NL1020893C2

NL1020893C2 - Maximumvermogensvolgerschakeling.

Info

Publication number: NL1020893C2
Application number: NL1020893A
Authority: NL
Inventors: Arie Taeke Veltman
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 2001-07-29
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2003-01-30
Also published as: WO2003012569A1

Description

«

MAXIMUMVERMOGENSVOLGERSCHAKELING

De uitvinding heeft betrekking op een maximumvermogensvolgerschakeling, voorzien van geheugenmiddelen voor het opslaan van informatie over het bij een bepaald in een energiebron inkomend vermogen door die 5 energiebron geleverde vermogen in afhankelijkheid van naar keuze de uitgangsspanning of de uitgangsstroom van die energiebron, en van processormiddelen voor het uit die informatie bepalen van het maximaal door die energiebron leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning 10 respectievelijk uitgangsstroom.

Een dergelijke maximumvermogensvolgerschakeling, doorgaans aangeduid met de korte benaming MPP-tracker, is een op zich bekende schakeling, die wordt toegepast om het vermogen dat wordt geleverd door een energiebron met 15 variërend vermogen te maximaliseren. Voorbeelden van een dergelijke energiebron zijn fotovoltalsche systemen en windturbines.

De bekende MPP-tracker "zoekt" in de vermogenskarakteristiek van een energiebron het maximale 20 vermogen en zendt deze informatie naar een regelschakeling, die een zodanige spanning over de uitgang van de energiebron aanlegt (of een zodanige stroom aan de energiebron onttrekt) dat deze bij toenemend vermogen een grotere uitgangsstroom levert (respectievelijk een hogere uitgangsspanning vertoont) 25 en bij afnemend vermogen een kleinere uitgangsstroom levert (respectievelijk een lagere uitgangsspanning vertoont). De vermogenskarakteristiek is in het voorgaande gedefinieerd als het verloop van het door de energiebron geleverde vermogen als functie van de uitgangsspanning respectievelijk de 30 uitgangsstroom van die energiebron.

In de bekende MPP-tracker wordt voor het bepalen van het vermogen dat bij een gegeven in de bron inkomend vermogen, bijvoorbeeld invallend zonlicht of ingevangen windenergie, maximaal kan worden afgenomen, een zoekalgoritme voor een Π p n 3 Λ ; - 2 zogeheten extreemwaarderegeling toegepast. Bij een extreemwaarderegeling wordt de uitgangsspanning respectievelijk de uitgangsstroom van de energiebron stapsgewijze gewijzigd (verhoogd of verlaagd), en wordt het 5 geleverde vermogen vergeleken met het vóór de verandering geleverde vermogen. Indien het laatst gemeten vermogen groter is dan het daarvoor gemeten vermogen wordt de uitgangsspanning respectievelijk de uitgangsstroom stapsgewijze gewijzigd in dezelfde richting (d.w.z. verhoogd 10 respectievelijk verlaagd). Indien het laatst gemeten vermogen kleiner is dan het daarvoor gemeten vermogen wordt de uitgangsspanning respectievelijk de uitgangsstroom stapsgewijze gewijzigd in tegengestelde richting (d.w.z. verlaagd respectievelijk verhoogd).

,15 Het is een bezwaar van de bekende MPP-tracker dat deze bij toepassing van het hierboven beschreven zoekalgoritme betrekkelijk langzaam reageert op acute veranderingen in het in de energiebron inkomend vermogen. Dergelijke acute veranderingen treden bij een fotovoltaïsch systeem 20 bijvoorbeeld op bij plotseling optredende of wegtrekkende bewolking, en kunnen bij windturbines optreden in geval van lokale variaties in windkracht. Een langzame reactie van het stapsgewijze zoekalgoritme resulteert in een relatief lange periode waarin de energiebron niet zijn optimale vermogen 25 levert, en dus in kostbare energieverliezen.

Het is een doel van de uitvinding een MPP-tracker te verschaffen die snel reageert op acute veranderingen in het inkomende vermogen in een energiebron waarvoor die MPP-tracker wordt toegepast.

30 Dit doel wordt bereikt met een maximumvermogens- volgerschakeling van het in de aanhef omschreven type, waarin overeenkomstig de uitvinding de processormiddelen zijn ingericht voor het uitvoeren van een algoritme volgens welk het door een energiebron maximaal leverbare vermogen en de 35 daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij een eerste in die energiebron inkomend vermogen wordt bepaald uit in de geheugenmiddelen opgeslagen 3 informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij ten minste een tweede en een derde in die energiebron inkomend vermogen.

5 In een uitvoeringsvorm van een maximumvermogens- volgerschakeling volgens uitvinding is de in de geheugenmiddelen opgeslagen informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij ten minste een tweede en 10 een derde in die energiebron inkomend vermogen gegeven door een coëfficiënt U' van een exponentiële functie Pmpp’U'eUapp die de relatie beschrijft tussen het maximaal leverbare vermogen Pmpp en de daarvoor vereiste uitgangsspanning umpp (uitgedrukt in een dimensieloze eenheid).

