WO2015091233A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer lage eines leistungsmaximums einer elektrischen energiequelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer lage eines leistungsmaximums einer elektrischen energiequelle Download PDF

Info

Publication number
WO2015091233A1
WO2015091233A1 PCT/EP2014/077483 EP2014077483W WO2015091233A1 WO 2015091233 A1 WO2015091233 A1 WO 2015091233A1 EP 2014077483 W EP2014077483 W EP 2014077483W WO 2015091233 A1 WO2015091233 A1 WO 2015091233A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power
test
value
point
changed
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/077483
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Wieland
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2015091233A1 publication Critical patent/WO2015091233A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell

Definitions

  • the approach presented here relates to a method for determining a position of a power maximum of an electrical energy source, to a corresponding device and to a corresponding one
  • Maximum power point (MPP) trackers are used in particular in photovoltaic systems to find the operating point of maximum power
  • PV string Photovoltaic generator strings
  • the voltage of the PV string is varied with the aim of maximizing the performance of the PV string.
  • Local methods find operating points characterized by the fact that a small deviation of the voltage of the PV string upwards or downwards leads to a reduction of the power, but larger deviations in the voltage can lead to an increase of the power. Local methods are therefore suitable for finding local maxima on the voltage-power curve (U-P curve) of the PV string. If more than one such maximum exists, there is usually no guarantee which of the maxima is found.
  • the method of load jumps is used, inter alia, in many photovoltaic inverters. There are many variations and
  • Modifications of the method of load jumps work according to the method described above.
  • Adjustment of the MPP via a power electronic DC-DC controller at the input which can be regulated in voltage (or current).
  • Document DE 10 2010 036 966 A1 discloses a method for operating a photovoltaic generator at an operating point of maximum power.
  • the approach presented here creates a method for determining and / or finding a position of a power maximum of an electrical
  • Test working point and determining at least one of the changed test point associated with the changed power value and / or a relative change in the power value based on the change of the test working point of the power source;
  • Power value represents and / or the derivative of a
  • An electrical energy source may generally be understood to be an electrical generator (such as a photovoltaic module), an electrical energy store (such as a battery or a rechargeable battery) or another source of electrical energy. Under a test working point can
  • test work point may be a certain selected voltage.
  • a power maximum may be understood as meaning a local or global maximum of the power output by the electrical energy source. It may be the source of the energy Change output power over time, for example, when used as a source of energy a photovoltaic system or a photovoltaic module whose electrical properties are affected by weather conditions such
  • Solar radiation, cloudiness and / or temperature can change over time.
  • Under a performance characteristic can be a function or a
  • Characteristic understood that represents a relationship of an output from the power source (electric) power depending on one or more parameters (such as a voltage and / or a current).
  • the approach presented here is based on the knowledge that an absolute and / or relative deviation between the power value and the changed power value can be used to determine the power maximum.
  • the course of the current power characteristic of the energy source in the test working point is analyzed in more detail and from this process the
  • Position of the power optimum of the energy source are drawn to find in a very fast and effective way, this maximum performance.
  • test working point is changed continuously and / or jump-free to the modified test operating point in the step of changing.
  • Embodiment of the present invention offers the advantage of being able to determine the position of the power maximum of the energy source already on the basis of a very narrow value range around the test operating point.
  • Test point is and the changed power value greater than the Power value is.
  • location of the power maximum may be estimated as belonging to an operating point having a value less than the test operating point, if the changed one
  • Test working point is less than the test working point and the changed
  • Power value is less than the power value.
  • An embodiment of the present invention is also conceivable in which, in the step of estimating, the power maximum of the energy source is detected when the difference value within a tolerance range is equal to zero.
  • a tolerance range can be understood as meaning a range of values in which the changed power value only has a deviation of 5 or 10 percent of the power value.
  • Such an embodiment of the present invention offers the advantage of a defined termination criterion when the power maximum has been approximately found.
  • such an embodiment of the present invention can be implemented very simply numerically and with regard to circuitry.
  • An embodiment of the present invention is also advantageous in which, in the setting and changing steps, the power value and the changed power value are determined using a filter.
  • Such an embodiment of the present invention offers the advantage that smaller perturbations or fluctuations in the output of the energy source can be compensated during operation of the same, so that such
  • Embodiment to leave a robust estimate of the position of the optimum performance in
  • the position of the power maximum can be estimated using a comparison of a course of the changed power values with a course of the changed test work points.
  • Performance values (for example, in relation to an expected course) to be able to make a precise statement about the position of the maximum power in relation to the test working point.
  • a phase offset in the course of the changed power values can provide a very easily evaluable indication of the position of the power maximum in relation to the test operating point.
  • the position of the maximum power can be detected particularly accurately and very quickly if, according to an embodiment of the present invention in the step of changing the modified test operating point depending on the test working point, the current power value, the current test working point, a time of day and / or the difference value of previous step of the estimation.
  • An embodiment of the present invention is advantageous in which the steps of changing and estimating are carried out repeatedly, wherein in the repeatedly executed step of setting as the test operating point a value is selected which is greater than the test operating point set in a preceding step of setting, if in a previous one
  • Step of estimating the changed power value is larger than the power value at a larger modified test operating point and / or smaller than the power value at a smaller modified test operating point, and / or if a derivative of the power characteristic is positive.
  • Test point to be selected a value that is smaller than the set in a previous step of setting test operating point, if in a previous step of estimating the changed power value at a larger modified test operating point is less than the power value or at a smaller modified test operating point greater than that Power value is, and / or if a derivation of the performance curve is negative.
  • Power characteristic of a photovoltaic module are set, wherein in the step of changing a voltage is changed to the changed
  • the position of a power maximum of the photovoltaic module as an energy source with respect to the test operating point is estimated.
  • Such an embodiment of the present invention offers the advantage that changes or displacements of the power maxima occurring in particular in the area of photovoltaics can be detected very quickly and easily, so that a corresponding optimum operating point can be adapted during operation of the photovoltaic module.
  • an embodiment of the present invention is advantageous, which is designed as a method for driving a photovoltaic system, the method comprising the following steps:
  • a device in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • An advantage is also a computer program product with program code, which on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a
  • an embodiment of the present invention is advantageous, which is designed as a computer program that is configured to perform all steps of a variant of a method presented here and / or to control. Also is one
  • Machine-readable storage medium with a stored on it
  • Fig. 1 is a block diagram of a device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A are diagrams for explaining the variation of the test operating point to determine the position of the power maximum of the power source
  • Fig. 3B further diagrams for explaining the time behavior of the variation of the test operating point and the resulting change in the power value of the power output at the output terminals of the power source;
  • FIG. 4 shows a block diagram of an MPP controller as a device for determining and / or finding the power maximum of a power source according to an embodiment of the present invention.
  • An important aspect of an embodiment of the invention is to find and set the operating point of maximum power of a PV string (or more generally an electrical energy source). It should
  • the embodiments of the proposed approach of an MPP tracker algorithm presented here are not based on a large change in the voltage of the PV string in discrete Steps and the measurement in individual, steady-state working points. Instead, the voltage is continuously changed and the power continuously measured.
  • suitable digital filters and methods of control technology are used, which are characterized in particular by very good suppression of measurement noise.
  • the algorithm proposed by way of example is not realized as a discrete state machine, but can be implemented in the form of a control, which reduces the complexity of the implementation.
  • One aspect of the present invention is an algorithm for finding and setting an operating point, characterized by an input quantity U at which a specific target variable P (U) has an extreme value.
