DE69734495T2

DE69734495T2 - Leistungssteuerungseinrichtung für Sonnenenergieerzeugungssystem

Info

Publication number: DE69734495T2
Application number: DE69734495T
Authority: DE
Inventors: Seiji Ohta-ku Kurokami; Kimitoshi Ohta-ku Fukae; Nobuyoshi Ohta-ku Takehara
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2017-08-21
Also published as: DE69734495D1; KR100285178B1; EP0827254B1; EP0827254A3; CN1064487C; KR19980019149A; US5923158A; CN1180261A; EP0827254A2; JP3352334B2; JPH1074113A; EP1521345A1

Description

In Betracht gezogener Stand der Technik
Bekanntermaßen umfasst ein Solarenergieerzeugungssystem eine Solarzellenanordnung zur Umsetzung von Sonnenlicht in elektrische Energie sowie eine Leistungssteuereinrichtung, die die von der Solarzellenanordnung erzeugte Energie in einen für einen Verbraucher geeigneten Zustand umsetzt und die Energie dann dem Verbraucher zuführt.
Da die von einer Solarzellenanordnung erzeugte Energie in Abhängigkeit von der jeweiligen Sonnenstrahlung und Temperatur sowie in Abhängigkeit vom Spannungs- und Stromarbeitspunkt der Solarzellen erheblichen Schwankungen unterworfen ist, führt eine solche Leistungssteuereinrichtung häufig eine sogenannte MPPT-Regelung (Maximum Power Point Tracking Control) durch, bei der die Belastung der Solarzellenanordnung zur ständigen Entnahme maximaler Leistung aus der Solarzellenanordnung eingeregelt wird.
Die Leistung Pmax bei dem Maximalleistungspunkt einer Solarzelle ist jedoch dem Betrag der Sonnenstrahlung annähernd proportional, sodass die Gefahr besteht, dass die Leistungssteuereinrichtung bei starker Sonnenstrahlung eine übermäßige Leistung abgibt. Zur Verhinderung einer solchen Situation ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem zur Erzielung eines Überstromschutzes der Bauelemente der Leistungssteuereinrichtung eine Obergrenze für den Ausgangswert der Leistungssteuereinrichtung festgelegt und der Ausgangsstrom der Leistungssteuereinrichtung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt werden. Darüber hinaus ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung erfasst und dahingehend gesteuert wird, dass ein vorgegebener Wert nicht überschritten wird.
Diese Verfahren besitzen jedoch einen wesentlichen Nachteil. Bei einer Leistungssteuereinrichtung, bei der der Ausgangsstrom auf einen festen Wert begrenzt ist, treten nämlich Situationen auf, in denen die Ausgangsspannung der Leistungssteuereinrichtung schwankt und die Nennspannung überschreitet, wenn die Ausgangsspannung nicht allein von der Leistungssteuereinrichtung abhängt, was z.B. bei Anschluss eines Netzwechselstromsystems als Verbraucher der Fall ist. Auf diese Weise können Situationen auftreten, bei denen die Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung die Nennleistung auch bei Begrenzung des Ausgangsstroms überschreitet.
Eine übermäßige Ausgangsleistungsabgabe der Leistungssteuereinrichtung hat eine höhere Wärmeerzeugung in der Leistungssteuereinrichtung zur Folge, sodass ein thermischer Schutz für die Bauelemente der Leistungssteuereinrichtung vorgesehen werden muss.
Aus der US-A-4 899 269 ist ferner ein System zur Regelung des Arbeitspunkts einer Gleichstromversorgung bekannt, bei der ein Stromgeneratorsystem mit einem Pulsdauermodulationsumsetzer verbunden ist. Dieses System umfasst eine Schaltungsanordnung zur Abtastung und Messung der Spannung und des Stroms, die von dem Stromgenerator abgegeben werden. Eine auf ein Blockieren bzw. einen Sperrzustand des Umsetzers ansprechende Schwellenwert-Detektorschaltung gibt ein logisches Signal ab, das einen gesperrten oder nicht gesperrten Zustand des Umsetzers in Relation zu Schwellenwerten bezeichnet. Ein Regelkreis umfasst eine Schalteinrichtung zur Inversion des Vorzeichens des Störsignals, sodass der Arbeitspunkt in Richtung des Maximalleistungspunktes auf der Ausgangsstrom-Ausgangsspannungskennlinie des Stromgenerators bewegt werden kann.
