarzelle (7) misst;
eine Spannungsregeleinheit (4), die eine Betriebsspannung der Solarzelle (7) bestimmt; und
eine Mittelungseinheit (3), die den Leistungswert integriert und einen Mittelwert des Leistungswerts berechnet; dadurch gekennzeichnet, dass
die Solarzellen-Regelvorrichtung weiters umfasst:
eine Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit (5), die einen Schwellenwert, der aus den Abweichungsinformationen des Leistungswerts und der Anzahl von Malen der Integration berechnet wird, mit einem Absolutwert eines Differenzwerts des in der Leistungsmesseinheit (31) gemessenen Leistungswerts und dem Durchschnittswert vergleicht und die Integration beendet und einen Spannungsbefehlswert erzeugt, um die Betriebsspannung zu bestimmen, wenn der Absolutwert des Differenzwerts größer als der Schwellenwert ist.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzellen-Regelvorrichtung.
Stand der Technik
Eine Solarzelle weist eine Charakteristik auf, dass sich die Ausgangsleistung bei einer Betriebsspannung und einem Betriebsstrom entsprechend einer Änderung eines Sonneneinstrahlungs- oder T.emperaturbetrags ändert. Aus diesem Grund gewinnt es bei der Regelung der Solarzelle an Bedeutung, eine Ausgangsspannung der Solarzelle auf einen Betriebspunkt einzustellen, um die Maximalleistung zu entnehmen (im Folgenden als Maximalleistungspunkt bezeichnet). Eine Regelung zum automatischen Verfolgen des Maximalleistungsbetriebspunkts und Verbessern der Energieerzeugungseffizienz der Solarzelle wird als Maximalleistungspunkt-Folgeregelung bezeichnet.
Für die Maximalleistungspunkt-Folgeregelung werden viele Verfahren vorgeschlagen. Von diesen wird ein Aufstiegsverfahren, bei dem die Folgeleistungsfähigkeit relativ gut ist und eine Abfolge einfach ist, weit verbreitet eingesetzt und die Abfolge ist in PTL 1 beschrieben. Wenn beim Aufstiegsverfahren ein Änderungsbetrag ΔP der Leistung P zum Zeitpunkt des Addierens einer Überlagerungsspannung ΔV während des Betriebs bei einer Ausgangsspannung V0 positiv ist, wird ermittelt, dass die Ausgangsspannung V0 kleiner als eine Maximalleistungspunktspannung Vmax ist und V0 + ΔV wird auf einen neuen Betriebspunkt eingestellt. Wenn der Änderungsbetrag ΔP negativ ist, wird ermittelt, dass die Ausgangsspannung V0 größer als die Maximalleistungspunktspannung Vmax ist und V0 - ΔV wird auf einen neuen Betriebspunkt eingestellt. Durch Wiederholen der obigen Operation nähert sich ein Ausgang der Solarzelle kurzzeitig einem Maximalleistungspunkt.
Zusätzlich wird in PTL 2 ein Regelverfahren zum Realisieren einer schnellen Verfolgung auf einen Maximalleistungspunkt offenbart. Wenn sich eine Betriebsspannung um die Anzahl von Malen, die in einer beliebigen Richtung von einer Anstiegsrichtung und einer Abfallrichtung ändert, wird die Regelung so durchgeführt, dass eine Änderungsbreite der Betriebsspannung relativ groß wird, und wenn sich die Betriebsspannung wiederholt in der Anstiegsrichtung und der Abfallrichtung ändert, wird die Regelung so durchgeführt, dass die Änderungsbreite der Betriebsspannung relativ klein wird. Auf diese Weise wird eine schnelle Verfolgung realisiert.
Liste der Anführungen
Patentliteratur

PTL 1: JP S61- 97 721 A
PTL 2: JP H08- 44 445 A

Die Druckschrift „Modular power conditioning unit for photovoltaic applications“ von BHIDE, R.; BHAT, S. R. (Power Electronics Specialists Conference, 1992. PESC '92 Record., 23rd Annual IEEE. 1992, S. 708-713) betrifft eine Vorrichtung für eine Fotovoltaikanlage mit einer Leistungssteuerungseinheit, welche modular aufgebaut ist und über einen Mikrocontroller gesteuert wird.
Die Druckschrift „Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques", von ESRAM, CHAPMAN (Energy Conversion, IEEE Transactions on, vol. 22, 2007, no.2, S. 439-449) betrifft einen Vergleich von Fotovoltaikleistungsüberwachungsmethoden.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei der in PTL 1 offenbarten Maximalleistungspunkt-Folgeregelung ist es möglich, für eine Charakteristik, dass eine Änderung eines Sonneneinstrahlungs- oder Temperaturbetrags gering ist, den Nachbarbereich des Maximalleistungspunkts zu verfolgen. Wenn sich jedoch die Sonneneinstrahlung rasch ändert, wird nach einer großen Abweichung vom Maximalleistungspunkt wieder ein Aufstieg durchgeführt und der Energieverlust nimmt zu. Aus diesem Grund wird betrachtet, dass das Aufstiegsverfahren in schnellem Zeittakt durchgeführt wird, eine Erreichungszeit bis zum Maximalleistungspunkt verringert wird und der Energieverlust abnimmt. Jedoch ist ein Effekt der Beschleunigung des Aufstiegsverfahrens nur bei einer Geschwindigkeit einer bestimmten konstanten Änderung der Sonneneinstrahlung wirksam, und wenn sich der Sonneneinstrahlungsbetrag mit einer geringeren Geschwindigkeit ändert als der Geschwindigkeit, kann es sein, dass eine Befehlsspannung durch die Maximalleistungspunkt-Folgeregelung nicht mit einer Ist-Spannung des Maximalleistungspunkts in Übereinstimmung gebracht wird und ein neuer Energieverlust stattfindet.