  • the electrical energy source 110 may be designed as a photovoltaic system to convert light from the sun 120 into electrical or electrical energy and this stream over at least two
  • the device 100 in this case has a drive unit 140, which on the one hand for setting an operating point of the power source 110 and for measuring a current, a
  • the device 100 comprises a device 150 for determining a test operating point U 0 , which is impressed on the drive unit 140.
  • device 100 has a modification unit 160, which is designed to generate a modified test operating point based on test working point U 0 Ui to determine and memorize the drive unit 140.
  • the device 100 also comprises an estimation unit 170 which, in addition to the test operating point U 0 , the modified test operating point Ui, also receives measured values P 0 and Pi from the drive unit 140, which represent powers which are produced by the energy source 110 on the terminals 130 during operation at the test operating point U 0 (measured value P 0 ) or at the modified test operating point Ui (measured value Pi).
  • the estimation unit 170 may also provide a corresponding signal to the changing unit 160 to generate a
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method 200 for determining and / or finding a position of a power maximum of an electrical
  • the method 200 includes a step 210 of setting a test work point and, if necessary, determining a power value of the power source associated with the test work point and / or a relative change in the power value. Furthermore, the method comprises a step 220 of changing the test working point to at least one changed one
  • the method 200 includes a step 230 of estimating a position of the power maximum of the power source using a difference value representing a deviation between the power value and the changed power value and / or representing a derivative of a power characteristic of the power source at the test work point, particularly the difference value from the test work point, the modified test work point, the performance value and the changed one
  • the input is typically the voltage of the PV string.
  • the target size is typically the power of the PV string.
  • the goal is to maximize performance.
  • the embodiment presented here can be divided into two components: on the one hand, the estimation of a derivative and the second the
  • the derivation estimate is based on a modulation of the input quantity U.
  • the principle is illustrated in the diagrams of FIGS. 3 and 4.
  • Fig. 3A shows in this context in a left upper part of the diagram
  • Power characteristic 300 as a function of the output from the power source
  • Maximum power 310 has.
  • Fig. 3B two partial diagrams are shown, in which the upper part of the diagram, the variation of the input variable U over time is shown and the lower part of the diagram Variation of the power is shown, now in the representation in both diagrams, the abscissa the time axis forms.
  • the abscissa the time axis forms.
  • Performance values of the performance curve 300 of FIG. 3A in the different sections of the performance curve 300 reproduced. 3B thus shows the time profiles of the AC components of the input variable -U - ⁇ U> - and target variable -P (U) -P ( ⁇ U>) - (where ⁇ U> is the mean value of U) to the left of the maximum (dashed), right of the maximum (dotted) and in the maximum
  • the modulation can z. B. sinusoidal running. This is quite simple, but theoretically other functions for varying the input size are conceivable instead of a sine function.
  • ⁇ is the frequency (in radians / sec) of the variation and Ui is their amplitude.
  • U 0 is the mean value of the input quantity (as test working point).
  • Power value or the changed power value is a measure of the amount of the derivative sought, the phase indicates the sign. If the derivative is positive (to the left of the maximum, dashed curves in FIGS. 3A and 3B), the change in the target quantity P is in phase with the change in the input quantity U, if the derivative is negative (to the right of the maximum, dotted curves in FIG 3A and 3B), the change in the target size P is 180 ° out of phase with the change in the input U, if the derivative is zero (at the maximum, solid curves in Figs. 3A and 3B), the change in the target size P almost zero. This change can therefore be within a tolerance range as are considered equal to zero in order to compensate for measurement errors and evaluation errors to a certain extent.
  • U 0 + U sin (oo t) Neither the exact phase position of the variation of the input signal nor the exact amplitude Ui is decisive. + P 2 ⁇ 5 ⁇ -
  • the amplitude is to be understood as the difference between the test operating point U 0 and the modified test operating point Ui, in which case the term Ui can also be understood as representing such a difference.
  • the amplitude of the target variable is to be understood as the difference between the power value P 0 and the changed power value Pi, in which case the term Pi can also be understood as representing such a difference.
  • the energy source 110 can be designed as a PV string with a corresponding power characteristic 300.
  • a power output from the power source 110 may be supplied to the output terminals 130 of the
  • Actuator 140 are detected, for example, a power electronics module 400 for measuring the performance values P 0 and Pi as measured values and a control unit 410 for performing an underlying control with an output of drive signals for impressing the test work points U 0 and Ui on the output terminals 130 of Energy source 110 has.
  • the individual components of the input variable U (t) and the target variable P (t) can be determined after the measurement in the unit 400 by means of a digital filter 420.
  • the filter 420 as part of the estimation unit 170 may
  • Kaiman filter which is characterized by particularly good suppression of measurement noise.
  • the second part of the local MPP tracker 100 exemplified here consists in a feedback controller 440 of the change unit 160 in order to control the estimated derivative to zero.
  • the manipulated variable here is the
  • Test working point U 0 which corresponds to the DC component of the input variable U.
  • the test operating point U 0 can be set to a different position and the variation and reaction of the energy source
  • the controlled variable is the estimated derivative D.
  • a digital PI controller may be mentioned as a feedback controller 440. This new test point U 0 as
  • Input size can now be a subsequent execution cycle in the Modulation unit 450 of the changing unit 160 according to
  • Test working point U 0 are changed and the reaction of the energy source 110 are tested thereon by means of the drive unit 140.
  • the basic controller structure is shown in Fig. 4 as a block diagram of the MPP control.
  • sinusoidal modulation is not necessarily required, but other (eg, periodic) signals may be used for modulation. Also is an adaptation of

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Bestimmen und/oder Auffinden einer Lage eines Leistungsmaximums (310) einer elektrischen Energiequelle (110). Das Verfahren (200) umfasst einen Schritt des Festlegens (210) eines Testarbeitspunktes (U0) und ggf. Ermitteln eines zu dem Testarbeitspunkt (U0) gehörigen Leistungswertes (P0) der Energiequelle (110). Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Veränderns (220) des Testarbeitspunktes (U0) auf zumindest einen veränderten Testarbeitspunkt (U1) und Ermitteln zumindest eines zu dem veränderten Testarbeitspunkt (U1) gehörigen veränderten Leistungswertes (P1) der Energiequelle (110) oder der relativen Änderung des Leistungswertes. Schließlich umfasst das Verfahren (200) einen Schritt des Schätzens (230) der Lage eines Leistungsmaximums (310) der Energiequelle (110) unter Verwendung eines Unterschiedswertes, der eine Abweichung zwischen dem Leistungswert (P0) und dem veränderten Leistungswert (P1) repräsentiert und/oder der eine Ableitung (D) einer Leistungskennlinie (300) der Energiequelle (110) am Testarbeitspunkt (U0) repräsentiert, insbesondere wobei der Unterschiedswert von dem Testarbeitspunkt, dem veränderten Testarbeitspunkt, dem Leistungswert und dem veränderten Leistungswert abhängig ist.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Lage eines
Leistungsmaximums einer elektrischen Energiequelle
Stand der Technik
Der hier vorgestellte Ansatz bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen einer Lage eines Leistungsmaximums einer elektrischen Energiequelle, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes
Computerprogrammprodukt.
