DE3245866A1

DE3245866A1 - Verfahren zur regelung alternativer energiequellen auf maximale leistung und eine anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3245866A1
Application number: DE19823245866
Authority: DE
Inventors: Lothar Ing.(grad.) 1000 Berlin Höfer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1982-12-11
Filing date: 1982-12-11
Publication date: 1984-06-14

Abstract

Die Anmeldung bafaßt sich mit einem Verfahren zur selbsttätigen Regelung der von einer Energieerzeugungsanlage abgegebenen Leistung auf den höchstmöglichen Wert (MPP-Regelung).Um Schwankungen in der Leistungsabgabe, hervorgerufen durch sich ändernde Umgebungsbedingungen, und damit Auswirkungen auf angaschlossene Verbraucher weitgehend zu vermeiden, wird ein Anpassungsgerät zwischen Erzeugungsanlage und Verbraucher so geregelt daß aus Strom - und Spannungsschwankungen die bei dem höchsten und dem niedrigsten Spannungswert jeweils abgegebene Leistung ermittelt und gespeichert wird. Aus den Speicherwerten wird kontinuierlich eine Differenz gebildet, deren Betrag und Polarität die Größe und die Richtung des momentanen Arbeitspunktes vom maximalen Leistungspunkt angibt. Hieraus wird gleichzeitig ein Signal für die Führungsgröße für das Anpaßgerät gebildet.

Description

WVerfahrcn zur Regelung alternativer Energiequellen auf
maximale Leistung und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens" Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Insbesondere bei sogenannten alternativen Energiequellen, wie Solargeneratoren oder Windkraftanlagen, wird eine maximal mõgliche Leistungsabgabe (maximum power point) angcstrebt. Die günstigste Ausnutzung besteht Jeweils nur bei einer Auegangsspannung, welche von der Auslegung der Energiegewinnungsanlage abhängt und sich mit den Umgebungsbedingungen ständig ändert. Bei Solargeneratoren kennen diese änderungen in der Temperatur des Generators, der Sonneneinstrahlung, der Verschmutzung und gegebenenfalls in der Unterbrechung in Teilen der Anlage gesehen werden.
Um die hdchstmagliche Leistung zu erzielen, ist es bekannt, zwischen dem Generator und der Belastung ein Anpassungsgerät zu schalten, welches sich in seinem Übertragungsfaktor bezUglich des Stromes und der Spannung steuern lässt. Der artige Geräte kennen z. B. DC-DC-Wandler (Chopper) sowie selbst- oder netzgefUhrtc Wechselrichter sein. Auch eine Anpassung durch Reihen-Parallel-Schaltung der Belastung oder von Generatorgruppoen ist möglich.
Es ist ferner eine MPP-Steuerung bekannt, die mit einer Vergleichazelle arbeitet. Diese Anlage hat Jedoch den Nachteil, daß sie ungenauer ist als eine Regelung, anlagenspezifische Daten eingeeicht werden müssen und bei Ausfall von Anlagenteilen die Stcuerung nicht reagiert und eine geringere Leistung abgegeben wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das sich selbsttätig an die natürlichen Leistungsachwankungen anpasst und auch bei Stßrungen in Teilen der Anlage jeweils die Abgabe der hdchstmdglichen Leistung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Dieses Verfahren nach der Erfindung wcist den besonderen Vorteil auf, daß cs mit Mitteln der Analogtechnik realisiert werden kann und dann rclativ rasche Reaktion bei geringen Kosten ermöglicht.
Das Verfahren kann aber auch mit einem Mikroprozessor ausgeführt werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den UntersnsprUchen enthalten.
In der Zeichnung sind Ausführungabeispiele zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigen Figur 1 die Solarzellen-Kennlinis, Figur 2 eine Gesamt anordnung für eine Leistungaregelung, Figur 3 eine MPP-Regelung für einen Solarzellengenerstor und Figur 4 eine MPP-Regelung mit gesteuertem Suchvorgang.