Wenn die in PTL 2 offenbarte Maximalleistungspunkt-Folgeregelung verwendet wird, nimmt eine Änderungsbreite der Betriebsspannung zu, wenn eine Änderungsbreite des Sonneneinstrahlungsbetrags zunimmt. Deshalb kann der Maximalleistungspunkt mit hoher Geschwindigkeit verfolgt werden. Das Überlagerungssignal muss jedoch anliegen, bis eine Ist-Spannung einer Änderung eines Spannungsbefehlswerts folgt. Diese Zeitdauer kann jedoch eine relativ lange Zeitdauer werden, abhängig von einer Charakteristik einer Lasteinrichtung. Beim Abnehmen eines Spannungs- oder Stromwerts wird ein periodisches Abtasten zum Berechnen eines Durchschnittswerts durchgeführt und ein Abfolgevorgang von der Erfassung des Mittelwerts wird in einem konstanten Zyklus von 0,1 bis 1 Sekunde durchgeführt. Aus diesem Grund bedarf es einiger Zeit für einen Folgevorgang und es ist unmöglich, eine Änderung des Betriebspunkts, der durch Sonneneinstrahlungs- und Lastschwankungen verursacht ist, zu verfolgen.
Entsprechend wurde die vorliegende Erfindung im Hinblick auf das oben beschriebene Problem beim Stand der Technik entwickelt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Solarzellen-Regelvorrichtung bereitzustellen, die einer raschen Änderung eines Sonneneinstrahlungsbetrags entsprechen kann.
Technische Lösung
Ein repräsentatives Mittel vorliegenden Erfindung zum Lösen des Problems ist eine Solarzellen-Regelvorrichtung, beinhaltend: eine Leistungsmesseinheit, die einen Leistungswert einer Solarzelle misst; eine Spannungsregeleinheit, die eine Betriebsspannung der Solarzelle bestimmt; eine Mittelungseinheit, die den Leistungswert integriert und einen Mittelwert des Leistungswerts berechnet; und eine Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit, die einen Schwellenwert, der aus den Abweichungsinformationen des Leistungswerts und der Anzahl von Malen der Integration berechnet wird, mit einem Absolutwert eines Differenzwerts des in der Leistungsmesseinheit gemessenen Leistungswerts und dem Durchschnittswert vergleicht und die Integration beendet und einen Spannungsbefehlswert erzeugt, um die Betriebsspannung zu bestimmen, wenn der Absolutwert des Differenzwerts größer als der Schwellenwert ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Wenn die vorliegende Erfindung durch die oben beschrieben Mittel eingesetzt wird, kann eine Regelvorrichtung eines photovoltaischen Energieerzeugungssystems mit höherem Wirkungsgrad bereitgestellt werden.
Figurenliste

[1] 1 ist ein Blockschaubild, das eine Konfiguration eines photovoltaischen Energieerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
[2] 2 ist ein Blockschaubild einer Leistungsmittelungseinheit.
[3] 3 ist ein Konfigurationsblockschaubild einer automatischen Spannungsregelung (AVR).
[4(a)] 4 ist ein Ablaufplan einer Maximalleistungspunkt-Folgeregelung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[4(b)] 4(b) ist ein Ablaufplan einer Einstellung der Bewegungsspannungsbreite gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[5(a)] 5(a) ist eine Zeittabelle des Falls, in dem ein Aufstiegsverfahren gemäß dem Stand der Technik angewandt wird.
[5(b)] 5(b) ist eine Zeittabelle, die einen Effekt der Erfindung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
[5(c)] 5(c) ist eine Zeittabelle, die einen Effekt einer Änderung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
[6 (a)] 6 (a) ist ein Ablaufplan, der einen Rückkehrbetrieb von einer Betriebsaufrechterhaltung während einer Systemstörung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
[6(b)] 6(b) ist ein Ablaufplan einer Bewegungsspannungsbreite gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[7] 7 ist eine Zeittabelle, die einen Effekt der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Konfigurationsblockschaubild eines photovoltaischen Energieerzeugungssystems, bei dem ein Energieaufbereiter 7 übernommen wurde. Der Energieaufbereiter 7 wandelt Gleichstrom, der von einer Solarzellenanordnung 1 erzeugt wird, in Wechselstrom um, der mit einer Wechselstromnetzleitung 6 eines Systems synchronisiert wird. Die allgemeine Netzleitung 6 ist eine Leitung, bei der eine Wechselspannung 200 oder 400 V und eine Frequenz 50 oder 60 Hz beträgt. Die Netzleitung 6 ist eine Leitung, an die Lasten von allgemeinen Verbrauchern angeschlossen sind. Der Energieaufbereiter 7 enthält einen Wechselrichter 2, eine Leistungsmesseinheit 31, eine Spannungsmesseinheit 32, eine Leistungsmittelungseinheit 3, eine automatischen Spannungsregeleinheit (AVR) 4 und eine Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit 5. Der Wechselrichter 2 wandelt die Gleichstromleistung, die von der Solarzellenanordnung 1 erzeugt wird, in Wechselstromleistung (kommerzielle Leistung) um, die mit einer Systemspannung synchronisiert wird. Vom der automatischen Spannungsregeleinheit (AVR-Einheit) 4 wird ein PWM-Signal in den Wechselrichter 2 eingespeist, um eine Betriebsspannung der Solarzellenanordnung 1 zu regeln.