Maximum-Power-Point (MPP)-Tracker werden insbesondere bei Fotovoltaik- Anlagen zum Auffinden des Arbeitspunktes maximaler Leistung eines
Fotovoltaik-Generator-Strings (PV-String) eingesetzt. Typischerweise wird dabei die Spannung des PV-Strings mit dem Ziel variiert, die Leistung des PV-Strings zu maximieren. Hierbei wird zwischen lokalen und globalen Verfahren unterschieden.
Lokale Verfahren finden Arbeitspunkte, die sich dadurch auszeichnen, dass eine kleine Abweichung der Spannung des PV-Strings nach oben oder unten zu einer Reduzierung der Leistung führt, größere Abweichungen in der Spannung können jedoch zu einer Steigerung der Leistung führen. Lokale Verfahren sind also geeignet um lokale Maxima auf der Spannungs-Leistungs- Kurve (U-P-Kurve) des PV-Strings aufzufinden. Sofern mehr als ein solches Maximum existiert, gibt es in der Regel keine Garantie, welches der Maxima gefunden wird.
Globale Verfahren finden auch bei mehreren lokalen Maxima immer den
Arbeitspunkt maximaler Leistung. Es wird also dasjenige lokale Maximum gefunden, das unter allen lokalen Maxima die größte Leistung aufweist. Globale Verfahren sind insbesondere im Zusammenhang mit teil verschatteten PV-Strings relevant.
Das mit Abstand am weitesten verbreitete Verfahren für lokale MPP-Tracker ist die Methode der Lastsprünge (engl: Perturb and Observe, P&O). Bei diesem Verfahren wird die Spannung des PV-Strings in bestimmten, diskreten Schritten variiert C.Perturb") und beobachtet C.Observe"), wie sich die Leistung des PV- Strings verändert. Ergibt sich eine Erhöhung der Leistung bei einer Erhöhung oder Verringerung der Spannung, wird die Spannung in weiteren diskreten Schritten so lange in die gleiche Richtung weiter verändert, bis die Leistung sich nicht mehr weiter erhöht - der MPP ist erreicht. Im MPP wird die Spannung weiter in beide Richtungen alternierend verändert, um den Arbeitspunkt an veränderte Bedingungen (Einstrahlung, Temperatur, ... ) anzupassen.
Die Methode der Lastsprünge kommt unter anderem in vielen Fotovoltaik- Wechselrichtern zum Einsatz. Es existieren zahlreiche Variationen und
Abwandlungen der Methode der Lastsprünge, die jedoch alle nach dem oben beschriebenen Verfahren funktionieren. Insbesondere weisen sie alle die folgenden Merkmale auf: Die Spannung des PV-Strings wird in diskreten, nicht notwendigerweise konstanten Schritten variiert und die Leistung des PV-Strings wird im eingeschwungenen Zustand gemessen. Daraus ergibt sich eine begrenzte Geschwindigkeit des MPP-Tracking-Algorithmus und in vielen Fällen eine begrenzte Genauigkeit aufgrund der diskreten Schrittweiten.
Weitere Verfahren für MPP-Tracker werden in der einschlägigen Fachliteratur behandelt, finden aber keine oder nur sehr geringe Verbreitung in kommerziellen Fotovoltaik-Wechselrichtern. Wechselrichter verfügen in der Regel zur
Einstellung des MPPs über einen leistungselektronischen DC-DC-Steller am Eingang, der in der Spannung (oder im Strom) regelbar ist.
Die Druckschrift DE 10 2010 036 966 AI offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Fotovoltaikgenerators an einem Arbeitspunkt maximaler Leistung.
Offenbarung der Erfind Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Bestimmen und/oder Auffinden eines Leistungsmaximums einer
elektrischen Energiequelle, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Verfahren zum Bestimmen und/oder Auffinden einer Lage eines Leistungsmaximums einer elektrischen
Energiequelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Festlegen eines Testarbeitspunktes und ggf. Ermitteln eines zu dem
Testarbeitspunkt gehörigen Leistungswertes der Energiequelle;
Verändern des Testarbeitspunktes auf zumindest einen veränderten
Testarbeitspunkt und Ermitteln zumindest eines zu dem veränderten Testarbeitspunkt gehörigen veränderten Leistungswertes und/oder einer relativen Änderung des Leistungswertes bezogen auf die Änderung des Testarbeitspunktes der Energiequelle; und
Schätzen einer Lage des Leistungsmaximums der Energiequelle in Bezug auf den Testarbeitspunkt unter Verwendung eines Unterschiedswertes, der eine Abweichung zwischen dem Leistungswert und dem veränderten
Leistungswert repräsentiert und/oder der eine Ableitung einer
Leistungskennlinie der Energiequelle am Testarbeitspunkt repräsentiert, insbesondere wobei der Unterschiedswert von dem Testarbeitspunkt, dem veränderten Testarbeitspunkt, dem Leistungswert und dem veränderten Leistungswert abhängig ist.
Unter einer elektrischen Energiequelle kann allgemein ein elektrischer Generator (wie beispielsweise ein Fotovoltaik-Modul), ein elektrischer Energiespeicher (wie beispielsweise eine Batterie oder ein Akku) oder eine andere Quelle von elektrischer Energie verstanden werden. Unter einem Testarbeitspunkt kann ein
(einzelner) Parameter verstanden werden, von dem eine Leistungskennlinie abhängig ist. Beispielsweise kann ein Testarbeitspunkt eine bestimmte ausgewählte Spannung sein. Unter einem Leistungsmaximum kann ein lokales oder globales Maximum der von der elektrischen Energiequelle abgegebenen Leistung verstanden werden. Dabei kann sich die von der Energiequelle abgegebene Leistung im Zeitverlauf auch ändern, beispielsweise wenn als Energiequelle eine Fotovoltaik-Anlage oder ein Fotovoltaikmodul verwendet wird, dessen elektrische Eigenschaften sich durch Wettereinflüsse wie
Sonneneinstrahlung, Bewölkung und/oder Temperatur über die Zeit ändern können. Unter einer Leistungskennlinie kann eine Funktion oder eine
Charakteristik verstanden werden, die einen Zusammenhang einer von der Energiequelle abgegebenen (elektrischen) Leistung in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern (wie beispielsweise einer Spannung und/oder einem Strom) wiedergibt.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass zur Ermittlung des Leistungsmaximums eine absolute und/oder relative Abweichung zwischen dem Leistungswert und dem veränderten Leistungswert herangezogen werden kann. Hierbei wird insbesondere der Verlauf der aktuellen Leistungskennlinie der Energiequelle im Testarbeitspunkt näher analysiert und aus diesem Verlauf die
Lage des Leistungsmaximums bestimmt. Gegenüber herkömmlichen Ansätzen im Stand der Technik lässt sich mit dem hier vorgestellten Ansatz nun nicht mehr eine Leistungskennlinie sprungweise abtasten, um zum Leistungsoptimum zu gelangen, sondern es kann bereits aus dem Verlauf der meist nicht bekannten Leistungskennlinie im Bereich des Testarbeitspunktes ein Rückschluss auf die
Lage des Leistungsoptimums der Energiequelle gezogen werden, um auf sehr schnelle und effektive Weise dieses Leistungsmaximum aufzufinden.
