DE3245866A1

DE3245866A1 - Method for controlling alternative energy sources for maximum power and an arrangement for carrying out the method

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

The application deals with a method for automatically controlling the power emitted by an energy generating system to the highest possible value (MPP control). So that fluctuations in the power output, caused by changing environmental conditions, and thus effects on connected loads, are largely avoided, an adaptor between the generating system and the load is controlled in such a manner that the power in each case emitted at the highest and at the lowest voltage value is determined from current and voltage fluctuations and stored. From the stored values, a difference is continuously formed, the amount and polarity of which specifies the magnitude and the direction of the instantaneous operating point from the maximum power point. From this, a signal for the reference value for the adaptor is formed at the same time. <IMAGE>

Description

WVerfahrcn zur Regelung alternativer Energiequellen aufWVerfahrcn for the regulation of alternative energy sources

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.maximum performance and an arrangement for carrying out the procedure " The invention relates to a method and an arrangement according to the features of Preamble of claim 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.Especially with so-called alternative energy sources, such as solar generators or wind turbines, a maximum possible power output (maximum power point). The most favorable utilization is only in each case with one output voltage, which depends on the design of the energy generation system and the environmental conditions constantly changing. In the case of solar generators, these know changes in the temperature of the Generator, solar radiation, pollution and possibly in the Interruption can be seen in parts of the system.

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.In order to achieve the highest possible performance, it is known to use between to switch an adapter device to the generator and the load, which is located in its transfer factor with regard to the current and the voltage can be controlled. The like devices know z. B. DC-DC converter (chopper) as well self- or grid-commutated inverters. Also an adaptation through series-parallel connection the load or generator groups is possible.

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.Furthermore, an MPP controller is known which has a comparison cell is working. However, this system has the disadvantage that it is less precise than a regulation system-specific data must be calibrated and in the event of failure of system parts the control does not react and less power is output.

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.The object of the invention is therefore to provide a method of the type described at the outset To create a way that automatically adapts to natural fluctuations in performance and also in the event of malfunctions in parts of the system, the maximum possible Guaranteed performance.

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.This object is achieved according to the invention by the features in the characterizing part of the claim 1 specified features solved. This method according to the invention is special The advantage is that cs can be realized with means of analog technology and then rclatively enables rapid response at low cost.

Das Verfahren kann aber auch mit einem Mikroprozessor ausgeführt werden.However, the method can also be carried out with a microprocessor.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den UntersnsprUchen enthalten.Developments of the invention are contained in the sub-claims.

In der Zeichnung sind Ausführungabeispiele zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch dargestellt.The drawing shows exemplary embodiments for carrying out the method shown schematically according to the invention.

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.FIG. 1 shows the solar cell characteristics, FIG. 2 shows an overall arrangement for a power control, Figure 3 an MPP control for a solar cell generator and FIG. 4 shows an MPP regulation with a controlled search process.

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.In the characteristic curve according to FIG. 1, U over voltage U is current I applied. The voltage Up and the associated current Ie are shown on the characteristic curve 1 the point of maximum conduction Pmax. Several performance curves are also shown P1, P2, P3. While the no-load voltage reaches its fullest even at low levels of irradiation Reached the value, the current is strongly dependent on the radiation intensity, like the Characteristic curve 2 should show. As the operating temperature rises, the voltage and the power at constant intensity (characteristic curve 3). On the various solar cell characteristics there may be power points at which a higher power at a higher voltage or the higher power can be delivered at lower voltage. The work of the generator on these power points must be avoided and the maximum power point be sought out.

Aus der Übersichtaanordnung nach Figur 2 ist zu entnehmen, da8 ein Solargenerator 5 über ein Anpassungagerät 6, z.B.From the overview arrangement according to FIG. 2 it can be seen that a Solar generator 5 via an adaptation device 6, e.g.

