DE10248447A1 - Process and device for impedance matching especially for solar modules has differentiating unit and amplifier to maximize power at the load - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Anpassung elektrischer Lasten an eine Stromquelle mit gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung, die es ermöglichen, der Stromquelle maximale Last-Leistung über die Last zu entnehmen.The invention relates to methods and devices for adapting electrical loads to a power source with possibly changing power source power, which make it possible derive maximum load power from the current source via the load.
Photovoltaische Zellen (Solarzellen) wandeln einfallendes Sonnenlicht durch die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem dotierten Halbleitermaterial in elektrische Energie. Während die an Solarzellen abgreifbare Spannung relativ unabhängig von der Lichteinstrahlung ist, besteht für die Stromstärke eine ausgeprägte Abhängigkeit des über eine Last entnehmbaren Stroms von der Intensität der einfallenden Lichtstrahlung.Photovoltaic cells (solar cells) convert incident sunlight through the release of positive ones and negative charge carriers in a doped semiconductor material in electrical energy. While the at Tension that can be tapped from solar cells is relatively independent of the light radiation is exists for the current a pronounced one dependence of about a load of current that can be drawn from the intensity of the incident light radiation.
Die
Bei einer Sonneneinstrahlung von
nur 50 % liegt der Arbeitspunkt des Systems für den Lastwiderstand RL von 2,8 Ω bei ca. 9,0 V und ca. 3,3
A, woraus sich nur eine Leistung P2 von
etwa 30 W ergibt. Das Leistungsmaximum PMAX2 liegt
für diese
Kennlinie bei ca. 16,0 V und ca. 3,0 A und beträgt damit etwa 48 W. Hierfür wäre ein Lastwiderstand
RL von etwa 5,3 Ω erforderlich. In
Man erkennt aus den
Um unter Praxisbedingungen die maximal
mögliche
Leistungsabgabe des Photovoltaiksystems durchgehend zu erzielen,
ist folglich eine andauernde Anpassung des Lastwiderstands an die
aktuelle Beleuchtungsstärke
nötig.
In dem in den
Außer von der Bestrahlungsstärke, die auf das Halbleitermaterial der Solarzelle trifft und die von der Bewölkung und der Verschmutzung der Zellenoberfläche beeinflußt wird, hängt die Solarzellenkennlinie auch von der Zellentemperatur ab. Eine höhere Solarzellentemperatur führt zu einer niedrigeren Leistung und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie um gewandelt wird. Kommerzielle Solarzellen haben je nach Zellentyp einen Wirkungsgrad von 8 bis 14 %.Except for the irradiance, which meets the semiconductor material of the solar cell and that of the cloud cover and the contamination of the cell surface is influenced, hangs the Solar cell characteristic also depends on the cell temperature. A higher solar cell temperature leads to lower performance and therefore lower efficiency. The efficiency indicates how much of the incident light quantity is converted into usable electrical energy. Commercial solar cells have an efficiency of 8 to 14% depending on the cell type.
Ein weiteres Problem beim Betrieb einer photovoltaischen Solaranlage kann durch wechselnde Verbraucherlasten entstehen. Insbesondere bei "Insellösungen", bei denen ein oder mehrere Verbraucher (z.B. Elektromotoren) direkt von einer Solaranlage betrieben werden, ändert sich bei einer wechselnden Last unmittelbar der Arbeitspunkt der Solaranlage. Auch beim direkten Laden eines Akkumulators beeinflußt der Akkumulatorinnenwiderstand, der vom Ladezustand abhängig ist, die von der Solarzelle erzeugte elektrische Leistung während des Ladevorgangs.Another problem with the operation A photovoltaic solar system can be affected by changing consumer loads arise. Especially with "island solutions", where one or Several consumers (e.g. electric motors) directly from a solar system operated, changes with a changing load, the working point of the Solar system. Even when a battery is charged directly, the internal battery resistance influences which depends on the state of charge is the electrical power generated by the solar cell during the Charging.
Um Solarzellen jeweils ihre aktuell maximal mögliche Leistung zu entnehmen und sie so optimal nutzen zu können, ist es bekannt, zwischen Solargenerator und Verbraucher eine Anpassungsvorrichtung zu schalten, welche die Impedanz des Verbrauchers adaptiv an den zeitlich wechselnden Innenwiderstand des Solargenerators anpaßt.To keep solar cells up to date maximum possible To take performance and to be able to use it optimally is it is known to have an adapter between the solar generator and the consumer to switch the adaptive impedance of the consumer to the adjusts the internal resistance of the solar generator, which changes over time.
In
In
Da der in
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen zur Anpassung elektrischer Lasten an eine Stromquelle anzugeben, bei denen ein scharfer Zusammenhang zwischen einer Steuergröße und der von der Stromquelle abgegebenen Stromquellen-Leistung bzw. der an der Last wirkenden Last-Leistung herangezogen wird, um der Stromquelle auf einfache Weise maximale Last- Leistung über die Last zu entnehmen. Insbesondere sollen ein MPP-Regler sowie ein Solarmodul angegeben werden.Object of the present invention is methods and devices for adapting electrical loads to specify a power source where there is a sharp relationship between a tax figure and the from the power source output power or the the load acting load power is used to the power source in a simple way maximum load power over the Remove load. In particular, an MPP controller and a solar module are to be specified become.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungskonzepts.This object is achieved by the independent claims. The dependent Claims relate to advantageous refinements of the inventive concept.