Aus den Patent Abstracts of Japan Band 014, Nr. 212 (M-0969) vom 2. Mai 1990 und der JP-02 048 299 A vom 19. Februar 1990 ist ein künstlicher Satellit bekannt. Bei diesem Satelliten wird die Innentemperatur stabilisiert, indem ein Solarbatteriefeld in Richtung der Erde oder der Sonne über dem Äquator geschwenkt und der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung auf das Solarbatteriefeld durch Zuführung einer einem Steuerstrom proportionalen Vorspannung zu der erdseitigen/sonnenseitigen Ansteuereinrichtung des Solarbatteriefeldes verändert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine übermäßige Leistungsabgabe bei einer Leistungssteuereinrichtung für ein Solarenergieerzeugungssystem zu verhindern.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen thermischen Schutz der Bauelemente der Leistungssteuereinrichtung durch Verhinderung einer übermäßigen Leistungsabgabe zu gewährleisten.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird eine Leistungssteuereinrichtung gemäß Patentanspruch 1 angegeben. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Leistungssteuerverfahren gemäß 6 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erfolgt, in denen gleiche Bezugszahlen oder Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile und Bauelemente bezeichnen. Es zeigen
1 ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines Solarenergieerzeugungssystems veranschaulicht, bei dem eine Leistungssteuereinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung Verwendung findet,
2 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung von Schritten eines von einer Spannungseinstelleinheit gemäß 1 ausgeführten Spannungseinstellverfahrens,
3 ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines Solarenergieerzeugungssystems veranschaulicht, bei dem eine Leistungssteuereinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung Verwendung findet,
4 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung von Schritten eines von einer Spannungseinstelleinheit gemäß 3 ausgeführten Spannungseinstellverfahrens,
5 eine grafische Darstellung der Ausgangskennlinie eines Solarzellenfeldes unter bestimmten Sonnenstrahlungsbedingungen,
6 ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines Solarenergieerzeugungssystems veranschaulicht, bei dem ein Ausführungsbeispiel einer Leistungssteuereinrichtung Verwendung findet, das keinen Teil der Erfindung darstellt, und
7 ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf der von einer Steuereinrichtung gemäß 6 durchgeführten Leistungssteuerung veranschaulicht.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Leistungssteuereinrichtung sowie ein weiteres Beispiel für eine Leistungssteuereinrichtung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt den Aufbau eines Solarenergieerzeugungssystems bei dem eine erfindungsgemäße Leistungssteuereinrichtung Verwendung findet.
Wie in 1 veranschaulicht ist, umfasst das System ein Solarzellenfeld (Solarmodul) 1 zur Erzeugung von elektrischer Leistung, die von einer Energiewandler- oder Umrichtereinheit 2 in eine einem Verbraucher 3 angepasste Leistung umgesetzt und sodann dem Verbraucher 3 zugeführt wird.
Das Solarzellenfeld 1 kann durch Kombination einer Vielzahl von Solarzellen in Form einer Parallel-/Serienzusammenschaltung erhalten werden, die aus amorphem Silicium, kristallinem Silicium oder einem Verbindungshalbleiter bestehen und zur Erzeugung der gewünschten Ausgangsspannung und des gewünschten Ausgangsstroms angeordnet sind.
Die Umrichtereinheit 2 kann von einem Gleichstromwandler bzw. -umrichter oder einem spannungsgespeisten, selbsterregten Wechselrichter gebildet werden, bei dem selbstsperrende bzw. selbstabschaltende Schaltelemente wie Leistungstransistoren, MOS-Leistungs-Feldeffekttransistoren, bipolare Isolierschichttransistoren (IGBT-Transistoren) oder Abschaltthyristoren (GTO-Thyristoren) Verwendung finden. Die Ausgangsgröße (Leistung, Spannung, Frequenz, usw.) der Umrichtereinheit 2 kann durch Änderung der EIN/AUS-Schaltdauer (die nachstehend auch als "Tastverhältnis" bezeichnet wird) der den Schaltelementen der Umrichtereinheit 2 zugeführten Ansteuerimpulse gesteuert werden.
Der Verbraucher 3 kann z.B. aus einer elektrischen Heizeinrichtung, einem Elektromotor oder einem Netzwechselstromsystem bestehen. Wenn der Verbraucher 3 von einem Netzwechselstromsystem gebildet wird, d.h., im Falle eines mit dem Stromversorgungsnetz verbundenen Solarenergieerzeugungssystems, ist die von dem mit einem solchen Netzwechselstromsystem verbundenen Solarenergieerzeugungssystem abgegebenen Leistung nicht begrenzt, was zur Entnahme einer höheren Leistung aus dem Solarzellenfeld 1 in höchstem Maße erwünscht ist.
Die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom des Solarzellenfelds 1 werden von einem Spannungssensor 4 und einem Stromsensor 5 erfasst. Der Spannungssensor 4 gibt hierbei in Form digitaler Daten ein Spannungssignal ab, das die Ausgangsspannung des Solarzellenfelds 1 angibt und einer Spannungseinstelleinheit 6 und einer Steuereinrichtung 7 zugeführt wird. Der Stromsensor 5 gibt in Form von digitalen Daten ein Stromsignal ab, das den Ausgangsstrom des Solarzellenfelds 1 angibt und der Spannungseinstelleinheit 6 zugeführt wird.
Die Spannungseinstelleinheit 6 bestimmt dann den Wert der Spannungseinstellung auf der Basis des zugeführten Spannungssignals und Stromsignals. Die Spannungseinstelleinheit 6 kann hierbei einen Mikrocomputer zu Steuerungszwecken umfassen und von einer Zentraleinheit (CPU), einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Festspeicher (ROM), einer Eingangs-/Ausgangsschnittstelle und dergleichen gebildet werden.
Die Steuereinrichtung 7 stellt das vorstehend beschriebene Tastverhältnis derart ein, dass die Ausgangsspannung des Solarzellenfelds 1 den Wert der von der Spannungseinstelleinheit 6 festgelegten Spannungseinstellung annimmt, und erzeugt pulsdauermodulationsgesteuerte PDM-Impulse auf der Basis dieses Tastverhältnisses. Diese PDM-Impulse stellen die Ansteuerimpulse zur Ansteuerung der Gate-Elektroden der Schaltelemente in der Umrichtereinheit 2 dar. Zur Einstellung des Tastverhältnisses kann ein auf einer PI-Regelung (Proportional-Integral-Regelung) basierendes Regelsystem in Betracht gezogen werden. Als Verfahren zur Erzeugung der PDM-Impulse können ein Dreiecksignal-Vergleichsverfahren und ein Hysterese-Vergleichsverfahren in Betracht gezogen werden.