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.a chopper, on a load 7, for example a battery, works. The current I at 8 is via a current transformer and the voltage is applied to a resistor 9 is removed and fed to an MPP controller 10, it becomes as follows is described in more detail, a guide variable F obtained as a setting variable a controller 11 of the adaptation device 6 is performed.

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.If a voltage is output from the regulator 10 as the command variable, so can in a comparison atelle 12 with the current voltage of the generator A difference can be formed at the resistor 9, which is determined via a voltage regulator 13 the control device 11 of the adaptation device is supplied. The use of a The voltage regulator has the advantage that the voltage range in which the point is maximum Power must be limited from the outset to a certain voltage range is.

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.Through the adaptation device 6 between generator 5 and load 7 are causes current and voltage fluctuations as a reaction to the generator. These Fluctuations must not be too great, so as not to affect the power output of the generator to diminish. To determine the point of maximum power, the fluctuations exploited, in which at the highest and at the lowest voltage the Instantaneous value of the power output is determined and stored.

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.The MPP controller 10 from FIG. 2 is shown in greater detail in FIG. as The input variables are the voltage U and the current I of the solar generator Accommodation links 14 and 15 on. The adjusted values are converted into a multiplier 16 the performance formed. The power values are sent to the memories 17 and 18 Storage delivered. The storage of the performance data is continuously carried out by the current value replaced. For this it is a prerequisite that the current and voltage fluctuations be done periodically.

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.The memories 17 and 18 are the performance data at the highest and assigned at the lowest voltage. This means that there are always two corresponding performance values available, although the performance values always take place after a certain time interval The adjusted value for the voltage from block 14 is also determined given to a phase control circuit 19 (PLL-phaseFock loup), which refers to the voltage ripple synchronized. This circle contains circuit elements that control the phasing of the Shift the output voltage by 900 against the phase position of the voltage ripple. This ensures that the jumps in the output voltage to the maxima or

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.Meet minima of the voltage ripple. From the flanks of the Ausgen gas voltage of the circuit 19, a signal for the storage circuits 17 and 18 is derived. In addition Monoflop stages 20 and 21 and an inverter 22 are used.

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.The monoflop stages 20 and 21 control the storage time for the Memory 17 and 18. The inverter 22 causes a memory with the positive Edge is driven and the ender with the negative.

Die Ausgangsapennung des Speichers 17 wird durch einen Umkehrverstärker 23 mit v 9 -1 in der Polarität umgewechselt.The output of the memory 17 is provided by an inverting amplifier 23 reversed in polarity with v 9 -1.

durch wird durch Summation im Punkt 24 kontinuierlich die Differenz gebildet.the difference becomes continuously through summation at point 24 educated.

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.If the difference formed in the comparison point 24 is zero, then means this is that the desired point of maximum performance is reached. Says the difference on the other hand, from the fact that the higher power was delivered at the higher voltage, so the load must be reduced so that a higher output voltage can be set can. The same applies in reverse if the difference shows that the higher power at the lower voltage. The differential signal contains thus in its polarity the information about in which direction the point maximum power and in the amount of the Ditferenzaignala the information, such as far from the current operating point from the maximum power point is.

Das Differenzaignal wird einz integral arbeitenden Verstärker 25 zugeführt, der es in angepasstcr Weise zeitlich bewertet.The differential signal is fed to an integrally operating amplifier 25, who evaluates it over time in an adapted manner.

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.The signal output by the control amplifier 25 can then be used as a guide variable for voltage regulation or adapted accordingly, also for current regulation of the adaptation device lying between the solar generator 5 and the load 7 6 serve.

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.The use of a voltage regulator, as indicated by 13 in FIG has the advantage that the point of maximum performance is only possible when it is practically possible A voltage range must be sought and technically impossible areas for this Credit points do not have to be crossed.