In der Kennlinie nach Figur 1 ist Uber der Spannung U der Strom I aufgetragen. Die Spannung Up und der dazugehörige Strom Ie geben auf der Kennlinie 1 den Punkt maximaler Leiatung Pmax an. Eingezeichnet sind weiterhin mehrere Leistungskennlinien P1, P2, P3. Während die Leerlaufapannung schon bei geringer Einstrahlung ihren vollen Wert erre-icht, ist der Strom stark von der Strahlungsintensitãt abhängig, wie die Kennlinie 2 zeigen soll. Mit steigender Betriebstemperatur nehmen die Spannung und die Leistung bei konstanter Intensität ab (Kennlinie 3). Auf den verschiedenen Solarzellenkennlinien können Leistungapunkte liegen, an denen eine höhere Leistung bei hBherer Spannung oder die höhere Leistung bei niedrigerer Spannung abgegeben werden. Das Arbeiten des Generators auf diesen Leistungspunkten muß vermieden und der maximale Leistungapunkt aufgesucht werden.
Aus der Übersichtaanordnung nach Figur 2 ist zu entnehmen, da8 ein Solargenerator 5 über ein Anpassungagerät 6, z.B.
einen Chopper, auf eine Last 7, beispielsweise eine Batterie, arbeitet. Wird der Strom I bei 8 über einen Stromwandler und die Spannung an einem Widerstand 9 abgenommen und einem MPP-Regler 10 zugeführt, so wird aus ihm, wie nachfolgend näher beschrieben wird, eine FnhrungsgröBc F gewonnen, die als Einstellgröße an einen Regler 11 des Anpassungagerätes 6 geführt wird.
Wird als Fuhrungsgrdße eine Spannung aus dem Regler 10 abgegeben, so kann in einer Vergleichsatelle 12 mit der momentanen Spannung des Generators am Widerstand 9 eine Differenz gebildet werden, die Ober einen Spannungsregler 13 der Regeleinrichtung 11 des Anpassungagerätes zugeführt wird. Der Einsatz eines Spannungsreglers hat den Vorteil, daß der Spannungsbereich, in dem der Punkt maximaler Leistung liegen muß, von vornherein auf einen bestimmten Spannungsabschnitt beschränkt ist.
Durch das Anpassungagerät 6 zwischen Generator 5 und Last 7 werden als Rückwirkung auf den Generator Strom- und Spannungsschwankungen verursacht. Diese Schwankungen dürfen nicht zu groß sein, um die Leistungsabgabe des Generators nicht zu vermindern. Zur Ermittlung des Punktes maximaler Leistung werden die Schwankungen ausgenutzt, in dem jeweils bei der höchsten und bei der niedrigsten Spannung der Momentanwert der abgegebenen Leistung ermittelt und gespeichert wird.
In Figur 3 ist der MPP-Regler 10 aus Figur 2 näher dargestellt. Als Eingangsgrößen stehen die Spannung U und der Strom I des Solargenerators an den Anpassungagliedern 14 und 15 an. Aus den angepassten Werten wird in einem Multiplizierer 16 die Leistung gebildet. Die Leistungawerte werden an die Speicher 17 und 18 zur Speicherung geliefert. Die Speicherung der Leistungadaten wird laufend durch den aktuellen Wert ersetzt. Dafür ist es Voraussetzung, daß die Strom- und Spannungsschwankungen periodisch erfolgen.
Die Speicher 17 und 18 sind den Leistungedaten bei der höchsten und bei der niedrigsten Spannung zugcordnet. Dadurch sind stets zwei entsprechende Leistungewerte verfügbar, obwohl die Leistungswerte immer mit einem bestimmten zeitlichen Abstand ermittelt werden Der angepasste Wert für die Spannung aus dem Block 14 wird außerdem auf einen Phasenhslteregelkreis 19 (PLL-phaseFock loup) gegeben, der sich auf die-Spannungswelligkeit synchronisiert. Dieser Kreis enthält Schaltungselemente, die die Phasenlage der Ausgangsspannung um 900 gegen die Phasenlage der Spannungswelligkeit verschieben. Dadurch wird erreicht, daB die Sprünge der Ausgangsspannung auf die Maxima bzw.
