DE10222621A1

DE10222621A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Steuer- und Regelung von Photovoltaikanlagen

Info

Publication number: DE10222621A1
Application number: DE10222621A
Authority: DE
Inventors: Josef Steger; Ruediger Roehrig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2003-11-27
Also published as: US20050172995A1; AU2003232634A1; EP1552563A2; DE10393094D2; WO2003098703A3; JP2005528071A; JP4092334B2; WO2003098703A2; US7709727B2

Abstract

Bei bekannten Photovoltaikanlagen führt die serielle oder parallele Verschaltung einer Vielzahl von Solargeneratoren zu Leistungsverlusten, welche darin begründet liegen, dass nicht alle Solargeneratoren in ihrem MPP betrieben werden. Das neue Verfahren verringert die Leistungsverluste in der Verschaltung von Solargeneratoren und erhöht die Sicherheit, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Wartbarkeit von Photovoltaikanlagen. DOLLAR A Jeder Solargenerator verfügt über einen variablen Strom-Bypass, welcher derart geregelt wird, dass der Strom einer Serie von Generatoren gerade so groß ist, wie der niedrigste MPP-Strom aller einzelnen Generatoren dieser Serie. Der Differenzstrom zwischen diesem Strom und dem jeweiligen aktuellen Generator-MPP-Strom wird über einen, an jedem Generator befindlichen Strom-Bypass geleitet und dem Gesamtsystem wieder in geeigneter Weise zur Verfügung gestellt. Die Schaltungsanordnung beinhaltet für jeden Generator eine eigene Steuer- und Regeleinheit (GCU), welche über eine Kommunikationsschnittstelle mit allen anderen GCUs verbunden ist. DOLLAR A Das Verfahren und die Schaltungsanordnung kann für alle Arten von Photovoltaikanlagen verwendet werden, welche über eine Vielzahl seriell oder parallel verschalteter Solargeneratoren verfügt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Steuer- und Regelung von Photovoltaikanlagen, welche eine Vielzahl seriell oder parallel verschalteter Solargeneratoren umfassen.
Es ist allgemein bekannt, dass aus photovoltaischen Solargeneratoren die maximale Leistung nur entnommen werden kann, wenn der Generator in einem bestimmten Arbeitspunkt, dem Maximum Power Point - nachfolgend als MPP bezeichnet - betrieben wird. Der MPP hängt bei jedem Generator sowohl von den jeweiligen äußeren Betriebsbedingungen, insbesondere der aktuellen Bestrahlungsstärke und der Temperatur als auch vom Zustand des Generators selbst, insbesondere bedingt durch Fertigungstoleranzen, Alter, Defekte, Verunreinigungen o. ä. ab. Damit weist jeder Generator zu einem bestimmten Zeitpunkt t seinen spezifischen MPP-Strom I_MPP bzw. seine spezifische MPP-Spannung U_MPP auf.
Es ist des Weiteren allgemein bekannt, dass bei Photovoltaikanlagen zum Erreichen bestimmter Ausgangsspannungen Solargeneratoren zu so genannten Strings seriell verschaltet werden. Je nach gewünschter Ausgangsleistung wird eine entsprechende Anzahl von Strings parallel geschaltet. Die serielle Verschaltung bedingt, dass der Strom durch alle Solargeneratoren eines Strings gleich groß ist. Unterschiede in den MPP-Strömen der einzelnen Solargeneratoren eines Strings führen damit zwangsläufig dazu, dass nicht jeder Solargenerator in seinem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden kann und Leistungsverluste die Folge sind.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Leistungsverluste in der Serienschaltung von Solargeneratoren zu verringern.