Die Steuereinrichtung 7 kann von einer analogen oder digitalen Schaltungsanordnung gebildet werden. Wenn die Steuereinrichtung 7 von einer digitalen Schaltungsanordnung gebildet wird, umfasst die Steuereinrichtung eine Zentraleinheit (CPU) oder einen digitalen Signalprozessor (DSP) und kann zusammen mit der Spannungseinstelleinheit 6 in Form eines einzigen Steuer-Mikrocomputers implementiert werden. Auf diese Weise wird die Ausgangsgröße der Umrichtereinheit 2 zur Steuerung der Ausgangsspannung des Solarzellenfelds 1 gesteuert.
Nachstehend wird das von der Spannungseinstelleinheit 6 ausgeführte Spannungseinstellverfahren unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm gemäß 2 im einzelnen beschrieben.
In einem Schritt S00 finden Anfangseinstellungen statt, wobei eine Anfangsarbeitspunktspannung auf VO, eine Schrittgröße für die Spannungssuche auf dV, die Richtung der Spannungssuche auf die Abnahmerichtung und ein Leistungsgrenzwert eingestellt werden, der einen Grenzwert für die Leistung darstellt, die der Umrichtereinheit 2 von dem Solarzellenfeld 1 zugeführt wird.
Daran schließt sich ein Schritt S01 an, bei dem die Anfangsarbeitspunktspannung VO zur Einstellung des Arbeitspunktes des Solarzellenfelds 1 für den Betriebsbeginn der Leistungssteuereinrichtung auf eine Betriebsspannung V eingestellt wird. Die eingestellte Betriebsspannung V wird dann der Steuereinrichtung 7 als Spannungssollwert zugeführt.
Sodann werden in einem Schritt S02 die Arbeitspunktspannung und der Arbeitspunktstrom des Solarzellenfelds 1 abgetastet und das Produkt der erhaltenen Spannung und des erhaltenen Stroms zur Ermittlung der Ausgangsleistung PO des Solarzellenfelds 1 berechnet. Der Wert von PO wird dann in einem Speicher gespeichert.
In einem Schritt S03 werden die Ausgangsleistung PO und der Leistungsgrenzwert PL miteinander verglichen. Wenn PO ≤ PL gilt, wird festgestellt, dass ein Normalzustand vorliegt, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt S04 übergeht.
Im Schritt S04 erfolgt eine Verarbeitung der Spannungssuche auf der Basis der anfangs eingestellten Spannungssuchrichtung. Wenn die Spannungssuchrichtung auf die Zunahmerichtung eingestellt ist, wird die Betriebsspannung auf eine Spannung V + dV eingestellt, die durch Vergrößerung von V durch die Schrittgröße dV erhalten wird. Ist die Spannungssuchrichtung dagegen auf die Abnahmerichtung eingestellt, wird die Betriebsspannung auf eine Spannung V – dV eingestellt, die durch Verringerung von V durch die Schrittgröße dV erhalten wird. Die in Abhängigkeit von der Spannungssuchrichtung eingestellte Betriebsspannung V wird dann der Steuereinrichtung 7 als Spannungseinstellwert zugeführt, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt S07 übergeht.
Im Schritt S07 werden die von der Steuereinrichtung 7 auf der Basis der im Schritt S05 oder im Schritt S06 eingestellten Betriebsspannung V eingesteuerte derzeitige Arbeitspunktspannung und der derzeitige Arbeitspunktstrom des Solarzellenfelds 1 abgetastet und aus dem Produkt der Spannung und des Stroms die Ausgangsleistung P1 in der vorstehend beschriebenen Weise abgeleitet, die sodann in einem Speicher gespeichert wird.
Sodann werden in einem Schritt S08 die Ausgangsleistung P1 bei dem derzeitigen Arbeitspunkt des Solarzellenfelds 1 und die Ausgangsleistung P0 bei dem vorherigen Arbeitspunkt miteinander verglichen. Wenn hierbei die Ausgangsleistung nicht angestiegen ist (d.h., wenn P1 ≤ P0 gilt), wird die Spannungssuchrichtung in einem Schritt S09 umgekehrt, d.h., die Richtung wird auf die Zunahmerichtung umgeschaltet, wenn es sich bei der derzeitigen Spannungssuchrichtung um die Abnahmerichtung handelt, während die Richtung auf die Abnahmerichtung umgeschaltet wird, wenn es sich bei der derzeitigen Spannungssuchrichtung um die Zunahmerichtung handelt. Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt S10 über. Wenn dagegen im Schritt S08 eine Zunahme der Ausgangsleistung festgestellt wird, geht der Ablauf ohne Änderung der Spannungssuchrichtung direkt auf den Schritt S10 über.
Im Schritt S10 wird der gespeicherte Wert der Ausgangsleistung P0 erneuert und durch den Wert der Ausgangsleistung P1 ersetzt, woraufhin der Ablauf zum Schritt S03 zurückkehrt. Normalerweise findet eine Wiederholung der Schritte S03 bis S10 statt, sodass der Arbeitspunkt des Solarzellenfelds 1 derart gesteuert wird, dass dem Solarzellenfeld 1 die maximale Ausgangsleistung entnommen wird, d.h., die Spannungseinstelleinheit 6 setzt die Betriebsspannung V dahingehend fest, dass der Maximalleistungspunkt des Solarzellenfelds 1 ermittelt wird.