15 De exponentiële functie Pmpp’U'eu*pp is gebaseerd op een ideale zonnecel, dat wil zeggen een zonnecel die in een vereenvoudigd model wordt gerepresenteerd door een spanningsbron met een parallel geschakelde weerstandsvrije diode. Gevonden is dat een exponentiële functie een goede 20 benadering voor de genoemde relatie vormt.

In een praktisch voordelige uitvoeringsvorm is de in de geheugenmiddelen opgeslagen informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij ten minste een tweede en 25 een derde in die energiebron inkomend vermogen gegeven door de coëfficiënten ai van een n-de graads polynoom .uj „ dat de relatie beschrijft tussen het maximaal leverbaar vermogen Pmpp en de daarvoor vereiste uitgangsspanning umpp (uitgedrukt in een dimensieloze 30 eenheid), waarin n een geheel getal, bij voorkeur gelijk aan 2 is.

In een praktisch eenvoudige uitvoeringsvorm omvat de in de geheugenmiddelen opgeslagen informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning 35 respectievelijk uitgangsstroom bij ten minste een tweede en een derde in die energiebron inkomend vermogen de parameters voor het beschrijven van een lineaire afhankelijkheid van het ..

4 maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij het inkomend vermogen.

Een maximumvermogensvolgerschakeling overeenkomstig de 5 uitvinding is bij voorkeur ingericht voor het met vooraf bepaalde tijdsintervallen uitvoeren van een bepaling van de informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij ten minste een tweede en een derde in die 10 energiebron inkomend vermogen en het opslaan van deze informatie in de geheugenmiddelen.

In een uitvoeringsvorm van een MPP-tracker volgens de uitvinding omvat het algoritme een iteratieprocedure.

In weer een uitvoeringsvorm wordt het algoritme na een 15 vooraf bepaalde instructie gevolgd door een tweede algoritme voor het uitvoeren van een extreemwaarderegeling, zodat het maximaal leverbare vermogen en de daarbij behorende uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom met hoge nauwkeurigheid worden bepaald. De bepaalde instructie omvat 20 bijvoorbeeld in een geval waarin het eerste algoritme een iteratieprocedure omvat het uitvoeren van een vooraf bepaald aantal iteraties.

De uitvinding zal in het nu volgende worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen.

25 In de tekeningen tonen

Fig. 1 een diagram met een drietal curven I-III die het leverbare vermogen P van een zonnecel weergeven als functie van de uitgangsspanning U, met een eerste curve IV die het maximaal leverbare vermogen Pmpp van een zonnecel weergeeft 30 als functie van de uitgangsspanning Umpp bij dat maximaal leverbare vermogen,

Fig. 2 een deel van fig. 1 in vergrote weergave,

Fig. 3 een tweede curve IV’ die het maximaal leverbare vermogen van een zonnecel weergeeft als functie van de 35 uitgangsspanning Umpp bij dat maximaal leverbare vermogen, en

Fig. 4 een derde curve IV" die het maximaal leverbare vermogen Pmpp van een zonnepaneel weergeeft als functie van de 5 uitgangsspanning Umpp bij dat maximaal leverbare vermogen.

Fig. 1 toont een diagram met een drietal curven I-III die het leverbare vermogen P als functie van de uitgangsspanning U weergeven van een zonnecel, bij verschillende inkomende 5 vermogens, bijvoorbeeld als gevolg van verschillende hoeveelheden invallend zonlicht bij verschillende bewolking. De punten MPP1, MPP2 en MPP3 in de respectieve curves I-III representeren de maximaal leverbare vermogens bij de respectieve inkomende vermogens, en worden verbonden door 10 curve IV. De werking van de MPP-tracker volgens de uitvinding is als volgt in te zien. Het vermogen van een bepaalde hoeveelheid licht die invalt in een zonnecel correspondeert bijvoorbeeld met een door die zonnecel leverbaar vermogen volgens curve I. Het maximaal leverbare vermogen PI bij een 15 uitgangsspanning UI wordt gerepresenteerd door het punt MPP1 op curve I. Bij een plotselinge daling van de hoeveelheid invallend zonlicht correspondeert het leverbare vermogen met een andere curve, in het voorbeeld curve II. Bij de oorspronkelijke uitgangsspanning UI zou een vermogen P2 20 geleverd worden, dat lager is dan het onder de omstandigheden maximaal leverbare vermogen. Overeenkomstig de uitvinding "zoekt" de MPP-tracker op de curve IV de uitgangsspanning U2 die correspondeert met het vermogen P2, vervolgens op de curve II het vermogen P3 dat correspondeert met de 25 uitgangsspanning U2, op de curve IV de uitgangsspanning U3 die correspondeert met het vermogen P3, op de curve II het vermogen P4 (niet weergegeven) dat correspondeert met de uitgangsspanning U3 etc., totdat na een voldoend aantal iteraties wordt overgegaan tot een zoekalgoritme voor een 30 extreemwaarderegeling volgens de stand der techniek.

