DE112015004064T5 - Steuerverfahren und -vorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in Photovoltaik-Energieerzeugungssystem - Google Patents

Steuerverfahren und -vorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in Photovoltaik-Energieerzeugungssystem Download PDF

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Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird eine als ein DC-DC-Wandler ausgebildete Steuervorrichtung (500) bereitgestellt, die einen Schaltregler aufweist, der durch eine Pulsfrequenzmodulationssteuerung (PFM) und eine Pulsbreitenmodulationssteuerung (PWM) mit einer Schaltfrequenz (Pfi) betrieben wird und zum Schalten eines Optimierers dient, der eine DC-Eingangsspannung von einem Photovoltaikmodul auf eine vorgegebene DC-Hochspannung erhöht und die erhöhte DC-Spannung in eine Stromversorgungsnetzspannung umwandelt, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Mikroprozessor (1000), eine Sensorgruppe (2000) und eine MOS-Treibergruppe (3000). Der Mikroprozessor weist auf: eine Steuerlogikeinheit (1001), eine MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuereinheit (1002), eine PWM-Steuereinheit (1003), eine PFM-Steuereinheit (1004), einen E/A-Port (1005), eine Zeitgebersteuereinheit (1006), die die Betriebszeit der Steuervorrichtung steuert, und eine Anfangsmesseinheit (1007). Die Sensorgruppe weist auf: eine Photovoltaikmodulspannungserfassungsschaltung (1101), eine Photovoltaikmodulstromerfassungsschaltung (1102), eine Optimiererausgangsspannungserfassungsschaltung (1201) und eine Optimiererausgangsstromerfassungseinheit (1202). Daher kann auch dann, wenn das Photovoltaikmodul sich in einem Zustand niedriger Ausgangsleistung befindet, ein stabiler Betrieb fortgesetzt werden, und können Transistoren vor einer Stoßspannung geschützt werden, die gegenwärtig in einer Induktivität auftritt.

Description

  • Technischer Bereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem unter Verwendung von Photovoltaikmodulen und insbesondere ein Steuerverfahren und eine Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem, das erzeugte Energie durch Optimieren der durch ein Photovoltaikmodul mit einer großen Ausgangsleistungsschwankung ausgegebenen Leistung stabil gewinnen kann.
  • Hintergrundtechnik
  • In Verbindung mit der Diversifizierung von Energieressourcen hat sich die Energieerzeugung unter Verwendung von Photovoltaikmodulen als eine Art erneuerbarer Energien weit verbreitet. Vor dem Hintergrund des Mangels an Energiequellen und der Reduzierung der CO2-Emission in den letzten Jahren sind großformatige Photovoltaik-Energieerzeugungsanlagen, die jeweils eine Leistung von mehr als 1000 kW haben und als Mega-Solaranlagen bezeichnet werden, aktiv aufgebaut worden. Im Folgenden wird die Solarenergieerzeugung auch als PV (Photovoltaik) bezeichnet, und ein hierfür verwendetes Photovoltaikmodul (Photovoltaik-Energieerzeugungsmodul oder Solarpaneel) wird auch als PV-Modul bezeichnet.
  • Die durch ein PV-Modul ausgegebene Leistung (nachstehend als Ausgangsleistung bezeichnet) variiert mit der Menge des eingestrahlten Lichts (Menge der Sonneneinstrahlung), d. h. mit der Menge der empfangenen Lichtenergie. Insbesondere ist, wenn die Lichtmenge klein ist, wie beispielsweise in der Dämmerung, die Ausgangsleistung niedrig und die interne Impedanz hoch. Das Zuschalten einer Last in einem Zustand mit einer hohen internen Impedanz vermindert die Spannung, was einen normalen Betrieb als Energiequelle verhindert und die Energiequelle zu einer instabilen Energiequelle macht. Daher ist eine Steuerung für einen stabilen Betrieb auch in einem Zustand erforderlich, in dem ein PV-Modul eine geringe Lichtmenge empfängt. Diese Steuerung wird als Optimierung bezeichnet. Eine Optimierungseinrichtung(-schaltung oder -vorrichtung) wird als Optimierer bezeichnet. In einigen Fällen kann eine Konfiguration einer als Power Conditioner bezeichneten Komponente einen Optimierer aufweisen.
  • 9 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Menge der durch ein PV-Modul erzeugten Energie als Funktion der solaren Strahlungsleistung für einen Tag. Auswirkungen der Bewölkung und Wolkenbewegung sind nicht berücksichtigt. Der Graph von 9 zeigt qualitativ die erzeugte Energie des PV-Moduls unter idealen Sonneneinstrahlungsbedingungen bei klarem Himmel und Sonnenaufgang um 6 Uhr und Sonnenuntergang um 18 Uhr. Die Bestrahlung des PV-Moduls mit Sonnenlicht beginnt bei Sonnenaufgang, woraufhin die Energieerzeugung allmählich beginnt. Obgleich je nach Breitengrad des Installationsortes des PV-Moduls, seiner Ausrichtung zur Sonne und dem Neigungswinkel des PV-Moduls gewisse Abweichung auftreten, ist die Menge der Sonneneinstrahlung bei vollständig klarem Himmel im Hochsommer um etwa 13 Uhr maximal. Anschließend nimmt die erzeugte Energiemenge allmählich ab und wird nach Sonnenuntergang im Wesentlichen null.
  • Es ist erforderlich, die erzeugte Energiemenge gemäß der vorstehend beschriebenen Variation der solaren Strahlungleistung und der Änderung der Jahreszeit und des Wetters derart zu steuern, dass sie maximal ist. Diese Steuerung ist eine Optimierung. Typischerweise wird diese Steuerung in Verbindung mit einer als Power Conditioner bezeichneten Einrichtung als eine MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung ausgeführt.
  • 10 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung. Die Abszissenachse in 10 zeigt den Ausgangsstrom (I) des PV-Moduls und die Ordinatenachse die Ausgangsspannung (V) des Moduls. Eine Kurve P stellt eine Änderung der erzeugten Leistung (P) des PV-Moduls gegenüber einer Änderung des Ausgangsstroms (I) und der Ausgangsspannung (V) des PV-Moduls dar. Die erzeugte Leistung (P) wird durch Ausgangsspannung (V) × Ausgangsstrom (I) erhalten. Die erzeugte Leistung (P) in einem Fall, in dem der Strom A1 und die Spannung V1 ist, ist als eine Fläche A dargestellt, und ein Punkt A auf der Kurve P stellt einen Leistungs-Betriebspunkt (Leistungspunkt) dar.
  • Ähnlicherweise ist die Leistung (P) in einem Fall, in dem der Strom A2 und die Spannung V2 betragen, als eine Fläche B dargestellt, und ein Punkt B auf der Kurve P ist als Leistungs-Betriebspunkt dargestellt. Die Leistung (P) in einem Fall, in dem der Strom A3 und die Spannung V3 betragen, ist als eine Fläche C dargestellt, und ein Punkt C auf der Kurve P ist als ein Leistungs-Betriebspunkt dargestellt. Die maximal erzeugte Leistung in 10 ist für den Fall, dass der Strom A2 und die Spannung V2 betragen, durch den Leistungs-Betriebspunkt B dargestellt, wo die durch Ausgangsspannung (V) × Ausgangsstrom (I) erhaltene Fläche maximal ist. Die Auswahl des Stroms und der Spannung des PV-Moduls, durch die bewirkt wird, dass der Leistungs-Betriebspunkt der Punkt B ist, ist die MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung.
  • 11 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen erzeugten Leistung des PV-Moduls mit der solaren Strahlungsleistung als Parameter. Die Abszissenachse stellt die Spannung (V), die linke Ordinatenachse den Strom (A) und die rechte Ordinatenachse die Leistung (W) dar. In dem Diagramm sind Kurven S1 bis S5 Kennlinien (d. h. Spannungs- und Stromkurven für jeweilige Strahlungsleistungen), die eine Änderung der Ausgangsspannung – des Ausgangsstroms des PV-Moduls – für verschiedene Strahlungsleistungen (auftreffende Strahlung = W/m2) des PV-Moduls darstellen, die als Parameter dienen. Die Kurve S5 ist eine Spannungs- und Stromkurve bei maximaler Strahlungsleistung. Symbole o (M1 bis M5), die den jeweiligen Kurven S1 bis S5 zugeordnet sind, zeigen die Strahlungsleistungen des PV-Moduls an. Der Punkt maximaler Leistung der Kurven S1 bis S5 ist ebenfalls angegeben. 11 zeigt ein Messbeispiels in einem Fall, bei dem die Temperatur des Solarmoduls 25°C beträgt.
  • Die Kurve P5 stellt die Kennlinie (Spannungs- und Leistungskurve) der Ausgangsleistung bei maximaler Strahlungsleistung S5 (W/m2) an einem Einbauort des PV-Moduls dar. Die Kennlinien der Ausgangsleistung für die Strahlungsleistungen S1 bis S4 (W/m2) am Einbauort des PV-Moduls sind ebenfalls als Kurve analog zur Kurve S5 dargestellt. Die Kurve ist jedoch in 11 weggelassen. Punkte M1 bis M5 geben den Punkt maximaler Leistung = Spannung (Abszissenachse) × Strom (Ordinatenachse) für die jeweiligen Strahlungsleistungen an. Der Punkt M5 gibt den maximalen Punkt maximaler Leistung = Spannung (Abszissenachse) × Strom (Ordinatenachse) auf der Kurve S5 an. Der Punkt A5 gibt den Punkt maximaler Leistung auf der Kurve P5 an.
  • In 11 ist die maximale erzeugte Leistung bei der maximalen Strahlungsleistung S5 (W/m2) am Einbauort des PV-Moduls als Punkt M5 (Symbol o) dargestellt. Dieser Punkt M5 (Symbol o) stellt den Punkt maximaler Leistung A5 (Symbol
    Figure DE112015004064T5_0002
    der Kurve P5 dar. In 11 stimmt der Leistungswert, der der Wert von M5 auf der Ordinatenachse (linke Skala: Stromwert) × der Wert auf der Abszissenachse (untere Skala: Spannungswert) ist, mit dem Leistungswert überein, d. h. mit dem Wert, von A6 auf der Ordinatenachse (rechte Skala: Leistungswert). Wenn der Ausgangsstrom des PV-Moduls höher ist als der Ausgangsstrom am Punkt M5 (= niedrige Ausgangsleistung: linke Seite auf dem Blatt von 11) oder niedriger (= hohe Ausgangsleistung: rechte Seite auf dem Blatt von 11), ist die Ausgangsleistung niedriger als der Punkt maximaler Ausgangsleistung A5 (Symbol
    Figure DE112015004064T5_0003
    wie durch die Kurve P5 dargestellt ist.
  • Derartige herkömmliche Implementierungen sind in Patentliteratur 1, Patentliteratur 2, Patentliteratur 3, Patentliteratur 4, Patentliteratur 5, Nicht-Patentliteratur 1 und Nicht-Patentliteratur 2 dargestellt.
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-252320
    • Patentliteratur 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-109901
    • Patentliteratur 3: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-101581
    • Patentliteratur 4: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-170836
    • Patentliteratur 5: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2013-541930
  • Nichtpatentliteratur
    • Nicht-Patentliteratur 1: An improved perturbation and observation MPPT method of photovoltaic generate system, Liu Chun-xia; Liu Li-qun Industrial Electronics and Applications, 2009. ICIEA 2009. 4th IEEE Conference on DOI: 10.1109/ICIEA.2009.5138752, Erscheinungsjahr: 2009, Seite(n): 2966–2970
    • Nicht-Patentliteratur 2: Taiyo Denchi Katsuyo no Kiso to Oyou (Basics and Application of Using Solar Power Generation), 1. Mai 2011, veröffentlicht von CQ Publishing Co., Ltd.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Grundsätzlich variiert die Ausgangsleistung eines Photovoltaikmoduls (PV-Moduls) gemäß der Lichtmenge, mit der das Modul bestrahlt wird. Insbesondere wenn die Lichtmenge gering ist, wie zum Beispiel in der Dämmerung, ist jedoch die Ausgangsleistung ebenfalls klein und die interne Impedanz hoch. Das Zuschalten einer Last in einem Zustand mit einer hohen internen Impedanz vermindert die Spannung, was einen normalen Betrieb als Energiequelle verhindert. Daher ist eine Steuerung für einen stabilen Betrieb als eine Energiequelle auch in einem derartigen Zustand erforderlich. Die Spannung, bei der das Verhältnis zwischen dem Spannungswert, bei dem eine maximale Ausgangsleistung erhalten wird, und der Leerlaufspannung sich auch bei einer Änderung der aufgestrahlten Lichtenergie nicht wesentlich ändert, und bei der die maximale Ausgangsleistung des PV-Moduls geeignet erhalten werden kann, beträgt 80% der Leerlaufspannung. Daher kann die erzeugte Leistung im Wesentlichen mit einem Wirkungsgrad von 90% oder mehr genutzt werden.