Bei einem sehr starken Sonnenstrahlungseinfall besteht jedoch die Möglichkeit, dass bei dem im Schritt S03 erfolgenden Vergleich der Ausgangsleistung P0 mit dem Leistungsgrenzwert PL festgestellt wird, dass die Ausgangsleistung P0 den Leistungsgrenzwert PL überschreitet. In einem solchen Fall geht der Ablauf vom Schritt S03 auf einen Schritt S11 über.
Im Schritt S11 wird die Spannungssuchrichtung unabhängig von der eingestellten Spannungssuchrichtung auf die Zunahmerichtung eingestellt. Da im Schritt S11 die Spannungssuchrichtung auf die Zunahmerichtung eingestellt wird, erfolgt sodann im Schritt S04 die Entscheidung, dass auf den Schritt S05 überzugehen ist, bei dem dann die Betriebsspannung V um die Schrittgröße dV angehoben wird. Anschließend erfolgen die Verarbeitungsschritte S07 bis S10 in der vorstehend beschriebenen Weise.
Während der Zeit, in der die Ausgangsleistung P0 den Leistungsgrenzwert PL überschreitet (P0 > PL), werden die Schritte S03, S11, S04, ... S10 wiederholt und die Betriebsspannung V hierbei in Inkrementen mit der Schrittgröße dV angehoben, bis die Ausgangsleistung P0 den Leistungsgrenzwert PL erreicht oder unterschritten hat (P0 < PL), sodass das Solarzellenfeld 1 eine Arbeitspunktspannung erreicht, bei der eine Ausgangsleistung P0 erhalten wird, die annähernd gleich dem Leistungsgrenzwert PL ist. Die Spannungseinstelleinheit 6 stellt somit in der durch die in 5 dargestellte Ausgangskennlinie des Solarzellenfelds 1 unter bestimmten Solarstrahlungsbedingungen veranschaulichten Weise die Betriebsspannung V derart ein, dass ein Arbeitspunkt P_T des Solarzellenfelds 1 in der Nähe des Leistungsgrenzwertes PL erhalten wird.
Bei abnehmender Sonnenstrahlung nimmt auch die von dem Solarzellenfeld 1 erzeugte Leistung ab, sodass die Ausgangsleistung P0 unter den Leistungsgrenzwert PL abfällt und die Spannungseinstelleinheit 6 die Betriebsspannung V erneut zur Ermittlung des üblichen Maximalleistungspunktes einstellt. Wenn dagegen die Sonnenstrahlung stärker wird und die Maximalleistung Pmax des Solarzellenfeldes 1 den Leistungsgrenzwert PL überschreitet, führt die Spannungseinstelleinheit 6 eine Verringerung bzw. Unterdrückung der Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes 1 herbei und stellt die Betriebsspannung V zur Ermittlung des Arbeitspunktes P_T ein.
Bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird somit der Arbeitspunkt des Solarzellenfeldes 1 normalerweise dahingehend gesteuert, dass die Maximalleistung Pmax dem Solarzellenfeld 1 entnommen wird, wodurch dem Verbraucher 3 eine höhere Leistung zugeführt werden kann. In einer Situation, bei der die Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes 1 den Leistungsgrenzwert PL überschreitet, wird jedoch die Arbeitspunktspannung des Solarzellenfeldes 1 angehoben, um hierdurch die Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes 1 auf dem Leistungsgrenzwert PL zu halten. Erfindungsgemäß wird somit der Beziehung zwischen der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung verstärkte Beachtung geschenkt und die der Eingangsleistung der Leistungssteuereinrichtung entsprechende Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes 1 in einer Weise gesteuert, dass die Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung nicht übermäßig ansteigt.
Auf diese Weise kann durch eine einfache Anordnung ohne Hinzufügung schaltungstechnischer Maßnahmen zur Erfassung der Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung ein übermäßiger Anstieg der Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung vermieden werden. Hierdurch wird die Wärmeerzeugung innerhalb der Leistungssteuereinrichtung verringert, sodass die Bauelemente der Leistungssteuereinrichtung, und zwar insbesondere die Umrichtereinheit 2, vor einer durch übermäßige Belastung hervorgerufenen Überhitzung geschützt werden können.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel findet zwar ein sogenanntes Gradientenverfahren als Verfahren zur Entnahme der Maximalleistung Pmax aus dem Solarzellenfeld 1 Verwendung, bei dem die Arbeitspunktspannung allmählich angehoben oder abgesenkt wird, jedoch stellt dies keine Beschränkung der Erfindung auf ein solches Verfahren dar, sondern im Rahmen der Erfindung können auch andere Methoden Verwendung finden, wie z.B. das aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 6-348 352 bekannte Kennlinien-Approximationsverfahren.
Zweites Ausführungsbeispiel
3 zeigt den Aufbau eines Solarenergieerzeugungssystems, bei dem eine Leistungssteuereinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung Verwendung findet.
Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dahingehend, dass der Steuereinrichtung 7 von der Spannungseinstelleinheit 6 ein Leistungsunterdrückungssignal zugeführt wird. Die beiden Schaltungsanordnungen sind in anderer Hinsicht weitgehend gleich.
