WO2019007971A1 - Photovoltaikeinheit, photovoltaiksystem, verfahren zum betrieb einer photovoltaikeinheit sowie verfahren zum betrieb eines photovoltaiksystems - Google Patents

Photovoltaikeinheit, photovoltaiksystem, verfahren zum betrieb einer photovoltaikeinheit sowie verfahren zum betrieb eines photovoltaiksystems Download PDF

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Hans-Jürgen Pfisterer
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    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • Photovoltaic unit photovoltaic system, method for operating a photovoltaic unit and method for operating a photovoltaic system
  • the invention relates to a photovoltaic unit with a photovoltaic module, as well as a photovoltaic system with a plurality of photovoltaic units. Furthermore, the
  • Invention a method for operating a photovoltaic unit or a photovoltaic system of the type mentioned.
  • the radiation energy of the sun should be converted as efficiently as possible by photovoltaic cells into electrical energy.
  • This electrical energy should be stored and / or stored in
  • Shadow level can be combined.
  • the radiation energy of the sun is in electrical
  • photovoltaic cells Energy converted by photovoltaic cells.
  • photovoltaic systems There are currently two different concepts for photovoltaic systems. According to one concept, larger photovoltaic plants (for example plants with a peak power of more than 1 kWp) are currently divided into so-called photovoltaic strings. Thereby a multiplicity (for example between 6 and 14) of
  • Photovoltaic modules are also made in series switched individual photovoltaic cells. Usually, many photovoltaic cells are within one
  • Photovoltaic module connected in series to allow the most efficient use of electrical energy. This results in photovoltaic strings with sometimes more than 100 photovoltaic cells connected in series.
  • a disadvantage of such photovoltaic strings is that the performance of a photovoltaic string due to the series connection of the weakest photovoltaic cell (that is, from the photovoltaic cell with the lowest
  • Energy yield is determined. If one or more photovoltaic cells are now shaded or exposed to very low radiant energy or are e.g. faulty, then the operating point of all connected in series
  • Photovoltaic string are summarized. In other words, all in series photovoltaic cells or photovoltaic modules of a photovoltaic string should be possible
  • Photovoltaic string usually with its own
  • Inverters can be used for just this single photovoltaic module.
  • the cost-benefit ratio of such systems is thus relatively poor.
  • so-called maximum power point trackers (MPP trackers) MPP trackers
  • Photovoltaic cell or a photovoltaic module such as
  • Photovoltaic module the largest possible electrical power can be removed. Such power electronic
  • This object is according to a first aspect by a
  • the photovoltaic unit has a photovoltaic module and a variable boost converter.
  • Up-converter is one of the regulated ones
  • the photovoltaic unit has a control unit for controlling the boost converter.
  • the control unit has an input side for supplying signal values of at least one electrical variable of the photovoltaic unit and an output side for providing at least one control signal for actuating at least one switching means of the controllable up-converter.
  • the control unit is set up to regulate by means of the at least one control signal in addition to a variable switching ratio also a switching frequency and / or a switching dead time of the at least one switching means such that the boost converter is operated resonantly.
  • Resonance mode ie operating the up-converter with a specific (possibly operating point-dependent)
  • Energy yield of the photovoltaic unit is maximum.
  • the photovoltaic unit can be operated in an individual, possibly temporally variable, operating point, whereby the radiation energy can be optimally converted into electrical energy with the highest efficiency.
  • An optimal operating point is by means of regulation despite changing operating conditions
  • Boost converter is always operated resonantly and the
  • Photovoltaic unit is used, compared to
  • the at least one electrical variable of the photovoltaic unit which can be fed to the control unit at its input side, can be, for example, an electrical voltage or an electrical current at the photovoltaic module and / or an output voltage at the output side of the photovoltaic unit.
  • the control unit can, by means of the at least one control signal, a variable switching ratio of the at least one switching means in the up-converter, for
  • Example by a pulse width modulated (PWM) signal specify.
  • the switching frequency the at least one switching means are designed to be variable, so that it is adjustable.
  • a switching dead time of the switching means can be regulated.
  • Switching is delayed until at the switching means, a voltage near zero (ideally zero) is reached. In this way, switching losses in the switching means can be minimized.
  • a controlling intervention of the control unit at least in one of the parameters switching frequency and switching dead time of the at least one switching means of the boost converter in addition to the variable switching ratio allows a regulation of the boost converter in a resonant mode with the above
  • the resonant up-converter is operated, for example, with very high switching frequencies between 100 and 500 kHz. This makes it possible to make the passive components of the power electronics very compact. Thus, the manufacturing cost of the resonant working are
  • the photovoltaic system has a plurality N of
  • Photovoltaic units wherein each photovoltaic unit a Photovoltaic module and a variable boost converter comprises.
  • Each controllable up-converter is for
  • Boost converter in a higher output DC voltage on an output side of the respective boost converter for a controlled removal of a through the respective
  • Photovoltaic module provided electrical power set up.
  • the photovoltaic units are with the
  • each individual photovoltaic module receives its own power electronics (boost converter or boost converter), which is able to adjust the operating point of each photovoltaic module independently of other photovoltaic modules ideal and thus the highest energy yield for each individual
  • this power electronics is not, as usual, designed as an inverter, but as a boost converter or boost converter.
  • Boost converter has a much better efficiency than an inverter. In this way, the
  • Each individual photovoltaic module of the photovoltaic system can thus be operated and regulated in its individual, time-varying operating point, whereby the radiation energy of the sun can be optimally converted into electrical energy with the highest efficiency.
  • Photovoltaic units convert the DC voltage of a respective photovoltaic module to a higher voltage level at a respective output side of the corresponding photovoltaic module
  • each photovoltaic module individually contributes to power delivery without the photovoltaic system being reduced to the performance of the weakest photovoltaic module or a weakest photovoltaic string having the lowest energy yield. Rather, the overall efficiency of the photovoltaic system is increased because the summed energy yield of all photovoltaic modules, despite possibly different radiation intensities or degrees of shadow due to the
  • Photovoltaic system takes into account. As explained, can also by the respective up-converter of the
  • Photovoltaic module individually adjusted and readjusted, which further increases the overall efficiency of the photovoltaic system.
  • the respective boost converter can be integrated directly into the respective photovoltaic module and with this one
  • Photovoltaic units can then be directly parallel with the respective output sides via two (or more) conductors
  • the photovoltaic system comprises at least one inverter, wherein the at least one inverter having an input side parallel to the
  • Photovoltaic units is interconnected to convert one
  • the at least one inverter is advantageous for a summed current consumption from a
  • Photovoltaic system does not require every photovoltaic unit its own inverter. Conventionally partial
  • Photovoltaic units are connected and are each designed for a summed current consumption of a plurality M, with M greater than 1, of photovoltaic units.
  • Inverters statistically more often in one for their own Efficiency favorable range, even if the respective energy yields of the photovoltaic units, for example, fluctuate due to a different radiant energy or a different degree of shading of the respective photovoltaic modules. This minimizes conversion losses and significantly increases the yield of the photovoltaic system.
  • one or more of the photovoltaic units are designed according to the above-mentioned type.
  • a respective control unit is arranged in the respective photovoltaic units, which, according to the manner explained above, controls the at least one switching means of the respective boost converter in such a way that the boost converter is operated resonantly.
  • all the photovoltaic units of the photovoltaic system are designed in this way.
  • the above object is according to a third aspect by a method for operating a photovoltaic device according to
  • the method is implemented to operate a
  • Control unit signal values of at least one electrical Size of the photovoltaic unit are supplied and the control unit provides at least one control signal for driving the at least one switching means of the variable boost converter.
  • the control unit regulates by means of at least one control signal in addition to a
  • Photovoltaic unit can be significantly increased in this way the efficiency over conventional solutions.
  • the above object is according to a fourth aspect by a method for operating a photovoltaic system according to
  • the method is implemented for operating a photovoltaic system of the type discussed above, the respective ones
  • the value of the DC output voltage is variably set on an output side of a respective boost converter.
  • the value of the DC output voltage is variably set on an output side of a respective boost converter.
  • Photovoltaic module (the photovoltaic module with the highest DC voltage generated) set.
  • the respective up-converters of the photovoltaic system may be so in various implementations of the method
  • Boost converter limited and the risk of damage to downstream components, other components in the parallel connection of the photovoltaic system or a
  • DC output voltage of the respective boost converter can be variably adjusted to a modular extended
  • Photovoltaic system or an alternating direction of the provided by the photovoltaic units electrical Flexible handling of power for feeding into an AC grid.
  • one or more, or advantageously all, of the photovoltaic units are operated in accordance with a method of operating a photovoltaic device of the type discussed above, that is, a resonant up-converter of the photovoltaic device. Due to a resonant operation of one or more or all of the upconverters of the photovoltaic units in
  • Photovoltaic system the overall conversion efficiency of the photovoltaic system during operation, as explained above, be increased again.
  • Photovoltaic units or photovoltaic systems of the type described above can be applied. Conversely, the photovoltaic units or
  • Photovoltaic units and photovoltaic systems be executed. Further advantageous aspects are in the associated
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a control of a
  • Figure 3 is a schematic representation of a part of a
  • Figure 1 shows a schematic representation of a
  • Photovoltaic unit 1 with a photovoltaic module 2 and an up-converter 3.
  • the photovoltaic module 2 may have a plurality of serially interconnected photovoltaic cells, the radiation energy of the sun convert into electrical energy and thus an electrical power at the photovoltaic module. 2
  • Photovoltaic module 2 are located at input terminals of
  • the up-converter 3 comprises a coil or
  • the switching means 7 may be a semiconductor switch (for example, MOSFET) according to the embodiment in Figure 1.