  • 12 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen einer Basiskonfiguration eines durch die vorliegende Erfindung zu steuernden herkömmlichen PV-Optimierers. 13 zeigt ein Betriebswellenformdiagramm zum Darstellen des Pegels eines Gate-Signals von Schalttransistoren, die die Schaltung von 12 bilden, die einen Schaltregler aufweist. In 12 werden das ”+”-Ausgangssignal und das ”–”-Ausgangssignal des PV-Moduls (nicht dargestellt) einem PV-Eingang 101 (IN+) und einem PV-Eingang 102 (IN–) (Masse) eines Optimierers 100 zugeführt. Die Bezugszeichen Q1, Q2, Q3, Q4 und Q5 bezeichnen einen ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten bzw. einen fünften Schalttransistor. Hierfür werden n-Kanal-Leistungs-MOSFETs verwendet. Der in dem Diagramm dargestellte MOSFET des Anreicherungstyps ist für diese Schaltung bevorzugt. Der Typ ist jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt. Stattdessen kann ein beliebiger Typ mit ähnlichen Funktionen verwendet werden. Bezugszeichen L1 bezeichnet eine Induktivität, wobei ein Ende a der Induktivität mit dem PV-Eingang 101 und ein anderes Ende b mit den Drain-Anschlüssen des ersten Schalttransistors Q1, des zweiten Schalttransistors Q2 und des vierten Schalttransistors Q4 verbunden ist.
  • Bezugszeichen T1 bezeichnet einen Transformator, dessen einer Anschluss a einer Primärwicklung (auf der Primärseite) mit der Source-Elektrode des zweiten Schalttransistors Q2 und mit der Drain-Elektrode des dritten Schalttransistors Q3 verbunden ist und dessen anderer Anschluss b mit der Source-Elektrode des vierten Schalttransistors Q4 und mit der Drain-Elektrode des fünften Schalttransistors Q5 verbunden ist. Ein Ende c einer Sekundärwicklung (auf der Sekundärseite) des Transformators T1, das die gleiche Polarität hat wie das Ende a auf der Primärseite, ist mit der Anode einer ersten Diode D1 und mit der Kathode einer zweiten Diode D2 verbunden. Ein weiteres Ende d ist mit einem Serienverbindungspunkt zwischen einem ersten Kondensator C1 und einem zweiten Kondensator C2 verbunden, die in Serie geschaltet sind. Das freie Ende des ersten Kondensators C1 ist mit der Kathode der ersten Diode D1 und mit einem Ausgang 104 (OUT+) der Optimiererausgänge verbunden. Das freie Ende des zweiten Kondensators C2 ist mit der Anode der zweiten Diode D2 und mit dem anderen Ausgang 104 (OUT–) der Optimiererausgänge verbunden.
  • Die Source-Elektrode des ersten Schalttransistors Q1, die Source-Elektrode des dritten Schalttransistors Q3 und die Source-Elektrode des fünften Schalttransistors Q5 sind mit Masse verbunden. Der zweite Schalttransistor Q2 und der vierte Schalttransistor Q4 bilden einen High-Side-Schalter. Der dritte Schalttransistor Q3 und der fünfte Schalttransistor Q5 bilden einen Low-Side-Schalter.
  • Während des Normalbetriebs des in 12 dargestellten PV-Optimierers 100 sind die Gate-Signale Q1-G, Q2-G, Q3-G, Q4-G und Q5-G des ersten Schalttransistors Q1, des zweiten Schalttransistors Q2, des dritten Schalttransistors Q3, des vierten Schalttransistors Q4 und des fünften Schalttransistor Q5 wie in 13 dargestellt. Einrichtungen zum Erzeugen der Gate-Signale Q1-G, Q2-G, Q3-G, Q4-G und Q5-G der ersten bis fünften Schalttransistoren Q1 bis Q5 werden später beschrieben. Der PV-Optimierer 100 ist eine Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung des Brückentyps.
  • In 13 beträgt die Schaltfrequenz beispielsweise 50 kHz. Die erste Hälfte einer Periode T ist A und die zweite Hälfte B. Wenn das Gate-Signal G in der ersten oder in der zweiten Hälfte einen hohen Pegel (H) hat, ist der entsprechende Transistor eingeschaltet. Wenn das Signal einen niedrigen Pegel (L) hat, ist dieser Transistor ausgeschaltet.
  • Im Normalbetriebszustand sind in der ersten Hälfte A der Periode T in einem Intervall Aa die ersten bis fünften Schalttransistoren Q1 bis Q5 alle eingeschaltet, um die Induktivität L1 zu erregen; in einem Intervall Ab sind der erste Schalttransistor Q1, der dritte Schalttransistor Q3 und der vierte Schalttransistor Q4 ausgeschaltet, um dadurch den zweiten Schalttransistor Q2 und den fünften Schalttransistor Q5 einzuschalten. Folglich ist das Ende a auf der Primärseite des Transformators T1 positiv (+) und das andere Ende b geerdet (GND), wodurch der Transformator T1 in der Richtung vom einen Ende a zum anderen Ende b erregt wird.
  • Beim Eintritt in die zweite Hälfte B einer Periode werden die ersten bis fünften Schalttransistoren Q1 bis Q5 alle eingeschaltet, um die Induktivität L1 zu erregen. Beim Eintritt in ein Intervall Bb werden der erste Schalttransistor Q1, der zweite Schalttransistor Q2 und der fünfte Schalttransistor Q5 ausgeschaltet, so dass nur der dritte Schalttransistor Q3 und der vierten Schalttransistor Q4 eingeschaltet sind, wodurch veranlasst wird, dass das andere Ende b auf der Primärseite des Transformators T1 positiv (+) und das eine Ende a auf der Primärseite des Transformators T1 geerdet wird (GND), um den Transformator T1 in der Richtung vom anderen Ende b zum einen Ende a zu erregen, was dem vorstehenden Fall entgegengesetzt ist.
  • Dadurch ist der Betrieb über eine Periode der Schaltfrequenz beendet, und der anschließende Betrieb besteht in seiner Wiederholung. Wie bei der Primärseite wiederholt die Sekundärseite des Transformators T1 die positiven (+) und negativen (–) Polaritäten jede halbe Periode (T/2) der Schaltfrequenz, und durch die Spannungsverdoppler-Gleichrichtung durch die erste Diode D1, die zweite Diode D2, den ersten Kondensator C1 und den zweiten Kondensator C2 wird eine Spannung erhalten, die doppelt so hoch ist wie die sekundärseitige Spannung des Transformators T1. Der erste Schalttransistor Q1 muss nicht notwendigerweise vorhanden sein. Das Bereitstellen dieses Transistors kann jedoch den Einschaltwiderstand reduzieren, während die zweiten bis fünften Schalttransistoren Q2 bis Q5 eingeschaltet sind, und dadurch die Last vermindern.
  • Während des Normalbetriebs wird der Betrieb gemäß den in 13 dargestellten Gate-Signalen ausgeführt, und es werden eine PWM-Steuerung, die die Pulsbreite im Intervall Aa in der ersten Hälfte A und im Intervall Ba in der zweiten Hälfte B der Schaltperiode ändert, und eine PFM-Steuerung ausgeführt, die die Zeit in der ersten Hälfte A und in der zweiten Hälfte B der Schaltperiode T, d. h. die Periode, ändert.
  • Um das PV-Modul als eine Energiequelle auch dann stabil zu betreiben, wenn das Modul im Aa-Intervall und im Ba-Intervall, die Zeitperioden sind, während denen die Induktivität L1 in 12 erregt wird (die Periode T des in 13 dargestellten Schaltsignals), eine niedrige Ausgangsleistung hat, ist das Ansteuern durch sehr kurze Pulse oder das Setzen der Periode von A + B auf eine wesentliche Zeitlänge effektiv.
  • Allerdings wird in einem Fall, in dem das Intervall Aa und das Intervall Ba, die in 13 dargestellt sind, verkürzt sind, durch das Vorhandensein des Transformators T1 die Zeitdauer verlängert, während der der zweite Schalttransistor Q2 und der fünfte Schalttransistor Q5 oder der dritte Schalttransistor Q3 und der vierte Schalttransistor Q4 eingeschaltet sind, so dass der Ausgang des PV-Moduls kurzgeschlossen wird.
  • 14 zeigt ein Wellenformdiagramm der Schaltsignale der Schalttransistoren in dem Fall, in dem die auf das PV-Modul auftreffende Strahlungsleistung gering ist und das Intervall Aa und das Intervall Ba verkürzt sind. Um den Kurzschluss des Ausgangs des PV-Moduls zu verhindern, werden der zweite Schalttransistor Q2 und der vierte Schalttransistor Q4 für eine konstante Zeitdauer ausgehend vom Ende eines Intervalls Ab in der ersten Hälfte und eines Intervalls Bb in der zweiten Hälfte der Periode T ausgeschaltet, wie in 14 dargestellt ist, und werden die Gate-Signale der Schalttransistoren so erzeugt, dass ein in einem Intervall Ac und in einem Intervall Bc dargestellter Zustand erhalten wird.
  • Insbesondere kann, wenn sich das PV-Modul in einem Zustand mit sehr niedriger Ausgangsleistung befindet, der stabile Betrieb auch bei einer niedrigen Ausgangsleistung fortgesetzt werden, indem die Zeitdauern des Intervalls Ac und des Intervalls Bc so weit wie möglich verlängert werden. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der zweite Schalttransistor Q2 und der vierte Schalttransistor Q4 ausgeschaltet werden, wie vorstehend beschrieben wurde, wird jedoch das andere Ende b der Induktivität L1 auf einen freigegebenen Zustand gebracht, so dass eine sehr hohe Stoßspannung auftritt. Infolgedessen wird die Stoßspannung dem ersten Schalttransistor Q1, dem zweiten Schalttransistor Q2 und dem vierten Schalttransistor Q4 zugeführt. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass diese Schalttransistoren durchbrechen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen stabilen Betrieb auch dann fortzusetzen, wenn das PV-Modul sich in einem Zustand mit einer sehr niedrigen Ausgangsleistung befindet, und ein Steuerverfahren und eine Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem unter Verwendung eines Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimierers bereitzustellen, der eine Einrichtung zum Schützen von Transistoren vor Stoßspannungen aufweist, die gegenwärtig bei einer Induktivität auftreten.
  • Lösung des Problems
  • Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, werden nachstehend Konfigurationsbeispiele des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens und der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass den Ausführungsformen, die den jeweiligen Konfigurationsabschnitten entsprechen, Zeichen und dergleichen hinzugefügt sind, um die Konfiguration zu verdeutlichen.
    • (1) In einem Steuerverfahren zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem zum stabilen Gewinnen von Energie von einem Photovoltaik-Energieerzeugungsmodul (PV-Modul) mit variierendem Ausgangssignal, weist eine Steuervorrichtung 500 für eine optimale Energiegewinnung, die einen DC-DC-Wandler mit einem durch eine Pulsfrequenzmodulationssteuerung (PFM) und eine Pulsbreitensteuerung (PWM) mit einer Schaltfrequenz (Pfi bis Pfmax) angesteuerten Schaltregler aufweist und einen Optimierer zum Erhöhen einer DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul auf eine vorbestimmte DC-Hochspannung und zum Umwandeln der erhöhten DC-Spannung in eine Stromversorgungsnetzspannung steuert, einen Mikroprozessor 1000 auf, wobei der Mikroprozessor 1000 einen Schritt [1] zum Messen einer Leerlauf-Eingangsspannung (Vii) und zum Setzen der Spannung als einen Anfangsmesswert und zum anschließenden Setzen einer Breite (Pwi) und einer Frequenz (Pfi) eines Schaltimpulses eines Schaltreglers als Standardwerte ausführt, einen ersten Steuermodus zum Steuern der Spannungserhöhung durch Pulsfrequenzmodulation (PFM) ausführt, wenn eine DC-Eingangsleistung vom Photovoltaikmodul niedriger ist als ein vorgegebener Wert, und bestimmt, dass durch Erhöhen der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls ein Steuergrenzwert im ersten Steuermodus erreicht ist, wenn die DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul mindestens den vorgegebenen Wert erreicht hat, und einen zweiten Steuermodus zum Steuern der Spannungserhöhung durch eine Pulsbreitenmodulations(PWM)steuerung ausführt.