Gemäß dem Erfindungskonzept weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Anpassung einer elektrischen Last an eine Stromquelle mit gegebenenfalls
wechselnder Stromquellen-Leistung, um der Stromquelle maximale Last-Leistung über die
Last zu entnehmen, auf:
eine Differenziereinrichtung, die ein
Ausgangssignal (IQ, UQ)
der Stromquelle nach der Zeit (t) differenziert und ein der ersten
Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt)
oder der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2) entsprechendes Ausgangssignal liefert,
und
einen der Differenziereinrichtung nachgeschalteten Verstärker, an
dessen Ausgang die Last anliegt und der das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung
verstärkt,
wobei
der Verstärker
derart mit der Stromquelle verbunden ist, daß die vom Verstärker aufgenommene
Verstärker-Leistung
der Stromquelle entnommen wird, und das Ausgangssignal (UA, IA) des Verstärkers Schwingungen,
insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist.According to the concept of the invention, the device according to the invention for adapting an electrical load to a current source with possibly changing current source power in order to derive maximum load power from the current source via:
a differentiating device that differentiates an output signal (I Q , U Q ) of the current source according to time (t) and one of the first derivative (dU Q / dt, dI Q / dt) or the second derivative (d 2 U Q / dt 2 , d 2 I Q / dt 2 ) delivers corresponding output signal, and
an amplifier connected downstream of the differentiating device, at whose output the load is present and which amplifies the output signal of the differentiating device,
the amplifier being connected to the current source in such a way that the amplifier power consumed by the amplifier is taken from the current source and the output signal (U A , I A ) of the amplifier has oscillations, in particular resonance oscillations.
Das Konzept des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anpassung einer elektrischen Last an eine Stromquelle mit gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung, um der Stromquelle maximale Last-Leistung über die Last zu entnehmen, umfaßt folgende Schritte:
- (I) Erfassen eines Ausgangssignals (UQ, IQ) der Stromquelle oder einer damit korrelierten elektrischen Größe,
- (II) Erzeugen der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) des in (I) erfaßten Signals und gegebenenfalls der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2),
- (III) Verstärken des erhaltenen Ableitungssignals unter Erhalt eines verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und
- (IV) Anlegen des erhaltenen verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) an die Last,
- (I) detecting an output signal (U Q , I Q ) of the current source or an electrical variable correlated therewith,
- (II) generating the first derivative (dU Q / dt, dI Q / dt) of the signal recorded in (I) and, if appropriate, the second derivative (d 2 U Q / dt 2 , d 2 I Q / dt 2 ),
- (III) amplifying the derivative signal obtained to obtain an amplified output signal (U A , I A ) and
- (IV) applying the obtained amplified output signal (U A , I A ) to the load,
Das Erfindungskonzept umfaßt ferner die Anwendung des obigen Verfahrens zur Steuerung oder Regelung von photovoltaischen Anlagen, insbesondere von Solarzellen und Solarpanels sowie Anordnungen daraus, wobei die Last insbesondere eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. ein Akkumulator, ein Ladegerät, ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Transformator und/oder ein anderer elektrischer Wandler ist.The concept of the invention also includes the application of the above control method of photovoltaic systems, in particular of solar cells and solar panels and arrangements thereof, the load in particular an ohmic Load, a battery or an accumulator, a charger, a rectifier, an inverter, a transformer and / or another electrical Converter is.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anpassung elektrischer Lasten an eine Stromquelle weist eine Differenziereinrichtung auf, die ein Ausgangssignal (IQ, UQ) der Stromquelle nach der Zeit (t) differenziert. Die Differenziereinrichtung liefert ein der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) oder der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2) ent sprechendes Ausgangssignal. Zur Bildung der zweiten Ableitung können auch zwei einfache Differenzierglieder 1-ter Ordnung in Serie geschaltet werden. Die Differenziereinrichtung kann analog und/oder digital realisiert werden. Sie kann ihre Versorgungsspannung von der Stromquelle beziehen. Durch die Differenzierung wird eine scharfe Relation zwischen einer Steuergröße und der Stromquellen- oder Last-Leistung erzielt.The device according to the invention for adapting electrical loads to a current source has a differentiating device which differentiates an output signal (I Q , U Q ) from the current source according to the time (t). The differentiating device supplies an output signal corresponding to the first derivative (dU Q / dt, dI Q / dt) or the second derivative (d 2 U Q / dt 2 , d 2 I Q / dt 2 ). To form the second derivative, two simple 1st order differentiators can also be connected in series. The differentiating device can be implemented analog and / or digital. It can get its supply voltage from the power source. The differentiation results in a sharp relationship between a control variable and the power source or load power.
Unter einer Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle elektrischen Signalquellen zu verstehen, insbesondere solche, die ein Strom- oder Spannungssignal liefern. Die Stromquelle kann Solarzellen, Brennstoffzellen oder andere elektrische Energie liefernde Quellen aufweisen. Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung der Stromquelle wird meist durch eine entsprechende Strom-Spannungs-Kennlinie beschrieben, welche die Eigenschaften der Stromquelle kennzeichnet. Abhängig von bestimmten Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Bestrahlungsstärke bei einer photovoltaischen Stromquelle, wird von der Stromquelle bei einem optimalen Arbeitspunkt maximale Stromquellen-Leistung (PQ) erzeugt.A current source in the sense of the present invention is to be understood to mean all electrical signal sources, in particular those which deliver a current or voltage signal. The power source may include solar cells, fuel cells, or other sources that provide electrical energy. The relationship between current and voltage of the current source is usually described by a corresponding current-voltage characteristic curve, which characterizes the properties of the current source. Depending on certain environmental conditions, such as temperature and irradiance with a photovoltaic power source, the power source generates maximum power source power (P Q ) at an optimal operating point.