Die von der Solarzellenanordnung 1 erzeugte Leistung wird in Form einer Gleichstromleistung in den Wechselrichter 2 des Energieaufbereiters 7, und eine Gleichspannung von der Leistungsmesseinheit 31 und der Spannungsmesseinheit 32 dienen als Informationen zum Regeln eines Ausgangs der Solarzellenanordnung 1. Die Leistungsinformationen, die zum Energieaufbereiter 7 geführt werden, werden gemittelt, indem eine Vielzahl von periodischen Abtastungen in der Leistungsmittelungseinheit 3 durchgeführt wird. Zwei Informationen von den Leistungsinformationen, bei denen die Messunsicherheit durch die Leistungsmittelungseinheit 3 unterdrückt wurde, und den Leistungsinformationen, die von der Solarzellenanordnung 1 abgenommen werden, werden zur Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit 5 übertragen. In der Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit 5 wird eine Einstellspannung für die nächste Suche nach einer weiter unten zu beschreibenden Logik ermittelt, und ein Spannungsbefehlswert wird an die AVR-Regeleinheit 4 übermittelt.
2 ist ein Blockschaubild, das eine Funktion der Leistungsmittelungseinheit veranschaulicht. Ein Wert der Gleichstromleistung, der zum gegenwärtigen Zeitpunkt abgenommen wird, wird als P[n] dargestellt und Werte von zuvor abgetasteten Gleichstromleistungen werden als P[n - 1], P[n - 2], ··· bzw. P[0] dargestellt. m ist eine Abtastanzahl, z^-1 ist ein Symbol, um einen Eingang nach Verzögerung des Eingangs um eine Abtastzeit auszugeben, und ein Mittelwert wird berechnet, indem ein Wert, der durch Addieren eines Ist-Werts zu durch vorherige Abtastungen erhaltenen Werten gewonnen wird, durch m dividiert wird. Das heißt, wenn eine Abtastanzahl zunimmt, wird die Unsicherheit Uc der Messdaten um das (√m)-fache verbessert. In Folgenden wird die Mittelung mit Hilfe einer Abtastung als Mittelungsvorgang bezeichnet.
3 ist ein Blockschaubild, das eine Funktion der AVR-Regeleinheit 4 veranschaulicht. Eine PI-Regelung wird unter Verwendung des Spannungsbefehlswerts, der von der Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit 5 übermittelt wird, und der Spannung, die von der Solarzellenanordnung 1 zum Energieaufbereiter 7 geführt wird, durchgeführt, und ein Vergleich mit einer Dreieckswelle wird durch den Komparator 9 durchgeführt, und ein Signal wird in ein PWM-Signal mit einem Stromflussverhältnis, das dem Spannungsbefehlswert entspricht, umgewandelt. Eine Übertragungsfunktion, die die PI-Regelung zeigt, ist als K2 × {K1 + (1/(τ·s))} dargestellt (K1 und K2 sind vorbestimmte Konstanten). Hier wird eine Zeit, bis die Ist-Spannung auf den Spannungsbefehlswert konvergiert auf ca. 5 τ eingestellt. Im Folgenden wird die Wartezeit bis zum Abschluss der Konvergenz als AVR-Wartezeit bezeichnet.
4(a) veranschaulicht einen Ablaufplan gemäß der vorliegenden Erfindung. Zuerst werden in Schritt S1 eine Gleichstromleistung P[m] und eine Gleichspannung V* von der Solarzellenanordnung 1 abgenommen und Pave[m - 1] wird von der Leistungsmittelungseinheit abgenommen. Pave[m - 1] ist die additiv gemittelte Leistung der Gleichstromleistungen P [0], P [1], ··· und P[m - 1]. Als Nächstes wird in Schritt S2 die Messunsicherheit Uc berechnet. Die Messunsicherheit Uc auf die (m - 1)-te Abtastung wird durch Berechnen einer Standardabweichung von P [0], P[1], ··· und P [m - 1] gewonnen. Im Allgemeinen ist bekannt, dass die Standardabweichung auf 1/√n gedrückt wird, wenn eine Anzahl der Abtastungen n zunimmt. Wenn hier angenommen wird, dass sich ein Sonneneinstrahlungsbetrag nicht ändert, befindet sich P[m] als m-ter Messwert grundsätzlich bei einem Mittelwert Pave[m - 1] von P[0], P[1], ···, und P[m - 1] ± der Standardabweichung Uc. Das heißt, wie in Schritt S3 veranschaulicht, wenn P[m] als m-ter Messwert beim Mittelwert Pave [m - 1] ± der Standardabweichung Uc liegt, gilt, dass eine Änderung des Sonneneinstrahlungsbetrags gering ist, und in Schritt S4 wird die Abtastanzahl erhöht (m++) und Pave[m - 1] für die Leistung eingesetzt. Eine Erhöhungsoperation wird durchgeführt, bis eine Abtastanzahl eine eingestellte Abtastanzahl n wird (Schritt S5). Wenn P[m] als m-ter Messwert nicht beim Mittelwert Pave [m - 1] ± der Standardabweichung Uc liegt, gilt, dass sich der Sonneneinstrahlungsbetrag rasch ändert und die jüngste Leistung P[m] nach der Änderung der Sonneneinstrahlung wird als Leistung übernommen (Schritt S6).