    • (2) In der vorstehend erwähnten Schaltung (1) ist der erste Steuermodus ein einfacher MPPT-Verarbeitungsmodus, führt das Verfahren nach der Ausführung von Schritt [1] zum Setzen des Anfangsmesswertes und der Vorgabewerte Schritt [2] zum Vergleichen der Eingangsspannung (Vi), die dem Optimierer vom Photovoltaikmodul zugeführt wird, mit 80% (Vi8) seiner Leerlauf-Eingangsspannung (Vii) aus, Schritt [3] zum Vermindern der Schaltfrequenz (Pf) (mit fester Pulsbreite) aus, wenn ein Vergleichsergebnis in Schritt [2] (Vi) < (Vi8) ist, Schritt [4] zum Vergleichen der in Schritt [3] verminderten Frequenz (Pf) mit der Vorgabefrequenz (Pfi) aus, springt das Verarfahren zu Schritt [1] zurück, wenn ein Vergleichsergebnis in Schritt [4] anzeigt, dass die in Schritt [3] verminderte Frequenz (Pf) kleiner ist als die Vorgabefrequenz (Pfi), springt dase Verfahren zu Schritt [2] zurück, wenn das Vergleichsergebnis in Schritt [4] anzeigt, dass die in Schritt [3] verminderte Frequenz (Pf) größer oder gleich der Vorgabefrequenz (Pfi) ist, führt das Verfahren Schritt [5] zum Vergleichen der Frequenz (Pf) mit einer gesetzten maximalen Frequenz (Pfmax) aus, wenn das Vergleichsergebnis in Schritt [2] anzeigt, dass (Vi) ≥ (Vi8) ist, führt das Verfahren Schritt [6] zum Erhöhen der Schaltfrequenz (Pf) (mit fester Pulsbreite) aus und springt zu Schritt [2] zurück, wenn das Vergleichsergebnis in Schritt [5] anzeigt, dass die Schaltfrequenz (Pf) kleiner ist als die maximale Schaltfrequenz (Pfmax), und bestimmt das Verfahren, dass die Umgebung hell wird und die Ausgangsleistung einen Grenzwert der PFM-Steuerung zum Erhöhen der Schaltfrequenz (Pf) erreicht, wenn das Vergleichsergebnis in Schritt [5] anzeigt, dass die Schaltfrequenz (Pf) größer oder gleich der maximalen Schaltfrequenz (Pfmax) ist, woraufhin der erste Steuermodus in den zweiten Steuermodus übergeht.
    • (3) In der vorstehend erwähnten Schaltung (1) ist der zweite Steuermodus ein MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuermodus, und führt das Verfahren Schritt [7] zum Erhöhen einer Schaltpulsbreite Pw (Erhöhen des Tastverhältnisses Pd) gemäß einem Bestimmungsergebnis Schaltfrequenz (Pf) ≥ maximale Schaltfrequenz (Pfmax) aus, das anzeigt, dass die Steuergrenze im ersten Steuermodus durch Erhöhen der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls erreicht ist, anschließend Schritt [8] zum Messen der Ausgangsleistung (PO = Vo × Io) des Photovoltaikmoduls im Fall einer Erhöhung der Schaltimpulsbreite (Pw) aus, Schritt [9] zum Ausführen der MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung aus; Schritt [10] zum Bestimmen, ob die maximale Ausgangsleistung PO einen Punkt maximaler Ausgangsleistung (POmax) gemäß einem Ergebnis der MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung überschreitet, springt das Verfahren zu Schritt [7] zum Erhöhen der Schaltpulsbreite Pw (Erhöhen des Tastverhältnisses Pd) zurück, wenn in Schritt [10] die maximale Ausgangsleistung PO kleiner ist als der Punkt der maximalen Ausgangsleistung (POmax) ist, führt das Verfahren Schritt [11] zum Vermindern der Schaltpulsbreite Pw (Vermindern des Tastverhältnisses Pd) aus, wenn in Schritt 10 die maximale Ausgangsleistung PO größer oder gleich dem Punkt der maximalen Ausgangsleistung (POmax) ist, führt das Verfahren Schritt [12] zum Vergleichen der Schaltpulsbreite (Pw) mit dem Vorgabewert (Pwi) aus, springt das Verfahren zu Schritt [8] zum Messen der Ausgangsleistung (PO = Vo × Io) des Photovoltaikmoduls zurück, wenn in Schritt [12] die Schaltimpulsbreite (Pw) größer oder gleich dem Vorgabewert (Pwi) ist, und bestimmt das Verfahren, dass die Umgebung dunkel wird und die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls niedrig wird und die Steuergrenze der PWM-Steuerung zum Vermindern der Schaltimpulsbreite (Pw) in dem Fall Schaltpulsbreite (Pw) < Vorgabewert (Pwi) in Schritt [12] erreicht ist, und springt vom zweiten Steuermodus zu Schritt [1] für den ersten Steuermodus zurück.
    • (4) Eine Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem zum stabilen Gewinnen von Energie von einem Photovoltaikmodul mit schwankender Leistung weist auf: eine Steuervorrichtung 500 mit einem DC-DC-Wandler, die einen durch eine Pulsfrequenzmodulationssteuerung (PFM) und eine Pulsbreitenmodulationssteuerung (PWM) mit einer Schaltfrequenz (Pfi) angesteuerten Schaltregler aufweist und einen Optimierer zum Erhöhen einer DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul auf eine vorgegebene DC-Hochspannung und zum Umwandeln der erhöhten DC-Spannung in eine Stromversorgungsnetzspannung steuert, wobei die Steuervorrichtung 500 einen Mikroprozessor 1000, eine Sensorgruppe 2000 und eine MOS-Treibergruppe 3000 umfasst, der Mikroprozessor 1000 durch Verbinden einer Steuerlogikeinheit 1001, einer MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuereinheit 1002, einer PWM-Steuereinheit 1003, einer PFM-Steuereinheit 1004, eines E/A-Ports 1005, einer Zeitgebersteuereinheit 1006, die die Betriebszeit der Steuervorrichtung 500 steuert, und einer Anfangsmesseinheit 1007 miteinander über eine Busleitung 1008 konfiguriert ist, die Sensorgruppe 2000 eine Photovoltaikmodulspannungserfassungsschaltung (PV-Spannungserfassungsschaltung) 1101, eine Photovoltaikmodulstromerfassungsschaltung (PV-Stromerfassungsschaltung) 1102, eine Optimiererausgangsspannungserfassungsschaltung 1201 und eine Optimiererausgangsstromerfassungseinheit 1202 aufweist, und die MOS-Treibergruppe 3000 mehrere High-Side-MOS-Treiber und mehrere Low-Side-MOS-Treiber zum Erzeugen von Gate-Signalen zum Ein- und Ausschalten einer MOS-Schalttransistorgruppe aufweist, die mit einem im Mikroprozessor 1000 enthaltenen E/A-Port 1005 verbunden ist, um den Optimierer zu bilden, und das durch den Betrieb der Steuerlogikeinheit 1001 basierend auf dem Erfassungsausgangssignal der Sensorgruppe 2000 erzeugte Gate-Signal über den E/A-Port ausgibt, und die Schalttransistoren der den Optimierer bildenden MOS-Treibergruppe 3000 ein- und ausschaltet.
    • (5) In der vorstehend erwähnten Schaltung (4) weist die Steuerlogikeinheit 1001 auf: eine Vi/i8-Vergleichseinheit 1011, die eine Eingangsspannung (Vi) vom Photovoltaikmodul mit 80% (Vi8) einer Leerlauf-Eingangsspannung (Vii) davon vergleicht, eine Pf/Pfmax-Vergleichseinheit 1012, die eine Schaltfrequenz (Pf) des Gate-Signals zum Ein- und Ausschalten der MOS-Schalttransistorgruppe mit einer vorgegebenen maximalen Schaltfrequenz (Pfmax) vergleicht, eine PO-Messeinheit 1013, die eine Ausgangsspannung des Optimierers misst und veranlasst, dass die MPPT-Steuereinheit 1002 eine MPPT-Steuerung ausführt, eine einfache MPPT-Verarbeitungseinheit 1014 für eine einfache MPPT-Steuerung zum Erhöhen und Vermindern der Schaltfrequenz gemäß einem Vergleichsergebnis der Vi/Vi8-Vergleichseinheit 1011 und einem Vergleichsergebnis der Pf/Pfmax-Vergleichseinheit 1012, eine Pf/Pfi-Vergleichseinheit 1015, die die Schaltfrequenz (Pf) mit einem Vorgabewert (Pfi) der Schaltfrequenz vergleicht, einen Speicher 1017, der statistische Daten der maximalen Ausgangsleistung (PO) speichert, die als Ergebnis der Steuerung in der MPPT-Steuereinheit 1002 erhalten werden, und eine PO/POmax-Vergleichseinheit 1016, die einen aktuellen Ausgangsleistungspunkt mit der im Speicher gespeicherten maximalen Ausgangsleistung (POmax) vergleicht.
    • (6) In den vorstehend erwähnten Schaltungen (4) oder (5) dient der Optimierer zum stabilen Gewinnen von Energie von der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls mit schwankender Leistung und weist auf: eine PV-Eingangseinrichtung 200 zum Empfangen einer DC-Ausgangsspannung des Photovoltaikmoduls, eine Schalteinrichtung 300 zum Umwandeln der der PV-Eingangseinrichtung 200 zugeführten DC-Eingangsspannung in eine vorgegebene Pulsspannung oder AC-Spannung, und eine Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400 zum Erhöhen der Ausgangsspannung der Schalteinrichtung 300 in eine vorgegebene DC-Spannung, wobei das DC-Spannungsausgangssignal der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400 einem Power Conditioner 150 zugeführt wird, der die DC-Ausgangspannung in eine AC-Ausgangsspannung umwandelt und die umgewandelte Ausgangsspannung an ein externes System ausgibt, und wobei die PV-Eingangseinrichtung 200 aufweist: eine Induktivität L1, die mit einem ”+”-Ausgang des PV-Moduls in Serie geschaltet ist, und eine Überspannungsschutzschaltung 250, die parallel zur Induktivität L1 geschaltet ist und derart arbeitet, dass sie die im Ausgangssignal der Induktivität L1 auftretende Stoßspannung nur dann absorbiert, wenn die Ausgangsleistung des PV-Moduls klein ist und keine normale Steuerung ausgeführt werden kann, und automatisch von der Induktivität L1 getrennt wird, wenn die Ausgangsleistung des PV-Moduls groß ist.
    • (7) In der vorstehend erwähnten Schaltung (6) weist die Überspannungsschutzschaltung 250 der Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung auf: eine Induktivität L1, deren eines Ende a mit einem PV-Eingang (+) zum Empfangen eines (+)-Ausgangssignals des PV-Moduls verbunden ist, einen (sechsten) Schalttransistor Q6, dessen Source-Elektrode über eine dritte Diode (eine Diode) D3 mit dem einen Ende a der Induktivität L1 verbunden ist und dessen Drain-Elektrode mit einem anderen Ende b der Induktivität L1 verbunden ist, und einen (siebenten) Schalttransistor Q7, dessen Drain-Elektrode mit der Source-Elektrode des (sechsten) Schalttransistors Q6 verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist, wobei eine (dritte) Diode D3, deren Anode mit der Source-Elektrode des (sechsten) Schalttransistors Q6 verbunden ist und deren Kathode mit dem einen Anschluss a der Induktivität L1 verbunden ist, zwischen der Source-Elektrode des (sechsten) Schalttransistors Q6 und dem einen Anschluss a der Induktivität L1 geschaltet ist, und wobei die Überspannungsschutzschaltung 250 ferner eine (vierte) Diode (eine andere Diode) D4 aufweist, deren Kathode mit einem Verbindungspunkt zwischen der Source-Elektrode des (sechsten) Schalttransistors Q6 und der Drain-Elektrode des (siebenten) Schalttransistors (eines anderen Schalttransistors) Q7 verbunden ist, und deren Anode mit Masse verbunden ist.