Sehr vorteilhaft ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der im Schritt des Veränderns der Testarbeitspunkt kontinuierlich und/oder sprungfrei auf den veränderten Testarbeitspunkt verändert wird. Eine solche
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, die Lage des Leistungsmaximums der Energiequelle bereits auf der Basis eines sehr engen Wertebereichs um den Testarbeitspunkt bestimmen zu können.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der im Schritt des Schätzens die Lage des Leistungsmaximums als zu einem Arbeitspunkt mit einem größeren Wert als dem Testarbeitspunkt gehörig geschätzt wird, wenn der veränderte Testarbeitspunkt größer als der
Testarbeitspunkt ist und der veränderte Leistungswert größer als der Leistungswert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Lage des Leistungsmaximums als zu einem Arbeitspunkt mit einem kleineren Wert als dem Testarbeitspunkt gehörig geschätzt werden, wenn der veränderte
Testarbeitspunkt kleiner als der Testarbeitspunkt ist und der veränderte
Leistungswert kleiner als der Leistungswert ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Lage des
Leistungsmaximums der elektrischen Energiequelle sehr schnell und technisch sehr einfach implementierbar aufgefunden werden kann.
Denkbar ist auch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der im Schritt des Schätzens das Leistungsmaximum der Energiequelle erkannt wird, wenn der Unterschiedswert innerhalb eines Toleranzbereichs gleich null ist. Unter einem Toleranzbereich kann beispielsweise ein Wertebereich verstanden werden, bei dem der veränderte Leistungswert lediglich eine Abweichung von 5 oder 10 Prozent des Leistungswertes aufweist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil eines definierten Abbruchkriteriums, wenn das Leistungsmaximum näherungsweise aufgefunden wurde. Zugleich lässt sich eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung numerisch und schaltungstechnisch sehr einfach implementieren.
Günstig ist auch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der in den Schritten des Festlegens und des Veränderns der Leistungswert und der veränderte Leistungswert unter Verwendung eines Filters ermittelt werden. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass kleinere Störungen oder Schwankungen am Ausgang der Energiequelle im Betrieb derselben kompensiert werden können, sodass eine solche
Ausführungsform eine robuste Schätzung der Lage des Leistungsoptimums zu lässt. Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im
Schritt des Veränderns der Testarbeitspunkt zu einer Mehrzahl von veränderten Testarbeitspunkten entsprechend einer vordefinierten Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion und/oder entsprechend einer vordefinierten Frequenz verändert werden, um eine Mehrzahl von zu den veränderten Testarbeitspunkten entsprechend veränderten Leistungswerten und/oder relativen Änderungen der Leistungs werte zu erhalten. Dabei kann im Schritt des Schätzens die Lage des Leistungsmaximums unter Verwendung eines Vergleiches eines Verlaufes der veränderten Leistungswerte mit einem Verlauf der veränderten Testarbeitspunkte geschätzt werden. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, durch Auswertung eines Verlaufs der veränderten
Leistungs werte (beispielsweise in Bezug zu einem erwarteten Verlauf) eine präzise Aussage über die Lage des Leistungsmaximums bezogen auf den Testarbeitspunkt treffen zu können. Insbesondere kann bei Verwendung von periodischen Funktionen zur Ermittlung des veränderten Testarbeitspunktes beispielsweise ein Phasenversatz im Verlauf der veränderten Leistungswerte einen sehr einfach auswertbaren Hinweis auf die Lage des Leistungsmaximums in Bezug zum Testarbeitspunkt liefern.
Besonders genau und sehr schnell kann die Lage des Leistungsmaximums dann erkannt werden, wenn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Veränderns der veränderte Testarbeitspunkt abhängig von dem Testarbeitspunkt, dem aktuellen Leistungs wert, dem aktuellen Testarbeitspunkt, einer Tageszeit und/oder dem Unterschiedswert eines vorangegangenen Schrittes des Schätzens ist.
Von Vorteil ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Schritte des Veränderns und Schätzens wiederholt ausgeführt werden, wobei in dem wiederholt ausgeführten Schritt des Festlegens als Testarbeitspunkt ein Wert gewählt wird, der größer ist als der in einem vorangegangenen Schritt des Festlegens festgelegte Testarbeitspunkt, wenn in einem vorangegangenen
Schritt des Schätzens der veränderte Leistungswert bei einem größeren veränderten Testarbeitspunkt größer als der Leistungswert und/oder bei einem kleineren veränderten Testarbeitspunkt kleiner als der Leistungswert ist, und/oder wenn eine Ableitung der Leistungskennlinie positiv ist. Alternativ oder zusätzlich kann in dem wiederholt ausgeführten Schritt des Festlegens als
Testarbeitspunkt ein Wert gewählt werden, der kleiner als der in einem vorangegangenen Schritt des Festlegens festgelegte Testarbeitspunkt ist, wenn in einem vorangegangenen Schritt des Schätzens der veränderte Leistungswert bei einem größeren veränderten Testarbeitspunkt kleiner als der Leistungswert oder bei einem kleineren veränderten Testarbeitspunkt größer als der Leistungswert ist, und/oder wenn eine Ableitung der Leistungskennlinie negativ ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine wiederholte Ausführung der Schritte des Veränderns und des
Schätzens in einem sehr schnell konvergierenden Algorithmus zum
Leistungsmaximum der Energiequelle führt.
Auch kann in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Festlegens ein Spannungswert als Testarbeitspunkt einer
Leistungskennlinie eines Fotovoltaikmoduls festgelegt werden, wobei im Schritt des Veränderns eine Spannung verändert wird, um den veränderten
Testarbeitspunkt zu erhalten und wobei im Schritt des Schätzens die Lage eines Leistungsmaximums des Fotovoltaikmoduls als Energiequelle in Bezug auf den Testarbeitspunkt geschätzt wird. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass insbesondere im Bereich der Fotovoltaik auftretende Wechsel oder Verschiebungen der Leistungsmaxima sehr schnell und einfach erkannt werden können, so dass ein entsprechender optimaler Arbeitspunkt im Betrieb des Fotovoltaikmoduls angepasst werden kann.
Insofern ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, welche als Verfahren zum Ansteuern einer Fotovoltaik-Anlage ausgelegt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
die Schritte eines Verfahrens gemäß einer hier vorgestellten Variante; und Betreiben der Fotovoltaik-Anlage mit einem Arbeitspunkt, der dem geschätzten Leistungsmaximum entspricht.
Günstig ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als
Vorrichtung, die ausgebildet ist, um alle Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens durchzuführen und/oder anzusteuern. Der hier vorgestellte Ansatz schafft somit eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese
Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem
Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird,
insbesondere wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Insofern ist auch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, die als Computerprogramm ausgebildet ist, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens durchzuführen und/oder anzusteuern. Auch ist ein
maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten
entsprechend ausgestalteten Computerprogramm vorteilhaft.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3A Diagramme zur Erläuterung der Variation des Testarbeitspunktes, um die Lage des Leistungsmaximums der Energiequelle zu bestimmen;
Fig. 3B weitere Diagramme zur Erläuterung des zeitlichen Verhaltens der Variation des Testarbeitspunktes und der hieraus resultierenden Veränderung des Leistungswertes der an den Ausgangsklemmen der Energiequelle ausgegebenen Leistung; und
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines MPP-Reglers als Vorrichtung zum Bestimmen und/oder Auffinden des Leistungsmaximums einer Energiequelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Der hier vorgestellte Ansatz beschäftigt sich insbesondere mit lokalen Verfahren zur Suche eines Leistungsmaximums einer Energiequelle. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird daher im Folgenden davon ausgegangen, dass die U-P-Kurve des PV-Strings nur ein lokales Maximum aufweist, welches folglich auch das globale Maximum darstellt.