Sowohl im Fall, in dem der Mittelungsvorgang der Abtastanzahl n endet, und der Fall, in dem die Übernahme der jüngsten Leistung P[m] abgeschlossen ist, wird mit Hilfe der übernommenen Leistung ein Extremwert überwacht und in Schritt S7 bzw. S8 wird ermittelt, ob ein Betriebspunkt im Nachbarbereich des Extremwerts liegt. Als Verfahren zum Ermitteln des Extremwerts wird ein nachstehend zu beschreibendes Verfahren beispielhaft erläutert.
Beim Extremwert
[Mathematische Formel 1]
Mathematische Formel 1 $\frac{\partial P}{\partial V} = 0$
wird, da eine Formel 1 realisiert wird, folgende Relation durch Umformen realisiert.
[Mathematische Formel 2]
Mathematische Formel 2 $\begin{array}{l} \frac{\partial P}{\partial V} = I + V \cdot \frac{\partial I}{\partial V} = 0 \\ \frac{\partial P}{\partial V} = \frac{I}{V} \end{array}$
Wenn ein Spannungsbefehlswert während dieser Maximalleistungspunktregelung auf V2 gesetzt wird und eine Leistung eines übernommenen Leistungswerts auf P2 gesetzt wird, ein Spannungsbefehlswert während einer vorherigen Maximalleistungspunktregelung auf V1 und eine Leistung eines übernommenen Leistungswerts auf P1 gesetzt wird und Stromwerte als I1 = P1/V1 und 12 = P2/V2 berechnet werden, kann aus einer Relation ΔI = (I2 - I1), ΔV = (V2 - V1), I2 und V2 ermittelt werden, ob der Betriebspunkt im Nachbarbereich des Extremwerts liegt. Wenn in Schritt S8 ermittelt wird, dass der Betriebspunkt im Nachbarbereich des Extremwerts liegt, geht der Vorgang zu Schritt S10 über und eine normale Maximalleistungspunkt-Folgeregelung wie das Aufstiegsverfahren wird angewandt. Wenn festgestellt wird, dass der Betriebspunkt nicht im Nachbarbereich des Extremwerts liegt, geht der Vorgang zu Schritt S9 über und eine Bewegungsspannungsbreite wird nach der später zu beschreibenden Logik eingestellt.
Wenn die Schritte S9 und S10 enden, wird der Spannungsbefehlswert in Schritt S11 eingestellt. Wenn hier eine Differenz zwischen dem vorherigen Spannungsbefehlswert und dem aktuellen Spannungsbefehlswert gering ist, wird eine Wartezeit der AVR auf ca. 2 τ bei einer Zeitkonstante τ von 3 eingestellt. Wenn die Differenz zwischen dem vorherigen und dem aktuellen Spannungsbefehlswert groß ist, wird eine Wartezeitregelung der AVR wie das Einstellen der Wartezeit auf ca. 5 τ durchgeführt. Der Spannungsbefehlswert wird dann an die AVR-Regeleinheit 4 (Schritt S11) übermittelt und in Schritt S13 wird eine eingestellte Antwortzeit abgewartet. Wenn schließlich eine Variable m der Abtastanzahl auf 0 initialisiert wird und die Abtastanzahl n an die Leistungsmittelungseinheit 3 übermittelt wird (Schritt S14), endet eine Abfolge der Maximalleistungspunkt-Folgeregelung und der Vorgang wird zu Schritt S1 zurückgeführt.
Ein Verfahren zum Berechnen der Bewegungsspannungsbreite ist nachstehend detailliert beschrieben. Eine charakteristische Formel der Solarzelle wird durch eine Formel (3) dargestellt.
[Mathematische Formel 3]
Mathematische Formel 3 $I = I_{s c} \cdot p - I_{s} \cdot exp (\frac{q \cdot (V + I \cdot R_{s} \cdot N_{c e l l})}{n_{f} \cdot k \cdot T \cdot N_{c e l l}}) - \frac{V + I \cdot R_{s} \cdot N_{c e l l}}{R_{s h} \cdot N_{c e l l}}$
Hier stellt I einen Ausgangsstrom der Solarzelle dar, V stellt eine Ausgangsspannung der Solarzelle dar, Isc stellt einen Kurzschlussstrom dar, p stellt einen Sonneneinstrahlungsbetrag dar, Is stellt einen Sperrsättigungsstrom der Solarzelle dar, nf stellt eine Diodenübergangskonstante dar, k stellt eine Boltzmann-Konstante dar, T stellt eine Absoluttemperatur dar, Ncell stellt eine Zellenanzahl dar, q stellt einen Ladungsbetrag dar, Rs stellt einen seriellen Widerstandswert dar, beispielsweise eine Leitung zum Anschließen von Solarzellen, und Rsh stellt einen Nebenschlusswiderstand der Solarzelle dar. Zur Vereinfachung: wenn Rs ≈ 0 und Rsh ≈ ∞ eingestellt sind und eine Formel in eine Spannungsformel umgestellt wird, wird eine Formel (4) gewonnen.