    • (8) In der vorstehenden Schaltung (6) ist die Überspannungsschutzschaltung 250 der Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung derart konfiguriert, dass eine Induktivität L1, deren eines Ende a mit einem PV-Eingang (+) zum Empfangen eines (+)-Ausgangssignals des PV-Moduls verbunden ist, und ein (sechster) Schalttransistor Q6, dessen Source-Elektrode über eine dritte Diode (eine Diode) D3 mit dem einen Ende a der Induktivität L1 verbunden ist und dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Ende b der Induktivität L1 verbunden ist, miteinander verbunden sind, wobei die (dritte) Diode D3, deren Anode mit der Source-Elektrode des (sechsten) Schalttransistors Q6 verbunden ist und deren Kathode mit dem einen Anschluss a der Induktivität L1 verbunden ist, zwischen der Source-Elektrode des (sechsten) Schalttransistors Q6 und dem einen Anschluss a der Induktivität L1 geschaltet ist, und wobei die Überspannungsschutzschaltung 250 ferner eine (vierte) Diode (eine andere Diode) D4 aufweist, deren Kathode mit der Source-Elektrode des (sechsten) Schalttransistors Q6 und deren Anode mit Masse verbunden ist.
    • (9) In der vorstehend erwähnten Schaltung (6) weist die Schalteinrichtung 300 der Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung auf: einen ersten Schalttransistor Q1, dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Ende b der Induktivität L1 verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist, einen zweiten Schalttransistor Q2, dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Ende b der Induktivität L1 verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit einem Eingang der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung (einem Ende auf einer Primärseite eines in der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung vorgesehenen Transformators T1) verbunden ist, einen dritten Schalttransistor Q3, dessen Drain-Elektrode mit der Source-Elektrode des zweiten Schalttransistors Q2 verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist, einen vierten Schalttransistor Q4, dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Ende b der Induktivität L1 verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit einem weiteren Eingang der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung (einem anderen Ende b auf der Primärseite des in der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung vorgesehenen Transformators T1) verbunden ist, und einen fünften Schalttransistor Q5, dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Eingang der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung (dem anderen Ende b auf der Primärseite des in der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung vorgesehenen Transformators T1) verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist.
    • (10) In der vorstehend erwähnten Schaltung (4) arbeiten der zweite Schalttransistor Q2 und der vierte Schalttransistor Q4, die in der Schalteinrichtung 300 der Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung enthalten sind, als High-Side-Schalter, und der dritte Schalttransistor Q3 und der fünfte Schalttransistors Q5 arbeiten als Low-Side-Schalter.
    • (11) In der vorstehend erwähnten Schaltung (4) weist die Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400 der Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung auf: einen Transformator T1, dessen eines Ende a auf der Primärseite mit der Source-Elektrode des in der Schalteinrichtung 300 vorgesehenen zweiten Schalttransistors Q2 und mit der Drain-Elektrode des dritten Schalttransistors Q3 verbunden ist und dessen Sekundärseite mit einer Spannungsverdopplerschaltung verbunden ist; eine erste Diode D1, deren Anode mit dem einen Ende c auf der Sekundärseite des Transformators T1 verbunden ist und deren Kathode mit einem ”+”-Ausgangsanschluss (OUT+) der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist, eine zweite Diode D2, deren Kathode mit einem Ende c auf der Sekundärseite des Transformators T1 verbunden ist und deren Anode mit dem ”–”-Ausgangsanschluss (OUT–) der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist; einen ersten Kondensator C1, dessen eines Ende mit einem anderen Ende d auf der Sekundärseite des Transformators T1 verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem ”+”-Ausgangsanschluss (OUT+) der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist, und einen zweiten Kondensator C2, dessen eines Ende mit dem anderen Ende d auf der Sekundärseite des Transformators T1 verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem Ausgang ”–”-Ausgang (OUT–) der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist.
    • (12) In jeder der vorstehend erwähnten Schaltungen (6) bis (11) ist der in der Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung vorgesehene Schalttransistor ein n-Kanal-Leistungs-MOSFET des Anreicherungstyps.
    • (13) In jeder der vorstehend erwähnten Schaltungen (6) bis (11) ist ein Ausgang der Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung mit einem Power Conditioner verbunden, der AC-Spannung an ein Stromversorgungsnetz ausgibt.
    • (14) In jeder der vorstehend erwähnten Schaltungen (6) bis (13) ist die Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung mit jedem von mehreren PV-Modulen verbunden, deren Ausgänge parallel geschaltet sind.
  • Es ist klar, dass die vorliegende Erfindung auf verschiedenartige Weise modifizierbar ist, ohne von dem in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration dargestellten technischen Gedanken und von der detaillierten Beschreibung der später beschriebenen Erfindung abzuweichen.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem wird in dem Fall, in dem die DC-Eingangsspannung von einem Photovoltaikmodul kleiner ist als ein vorgegebener Wert, ein Spannungserhöhungsprozess durch eine Pulsfrequenzmodulations(PFM)steuerung gesteuert (Ausführung des ersten Steuermodus) ausgeführt. In dem Fall, in dem die DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul mindestens dem vorgegebenen Wert gleicht, wird bestimmt, dass eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls bewirkt, dass die Steuergrenze des ersten Steuermodus erreicht wird und wird der Spannungserhöhungsprozess durch die Pulsbreitenmodulations(PWM)steuerung (Ausführung des zweiten Steuermodus) gesteuert. Eine derartige Steuerung zum Umschalten des Betriebs des Optimierers zwischen dem ersten Steuermodus und dem zweiten Steuermodus gemäß der Größe der DC-Spannung vom Photovoltaikmodul kann insbesondere den Betrieb bei einer DC-Leistung vom Photovoltaikmodul stabilisieren, wenn die Leistung niedriger ist als ein vorgegebener Wert, und einen stabilen Betrieb des gesamten Systems auch bei einer Schwankung der optischen Energie ausführen, mit der das Photovoltaikmodul bestrahlt wird.
  • Der für die vorliegende Erfindung verwendete Photovoltaikausgangsleistungsoptimierer kann durch den Betrieb der für die Eingangsschaltung vorgesehenen Schutzschaltung verhindern, dass eine Stoßspannung auftritt, ein Durchbrechen der Schalttransistoren verhindern und einen stabilen Betrieb auch bei einer Schwankung der Ausgangsleistung des PV-Moduls erzielen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm zum Steuern eines Optimierers, der in einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem vorgesehen ist;
  • 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen der Konfiguration des für die Ausführungsform 1 der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in dem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem verwendeten Optimierers;
  • 3 zeigt ein Betriebszeittaktwellenformdiagramm zum Darstellen der Pegel von Gate-Signalen von Schalttransistoren, die die Schaltung in 1 bilden;
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm von Prozessen zum Darstellen eines erfindungsgemäßen Steuerverfahrens zur optimalen Energiegewinnung in dem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem;
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm von Prozessen, das eine Fortsetzung von 2 ist; zum Darstellen des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens zur optimalen Energiegewinnung in dem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem;
  • 6 zeigt ein Diagramm zum Darstellen eines Verbindungszustands einer Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimierersschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Photovoltaikmodul-Energieerzeugungssystem;
  • 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen der Konfiguration des für die Ausführungsform 2 der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in dem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem verwendeten Optimierers;
  • 8 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen eines spezifischen Konfigurationsbeispiels des Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimierers gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 9 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der durch ein PV-Modul erzeugten Energiemenge als Funktion einer Veränderung der solaren Strahlungsleistung für einen Tag;
  • 10 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung;
  • 11 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen der erzeugten Leistung des PV-Moduls mit der solaren Strahlungsleistung als Parameter;
  • 12 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen einer Basiskonfiguration eines herkömmlichen PV-Optimierers;
  • 13 zeigt ein Betriebswellenformdiagramm zum Darstellen der Pegel von Gate-Signalen von Schalttransistoren, die die Schaltung in 12 bilden; und
  • 14 zeigt ein Wellenformdiagramm von Schaltsignalen der Schalttransistoren in einem Fall, in dem die auf das PV-Modul auftreffende Strahlungsleistung klein ist und ein Intervall Ay und ein Intervall Ba verkürzt sind.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beispielhafter Ausführungsformen beschrieben.
  • Ausführungsform 1
  • 1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm zum Steuern eines Optimierers, der in einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem vorgesehen ist. Dieses Funktionsblockdiagramm dient zum Erläutern des später unter Bezug auf die 4 und 5 beschriebenen Steuerverfahrens zur optimalen Energiegewinnung und zeigt die Konfiguration einer Steuervorrichtung, die Prozesse ausführt. Diese Steuervorrichtung 500 ist ein DC-DC-Wandler, der einen durch eine Pulsfrequenzmodulationssteuerung (PFM) und eine Pulsbreitenmodulationssteuerung (PWM) mit einer Schaltfrequenz (Pfi) betriebenen Schaltregler aufweist, und dient zum Steuern eines Optimierers, der eine DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul auf eine vorgegebene DC-Hochspannung erhöht und die erhöhte DV-Spannung in eine Stromversorgungsnetzspannung umwandelt.
  • Die Steuervorrichtung 500 weist einen Mikroprozessor 1000, eine Sensorgruppe 2000 und eine MOS-Treibergruppe 3000 auf. Der Mikroprozessor 1000 ist durch Verbinden einer Steuerlogikeinheit 1001, einer MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuereinheit 1002, einer PWM-Steuereinheit 1003, einer PFM-Steuereinheit 1004, eines E/A-Ports 1005, einer Zeitgebersteuereinheit 1006, die die Betriebszeit der Steuervorrichtung 500 steuert, und einer Anfangsmesseinheit 1007 miteinander über eine Busleitung 1008 konfiguriert.
  • Die Sensorgruppe 2000 weist eine Photovoltaikmodulspannungserfassungsschaltung (PV-Spannungserfassungsschaltung) 1101, eine Photovoltaikmodulstromerfassungsschaltung (PV-Stromerfassungsschaltung) 1102, eine Optimiererausgangsspannungserfassungsschaltung 1201 und eine Optimiererausgangsstromerfassungseinheit 1202 auf.
  • Die MOS-Treibergruppe 3000 weist mehrere High-Side-MOS-Treiber (1302, 1304 und 1306) und mehrere Low-Side-MOS-Treiber (1301, 1303 und 1305) auf, die mit dem im Mikroprozessor 1000 enthaltenen E/A-Port 1005 verbunden sind und Gate-Signale zum Ein- und Ausschalten der den Optimierer bildenden Leistungs-MOS-Schalttransistorgruppe (Q1 bis Q6) erzeugen, und wandelt ein Steuersignal, das durch den Betrieb in der Steuerlogikeinheit 1001 basierend auf erfassten Ausgangssignalen der Sensorgruppe 2000 und des über den E/A-Port 1005 ausgegebenen Ausgangssignals erzeugt wird, in Gate-Signale zum Ein- und Ausschalten der Schalttransistoren (Q1 bis Q6) der den Optimierer bildenden Leistungs-MOS-Treibergruppe 3000 um. Der MOS-Transistor Q7 ist ein normaler Transistor, der bei einem TTL-Pegel arbeitet. Daher ist der vorstehend erwähnte Treiber nicht erforderlich. Ein Steuersignal Q7-Gi vom E/A-Port wird wie es ist dem Transistor Q7 als ein Gate-Steuersignal Q7-G zugeführt.
  • Die Steuerlogikeinheit 1001 weist eine Vi/Vi8-Vergleichseinheit 1011 auf, die die Eingangsspannung (Vi) vom Photovoltaikmodul mit 80% (Vi8) seiner Leerlauf-Eingangsspannung (Vii) vergleicht. Wie vorstehend beschrieben wurde, ändert sich das Verhältnis zwischen dem Spannungswert, bei dem ermöglicht wird, dass die Ausgangsleistung maximal ist, und der Leerlaufspannung auch bei einer Änderung der Lichtbestrahlungsenergie nicht wesentlich und kann die erzeugte Leistung mit einer Effizienz von 90% oder mehr genutzt werden. Daher beträgt bei einer einfachen Implementierung eine Spannung, bei der die maximale Leistung des PV-Moduls erhalten werden kann, 80% der Leerlaufspannung.