Der Differenziereinrichtung ist erfindungsgemäß ein Verstärker nachgeschaltet, an dessen Ausgang die Last anliegt und der das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung verstärkt. Der Verstärker kann eine lineare oder nichtlineare Verstärkungskennlinie aufweisen und in einem linearen und/oder nichtlinearen Kennlinienbereich betrieben werden. Er kann mit einem konstanten oder einem variablen Verstärkungsgrad (F) betrieben werden. Es ist möglich, den Verstärker in analoger und/oder digitaler bzw. hybrider Technik zu realisieren. Verstärker und Differenziereinrichtung können auch gemeinsam, z.B. auf einem Halbleiterchip, vorgesehen werden. Vorteilhafterweise weist der Verstärker einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Verlustleistung auf.According to the invention, the differentiating device is followed by an amplifier, at the output of which the load is applied and which the output signal of Differentiation device reinforced. The amplifier can have a linear or nonlinear gain characteristic and operated in a linear and / or non-linear characteristic range become. It can be with a constant or a variable gain (F) operated. It is possible, the amplifier to be implemented in analog and / or digital or hybrid technology. amplifier and differentiating device can also together, e.g. on a semiconductor chip. The amplifier advantageously has a high efficiency and low power dissipation.
Der Verstärker ist derart mit der Stromquelle verbunden, daß die vom Verstärker aufgenommene Verstärkerleistung (PV) der Stromquelle entnommen wird. Es ist zweckmäßig, die Versorgungsleitungen des Verstärkers mit der Stromquelle zu verbinden, wobei gegebenenfalls eine entsprechende Anpassung der Quellenspannung an die benötigte Versorgungsspannung des Verstärkers, z.B. durch einen Spannungswandler, vorgesehen ist. Da eine eventuelle Leistungsaufnahme der Differenziereinrichtung zu vernachlässigen ist, stellt der Verstärker die hauptsächliche direkte Last der Stromquelle dar. Durch die vom Verstärker aufgenommene Verstärkerleistung (PV) zur Verstärkung des Ausgangssignals der Differenziereinrichtung wird die Stromquelle belastet. Bedingt durch den in den Kennlinien der Stromquelle ausgedrückten Zusammenhang zwischen Strom und Spannung verringert sich das Ausgangssignals der Stromquelle bei Belastung der Stromquelle durch den Verstärker. Aufgrund dieser Rückkopplung zwischen Verstärker und Stromquelle können Schwingungen des Ausgangssignals (UA, IA) des Verstärkers entstehen.The amplifier is connected to the current source in such a way that the amplifier power (P V ) consumed by the amplifier is taken from the current source. It is expedient to connect the supply lines of the amplifier to the current source, where appropriate a corresponding adaptation of the source voltage to the required supply voltage of the amplifier is provided, for example by means of a voltage converter. Since a possible power consumption of the differentiating device can be neglected, the amplifier represents the main direct load of the current source. The amplifier source uses the amplifier power (P V ) to amplify the output signal of the differentiating device loaded. Due to the relationship between current and voltage expressed in the characteristics of the current source, the output signal of the current source decreases when the current source is loaded by the amplifier. Due to this feedback between amplifier and current source, vibrations of the output signal (U A , I A ) of the amplifier can occur.
Bei geeigneter Wahl des Verstärkungsfaktors (F) können Resonanzeffekte auftreten, und am Ausgang des Verstärkers können sich Resonanzschwingungen bilden. Die aufgrund des Resonanzeffekts auftreten Resonanzschwingungen können bestimmte charakteristische Frequenzen aufweisen. Stromquelle, Differenziereinrichtung, Ver stärker und Last bilden einen Oszillator. Im Resonanzfall entnimmt dieses schwingende System der Quelle maximale Leistung, die an der Last als maximale Last-Leistung (PA) auftritt. Die Stromquelle wird so immer im optimalen Arbeitspunkt (MPP) betrieben.With a suitable choice of the amplification factor (F), resonance effects can occur, and resonance oscillations can form at the output of the amplifier. The resonance vibrations that occur due to the resonance effect can have certain characteristic frequencies. Power source, differentiating device, amplifier and load form an oscillator. In the event of resonance, this vibrating system takes maximum power from the source, which occurs at the load as the maximum load power (P A ). The power source is always operated at the optimal operating point (MPP).
Da das Auftreten von Resonanzschwingungen bei einem schwingungsfähigen System von der Erfüllung einer relativ scharf abgegrenzten Schwingungsbedingung abhängt, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers Resonanzschwingungen aufweist, eine einfache Entnahme maximaler Leistung möglich. Zweckmäßigerweise wird somit der Verstärkungsgrad des Verstärkers derart eingestellt, daß die Schwingungsbedingung erfüllt ist und Resonanzschwingungen auftreten. Da die Schwingungen des Verstärkerausgangssignals in Abhängigkeit vom Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers in einem relativ scharf begrenzten Bereich des Verstärkungsgrads auftreten, ist es erfindungsgemäß sehr einfach, den erforderlichen Verstärkungsgrad einzustellen. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfordert die erfindungsgemäße Vorrichtung keine aufwendige Suche eines Leistungsmaximums in einer relativ flachen Leistungs-Kennlinie.Because the appearance of resonance vibrations with a vibratory System of fulfillment depends on a relatively sharply defined vibration condition in the device according to the invention, when the output signal of the amplifier resonant vibrations has, a simple removal of maximum performance possible. Conveniently, the degree of amplification of the amplifier set so that the Vibration condition met and resonance vibrations occur. Since the vibrations of the Amplifier output dependent on of the degree of reinforcement (F) of the amplifier in a relatively sharply limited range of gain occur, it is very simple according to the invention, the required degree of reinforcement adjust. In contrast to the prior art, the device according to the invention requires no time-consuming search of a maximum power in a relative flat performance curve.
