WO2012052211A2 - Anordnung zum betreiben einer autarken photovoltaikanlage - Google Patents

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    • H02J7/35Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • HELECTRICITY
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • Embodiment a down converter or switching regulator whose operating point is displaced by engagement in the control branch.
  • the buck converter is supplied with a control current value, which in
  • Output voltage is determined.
  • the adaptation of the internal resistance of the source, i. Solar module and consumer, i. Accumulator or charge controller gone out. If the impedances are largely matched, the energy transferred to the consumer is maximized.
  • the extracted power ⁇ a solar cell can be modeled as a non-ideal voltage source.
  • SOL - SOL dl SOL Zero is set. This case is given when the dynamic internal resistance of the module is equalized to the load.
  • Output voltage is externally controllable.
  • the energy transfer into the accumulator can be controlled via this circuit to allow a controlled charge.
  • the input impedance of the buck regulator depends on the turn-on time of the primary current and can be influenced by it.
  • the figure shows a block diagram of the arrangement according to the invention.
  • the output current b of the down converter B flows either in one
  • Extension of the arrangement B succeeds to shift the operating point of the switching regulator and to carry out a regulation of the output current b when, as shown, the assembly D represents an accumulator.
  • the adaptation of the internal resistances is realized via the module E, which can be implemented both on the hardware side and via an implemented software.
  • the circuit or the software provided generates the control current e as a function of the output voltage d, the output current c and optional limit values for the output current c 'and the
  • For the assembly E is an electronic circuit, but also a
  • the teaching of the invention is quasi an externally controllable DC / DC converter, to which the solar module A is connected. Furthermore, the charging voltage or the charging current or an equivalent variable is detected and realized a control loop that maximizes the output solar power or an equivalent size. The acquisition of parameters of the solar module such. Solar or solar power is not required.
  • the differentiator After reversing the direction, the differentiator returns positive values, as approaching the maximum from the quasi other side. Ideally, the differentiator returns the value zero exactly at the maximum and the control algorithm does not further change the manipulated variable. If the solar lighting level drops, there is no longer enough power available from the solar module to provide the charging voltage or power. There is a drop in the charging voltage. The differentiator then supplies a negative value and the algorithm begins again to change the manipulated variable until the value of zero is again supplied by the differentiator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betreiben einer autarken Photovoltaikanlage, welche mindestens einen Modul mit Solarzellen auf Halbleiterbasis mit nichtlinearer Kennlinie aufweist, wobei der mindestens eine Modul mit einem Verbraucher und/oder einem Energiespeicher in Verbindung steht. Zwischen der Ausgangsseite des Moduls und der Eingangsseite des Verbrauchers oder des Energiespeichers ist erfindungsgemäß eine Impedanzanpassungsschaltung, insbesondere in Form eines modifizierten Abwärtswandlers vorgesehen.