  • Die Steuerlogikeinheit 1001 weist ferner auf: eine Pf/Pfmax-Vergleichseinheit 1012, die die Schaltfrequenz (Pf) des Gate-Signals zum Ein- und Ausschalten der MOS-Schalttransistorgruppe mit der voreingestellten maximalen Schaltfrequenz (Pfmax) vergleicht, eine PO-Messeinheit 1013, die die Ausgangsspannung des Optimierers misst und veranlasst, dass die MPPT-Steuereinheit 1002 eine MTTP-Steuerung ausführt, eine einfache MPPT-Verarbeitungseinheit 1014 für eine einfache MPPT-Steuerung zum Erhöhen und Vermindern der Schaltfrequenz gemäß dem Vergleichsergebnis der Vi/Vi8-Vergleichseinheit 1011 und dem Vergleichsergebnis der Pf/Pfmax-Vergleichseinheit 1012, eine Pf/Pfi-Vergleichseinheit 1015, die die Schaltfrequenz (Pf) mit dem Vorgabewert (Pfi) der Schaltfrequenz vergleicht, eine PO/POmax-Vergleichseinheit 1016, die die als Ergebnis der Steuerung durch die MPPT-Steuereinheit 1002 erhaltene maximale Ausgangsleistung (PO) mit dem Punkt maximaler Ausgangsleistung (POmax) vergleicht, und einen Speicher 1017, der statistische Daten der maximalen Ausgangsleistung (PO) speichert, die als Ergebnis der Steuerung durch die MPPT-Steuereinheit 1002 erhalten werden.
  • 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen der Konfiguration des Optimierers, der für die Ausführungsform 1 der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in dem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem verwendet wird. 3 zeigt ein Betriebszeittaktwellenformdiagramm zum Darstellen der Pegel von Gate-Signalen von Schalttransistoren, die die Schaltung des Optimierers in 2 bilden. 3 enthält die Betriebszeittaktwellenformen des Stands der Technik zum Verdeutlichen der Funktionsweise dieser Ausführungsform.
  • Der in 2 dargestellte PV-Optimierer 100 gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine PV-Eingangseinrichtung 200, eine Schalteinrichtung 300 und eine Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400 auf. Die Konfigurationen der Schalteinrichtung 300 und der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400 sind analog zu denjenigen des vorstehend beschriebenen herkömmlichen PV-Optimierers. Teile der Wirkungen und des Betriebs der Schaltung entsprechen denjenigen der Beschreibung des Stands der Technik, so dass die Beschreibung teilweise überflüssig ist.
  • In 2 werden das ”+”-Ausgangssignal und das ”–”-Ausgangssignal des PV-Moduls (nicht dargestellt) einem PV-Eingang 101 (IN+) und einem PV-Eingang 102 (IN–: Masse) des Optimierers 100 zugeführt. Bezugszeichen Q1, Q2, Q3, Q4 und Q5 bezeichnen einen ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten bzw. einen fünften Schalttransistor. Hierfür werden n-Kanal-Leistungs-MOSFETs (auch als Leistungs-MOS-Transistor bezeichnet) verwendet. Der in dem Diagramm dargestellte MOSFET des Anreicherungstyps ist für diese Schaltung bevorzugt. Der Typ ist jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt. Stattdessen kann ein beliebiger Typ mit ähnlichen Funktionen verwendet werden.
  • Eine Überspannungsschutzschaltung 250 ist mit einem PV-Eingang 101 (IN+) (Ende a) einer in der PV-Eingangseinrichtung 200 vorgesehenen Induktivität L1 und mit dem anderen Ende b dieser Induktivität L1 verbunden. Die Überspannungsschutzschaltung 250 ist zur Induktivität L1 parallel geschaltet. Das andere Ende b der Induktivität L1 ist mit der Schalteinrichtung 300 verbunden, die den ersten Schalttransistor Q1, den zweiten Schalttransistor Q2, den vierten Schalttransistor Q4 und den fünften Schalttransistor Q5 aufweist. Eine DC-Ausgangsspannung der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400 wird einem Power Conditioner 150 zugeführt, der die Eingangsspannung in eine AC-Ausgangsspannung umwandelt und an ein externes System ausgibt (vgl. 6).
  • Ein Ende a der Primärwicklung auf der Primärseite eines in der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400 vorgesehenen Transformators T1 ist mit der Source-Elektrode des in der Schalteinrichtung 300 enthaltenen zweiten Schalttransistors Q2 und mit der Drain-Elektrode des dritten Schalttransistors Q3 verbunden. Das andere Ende b auf der Primärseite des Transformators T1 ist mit der Source-Elektrode des vierten Schalttransistors Q4 und mit der Drain-Elektrode des fünften Schalttransistors Q5 verbunden.
  • Ein Ende c einer Sekundärwicklung (auf der Sekundärseite) des Transformators T1, das die gleiche Polarität hat wie das Ende a auf der Primärseite, ist mit der Anode einer ersten Diode D1 und mit der Kathode einer zweiten Diode D2 verbunden. Ein anderes Ende d ist mit einem Serienverbindungspunkt zwischen einem ersten Kondensator C1 und einem zweiten Kondensator C2 verbunden, die in Serie geschaltet sind. Das freie Ende des ersten Kondensators C1 ist mit der Kathode der ersten Diode D1 und mit einem Ausgang 104 (OUT+) der Optimiererausgänge verbunden. Das freie Ende des zweiten Kondensators C2 ist mit der Anode der zweiten Diode D2 und mit dem anderen Ausgang 105 (OUT–) der Optimiererausgänge verbunden.
  • Die Source-Elektrode des in der Schalteinrichtung 300 vorgesehenen ersten Schalttransistors Q1, die Source-Elektrode des dritten Schalttransistors Q3 und die Source-Elektrode des fünften Schalttransistors Q5 sind mit Masse verbunden. Der zweite Schalttransistor Q2 und der vierte Schalttransistor Q4 bilden einen High-Side-Schalter. Der dritte Schalttransistor Q3 und der fünfte Schalttransistor Q5 bilden einen Low-Side-Schalter.
  • Die für die Eingangseinrichtung 200 bereitgestellte Überspannungsschutzschaltung 250 weist auf: die Induktivität L1, deren Ende a mit dem Eingang 101 (IN+) zum Empfangen des (+)-Ausgangssignals des PV-Moduls verbunden ist, den sechsten Schalttransistor (einen Schalttransistor) Q6, dessen Source-Elektrode über eine dritte Diode (eine Diode) D3 mit dem einen Ende a der Induktivität L1 verbunden ist und dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Ende b der Induktivität L1 verbunden ist, und den siebenten Schalttransistor (anderen Schalttransistor: normaler MOSFET) Q7, dessen Drain-Elektrode mit der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors (Leistungs-MOSFET) Q6 verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist. Die dritte Diode D3, deren Anode mit der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors Q6 und deren Kathode mit dem einen Anschluss a der Induktivität L1 verbunden ist, ist zwischen der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors Q6 und dem einen Anschluss a der Induktivität L1 geschaltet.
  • Die Schaltung weist ferner eine vierte Diode (andere Diode) D4 auf, deren Kathode mit dem Verbindungspunkt zwischen der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors Q6 und der Drain-Elektrode des siebenten Schalttransistors Q7 verbunden ist und deren Anode mit Masse verbunden ist. Die vierte Diode (andere Diode) D4 kann in einem Fall weggelassen werden, in dem eine im Inneren des siebenten Schalttransistors Q7 vorhandene parasitäre Diode (im Schaltungsdiagramm nicht dargestellt) die vierte Diode ersetzen kann. In dem Fall, in dem die im siebenten Schalttransistor Q7 vorhandene parasitäre Diode die vierte Diode ersetzen kann, weist parasitäre Diode Kenngrößen (maximaler Durchlassstromwert und dergleichen) auf, die für die vierte Diode erforderlich sind.
  • Daher hat der Optimierer eine Konfiguration, die in der Eingangsschaltung den sechsten Schalttransistor Q6 oder den sechsten Schalttransistor Q6 und den siebenten Schalttransistor Q7 enthält, um zu verhindern, dass eine Stoßspannung in der Induktivität L1 auftritt.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, wird das Ausgangssignal des PV-Optimierers 100 dem Power Conditioner 150 (vergl. 6) zugeführt und als eine vorgegebene AC-Spannung an das Stromversorgungsnetz ausgegeben.
  • Der sechste Schalttransistor Q6 und der siebente Schalttransistor Q7 arbeiten nur dann, wenn die Ausgangsleistung des PV-Moduls niedrig ist und keine normale Steuerung ausgeführt werden kann. Wenn die Ausgangsleistung ansteigt, wird Q6 durch die PWM-Steuerung oder die PFM-Steuerung ”Midstream” automatisch auf den Zustand AUS geschaltet. ”Midstream” bezeichnet einen beliebigen Zeitpunkt in der ersten oder zweiten Hälfte der Schaltperiode T, während der die PWM-Steuerung oder die PFM-Steuerung ausgeführt wird.
  • Nachstehend wird der Betrieb der Überspannungsschutzschaltung der Reihe nach beschrieben. In dem Diagramm bezeichnen T die Zeitdauer einer Periode der Schaltfrequenz, ”A” die erste Hälfte der Zeitdauer T und ”B” die zweite Hälfte dieser Zeitdauer. ”Q1-G” bis ”Q7-G” bezeichnen Zufuhrpegel und -zeiten von Gate-Signalen (Gate-Pulsen) zum Ein- und Ausschalten der in 1 dargestellten ersten bis siebenten Schalttransistoren. Ein hoher Pegel ”H” bezeichnet ein Gate-Signal zum Einschalten des Schalttransistors. Ein niedriger Pegel ”L” bezeichnet ein Gate-Signal zum Ausschalten des Schalttransistors.
  • 3 [1] zeigt den Steuerzeittakt für den Schalttransistor in einem Fall, in dem die Ausgangsleistung des PV-Moduls sehr klein ist. In ”A” in 3 [1] ist die Breite eines Pulses Aa des Gate-Signals Q1-G sehr schmal (kurze Dauer), so dass die Eingangsspannung der Schalteinrichtung 300 auch dann nicht wesentlich abnimmt, wenn die Ausgangsleistung des PV-Moduls niedrig ist. D. h., die Pulsbreite ist eine Pulsbreite mit einer geringen Wirkung der Last. Die Induktivität L1, die während der Zeitdauer der Pulsbreite des Pulses Aa erregt wird, wird in der Zeitdauer des Pulses Ab zu dem Ende a auf der Primärseite des Transformators T1 übertragen, die die Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400 bildet. Eine lange Dauer des Pulses Ab bewirkt einen Kurzschluss. Die Zeit zum Erregen des Endes a auf der Primärseite des Transformators T1 ist auf die Dauer des Impulses Ab begrenzt, und der zweite Schalttransistor Q2 wird ausgeschaltet.
  • Daher werden der Transformator T1 der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400 und die Induktivität L1 der Eingangseinrichtung 200 abgeschlossen. Die in der Induktivität L1 auftretende Stoßspannung kann jedoch durch gleichzeitiges Kurzschließen des hinzugeschalteten sechsten Schalttransistors Q6 absorbiert werden. Gleichzeitig wird der dritte Schalttransistor Q3 eingeschaltet, um den Transformator T1 kurzzuschließen. Um die Spannungsquelle eines High-Side-Treibers aufzuladen, wird der siebente Schalttransistor Q7 auf eine Phase eingestellt, die derjenigen des sechsten Schalttransistors Q6 entgegengesetzt ist, und wird ein Ladevorgang in der Zeitdauer Aa + Ab ausgeführt.
  • Ähnlicherweise wird auch in einem Fall ”B” in 3 [1] die Breite eines Pulses Bb des ersten Schalttransistors Q1-G wie im Fall des Pulses Aa von ”A” auf eine sehr kurze Dauer eingestellt, erfolgt eine Übertragung zum anderen Ende b auf der Primärseite des Transformators T1 innerhalb einer begrenzten Zeit von Bb nach der Erregung der Induktivität L1, und wird der vierte Schalttransistor Q4 ausgeschaltet.
  • Damit werden der Transformator T1 und die Induktivität L1 abgeschlossen. Folglich kann die in der Induktivität L1 auftretende Stoßspannung durch gleichzeitiges Kurzschließen des hinzugeschalteten sechsten Schalttransistors Q6 absorbiert werden. Gleichzeitig wird der fünfte Schalttransistor Q5 eingeschaltet, um den Transformator T1 kurzzuschließen. Ähnlicherweise wird im Fall des siebenten Schalttransistors Q7 die Spannungsquelle des High-Side-Treibers in der Zeitdauer Ba + Bb in einer Phase geladen, die derjenigen des sechsten Schalttransistors Q6 entgegengesetzt ist.