Ein wichtiger Aspekt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist es, den Arbeitspunkt maximaler Leistung eines PV-Strings (oder allgemeiner einer elektrischen Energiequelle) zu finden und einzustellen. Dabei sollen
Geschwindigkeit, Genauigkeit, Robustheit gegen Störungen und
Implementierungsaufwand des vorgeschlagenen Algorithmus gegenüber herkömmlichen MPP-Trackern (insbesondere der Methode der Lastsprünge) verbessert werden.
Die hier vorgestellten Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen Ansatz eines MPP-Tracker-Algorithmus' basieren im Gegensatz zu bestehenden Ansätzen nicht auf einer großen Veränderung der Spannung des PV-Strings in diskreten Schritten und der Messung in einzelnen, eingeschwungenen Arbeitspunkten. Stattdessen wird die Spannung kontinuierlich verändert und die Leistung kontinuierlich gemessen. Dazu kommen geeignete digitale Filter und Methoden der Regelungstechnik zum Einsatz, welche sich insbesondere durch sehr gute Unterdrückung von Messrauschen auszeichnen.
Der beispielhaft vorgeschlagene Algorithmus wird dabei nicht als diskreter Zustandsautomat realisiert, sondern kann in Form einer Regelung umgesetzt werden, wodurch sich die Komplexität der Implementierung reduziert.
Trotz der reduzierten Komplexität kann der beispielhaft vorgeschlagene
Algorithmus schneller und präziser als herkömmliche MPP-Tracker
(insbesondere solche, die nach der Methode der Lastsprünge arbeiten) den optimalen Arbeitspunkt eines PV-Strings als Energiequelle einstellen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Algorithmus zum Auffinden und Einstellen eines Arbeitspunktes, charakterisiert durch eine Eingangsgröße U, an welchem eine bestimmte Zielgröße P(U) einen Extremwert aufweist. Dazu wird die Ableitung der Zielgröße (hier: Leistung) nach der Eingangsgröße (hier:
Spannung) geschätzt und die Eingangsgröße derart variiert, dass diese Ableitung null wird.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Bestimmen und/oder Auffinden einer Lage eines Leistungsmaximums einer elektrischen Energiequelle 110. Die elektrische Energiequelle 110 kann hierbei als Fotovoltaik- Anlage ausgebildet sein, um Licht der Sonne 120 in elektrischen Strom oder elektrische Energie umzuwandeln und diesen Strom über mindestens zwei
Ausgangsklemmen 130 an die Vorrichtung 100 auszugeben. Die Vorrichtung 100 weist dabei eine Ansteuereinheit 140 auf, die einerseits zur Einstellung eines Arbeitspunktes der Energiequelle 110 als auch zur Messung eines Stroms, einer
Spannung oder einer Leistung an den Ausgangsklemmen 130 ausgebildet ist. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 eine Einrichtung 150 zur Festlegung eines Testarbeitspunktes U0, der der Ansteuereinheit 140 eingeprägt wird. Zugleich weist Vorrichtung 100 eine Veränderungseinheit 160 auf, die ausgebildet ist, um basierend auf dem Testarbeitspunktes U0 einen veränderten Testarbeitspunktes Ui zu bestimmen und diesen der Ansteuereinheit 140 einzuprägen. Schließlich umfasst die Vorrichtung 100 noch eine Schätzeinheit 170, die neben dem Testarbeitspunkt U0, dem veränderten Testarbeitspunktes Ui noch Messwerte P0 und Pi von der Ansteuereinheit 140 empfängt, die Leistungen repräsentieren, die von der Energiequelle 110 auf den Anschlussklemmen 130 im Betrieb am Testarbeitspunkt U0 (Messwert P0) bzw. am veränderten Testarbeitspunkt Ui (Messwert Pi) abgegeben werden. Die Schätzeinheit 170 kann auch ein entsprechendes Signal an die Veränderungseinheit 160 liefern, um eine
Einstellung eines veränderten Testarbeitspunktes U0 in einem nachfolgenden Zyklus zu ermöglichen und hierdurch das Auffinden des Leistungsmaximums sicherzustellen und/oder zu beschleunigen.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen und/oder Auffinden einer Lage eines Leistungsmaximums einer elektrischen
Energiequelle. Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt 210 des Festlegens eines Testarbeitspunktes und ggf. des Ermitteins eines zu dem Testarbeitspunkt gehörigen Leistungswertes der Energiequelle und/oder einer relativen Änderung des Leistungswertes. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt 220 des Veränderns des Testarbeitspunktes auf zumindest einen veränderten
Testarbeitspunkt und Ermitteln zumindest eines zu dem veränderten
Testarbeitspunkt gehörigen veränderten Leistungswertes der Energiequelle. Schließlich umfasst das Verfahren 200 einen Schritt 230 des Schätzen einer Lage des Leistungsmaximums der Energiequelle unter Verwendung eines Unterschiedswertes, der eine Abweichung zwischen dem Leistungswert und dem veränderten Leistungswert repräsentiert und/oder der eine Ableitung einer Leistungskennlinie der Energiequelle am Testarbeitspunkt repräsentiert, insbesondere wobei der Unterschiedswert von dem Testarbeitspunkt, dem veränderten Testarbeitspunkt, dem Leistungswert und dem veränderten
Leistungswert abhängig ist.
Im Zusammenhang mit MPP-Trackern (als Beispiel für eine Vorrichtung 100) für Fotovoltaik-Wechselrichter ist die Eingangsgröße typischerweise die Spannung des PV-Strings. Die Zielgröße ist typischerweise die Leistung des PV-Strings. Das Ziel ist, die Leistung zu maximieren. Das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel kann in zwei Bestandteile untergliedert werden: zum einen die Schätzung einer Ableitung und zum zweiten die
Beeinflussung der Eingangsgröße (der Spannung) um den Arbeitspunkt zu finden, an dem die Ableitung verschwindet und so das Leistungsmaximum der Energiequelle erkannt werden kann.
Die Schätzung der Ableitung basiert auf einer Modulation der Eingangsgröße U. Das Prinzip ist in den Diagrammen aus der Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. Fig. 3A zeigt in diesem Zusammenhang in einem linken oberen Teildiagramm die
(zumeist unbekannte) Leistungskennlinie der Energiequelle 110, die sich im Zeitverlauf verändert kann, beispielsweise durch veränderte Einstrahlung, Verschattung und/oder Temperatur der Module einer Fotovoltaik-Anlage als Energiequelle 110. Dabei ist in dem linken oberen Teildiagramm die
Leistungskennlinie 300 als Funktion der von der Energiequelle abgegebenen
Leistung (Ordinatenwert) an einem bestimmten Spannungswert als Arbeitspunkt (Abszissenwert) aufgetragen, wobei diese Leistungskennlinie ein
Leistungsmaximum 310 aufweist. In einem Teildiagramm links unten ist eine Veränderung oder Variation der Eingangsgröße U (Abszissenwert) um je einen von drei beispielhaft dargestellten Testarbeitspunkten U0 im Zeitverlauf
(Ordinatenwert) dargestellt. Die Auswahl des betreffenden Testarbeitspunktes U0, z.B. als einer der drei dargestellten Testarbeitspunkte, kann hierbei von der Festlegungseinheit 150 aus Fig. 1 getroffen werden, wogegen die Variation des Eingangsgrößenwertes U von beispielsweise U0 auf Ui durch die
Veränderungseinheit aus Fig. 1 erfolgen kann. Erfolgt nun der ausgewählte
Testarbeitspunkt U0 bei einer Variation auf den veränderten Testarbeitspunkt Ui, kann von den Sensoren der Ansteuereinheit 140 eine Leistungsabgabe der Energiequelle 110 ermittelt werden, die auf der Ordinate des rechten oberen Teildiagramms der Fig. 3A wiedergegeben ist. Wird nun der Testarbeitspunkt U entsprechend der entsprechenden vertikalen Darstellung in dem links unten dargestellten Teildiagramm zeitlich variiert, resultiert ein dem Testarbeitspunkt entsprechender Leistungswert P0 bzw. ein dem veränderten Testarbeitspunkt entsprechender veränderter Leistungswert PI, wie er in der oberen rechten Darstellung aus Fig. 3A als zeitliche Variation in Abszissenrichtung abgebildet ist. Insofern ist in der Fig. 3A die Änderung der Zielgröße P(U) in Abhängigkeit von der Eingangsgröße U links des Maximums 310 (gestrichelte Darstellung), rechts des Maximums 310 (gepunktete Darstellung) und im Maximum 310
(durchgezogene Darstellung) wiedergegeben.