Description

Anordnung zum Betreiben einer autarken Photovoltaikanlage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betreiben einer autarken
Photovoltaikanlage, welche mindestens einen Modul mit Solarzellen auf
Halbleiterbasis mit nichtlinearer Kennlinie aufweist, wobei der mindestens eine Modul mit einem Verbraucher und/oder einem Energiespeicher in Verbindung steht gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Autarke Photovoltaiksysteme zur Versorgung von Verbrauchern mit kleiner und mittlerer Leistung finden aufgrund gesunkener Komponentenpreise eine immer stärkere Anwendung. Derartige Photovoltaiksysteme bestehen aus einem Modul, umfassend fotoaktive Halbleiter- bzw. Solarzellen, die bei Beleuchtung
elektrische Energie abgeben. Weiterhin ist ein Energiespeicher in Form eines Akkumulators sowie die zu versorgende Nutzschaltung, d.h. der Verbraucher, vorhanden.
Der Akkumulator hat die Aufgabe im Tagbetrieb die vom Verbraucher nicht benötigte Energie zu speichern und darüber hinaus den Verbraucher im
Nachtbetrieb mit ausreichend Energie zu versorgen.
Die jeweilige Dimensionierung des einzusetzenden Akkumulators erfolgt anhand einer vorgesehenen Mindestlaufzeit für die Nutzschaltung sowie unter
Berücksichtigung des mittleren Energieverbrauchs.
Im Idealfall liefert das Solarmodul im Tagbetrieb genauso viel Energie, wie im Nachtbetrieb verbraucht wird. In der Praxis ist jedoch diese Energiebilanz durch Witterungseinflüsse und die über die Jahreszeiten sehr unterschiedlichen
Beleuchtungsverhältnisse gestört, sodass nach Lösungen zu suchen ist, um einen effektiveren Betrieb unter einem maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.
Bekanntermaßen weisen Halbleiter basierte Solarzellen eine nichtlineare
Kennlinie auf, die durch einen starken Abfall der Klemmenspannung bei steigender Belastung gekennzeichnet ist.
Solarzellen erreichen das Maximum ihrer Ausgangsleistung nahe vor dem
Kurzschlussfall. Die Position des Punktes der maximalen Ausgangsleistung variiert in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke und der Temperatur, da der Kurzschlussstrom von diesen Größen abhängig ist. Betrachtet man die Leistungskennlinie von Solarzellen bei verschiedenen Beleuchtungsstärken ist die Ortskurve bei alleiniger Variation der Beleuchtungsstärke eine Gerade.
Anstieg und Ursprung dieser Ortskurve sind durch die physikalischen Parameter der Solarzelle festgelegt und nicht generisch.
Wenn mehrere Solarzellen zu Modulen zusammengefasst sind, gelten qualitativ ähnliche Zusammenhänge, wenn Beleuchtung und Temperatur des Moduls homogen sind.
Bei teilweise Abschattung oder unterschiedlicher Erwärmung einzelner Zellen im Modul bildet sich die Gesamtkennlinie aus der Überlagerung der
Einzelkennlinien und es entstehen mehrere Maxima, die auch außerhalb der Ortskurve liegen können.
Um auch unter diesen Bedingungen eine maximale Energieausbeute zu erzielen, werden Tracking-Verfahren angewendet, die entweder die Kennlinie des
Solarmoduls aufnehmen, rechnerisch nachbilden oder durch gezielte Variation des Arbeitspunktes den lokalen Anstieg der Kennlinie bestimmen. Diesen
Verfahren ist das Erfordernis gemeinsam, sowohl die Klemmenspannung als auch den abgegebenen Strom des Solarmoduls direkt oder indirekt zu ermitteln und zur Berechnung einer Stellgröße für den Energietransfer in die
Nutzschaltung bzw. den Akkumulator heran zu ziehen.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine
weiterentwickelte Anordnung zum Betreiben einer autarken Photovoltaikanlage anzugeben, welche mindestens einen Modul mit Solarzelle auf Halbleiterbasis mit nichtlinearer Kennlinie aufweist, wobei der mindestens eine Modul mit einem Verbraucher und/oder einem Energiespeicher in Verbindung steht. Die zu schaffende Anordnung soll dabei ohne eine ansonsten erforderliche laufende Messung der Klemmenspannung und des abgegebenen Stroms seitens des Solarmoduls eine verbesserte Energieausbeute mit überschaubarem
schaltungstechnischen Aufwand ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. Es wird demnach von einer Anordnung zum Betreiben einer autarken Photovoltaikanlage ausgegangen, welche mindestens einen Modul mit
Solarzellen auf Halbleiterbasis mit nichtlinearer Kennlinie aufweist, wobei der mindestens eine Modul mit einem Verbraucher und/oder einem Energiespeicher in Verbindung steht.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Ausgangsseite des Solarzellenmoduls und der Eingangsseite des Verbrauchers oder des Energiespeichers eine
Impedanzanpassungsschaltung vorgesehen.
Diese Impedanzanpassungsschaltung umfasst bei einer bevorzugten
Ausführungsform einen Abwärtswandler oder Schaltregler, dessen Arbeitspunkt durch Eingriff in den Regelzweig verschiebbar ist.
Dem Abwärtswandler ist ein Steuerstromwert zugeführt, welcher in
Abhängigkeit vom gemessenen Ausgangsstrom und der jeweiligen
Ausgangsspannung bestimmt wird. Um gemäß Aufgabenstellung den Aufwand zur Messung der relevanten Parameter sowie zur numerischen Berechnung einer Stellgröße zu verringern, wird von der Anpassung des Innenwiderstandes von Quelle, d.h. Solarmodul und Verbraucher, d.h. Akkumulator oder Laderegler, ausgegangen. Wenn es gelingt, die Impedanzen weitgehend anzugleichen, wird die zum Verbraucher übertragene Energie maximiert. Die entnommene Leistung Ρουτ einer Solarzelle kann als nicht ideale Spannungsquelle modelliert werden.
Gemäß
PoUT ~ ISOL 'UOUT ~ ISOL ' SOL SOL ) _ ^SOL ' ^SOL ) kann USOL als Funktion von ISOL ausgedrückt werden, wobei sich hier eine logarithmische Diodenkennlinie ergibt.
Das Maximum der Leistungsbereitstellung ist dann zu finden, wenn die