  • 3 [2] zeigt den Steuerzeittakt für den Schalttransistor in einem Fall, in dem die Ausgangsleistung des PV-Moduls groß ist. Wenn die Ausgangsleistung des PV-Moduls zunimmt, wird die Zunahme erfasst und wird eine Steuerung ausgeführt, die veranlasst, dass der Transformator T1 die Breiten des Pulses Aa und des Pulses Ba des Gate-Signals Q1-G des ersten Schalttransistors Q1 geringfügig erhöht, um die Erregungszeit für die Induktivität L1 zu verlängern. Die Breiten des Pulses Ab und des Pulses Bb, die die Übertragungszeit für den Transformator T1 nach der Erregung der Induktivität L1 sind, werden derart gesteuert, dass sie proportional zur Pulsbreite des Gate-Signals Q1-G des ersten Schalttransistors Q1 zunehmen. Diese Steuerung erhöht die Breite des Pulses Aa und die Breite des Pulses Ba des Gate-Signals Q1-G in einem gewissen Maß und erhöht dadurch die Breite des Pulses Ab und die Breite des Pulses Bb (verlängert die Zeit), die die Übertragungszeit des Transformators T1 darstellen, und vermindert gleichzeitig die Dauer des Pulses Ac und des Pulses Bc, in denen die Übertragung ausgeschaltet ist.
  • 3 [3] zeigt den Steuerzeittakt für den Schalttransistor in einem Prozess, während dem die Ausgangsleistung des PV-Moduls zunimmt und den Normalbetriebszustand erreicht [4]. Durch die Steuerung in 3 [2] wird die Wellenform des Steuerzeittaktes die in 3 [3] dargestellte Wellenform und ändert sich in den normalen Betriebszustand (3 [4]).
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, wird, wenn die Ausgangsleistung des PV-Moduls sehr klein ist, der Zustand in einen Zustand gebracht, in dem die Zeitdauer T der Schaltfrequenz erhöht und die Pulsbreite des Gate-Signals schmal ist, und wird der Betrieb gestartet. Mit der MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung wird die Periode reduziert, wenn die Ausgangsleistung des PV-Moduls zunimmt. Wenn die Periode eine bestimmte Periode erreicht, wird die Pulsbreite erhöht, wodurch ein Betrieb wie der des DC-DC-Wandlers für die ursprüngliche MPPT-Steuerung erreicht wird.
  • Wenn es Abend wird und die Ausgangsleistung des PV-Moduls allmählich abnimmt, wird die Pulsbreite dagegen allmählich vermindert, während die MPPT-Steuerung auf eine Weise ausgeführt wird, die bezüglich derjenigen in der vorstehenden Beschreibung umgekehrt ist. Wenn die Breite auf eine bestimmte (minimale) Pulsbreite abnimmt, wird die Periode erhöht, wobei der Zustand ein Wartezustand ist, bis die Steuerung im Standardzustand schließlich unmöglich wird.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm von Prozessen zum Darstellen eines erfindungsgemäßen Steuerverfahrens zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm von Prozessen, das eine Fortsetzung von 4 ist, zum Darstellen des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem. Nachstehend wird unter Bezug auf die 4 und 5 der Ablauf von Prozessen der Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung Vorrichtung in 1 zum Steuern des in 2 dargestellten Optimierers beschrieben.
  • Zunächst wird die Leerlauf-Eingangsspannung (Vii), die die PV-Spannung ohne Last ist, gemessen und in der Anfangsmesseinheit 1007 in 1 als ein Anfangsmesswert gesetzt. Die Schaltpulsbreite (Pwi) und -frequenz (Pfi) des Schaltreglers werden als Vorgabewerte gesetzt ... Schritt [1] (nachfolgend wird der Schritt auf eine Weise wie S-1 dargestellt).
  • Die Leerlauf-Eingangsspannung (Vii) beträgt beispielsweise 45 V. Die Schaltpulsbreite (Pwi) des Schaltreglers beträgt 0,5 μs. Die Frequenz (Pfi) beträgt 1 kHz. Die Pulsbreite (Pw) entspricht in dem Zeittaktwellenformdiagramm von 3 Aa oder Ba (Pw = Aa oder Ba). Die am Ende hinzugefügte Bezeichnung ”i” wie beispielsweise bei Pwi, Pfi und Vii bezeichnet einen Anfangswert (i von initial).
  • In einem Fall, in dem die DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul nach der Ausführung von S-1 zum Setzen des Anfangswerts und des Vorgabewerts kleiner ist als ein vorgegebener Wert, wird ein erster Steuermodus (einfacher MPPTT-Verarbeitungsmodus) zum Steuern einer Spannungserhöhung durch eine Pulsfrequenzmodulationssteuerung (PFM) ausgeführt. In einem Fall, in dem die DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul mindestens dem vorgegebenen Wert gleicht, wird bestimmt, dass eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls bewirkt, dass die Steuergrenze im ersten Steuermodus erreicht wird, und wird ein zweiter Steuermodus (MPPT-Verarbeitungsmodus) zum Steuern der Spannungserhöhung durch eine Pulsbreitenmodulationssteuerung (PWM) ausgeführt.
  • 4 zeigt den Ablauf von Prozessen des ersten Steuermodus, d. h. des einfachen MPPT-Verarbeitungsmodus. Im ersten Steuermodus wird nach der Ausführung von S-1 zum Setzen des Anfangsmesswerts und des Vorgabewertes die Eingangsspannung (Vi), die dem Optimierer vom Photovoltaikmodul zugeführt wird, mit 80% (Vi8) der Leerlauf-Eingangsspannung (Vii) verglichen ... S-2.
  • Wenn das Vergleichsergebnis in S-2 (Vi) < (Vi8) ist, wird die Schaltfrequenz (Pf) vermindert (mit fester Pulsbreite) ... S-3.
  • Anschließend wird die in S-3 verminderte Frequenz (Pf) mit der Vorgabefrequenz (Pfi) verglichen ... S-4.
  • Wenn das Vergleichsergebnis in S-4 anzeigt, dass die in S-3 verminderte Frequenz (Pf) kleiner ist als die Vorgabefrequenz (Pfi), springt die Verarbeitung zu S-1 zurück. Wenn das Vergleichsergebnis im S-4 anzeigt, dass die in S-3 verminderte Frequenz (Pf) größer oder gleich der Vorgabefrequenz (Pfi) ist, springt die Verarbeitung zu S-2 zurück. Wenn das Vergleichsergebnis in S-2 (Vi) ≥ (Vi8) ist, wird die Frequenz (Pf) mit der gesetzten Maximalfrequenz (Pfmax) verglichen ... S-5.
  • Wenn das Vergleichsergebnis in S-5 anzeigt, dass die Schaltfrequenz (Pf) kleiner ist als die maximale Schaltfrequenz (Pfmax), wird die Schaltfrequenz (Pf) erhöht (mit fester Pulsbreite) ... S-6.
  • Nach der Ausführung von S-6 springt die Verarbeitung zu S-2 zurück. Wenn das Vergleichsergebnis in S-5 anzeigt, dass die Schaltfrequenz (Pf) größer oder gleich der maximalen Schaltfrequenz (Pfmax) ist, wird bestimmt, dass die Umgebung hell wird und die Ausgangsleistung die Steuergrenze der PFM-Steuerung zum Erhöhen der Schaltfrequenz (Pf) erreicht, und schaltet der Modus auf den zweiten Steuermodus um.
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm der Prozesse des zweiten Steuermodus für den MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuermodus. Die Schaltpulsbreite Pw wird entsprechend dem Bestimmungsergebnis Schaltfrequenz (Pf) ≥ maximale Schaltfrequenz (Pfmax) erhöht, das anzeigt, dass die Steuergrenze im ersten Steuermodus durch Erhöhen der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls erreicht ist ... S-7.
  • Nach der Ausführung von S-7 wird die Ausgangsleistung (PO = Vo × Io) des Photovoltaikmoduls im Fall einer Erhöhung der Schaltpulsbreite (Pw) gemessen. Der Wert der gemessenen Ausgangsleistung wird als statistische Daten des Messwerts der maximalen Ausgangsleistung in dem in 1 dargestellten Speicher 1017 gespeichert ... S-8.
  • Nach der Ausführung von S-8 wird die MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung ausgeführt. Die aktuelle maximale Ausgangsleistung wird mit den im Speicher 1017 gespeicherten statistischen Daten der maximalen Ausgangsleistung verglichen ... S-9.
  • Entsprechend dem Ergebnis der MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung wird bestimmt, ob die maximale Ausgangsleistung PO den aktuellen Wert des Punkts der maximalen Ausgangsleistung (POmax) überschreitet ... S-10.
  • Wenn die Bedingung aktueller Wert der maximalen Ausgangsleistung (aktueller PO-Wert) < Punkt der maximalen Ausgangsleistung (POmax) in S-10 erfüllt ist, springt die Verarbeitung zu S-7 zum Erhöhen der Schaltpulsbreite Pw (Erhöhen des Tastverhältnisses Pd) zurück. Wenn die Bedingung aktueller Wert der maximalen Ausgangsleistung (aktueller PO-Wert) ≥ Punkt der maximalen Ausgangsleistung (POmax) in S-10 erfüllt ist, wird die Schaltpulsbreite Pw vermindert (das Tastverhältnis Pd wird vermindert) ... S-11.
  • Nach der Ausführung von S-11 wird die Schaltpulsbreite (Pw) mit dem Vorgabewert (Pwi) verglichen ... S-12.
  • Wenn die Bedingung Schaltpulsbreite (Pw) ≥ Vorgabewert (Pwi) in S-12 erfüllt ist, springt die Verarbeitung zu S-8 zum Messen der Ausgangsleistung (PO = Vo × Io) des Photovoltaikmoduls zurück. Wenn die Bedingung Schaltpulsbreite (Pw) < Vorgabewert (Pwi) erfüllt ist, wird die Umgebung dunkel und wird die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls niedrig, wird bestimmt, dass die Schaltpulsbreite (Pw) die Steuergrenze der PWM-Steuerung zum Vermindern der Schaltpulsbreite (Pw) erreicht, und springt die Verarbeitung zu S-1 für den ersten Steuermodus zurück.
  • 6 zeigt ein Diagramm zum Darstellen eines Verbindungszustands einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung in einem Photovoltaikmodul-Energieerzeugungssystem. Der Ausgang des PV-Moduls 50 ist mit den Eingängen 101 (IN+) und 102 (IN–) des PV-Ausgangsleistungsoptimierers 100 verbunden. Insbesondere beträgt der Ausgangsspannungsbereich des PV-Moduls 50 30 bis 60 bis 60 V/300 W (der Strom beträgt 10 Amax). Der Wert ist nicht notwendigerweise darauf beschränkt und kann ein anderer Wert sein, je nach Auswahl der Konstanten und dergleichen (z. B. des Wicklungsverhältnisses des Transformators T1).
  • Die Ausgänge 104 (OUT+) und 105 (OUT–) des PV-Optimierers 100 sind mit den jeweiligen Eingängen 106 (DC+) und 107 (DC–) des Power Conditioners 150 verbunden. Die empfohlene Eingangsspannung des Power Conditioners 150 ist diejenige einer Konstantspannungslast von 700 bis 800 V. Es ist jedoch ein bestimmter Spannungsbereich zulässig. Die Auswahl der Konstanten und dergleichen ermöglicht eine Eingangsspannung in einem noch breiteren Spannungsbereich. Der AC-Ausgang des Power Conditioners 150 ist mit dem Stromversorgungsnetz und dergleichen (nicht dargestellt) verbunden.
  • Gemäß der Ausführungsform 1 des Steuerverfahrens und der Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in dem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung wird in dem Fall, in dem die DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul kleiner ist als der vorgegebene Wert, die Spannungserhöhung durch eine Pulsfrequenzmodulationssteuerung (PFM) (Ausführung des ersten Steuermodus) gesteuert. In dem Fall, in dem die DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul mindestens dem vorgegebenen Wert gleicht, wird bestimmt, dass eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls bewirkt, dass die Steuergrenze im ersten Steuermodus erreicht wird, und wird die Spannungserhöhung durch die Pulsbreitenmodulationssteuerung (PWM) (Ausführung des zweiten Steuermodus) gesteuert. Eine derartige Steuerung zum Umschalten des Betriebs des Optimierers zwischen dem ersten Steuermodus und dem zweiten Steuermodus gemäß der Größe des DC-Eingangssignals vom Photovoltaikmodul kann insbesondere den Betrieb bei einer DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul stabilisieren, wenn die Ausgangsleistung niedriger ist als ein vorgegebener Wert, und einen stabilen Betrieb des gesamten Systems auch bei einer Schwankung der optischen Energie ausführen, mit der das Photovoltaikmodul bestrahlt wird.