Auch eine wechselnde Last hat erfindungsgemäß keinen direkten Einfluß auf den sich ergebenden Arbeitspunkt der Stromquelle und die der Stromquelle entnommene Leistung. Solange die Schwingungsbedingung des Oszillators erfüllt ist, schwingt der Ausgang des Verstärkers, und maximale Leistung wird der Quelle entnommen und der Last zugeführt. Gegebenenfalls ist eine Anpassung des Verstärkungsgrades an einen veränderten Lastwiderstand notwendig, um die Schwingungsbedingung weiter zu erfüllen. Diese Nach führung des Verstärkungsgrades kann, wie bereits erläutert, relativ einfach durchgeführt werden.According to the invention, even a changing load has none direct influence on the resulting operating point of the power source and that of the power source withdrawn power. As long as the oscillation condition of the oscillator Fulfills is, the output of the amplifier swings, and maximum power is taken from the source and fed to the load. If applicable, is a Adjustment of the degree of reinforcement to a changed one Load resistance necessary to further increase the vibration condition fulfill. This follow-up of the gain of can, as already explained, performed relatively easily become.
Die Stromquelle kann zweckmäßigerweise eine oder mehrere photovoltaische Zellen (Solarzellen) aufweisen oder daraus bestehen. Die Solarzellen können als Solarpanels ausgebildet sein. Ein Solarpanel weist eine flächige Anordnung von miteinander verschalteten Solarzellen auf. Bevorzugte Solarpanels wie der Typ SM 110 von Siemens sind für eine Nennspannung von 12 V ausgelegt, erzeugen eine Leerlaufspannung von 17,5 V und eine Nennleistung von 110 W (rated power). Um eine höhere Ausgangsspannung und/oder Leistung zu erzielen, ist es vorteilhaft, mehrere Solarpanels in Serie bzw. parallel zu schalten. Auf diese Weise können standardmäßige Ausgangsspannungen von beispielsweise 60 bis 220 V und Nennleistungen von einigen Kilowatt erzielt werden.The power source can expediently have one or more photovoltaic cells (solar cells) or consist of it. The solar cells can be designed as solar panels his. A solar panel has a flat arrangement of one another interconnected solar cells. Preferred solar panels like the type SM 110 from Siemens are for rated voltage of 12 V, generate an open circuit voltage of 17.5 V and a rated power of 110 W (rated power). To a higher output voltage and / or to achieve performance, it is advantageous to use multiple solar panels to be connected in series or in parallel. In this way, standard output voltages from, for example, 60 to 220 V and nominal powers of a few kilowatts be achieved.
Weiterhin können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch auftretende periodische Modulationen des Sonnenlichts zur Erzeugung von elektrischer Leistung genutzt werden. Diese Modulationen haben ein komplexes Spektrum mit einem Resonanzmaximum. Diese modulierte Strahlung enthält Energie, die zu einer AC-Komponente des von einer Solarzelle als Stromquelle erzeugten Signals führt. Diese AC-Komponente trägt zur Anregung der (Resonanz-)Schwingungen bei und wird von der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt.Furthermore, by the device according to the invention also occurring periodic modulations of sunlight for generation of electrical power. Have these modulations a complex spectrum with a resonance maximum. This modulated Contains radiation Energy leading to an AC component of the signal generated by a solar cell as a current source. This AC component carries to excite the (resonance) vibrations and is from the device according to the invention used.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung für den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers auf, die auf den Verstärker wirkt. Die Einstelleinrichtung kann eine manuelle Einstellung des Verstärkungsgrads, beispielsweise über ein Potentiometer, ermöglichen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Einstelleinrichtung eine halbautomatische oder automatische Einstellung des Verstärkungsgrads durchführt. Sie kann dabei beispielsweise über ein elektronisches Potentiometer auf den Verstärker wirken und den erforderlichen Verstärkungsgrad einstellen, der die Schwingungsbedingung zum Erhalt von Resonanzschwingungen am Verstärkerausgang erfüllt. Der Verstärker kann auch einen steuerbaren Vorverstärker (VCA – Voltage Controlled Amplifier) und einen Leitungsverstärker mit hohem Wirkungsgrad umfassen. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Einstelleinrichtung sieht Mittel vor, die den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers so lange ändern, bis Resonanzschwingungen am Verstärkerausgang auftreten.The device advantageously has an adjustment device for the degree of gain (F) of the amplifier on that on the amplifier acts. The setting device can be set manually Amplification degree, for example about a potentiometer. It is particularly advantageous if the setting device is a semi-automatic or automatic adjustment of the gain level performs. You can, for example, over an electronic potentiometer act on the amplifier and the required gain set the vibration condition for obtaining resonance vibrations on amplifier output Fulfills. The amplifier can also be a controllable preamplifier (VCA - Voltage Controlled Amplifier) and a line amplifier include with high efficiency. A practical design of the setting device provides means that the degree of reinforcement (F) of the amplifier change so long until resonance vibrations occur at the amplifier output.