[Mathematische Formel 4]
Mathematische Formel 4 $V = \frac{n_{f} \cdot k \cdot T \cdot T_{c e l l}}{q} ln (\frac{I_{s c} \cdot p - I}{I_{s}})$
Wenn ein Betriebsstromwert im Nachbarbereich des Extremwerts bei p1 vor der Änderung des Sonneneinstrahlungsbetrags auf Im1 und ein Stromwert bei p2 nach der Änderung des Sonneneinstrahlungsbetrags auf I1 eingestellt sind, sind die Spannungswerte vor und nach der Änderung einander gleich. Deshalb kann die Formel (4) wie folgt entwickelt werden.
[Mathematische Formel 5]
Mathematische Formel 5 $0 = N_{c e l l} \cdot \frac{n_{f} \cdot k \cdot T}{q} ln (\frac{I_{s c} \cdot p_{1} - I_{m 1}}{I_{s c} \cdot p_{2} - I_{1}})$
Da ein Logarithmus 1 wird, wird die folgende Relation realisiert.
[Mathematische Formel 6]
Mathematische Formel 6 $p_{2} = \frac{I_{s c} \cdot p_{1} - I_{m 1} + I_{1}}{I_{s c}}$
Wenn ein Betriebsstromwert im Nachbarbereich des Extremwerts bei p1 vor der Änderung des Sonneneinstrahlungsbetrags auf Im1 gesetzt wird, ein Stromwert bei p2 nach der Änderung des Sonneneinstrahlungsbetrags auf Im2 gesetzt wird und eine Spannungsbreite ΔV, die vor oder nach der Änderung zu verschieben ist, berechnet wird, wird eine Formel (7) gewonnen.
[Mathematische Formel 7]
Mathematische Formel 7 $Δ V = N_{c e l l} \cdot \frac{n_{f} \cdot k \cdot T}{q} ln (\frac{I_{s c} \cdot p_{1} - I_{m 1}}{I_{s c} \cdot p_{2} - I_{m 2}})$
Allgemein ist bekannt, dass eine Relation zwischen dem Kurzschlussstrom und dem maximalen Betriebsstrom sich zu einer Relation wie eine Formel (8) entwickelt, wenn sich der Sonneneinstrahlungsbetrag von der Charakteristik der Solarzelle unterscheidet. Wenn die Formel (8) für die Formel (7) eingesetzt wird, wird eine Relation einer Formel (9) realisiert.
[Mathematische Formel 8]
Mathematische Formel 8 $\frac{I_{m 1}}{I_{s c} \cdot p_{1}} = \frac{I_{m 2}}{I_{s c} \cdot p_{2}} = \frac{1}{j}$
[Mathematische Formel 9]
Mathematische Formel 9 $Δ V = N_{c e l l} \cdot \frac{n_{f} \cdot k \cdot T}{q} ln (\frac{p_{1}}{p_{2}})$
Hier wird die Formel (6) umgeformt und die Formel (8) wird verwendet, so dass die Formeln wie folgt umgestellt werden.
[Mathematische Formel 10]
Mathematische Formel 10 $\begin{array}{l} p_{2} = p_{1} - \frac{I_{m 1} - I_{1}}{I_{s c}} \\ \frac{p_{2}}{p_{1}} = 1 - \frac{I_{m 1} - I_{1}}{I_{s c} \cdot p_{1}} \\ \frac{p_{2}}{p_{1}} = 1 - \frac{I_{m 1} - I_{1}}{\frac{I_{m 1}}{j}} \\ \frac{I_{1}}{I_{m 1}} = j \cdot (\frac{p_{2}}{p_{1}} - 1) + 1 \end{array}$
Im Allgemeinen nimmt j einen Wert von ca. 0,9 an. Zur Vereinfachung: wenn j = 1,0 gesetzt wird, kann die Formel (9) mit Hilfe der Formel (10) als eine Formel (11) dargestellt werden.
[Mathematische Formel 11]
Mathematische Formel 11 $Δ V = N_{c e l l} \cdot \frac{n_{f} \cdot k \cdot T}{q} ln (\frac{I_{m 1}}{I_{1}})$
Hier kann ein Stromwert durch einen Leistungswert ersetzt werden, weil die Betriebsspannungen Im1 und I1 einander gleich sind.
Wenn in einem Ablauf von 4(a) eine Leistungswertleistung, die zum Zeitpunkt der vorherigen Maximalleistungspunktregelung abgenommen wurde, auf P1 gesetzt wird und eine Leistung eines Leistungswerts, die zum aktuellen Zeitpunkt abgenommen wird, auf P2 gesetzt wird, weist P2 die Unsicherheit Uc auf. Aus diesem Grund gibt es einen Ist-Wert in einem Bereich von P2 ± Uc. Wenn hier ein Ausdruck der Unsicherheit als Prozentangabe Uc' betrachtet wird, wird P2 × (1 ± Uc') gewonnen. Deshalb kann die Formel (11) durch eine Formel (12) oder (13) dargestellt werden.
