Photovoltaik Dezentrales Leistungsmanagement in der Photovoltaik

Dezentrale, in die Module integrierte Leistungsoptimierer gewinnen im Photovoltaikbereich eine immer stärkere Bedeutung. Neben der Verbesserung des Ertrags der installierten Photovoltaikanlage ermöglichen diese Systeme ein modulfeines Monitoring der aktuellen Leistung und die Möglichkeit der vollständigen Abschaltung der PV-Anlage bei Gefahrensituationen wie z.B. einem Brand des Gebäudes. In diesem Artikel wird aufgrund des gegenüber Mikroinvertern signifikant besseren Wirkungsgrads ein auf DC/DC-Wandlern beruhendes Konzept betrachtet.

Wichtige Beurteilungskriterien des Leistungsoptimierers sind zunächst die eingesetzte Topologie, die Leistungshalbleiter, aber auch der Algorithmus zur Verfolgung des Leistungsoptimums und die Kommunikationsstrategie.

Der vorliegende Demonstrator ist ein DC/DC-Wandler zur Anpassung des Ausgangsstroms an variierende Eingangsspannungen. Er erlaubt somit eine Maximierung der Leistung des jeweils angeschlossenen Photovoltaikmoduls innerhalb einer Serienschaltung von PV-Modulen sowie einen vereinfachten Systemaufbau des nachfolgenden PV-Umrichters.

Das Gerät besitzt eine Nennleistung von 250 W und einen sehr weiten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich von 15 bis 48 V bzw. 7 bis 60 V. Die Stärken des Systems liegen in der Kombination aus hocheffizientem Algorithmus zur Nachführung des Punktes maximaler Leistung (MPP) und einem extrem hohen DC/DC-Wirkungsgrad von maximal 99,4 %. Ebenso verfügt das Gerät über Powerline-Kommunikation und über eine Sicherheitsschaltung, die das angeschlossene PV-Modul im Fall von Gefahrensituationen kurzschließt. Bild 1 zeigt den Demonstrator.

Wahl der Topologie

DC/DC-Wandler sind in der Regel aus Hoch- oder Tiefsetzstellern oder einer Kombination dieser Leistungsstufen aufgebaut. Photovoltaik-Module zeichnen sich durch eine Leistungscharakteristik gemäß Bild 2 aus: während das Maximum der Leistung (MPP, Maximum Power Point) bei idealer Einstrahlung bei ca. 80 % der Leerlaufspan-nung liegt, muss der DC/DC-Wandler bei Teilverschattung des angeschlossenen Moduls wesentlich geringere Spannungen verarbeiten können. Im in Bild 2 gezeigten Fall liegt beispielsweise das globale Maximum der Leistung bei nur 15 V.

Diese Charakteristik definiert nun die grundlegenden Anforderungen an den Aufbau des DC/DC-Wandlers: Ein Hochsetzsteller mit einem Arbeitspunkt knapp oberhalb der Leerlaufspannung bietet bei einstufigen Konzepten die beste Lösung. Neben einem günstigen Tastverhältnis können auch noch sehr niedrige Eingangsspannungen ausgeregelt werden.

Andererseits ist die Ausgangsspannung höher als die höchstmögliche Leerlaufspannung zu wählen; hier ist insbesondere die Charakteristik des Moduls bei tiefen Temperaturen zu berücksichtigen. Weiterhin besteht bei Ausgangsstufen mit Hochsetzsteller-Charakteristik die Gefahr störender Oszillationen, da die Resonanzfrequenz des aus der Verkabelungsinduktivität und dem Ausgangskondensator gebildeten Schwingkreises typischerweise in der gleichen Größenordnung wie die Taktfrequenz liegt.

Will man darüber hinaus einen weiten Ausgangsspannungsbereich adressieren, der z.B. das Weglassen eines separaten Hochsetzstellers im nachfolgenden PV-Umrichter erlaubt, sind zweistufige Leistungswandler zielführend. Die Kombination aus Tiefsetzsteller und nachfolgendem Hochsetzsteller erlaubt zwar die Verwendung von nur einem induktiven Speicherelement und damit Kostenvorteile, besitzt aber den Nachteil, dass die Ausgangscharakteristik eines Hochsetzstellers nicht ideal zur Verkabelungssituation in PV-Anlagen passt. Aus diesem Grund wurde im Rahmen unseres Projekts eine Kombination aus Hoch- und nachfolgendem Tiefsetzsteller, eine sogenannte Boost-Buck-Kombination, gewählt.

Regelalgorithmus MPP-Tracking

Typische Regelalgorithmen, wie „Perturbation und Beobachtung“ erlauben zwar die Nachführung des jeweiligen Punktes maximaler Leistung, können jedoch bei Teilverschattung das globale Maximum der Einstrahlung (bei 15 V gemäß Bild 2) nicht in jedem Fall ansteuern. Daher wurde im Rahmen des vorliegenden Demonstrators eine Kombination aus schnell agierendem „„Perturbation und Beobachtung“-Algorithmus und zyklischem Rampensignal-Suchalgorithmus eingesetzt.

Damit wird ein sicheres Auffinden des globalen Maximums erreicht. Experimentelle Tests mittels eines PV-Kennlinien-Simulators zeigen einen MPP-Wirkungsgrad von mehr als 99 %. Die gesamte Steuerung des DC/DC-Wandlers wurde auf dem Mikrocontroller XE161FL-20F66V implementiert.