Um Störsignale zu unterdrücken, ist es zweckmäßig, eine Filtereinrichtung zwischen dem Ausgang der Differenziereinrichtung und dem Eingang des Verstärkers vorzusehen. Die Filtereinrichtung filtert das Ausgangssignal des Verstärkers nach einer vorgegebenen Durchlaßcharakteristik, wobei es besonders vorteilhaft ist, ein Bandpaßfilter zum Filtern des Verstärkereingangssignals heranzuziehen. Durch ein Bandpaßfilter können niederfrequente Störungen, insbesondere die Netzfrequenz 50 Hz, und hochfrequentes Rauschen im Anregungssignal unterdrückt werden. Durch das Bandpaßfilter wird es auch ermöglicht, die Frequenzen der Resonanzschwingungen zu beeinflussen und eine scharfe Resonanz des schwingenden Systems zu erzielen. Vorteilhafte Bandpaßfilter sind Krohn-Hite-Filter mit Eckfrequenzen von 20 Hz und 200 kHz. Ein besonders vorteilhafter Durchlaßbereich liegt zwischen 1,0 und 5,0 kHz.To suppress interference signals is it expedient to have a Filter device between the output of the differentiating device and the input of the amplifier provided. The filter device filters the output signal of the amplifier according to a given pass characteristic, it being particularly advantageous to use a bandpass filter for filtering the amplifier input signal consulted. Through a bandpass filter can low frequency interference, especially the mains frequency 50 Hz, and high-frequency noise suppressed in the excitation signal become. Through the bandpass filter it is also possible to influence the frequencies of the resonance vibrations and a to achieve sharp resonance of the vibrating system. advantageous bandpass filter are Krohn-Hite filters with corner frequencies of 20 Hz and 200 kHz. A particularly advantageous one passband is between 1.0 and 5.0 kHz.
Ein besonders geeigneter Verstärker zur Verstärkung des Ausgangssignals der Differenziereinrichtung ist ein Operationsverstärker. Operationsverstärker sind einfach zu beschalten, weisen einen großen Verstärkungsbereich auf und haben einen hohen Wirkungsgrad. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch analoge und/oder digitale Verstärker einer der Klassen A bis T oder einen adaptiven Power-MOSFET-Verstärker aufweisen. Beispiele für bevorzugte Verstärker sind die Tripath Audio-Verstärker der Serie TA, insbesondere der TA3020. Um Resonanzschwingungen über einen breiten Frequenzbereich zu ermöglichen, ist ein breitbandiger Verstärker von Vorteil. Ein besonders zweckmäßiger Übertragungsbereich beträgt 10 Hz bis 100 MHz. Es ist erfindungsgemäß aber auch möglich, Verstärker mit einer Bandbreite im Audiobereich vorzusehen, insbesondere von 20 Hz bis 40 kHz.A particularly suitable amplifier for amplifying the output signal of the differentiating device is an operational amplifier. Operational amplifiers are easy to connect, have a large amplification range and are highly efficient. However, the device according to the invention can also have analog and / or digital amplifiers of one of the classes A to T or an adaptive power MOSFET amplifier. Examples of preferred amplifiers are the Tripath audio amplifiers of the TA series, in particular the TA3020. A broadband amplifier is advantageous to enable resonance vibrations over a wide frequency range. A particularly expedient transmission range is 10 Hz to 100 MHz. However, it is also possible according to the invention to provide amplifiers with a bandwidth in the audio range, in particular from 20 Hz to 40 kHz.
Der Arbeitspunkt des Verstärkers kann auch in einem nichtlinearen Bereich seiner Verstärkungskennlinie liegen, was für die Einstellung des Verstärkungsgrades vorteilhaft sein kann. Durch den nichtlinearen Betrieb des Verstärkers können auch quasi-rechteckige Schwingungsformen erzielt werden.The operating point of the amplifier can also lie in a nonlinear range of its gain characteristic for the Setting the gain level can be advantageous. The non-linear operation of the amplifier can also quasi-rectangular waveforms can be achieved.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Einstelleinrichtung eine Erfassungseinrichtung auf, welche die von der Stromquelle abgegebene Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder die von der Last aufgenommene Last-Leistung (PA) und/oder eine mit diesen Leistungen korrelierte elektrische Größe (UA, IA; UQ, IQ) erfaßt.According to an advantageous embodiment of the device, the setting device has a detection device which detects the current source power (P Q ) emitted by the current source and / or the load power (P A ) absorbed by the load and / or an electrical correlated with these powers Size (U A , I A ; U Q , I Q ) recorded.
Die Erfassungseinrichtung kann insbesondere den Strom und/oder die Spannung der Stromquelle bzw. der Last erfassen, um die stromquellen- bzw. lastseitige Leistung zu ermitteln. Die Meßgrößen können von einem entsprechenden Sensor erfaßt und vor der Bestimmung der Leistung vorverarbeitet werden. Zweckmäßigerweise werden die erfaßten Meßgrößen gefiltert, geglättet und/oder gewandelt. Insbesondere ist es von Vorteil, den erfaßten Strom und/oder die erfaßte Spannung in entsprechende Gleichspannungsgrößen (Effektivwerte) zu wandeln. Hierzu kann u.a. ein RMS-Wandler eingesetzt werden. Die äquivalenten Gleichspannungsgrößen können einfacher weiterverarbeitet werden, insbesondere, um den Verstärkungsgrad des Verstärkers einzustellen.The detection device can in particular detect the current and / or the voltage of the current source or the load, to determine the power source or load side power. The Measured variables can range from a corresponding sensor is detected and before determining the Performance preprocessed. The measured variables are expediently filtered, smoothed and / or changed. In particular, it is advantageous to use the detected current and / or the detected one Convert voltage into corresponding DC voltage quantities (RMS values). Among other things, an RMS converter can be used. The equivalent DC quantities can be easier to be processed, in particular to the degree of reinforcement of the amplifier adjust.