Bei Nichtanstehen des Leistungsunterdrückungssignals stellt die Steuereinrichtung 7 das Tastverhältnis der den Schaltelementen der Umrichtereinheit 2 zugeführten Ansteuerimpulse derart ein, dass die Ausgangsspannung des Solarzellenfelds 1 einen von der Spannungseinstelleinheit 6 vorgegebenen Spannungseinstellwert annimmt. Dieser Vorgang entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel. Bei Zuführung des Leistungsunterdrückungssignals von der Spannungseinstelleinheit 6 wird das Tastverhältnis jedoch derart eingestellt, dass die Ausgangsspannung des Solarzellenfelds 1 größer als der Spannungseinstellwert wird. Wenn das Leistungsunterdrückungssignal nicht mehr zugeführt wird, wird das Tastverhältnis wieder dahingehend eingestellt, dass die Ausgangsspannung des Solarzellenfeldes 1 dem Spannungseinstellwert angenähert wird.
Nachstehend wird das Verfahren der Spannungseinstellung bei dem zweiten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm gemäß 4 im einzelnen beschrieben. Es sei in diesem Zusammenhang angemerkt, dass den Schritten des Spannungseinstellverfahrens des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 2 entsprechende Schritte mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind, sodass sich ihre erneute Beschreibung erübrigt.
In einem Schritt S03 werden die Ausgangsleistung P0 und der Leistungsgrenzwert PL in der vorstehend beschriebenen Weise miteinander verglichen. In Fällen wie einer sehr starken Sonnenstrahlung, bei denen die Ausgangsleistung PO den Leistungsgrenzwert PL überschreitet, geht der Ablauf dann vom Schritt S03 auf einen Schritt S31 über.
Im Schritt S31 wird das Leistungsunterdrückungssignal zur Verringerung der Leistungsabgabe abgegeben. Die Steuereinrichtung 7 korrigiert daraufhin den Spannungseinstellwert auf der Basis einer vorgegebenen Betriebskennlinie des Solarzellenfelds 1 auf einen höheren Wert, um das Tastverhältnis der den Schaltelementen der Umrichtereinheit 2 zugeführten Ansteuerimpulse zu verringern, was beinhaltet, dass die Einschaltzeit der Ansteuerimpulse abnimmt, während die Abschaltzeit zunimmt, sodass die der Umrichtereinheit 2 zugeführte Leistung abnimmt.
Sodann werden in einem Schritt S32 die Arbeitspunktspannung und der Arbeitspunktstrom des Solarzellenfeldes 1 abgetastet und aus dem Produkt der Spannung und des Stroms die Ausgangsleistung PO in der vorstehend beschriebenen Weise gebildet, wobei sodann der Wert von PO im Speicher gespeichert wird.
In einem Schritt S33 wird die Ausgangsleistung PO für den derzeitigen Arbeitspunkt des Solarzellenfeldes 1 mit dem Leistungsgrenzwert PL verglichen. Wenn die Ausgangsleistung PO den Leistungsgrenzwert weiterhin übersteigt (PO > PL), kehrt der Ablauf zum Schritt S31 zurück. Während der Zeit, in der die Ausgangsleistung PO größer als der Leistungsgrenzwert PL ist (PO > PL), wird der Ablauf der Schritte S31 bis S33 zur Verringerung der der Umrichtereinheit 2 zugeführten Leistung wiederholt.
Wenn sodann im Schritt S33 festgestellt wird, dass die Ausgangsleistung PO für den derzeitigen Arbeitspunkt des Solarzellenfeldes 1 den Leistungsgrenzwert PL erreicht oder unterschritten hat (PO ≤ PL), wird die Entscheidung getroffen, dass keine weitere Spannungsverringerung erforderlich ist, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt S34 übergeht.
Im Schritt S34 wird ein Leistungsunterdrückungssignal abgegeben, das die Aufhebung der Leistungsverringerung anzeigt. Die Steuereinrichtung 7 verringert daraufhin den Korrekturbetrag des Spannungseinstellwertes zur Vergrößerung des Tastverhältnisses der den Schaltelementen der Umrichtereinheit 2 zugeführten Ansteuerimpulse, was beinhaltet, dass sich die Einschaltzeit der Ansteuerimpulse vergrößert, während sich die Abschaltzeit verringert, sodass die der Umrichtereinheit 2 zugeführte Leistung zunimmt.
Anschließend werden in einem Schritt S35 die Arbeitspunktspannung und der Arbeitspunktstrom des Solarzellenfeldes 1 abgetastet und die Ausgangsleistung PO aus dem Produkt der Spannung und des Stroms in der vorstehend beschriebenen Weise gebildet, woraufhin der Wert von PO im Speicher abgespeichert wird. Sodann erfolgt in einem Schritt S36 ein Vergleich der abgetasteten Arbeitspunktspannung Vop mit der Betriebsspannung V. Wenn die Arbeitspunktspannung Vop weiterhin größer als die Betriebsspannung V ist (V < Vop), wird die Entscheidung getroffen, dass der Betrieb der Steuereinrichtung 7 weiterhin im Leistungsunterdrückungszustand gehalten wird, woraufhin der Ablauf zum Schritt S33 zurückkehrt.