[Mathematische Formel 12]
Mathematische Formel 12 $Δ V = N_{c e l l} \cdot \frac{n_{f} \cdot k \cdot T}{q} ln (\frac{P 1}{P 2 * (1 \pm U c')})$
[Mathematische Formel 13]
Mathematische Formel 13 $Δ V = N_{c e l l} \cdot \frac{n_{f} \cdot k \cdot T}{q} ln (\frac{P 1}{P 2}) - N_{c e l l} \cdot \frac{n_{f} \cdot k \cdot T}{q} ln (1 \pm U c')$
4(b) veranschaulicht einen detaillierten Ablaufplan der Bewegungsspannungsbreiteneinstellung von Schritt S9 der 4 (a). Zuerst wird in Schritt S15 ein Schwellenwert Pth zum Vergleich einer Größenrelation mit einem Leistungsverhältnis eingestellt. Der Schwellenwert wird von einer bedingten Verzweigung verwendet, um eine Schwankungsbreite festzulegen. Nachdem der Schwellenwert festgelegt wurde, wird ein Signalvorzeichen zum Festlegen einer Bewegungsrichtung einer Spannung von P2 und P1 durch 1 oder -1 gesetzt (Schritt S16). Der Fall Vorzeichen = 1 ist der Fall, in dem die Leistung zunimmt und die Unsicherheit Uc in eine Plus-Richtung verschoben wird. Der Fall Vorzeichen = -1 ist der Fall, in dem die Leistung abnimmt und die Unsicherheit Uc in eine Minus-Richtung verschoben wird. Als Nächstes wird in Schritt S17 ein Ausdruck der Unsicherheit in % umgewandelt. Schließlich wird das Leistungsverhältnis in Form eines Logarithmus der Formel (12) berechnet (Schritt S18).
Nachdem die Parameter eingestellt wurden, erfolgt ein Vergleich des Leistungsverhältnisses und des Schwellenwerts Pth. Wenn das Leistungsverhältnis ein größerer Wert als der Schwellenwert ist, wird der Schwellenwert Pth potenziert und der Vergleich erfolgt erneut. Eine Bezugsbreite der Schwankungsbreite wird entsprechend der Anzahl der Leistungen, bei denen die Bedingung erfüllt ist, ganzzahlig multipliziert und die Spannungsbewegungsbreite wird festgelegt (Schritte S19 bis S24).
5(a) ist eine Zeittabelle des Falls, in dem ein Aufstiegsverfahren gemäß dem Stand der Technik angewandt wird und 5 (b) ist eine Zeittabelle des Falls, in dem die vorliegende Erfindung angewandt wird. In 5(a) werden sowohl ein Mittelungsprozess und eine AVR-Wartezeit auf eine konstante Zeit eingestellt. Wenn sich in den Zeichnungen, in 5(a), ein Sonneneinstrahlungsbetrag bei t0 rasch ändert, wird ein Wartezustand aufrechterhalten, bis der Mittelungsvorgang in einem Zustand endet, bei dem ein Spannungsbefehlswert vor der raschen Änderung des Sonneneinstrahlungsbetrags aufrechterhalten wird, der Spannungsbefehlswert bei t1 aktualisiert wird und ein Maximalleistungspunkt durch das Aufstiegsverfahren verfolgt wird. Auch wenn in diesem Fall eine Folgeregelung von fünf Zyklen ab t1 erfolgt, erreicht ein Wert nicht einen Logikwert des Maximalleistungspunkts nach der raschen Änderung des Sonneneinstrahlungsbetrags. Unterdessen endet in 5(b) der Mittelungsvorgang zum gleichen Zeitpunkt wie die rasche Änderung des Sonneneinstrahlungsbetrags und der Spannungsbefehlswert wird bei t0 aktualisiert. Die Bewegungsspannungsbreite ΔV ist ein Verschiebungsbetrag, der aus Formel (13) ermittelt wird. Sogar im Fall, in dem ein Unsicherheitswert des Abtastens des Mittelungsvorgangs aufgrund einer mangelnden Abtastanzahl nicht konvergiert, erreicht der Betriebspunkt den Nachbarbereich des Maximalleistungspunkts, ohne ein Problem zu verursachen.
5(c) ist eine Zeittabelle des Falls, in dem eine Änderung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird, und veranschaulicht ein Beispiel für den Fall, in dem eine AVR-Wartezeit entsprechend der Bewegungsspannungsbreite ΔV variiert wird. Wenn in 5(b) die AVR-Wartezeit auf 5 τ eingestellt ist, wobei die Konvergenz zu 99 % oder mehr erfüllt ist, ist in 5(c) die Wartezeit kurz auf ca. 2 τ eingestellt, wobei die Konvergenz zu ca. 86 % abgeschlossen wird. Wenn die Bewegungsspannungsbreite durch die Maximalleistungspunkt-Folgeregelung gering ist, ist eine Spannungsbreite gering und der Leistungsverlust ist gering, auch wenn die AVR-Wartezeit für τ in 3 auf 1 × τ und 2 × τ eingestellt ist. Wenn sich unterdessen der Sonneneinstrahlungsbetrag in den Zeichnungen bei t2 ändert, ist P[m] bei t3 mehr als ein Wert von Pave[m - 1] + der Standardabweichung Uc. Aus diesem Grund wird eine Leistung = P[m] eingestellt und eine Bewegungsspannungsbreite ΔV₁ wird aus der Formel (13) ermittelt. Da hier die Bewegungsspannungsbreite ΔV₁ groß ist, nähert sich der Betriebspunkt dem Maximalleistungspunkt, indem die AVR-Wartezeit auf 5 τ eingestellt wird, wobei die Konvergenz zu 99 % oder mehr abgeschlossen ist. Wenn sich unterdessen der Sonneneinstrahlungsbetrag in den Zeichnungen bei t4 ändert, ist P[m] bei t5 mehr als ein Wert von Pave[m - 1] + der Standardabweichung Uc. Aus diesem Grund wird eine Leistung = P[m] eingestellt und eine Bewegungsspannungsbreite ΔV₂ wird aus der Formel (13) ermittelt. Da hier die Bewegungsspannung ΔV₂ eine gewisse Größe aufweist, wird die Wartezeit auf 3 τ eingestellt.