  • the switching means 7 may have an internal (parasitic) capacitance which, together with the
  • Inductance 4 is an LC resonant behavior of the
  • Up converter 3 determined.
  • a capacitance 7 ⁇ connected in parallel with the switching means 7 can be set up, by means of which influences a specific capacitive behavior of the up-converter 3 and specifies the LC-resonant behavior.
  • the boost converter 3 is set up, the DC voltage U_in of the photovoltaic module 2 at its input side
  • PWM pulse width controlled signal
  • Photovoltaic module 2 are temporarily stored in the inductance 4 and are loaded accordingly via the diode 5 in the capacitor 6, which holds the increased output DC voltage U_out on the output side of the boost converter 3.
  • the boost converter 3 By controlling the switching means 7 via the three parameter switching ratio PWM, switching dead time t_tot and switching frequency f_s, the boost converter 3 is controlled so that it is operated at a characteristic switching frequency, so that it operates resonantly. In this way, the current I_in removed from the photovoltaic module 2 can be adjusted such that the transferred energy has a maximum value at the respective operating point or operating point of the
  • Efficiency in each phase of operation of the photovoltaic module 2 can be optimally adjusted in particular with varying daytime and orientation-dependent varying radiation intensity.
  • Switching means 7 are via a corresponding
  • Control unit (not shown in Figure 1, compare Figure 2) provided.
  • the control unit can generate one or more control signals, wherein the parameters PWM, t_tot and f_s are adjusted in a control-dependent manner.
  • the switching means 7 can have a plurality of switching elements which are controlled via corresponding control signals with the parameters PWM, t_tot and f_s for the controlled operation of the
  • the switching dead-time t_tot describes a period of time
  • the switching dead time t_tot is controlled in such a way that switching of the switching means 7 is delayed in a controlled manner until a voltage close to zero (ideally zero) is reached at the switching means. In this way switching losses can be minimized.
  • FIG. 2 shows a schematized representation of a control for a photovoltaic unit 1 according to FIG. 1.
  • FIG. 2 shows an MPP tracker unit 8 and a control unit 9. The MPP tracker unit 8 receives at one
  • Photovoltaic module 2 (see explanation of Figure 1).
  • the MPP tracker unit 8 calculates a corresponding operating behavior of the electrical quantities
  • the MPP tracker unit 8 can
  • microcontroller for example be constructed in the form of a microcontroller, which provides a corresponding functionality.
  • Settings or information (for example control information) of the MPP tracker unit 8 can be transmitted to the control unit 9 in the form of a control signal 10.
  • the control signal 10 may specify a setpoint of the current I_in.
  • the control unit 9 receives next to her
  • control unit 9 From these electrical variables, the control unit 9 finally calculates the variable parameters PWM, t_tot and f_s for resonance regulation of the
  • an MPP tracker unit 8 can also be dispensed with. In this case, only one control unit 9 is provided, which on its input side, the electrical quantities U_in, I_in and U_out the
  • Photovoltaic unit 1 receives according to Figure 1 and the
  • FIG. 3 shows a schematized representation of a part of a photovoltaic system which has a multiplicity of
  • Photovoltaic units 1 according to FIG.
  • Each photovoltaic unit 1 comprises a photovoltaic module 2 and a resonantly controlled boost converter 3, as have been explained with reference to FIG.
  • the photovoltaic units 1 are connected to the respective output sides of the respective
  • Embodiment according to FIG. 3 two inverters 11 for converting one through the photovoltaic units 1
  • Inverters 11 connected with their respective input sides to the conductors Sl and S2 parallel to the photovoltaic units 1. Corresponding output sides of the inverters 11 are connected to corresponding phases or conductors of an alternating voltage network. Specifically, in Figure 3, the left inverter 11 with the phase L3, the
  • the inverters 11 in FIG. 3 form so-called single-phase inverters.
  • Three-phase inverters can also be used. These can be used, for example, in very large photovoltaic systems
  • an inverter 11 can be used in each case for a plurality M of photovoltaic units 1 and
  • an inverter 11 can be used for every four to eight photovoltaic units 1. It is advantageous to connect the inverters 11 respectively in the middle of the corresponding photovoltaic units 1 to the conductors Sl and S2 to the cross section
  • AC mains corresponds. For example, anyone can
  • Single-phase inverter 11 can be designed according to Figure 3 for a maximum power of 3.6 kVA and can thus be integrated into any domestic installation. In larger photovoltaic systems, where more than three
  • Inverter 11 work, individual inverters 11 can be turned off in partial load operation. This increases the
  • Energy storage device 12 has in the embodiment according to Figure 3, an inverter module 13 on the
  • the energy storage device 12 is via its inverter module 13 with the phase LI, the
  • the inverter module 13 can perform tasks analogous to the other inverters 11. In this way, inverters 11 can be saved.
  • the energy storage device 12 may also have only a battery management without special power electronics. In this
  • the energy storage device 12 can serve as a battery for storing electrical energy from the respective photovoltaic units 1.
  • the energy storage device 12 can serve as a battery for storing electrical energy from the respective photovoltaic units 1.
  • the energy storage device 12 may have a converter module which is connected to one or more phases LI to L3 of the alternating voltage network or parallel to the
  • the energy storage device 12 can be operated bidirectionally, i. once out of the
  • AC mains LI to L3, N, PE are supplied.
  • a supply from the AC mains can be
  • Components e.g. the inverters 11, are provided.
  • the placement of the energy storage device 12 is advantageously carried out according to the same criteria as the placement of the inverter 11.
  • the energy storage device 12 is advantageously designed so that the minimum charge voltage just above the lowest DC output voltage at the Output side of the corresponding boost converter 3 is located. In this way, the energy storage device 12 does not load the photovoltaic units 1 directly at the lowest possible energy yield.
  • the photovoltaic system is advantageously dimensioned such that the maximum
  • the maximum charging current of the energy storage device 12 should be at least such that the sum of all the output-side currents of the
  • Inverter 11 is not undershot. Also in this way to prevent the energy storage device 12 is damaged.
  • the capacity of the energy storage device 12 should be so high that the integral of the output side currents of the boost converter 3 minus the maximum currents of the inverters 11 over a corresponding period of the highest energy yield is achieved, that is, the excess converted energy of the photovoltaic units. 1 that can not be passed through the inverter 11 to the
  • Energy storage device 12 can be cached. As an alternative to the embodiment in FIG. 3, of course, a plurality of energy storage devices 12 of the type described are conceivable.
  • Photovoltaic units 1, as shown in Figure 3, are connected in parallel. A parallel connection of the individual
  • Photovoltaic units 1 has over conventional
  • Photovoltaic system are limited to the lowest energy yield of one or more photovoltaic modules 2. Such a performance penalty is avoided in the system according to FIG. Because due to the parallel connection of
  • Photovoltaic units 1 wear in time varying
  • Photovoltaic units 1 to a total energy yield of the system, because all of the individual
  • Photovoltaic units 1 streams taken to a
  • the photovoltaic system according to FIG. 3 is robust against failure cases of individual photovoltaic units 1
  • a photovoltaic unit 1 the other photovoltaic units 1 can continue to operate. It may be necessary only system parameters such as
  • FIG. 3 shows, in addition to the components explained so far, an operating-control component 14.
  • This may comprise, for example, a higher-level control for controlling the various components of the photovoltaic system according to FIG.
  • an intelligent operation management can be achieved, so that the photovoltaic system according to Figure 3 is flexibly adaptable to different and above all time-varying conditions.
  • a modular operating-control component 14 may comprise, for example, a higher-level control for controlling the various components of the photovoltaic system according to FIG.
  • Expandability of the photovoltaic system by various of the illustrated components can be flexible in this way
  • the photovoltaic system according to FIG. 3 may, for example, be a mixed-orientation photovoltaic system
  • Photovoltaic units 1 be. For example, various photovoltaic units 1 may be oriented to the south, east or west. All photovoltaic units 1 are parallel
  • Photovoltaic units 1 are integrated by the
  • Boost converter 3 optimally controlled. If you combine all orientations you can calculate (for example within an intelligent operations management component 14), which maximum performance is expected. The system can be designed for the combined maximum power. As a result, you get a much higher level of quality over the course of the day
  • This boost converter 3 is operated resonantly and thereby achieves a very high peak efficiency of at least 99% and over a wide operating range only slightly decreasing efficiency, usually about 98 ⁇ 6 im
  • the inverters 11 are then placed centrally in the photovoltaic system so that the cross sections of the conductors can be minimized.
  • modularization that is, assignment of individual inverters 11 to a plurality M of
  • Photovoltaic units 1 it is possible to increase the utilization of the individual inverters 11 and thus a very achieve high overall conversion efficiency.
  • the retrofitting with energy storage devices 12 is possible without problems.
  • the system can thus convert the
  • each individual photovoltaic unit 1 depending on the structural
  • Inverters 11 must always be designed for the peak power, the specific investment costs for the inverter 11 are significantly lower than in conventional solutions. At the same time the inverters 11 are working
  • the photovoltaic system according to Figure 3 can easily with
  • Each photovoltaic unit 1 can be manufactured in very large quantities.
  • I_in direct current of a photovoltaic module

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikeinheit (1) mit einem Photovoltaikmodul (2), einem regelbaren Aufwärtswandler (3) sowie einer Regelungseinheit (9). Die Regelungseinheit (9) regelt den Aufwärtswandler (3) so, dass dieser resonant betrieben wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Photovoltaiksystem mit einer Vielzahl von Photovoltaikeinheiten (1), wobei jede Photovoltaikeinheit (1) ein Photovoltaikmodul (2) und einen regelbaren Aufwärtswandler (3) umfasst. Die Photovoltaikeinheiten (1) sind mit den jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler (3) parallel verschaltet. Entsprechende Betriebsverfahren werden ebenfalls aufgezeigt.