In der Fig. 3B sind zwei Teildiagramme wiedergegeben, bei denen im oberen Teildiagramm die Variation der Eingangsgröße U über die Zeit dargestellt ist und im unteren Teildiagramm die betreffende Variation des Leistungs wertes abgebildet ist, wobei nun in der Darstellung in beiden Diagrammen die Abszisse die Zeitachse bildet. Insofern wird in den Teildiagrammen aus der Fig. 3B eine Gegenüberstellung der Wirkung der Variation der Eingangsgröße auf die
Leistungs werte der Leistungskennlinie 300 aus Fig. 3A in den unterschiedlichen Abschnitten der Leistungskennlinie 300 wiedergegeben. Fig. 3B zeigt somit die zeitlichen Verläufe der AC- Anteile von Eingangsgröße - U - < U> - und Zielgröße - P(U) - P(< U>) - (wobei <U > der Mittelwert von U sei) links des Maximums (gestrichelt), rechts des Maximums (gepunktet) und im Maximum
(durchgezogen).
Die Modulation kann z. B. sinusförmig ausgeführt werden. Dies ist recht einfach, theoretisch sind jedoch anstelle einer Sinus- Funktion auch andere Funktionen zur Variation der Eingangsgröße denkbar. Der zeitliche Verlauf der
Eingangsgröße U habe die Form U(t) = U0+ Ui sin(oo t). Es ergibt sich die linearisierte Zielgröße P(t) = P(U0) +
Figure imgf000015_0001
sin(oo t). Dabei ist ω die Frequenz (in rad/sec) der Variation und Ui deren Amplitude. Der Wert U0 ist der Mittelwert der Eingangsgröße (als Testarbeitspunkt).
Die obige Formel zeigt, dass die Amplitude der Zielgröße (d. h. den
Leistungswert bzw. den veränderten Leistungswert) ein Maß für den Betrag der gesuchten Ableitung ist, die Phase gibt das Vorzeichen an. Sofern die Ableitung positiv ist (links des Maximums, gestrichelte Kurven in Fig. 3A und Fig. 3B), ist die Änderung der Zielgröße P in Phase mit der Änderung der Eingangsgröße U, sofern die Ableitung negativ ist (rechts des Maximums, gepunktete Kurven in Fig. 3A und Fig. 3B), ist die Änderung der Zielgröße P 180° phasenverschoben zur Änderung der Eingangsgröße U, sofern die Ableitung null ist (im Maximum, durchgezogene Kurven in Fig. 3A und Fig. 3B), ist die Änderung der Zielgröße P beinahe null. Diese Änderung kann also innerhalb eines Toleranzbereichs als gleich null angesehen werden, um hierdurch Messfehler und Auswertungsfehler zu einem gewissen Grad kompensieren zu können.
Es ergibt sich ggf. lediglich eine Änderung kleiner Amplitude mit der doppelten Frequenz der Änderung der Eingangsgröße U und höhere Harmonische aufgrund des unter Umständen nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Zielgröße P und der Eingangsgröße U.
Zur robusten Schätzung der Ableitung kann also ein Eingangssignal der Form U(t) = U0+ Ui sin(oo t) gestellt werden. Dabei ist weder die genaue Phasenlage der Variation des Eingangssignals noch die genaue Amplitude Ui entscheidend. Aufgrund des funktionalen Zusammenhangs zwischen der Zielgröße P und der Eingangsgröße U wird sich eine Zielgröße der Form P(t) = P0 + Pi«sin(oot - c i) + P2 ·5Ϊη(ωί - φ2) plus höhere Harmonische ergeben. Genauer gesagt ist die Amplitude als Differenz zwischen dem Testarbeitspunkt U0 und dem veränderten Testarbeitspunkt Ui zu verstehen, wobei hier der Term Ui auch als eine solche Differenz repräsentierend verstanden werden kann. Analog ist natürlich auch die Amplitude der Zielgröße als Differenz zwischen dem Leistungswert P0 und dem veränderten Leistungswert Pi zu verstehen, wobei hier der Term Pi auch als eine solche Differenz repräsentierend verstanden werden kann. Für die nachfolgend detailliert aufgeführten Berechnungen wird der Term Ui als die vorstehend genannte Differenz und der Term Pi ebenfalls als die vorstehend genannte Differenz verstanden (Ui wird im Folgenden also als AU = Ui - U0 und Pi wird im Folgenden als AP = Pi - P0 betrachtet).
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer detaillierteren Realisierungsmöglichkeit einer Schätzeinheit 170 zum Bestimmen wie sie allgemein in der Fig. 1 bereits genannt wurde. Dabei kann die Energiequelle 110 als PV-String mit einer entsprechenden Leistungskennlinie 300 ausgestaltet sein. Eine von der Energiequelle 110 abgegebene Leistung kann an den Ausgangsklemmen 130 von der
Ansteuereinheit 140 erfasst werden, die beispielsweise ein Leistungselektronik- Modul 400 zur Messung der Leistungs werte P0 und Pi als Messwerte und eine Regelungseinheit 410 zur Durchführung einer unterlegten Regelung mit einer Ausgabe von Ansteuersignalen zur Einprägung der Testarbeitspunkte U0 und Ui auf die Ausgangsklemmen 130 der Energiequelle 110 aufweist. Die einzelnen Bestandteile der Eingangsgröße U(t) und der Zielgröße P(t) können nach der Messung in der Einheit 400 mittels eines digitalen Filters 420 bestimmt werden. Das Filter 420 als Teil der Schätzeinheit 170 kann
insbesondere als Kaiman- Filter konzipiert werden, welche sich durch besonders gute Unterdrückung von Messrauschen auszeichnet.
Als Ergebnis der Filterung erhält man beispielsweise Schätzgrößen u0 ~ Uo,
ui « Ursin (cot),
Figure imgf000017_0001
p2 ~ P2 * cos(oot - φ2).