  • Der für die vorliegende Erfindung verwendete Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimierer kann durch den Betrieb der für die Eingangsschaltung vorgesehenen Schutzschaltung verhindern, dass eine Stoßspannung auftritt, ein Durchbrechen der Schalttransistoren verhindern und einen stabilen Betrieb auch bei einer Schwankung der Ausgangsleistung des PV-Moduls erzielen.
  • Ausführungsform 2
  • 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen der Konfiguration des für eine Ausführungsform 2 der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem verwendeten Optimierers. In der vorstehend dargestellten Ausführungsform 1 weist die Eingangseinrichtung 200 die Überspannungsschutzschaltung auf, die den sechsten Schalttransistor Q6 und den siebenten Schalttransistor Q7 aufweist. In der Ausführungsform 2 ist die für die Eingangseinrichtung 200 vorgesehene Überspannungsschutzschaltung durch Entfernen des siebenten Schalttransistors Q7 von der in 2 dargestellten Schaltung und durch Bereitstellen nur des sechsten Schalttransistors Q6, der dritten Diode D3 und der vierten Diode D4 konfiguriert.
  • Die Funktionsweise der in 7 dargestellten Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung ist die, die durch Entfernen des dem siebenten Schalttransistor Q7 entsprechenden Abschnitts in der Beschreibung der Ausführungsform 1 erhalten wird. D. h., die Schaltung ist diejenige, die durch Entfernen des High-Side-Treibers erhalten wird.
  • Wie in der Ausführungsform 1 wird auch in der Ausführungsform 2 in dem Fall, in dem die DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul niedriger ist als der vorgegebene Wert, die Spannungserhöhung durch eine Pulsfrequenzmodulationssteuerung (PFM) (Ausführen des ersten Steuermodus) gesteuert. In dem Fall, in dem die DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul mindestens dem vorgegebenen Wert gleicht, wird bestimmt, dass eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls bewirkt, dass die Steuergrenze im ersten Steuermode erreicht wird, und wird die Spannungserhöhung durch die Pulsbreitenmodulationssteuerung (PWM) (Ausführen des zweiten Steuermodus) gesteuert. Eine solche Steuerung zum Umschalten des Betriebs des Optimierers zwischen dem ersten Steuermodus und dem zweiten Steuermodus entsprechend der Größe der DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul kann insbesondere den Betrieb bei einer DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul stabilisieren, wenn die Ausgangsleistung niedriger ist als ein vorgegebener Wert, und einen stabilen Betrieb des gesamten Systems auch bei einer Änderung der optischen Energie ausführen, mit der das Photovoltaikmodul bestrahlt wird.
  • Eine Konfiguration des High-Side-Treibers, der aus einer Schaltung des Isoliertyps besteht, kann durch den Betrieb der für die Eingangsschaltung vorgesehenen Schutzschaltung verhindern, dass die Stoßspannung auftritt, und kann ein Durchbrechen der Schalttransistoren verhindern und einen stabilen Betrieb auch bei einer Schwankung der Ausgangsleistung des PV-Moduls erzielen.
  • 8 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen eines spezifischen Konfigurationsbeispiels der Optimiererschaltung der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, das dem Optimierer der Ausführungsform 1 entspricht, die unter Bezug auf 2 beschrieben wurde. Die Bezugszeichen 200, 250, 300 und 400 in 8 entsprechen der Eingangseinrichtung 200, der Überspannungsschutzschaltung 250, der Step-Up-Einrichtung 300 bzw. der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung 400. Die Schalttransistoren Q1 bis Q7, die Dioden D1 bis D4, die Kondensatoren C1 und C2, die Induktivität L1 und der Transformator T1 entsprechen ebenfalls den mit den gleichen Bezugszeichen bezeichneten Komponenten in 2.
  • 8 zeigt eine spezifische Implementierung als ein tatsächliches Schaltungsbeispiel des in 2 dargestellten Basis-Optimierers. Treiber-ICs 1301 bis 1306 in 8 entsprechen den jeweiligen MOS-Treibern 1301 bis 1306 in 2. Wie vorstehend beschrieben wurde, sind die ersten bis sechsten Transistoren Q1 bis Q6 Leistungs-MOS-Transistoren (Leistungs-MOSFETs). Folglich weisen die Transistoren Treiber zum Umwandeln eines Logikpegelsignals der Steuerlogikeinheit 1001 in einen Pegel zum Ansteuern der Leistungs-MOS-Transistoren auf. Nur der siebente Transistor Q7 wird mit dem normalen Logikpegel angesteuert. Folglich benötigt dieser Transistor keinen Treiber. D. h., die Gate-Steuersignale Q1-Gi bis Q6-Gi zum Ein- und Ausschalten der ersten bis sechsten Schalttransistoren Q1 bis Q6 werden vom Mikroprozessor 1000 in 1 über den E/A-Port 1005 den Treiber-ICs 1301 bis 1306 zugeführt und werden als Gate-Signale Q1-G bis Q7-G mit vorgegebenen Pegeln den jeweiligen Gate-Elektroden der Schalttransistoren Q1 bis Q7 zugeführt.
  • 8 zeigt ein Beispiel einer spezifischen Schaltung des für die Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung verwendeten Optimierers. Es ist klar, dass verschiedene andere Modifikationen möglich sind. Die spezifische Schaltung des Optimierers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung kann als eine Schaltung implementiert werden, die durch Entfernen der Konfiguration, die mit dem siebenten Schalttransistor Q7 in Beziehung steht, von der Schaltung in 8 erhalten wird.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurde die vorliegende Erfindung als ein Energiegewinnungssystem dargestellt, das Photovoltaikmodule aufweist.
  • Alternativ ist die vorliegende Erfindung in einer analogen Weise auch auf eine Energiequelle mit einer veränderlichen Ausgangsleistung anwendbar, wie beispielsweise ein Step-Up-System einer Batterie und einer Speicherbatterie.
  • Bezugszeichenliste
    • 50
    Photovoltaikmodul (PV-Modul)
    100
    PV-Optimierer
    101
    PV-Eingang (+)
    102
    PV-Eingang (–)
    103
    Gate-Anschluss des siebenten Schalttransistors Q7
    104
    PV-Ausgang (+)
    105
    PV-Ausgang (–)
    150
    Power Conditioner
    200
    Eingangseinrichtung
    250
    Überspannungsschutzschaltung
    300
    Step-Up-Einrichtung (Spannungserhöhungseinrichtung)
    400
    Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung
    500
    Steuervorrichtung
    1000
    Mikroprozessor
    1001
    Steuerlogikeinheit
    1002
    MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuereinheit
    1003
    PWM-Steuereinheit
    1004
    PFM-Steuereinheit
    1005
    E/A-Port
    1006
    Zeitgebersteuereinheit
    1007
    Anfangsmesseinheit
    1008
    Busleitung
    1101
    Photovoltaikmodulspannungserfassungsschaltung (PV-Spannungserfassungsschaltung)
    1102
    Photovoltaikmodulstromerfassungsschaltung (PV-Stromerfassungsschaltung)
    1201
    Optimiererausgangspannungserfassungsschaltung
    1202
    Optimiererausgangsstromerfassungsschaltung
    1013
    PO-Messeinheit
    1014
    Einfache MPPT-Verarbeitungseinheit
    1015
    Pf/Pfi-Vergleichseinheit
    1016
    PO/POmax-Vergleichseinheit
    1017
    Speicher
    1301 bis 1306
    Leistungs-MOS-Treiber
    Q1 bis Q6
    Schalttransistor (Leistungs-MOS-Transistoren für Leistung, Leistungs-MOS-Transistor: Leistungs-MOSFET)
    Q7
    Schalttransistor (MOSFET)
    D1 bis D4
    Diode
    C1, C2
    Kondensator
    L1
    Induktivität
    T1
    Transformator
    1301 bis 1306
    Treiber-IC
    Q1-Gi bis Q6-Gi
    Gate-Steuersignal der Leistungs-MOS-Transistoren Q1 bis Q6
    Q7
    Gate-Steuersignal des MOS-Transistors

Claims (14)

  1. Steuerverfahren zur optimalen Energiegewinnung, das ein Steuerverfahren zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem ist, zum stabilen Gewinnen von Energie von einem Photovoltaik-Energieerzeugungsmodul mit schwankender Ausgangsleistung, wobei eine Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung, die einen DC-DC-Wandler aufweist, der einen durch eine Pulsfrequenzmodulationssteuerung und eine Pulsbreitenmodulationssteuerung mit einer Schaltfrequenz angesteuerten Schaltregler aufweist und einen Optimierer zum Erhöhen einer DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul auf eine vorgegebene DC-Hochspannung steuert und die erhöhte DC-Spannung in eine Stromversorgungsnetzspannung umwandelt, einen Mikroprozessor aufweist, wobei der Mikroprozessor einen Schritt 1 zum Messen einer Leerlauf-Eingangsspannung (Vii) ausführt und die Spannung als einen Anfangsmesswert setzt und eine Breite (Pwi) und eine Frequenz (Pfi) eines Schaltpulses eines Schaltreglers als Vorgabewerte setzt, einen ersten Steuermodus zum Steuern der Spannungserhöhung durch die Pulsfrequenzmodulationssteuerung ausführt, wenn eine DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul kleiner ist als ein vorgegebener Wert ist, und bestimmt, dass eine Steuergrenze im ersten Steuermodus durch Erhöhung der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls erreicht ist, wenn die DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul mindestens dem vorgegebenen Wert gleicht, und einen zweiten Steuermodus zum Steuern der Spannungserhöhung durch eine Pulsbreitenmodulationssteuerung ausführt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Steuermodus ein einfacher MPPT-Verarbeitungsmodus ist, nach der Ausführung von Schritt 1 zum Setzen des Anfangsmesswerts und der Vorgabewerte, das Verfahren einen Schritt 2 zum Vergleichen der dem Optimierer vom Photovoltaikmodul zugeführten Eingangsspannung (Vi) mit 80% (Vi8) seiner Leerlauf-Eingangsspannung (Vii) ausführt, einen Schritt 3 zum Vermindern der Schaltfrequenz (mit fester Pulsbreite) ausführt, wenn ein Vergleichsergebnis in Schritte 2 (Vi) < (Vi8) ist, anschließend, einen Schritt 4 zum Vergleichen der in Schritt 3 verminderten Frequenz (Pf) mit der Vorgabefrequenz (Pfi) ausführt, zu Schritt 1 zurückspringt, wenn ein Vergleichsergebnis in Schritt 4 anzeigt, dass die in Schritt 3 verminderte Frequenz (Pf) kleiner ist als die Vorgabefrequenz (Pfi), zu Schritt 2 zurückspringt, wenn das Vergleichsergebnis in Schritt 4 anzeigt, dass die in der Schritt 3 verminderte Frequenz (Pf) größer oder gleich der Vorgabefrequenz (Pfi) ist, einen Schritt 5 zum Vergleichen der Frequenz (Pf) mit einer gesetzten Maximalfrequenz (Pfmax) ausführt, wenn das Vergleichsergebnis in Schritt 2 (Vi) ≥ (Vi8) ist, einen Schritt 6 zum Erhöhen der Schaltfrequenz (Pf) (mit fester Pulsbreite) ausführt und zu Schritt 2 zurückspringt, wenn das Vergleichsergebnis in Schritt 5 anzeigt, dass die Schaltfrequenz (Pf) kleiner ist als die maximale Schaltfrequenz (Pfmax), und bestimmt, dass die Umgebung hell wird und die Ausgangsleistung eine Steuergrenze der PFM-Steuerung zum Erhöhen der Schaltfrequenz (Pf) erreicht, wenn das Vergleichsergebnis in Schritt 5 anzeigt, dass die Schaltfrequenz (Pf) größer oder gleich der maximalen Schaltfrequenz (Pfmax) ist, und der erste Steuermodus in den zweiten Steuermodus übergeht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Steuermodus ein MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuermodus ist, und das Verfahren Schritt 7 zum Erhöhen einer Schaltpulsbreite Pw (Erhöhen des Tastverhältnisses Pd) gemäß einem Bestimmungsergebnis Schaltfrequenz (Pf) ≥ maximale Schaltfrequenz (Pfmax) ausführt, das anzeigt, dass die Steuergrenze im ersten Steuermodus durch Erhöhen der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls erreicht ist, einen Schritt 8 zum Messen der Ausgangsleistung (PO = Vo × Io) des Photovoltaikmoduls im Fall einer Erhöhung der Schaltpulsbreite (Pw) ausführt, einen Schritt 9 zum Ausführen der MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuerung ausführt, einen Schritt 10 zum Bestimmen, ob die maximale Ausgangsleistung PO einen Punkt maximaler Ausgangsleistung (POmax) überschreitet, gemäß einem Ergebnis der MPPT-Steuerung ausführt, zu Schritt 7 zum Erhöhen der Schaltpulsbreite Pw (Erhöhen des Tastverhältnisses Pd) zurückspringt, wenn in Schritt 10 die maximale Ausgangsleistung PO kleiner ist als der Punkt der maximalen Ausgangsleistung (POmax), einen Schritt 11 zum Vermindern der Schaltpulsbreite Pw ausführt, wenn in Schritt 10 die maximale Ausgangsleistung PO größer oder gleich dem Punkt maximaler Ausgangsleistung (POmax) ist, anschließend einen Schritt 12 zum Vergleichen der Schaltpulsbreite (Pw) mit dem Vorgabewert (Pwi) ausführt, zu Schritt 8 zum Messen der Ausgangsleistung (PO = Vo × Io) des Photovoltaikmoduls zurückspringt, wenn in Schritt 12 die Schaltimpulsbreite (Pw) größer oder gleich dem Vorgabewert (Pwi) ist, und bestimmt, dass die Umgebung dunkel wird und die Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls klein wird und die Steuergrenze der PWM-Steuerung zum Vermindern der Schaltpulsbreite (Pw) im Fall Schaltpulsbreite (Pw) < Vorgabewert (Pwi) in Schritt 12 erreicht ist, und vom zweiten Steuermodus zu Schritt 1 für den ersten Steuermodus zurückspringt.