Description

Beschreibung
Photovoltaikeinheit, Photovoltaiksystem, Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit sowie Verfahren zum Betrieb eines Photovoltaiksystems
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikeinheit mit einem Photovoltaikmodul , sowie ein Photovoltaiksystem mit einer Vielzahl von Photovoltaikeinheiten . Ferner betrifft die
Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit beziehungsweise eines Photovoltaiksystems der genannten Art.
Die Strahlungsenergie der Sonne soll möglichst effizient durch Photovoltaikzellen in elektrische Energie gewandelt werden. Diese elektrische Energie soll gespeichert und/oder in
nutzbare elektrische Energie gewandelt werden. Aufgrund eines Preisverfalls bei Photovoltaikmodulen werden mittlerweile auch Anwendungen mit nicht-idealer Ausrichtung kommerziell
interessant. Dabei können Photovoltaikmodule in einer Anlage mit unterschiedlicher Ausrichtung und unterschiedlichem
Verschattungsgrad kombiniert werden.
Mittlerweile gehört es zum Standard, dass private sowie öffentliche Gebäude (zum Beispiel Einfamilien- ,
Mehrfamilienhäuser, öffentliche Gebäude und Industrieanlagen) mit Photovoltaikanlagen ausgestattet werden. Dabei wird zunächst die Strahlungsenergie der Sonne in elektrischer
Energie mittels Photovoltaikzellen gewandelt. Derzeit gibt es zwei unterschiedliche Konzepte für Photovoltaikanlagen. Gemäß einem Konzept werden größere Photovoltaikanlagen (zum Beispiel Anlagen mit einer Peakleistung von größer 1 kWp) derzeit in sogenannte Photovoltaikstrings unterteilt. Dabei wird eine Vielzahl (zum Beispiel zwischen 6 und 14) von
Photovoltaikmodulen in Reihe geschaltet. Die einzelnen
Photovoltaikmodule bestehen ebenfalls aus in Reihe geschalteten einzelnen Photovoltaikzellen. Üblicherweise werden viele Photovoltaikzellen innerhalb eines
Photovoltaikmoduls in Serie geschaltet, um eine möglichst effiziente Nutzung der elektrischen Energie zu ermöglichen. Dadurch entstehen Photovoltaikstrings mit teilweise über 100 in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen.
Ein Nachteil derartiger Photovoltaikstrings besteht darin, dass die Performance eines Photovoltaikstrings aufgrund der Serienschaltung von der schwächsten Photovoltaikzelle (das heißt von der Photovoltaikzelle mit dem niedrigsten
Energieertrag) bestimmt wird. Werden nun eine oder mehrere Photovoltaikzellen verschattet beziehungsweise sehr geringer Strahlungsenergie ausgesetzt oder sind z.B. fehlerhaft, so wird der Arbeitspunkt aller in Reihe geschalteter
Photovoltaikzellen negativ beeinflusst. Werden
Photovoltaikanlagen mit unterschiedlicher Ausrichtung (z.B. Süd, Ost, West) aufgebaut, müssen herkömmlich immer die
Photovoltaikmodule gleicher Ausrichtung in einem
Photovoltaikstring zusammengefasst werden. Anders gesagt sollten alle in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen bzw. Photovoltaikmodule eines Photovoltaikstrings möglichst
gleichmäßig bestrahlt werden, um einer negativen Beeinflussung des Arbeitspunktes möglichst entgegenzuwirken.
Ferner wird bei derartigen Anlagen mit mehreren
Photovoltaikstrings unterschiedlicher Ausrichtung jeder
Photovoltaikstring in der Regel mit einem eigenen
Wechselrichter betrieben. Dadurch werden die Wechselrichter der Anlagen in der Regel nur in einem Teillastbetrieb
betrieben und haben einen schlechten Wandlungswirkungsgrad.
Neben diesem Konzept größerer Photovoltaikanlagen existiert bisher ein weiteres Konzept zur Nutzung der Strahlungsenergie, das bisher bei sehr kleinen Anlagen genutzt wird, die meist nur aus einem Photovoltaikmodul bestehen. Dabei muss ein
Wechselrichter für genau dieses einzelne Photovoltaikmodul eingesetzt werden. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis bei derartigen Anlagen ist somit relativ schlecht. Teilweise werden auch sogenannte Maximum-Power-Point-Tracker (MPP-Tracker)
eingesetzt, welche die elektrische Belastung einer
Photovoltaikzelle oder eines Photovoltaikmoduls derart
anpassen, dass der Photovoltaikzelle beziehungsweise dem
Photovoltaikmodul die größtmögliche elektrische Leistung entnommen werden kann. Derartige leistungselektronische
Schaltungen sind meist teuer und haben dennoch schlechte
Teillastwirkungsgrade. Einzelne Modulwechselrichter haben in der Regel ebenfalls nur einen mäßigen Wirkungsgrad, sind teuer und erfüllen die technischen Anschlussvorschriften meist nicht.
Alle derzeit zur Verfügung stehenden Photovoltaikanlagen können ihre Energie ferner nur zum Zeitpunkt des
Strahlungseinfalls zur Verfügung stellen und sind somit quellenabhängig. Eine Anpassung an den Verbrauch kann derzeit nur durch die Verwendung zusätzlicher Energiespeicher- Vorrichtungen erreicht werden. Durch diese zusätzlichen
Speichersysteme werden die Wandlungsverluste einer
Photovoltaikanlage nochmals deutlich erhöht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme und deren Betriebsverfahren der eingangs genannten Art
aufzuzeigen, die eine Ausrichtung eines Photovoltaikmoduls nach den baulichen Erfordernissen ermöglichen, ohne
Einschränkung aufgrund einer elektrischen Topologie der entsprechenden Anlage, und zudem einen verglichen mit
herkömmlichen Lösungen verbesserten Wirkungsgrad erzielen. Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch eine
Photovoltaikeinheit nach Patentanspruch 1 gelöst.
Die Photovoltaikeinheit weist ein Photovoltaikmodul sowie einen regelbaren Aufwärtswandler auf. Der regelbare
Aufwärtswandler ist zum geregelten Wandeln einer
Gleichspannung des Photovoltaikmoduls an einer Eingangsseite des Aufwärtswandlers in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers für ein geregeltes Entnehmen einer durch das Photovoltaikmodul bereitgestellten elektrischen Leistung eingerichtet.
Ferner weist die Photovoltaikeinheit eine Regelungseinheit zum Regeln des Aufwärtswandlers auf. Die Regelungseinheit weist eine Eingangsseite zum Zuführen von Signalwerten wenigstens einer elektrischen Größe der Photovoltaikeinheit sowie eine Ausgangsseite zum Bereitstellen wenigstens eines Steuersignals zum Ansteuern wenigstens eines Schaltmittels des regelbaren Aufwärtswandlers auf. Die Regelungseinheit ist eingerichtet, vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen Schaltverhältnis auch eine Schaltfrequenz und/oder eine Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels derart zu regeln, dass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird .
Durch Einsatz eines derart resonant schaltenden
Aufwärtswandlers kann der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit über nahezu den kompletten Arbeitsbereich sehr hoch gehalten werden. Durch Regelung des Aufwärtswandlers in einem
Resonanzbetrieb, das heißt Betreiben des Aufwärtswandlers mit einer spezifischen (ggf. betriebspunkt-abhängigen)
Schaltfrequenz bzw. Schalttotzeit (wie unten näher erläutert wird) , wird erreicht, dass die dem Photovoltaikmodul
entnommene Energie einen maximalen Wert annimmt. Durch eine entsprechende Regelung des Aufwärtswandlers stellt dieser somit den Strom des Photovoltaikmoduls derart ein, dass bei einer bestimmten gegebenen Strahlungsintensität der
Energieertrag der Photovoltaikeinheit maximal wird. Auf diese Weise kann die Photovoltaikeinheit in einem individuellen, sich gegebenenfalls zeitlich veränderlichen, Arbeitspunkt betrieben werden, wodurch die Strahlungsenergie optimal mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Ein optimaler Arbeitspunkt wird vermittels der Regelung trotz sich verändernder Betriebsverhältnisse
(tageszeitabhängige Strahlungsintensität bzw. sich ändernder Verschattungsgrad) stetig nachgeregelt, sodass der
Aufwärtswandler stets resonant betrieben wird und den
bestmöglichen Energieertrag des Photovoltaikmoduls
gewährleistet. Auf diese Weise kann auch der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage, in der eine solche
Photovoltaikeinheit eingesetzt wird, im Vergleich zu
herkömmlichen Lösungen erheblich erhöht werden.
Aufwendige MPP-Tracker können bei einer solchen
Photovoltaikeinheit entweder gänzlich entfallen oder um das erläuterte Regelungskonzept erweitert werden, sodass der
Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit oder einer ganzen
Photovoltaikanlage beziehungsweise deren Kosten-Nutzen- Verhältnis verbessert wird.