Wenn somit die Ausgangsleistung PO den Leistungsgrenzwert PL erreicht oder unterschreitet (PO ≤ PL) und die abgetastete Arbeitspunktspannung Vop größer als die Betriebsspannung V ist (V < Vop), werden die Schritte S33 bis S36 wiederholt, der Korrekturbetrag des Spannungseinstellwertes der Steuereinrichtung 7 dem Wert 0 angenähert und sodann der Leistungsunterdrückungszustand der Steuereinrichtung 7 aufgehoben.
Wenn jedoch die Ausgangsleistung PO den Leistungsgrenzwert PL während des Aufhebungsvorgangs des Leistungsunterdrückungszustands der Steuereinrichtung 7 bei der Wiederholung der Schritte S33 bis S36 wieder überschreitet, kehrt der Ablauf erneut zum Schritt S31 zurück, sodass der vorstehend beschriebene Ablauf wieder erfolgt.
Wenn im Schritt S36 dann festgestellt wird, dass die abgetastete Arbeitspunktspannung Vop unter den Sollwert V der Betriebsspannung abgefallen ist (V ≥ Vop), wird die Entscheidung getroffen, dass eine Leistungsunterdrückung nicht mehr erforderlich ist, woraufhin der Leistungsunterdrückungszustand der Steuereinrichtung 7 aufgehoben wird und der Ablauf zum Schritt S03 zurückkehrt.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird somit der Arbeitspunkt des Solarzellenfeldes 1 normalerweise dahingehend gesteuert, dass dem Solarzellenfeld 1 die Maximalleistung Pmax entnehmbar ist, wodurch dem Verbraucher 3 eine höhere Leistung zugeführt werden kann. In einer Situation, bei der die Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes 1 den Leistungsgrenzwert PL überschreitet, wird ein eine Leistungsunterdrückung anweisendes Signal der Steuereinrichtung 7 zugeführt. Bei Zuführung dieses Signals revidiert die Steuereinrichtung 7 den von der Spannungseinstelleinheit 6 erhaltenen Spannungseinstellwert V und nimmt eine Steuerung zur Anhebung der Arbeitspunktspannung des Solarzellenfeldes 1 vor, wodurch die Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes 1 auf dem Leistungsgrenzwert PL gehalten wird.
Auf diese Weise kann mit Hilfe einer einfachen Anordnung ohne zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen zur Erfassung der Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung ein übermäßiger Anstieg der Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung verhindert werden. Hierdurch lässt sich die Wärmeerzeugung innerhalb der Leistungssteuereinrichtung verringern, sodass die Bauelemente der Leistungssteuereinrichtung, und zwar insbesondere die Umrichtereinheit 2, vor einer durch übermäßige Belastung hervorgerufenen Überhitzung geschützt werden können.
Weiteres Beispiel, das keinen Teil der Erfindung darstellt
6 zeigt ein Blockschaltbild des Aufbaus eines weiteren Beispiels, das sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch Hinzufügung einer Leistungsmesseinheit 8 und eines Vergleichers 9 unterscheidet. Wie vorstehend beschrieben, gibt die Spannungseinstelleinheit 6 einen Spannungseinstellwert Vs ab, der zum Erreichen der dem Maximalleistungspunkt entsprechenden Leistung Pmax des Solarzellenfeldes 1 auf der Basis von die gemessene Spannung und den gemessenen Strom repräsentierenden Signalen eingestellt wird.
Die Leistungsmesseinheit 8 misst hierbei die Ausgangsleistung Po der Umrichtereinheit 2 und führt ein die gemessene Ausgangsleistung Po angebendes Leistungssignal dem Vergleicher 9 zu. Der Vergleicher 9 vergleicht die durch dieses Leistungssignal angegebene Leistung Po mit einem vorgegebenen Wert Pd und führt seinerseits der Steuereinrichtung 7 ein Vergleichssignal zu.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf der Leistungssteuerung veranschaulicht, die von der Steuereinrichtung 7 gemäß diesem weiteren Beispiel durchgeführt wird.
In einem Schritt S41 stellt die Steuereinrichtung 7 den Spannungseinstellwert Vs auf einen Spannungseinstellwert Vs' ein, der dazu dient, das Tastverhältnis der den Schaltelementen der Umrichtereinheit 2 zugeführten Ansteuerimpulse einzustellen. Die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung Po der Umrichtereinheit 2 und dem vorgegebenen Wert Pd wird in einem Schritt S42 auf der Basis des vorstehend beschriebenen Vergleichssignals ermittelt. Wenn das Vergleichssignal angibt, dass Po ≤ Pd vorliegt, geht der Ablauf auf einen Schritt S44 über, bei dem Vs und Vs' miteinander verglichen werden. Wenn sich im Schritt S44 ergibt, dass Vs' ≤ Vs vorliegt, wird in einem Schritt S46 Vs' = Vs festgelegt. Daran schließt sich ein Schritt S47 an, bei dem das Tastverhältnis der den Schaltelementen der Umrichtereinheit 2 zugeführten Ansteuerimpulse dahingehend eingestellt wird, dass die Ausgangsspannung des Solarzellenfeldes 1 den Spannungseinstellwert erreicht, woraufhin der Ablauf zum Schritt S42 zurückkehrt. In diesem Falle wird somit die übliche MPPT-Regelung durchgeführt.