Anhand der von der Erfassungseinrichtung erfaßten Größe kann die Einstelleinrichtung den erforderlichen Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers einstellen. Die Einstelleinrichtung wertet zweckmäßigerweise die erfaßte Größe aus und bestimmt das Maximum der erfaßten Größe bzw. der Leistung in Abhängigkeit vom Verstärkungsgrad. Aufgrund der scharfen Resonanzbedingung, die für ein schwingungsfähiges System erfüllt sein muß, tritt ein ausgeprägtes Maximum der stromquellen- oder lastseitigen Leistung auf, das einfach zu ermitteln ist. Der entsprechende Verstärkungsgrad kann so auf einfache Weise bestimmt werden.Using that from the detection device detected Size can the setting device set the required gain (F) of the amplifier. The adjusting device expediently evaluates the detected size and determines the maximum of the detected Size or performance dependent of the degree of reinforcement. Due to the sharp resonance condition required for an oscillatory system Fulfills have to be, occurs a pronounced Maximum of power source or load side power on that simple is to be determined. The corresponding degree of reinforcement can be so simple Way to be determined.
Zweckmäßigerweise weist die Einstelleinrichtung einen Regler auf, der die Ausgangssignale der Erfassungseinrichtung als solche oder nach Signalverarbeitung als Istwerte erfaßt und den Verstärkungsgrad des Verstärkers regelt. In diesem Fall stellt die Vorrichtung einen MPP-Regler dar.The setting device expediently points a controller on the output signals of the detection device as such or after signal processing as actual values and the Degree of amplification of the amplifier regulates. In this case, the device is an MPP controller.
Der Regler der Einstelleinrichtung kann ein beliebiger analoger und/oder digitaler Regler sein. Die Regelcharakteristik des Reglers kann vorteilhafterweise den Eigenschaften der übrigen Komponenten der Vorrichtung, insbesondere den Eigenschaften des Verstärkers, der Stromquelle und/ oder der Last, angepaßt werden. Bevorzugte Regelcharakteristiken sind P-, I-, PI-, PD-, Log- und Exp-Regler. Der Regler kann auch adaptiv sein und seine Kennlinie und/oder Parameter den Arbeitsbedingungen anpassen. Auch eine digitale Regelung des Verstärkungsfaktors, beispielsweise durch einen Mikrokontroller, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein.The controller of the adjustment device can be any analog and / or digital controller. The Control characteristics of the controller can advantageously the properties the rest Components of the device, in particular the properties of the amplifier, the power source and / or the load. Preferred control characteristics are P, I, PI, PD, Log and Exp controllers. The controller can also be adaptive his and his characteristic and / or parameters the working conditions to adjust. Digital control of the gain factor, for example by a microcontroller, can be conveniently provided.
Der Regler ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß er den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers so regelt, daß die Last-Leistung (PA) maximiert wird. Auf diese Weise wird der Stromquelle maximale Leistung über den Lastwiderstand entnommen, wobei die Einstellung des Verstärkungsgrads bedingt durch die Schwingungsfähigkeit des Systems besonders vorteilhaft erfolgen kann.The controller is expediently designed such that it regulates the gain (F) of the amplifier in such a way that the load power (P A ) is maximized. In this way, maximum power is drawn from the current source via the load resistance, the gain level being able to be set particularly advantageously owing to the ability of the system to vibrate.
Der Regler kann vorteilhafterweise
als Maximumregler ausgebildet sein, der einen Sollwertgenerator aufweist,
welcher in Abhängigkeit
von einem Stellwert des Reglers, insbesondere dem Verstärkungsgrad
(F), einen Sollwert für
die Regelung erzeugt. Der Sollwertgenerator kann anhand des Reglerstellwerts
einen dynamischen Sollwert für
den Regler erzeugen, um das Maximum der zu regelnden Größe zu ermitteln.
Es ist beispielsweise möglich,
den dynamischen Sollwert anhand des Reglerstellwertes – Verstärkungsgrad
(F) des Verstärkers – zu erzeugen.
Der dynamische Sollwert kann zweckmäßigerweise mit fortlaufender
Zeit ansteigen, solange der Stellwert eine bestimmte vorgegebene
Bedingung erfüllt.
Die vorgegebene Bedingung ist vorzugsweise ein Grenzwert für den Stellwert,
der vom Regler überwacht
wird. Durch das Ansteigen des Regelungssollwerts werden auch – soweit
durch das gegebene Regelungssystem möglich – der Stellwert und der Istwert der
Regelstrecke ansteigen. Überschreitet
der Stellwert den vorgegebenen Grenzwert, so wird vom Maximumregler
ein mit der Zeit abfallender Sollwert erzeugt. Durch den abnehmenden
Sollwert wird auch der Stellwert kleiner und nach einer gewissen
Zeit die vorgegebene Bedingung wieder erfüllen, worauf der Maximumregler erneut
einen ansteigenden Sollwert erzeugt. Ein derartiger Maximumregler
findet automatisch das Maximum der zu regelnden Größe bzw.