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.There are applications in which the fluctuations are caused by the retroactive effect an adapter device cannot be used if the generator is used in the relevant frequency larger deviations compared to the static characteristic having. In addition, the frequency to be processed is limited by the limited Operating speed of the multiplier and storage circuit. Finally are too Cases are possible in which a usable voltage ripple is caused by repercussions is not available from the adaptation device. In these cases and when the Occurring frequency is too low or the frequency cannot be defined Fluctuations can be specified in a controlled manner, so that part of the generator characteristic curve can be measured.

Wird eine Spannungaschwankung vorgegeben, so gilt es zu ermitteln, ob die hdherc Ausgangsleistung bei der hõheren oder niederen Spannung vorliegt.If a voltage fluctuation is specified, it is necessary to determine whether the hdherc output power is at the higher or lower voltage.

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.With a given search movement to determine the maximum Lcistungspunktes know voltage fluctuations, which temporarily lead to a Lead to underutilization of the generator. That is why these fluctuations should be so small as possible and performed as infrequently as possible.

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.In FIG. 4, which shows a variant of the MPP controller according to FIG. 3, the same components are provided with the same reference numerals. Instead of Phase hold control circuit 19 according to Figure 3 now occurs a frequency control 26, which supplies the signals for the memories 17 and 18 via a first adapter stage 27. The controlled search movement is triggered via a second matching stage by its output signal is added to the output voltage at a summing point 29.

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.The frequency control 26 also influences via a third matching stage 30 the integration time of the integrating amplifier 31. Furthermore, now is between the summation point 24 and the integrating amplifier 31 a proportional more effective Summing amplifier 32 connected to the power-difference-Signsl for influencing the frequency control 26 to be able to use. An output amplifier 33 delivers then the guide size for the adaptation device 6 according to FIG. 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.The power difference between the higher and lower voltage within a fluctuation is a measure of how exactly the sought maximum credit point is is found.

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.Depending on the amount of the difference, the frequency of the search movement controlled. If the difference is equal to zero, then with minimum and with operational occurring difference with maximum frequency of the search process carried out. Simultaneously the integration time of the integrating amplifier is also changed.

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Claims

PATENT CLAIMS 1. Method for self-acting regulation of the by one Power output at the highest possible value (MPP control), the performance constantly changing with the environmental conditions, and whereby between the power generation system and a connected consumer an adaptation device is arranged, in particular for regulating alternative energy sources, characterized in that from the current caused by the adjustment device (6) and voltage fluctuations those at the highest and the lowest voltage values In each case delivered power (16) is determined and stored (17, 18) that off a difference is continuously formed between the stored values, the amount of which and Polar guides the size of the distance and the direction of the current working point from the maximum power point (Pmax) and used as a signal for the formation of the Reference variable for the adjustment device (6) is used.

2. The method according to claim 1, characterized in that the difference signal from the stored power values in an integrating amplifier (25) over time Is evaluated.

3. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that storage circuits (17, 18) are provided which derive from the voltage and the power generated by the current store, the storage times of which by means of monoflop stages (20, 21) are controlled, the control of a storage circuit via a Inverter (22) is performed.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that at the output an inverting amplifier (23) is connected to the one storage circuit (17).

5. Arrangement according to claim 3, characterized in that a PLL circuit (19) is provided showing the times of the maximum and the minimum voltage recorded.

6. The method according to claim 1, characterized in that a voltage regulator (i3) is used to provide the guide variable for the adjustment device (6).

7. Arrangement for performing the method according to claim 2, characterized characterized in that the power difference signal in a summing amplifier (32) is amplified, the output signal of which is the search movement of a frequency control (26) influenced in frequency.

8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the frequency control (26) A matching stage (27) supplies the signals for the storage circuits (17, 18).

9. Arrangement according to claim 7, characterized in that another Adaptation stage (28) at a summing point (29) an additional signal to the output signal adds.

10. Arrangement according to claim 7, characterized in that a third Anpaßatufe (30) with its output signal the integration time of an integration amplifier (31) influenced.