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Dies geschieht im Wesentlichen dadurch, dass jeder Generator eines Strings über einen variablen Strom-Bypass verfügt, welcher derart geregelt wird, dass der Strom im String gerade so groß ist, wie der niedrigste MPP-Strom aller einzelnen Generatoren des Strings. Der Differenzstrom zwischen dem aktuellen String-Strom und dem jeweiligen aktuellen Generator MPP-Strom wird über den Strom-Bypass geleitet. Der Summenstrom durch den Generator entspricht damit zu jedem Zeitpunkt genau seinem MPP-Strom, wodurch der optimale Betrieb des Generators gewährleistet ist. Die für jeden Generator unterschiedliche Regelgröße für den Strom-Bypass wird aus dem Vergleich des eigenen MPP mit dem MPP der anderen Generatoren eines Strings ermittelt. Dieser Vergleich kann sowohl in einer Generator- als auch in einer String-Steuer- und Regeleinheit stattfinden, welche über einen Datenbus mit den Steuer- und Regeleinheiten der einzelnen Generatoren kommuniziert. Die Ermittlung des jeweiligen MPP der einzelnen Generatoren kann durch die Kennlinienmessung der Generatoren nach bewährten Verfahren (elektronisch oder kapazitiv veränderliche Belastung) einfach durchgeführt werden. Der über den Bypass am String-Strom vorbeigeleitete Strom wird dem System wieder in geeigneter Weise zur Verfügung gestellt, z. B. über einen Wechselrichter zur Einspeisung der Energie in das Netz. Die Möglichkeit der Zustandsüberwachung der einzelnen Solargeneratoren wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Datenkommunikation der Generatorsteuer- und Regeleinheiten untereinander bzw. mit der String-Steuer- und Regeleinheit automatisch ermöglicht. Werden mehrere Strings parallel geschaltet, kann eine weitere Steuer- und Regeleinheit die Datenkommunikation der gesamten Photovoltaikanlage protokollieren und auswerten und so als Leitstelle für die Überwachung aller Anlagenkomponenten fungieren.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt gegenüber den bisherigen Verfahren zur Steuer- und Regelung von Photovoltaikanlagen in einer höheren Leistungsausbeute, die durch den gleichzeitigen und kontinuierlichen Betrieb aller Generatoren in ihrem jeweiligen MPP erreicht wird. Darüber hinaus wird durch die zeitnahe Erfassung der Betriebszustände aller Generatoren die Sicherheit, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Wartbarkeit von Photovoltaikanlagen verbessert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand je eines Ausführungsbeispiels für das Verfahren und die Schaltungsanordnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Strom-Spannungs-Kennlinien dreier beliebiger Solargeneratoren;
Fig. 2 das Verfahren zur Steuer und Regelung einer Photovoltaikanlage mit variablem Strom-Bypass;
Fig. 3 die Schaltungsanordnung zur Steuer und Regelung einer Photovoltaikanlage mit variablem Strom-Bypass in einer vorteilhaften Ausgestaltung.
Fig. 1 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie dreier willkürlicher Generatoren G1, G2 und G3 zu einem bestimmten Zeitpunkt t. In diesem Beispiel hat jeder Generator seinen spezifischen MPP mit den dazugehörigen Strom- und Spannungswerten (I_MPP1, I_MPP2, I_MPP3 bzw. U_MPP1, U_MPP2, U_MPP3), wobei I_MPP1 kleiner als I_MPP2 und kleiner als I_MPP3 ist. Werden diese drei Generatoren in Serie zu einem String verschaltet und belastet, fließt ein gleichgroßer String-Strom durch alle drei Generatoren, so dass mindestens zwei Generatoren nicht in ihrem MPP betrieben werden können. In dem erfindungsgemäßen Verfahren (s. Fig. 2), wird der String derart belastet, dass der String-Strom genau so groß ist wie I_MPP1. Von den Generatoren G2 und G3 werden Bypass-Ströme abgezweigt, deren Größe zu diesem Zeitpunkt t jeweils die Differenz I_BypassG2 = I_{MPP G2} - I_{MPP G1} bzw. I_BypassG3 = I_{MPP G3} - I_{MPP G1} beträgt.