des Istwerts des Regelsystems. Die zu regelnde Größe, hier
die stromquellen- oder lastseitige Leistung, nähert sich in ansteigenden und
abfallenden Rampen ihrem maximal möglichen Wert an. Diese Annäherung erfolgt
besonders _ vorteilhaft, wenn die Abnahme des Sollwerts schneller
bzw. steiler erfolgt als die Zunahme des Sollwerts. Ein solcher
Maximumregler ist per se, jedoch nicht in Verbindung mit dem erfindungsgemäß angewandten
Oszillationsprinzip, bekannt (
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Einstelleinrichtung einen Vergleicher auf, der zu vorgegebenen Zeitpunkten den Wert einer oder mehrerer der von der Erfassungseinrichtung erfaßten Größen (PQ, PA; UQ, IQ; UA, IA) mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt vergleicht und den jeweiligen Differenzwert bildet. Der Differenzwert der betreffenden Größe gibt die Änderung der Größe in bezug auf den vorhergehenden Zeitpunkt an. Er zeigt an, ob sich beispielsweise die entsprechende Größe infolge einer Änderung des Verstärkungsgrads (F) vergrößert oder verringert hat. Der Differenzwert kann dem Regler zugeführt werden, der, je nach Art der erfaßten Größe, den Verstärkungsgrad des Verstärkers anhand des Differenzwerts so steuert, daß die Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) maximiert wird. Steigt beispielsweise die Leistung infolge einer Änderung des Verstärkungsgrads an, ist es zweckmäßig, den Verstärkungsgrad weiter zu erhöhen, um das Leistungsmaximum und den zugehörigen Verstärkungsgrad zu ermitteln. Umgekehrt kann der Regler, wenn der Wert der von der Erfassungseinrichtung erfaßten Größe oder das Ausgangssignal des Vergleichers abfällt, den Verstärkungsgrad verringern.According to a further embodiment of the invention, the setting device has a comparator which, at predetermined times, the value of one or more of the variables detected by the detection device (P Q , P A ; U Q , I Q ; U A , I A ) with the value compares the relevant size at the previous point in time and forms the respective difference value. The difference in value of the size in question indicates the change in size with respect to the previous point in time. It shows whether, for example, the corresponding size has increased or decreased as a result of a change in the degree of amplification (F). The difference value can be fed to the controller which, depending on the type of the detected quantity, controls the degree of amplification of the amplifier on the basis of the difference value in such a way that the load power (P A ) or the current source power (P Q ) is maximized. If, for example, the power increases as a result of a change in the degree of amplification, it is expedient to increase the degree of amplification further in order to determine the maximum power and the associated degree of amplification. Conversely, if the value of the quantity sensed by the detector or the output signal of the comparator drops, the controller can reduce the gain.
Der Regler kann den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers vorzugsweise in Abhängigkeit einer Änderung des Verstärkungsgrads (F) zu einem vorhergehenden Zeitpunkt und dem Betrag der daraus resultierenden Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ändern. Um das Maximum der Leistung zu finden, ist es zweckmäßig, daß der Regler den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers erhöht, wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung erhöht wurde und vom Vergleicher eine positive Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird oder wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung verringert wurde und vom Vergleicher eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird. Der Regler verringert zweckmäßigerweise den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers, wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung erhöht wurde und vom Vergleicher eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird oder wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung verringert wurde und vom Vergleicher eine positive Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird.The controller can adjust the gain (F) of the amplifier preferably as a function of a change in the gain (F) at a previous point in time and the amount of the resulting change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ) to change. In order to find the maximum of the power, it is expedient that the controller increases the amplification level (F) of the amplifier if the amplification level (F) was increased during the previous change and the comparator detects a positive change in the current source power (P Q ). and / or the load power (P A ) is determined or if the gain (F) was reduced in the previous change and the comparator detects a negative change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ) is determined. The controller expediently reduces the gain (F) of the amplifier if the gain (F) was increased during the previous change and the comparator determines a negative change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ) or if the gain (F) was reduced during the previous change and the comparator determines a positive change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ).
Eine besonders schnelle Einstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers kann erzielt werden, wenn die Einstelleinrichtung eine Optimierungseinrichtung aufweist, die ein Optimierungsverfahren ausführt. Das Optimierungsverfahren ermittelt das Maximum der von der Stromquelle abgegebenen Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der von der Last aufgenommenen Last-Leistung (PA) in Abhängigkeit vom Verstärkungsgrad (F). Zur Ermittlung des Maximums der Leistungs-Kennlinie sind eine Reihe bekannter Optimierungsverfahren geeignet. Aufgrund des komplexen Zusammenhangs zwischen Verstärkungsgrad und stromquellen- bzw. lastseitiger Leistung sind besonders iterative Optimierungsverfahren geeignet, die verschiedene Arbeitspunkte bzw. Verstärkungsfaktoren prüfen, um sich dem Maximum iterativ zu nähern.A particularly rapid setting of the degree of amplification of the amplifier can be achieved if the setting device has an optimization device that executes an optimization method. The optimization method determines the maximum of the current source power (P Q ) emitted by the current source and / or the load power (P A ) absorbed by the load as a function of the degree of amplification (F). A number of known optimization methods are suitable for determining the maximum of the performance characteristic. Due to the complex relationship between the degree of amplification and the power source or load-side power, iterative optimization methods are particularly suitable, which test different operating points or gain factors in order to approach the maximum iteratively.