Als solche beinhaltet die Regelvorrichtung 7 der Solarzelle gemäß dieser Ausführungsform die Leistungsmesseinheit 31, die den Leistungswert der Solarzelle misst, die Spannungsregeleinheit 4, die eine Betriebsspannung der Solarzelle bestimmt, die Mittelungseinheit 3, die den Leistungswert integriert und den Mittelwert des Leistungswerts berechnet, und die Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit 5, die einen Schwellenwert, der aus den Abweichungsinformationen des Leistungswerts und der Anzahl von Malen der Integration berechnet wird, mit einem Absolutwert eines Differenzwerts des in der Leistungsmesseinheit gemessenen Leistungswerts und dem Durchschnittswert vergleicht und die Integration beendet und einen Spannungsbefehlswert erzeugt, um die Betriebsspannung zu bestimmen, wenn der Absolutwert des Differenzwerts größer als der Schwellenwert ist. Durch diese Konfiguration kann die Regelvorrichtung der Solarzelle gemäß dieser Ausführungsform die Solarzelle veranlassen, auf eine Schwankung der Sonneneinstrahlung über einen Vorgangszeitraum einer Abfolge der Maximalleistungspunkt-Folgeregelung zu reagieren, und den Wirkungsgrad der Solarzelle verbessern.
Zweite Ausführungsform
6(a) ist eine Zeittabelle des Falls, in dem die vorliegende Erfindung auf einen Rückkehrbetrieb von einer Betriebsaufrechterhaltung während einer Systemstörung angewandt wird. Wenn bei einer photovoltaischen Energieerzeugungsanlage wegen einer Abnahme einer momentanen Spannung eines breiten Bereichs aufgrund eines Störfalls in der Netzübertragungsleitung eine parallele Abschaltung stattfindet, kann ein gesamtes System durch die parallele Abschaltung beeinflusst werden. Aus diesem Grund ist die Betriebsaufrechterhaltung (FRT: Fault Ride Through) zum Zeitpunkt des Störfalls erforderlich. Bei einer Rückkehr von der Betriebsaufrechterhaltung während der Systemstörung ist ein schneller Rückkehrbetrieb auf eine Leistung von mindestens 80 % derjenigen vor dem Spannungsabfall erforderlich. Wenn der Rückkehrbetrieb in Schritt S25 beginnt, dem Schnellbetrieb zu entsprechen, werden in Schritt S26 zuerst eine Gleichspannungsleistung P[0], ein Mittelwert Po der Gleichspannungsleistung direkt vor der Betriebsaufrechterhaltung und ein Spannungsbefehlswert V direkt vor der Betriebsaufrechterhaltung abgenommen. Als nächstes geht der Vorgang zu Schritt S27 über und eine Bewegungsspannungsbreite wird gemäß der später zu beschreibenden Logik eingestellt.
Nachstehend werden ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform ein Spannungsbefehlswert und eine festgelegte AVR-Wartezeit an eine AVR-Regeleinheit 4 übermittelt, eine Variable m einer Abtastanzahl wird auf 0 initialisiert und der Vorgang geht zu einer Abfolge der Maximalleistungspunkt-Folgeregelung über.
6(b) ist ein Ablaufplan, der besonders die Einstellung der Bewegungsspannungsbreite veranschaulicht. Da die Gleichstromleistung P[0] einen Wert eines Mittelungsvorgangs darstellt, ist die Gleichstromleistung ein Wert mit einer Messunsicherheit Uc, die von einer Messabweichung herrührt. Die Unsicherheit Uc wird in Schritt S34 eingestellt. Als Nächstes wird eine Einstellspannung 1, die für die Rückkehr auf 80 % der Ausgangsleistung notwendig ist, in den Schritten S35 und S36 mit Hilfe der Formel (14) ermittelt.
[Mathematische Formel 14]
Mathematische Formel 14 $V_{1}^{'} = V + N_{c e l l} \cdot \frac{n_{f} \cdot k \cdot T}{q} ln (0.8)$
Als Nächstes wird in Schritt S37 ein Leistungsverhältnis eines Mittelwerts Po der Gleichstromleistung direkt vor der Betriebsaufrechterhaltung und eine Gleichstromleistung P[0] - Uc berechnet und in Schritt S38 wird eine Einstellspannung 2 wird mit Hilfe einer Formel (15) bestimmt.