Fig. 2 zeigt das Verfahren der Bypass Steuer- und Regelung und wird auf Basis der beispielhaften Strom-Spannungskennlinien aus Fig. 1. erläutert. Nach jedem Generator wird ein Bypass vom String abgezweigt (Bypass G1 bis G3). Jeder Bypass verfügt über eine eigene Steuer- und Regeleinheit (Generator Control Unit: GCU 1 bis 3). Zu einem bestimmten Zeitpunkt t ermitteln die einzelnen GCUs eines Strings die I-U-Kennlinie und damit den aktuellen MPP ihres jeweiligen Generators nach bekanntem Verfahren. Durch Kommunikation und Vergleich der aktuellen MPP-Ströme I_{MPP G1} bis I_{MPP G3} wird der niedrigste MPP-Strom ermittelt. In der Folge berechnen die einzelnen GCUs die Düferenz aus ihrem jeweiligen aktuellen MPP-Strom (I_{MPP G1} bis I_{MPP G3}) und dem niedrigsten aktuellen MPP-Strom aller Generatoren des Strings (im Beispiel I_{MPP G1}) und belasten den entsprechenden Bypass derart, dass genau der berechnete Differenzstrom in schaltungstechnisch üblicher Weise abgezweigt wird (I_BypassG1 bis I_BypassG3). Das Energieäquivalent dieser Last wird dem System in geeigneter Weise (z. B. DC/AC-Wandlung) zur Verfügung gestellt.
Gleichzeitig fließt im String genau der zu diesem Zeitpunkt niedrigste MPP-Strom aller Generatoren des Strings. Der Summenstrom durch jeden einzelnen Generator entspricht demnach genau seinem jeweiligen MPP-Strom und die maximale Energieausbeute ist gewährleistet. Mit Abschluss dieses Prozesses beginnt das Verfahren von vorne.
Fig. 3 zeigt die Schaltungsanordnung zur Steuer und Regelung einer Photovoltaikanlage mit variablem Strom-Bypass in einer vorteilhaften Ausgestaltung. Zu jedem Solargenerator G eines Strings wird eine Generator-Steuer- und Regeleinheit GCU parallel geschaltet. Jede GCU verfügt über eine Kommunikationsschnittstelle und einen Gleichspannungsausgang für den Bypass-Strom. Die einzelnen GCUs sind über einen Datenbus untereinander verbunden. Bei größeren Photovoltaikanlagen (> 2 kWp) ist die Anbindung an eine String- Steuer- und Regeleinheit SCU aus Kostengründen sinnvoll, um dort den redundanten Rechenaufwand zur Ermittlung des aktuell niedrigsten MPP-Stroms nur einmal zu leisten, bei gleichzeitig schaltungstechnischer Vereinfachung der GCUs. Die Bypass-Seiten der einzelnen GCUs sind miteinander parallel verschaltet. Über einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler zur spannungsangepassten Energierückführung kann der Bypass wieder mit dem String an dessen Energieübergabepunkt E verbunden werden. Abhängig von der Art der Photovoltaikanlage kann der Energieübergabepunkt durch eine Last, einen Wandler oder einen Speicher charakterisiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuer- und Regelung von Photovoltaikanlagen, welche eine Vielzahl seriell oder parallel verschalteter Solargeneratoren umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Generator über einen variablen Strom-Bypass verfügt, welcher derart gesteuert ist, dass jeder Generator kontinuierlich in seinem jeweils aktuellem, spezifischen MPP betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator einer Vielzahl seriell verschalteter Generatoren, welcher jeweils den aktuell niedrigsten MPP- Strom in der Serie hat, die Steuergröße für den Bypass-Strom der anderen Generatoren der Serie bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Ströme zusammengefasst und in Abhängigkeit vom verwendeten Solargenerator anlagenspezifisch umgeformt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die aktuellen Betriebsparameter der Generatoren kontinuierlich und generatorspezifisch erfasst, bewertet, aufbereitet und kommuniziert werden.

5. Schaltungsanordnung zur Steuer- und Regelung von Photovoltaikanlagen, welche eine Vielzahl seriell oder parallel verschalteter Solargeneratoren umfassen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die für jeden Solargenerator eine eigene Steuer- und Regeleinheit umfasst.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Steuer- und Regeleinheiten über eine Kommunikationseinrichtung miteinander verbunden sind.