Ableitung nach dem Laststrom ISOL nach dP O,UT USOL SOL ) _|_ dUSOL _22
dl SOL SOL
SOL - SOL dl SOL Null gesetzt ist. Dieser Fall ist dann gegeben, wenn der dynamische Innenwiderstand des Moduls der Last angeglichen ist.
Um die erfindungsgemäße Impedanzanpassung zu realisieren, ist eine Schaltung vorgesehen, die sich eingangsseitig an die Impedanz des Solarmoduls und ausgangsseitig an die Impedanz des Akkumulators anpasst.
Diese Aufgabe wird von einer Abwärtsreglerstufe übernommen, deren
Ausgangsspannung extern steuerbar ist. Ergänzend kann der Energietransfer in den Akkumulator über diese Schaltung gesteuert werden, um eine kontrollierte Ladung zu ermöglichen. Die Eingangsimpedanz des Abwärtsreglers ist von der Einschaltzeit des Primärstromes abhängig und kann hierdurch beeinflusst werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur näher erläutert werden.
Die Figur zeigt hierbei ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Anordnung.
Gemäß der figürlichen Darstellung liefert das Solarmodul A ausgangsseitig den Strom a in einen als Impedanzwandler fungierenden Abwärtswandler B.
Der Ausgangsstrom b des Abwärtswandlers B fließt entweder in einen
Akkumulator oder in eine Nutzschaltung D und wird über einen Stromsensor C gemessen. Der Stromsensor C gibt ein skaliertes Signal c des Stromes b ab.
Zu dem Abwärtswandler B wird auf einen Schaltregler zurückgegriffen, der um einen zusätzlichen Eingriff in den Regelzweig erfindungsgemäß erweitert wurde.
Der Steuerstrom I Ctn (e) wirkt als zusätzliche Störgröße und wird der
Ausgangsspannung des Wandlers mit einem konstanten Faktor K2 überlagert, sodass sich die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers nach folgendem
Zusammenhang steuern lässt:
U OUT ~ (1 ~*~ -^ι ) ' U — K2 I Qrl UREF ist dabei die interne Referenz des Schaltreglers und konstant. Die Faktoren Ki und K2 werden durch die externe Beschaltung festgelegt. Durch die
Erweiterung der Anordnung B gelingt es, den Arbeitspunkt des Schaltreglers zu verschieben und eine Regelung des Ausgangsstromes b vorzunehmen wenn, wie gezeigt, die Baugruppe D einen Akkumulator darstellt.
Die Anpassung der Innenwiderstände wird über die Baugruppe E realisiert, die sowohl hardwareseitig als auch über eine implementierte Software realisierbar ist. Die Schaltung bzw. die bereitgestellte Software erzeugt den Steuerstrom e in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung d, des Ausgangsstromes c sowie optionaler Grenzwertvorgaben für den Ausgangsstrom c' und die
Ausgangsspannung d'.
Für die Baugruppe E ist eine elektronische Schaltung, aber auch eine
softwareseitige Lösung denkbar.
Die erfindungsgemäße Lehre stellt quasi einen extern steuerbaren DC/DC- Wandler dar, an den das Solarmodul A angeschlossen wird. Weiterhin wird die Ladespannung oder der Ladestrom bzw. eine hierzu äquivalente Größe erfasst und ein Regelkreis realisiert, der die abgegebene Solarleistung oder eine hierzu äquivalente Größe maximiert. Das Erfassen von Parametern des Solarmoduls wie z.B. Solarstrom oder Solarspannung ist nicht erforderlich.
Vielmehr wird die Ausgangsspannung der DC/DC-Wandlerstufe erfasst und nach der Zeit differenziert. Dies kann über einen Differenzierer oder numerisch mit Hilfe eines Microcontrollers erfolgen. Solange der Differenzierer positive Werte liefert, d.h. die Ausgangsspannung oder die abgegebene Leistung gestiegen ist, behält der Steuerungsalgorithmus die Richtung der Änderung, z.B. Erhöhen oder Verringern des Stellwerts und damit die Ausgangsspannung bei. Wechselt der Differenzierer von positiven zu negativen Werten, ist ein Maximum
überschritten und die Richtung der Stellgrößenänderung ist umzukehren.
Nach dem Umkehren der Richtung liefert der Differenzierer wieder positive Werte, da eine Annäherung an das Maximum von der quasi anderen Seite erfolgt. Im Idealfall liefert der Differenzierer den Wert Null genau im Maximum und der Steuerungsalgorithmus ändert die Stellgröße nicht weiter. Sinkt das solare Beleuchtungsniveau, steht nicht mehr genügend Leistung vom Solarmodul zur Verfügung, um die Ladespannung respektive Leistung bereitzustellen. Es kommt zu einem Absinken der Ladespannung. Der Differenzierer liefert dann einen negativen Wert und der Algorithmus beginnt die Stellgröße wiederum so lange zu ändern, bis vom Differenzierer wieder der Wert Null geliefert wird.

Claims

Ansprüche
1. Anordnung zum Betreiben einer autarken Photovoltaikanlage, welche mindestens einen Modul mit Solarzellen auf Halbleiterbasis mit nichtlinearer Kennlinie aufweist, wobei der mindestens eine Modul mit einem Verbraucher und/oder einem Energiespeicher in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Ausgangsseite des Moduls und der Eingangsseite des
Verbrauchers oder des Energiespeichers eine Impedanzanpassungsschaltung vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Impedanzanpassungsschaltung einen Abwärtswandler aufweist, dessen Arbeitspunkt durch Eingriff in den Regelzweig verschiebbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Abwärtswandler ein Steuerstromwert zugeführt ist, welcher in
Abhängigkeit vom gemessenen Ausgangsstrom und der jeweiligen
Ausgangsspannung bestimmt wird.
4. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Steuerstrom I ctri (s) der Ausgangsspannung des Moduls mit einem
konstanten Faktor K2 überlagert wird, wodurch die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers nach der Beziehung U0UT = + Kl)-UREF-K2-Ictrl steuerbar ist, wobei UREF die interne Referenz des Abwärtswandlers darstellt sowie die
Faktoren Ki und K2 durch eine externe Beschaltung festgelegt werden.
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