Die wenigstens eine elektrische Größe der Photovoltaikeinheit, die der Regelungseinheit an deren Eingangsseite zuführbar ist, kann beispielsweise eine elektrische Spannung beziehungsweise ein elektrischer Strom am Photovoltaikmodul und/oder eine Ausgangsspannung an der Ausgangsseite der Photovoltaikeinheit sein. Die Regelungseinheit kann vermittels des wenigstens einen Steuersignals ein veränderliches Schaltverhältnis des wenigstens einen Schaltmittels im Aufwärtswandler, zum
Beispiel durch einen pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal, vorgeben. Zusätzlich kann, wie erläutert, die Schaltfrequenz des wenigstens einen Schaltmittels variabel gestaltet werden, sodass diese regelbar ist. Alternativ oder ergänzend kann eine Schalttotzeit des Schaltmittels geregelt werden. Die
Schalttotzeit beschreibt hierbei eine Zeitspanne einer
Verzögerung des Schaltens des Schaltmittels zwischen den
Schaltzuständen . Durch eine geregelte Schalttotzeit kann ein Schalten des Schaltmittels auf Zeitpunkte abgestimmt werden, in denen am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Das heißt, dass die Schalttotzeit eine geregelte Verzögerung des Schaltens vorgibt, wobei ein
Schalten verzögert wird, bis am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Auf diese Weise können Schaltverluste im Schaltmittel minimiert werden. Ein steuerndes Eingreifen der Regelungseinheit zumindest in einen der Parameter Schaltfrequenz beziehungsweise Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels des Aufwärtswandlers neben dem veränderlichen Schaltverhältnis ermöglicht eine Regelung des Aufwärtswandlers in einem Resonanzbetrieb mit den oben
erläuterten Vorteilen.
Der resonant arbeitende Aufwärtswandler wird beispielsweise mit sehr hohen Schaltfrequenzen zwischen 100 und 500 kHz betrieben. Dadurch ist es möglich, die passiven Bauteile der Leistungselektronik sehr kompakt auszuführen. Somit sind auch die Herstellungskosten des resonant arbeitenden
Aufwärtswandlers deutlich günstiger als die derzeit
verfügbaren Leistungselektroniken, zum Beispiel
Wechselrichter, die für typische Photovoltaikeinheiten
beziehungsweise Photovoltaiksysteme eingesetzt werden.
Die obige Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Photovoltaiksystem nach Patentanspruch 2 gelöst.
Das Photovoltaiksystem weist eine Vielzahl N von
Photovoltaikeinheiten auf, wobei jede Photovoltaikeinheit ein Photovoltaikmodul und einen regelbaren Aufwärtswandler umfasst. Ein jeder regelbarer Aufwärtswandler ist zum
geregelten Wandeln einer Gleichspannung des jeweiligen
Photovoltaikmoduls an einer Eingangsseite des jeweiligen
Aufwärtswandlers in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers für ein geregeltes Entnehmen einer durch das jeweilige
Photovoltaikmodul bereitgestellten elektrischen Leistung eingerichtet. Die Photovoltaikeinheiten sind mit den
jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler parallel verschaltet .
Bei einem derartigen Photovoltaiksystem erhält somit jedes einzelne Photovoltaikmodul eine eigene Leistungselektronik (Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller), die in der Lage ist, den Arbeitspunkt des einzelnen Photovoltaikmoduls unabhängig von anderen Photovoltaikmodulen ideal einzustellen und somit den höchsten Energieertrag für jedes individuelle
Photovoltaikmodul sicherzustellen, das heißt den Strom eines jeweiligen Photovoltaikmoduls derart einzustellen, dass bei gegebener Strahlungsintensität der Energieertrag jeweils maximal wird. Diese Leistungselektronik wird jedoch, nicht wie bisher üblich, als Wechselrichter ausgeführt, sondern als Aufwärtswandler beziehungsweise Hochsetzsteller. Ein
Aufwärtswandler hat einen deutlich besseren Wirkungsgrad als ein Wechselrichter. Auf diese Weise kann der
Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden. Jedes einzelne Photovoltaikmodul des Photovoltaiksystems kann somit in seinem individuellen, sich zeitlich veränderlichen Arbeitspunkt betrieben und geregelt werden, wodurch die Strahlungsenergie der Sonne optimal mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Die jeweiligen Aufwärtswandler der jeweiligen
Photovoltaikeinheiten wandeln die Gleichspannung eines jeweiligen Photovoltaikmoduls auf ein höheres Spannungsniveau an einer jeweiligen Ausgangsseite des entsprechenden
Aufwärtswandlers. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die Photovoltaikeinheiten mit ihren jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler parallel zu verschalten. Es ist somit bei dem Photovoltaiksystem der erläuterten Art nicht mehr
notwendig, Photovoltaikmodule, wie bisher üblich, in Reihe zu verschalten, um eine entsprechend hohe Ausgangsspannung für eine weitere Verarbeitung (zum Beispiel durch einen oder mehrere Wechselrichter) zu erzielen. Somit entfallen auch die Nachteile einer Performanceeinbuße herkömmlicher Systeme aufgrund einer Serienschaltung von Photovoltaikmodulen, wie sie eingangs erläutert worden sind.
Im Gegenteil trägt bei einem Photovoltaiksystem der hier erläuterten Art ein jedes Photovoltaikmodul individuell zur Leistungsbereitstellung bei, ohne dass das Photovoltaiksystem auf die Performance des schwächsten Photovoltaikmoduls beziehungsweise eines schwächsten Photovoltaikstrings mit dem geringsten Energieertrag reduziert wird. Vielmehr wird der Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems erhöht, weil der summierte Energieertrag sämtlicher Photovoltaikmodule trotz gegebenenfalls unterschiedlicher Strahlungsintensitäten beziehungsweise Verschattungsgrade aufgrund der
Parallelschaltung der jeweiligen Photovoltaikmodule im
Photovoltaiksystem Berücksichtigung findet. Wie erläutert, kann zudem durch die jeweiligen Aufwärtswandler der
Photovoltaikeinheiten der Arbeitspunkt eines jeden
Photovoltaikmoduls individuell eingestellt und nachgeregelt werden, was den Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems weiter erhöht. Die jeweiligen Aufwärtswandler können direkt in das jeweilige Photovoltaikmodul integriert sein und mit diesem eine
gemeinsame Einheit bilden. Die so gebildeten
Photovoltaikeinheiten können dann direkt mit den jeweiligen Ausgangseiten über zwei (oder mehr) Leiter parallel
verschaltet werden.
In diversen Ausführungsformen umfasst das Photovoltaiksystem wenigstens einen Wechselrichter, wobei der wenigstens eine Wechselrichter mit einer Eingangsseite parallel zu den
Photovoltaikeinheiten verschaltet ist zum Wandeln einer
Gleichspannung an der Eingangsseite des wenigstens einen
Wechselrichters in eine Wechselspannung an einer Ausgangsseite des Wechselrichters. Der wenigstens eine Wechselrichter ist vorteilhaft für eine summierte Stromaufnahme aus einer
Mehrzahl M, mit M größer 1, von Photovoltaikeinheiten
ausgelegt. Bei einer derartigen Implementierung des
Photovoltaiksystems benötigt nicht jede Photovoltaikeinheit einen eigenen Wechselrichter. Herkömmlich teilweise
eingesetzte Einzelmodulwechselrichter mit mäßigem bis
schlechtem Wirkungsgrad entfallen somit bei dem hier
erläuterten Photovoltaiksystem. Vielmehr werden ein oder mehrere Wechselrichter eingesetzt, die parallel zu den
Photovoltaikeinheiten verschaltet sind und jeweils für eine summierte Stromaufnahme aus einer Mehrzahl M, mit M größer 1, von Photovoltaikeinheiten ausgelegt sind.
Durch eine derartige Modularisierung des Photovoltaiksystems, wobei jeweils ein Wechselrichter für eine summierte
Stromaufnahme aus einer Mehrzahl von zum Wechselrichter parallel geschalteten Photovoltaikeinheiten ausgelegt ist, ist es möglich, die Auslastung eines einzelnen Wechselrichters zu erhöhen und damit einen sehr hohen Gesamtwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Auf diese Weise arbeiten der oder die
Wechselrichter statistisch gesehen öfter in einem für ihren Wirkungsgrad günstigen Bereich, selbst wenn die jeweiligen Energieerträge der Photovoltaikeinheiten zum Beispiel aufgrund einer unterschiedlichen Strahlungsenergie beziehungsweise eines unterschiedlichen Verschattungsgrades der jeweiligen Photovoltaikmodule schwanken. Dadurch werden Wandlungsverluste minimiert und der Ertrag des Photovoltaiksystems deutlich gesteigert .
In diversen Ausführungsformen des Photovoltaiksystems sind eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten gemäß der oben erläuterten Art ausgeführt. Das bedeutet, dass eine jeweilige Regelungseinheit in den jeweiligen Photovoltaikeinheiten eingerichtet ist, die gemäß der oben erläuterten Art das wenigstens eine Schaltmittel des jeweiligen Aufwärtswandlers derart regelt, dass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird. Idealerweise sind sämtliche Photovoltaikeinheiten des Photovoltaiksystems derart ausgeführt. Somit kann der
Wirkungsgrad der einzelnen Photovoltaikeinheiten sowie
letztlich des gesamten Photovoltaiksystems über nahezu den kompletten Arbeitsbereich sehr hoch gehalten werden. Versuche führten zu einem Wirkungsgrad über 99 % im typischen
Arbeitsbereich der Photovoltaikeinheiten und einem
Teillastwirkungsgrad von über 98 %. Dagegen erreichen
handelsübliche Leistungselektroniken in der Regel nur
Wirkungsgrade von maximal 95 % im besten Arbeitspunkt. Ein derartiger Wirkungsgrad herkömmlicher Lösungen fällt bei Teillast sehr schnell unter 90 %.
Die obige Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt durch ein Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit nach
Patentanspruch 7 gelöst.
Das Verfahren ist implementiert zum Betrieb einer
Photovoltaikeinheit der oben erläuterten Art, wobei der
Regelungseinheit Signalwerte wenigstens einer elektrischen Größe der Photovoltaikeinheit zugeführt werden und die Regelungseinheit wenigstens ein Steuersignal zum Ansteuern des wenigstens einen Schaltmittels des regelbaren Aufwärtswandlers bereitstellt. Die Regelungseinheit regelt vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem
veränderlichen Schaltverhältnis auch eine Schaltfrequenz und/oder eine Schalttotzeit des wenigstens einen
Schaltmittels, sodass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird .
Die Implementierung eines solchen Verfahrens hat die Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit der entsprechend
eingerichteten Photovoltaikeinheit beziehungsweise dem
entsprechend eingerichteten Photovoltaiksystem erläutert worden sind. Durch ein solches Betriebsverfahren einer
Photovoltaikeinheit kann auf diese Weise der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden.
Die obige Aufgabe wird gemäß einem vierten Aspekt durch ein Verfahren zum Betrieb eines Photovoltaiksystems nach
Patentanspruch 8 gelöst.
Das Verfahren ist zum Betrieb eines Photovoltaiksystems der oben erläuterten Art implementiert, wobei die jeweiligen
Aufwärtswandler der jeweiligen Photovoltaikeinheiten
unabhängig voneinander die jeweiligen Photovoltaikmodule individuell auf einen jeweils spezifischen Arbeitspunkt einer Leistungsentnahme einstellen. Auch ein derartiges Verfahren hat die Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit einem entsprechenden Photovoltaiksystem erläutert worden sind. Durch ein solches Betriebsverfahren eines Photovoltaiksystems kann der Gesamtwandlungswirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden. In diversen Implementierungen des Verfahrens zum Betrieb eines Photovoltaiksystems wird der Wert der Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite eines jeweiligen Aufwärtswandlers variabel eingestellt. Jedoch wird der Wert der
Ausgangsgleichspannung oberhalb des Wertes der höchsten durch die Photovoltaikmodule erzeugten Gleichspannung eingestellt. Auf diese Weise kann der Betrieb des Photovoltaiksystems bezüglich der erzeugten Ausgangsgleichspannung der jeweiligen Aufwärtswandler variabel gestaltet werden. Dennoch ist es möglich, den maximalen Energieertrag des stärksten
Photovoltaikmoduls (des Photovoltaikmoduls mit der höchsten erzeugten Gleichspannung) einzustellen.
Die jeweiligen Aufwärtswandler des Photovoltaiksystems können in diversen Implementierungen des Verfahrens derart
eingestellt beziehungsweise parametriert werden, dass die Ausgangsspannung der jeweiligen Aufwärtswandler nicht über ein entsprechendes Maximum steigen kann. Auf diese Weise wird die Ausgangsgleichspannung an den Ausgangsseiten der
Aufwärtswandler begrenzt und die Gefahr einer Schädigung nachgeschalteter Komponenten, weiterer Komponenten in der Parallelschaltung des Photovoltaiksystems oder eines
Betriebspersonals unterbunden. Prinzipiell ist die
Ausgangsgleichspannung eines jeweiligen Aufwärtswandlers jedoch vorteilhaft, innerhalb der erläuterten Grenzen, variabel. Auf diese Weise kann die Parallelschaltung
sämtlicher Photovoltaikeinheiten zum Beispiel an die
Eigenschaften parallel verschalteter Wechselrichter oder
Energiespeicher angepasst werden. Ferner ist denkbar, das Photovoltaiksystem auf einfache Weise modular mit weiteren Photovoltaikeinheiten zu ergänzen. Hierbei könnte die
Ausgangsgleichspannung der jeweiligen Aufwärtswandler variabel angepasst werden, um ein modular erweitertes
Photovoltaiksystem beziehungsweise eine Wechselrichtung der durch die Photovoltaikeinheiten bereitgestellten elektrischen Leistung zur Einspeisung in ein Wechselstromnetz flexibel handzuhaben .
In diversen Implementierungen eines Verfahrens zum Betrieb eines Photovoltaiksystems werden eine oder mehrere, oder vorteilhaft sämtliche, der Photovoltaikeinheiten gemäß einem Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit der oben erläuterten Art, das heißt mit einem resonant betriebenen Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheit, betrieben. Aufgrund eines resonanten Betriebes eines oder mehrerer oder sämtlicher Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheiten im
Photovoltaiksystem kann der Gesamtwandlungswirkungsgrad des Photovoltaiksystems während des Betriebes, wie oben erläutert, nochmals erhöht werden.
Sämtliche Aspekte und Ausgestaltungen der Implementierungen der genannten Verfahren finden in strukturellen Merkmalen und Aspekten der oben erläuterten Photovoltaikeinheiten
beziehungsweise Photovoltaiksysteme Niederschlag und
umgekehrt. Das bedeutet, dass sämtliche Implementierungen der Verfahren der oben erläuterten Art auf entsprechende
Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme der oben erläuterten Art angewendet werden können. Umgekehrt können die Photovoltaikeinheiten beziehungsweise
Photovoltaiksysteme gemäß dem oben erläuterten
Betriebsverfahren strukturell gemäß den oben erläuterten
Photovoltaikeinheiten und Photovoltaiksystemen ausgeführt sein . Weitere vorteilhafte Aspekte sind in den zugehörigen
Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme mehrerer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematisierte Darstellung einer
Photovoltaikeinheit ,
Figur 2 eine schematisierte Darstellung einer Regelung einer
Photovoltaikeinheit gemäß Figur 1 und
Figur 3 eine schematisierte Darstellung eines Teils eines
Photovoltaiksystems mit einer Vielzahl von
Photovoltaikeinheiten gemäß Figur 1.
Figur 1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer
Photovoltaikeinheit 1 mit einem Photovoltaikmodul 2 und einem Aufwärtswandler 3. Das Photovoltaikmodul 2 kann eine Vielzahl von seriell verschalteten Photovoltaikzellen aufweisen, die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie wandeln und somit eine elektrische Leistung am Photovoltaikmodul 2
bereitstellen. Auf diese Weise fällt am Photovoltaikmodul 2 eine charakteristische Gleichspannung U_in ab, wobei ein charakteristischer Gleichstrom I_in aus dem Photovoltaikmodul 2 entnehmbar ist. Diese elektrischen Größen des
Photovoltaikmoduls 2 liegen an Eingangsanschlüssen des
Aufwärtswandlers 3 an.
Der Aufwärtswandler 3 umfasst eine Spule beziehungsweise
Induktivität 4, eine Diode 5, eine Speicher-Kapazität 6, sowie ein gesteuertes Schaltmittel 7. Das Schaltmittel 7 kann gemäß der Ausführungsform in Figur 1 ein Halbleiterschalter (zum Beispiel MOSFET) sein. Das Schaltmittel 7 kann eine interne (parasitäre) Kapazität aufweisen, die gemeinsam mit der
Induktivität 4 ein LC-resonantes Verhalten des
Aufwärtswandlers 3 bestimmt. Alternativ oder ergänzend kann eine zum Schaltmittel 7 parallel geschaltete Kapazität 7λ (in Figur 1 gestrichelt dargestellt) eingerichtet sein, vermittels der ein spezielles kapazitives Verhalten des Aufwärtswandlers 3 beeinflusst und das LC-resonante Verhalten vorgegeben wird. Der Aufwärtswandler 3 ist eingerichtet, die Gleichspannung U_in des Photovoltaikmoduls 2 an dessen Eingangsseite
gesteuert in eine höhere Ausgangsgleichspannung U_out an einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers 3 zu wandeln. Durch
gesteuertes Schalten des Schaltmittels 7 mit einem bestimmten Schaltverhältnis zwischen einer Einschaltphase und einer
Ausschaltphase, die gemäß Figur 1 über ein
pulsweitengesteuertes Signal (PWM) gesteuert werden, sowie mit einer gesteuerten Schalttotzeit t_tot und einer gesteuerten Schaltfrequenz f_s kann elektrische Energie aus dem
Photovoltaikmodul 2 in der Induktivität 4 zwischengespeichert werden und entsprechend über die Diode 5 in die Kapazität 6 geladen werden, welche die erhöhte Ausgangsgleichspannung U_out an der Ausgangsseite des Aufwärtswandlers 3 vorhält.
Durch Steuern des Schaltmittels 7 über die drei Parameter Schaltverhältnis PWM, Schalttotzeit t_tot und Schaltfrequenz f_s wird der Aufwärtswandler 3 derart geregelt, dass er mit einer charakteristischen Schaltfrequenz betrieben wird, so dass er resonant arbeitet. Auf diese Weise kann der aus dem Photovoltaikmodul 2 entnommene Strom I_in derart eingestellt werden, dass die transferierte Energie einen Maximalwert im jeweiligen Betriebspunkt beziehungsweise Arbeitspunkt des
Photovoltaikmoduls 2 erreicht. Somit wird der Energieertrag des Photovoltaikmoduls 2 durch die genannte Regelung des
Aufwärtswandlers 3 maximal beziehungsweise bestmöglich.
Insbesondere bei zeitlich variierendem Arbeitspunkt, der unter anderem von der Strahlungsintensität, von der Temperatur am Photovoltaikmodul 2 und vom Typ des Photovoltaikmoduls 2 beziehungsweise der im Photovoltaikmodul 2 eingesetzte
Photovoltaikzellen abhängt, kann auf diese Weise der
Wirkungsgrad in jeder Betriebsphase des Photovoltaikmoduls 2, insbesondere bei tageszeit- und ausrichtungsabhängig variierender Strahlungsintensität optimal eingestellt werden.
Durch den Einsatz des resonant schaltenden Aufwärtswandlers 3 gemäß Figur 1 kann somit der Wirkungsgrad über nahezu den kompletten Arbeitsbereich der Photovoltaikeinheit 1 sehr hoch gehalten werden. Versuche führten zu einem Wirkungsgrad über 99 % im typischen Arbeitsbereich und einem
Teillastwirkungsgrad von über 98 %.
