DE19502762A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur MPP-Regelung photovoltaischer Solaranlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung der Maximum-Power-Point Regelung (MPP-Regelung) photovoltaischer Solaranlagen.

Die MPP-Regelung ist ein bekanntes Verfahren, um aus einer Solarzelle die maximal mögli­ che elektrische Energie entnehmen zu können. Einstrahlung und Zellentemperatur bestim­ men den möglichen MPP. Der Hersteller der Solarzellen liefert für jeden Zellentyp entspre­ chende Kennlinienscharen. Herkömmliche MPP Regler arbeiten u. a. in der Weise, daß die Solarzelle mit einer Grundfrequenz von einigen Kilohertz getaktet belastet wird und das Verhältnis von Einschaltzeit zu Pausenzeit so gewählt wird, daß es den optimalen dynami­ schen Lastwiderstand realisiert, um ein Maximum an Leistung entnehmen zu können. Die der Solarzelle auf diese Weise entnommene Energie wird über einen DC/DC-Wandler, des­ sen Eingang in der oben beschriebenen Weise getaktet wird, auf das für die Gesamtanlage gewünschte Spannungsniveau gebracht und treibt einen Verbraucher bzw. lädt eine Batte­ rie. Zur Ermittlung des MPP ist es bekannt, mit einem beliebigen Tastverhältnis zu begin­ nen, den Leistungswert zu speichern, das Tastverhältnis zu ändern und mit einem vorgege­ benen Wert zu vergleichen. Entsprechend dem Ergebnis wird das Tastverhältnis erneut geändert und das Verfahren wird wiederholt. Außerdem ist es bekannt, mit Hilfe eines Sen­ sors, der der gleichen Strahlung wie der Solargenerator ausgesetzt ist, den optimalen Ein­ gangswiderstand des Gleichspannungswandlers zu errechnen und einzustellen. Das Me­ ßergebnis des Sensors wird aber aufgrund der elektrischen Belastung des Arbeitsfeldes und dessen thermischen Eigenschaften nicht mit den tatsächlichen Werten übereinstim­ men. Nachteilig ist weiterhin, daß die zur Ermittlung des MPP notwendige Elektronik relativ aufwendig und nach bisheriger Praxis nicht immer zuverlässig ist.

Es wurden bereits eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren vorgeschlagen, womit eine Reihe der vorstehend beschriebenen Nachteile umgangen werden können. Einengend ist jedoch, daß sich die beschriebene Lösung im Wesentlichen auf den Einsatz einer SPS (Speicher-Programmierbare-Steuerung) beschränkt.

SPS sind i. d. R. für Industrieanlagen entwickelt, bei denen der Energiebedarf im Vergleich zu photovoltaischen Anlagen eine untergeordnete Rolle spielt. Bei photovoltaischen Anlagen entstehen durch diese Dauerlast aber nicht vertretbare Energieverluste.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst einfaches Verfahren und die dazugehörige Schaltungsanordnung für einen möglichst optimalen Betrieb photovoltaischer Solaranlagen zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst, indem das bereits vorgeschlagenen MPP-Tracking mittels eines Mikrorechners mit anderen Steue­ rungsaufgaben verknüpft wird. Im Mikrorechner werden die Kennlinienscharen der anzu­ schließenden Module gespeichert. Steuersignale des Mikrorechners schließen das Modul kurz bzw. trennen es von der Last. Auf diese Weise werden Einstrahlung und Modultempe­ ratur momentan ermittelt. Ein Vergleich mit den im Mikrorechner gespeicherten Kennlinien­ scharen ergibt den MPP. Ein D/A-Wandler, der im Mikrorechner integriert oder extern ange­ schlossen sein kann, gibt eine Vergleichsspannung an einen Komparator, der einen Ver­ gleich mit der von einem Stützkondensator gehaltenen Modulspannung ausgeführt und je nach Vergleichsergebnis die Last zu- oder abschaltet. Bedingt durch die geringe Hysterese des Komparators wird auf diese Weise der MPP über die Spannung fest eingestellt. Damit wird gegenüber dem bisher üblichen "Suchverfahren" der MPP sofort eingestellt und es treten keine Verluste durch ständiges Pendeln um den Arbeitspunkt auf.

Die Erfindung soll an nachfolgendem Ausführungsbeispiel mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung näher erläutert werden.

Ein Solarmodul 1 ist über Schalter 4 und 5 mit einer Last 9 in Form eines DC/DC-Wandlers mit einer Batterie verbunden. Über einen weiteren Schalter 3 kann der Modul 1 über einen Meßwiderstand 2 quasi kurzgeschlossen werden. Ein Mikrorechner 6 steuert über die Aus­ gänge A1 und A2 die Schalter 3 und 4 in folgender Weise:

• - Kurzschlußstrommessung: Schalter 3 geschlossen, Schalter 4 geöffnet
• - Leerlaufspannungsmessung: Schalter 3 und 4 geöffnet.

Nach Kennlinienvergleich im Rechner 6, gibt dieser eine Steuerspannung an den Kompara­ tor 7, der je nach Vergleichsergebnis über den Schalter 5 die Last 9 zu- oder abschaltet.

Claims (4)

1. Verfahren zur MPP-Regelung photovoltaischer Solaranlagen, gekennzeichnet durch fol­ gende Verfahrensschritte:

• - in einem Mikrorechner werden die Kennlinienscharen der anzuschließenden Module oder Modulzusammenschaltungen gespeichert,
• - zur Ermittlung der momentanen Einstrahlung und Modultemperatur bewirken Steuer­ signale des Mikrorechners das Kurzschließen bzw. die Lastabschaltung der Modul­ konfiguration, um Kurzschlußstrom bzw. Leerlaufspannung zu ermitteln,
• - der Vergleich mit den im Mikrorechner gespeicherten Kennlinienscharen ergibt den MPP,
• - ein D/A-Wandler gibt eine Steuerspannung analog der MPP-Spannung an einen Komparator,
• - im Komparator erfolgt ein Vergleich mit der von einem Stützkondensator gehaltenen Modulspannung,
• - je nach Vergleichsergebnis wird die Last kontinuierlich zu- oder abgeschaltet, d. h. der Laststrom wird getaktet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Verlu­ sten die Meßzeit extrem klein, vorzugsweise im Minutentakt jeweils für z. B. 10 ms, ein­ gestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur MPP-Ermittlung entweder einzelne Solarzellen, Einzelmodule, Modulstrings oder Solargeneratoren geschaltet wer­ den.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß ein Solarmodul (1) über Schalter (4 und 5) mit einer Last (9), bestehend aus DC/DC-Wandler mit Batterie, verbunden ist und daß über einen weiteren Schalter (3) das Solar­ modul (1) über einen Meßwiderstand (2) quasi kurzgeschlossen wird und daß die Schal­ ter (3, 4 und 5) an einen Mikrorechner (6) angeschlossen sind, wobei sich zwischen Schalter (5) und Mikrorechner (6) ein Komparator (7) befindet und parallel zum Solarmo­ dul (1) ein Stützkondensator (8) angeordnet ist.