In praktische situaties, waarin de vermogenskarakteristieken van volgens een vast procédé gefabriceerde zonnecellen bekend zijn, kan de optimale-vermogenslijn IV vooraf worden bepaald, en kan deze vooraf 35 worden ingevoerd in het geheugen van een voor dat type zonnecellen bestemde MPP-tracker.

Fig. 2 toont het door een ellips omgeven deel van fig.l 6 in een vergrote weergave.

Fig. 3 toont een curve IV' die het maximaal leverbare vermogen Pmpp van een ideale zonnecel weergeeft als functie van de uitgangsspanning Umpp bij dat maximaal leverbare 5 vermogen. Curve IV' is berekend uit de exponentiële functie P =u'eUapp die de relatie beschrijft tussen het maximaal leverbaar vermogen Prapp en de daarvoor vereiste uitgangsspanning umpp (uitgedrukt in een dimensieloze eenheid) voor een ideale zonnecel.

10 Fig. 4 toont een curve IV" die het maximaal leverbare vermogen Pmpp van een zonnecel weergeeft als functie van de uitgangsspanning Umpp bij dat maximaal leverbare vermogen, welke curve IV" is berekend uit een zesdegraads polynoom p dat de relatie beschrijft tussen het maximaal 15 leverbaar vermogen Pmpp en de uitgangsspanning umpp (uitgedrukt in een dimensieloze eenheid).

Een MPP-tracker volgens de uitvinding is in het bijzonder geschikt te worden toegepast in fotovoltaïsche systemen, in het bijzonder zonnepanelen die zijn samengesteld uit in serie 20 geschakelde zonnecellen, waar de kortere hersteltijd na een verandering in ingestraald vermogen resulteert in een zodanige toename van het geleverde vermogen, dat de extra investeringskosten van een MPP-tracker volgens de uitvinding in relatief korte tijd worden terugverdiend. De MPP-tracker 25 volgens de uitvinding is echter eveneens toepasbaar in andere energie genererende systemen, bijvoorbeeld windturbines.

ΐ \ Λ · ί: - c

Claims

1. Maximumvermogensvolgerschakeling, voorzien van geheugenmiddelen voor het opslaan van informatie over het bij een bepaald in een energiebron inkomend vermogen door die energiebron geleverde vermogen in afhankelijkheid van naar 5 keuze de uitgangsspanning of de uitgangsstroom van die energiebron, en van processormiddelen voor het uit die informatie bepalen van het maximaal door die energiebron leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom, met het kenmerk, dat de 10 processormiddelen zijn ingericht voor het uitvoeren van een algoritme volgens welk het door een energiebron maximaal > leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij een eerste in die energiebron inkomend vermogen wordt bepaald uit in de 15 geheugenmiddelen opgeslagen informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij ten minste een tweede en een derde in die energiebron inkomend vermogen.

2. Maximumvermogensvolgerschakeling volgens conclusie 1, 20 met het kenmerk, dat de in de geheugenmiddelen opgeslagen informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij ten minste een tweede en een derde in die energiebron inkomend vermogen is gegeven door een coëfficiënt 25 U' van een exponentiële functie P °P'eUupp die de relatie beschrijft tussen het maximaal leverbare vermogen P„pp en de daarvoor vereiste uitgangsspanning umpp.

3. Maximumvermogensvolgerschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de in de geheugenmiddelen opgeslagen 30 informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij ten minste een tweede en een derde in die energiebron inkomend vermogen is gegeven door de coëfficiënten a± van een n-de graads polynoom p =E*„a.u·* dat x u jnpp j-u j inpp V; de relatie beschrijft tussen het maximaal leverbaar vermogen Pmpp en de daarvoor vereiste uitgangsspanning umpp, waarin n een geheel getal is.

4. Maximumvermogensvolgerschakeling volgens conclusie 3, 5 met het kenmerk, dat n de waarde 2 heeft.

5. Maximumvermogensvolgerschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de in de geheugenmiddelen opgeslagen informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk 10 uitgangsstroom bij ten minste een tweede en een derde in die energiebron inkomend vermogen de parameters omvat voor het beschrijven van een lineaire afhankelijkheid van het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning respectievelijk uitgangsstroom bij het inkomend vermogen.

6. Maximumvermogensvolgerschakeling volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat deze is ingericht voor het met vooraf bepaalde tijdsintervallen uitvoeren van een bepaling van de informatie over het maximaal leverbare vermogen en de daarvoor vereiste uitgangsspanning 20 respectievelijk uitgangsstroom bij ten minste een tweede en een derde in die energiebron inkomend vermogen en het opslaan van deze informatie in de geheugenmiddelen.

7. Maximumvermogensvolgerschakeling volgens een der conclusies 1-6, met het kenmerk, dat het algoritme een 25 iteratieprocedure omvat.

8. Maximumvermogensvolgerschakeling volgens een der conclusies 1-7, met het kenmerk, dat het algoritme na een vooraf bepaald aantal iteraties wordt gevolgd door een tweede algoritme voor het uitvoeren van een extreemwaarderegeling.