Die Parameter PWM, t_tot und f_s zur Ansteuerung des
Schaltmittels 7 werden über eine entsprechende
Regelungseinheit (in Figur 1 nicht dargestellt, vergleiche hierzu Figur 2) bereitgestellt. Die Regelungseinheit kann hierzu ein oder mehrere Steuersignale erzeugen, wobei die Parameter PWM, t_tot und f_s regelungsabhängig angepasst werden .
Alternativ zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform kann das Schaltmittel 7 mehrere Schaltelemente aufweisen, die über entsprechende Steuersignale mit den Parametern PWM, t_tot und f_s angesteuert werden zum geregelten Betreiben des
Aufwärtswandlers 3 gemäß der erläuterten Art. Die Schalttotzeit t_tot beschreibt eine Zeitspanne einer
Verzögerung des Schaltens des Schaltmittels 7 zwischen den Schaltzuständen . Die Schalttotzeit t_tot wird derart geregelt, dass ein Schalten des Schaltmittels 7 geregelt verzögert wird, bis am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Auf diese Weise können Schaltverluste minimiert werden.
Durch eine Photovoltaikeinheit 1 gemäß Figur 1 kann ein sehr hoher Wirkungsgrad über nahezu den kompletten Arbeitsbereich des Photovoltaikmoduls 2 erzielt werden. Figur 2 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Regelung für eine Photovoltaikeinheit 1 gemäß Figur 1. In Figur 2 sind eine MPP-Tracker-Einheit 8 sowie eine Regelungseinheit 9 gezeigt. Die MPP-Tracker-Einheit 8 erhält an einer
Eingangsseite die elektrischen Größen U_in und I_in des
Photovoltaikmoduls 2 (vergleiche Erläuterungen zu Figur 1). Die MPP-Tracker-Einheit 8 berechnet aus diesen elektrischen Größen ein entsprechendes Betriebsverhalten des
Photovoltaikmoduls 2, sodass das Photovoltaikmodul 2
idealerweise in einem Betrieb mit maximalem Energieertrag betrieben werden kann. Die MPP-Tracker-Einheit 8 kann
beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers aufgebaut sein, der eine entsprechende Funktionalität bereitstellt.
Einstellungen bzw. Informationen (z.B. Steuerinformationen) der MPP-Tracker-Einheit 8 können in Form eines Steuersignals 10 an die Regelungseinheit 9 übergeben werden. Zum Beispiel kann das Steuersignal 10 einen Sollwert des Stroms I_in vorgeben. Die Regelungseinheit 9 erhält daneben an ihrer
Eingangsseite die elektrischen Größen U_in, I_in und U_out der Photovoltaikeinheit 1 (vergleiche hierzu ebenfalls die
Erläuterungen zu Figur 1) . Aus diesen elektrischen Größen berechnet die Regelungseinheit 9 schließlich die variablen Parameter PWM, t_tot und f_s zur Resonanzregelung des
Aufwärtswandlers 3 gemäß Figur 1. Auf diese Weise ist gemäß Figur 2 ein Regelungskonzept implementiert, das Vorzüge eines herkömmlichen MPP-Trackings mit einer hier erläuterten
Resonanzregelung eines Aufwärtswandlers 3 gemäß Figur 1 kombiniert. Auf diese Weise kann für jeden Betriebszustand des Photovoltaikmoduls 2 ein optimaler Arbeitspunkt mit maximalem Energieertrag ermittelt werden, sodass der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit 1 gemäß Figur 1 bestmöglich optimiert wird . Alternativ zur Ausführungsform gemäß Figur 2 kann eine MPP- Tracker-Einheit 8 auch entfallen. In diesem Fall ist lediglich eine Regelungseinheit 9 vorgesehen, die an ihrer Eingangsseite die elektrischen Größen U_in, I_in und U_out der
Photovoltaikeinheit 1 gemäß Figur 1 empfängt und die
entsprechenden Regelungssignale PWM, t_tot und f_s zur
Resonanzregelung des Aufwärtswandlers 3 gemäß Figur 1
bestimmt . Figur 3 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Teils eines Photovoltaiksystems , das eine Vielzahl von
Photovoltaikeinheiten 1 gemäß Figur 1 aufweist. Eine jede Photovoltaikeinheit 1 umfasst ein Photovoltaikmodul 2 sowie einen resonant geregelten Aufwärtswandler 3, wie sie zu Figur 1 erläutert worden sind. Die Photovoltaikeinheiten 1 sind mit den entsprechenden Ausgangsseiten der jeweiligen
Aufwärtswandler 3 über zwei Leiter Sl und S2 parallel
verschaltet. Ferner weist das Photovoltaiksystem in der
Ausführungsform gemäß Figur 3 zwei Wechselrichter 11 auf zum Wandeln einer durch die Photovoltaikeinheiten 1
bereitgestellten Gleichspannung beziehungsweise eines
bereitgestellten Gleichstroms in eine entsprechende
Wechselspannung beziehungsweise einen Wechselstrom zum
Einspeisen in ein Wechselspannungsnetz. Hierzu sind die
Wechselrichter 11 mit ihren jeweiligen Eingangsseiten an den Leitern Sl und S2 parallel zu den Photovoltaikeinheiten 1 verschaltet. Entsprechende Ausgangsseiten der Wechselrichter 11 sind mit entsprechenden Phasen beziehungsweise Leitern eines Wechselspannungsnetzes verschaltet. Konkret ist in Figur 3 der linke Wechselrichter 11 mit der Phase L3, dem
Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE verschaltet, während der rechte Wechselrichter 11 in Figur 3 mit der Phase L2, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE verschaltet ist. Somit bilden die Wechselrichter 11 in Figur 3 sogenannte Einphasen- Wechselrichter. Alternativ zur Ausführungsform in Figur 3 können auch Dreiphasen-Wechselrichter eingesetzt werden. Diese können zum Beispiel in sehr großen Photovoltaikanlagen
Anwendung finden. Gemäß Figur 3 kann jeweils ein Wechselrichter 11 für eine Mehrzahl M von Photovoltaikeinheiten 1 eingesetzt und
dimensioniert werden. Beispielsweise kann ein Wechselrichter 11 für je vier bis acht Photovoltaikeinheiten 1 eingesetzt werden. Dabei ist vorteilhaft, die Wechselrichter 11 jeweils in der Mitte der entsprechenden Photovoltaikeinheiten 1 an die Leiter Sl und S2 anzuschließen, um den Querschnitt
beziehungsweise die Stromtragfähigkeit der beiden Leiter Sl und S2 zu minimieren. Sind viele Photovoltaikeinheiten 1, wie in Figur 3 der Fall, in den Photovoltaiksystem vorhanden, werden mehrere Wechselrichter 11 im Photovoltaiksystem
verteilt, wobei die Wechselrichter 11, wie erläutert, auf verschiedenen Phasen des Wechselstromnetzes angeschlossen werden können. Sinnvollerweise sollte dies derart aufgeteilt werden, dass es der normalen Lastverteilung im lokalen
Wechselstromnetz entspricht. Beispielsweise kann jeder
Einphasen-Wechselrichter 11 gemäß Figur 3 für eine maximale Leistung von 3,6 kVA ausgelegt sein und kann somit in jede Hausinstallation integriert werden. In größeren Photovoltaiksystemen, in denen mehr als drei
Wechselrichter 11 arbeiten, können einzelne Wechselrichter 11 im Teillastbetrieb ausgeschaltet werden. Dies erhöht die
Auslastung der verbliebenen Wechselrichter 11 und somit deren Wirkungsgrad .
Schließlich ist bei dem Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 noch eine Energiespeicher-Vorrichtung 12 vorgesehen, die mit einer Eingangsseite über die beiden Leiter Sl und S2 zu den
sonstigen Komponenten parallel verschaltet ist. Die
Energiespeicher-Vorrichtung 12 weist in der Ausführungsform gemäß Figur 3 ein Wechselrichter-Modul 13 auf zur
Wechselrichtung der in der Energiespeicher-Vorrichtung 12 gespeicherten elektrischen Energie zum Einspeisen in das Wechselspannungsnetz. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 ist über ihr Wechselrichter-Modul 13 mit der Phase LI, dem
Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE ausgangsseitig
verschaltet. Das Wechselrichter-Modul 13 kann Aufgaben analog zu den sonstigen Wechselrichtern 11 übernehmen. Auf diese Weise können Wechselrichter 11 eingespart werden.
In alternativen Ausführungsformen kann die Energiespeicher- Vorrichtung 12 auch lediglich ein Batteriemanagement ohne spezielle Leistungselektronik aufweisen. In dieser
Ausführungsform kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 als Batterie zum Speichern elektrischer Energie aus den jeweiligen Photovoltaikeinheiten 1 dienen. In weiter alternativen
Ausführungsformen kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 anstelle eines Wechselrichter-Moduls 13 ein Umrichter-Modul aufweisen, das mit einer oder mehreren Phasen LI bis L3 des Wechselspannungsnetzes verbunden ist bzw. parallel zum
Gleichspannungsnetz geschaltet ist. Durch ein derartiges Umrichter-Modul kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 bidirektional betrieben werden, d.h. einmal aus dem
Gleichspannungsnetz Sl, S2 und einmal aus dem
Wechselspannungsnetz LI bis L3, N, PE versorgt werden. Durch eine Versorgung aus dem Wechselspannungsnetz kann
beispielsweise elektrische Energie für den Betrieb von
Komponenten, z.B. die Wechselrichter 11, bereitgestellt werden .