Minima der Spannungswelligkeit treffen. Von den Flanken der Ausgengaspannung des Kreises 19 wird ein Signal für die Speicherkreise 17 und 18 abgeleitet. Dazu dienen Monoflop-Stufen 20 und 21 sowie ein Inverter 22.
Die Monoflop-Stufen 20 und 21 steuern dabei die Speicherzeit für die Speicher 17 und 18. Der Inverter 22 bewirkt, daß ein Speicher mit der positiven Flanke angesteuert wird und der ender mit der negativen.
Die Ausgangsapennung des Speichers 17 wird durch einen Umkehrverstärker 23 mit v 9 -1 in der Polarität umgewechselt.
durch wird durch Summation im Punkt 24 kontinuierlich die Differenz gebildet.
Ist die in der Vergleichastelle 24 gebildete Differenz Null, so bedeutet dies, daß der gewünschte Punkt maximaler Leistung erreicht ist. Sagt die Differenz dagegen aus, daß die hdhere Leistung bei der höheren Spannung abgegeben wurde, so muß die Belastung verringert werden, damit sich eine höhere Ausgangsapannung einstellen kann. Das gleiche gilt in umgekehrter Weise, wenn die Differenz ergibt, daß die höhere Leistung bei der niedrigercn Spannung gelegen hat. Das Differenzeignal enthält somit in seiner Polarität die Information darüber, in welcher Richtung der Punkt maximaler Leistung liegt und im Betrag des Ditferenzaignala die Information, wie weit der augenblickliche Arbeitspunkt noch vom maximalen Leistung punkt entfernt ist.
Das Differenzaignal wird einz integral arbeitenden Verstärker 25 zugeführt, der es in angepasstcr Weise zeitlich bewertet.
Das von dem Regelverstärker 25 ausgegebene Signal kann denn, als Führungagröße für die Spannungaregelung oder entsprechend angepasst, auch für die Stromregelung des zwischen dem Solargencrator 5 und der Belastung 7 liegenden Anpassungagerätes 6 dienen.
Die Verwendung eines Spannungsreglera, wie er in Figur 2 mit 13 eingezeichnet wurde, hat den Vorteil, daß der Punkt maximaler Leistung nur im praktisch möglichen Spannungsbereich gesucht werden muß und technisch unmögliche Bereiche für diesen Leistungspunkt nicht bestrichen werden müssen.
Es gibt AnwendungsfFllc, bei denen die Schwankungen durch die Rückwirkung eines Anpsssungsgerätes nicht ausgenutzt werden können, wenn der Generator bei der in Frage kommenden Frequenz größere Abweichungen gegenüber der statischen Kennlinie aufweist. Außerdem ist die zu verarbeitende Frcquenz begrenzt durch die begrenzte Arbeitsgeschwindigkeit von Multiplizierer und Speicherkreis. Schließlich sind auch Fälle mdglich, bei denen eine verwertbare Spannungswelligkeit durch Rückwirkungen aus dem Anpassungagerät nicht zur Verf0-gung steht. In diesen Fällen und wenn die auftretende Wclligkeit zu gering oder in der Frequenz nicht definierbar ist, müssen Schwankungen gesteuert vorgegeben werden, damit ein Teil der Generetorkennlinie gemessen werden kann.
Wird eine Spannungaschwankung vorgegeben, so gilt es zu ermitteln, ob die hdherc Ausgangsleistung bei der hõheren oder niederen Spannung vorliegt.
Bei einer vorgegebenen Suchbewegung zur Feststellung des maximalen Lcistungspunktes kennen Spannungsschwankungen entstehen, die zeitweise zu einer Minderausnutzung des Generators führen. Deshalb sollten diese Schwankungen so gering wie maglich sein und so selten wie möglich ausgeführt werden.