[Mathematische Formel 15]
$V_{2}^{'} = V + N_{c e l l} \cdot \frac{n_{f} \cdot k \cdot T}{q} ln (\frac{P [0] - U c}{P o})$
Die Unsicherheit Uc wird von P[0] subtrahiert, um eine Berechnung unter Berücksichtigung eines schlimmsten Falls und maximaler Einstellung der Bewegungsspannungsbreite durchzuführen. Wenn hier ein Wert vor der Betriebsaufrechterhaltung während einer Systemstörung als Spannungsbefehlswert beibehalten wird, ist ein Eingang der in 3 veranschaulichten AVR-Regeleinheit der Spannungsbefehlswert V und die Einstellspannung 2. In diesem Zustand kann für eine Rückkehr auf 80 % der Ausgangsleistung im Eingang der AVR-Regeleinheit der Spannungsbefehlswert die Einstellspannung 1 und die abgenommene Spannung kann die Einstellspannung 2 sein. Aus diesem Grund wird in Schritt S39 ein Spannungsverhältnis auf (V - Einstellspannung 2)/(Einstellspannung 1 - Einstellspannung 2) eingestellt und eine AVR-Wartezeit wird entsprechend dem Spannungsverhältnis eingestellt. Wenn beispielsweise das Spannungsverhältnis weniger als 0,63 beträgt, kann die Wartezeit für τ aus 3 auf 1 × τ eingestellt werden. Genauso kann die Wartezeit, wenn das Spannungsverhältnis weniger als 0,86 beträgt, auf 2 × τ eingestellt werden, und wenn das Spannungsverhältnis weniger als 0,95 beträgt, kann die Wartezeit auf 3 × τ eingestellt werden (Schritte S40 bis S42).
7 ist eine Zeittabelle des Falls, in dem die vorliegende Erfindung angewandt wird, und eine Zeittabelle des Falls, bei dem die AVR-Wartezeit zu einem Zeitpunkt der Rückkehr von der Betriebsaufrechterhaltung während der Systemstörung variiert wird. Hier wird eine normale AVR-Wartezeit auf 5 × τ eingestellt. Bei der Rückkehr von der Betriebsaufrechterhaltung während der Systemstörung bei t6 in der Zeichnung, endet der Vorgang nach einer Abfolge ohne Erhöhen der Abtastanzahl, wird eine Ist-Spannung (Restspannung) aus den Formeln (14) und (15) geschätzt, während ein nicht unterdrückter Wert einer Standardabweichung Uc berücksichtigt wird, und die AVR-Wartezeit für die Rückkehr auf 80 % der Ausgangsleistung auf ca. 3 τ gesetzt.
Wie oben beschrieben variiert die Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit die Wartezeit, bis die Betriebsspannung konvergiert, entsprechend der Differenz zwischen dem von der Spannungsmesseinheit gemessenen Spannungswert und dem Spannungsbefehlswert, so dass eine schnelle Rückkehr im Hinblick auf eine Rückkehrreaktion von der Betriebsaufrechterhaltung während der Systemstörung ermöglicht wird, und der Betrieb kann ohne Zeitverlust zum Maximalleistungsfolgebetrieb übergehen. Deshalb kann der Nutzungswirkungsgrad der Solarzelle verbessert werden.
Bezugszeichenliste

1: Solarzellenanordnung
2: Wechselrichter
3: Strommittelungseinheit
4: AVR-Regeleinheit
5: Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit
6: System
7: Energieaufbereiter
8: PWM-Wellenformerzeugungsschaltkreis
31: Leistungsmesseinheit
32: Spannungsmesseinheit

Claims

Solarzellen-Regelvorrichtung, umfassend: eine Leistungsmesseinheit (31), die einen Leistungswert einer Solarzelle (7) misst; eine Spannungsregeleinheit (4), die eine Betriebsspannung der Solarzelle (7) bestimmt; und eine Mittelungseinheit (3), die den Leistungswert integriert und einen Mittelwert des Leistungswerts berechnet; dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen-Regelvorrichtung weiters umfasst: eine Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit (5), die einen Schwellenwert, der aus den Abweichungsinformationen des Leistungswerts und der Anzahl von Malen der Integration berechnet wird, mit einem Absolutwert eines Differenzwerts des in der Leistungsmesseinheit (31) gemessenen Leistungswerts und dem Durchschnittswert vergleicht und die Integration beendet und einen Spannungsbefehlswert erzeugt, um die Betriebsspannung zu bestimmen, wenn der Absolutwert des Differenzwerts größer als der Schwellenwert ist.
Solarzellen-Regelungseinheit nach Anspruch 1, wobei der Spannungsbefehlswert aus einem Verhältnis einer ersten Leistung, die durch die Leistungsmesseinheit (31) erfasst wird, zu einer zweiten Leistung, die erfasst wird, wenn eine Charakteristik der Solarzelle (7) schwankt, und Abweichungsinformationen beim Erfassen der zweiten Leistung ermittelt wird.
Solarzellen-Regelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Maximalleistungspunkt-Folgeregeleinheit (5) eine Wartezeit, bis die Betriebsspannung konvergiert, entsprechend einer Differenz zwischen einem von der Spannungsmesseinheit (32) gemessenen Spannungswert und dem Spannungsbefehlswert variiert.