Die Platzierung der Energiespeicher-Vorrichtung 12 erfolgt vorteilhaft nach den gleichen Kriterien, wie die Platzierung der Wechselrichter 11. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 ist vorteilhaft so ausgelegt, dass die Mindestladungsspannung knapp über der tiefsten Ausgangsgleichspannung an der Ausgangsseite der entsprechenden Aufwärtswandler 3 liegt. Auf diese Weise belastet die Energiespeicher-Vorrichtung 12 die Photovoltaikeinheiten 1 nicht unmittelbar bei dem niedrigst möglichen Energieertrag. Weiterhin ist das Photovoltaiksystem vorteilhaft derart dimensioniert, dass die maximale
Ausgangsgleichspannung, die die jeweiligen Aufwärtswandler 3 zulassen, unter der Ladeschlussspannung der Energiespeicher- Vorrichtung 12 liegt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Energiespeicher-Vorrichtung 12 durch eine überhöhte
Ausgangsgleichspannung der Aufwärtswandler 3 zerstört wird oder Schaden nimmt. Weiterhin sollte der maximale Ladestrom der Energiespeicher-Vorrichtung 12 mindestens so bemessen sein, dass die Summe aller ausgangsseitigen Ströme der
Aufwärtswandler 3 abzüglich der maximalen Ströme der
Wechselrichter 11 nicht unterschritten wird. Auch auf diese Weise soll verhindert werden, dass die Energiespeicher- Vorrichtung 12 Schaden nimmt.
Zudem sollte die Kapazität der Energiespeicher-Vorrichtung 12 so hoch liegen, dass das Integral der ausgangsseitigen Ströme der Aufwärtswandler 3 abzüglich der maximalen Ströme der Wechselrichter 11 über einen entsprechenden Zeitraum des höchsten Energieertrags erreicht wird, das heißt, dass die überschüssige gewandelte Energie der Photovoltaikeinheiten 1, die nicht durch die Wechselrichter 11 an das
Wechselspannungsnetz abgegeben werden kann, in der
Energiespeicher-Vorrichtung 12 zwischengespeichert werden kann . Alternativ zu Ausführungsform in Figur 3 sind natürlich mehrere Energiespeicher-Vorrichtungen 12 der erläuterten Art denkbar .
Aufgrund der Tatsache, dass die einzelnen Aufwärtswandler 3 eine Gleichspannung U_in der einzelnen Photovoltaikmodule 2 (vergleiche Figur 1) in eine höhere ausgangsseitige Ausgangsgleichspannung wandeln, können die
Photovoltaikeinheiten 1, wie in Figur 3 dargestellt, parallel geschaltet werden. Eine Parallelschaltung der einzelnen
Photovoltaikeinheiten 1 hat gegenüber herkömmliche
Architekturen den Vorteil, dass eine Serienschaltung der einzelnen Photovoltaikmodule 2 entfällt. Auf diese Weise entfallen auch Performanceeinbußen, wie sie bei herkömmlichen Lösungen auftreten, wenn die Performance des
Photovoltaiksystems auf den geringsten Energieertrag eines oder mehrerer Photovoltaikmodule 2 beschränkt werden. Eine derartige Performanceeinbuße ist bei dem System gemäß Figur 3 vermieden. Denn aufgrund der Parallelschaltung der
Photovoltaikeinheiten 1 tragen in zeitlich variierenden
Betriebszuständen beziehungsweise Arbeitspunkten der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 aufgrund einer unterschiedlichen
Strahlungsintensität beziehungsweise Ausrichtung der
Photovoltaikeinheiten 1 dennoch sämtliche
Photovoltaikeinheiten 1 zu einem Gesamtenergieertrag des Systems bei, weil sich sämtliche aus den einzelnen
Photovoltaikeinheiten 1 entnommenen Ströme zu einem
Gesamtstrom aufaddieren. Aufgrund der resonant arbeitenden Aufwärtswandler 3 der jeweiligen Photovoltaikeinheiten 1 wird zudem der jeweilige Wirkungsgrad der einzelnen
Photovoltaikeinheiten 1 weiter erhöht, sodass der
Gesamtwandlungswirkungsgrad des Photovoltaiksystems gemäß Figur 3 gegenüber herkömmlichen Lösungen erhöht wird.
Zudem ist das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 robust gegen Fehlerfälle einzelner Photovoltaikeinheiten 1. Fällt
beispielsweise eine Photovoltaikeinheit 1 aus, so können die anderen Photovoltaikeinheiten 1 weiter betrieben werden. Es müssen ggf. lediglich Systemparameter wie die
Ausgangsgleichspannungen der verbliebenen Photovoltaikeinheiten 1 bzw. Parameter der Wechselrichter 11 oder der Energiespeicher-Vorrichtungen 12 nachjustiert werden.
Die Ausführungsform gemäß Figur 3 zeigt neben den bisher erläuterten Komponenten noch eine Betriebsführungs-Komponente 14. Diese kann beispielsweise eine übergeordnete Regelung zur Ansteuerung der diversen Komponenten des Photovoltaiksystems gemäß Figur 3 umfassen. Auf diese Weise ist eine intelligente Betriebsführung erzielbar, sodass das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 an unterschiedliche und vor allem zeitlich variierende Verhältnisse flexibel anpassbar ist. Auch eine modulare
Erweiterbarkeit des Photovoltaiksystems durch verschiedene der erläuterten Komponenten kann auf diese Weise flexibel
gestaltet werden. Beispielsweise kann über die übergeordnete Betriebsführungs-Komponente 14 eine Anpassung der
Ausgangsgleichspannungen der jeweiligen Aufwärtswandler 3 der Photovoltaikeinheiten 1 oder der Parameter der Wechselrichter 11 bzw. der Energiespeicher-Vorrichtungen 12 je nach
Bestückung und Auslastung des Photovoltaiksystems angepasst werden. Hier sind vielerlei Varianten denkbar.
Das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 kann beispielsweise eine Photovoltaikanlage mit gemischter Ausrichtung der
Photovoltaikeinheiten 1 sein. Beispielsweise können diverse Photovoltaikeinheiten 1 nach Süd, Ost oder West ausgerichtet sein. Sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 sind parallel
verdrahtet. Am Morgen überwiegt die Einspeisung der östlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1, gegen Mittag tragen die östlich, westlich und überwiegend die südlich
ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1 und gegen Abend die westlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1 zum
Energieertrag des Photovoltaiksystems bei. Sämtliche
Photovoltaikeinheiten 1 werden durch die integrierten
Aufwärtswandler 3 optimal ausgesteuert. Kombiniert man nun sämtliche Ausrichtungen kann man berechnen (zum Beispiel innerhalb einer intelligenten Betriebsführungs-Komponente 14), welche maximale Leistung zu erwarten ist. Die Anlage kann auf die kombinierte maximale Leistung ausgelegt werden. Dadurch erhält man über den Tag gesehen eine deutlich höhere
Auslastung der Wechselrichter 11 und somit einen deutlich höheren Energieertrag gegenüber herkömmlichen Systemen, da die Wandlungsverluste bei höherer Auslastung deutlich geringer sind. Ist die maximale Erzeugungsleistung der
Photovoltaikeinheiten 1 größer als der zeitgleiche minimale Verbrauch, können Energiespeicher-Vorrichtungen 12 der
erläuterten Art in das System einfach integriert werden.
Jedoch sollten diese vorteilhaft wegen der hohen
Investitionskosten und der relativ hohen Lade- und
Entladeverlust möglichst nur in extremen Betriebszuständen Verwendung finden.
Wie erläutert, sind bei dem Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 weder direkt in Reihe geschaltet, noch mittels Modulwechselrichter auf
Wechselspannungsseite parallel angeschlossen. Die Verknüpfung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 erfolgt vielmehr
gleichspannungsseitig über eine Parallelschaltung. Der
Arbeitspunkt jedes einzelnen Photovoltaikmoduls 2 wird
individuell mit dem jeweiligen Aufwärtswandler 3 eingestellt. Dieser Aufwärtswandler 3 wird resonant betrieben und erreicht dadurch einen sehr hohen Spitzenwirkungsgrad von mindestens 99 % und einen über einen weiten Arbeitsbereich nur gering abfallenden Wirkungsgrad, üblicherweise über 98 ~6 im
Arbeitsbereich zwischen 20 % und 100 % der Modulleistung. Die Wechselrichter 11 werden dann zentral so im Photovoltaiksystem platziert, dass die Querschnitte der Leiter minimiert werden können. Durch Modularisierung, das heißt Zuordnung einzelner Wechselrichter 11 zu einer Mehrzahl M von
Photovoltaikeinheiten 1, ist es möglich, die Auslastung der einzelnen Wechselrichter 11 zu erhöhen und damit einen sehr hohen Gesamtwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Die Nachrüstung mit Energiespeicher-Vorrichtungen 12 ist ohne Probleme möglich. Das System kann somit den wandelnden
Anforderungen einfach angepasst werden.
Auf diese Weise kann bei einem Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 jede einzelne Photovoltaikeinheit 1 je nach baulichen
Randbedingungen platziert werden. Eine besondere Ausrichtung, die von der elektrischen Topologie abhängig ist, ist nicht mehr nötig. Es treten im Photovoltaiksystem nur noch
Spannungen im Bereich der Schutzgleichspannung auf, sodass das Photovoltaiksystem für Personen sicher ist.
Ferner ist beim Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 mit
kombinierter Ausrichtung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 das Verhältnis von Spitzenleistung zum Mittelwert der Leistung deutlich geringer als bei herkömmlichen Lösungen. Da die
Wechselrichter 11 immer auf die Spitzenleistung ausgelegt werden müssen, sind die spezifischen Investitionskosten für die Wechselrichter 11 deutlich geringer als bei herkömmlichen Lösungen. Gleichzeitig arbeiten die Wechselrichter 11
statistisch gesehen öfter in einem für ihren Wirkungsgrad günstigen Bereich. Auf diese Weise werden Wandlungsverluste minimiert und der Ertrag der Anlage deutlich gesteigert.