Daraus kann die endgültige Schätzung D der Ableitung dP(U)/dU in einem Ableitungsschätzer 430 der Schätzeinheit 170 berechnet werden zu dP(U)/dU « (uiPi + ui' pi') / (ui2+ Ui'2) « Pi(sin(oot) sin(oot- + cos(oot) cos(oot- ψι)) =
Pi«cos(cpi) = D. Wie eingangs beschrieben, entspricht also die Amplitude Pi dem Betrag der Ableitung und die Phase bestimmt deren Vorzeichen (für c i = 0° ist cos (cpi) =1, d. h. D > 0; für c i =180° ist cos (φι) =-1, d. h. D< 0). Der zweite Teil des hier beispielhaft vorgestellten lokalen MPP-Trackers 100 besteht in einem Feedback- Regler 440 der Veränderungseinheit 160, um die geschätzte Ableitung zu null zu regeln. Die Stellgröße ist hierbei der
Testarbeitspunkt U0, welcher dem Gleichanteil der Eingangsgröße U entspricht. Hierdurch kann in einer erneuten Ausführung der Testarbeitspunkt U0 an eine andere Stelle gesetzt werden und die Variation und Reaktion der Energiequelle
110 erneut ausgetestet werden. Die Regelgröße ist die geschätzte Ableitung D. Dabei können unterschiedliche Regelstrategien zum Einsatz kommen, um das Regelziel D = 0 stationär zu erreichen. Beispielhaft sei ein digitaler PI- Regler als Feedback- Regler 440 genannt. Dieser neue Testarbeitspunkt U0 als
Eingangsgröße kann nun einem nachfolgenden Ausführungszyklus in der Modulationseinheit 450 der Veränderungseinheit 160 entsprechend der
Darstellung des oberen Teildiagramms aus Fig.4 auf einen veränderten
Testarbeitspunkt U0 verändert werden und die Reaktion der Energiequelle 110 hierauf mittels der Ansteuerungseinheit 140 ausgetestet werden.
Die grundsätzliche Reglerstruktur ist in Fig. 4 als Blockschaltbild der MPP- Regelung dargestellt.
Durch geeignete Auslegung der Reglerstruktur und -parameter und passende Wahl der Frequenz ω und Amplitude Ui der Eingangsgröße ergibt sich ein schneller und robuster MPP-Tracker 100. Dabei sind auch die Eigenschaften einer möglichen unterlagerten Regelung 410 zu berücksichtigen, welche die gewünschten zeitlichen Verläufe der Eingangsgröße U(t) realisiert.
Denkbar sind ferner Alternativen und Erweiterungen des hier vorgestellten Ansatzes. Beispielsweise ist nicht zwingend eine sinusförmige Modulation erforderlich, sondern es können auch andere (beispielsweise periodische) Signale zur Modulation verwendet werden. Auch ist eine Anpassung von
Frequenz- und oder Amplitude der Modulation an beliebige Einflussfaktoren (z. B. momentane Leistung, Tageszeit, Ableitung der Zielgröße P nach der Eingangsgröße U) denkbar. Ebenso kann eine Korrektur der Nichtlinearität der U-I- Kurve 300 (statisch oder durch Berücksichtigung der höheren Harmonischen) erfolgen mit dem Ziel, den optimalen Arbeitspunkt 310 noch exakter einzustellen, indem die Schätzung der Ableitung dP(U)/d U verbessert wird. Schließlich ist eine Anwendung auch für andere Systeme (nicht nur Wechselrichter) denkbar, insbesondere wird in diesem Zusammenhang auf die Einheit 400
„Leistungselektronik" hingewiesen, die als beliebige elektronische Einheit ausgestaltet sein kann.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt, in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge und/oder gleichzeitig ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (200) zum Bestimmen und/oder Auffinden einer Lage eines Leistungsmaximums (310) einer elektrischen Energiequelle (110), wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte aufweist:
Festlegen (210) eines Testarbeitspunktes (U0) und Ermitteln eines zu dem Testarbeitspunkt (U0) gehörigen Leistungswertes (P0) der Energiequelle (110);
Verändern (220) des Testarbeitspunktes (U0) auf zumindest einen veränderten Testarbeitspunkt (UJ und Ermitteln zumindest eines zu dem veränderten Testarbeitspunkt (UJ gehörigen veränderten Leistungs wertes (Pi) der Energiequelle (110) und/oder einer relativen Änderung des Leistungswertes bezogen auf die Änderung des Testarbeitspunktes; und
Schätzen (230) einer Lage des Leistungsmaximums (310) der Energiequelle (110) in Bezug auf den Testarbeitspunkt (U0) unter Verwendung eines Unterschiedswertes, der eine Abweichung zwischen dem Leistungswert (P0) und dem veränderten Leistungswert (Pi) repräsentiert und/oder der eine Ableitung (D) einer Leistungskennlinie (300) der Energiequelle (110) am Testarbeitspunkt (U0) repräsentiert, insbesondere wobei der
Unterschiedswert von dem Testarbeitspunkt, dem veränderten Testarbeitspunkt, dem Leistungswert und dem veränderten Leistungswert abhängig ist.
Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im
Schritt des Veränderns (220) der kontinuierlich und/oder sprungfrei auf den veränderten Testarbeitspunkt (U) verändert wird.
3. Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Schätzens (230) die Lage des Leistungsmaximums (310) als zu einem Arbeitspunkt mit einem größeren Wert als dem Testarbeitspunkt (U0) gehörig geschätzt wird, wenn der veränderte Testarbeitspunkt (Ui) größer als der Testarbeitspunkt (U0) ist und der veränderte Leistungswert (Pi) größer als der Leistungswert (P0) ist und/oder wenn der Testarbeitspunkt (Ui) kleiner als der Testarbeitspunkt (U0) ist und der veränderte
Leistungswert (Pi) kleiner als der Leistungswert (P0) ist und/oder eine Ableitung der Leistungskennlinie (300) positiv ist
und/oder
die Lage des Leistungsmaximums (310) als zu einem Arbeitspunkt mit einem kleineren Wert, als dem Testarbeitspunkt (U0) gehörig geschätzt wird, wenn der veränderte Testarbeitspunkt (Ui) kleiner als der Testarbeitspunkt (U0) ist und der veränderte Leistungswert (Pi) größer als der Leistungswert (P0) ist und/oder der veränderte Testarbeitspunkt (Ui) größer als der Testarbeitspunkt (U0) ist und der veränderte Leistungswert (Pi) kleiner als der Leistungswert (P0) ist und/oder eine Ableitung der Leistungskennlinie (300) negativ ist.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Schätzens (230) das Leistungsmaximum (310) der Energiequelle (110) erkannt wird, wenn der Unterschiedswert oder eines davon abgeleiteten Wertes innerhalb eines Toleranzbereichs gleich null ist.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schritten des Festlegens (210) und des Veränderns (220) der Leistungswert (P0) und der veränderte Leistungswert (Pi) und/oder die Ableitung (D) unter Verwendung eines Filters (420) ermittelt werden.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Veränderns (220) der Testarbeitspunkt (U0) zu einer Mehrzahl von veränderten
Testarbeitspunkten (Ui) entsprechend einer vordefinierten Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion, und/oder entsprechend einer vordefinierten Frequenz verändert wird, um eine Mehrzahl von zu den veränderten Testarbeitspunkten (Ui) entsprechend veränderten
Leistungswerten (PJ zu erhalten, wobei im Schritt des Schätzens (230) die Lage des Leistungsmaximums (310) unter Verwendung eines Vergleiches eines Verlaufes der veränderten Leistungswerte (Pi) mit einem Verlauf der veränderten Testarbeitspunkte (Ui) geschätzt wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Veränderns (220) der veränderte Testarbeitspunkt (Ui) abhängig von dem aktuellen
Testarbeitspunkt (U0), dem aktuellen Leistungswert (P0), einer Tageszeit und/oder dem Unterschiedswert (AU, Ui) eines vorangegangenen Schrittes des Schätzens (230) ist.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Veränderns (220) und Schätzens (230) wiederholt ausgeführt werden, wobei in dem wiederholt ausgeführten Schritt des Festlegens (210) als Testarbeitspunkt (U0) ein Wert gewählt wird, der größer ist als der in einem vorangegangenen Schritt des Festlegens (210) festgelegte Testarbeitspunkt (U0), wenn in einem vorangegangenen Schritt des Schätzens (230) der veränderte Leistungswert (P0) bei einem größeren veränderten Testarbeitspunkt (Ui) größer als der Leistungswert (P0) und/oder bei einem kleineren veränderten Testarbeitspunkt (UJ kleiner als der Leistungswert (P0) ist und/oder die Ableitung (D) der Leistungskennlinie (300) positiv ist und/oder
wobei in dem wiederholt ausgeführten Schritt des Festlegens (210) als Testarbeitspunkt (U0) ein Wert gewählt wird, der kleiner als der in einem vorangegangenen Schritt des Festlegens (210) festgelegte
Testarbeitspunkt (U0) ist, wenn in einem vorangegangenen Schritt des Schätzens (230) der veränderte Leistungswert (PJ bei einem größeren veränderten Testarbeitspunkt (UJ kleiner als der Leistungswert (P0) und/oder bei einem kleineren veränderten Testarbeitspunkt (Ui) größer als der Leistungswert (P0) ist und/oder die Ableitung (D) der
Leistungskennlinie (300) negativ ist.
9. Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Festlegens (210) ein Spannungswert als Testarbeitspunkt (U0) einer Leistungskennlinie (300) eines Fotovoltaikmoduls (110) festgelegt wird, wobei im Schritt des Veränderns (220) eine Spannung verändert wird, um den veränderten Testarbeitspunkt (Ui) zu erhalten und wobei im Schritt des Schätzens (230) die Lage eines Leistungsmaximums (310) des Fotovoltaikmoduls als Energiequelle (110) in Bezug auf den Testarbeitspunkt (U0) geschätzt wird.
10. Verfahren (200) zum Ansteuern einer Fotovoltaik-Anlage (110), wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte aufweist:
die Schritte eines Verfahrens (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und
Betreiben der Fotovoltaik-Anlage in einem Arbeitspunkt, der dem geschätzten Leistungsmaximum (310) entspricht.
11. Vorrichtung (140), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen und/oder anzusteuern.
13. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.
PCT/EP2014/077483 2013-12-18 2014-12-12 Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer lage eines leistungsmaximums einer elektrischen energiequelle WO2015091233A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013226489.5 2013-12-18
DE102013226489.5A DE102013226489A1 (de) 2013-12-18 2013-12-18 Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Lage eines Leistungsmaximums einer elektrischen Energiequelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015091233A1 true WO2015091233A1 (de) 2015-06-25

Family

ID=52146463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/077483 WO2015091233A1 (de) 2013-12-18 2014-12-12 Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer lage eines leistungsmaximums einer elektrischen energiequelle

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102013226489A1 (de)
WO (1) WO2015091233A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090316447A1 (en) * 2008-06-23 2009-12-24 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Power supply having maximum power point tracking function
WO2010079517A1 (en) * 2009-01-07 2010-07-15 Power-One Italy S.P.A. Method and system for extracting electric power from a renewable energy source
DE102010036966A1 (de) 2010-08-12 2012-02-16 Sma Solar Technology Ag Verfahren zum Betreiben eines Photovoltaikgenerators an einem Arbeitspunkt maximaler Leistung
EP2657804A1 (de) * 2012-04-23 2013-10-30 ABB Research Ltd. Verfahren und Anordnung zur Einschätzung von Stromvariationen in photovoltaischen Systemen

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3384806A (en) * 1964-10-16 1968-05-21 Honeywell Inc Power conditioing system
FR2175653B1 (de) * 1972-03-17 1977-04-01 Labo Cent Telecommunicat
US7193872B2 (en) * 2005-01-28 2007-03-20 Kasemsan Siri Solar array inverter with maximum power tracking

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090316447A1 (en) * 2008-06-23 2009-12-24 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Power supply having maximum power point tracking function
WO2010079517A1 (en) * 2009-01-07 2010-07-15 Power-One Italy S.P.A. Method and system for extracting electric power from a renewable energy source
DE102010036966A1 (de) 2010-08-12 2012-02-16 Sma Solar Technology Ag Verfahren zum Betreiben eines Photovoltaikgenerators an einem Arbeitspunkt maximaler Leistung
EP2657804A1 (de) * 2012-04-23 2013-10-30 ABB Research Ltd. Verfahren und Anordnung zur Einschätzung von Stromvariationen in photovoltaischen Systemen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ESRAM T ET AL: "Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques", IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 22, no. 2, 1 June 2007 (2007-06-01), pages 439 - 449, XP011184738, ISSN: 0885-8969, DOI: 10.1109/TEC.2006.874230 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013226489A1 (de) 2015-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3095165B1 (de) Verfahren und regel- und/oder steuereinrichtung zum betrieb einer windenergieanlage und/oder eines windparks sowie windenergieanlage und windpark
EP1995656A1 (de) Verfahren zur Leistungsanpassung
WO2011060820A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur fehlerkompensierten strommessung eines elektrischen akkumulators
DE102005046052B4 (de) Drehwinkelbestimmung eines Elektromotors
DE3212022A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum selbsttaetigen einstellen des optimalen arbeitspunktes einer gleichspannungsquelle
EP2111569A1 (de) Regelverfahren und regelvorrichtung mit mehrkanaliger rückführung
DE112016006265T5 (de) Elektroenergie-umwandlungseinrichtung und elektroenergie-umwandlungssystem
WO2013117305A2 (de) Energiegewinnungssystem mit energiespeicher, verfahren zum betreiben eines energiegewinnungssystems
DE102012015323A1 (de) Maximum Power Point Tracker
DE102014103374A1 (de) System und verfahren zum kalibrieren eines netzteils
EP3097622B1 (de) Windparkregelung mit verbessertem sollwertsprungverhalten
DE102008043799A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur fehlerkompensierten Strommessung eines elektrischen Akkumulators
DE102013224243A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Stellungsangabe eines Läufers einer elektrischen Maschine
WO2009152898A2 (de) Steuer- oder regelverfahren für einen umrichter
DE10360034A1 (de) Verfahren zur Pulsweitenmodulation, Pulsweitenmodulator, Verfahren zur Stromkonvertierung und Stromkonverter
DE3514155A1 (de) Verfahren und einrichtung zur regelung des tastverhaeltnisses wenigstens eines elektrischen signals
EP0150370A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Ermitteln einer netzsynchronen Referenzspannung für einen netzgeführten Stromrichter nach einer Netzstörung
DE102013204600A1 (de) Windkraftanlage mit Frequenzmessung
DE202012012649U1 (de) Vorrichtung zur Messung eines Wechselstroms
DE102019116339B4 (de) Motoransteuervorrichtung
DE102009008255B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Energiebordnetzes
DE102013215247B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Strangströmen in einer Ansteuerungsschaltung
WO2015091233A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer lage eines leistungsmaximums einer elektrischen energiequelle
DE102010006581B4 (de) Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Position eines Rotors eines Elektromotors
DE102014004973A1 (de) Energieerzeugungs-Steuerungssystem, Verfahren und nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium desselben

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14818929

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14818929

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1