In Figur 4, die eine Variante des MPP-Reglers nach Fig. 3 darstellt, sind die gleichen Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Anstelle des Phasenhalteregelkreiscs 19 nach Figur 3 tritt Jetzt eine Frequenzasteuerung 26, die über eine erste Anpaßstufe 27 die Signale für die Speicher 17 und 18 liefert. Über eine zweite Anpaßstufe 28 wird die gesteuerte Suchbewegung ausgelöst, indem ihr Ausgangsaignal an einem Summierpunkt 29 der Ausgangaspannung hinzugefügt wird.
Die Frequenzateuerung 26 beeinflusst weiterhin über eine dritte Anpaßstufe 30 die Integrationazeit des integrierenden Verstãrkers 31. Weiterhin ist Jetzt zwischen dem Summationspunkt 24 und dem integrierenden Verstärker 31 ein proportional veratirkender Summierverstärker 32 geschaltet, um das Leistung-Differenz-Signsl zur Beeinflussung der Frequenz steuerung 26 benutzen zu können. Ein Ausgangsverstärker 33 liefert dann die Führungagröße für das Anpassungagerät 6 nach Figur 2.
Die Leistungsdifferenz bei der größeren und der kleineren Spannung innerhalb einer Schwankung ist ein Maß dafür, wie genau der gesuchte maximale Leistungspunkt gefunden ist.
In Abhängigkeit vom Betrag der Differenz wird die Häufigkeit der Suchbewegung gesteuert. Bei einer Differenz gleich Null wird dann mit minimaler und bei betriebsmässig auftretender Differenz mit maximaler Häufigkeit der Suchvorgang durchgeführt. Gleichzeitig wird auch die Integrationezeit des integrierenden Verstrkers geändert.
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Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur selbettätigen Regelung der von einer Energieerzeugungsenlage abgegebenen Leistung aur den höchstmöglichen Wert (MPP-Regelung), wobei die Leistungsrähigkeit sich mit den Umgebungsbedingungen ständig ändert, und wobei zwischen der Energieerzeugungssnlage und cinem angeschlossenen Verbraucher ein Anpassungsgerät angeordnet ist, insbesondere zur Regelung alternativer Energiequellen, dadurch gekennzeichnet, deß aus den von dem Anpassungsgerät (6) verursachten Strom- und Spannungsachwankungen die bei dem höchsten und dem niedrigsten Spannungswert Jeweils abgegebene Leistung (16) ermittelt und gespeichert (17, 18) wird, daß aus den Speicherwerten kontinuierlich eine Differenz gebildet wird, deren Betrag und Polareitet die GröBe des Abstandes und die Richtung des momentanen Arbeitspunktes vom maximalen Leistungepunkt (Pmax) angibt und die als Signal für die Bildung der FGhrungsgröBe fUr das Anpassungsgerät (6) herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzsignal aus den gespeicherten Leistungawerten in einem integrierenden Verstärker (25) zeitlich bewertet wird.
3. Anordnung zur DurchfGhrung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Speicherkreise (17, 18) vorgesehen sind, die die aus der Spannung und dem Strom gebildete Leistung speichern, deren Speicherzeiten durch Monoflop-Stufen (20, 21) gesteuert werden, wobei die Steuerung des einen Speicherkreises über einen Inverter (22) geführt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des einen Speicherkreises (17) ein Umkehrverstärker (23) angeschlossen ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daB eine PLL-Schsltung (19) vorgesehen ist, die die Zeitpunkte der maximalen und der minimalen Spannung erfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsregler (i3) zur Abgabe der FUhrungsgröße fUr das Anpassungagerät (6) verwendet wird.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsdifferenzsignal in einem Summierverstbrker (32) verstärkt wird, dessen Ausgangssignal die Suchbewegung einer Frequenzsteuerung (26) in der Frequenz beeinflusst.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzateuerung (26) Ober eine Anpaßstufe (27) die Signale fUr die Speicherkreise (17, 18) liefert.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daB eine weitere Anpaßstufe (28) an einer Summierstelle (29) ein Zusatzaignal dem Ausgangssignal hinzufügt.
10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Anpaßatufe (30) mit ihrem Ausgangsaignal die Integrationazeit eines Integrationsverstärkers (31) beeinflusst.