Das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 kann einfach mit
Energiespeicher-Vorrichtungen 12 oder sonstigen
Batteriespeichern kombiniert werden. Eine gesonderte
Leistungselektronik für entsprechende Batteriespeicher ist nicht nötig (keine entsprechenden Investitionen, keine
entsprechenden Wandlungsverluste) .
Ferner sind die Kosten für die nötigen Aufwärtswandler 3 sehr gering, da diese gemäß Figur 1 eine der einfachsten
leistungselektronischen Grundschaltungen darstellen und für jede Photovoltaikeinheit 1 in sehr hohen Stückzahlen gefertigt werden können.
Zudem ist das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 eigensicher, da die einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 nur dann in den
gemeinsamen Zwischenkreis (Leiter Sl und S2) speisen, wenn die Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 erhöht wird, da die ausgangsseitige Gleichspannung der Aufwärtswandler 3 immer über der Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 gehalten wird. Die Entkoppelung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 erfolgt durch die jeweiligen Dioden 5 der Aufwärtswandler 3 (siehe Figur 1). Das Photovoltaiksystem kann jederzeit
erweitert werden. Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich
beispielhaft .
Bezugs zeichenliste
1 Photovoltaikeinheit
2 Photovoltaikmodul
3 Aufwärtswandler
4 Spule/Induktivität
5 Diode
6 Kapazität
7 gesteuertes Schaltmittel
8 MPP-Tracker-Einheit
9 Regelungseinheit
10 Steuersignal der MPP-Tracker-Einheit
11 Wechselrichter
12 Energiespeicher-Vorrichtung
13 Wechselrichter-Modul
14 Betriebsführungs-Komponente
U_in Gleichspannung eines Photovoltaikmoduls
I_in Gleichstrom eines Photovoltaikmoduls
U_out Ausgangsgleichspannung einer Photovoltaikeinheit PWM Pulsweitensignal
f_s Schaltfrequenz
t_tot Schalttotzeit
51 Gleichspannungsleitung
52 Gleichspannungsleitung
LI Phase
L2 Phase
L3 Phase
N Neutralleiter
PE Schutzleiter

Claims

Patentansprüche
1. Photovoltaikeinheit (1), aufweisend:
- ein Photovoltaikmodul (2),
- einen regelbaren Aufwärtswandler (3) zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des Photovoltaikmoduls (2) an einer
Eingangsseite des Aufwärtswandlers (3) in eine höhere
Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des
Aufwärtswandlers (3) für ein geregeltes Entnehmen einer durch das Photovoltaikmodul (2) bereitgestellten elektrischen
Leistung,
sowie
- eine Regelungseinheit (9) zum Regeln des Aufwärtswandlers (3), wobei die Regelungseinheit (9) eine Eingangsseite zum Zuführen von Signalwerten wenigstens einer elektrischen Größe (U_in, I_in, U_out) der Photovoltaikeinheit (1) sowie eine Ausgangsseite zum Bereitstellen wenigstens eines Steuersignals zum Ansteuern wenigstens eines Schaltmittels (7) des
regelbaren Aufwärtswandlers (3) aufweist,
wobei die Regelungseinheit (9) eingerichtet ist, vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem
veränderlichen Schaltverhältnis (PWM) auch eine Schaltfrequenz (f_s) und/oder eine Schalttotzeit (t_tot) des wenigstens einen Schaltmittels (7) derart zu regeln, dass der Aufwärtswandler (3) resonant betrieben wird.
2. Photovoltaiksystem mit einer Vielzahl N von
Photovoltaikeinheiten (1), wobei jede Photovoltaikeinheit (1) ein Photovoltaikmodul (2) und einen regelbaren Aufwärtswandler (3) umfasst, zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des jeweiligen Photovoltaikmoduls (2) an einer Eingangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers (3) in eine höhere
Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers (3) für ein geregeltes Entnehmen einer durch das jeweilige Photovoltaikmodul (2) bereitgestellten elektrischen Leistung,
wobei die Photovoltaikeinheiten (1) mit den jeweiligen
Ausgangsseiten der Aufwärtswandler (3) parallel verschaltet sind.
3. Photovoltaiksystem nach Anspruch 2, mit wenigstens einem Wechselrichter (11), wobei der wenigstens eine Wechselrichter (11) mit einer Eingangsseite parallel zu den
Photovoltaikeinheiten (1) verschaltet ist zum Wandeln einer Gleichspannung an der Eingangsseite des wenigstens einen
Wechselrichters (11) in eine Wechselspannung an einer
Ausgangsseite des Wechselrichters (11), und wobei der
wenigstens eine Wechselrichter (11) für eine summierte
Stromaufnahme aus einer Mehrzahl M, mit M größer 1, von
Photovoltaikeinheiten (1) ausgelegt ist.
4. Photovoltaiksystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten (1) gemäß Anspruch 1 ausgeführt sind.
5. Photovoltaiksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit wenigstens einer Energiespeicher-Vorrichtung (12) zum
Speichern von durch die Photovoltaikeinheiten (1)
bereitgestellter elektrischer Energie, wobei die wenigstens eine Energiespeicher-Vorrichtung (12) mit einer Eingangsseite parallel zu den Photovoltaikeinheiten (1) verschaltet ist.
6. Photovoltaiksystem nach Anspruch 5, wobei die
Energiespeicher-Vorrichtung (12) ein Umrichter-Modul aufweist zum Speichern elektrischer Energie aus einer Wechselspannung in die Energiespeicher-Vorrichtung (12) oder zum Wandeln einer in der Energiespeicher-Vorrichtung (12) gespeicherten
Gleichspannung in eine Wechselspannung an einer Ausgangsseite der Energiespeicher-Vorrichtung (12).
7. Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit (1) nach Anspruch 1, wobei der Regelungseinheit (9) Signalwerte
wenigstens einer elektrischen Größe (U_in, I_in, U_out) der Photovoltaikeinheit (1) zugeführt werden und die
Regelungseinheit (9) wenigstens ein Steuersignal zum Ansteuern des wenigstens einen Schaltmittels (7) des regelbaren
Aufwärtswandlers (3) bereitstellt,
wobei die Regelungseinheit (9) vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen
Schaltverhältnis (PWM) auch eine Schaltfrequenz (f_s) und/oder eine Schalttotzeit (t_tot) des wenigstens einen Schaltmittels (7) regelt, so dass der Aufwärtswandler (3) resonant betrieben wird .
8. Verfahren zum Betrieb eines Photovoltaiksystems nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die jeweiligen
Aufwärtswandler (3) der jeweiligen Photovoltaikeinheiten (1) unabhängig voneinander die jeweiligen Photovoltaikmodule (2) individuell auf einen jeweils spezifischen Arbeitspunkt einer Leistungsentnahme einstellen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Wert der
Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite eines jeweiligen Aufwärtswandlers (3) variabel eingestellt wird, jedoch
oberhalb des Wertes der höchsten durch die Photovoltaikmodule (2) erzeugten Gleichspannung eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten (1) gemäß einem Verfahren nach Anspruch 7 betrieben werden.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115021283A (zh) * 2022-07-06 2022-09-06 西安交通大学 一种无储能光伏电压型控制方法及系统

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020205078A1 (de) 2020-04-22 2021-10-28 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Wandlervorrichtung für eine Leistungselektronik, elektrisches System mit einer Wandlervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Wandlervorrichtung
DE102020126263A1 (de) 2020-10-07 2022-04-07 Hochschule Osnabrück Photovoltaikeinrichtung und Computerprogramm hierzu

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10136147A1 (de) * 2001-07-25 2003-02-20 Hendrik Kolm Photovoltaischer Wechselstromerzeuger
US20140204613A1 (en) * 2011-09-20 2014-07-24 Sma Solar Technology Ag Providing control power with a photovoltaic system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2001278046A1 (en) * 2000-07-28 2002-02-13 International Power Systems, Inc. Dc to dc converter and power management system
CN102570804B (zh) * 2010-12-28 2015-02-25 台达电子工业股份有限公司 直流电源转换模组、其控制方法、连接器及能量采集系统
DE102014002592A1 (de) * 2014-02-24 2015-08-27 Karlsruher Institut für Technologie Schaltungsanordnungen und Verfahren zum Abgreifen elektrischer Leistung von mehreren Modulsträngen
CN106788215A (zh) * 2016-12-30 2017-05-31 株洲中车时代电气股份有限公司 用于光伏集散电源的软开关直流/直流升压变换器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10136147A1 (de) * 2001-07-25 2003-02-20 Hendrik Kolm Photovoltaischer Wechselstromerzeuger
US20140204613A1 (en) * 2011-09-20 2014-07-24 Sma Solar Technology Ag Providing control power with a photovoltaic system

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PENG SHUAI ET AL: "A non-insulated resonant boost converter", APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION (APEC), 2010 TWENTY-FIFTH ANNUAL IEEE, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 21 February 2010 (2010-02-21), pages 550 - 556, XP031649818, ISBN: 978-1-4244-4782-4 *
ROBERT W. ERICKSON ET AL: "Fundamentals of Power Electronics, Second Edition, Chapter 20", FUNDAMENTALS OF POWER ELECTRONICS, 1 January 2001 (2001-01-01), Norwell, Mass [u.a.], pages 761 - 802, XP055510653, ISBN: 978-0-7923-7270-7, Retrieved from the Internet <URL:https://eleccompengineering.files.wordpress.com/2015/01/fundamentals-of-power-electronics_2nd_erickson_full.pdf> [retrieved on 20180927] *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115021283A (zh) * 2022-07-06 2022-09-06 西安交通大学 一种无储能光伏电压型控制方法及系统
CN115021283B (zh) * 2022-07-06 2024-05-03 西安交通大学 一种无储能光伏电压型控制方法及系统

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