  4. Steuervorrichtung zur optimalen Energiegewinnung in einem Photovoltaik-Energieerzeugungssystem zum stabilen Gewinnen von Energie von einem Photovoltaikmodul mit schwankender Ausgangsleistung, mit: einer Steuervorrichtung, die einen DC-DC-Wandler aufweist, der einen durch eine Pulsfrequenzmodulationssteuerung und eine Pulsbreitenmodulationssteuerung mit einer Schaltfrequenz angesteuerten Schaltregler aufweist und einen Optimierer zum Erhöhen einer DC-Eingangsspannung vom Photovoltaikmodul auf eine vorgegebene DC-Hochspannung steuert und die erhöhte DC-Spannung in eine Stromversorgungsnetzspannung umwandelt, wobei die Steuervorrichtung einen Mikroprozessor, eine Sensorgruppe und eine MOS-Treibergruppe aufweist, wobei der Mikroprozessor konfiguriert ist durch Verbinden einer Steuerlogikeinheit, einer MPPT-(Maximum Power Point Tracking)Steuereinheit, einer PWM-Steuereinheit, einer PFM-Steuereinheit, eines E/A-Ports, einer Zeitgebersteuereinheit, die die Betriebszeit der Steuervorrichtung steuert, und einer Anfangsmesseinheit miteinander über eine Busleitung, wobei die Sensorgruppe eine Photovoltaikmodulspannungserfassungsschaltung, eine Photovoltaikmodulstromerfassungsschaltung, eine Optimiererausgangsspannungserfassungsschaltung und eine Optimiererausgangsstromerfassungseinheit aufweist, und wobei die MOS-Treibergruppe mehrere High-Side-MOS-Treiber und mehrere Low-Side-MOS-Treiber aufweist, die Gate-Signale zum Ein- und Ausschalten einer Leistungs-MOS-Schalttransistorgruppe erzeugen, die mit einem im Mikroprozessor enthaltenen E/A-Port verbunden ist, um den Optimierer zu bilden, und das Gate-Signal, das durch den Betrieb in der Steuerlogikeinheit basierend auf dem Erfassungsausgangssignal der Sensorgruppe erzeugt wird und die den Optimierer bildenden Schalttransistoren der MOS-Treibergruppe ein- und ausschaltet, über den E/A-Port zuführt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuerlogikeinheit aufweist: eine Vi/i8-Vergleichseinheit, die die Eingangsspannung (Vi) vom Photovoltaikmodul mit 80% (Vi8) der Leerlauf-Eingangsspannung (Vii) davon vergleicht, eine Pf/Pfmax-Vergleichseinheit, die eine Schaltfrequenz (Pf) des Gate-Signals zum Ein- und Ausschalten der MOS-Schalttransistorgruppe mit einer vorgegebenen maximalen Schaltfrequenz (Pfmax) vergleicht, eine PO-Messeinheit, die eine Ausgangsspannung des Optimierers misst und veranlasst, dass die MPPT-Steuereinheit die MPPT-Steuerung ausführt, eine einfache MPPT-Verarbeitungseinheit für eine einfache MPPT-Steuerung zum Erhöhen und Vermindern der Schaltfrequenz gemäß einem Vergleichsergebnis der Vi/Vi8-Vergleichseinheit und einem Vergleichsergebnis der Pf/Pfmax-Vergleichseinheit, eine Pf/Pfi-Vergleichseinheit, die die Schaltfrequenz (Pf) mit einem Vorgabewert (Pfi) der Schaltfrequenz vergleicht, einen Speicher, der statistische Daten einer maximalen Ausgangsleistung (PO) speichert, die als Ergebnis der Steuerung in der MPPT-Steuereinheit erhalten werden, und eine PO/POmax-Vergleichseinheit, die einen aktuellen Ausgangsleistungspunkt mit der im Speicher gespeicherten maximalen Ausgangsleistung (POmax) vergleicht.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Optimierer zum stabilen Gewinnen von Energie von der Ausgangsleistung des Photovoltaikmoduls mit schwankender Ausgangsleistung dient und aufweist: eine PV-Eingangseinrichtung zum Empfangen einer DC-Ausgangsspannung des Photovoltaikmoduls, eine Schalteinrichtung zum Umwandeln der der PV-Eingangseinrichtung zugeführten DC-Eingangsspannung in eine vorgegebene Pulsspannung oder AC-Spannung, und eine Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung zum Erhöhen der Ausgangsspannung der Schalteinrichtung auf eine vorgegebene DC-Spannung, wobei eine DC-Ausgangsspannung der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung einem Power Conditioner zugeführt wird, der die DS-Ausgangsspannung in eine AC-Ausgangsspannung umwandelt und die umgewandelte Ausgangsspannung an ein externes System ausgibt, und wobei die PV-Eingangseinrichtung aufweist: eine mit dem ”+”-Ausgang des PV-Moduls in Serie geschaltete Induktivität und eine zur Induktivität parallel geschaltete Überspannungsschutzschaltung, die derart arbeitet, dass eine in einem Ausgangssignal der Induktivität auftretende Stoßspannung nur dann absorbiert wird, wenn die Ausgangsleistung des PV-Moduls niedrig ist und keine normale Steuerung ausgeführt werden kann, und automatisch von der Induktivität getrennt wird, wenn die Ausgangleistung des PV-Moduls groß ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Überspannungsschutzschaltung der Photovoltaik-Ausgangsoptimiererschaltung aufweist: eine Induktivität, deren eines Ende a mit einem Eingangs-PV-Eingang (+) zum Empfangen des (+)-Ausgangssignals des PV-Moduls verbunden ist; einen sechsten Schalttransistor, dessen Source-Elektrode über eine dritte Diode (eine Diode) mit dem einen Ende der Induktivität verbunden ist und dessen Drain-Elektrode mit einem anderen Ende der Induktivität verbunden ist; und einen siebenten Schalttransistor, dessen Drain-Elektrode mit der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit einer Masse verbunden ist, wobei eine dritte Diode, deren Anode mit der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors verbunden ist und deren Kathode mit dem einen Ende der Induktivität verbunden ist, zwischen der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors und dem einen Anschluss der Induktivität L1 geschaltet ist, und wobei die Überspannungsschutzschaltung ferner eine weitere Diode aufweist, die eine vierte Diode ist, deren Kathode mit einem Verbindungspunkt zwischen der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors und der Drain-Elektrode eines anderen Schalttransistors verbunden ist, der der siebente Transistor ist, und deren Anode mit Masse verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Überspannungsschutzschaltung der Photovoltaik-Ausgangsoptimiererschaltung konfiguriert ist durch Verbinden einer Induktivität, deren eines Ende mit einem Eingangs-PV-Eingang (+) zum Empfangen des (+)-Ausgangssignals des PV-Moduls verbunden ist, und eines sechsten Schalttransistors, dessen Source-Elektrode über eine dritte Diode, d. h. eine Diode, mit dem einen Ende der Induktivität verbunden ist und dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Ende der Induktivität verbunden ist, miteinander, wobei eine dritte Diode, deren Anode mit der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors verbunden ist und deren Kathode mit dem einen Ende der Induktivität verbunden ist, zwischen der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors und dem einen Anschluss der Induktivität geschaltet ist, und wobei die Überspannungsschutzschaltung ferner eine weitere Diode aufweist, die eine vierte Diode ist, deren Kathode mit der Source-Elektrode des sechsten Schalttransistors verbunden ist und deren Anode mit Masse verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schalteinrichtung der Photovoltaik-Ausgangsoptimiererschaltung aufweist: einen ersten Schalttransistor, dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Ende der Induktivität verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist; einen zweiten Schalttransistor, dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Ende der Induktivität verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit einem Eingang der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist, d. h. mit einem Ende auf einer Primärseite eines in der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung enthaltenen Transformators; einen dritten Schalttransistor, dessen Drain-Elektrode mit der Source-Elektrode des zweiten Schalttransistors verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist; einen vierten Schalttransistor, dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Ende der Induktivität verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit einem anderen Eingang der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist, d. h. mit einem anderen Ende auf der Primärseite des in der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung enthaltenen Transformators; und einen fünften Schalttransistor, dessen Drain-Elektrode mit dem anderen Eingang der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist, d. h. mit dem anderen Ende auf der Primärseite des in den Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung enthaltenen Transformators, und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der zweite Schalttransistor und der vierte Schalttransistor, die in der Schalteinrichtung der Photovoltaik-Ausgangsoptimiererschaltung enthalten sind, als High-Side-Schalter arbeiten und der dritte Schalttransistor und der fünfte Schalttransistor als Low-Side-Schalter arbeiten.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Step-Up-Einrichtung der Photovoltaik-Ausgangsoptimiererschaltung aufweist: einen Transformator, dessen eines Ende auf der Primärseite mit der Source-Elektrode des in der Schalteinrichtung enthaltenen zweiten Schalttransistors und der Drain-Elektrode des dritten Schalttransistors verbunden ist und dessen Sekundärseite mit einer Spannungsverdopplerschaltung verbunden ist; eine erste Diode, deren Anode mit dem einen Ende auf der Sekundärseite des Transformators verbunden ist und deren Kathode mit einem ”+”-Ausgangsanschluss der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist; und eine zweite Diode, deren Kathode mit einem Ende auf der Sekundärseite des Transformators verbunden ist und deren Anode mit dem ”–”-Ausgangsanschluss der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist; einen ersten Kondensator, dessen eines Ende mit einem anderen Ende auf der Sekundärseite des Transformators verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem ”+”-Ausgangsanschluss der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist; und einen zweiten Kondensator, dessen eines Ende mit dem anderen Ende auf der Sekundärseite des Transformators verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem ”–”-Ausgangsanschluss der Spannungsverdoppler-Gleichrichtereinrichtung verbunden ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei der in der Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung enthaltene Schalttransistor ein n-Kanal-Leistungs-MOSFET des Anreicherungstyps ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei der Ausgang der Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung mit einem Power Conditioner verbunden ist, der einem Stromversorgungsnetz Wechselspannung zuführt.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Photovoltaik-Ausgangsleistungsoptimiererschaltung mit jedem von mehreren PV-Modulen verbunden ist, deren Ausgänge parallel geschaltet sind.
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