Wenn dagegen das Vergleichssignal angibt, dass Po > Pd vorliegt, wird in einem Schritt S43 ein Spannungskorrekturwert Va dem Spannungseinstellwert Vs' hinzugefügt, woraufhin das Tastverhältnis im Schritt S47 dahingehend eingestellt wird, dass die Ausgangsspannung des Solarzellenfeldes 1 größer als der Spannungseinstellwert wird. Der Ablauf kehrt sodann zu dem Schritt S42 zurück. Wenn das Vergleichssignal weiterhin angibt, dass Po > Pd vorliegt, werden Va erneut dem derzeitigen Wert von Vs' hinzuaddiert und die Leistungsunterdrückungssteuerung zur Einstellung des Tastverhältnisses im Schritt S47 wiederholt.
Wenn das Vergleichssignal im Schritt S42 angibt, dass Po ≤ Pd vorliegt, nachdem Vs' größer als Vs eingestellt worden ist, wird Va von Vs' im Schritt S47 subtrahiert, woraufhin das Tastverhältnis im Schritt S47 eingestellt wird. Der Ablauf kehrt sodann zum Schritt S42 zurück. Wenn das Vergleichssignal weiterhin angibt, dass Po ≤ Pd vorliegt, wird Va von dem derzeitigen Wert von Vs' im Schritt S45 erneut subtrahiert und die Verarbeitung zur Einstellung des Tastverhältnisses im Schritt S47 wiederholt. Wird im Schritt S44 das Ergebnis erhalten, dass Vs' ≤ Vs vorliegt, wird im Schritt S46 Vs' = Vs festgelegt, d.h., es wird wieder auf die übliche MPPT-Regelung übergegangen.
Wenn somit die Wechselstrom-Ausgangsleistung Po der Umrichtereinheit 2 größer als der vorgegebene Wert Pd ist, steuert die Steuereinrichtung 7 den Schaltbetrieb der Umrichtereinheit 2 auf der Basis des Spannungseinstellwertes Vs', der durch Korrektur des von der Spannungseinstelleinheit 6 zugeführten Spannungseinstellwertes Vs erhalten wird. Auf diese Weise werden die Arbeitspunktspannung des Solarzellenfeldes 1 angehoben und die Ausgangsleistung Po der Leistungssteuereinrichtung verringert. Hierdurch können die Bauelemente der Leistungssteuereinrichtung, und zwar insbesondere die Bauelemente der Umrichtereinheit 2, vor einer durch übermäßige Belastung hervorgerufenen Überhitzung geschützt werden.
Wie vorstehend beschrieben, ist für jedes Ausführungsbeispiel charakteristisch, dass die Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes abnimmt, wenn die Ausgangsspannung des Solarzellenfeldes die der Maximalleistung Pmax entsprechende optimale Betriebsspannung übersteigt, d.h., im Normalbetrieb erfolgt eine MPPT-Regelung durch Steuerung des Tastverhältnisses der den Schaltelementen der Umrichtereinheit zugeführten Ansteuerimpulse, um eine auf der Basis der Kennwerte des Solarzellenfeldes eingestellte Ausgangsspannung des Solarzellenfelds zu erhalten. Wenn z.B. bei einer stärkeren Sonnenstrahlung die von dem Solarzellenfeld erzeugte Leistung ansteigt und vorauszusehen ist, dass die Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung übermäßig ansteigt, wird das Tastverhältnis der den Schaltelementen der Umrichtereinheit zugeführten Ansteuerimpulse derart gesteuert, dass die Ausgangsspannung des Solarzellenfeldes den auf der Basis der Ausgangskennwerte des Solarzellenfeldes eingestellten Ausgangsspannungswert annimmt, um auf diese Weise die Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes zu verringern. Durch diese Steuerung des Tastverhältnisses wird die Leistungsunterdrückung gesteuert. Bei einer schwächeren Sonnenstrahlung und einer damit einhergehenden Verringerung der von dem Solarzellenfeld erzeugten Leistung wird natürlich die Leistungsunterdrückungssteuerung beendet und die MPPT-Regelung wieder aufgenommen.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen lassen sich folgende Vorteile erzielen:

(1) Es kann ein übermäßiger Anstieg der Ausgangsleistung der Leistungssteuereinrichtung verhindert werden, sodass die Bauelemente der Leistungssteuereinrichtung vor übermäßiger Erwärmung geschützt werden können.
(2) Bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Steuerung zur Leistungsunterdrückung mit Hilfe einer einfachen Anordnung ohne zusätzliche oder modifizierende Schaltungsmaßnahmen erzielt werden.
(3) Die Steuerung zur Leistungsunterdrückung kann bei einem beliebigen Solarsystem eingesetzt werden, indem lediglich verschiedene Parameter wie der vorstehend beschriebene Spannungseinstellwert und der Leistungsgrenzwert in Übereinstimmung mit den Kennwerten des Solarzellenfeldes und den Kennwerten der Umrichtereinheit eingestellt werden. Hierdurch lässt sich eine Leistungsunterdrückungssteuerung realisieren, die bei geringen Kosten universell einsetzbar ist.

Die erfindungsgemäße Leistungssteuereinrichtung lässt sich äußerst zweckmäßig und effektiv einsetzen, wenn sie in Verbindung mit einem Solarenergieerzeugungssystem verwendet wird, das an ein Netzwechselstromsystem angeschlossen ist.
Da unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung realisierbar sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, ist die Erfindung natürlich nicht auf die vorstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch die Patentansprüche definiert.
Bei der vorstehend beschriebenen Leistungssteuereinrichtung eines Solarenergieerzeugungssystems zur Umsetzung der von einem Solarzellenfeld erzeugten elektrischen Leistung und Zuführung der umgesetzten Leistung zu einem Verbraucher werden somit die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom des Solarzellenfeldes erfasst und im Normalzustand eine MPPT-Regelung durchgeführt, sodass die Solarzellen mit einem maximalen Arbeitspunkt betrieben werden. Wenn die Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes einen vorgegebenen Leistungswert überschreitet, wird eine Energiewandlereinheit bzw. Umrichtereinheit zur Anhebung der Ausgangsspannung des Solarzellenfeldes gesteuert, um auf diese Weise die Ausgangsleistung des Solarzellenfeldes zu beschränken. Hierdurch wird eine übermäßige Leistungsabgabe der Leistungssteuereinrichtung verhindert.

Claims

Leistungssteuereinrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers (3) mit von einer Solarzelle (1) abgegebener elektrischer Leistung, mit einer Umrichtereinrichtung (2) zur Umsetzung der Ausgangsleistung der Solarzelle (1) in eine dem Verbraucher (3) angepasste elektrische Leistung, einer Sensoreinrichtung (4, 5) zur Erfassung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Solarzelle (1), einer Einstelleinrichtung (6) zur Bestimmung der Ausgangsleistung (PO) der Solarzelle (1) durch Berechnung des Produkts der erfassten Ausgangsspannung und des erfassten Ausgangsstroms zur Einstellung der Betriebsspannung (V) der Solarzelle (1) auf der Basis der Ausgangsleistung (PO) sowie zum Vergleichen der Ausgangsleistung (PO) mit einem vorgegebenen Wert (PL), und einer Steuereinrichtung (7) zur Steuerung des Betriebs der Umrichtereinrichtung (2) derart, dass die Ausgangsspannung der Solarzelle (1) die eingestellte Betriebsspannung erreicht, wobei die Einstelleinrichtung (6) bei einer den vorgegebenen Wert (PL) übersteigenden Ausgangsleistung (PO) zur Leistungsunterdrückung a) die Betriebsspannung um einen vorgegebenen Spannungsbetrag anhebt oder b) die Steuereinrichtung (7) veranlasst, die eingestellte Betriebsspannung zur Anhebung der Betriebsspannung der Solarzelle zu korrigieren.
Leistungssteuereinrichtung nach Anspruch 1, bei der bei einer dem vorgegebenen Wert (PL) entsprechenden oder geringeren Ausgangsleistung (PO) die Einstelleinrichtung (6) die Betriebsspannung der Solarzelle (1) einstellt und die Steuereinrichtung (7) den Betrieb der Umrichtereinrichtung (2) derart steuert, dass die Ausgangsspannung der Solarzelle (1) die eingestellte Betriebsspannung erreicht.
Leistungssteuereinrichtung nach Anspruch 1, bei der in dem Fall, dass nach Einstellung einer Leistungsunterdrückung die Ausgangsleistung (PO) gleich dem vorgegebenen Wert (PL) oder geringer wird, die Einstelleinrichtung (6) die Steuereinrichtung (7) veranlasst, die Leistungsunterdrückung aufzuheben, wenn die Einstelleinrichtung (6) die Steuereinrichtung (7) angewiesen hat, die eingestellte Betriebsspannung zur Anhebung der Betriebsspannung der Solarzelle zu korrigieren.
Leistungssteuereinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einstelleinrichtung (6) bei einer dem vorgegebenen Wert (PL) entsprechenden oder geringeren Ausgangsleistung (PO) die Betriebsspannung zur Erzeugung der maximalen Ausgangsleistung der Solarzelle (1) einstellt.
Leistungssteuereinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinrichtung (7) die Ausgangsspannung der Solarzelle (1) durch Steuerung des EIN/AUS-Tastverhältnisses von Schaltelementen der Umrichtereinrichtung (2) zugeführten Steuerimpulsen steuert.
Leistungssteuerverfahren zur Versorgung eines Verbrauchers (3) mit von einer Solarzelle (1) abgegebener elektrischer Leistung, mit den Schritten Erfassung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Solarzelle (1), Bestimmung der Ausgangsleistung (PO) der Solarzelle (1) durch Berechnung des Produktes der erfassten Ausgangsspannung und des erfassten Ausgangsstroms, Einstellung der Betriebsspannung (V) der Solarzelle (1) auf der Basis der Ausgangsleistung (PO), Vergleichen der Ausgangsleistung (PO) mit einem vorgegebenen Wert (PL), und Steuerung des Betriebs einer Umrichtereinrichtung (2) derart, dass die Ausgangsspannung der Solarzelle (1) die eingestellte Betriebsspannung erreicht, wobei in dem Einstellschritt bei einer den vorgegebenen Wert (PL) übersteigenden Ausgangsleistung (PO) zur Leistungsunterdrückung a) die Betriebsspannung um einen vorgegebenen Spannungsbetrag angehoben oder b) der Steuerschritt initialisiert wird, um die eingestellte Betriebsspannung zur Anhebung der Betriebsspannung der Solarzelle zu korrigieren.
Leistungssteuerverfahren nach Anspruch 6, bei dem bei einer dem vorgegebenen Wert (PL) entsprechenden oder geringeren Ausgangsleistung (PO) im Einstellschritt die Betriebsspannung der Solarzelle (1) eingestellt und im Steuerschritt (7) der Betrieb der Umrichtereinrichtung (2) derart gesteuert werden, dass die Ausgangsspannung der Solarzelle (1) die eingestellte Betriebsspannung erreicht.