Ein besonders bevorzugtes iteratives Optimierungsverfahren ist das Gradientenverfahren (Newton-Verfahren), das die Steigung der Leistungs-Kennlinie auswertet, um das Leistungsmaximum zu bestimmen. Anhand der Steigerung der Leistungs-Kennlinie im aktuellen Arbeitspunkt werden Schrittweite und Richtung für die nächste Änderung des Arbeitspunkts festgelegt. Dabei wertet das Gradientenverfahren den Zusammenhang zwischen Stellgröße (Verstärkungsgrad) und Zielgröße (Leistung) in Form der entsprechenden partiellen Ableitung aus.A particularly preferred iterative The optimization method is the gradient method (Newton method), which evaluates the slope of the performance characteristic curve by the performance maximum to determine. Based on the increase in the performance curve in the current Working point, step size and direction are determined for the next change of the working point. The gradient method evaluates the relationship between the manipulated variable (degree of amplification) and target size (performance) in the form of the corresponding partial derivative.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Einstelleinrichtung eine Konektureinrichtung auf, die eine parametrische Größe der Stromquelle erfaßt und in Form eines elektrischen Korrektursignals an den Regler liefert. Der Regler kann ein entsprechend korrigiertes Ausgangssignal bzw. Stellsignal zur Steuerung des Verstärkungsgrads abgeben, um eine Korrektur des Verstärkungsgrades unter Berücksichtigung des erfaßten Stromquellenparameters auszuführen. Auf diese Weise kann beispielsweise die Stromquellen-Temperatur (TQ) bei der Einstellung des Verstärkungsgrades berücksichtigt werden. Dies ist besonders bei der Verwendung von Solarzellen als Stromquelle von Vorteil, da die Strom-Spannungs-Kennlinien von Solarzellen stark temperaturabhängig sind. Zur Erfassung der Stromquellenparameter können entsprechende Sensoren, beispielsweise ein Temperatursensor zur Erfassung der Solarzellentemperatur, vorgesehen sein.According to a further embodiment of the invention, the setting device has a structural device which detects a parametric variable of the current source and delivers it to the controller in the form of an electrical correction signal. The controller can emit a correspondingly corrected output signal or control signal for controlling the degree of amplification in order to carry out a correction of the degree of amplification taking into account the detected current source parameter. In this way, for example, the current source temperature (T Q ) can be taken into account when setting the degree of amplification. This is particularly advantageous when using solar cells as a current source, since the current-voltage characteristics of solar cells are strongly temperature-dependent. Corresponding sensors, for example a temperature sensor for detecting the solar cell temperature, can be provided for detecting the current source parameters.
Um einen Verbraucher mit Gleichstrom bzw. Gleichspannung zu betreiben, kann zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Last eine Gleichrichteinrichtung vorgesehen sein, die das Ausgangssignal des Verstärkers gleichrichtet. Durch das Vorsehen einer Wechselrichteinrichtung kann aus dem schwingenden Verstärkerausgangssignal ein sinusförmiger Wechselstrom zum Betreiben von entsprechenden Lasten erzeugt werden. Es ist weiterhin möglich, den Wechselstrom über einen Lasttrafo in ein lokales und/oder öffentliches (Leitungs-)Netz einzuspeisen. Als Last kann insbesondere eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. ein Akkumulator, ein Ladegerät, ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Transformator oder ein anderer elektrischer Wandler vorgesehen sein.To a consumer with direct current or DC voltage can operate between the output of the amplifier and the load a rectifier can be provided, the Output signal of the amplifier rectifies. By providing an alternating-current device can from the oscillating amplifier output signal a sinusoidal Alternating current can be generated to operate corresponding loads. It is still possible the AC over a load transformer in a local and / or public (line) network feed. In particular, an ohmic load, a Battery or an accumulator, a charger, a rectifier, an inverter, a transformer or another electrical converter is provided his.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht eine symmetrische, bipolare Anordnung von Solarpanel, Differenziereinrichtung, gegebenenfalls Filtereinrichtung und Verstärker vor. Durch eine Zweidrahtverkabelung werden der positive und der negative Anschluß eines Solarpanels mit der Differenziereinrichtung verbunden. Auch die anderen Komponenten der Vorrichtung können durch die symmetrische bipolare Zweidrahtverkabelung verbunden werden. Durch die symmetrische Einspeisung können Verstärker (Gegentakt-Verstärker) mit höherem Wirkungsgrad und größerem Ein- und Ausgangswiderstand verwendet werden.A particularly advantageous exemplary embodiment of the invention provides a symmetrical, bipolar arrangement of the solar panel, differentiating device, optionally filter device and amplifier. The positive and the negative connection of a solar panel with the Differen are connected by two-wire cabling decorative device connected. The other components of the device can also be connected through the symmetrical bipolar two-wire cabling. Due to the symmetrical feed, amplifiers (push-pull amplifiers) with higher efficiency and greater input and output resistance can be used.
Eine Solarzelle oder mehrere Solarzellen als Stromquelle zur Erzeugung von elektrischer Leistung sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere ein MPP-Regler, können vorzugsweise auch als Solarmodul ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, daß Differenziereinrichtung, gegebenenfalls Filtereinrichtung, Verstärker und Einstelleinrichtung als eine Einheit, insbesondere als ein analoger und/oder digitaler Halbleiterchip, ausgebildet sind. Die Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch ganz und/ oder teilweise durch einen Mikrocomputer realisiert werden.One solar cell or several solar cells as a power source for generating electrical power and a device according to the invention, especially an MPP controller preferably also be designed as a solar module. In particular Is it possible, that differentiating device, if necessary, filter device, amplifier and setting device as a unit, in particular as an analog and / or digital Semiconductor chip, are formed. The components of the device according to the invention can also realized entirely and / or partially by a microcomputer become.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren erläutert, das die nachstehenden Schritte umfaßt:The following is the method according to the invention explains which includes the following steps:
- (I) Erfassen eines Ausgangssignals (UQ, IQ) der Stromquelle oder einer damit korrelierten elektrischen Größe; (I) detecting an output signal (U Q , I Q ) of the current source or an electrical variable correlated therewith;
- (II) Erzeugen der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) des in (I) erfaßten Signals und gegebenenfalls der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2);(II) generating the first derivative (dU Q / dt, dI Q / dt) of the signal detected in (I) and optionally the second derivative (d2UQ / dt2, d 2 I Q / dt 2 );
- (III) Verstärken des erhaltenen Ableitungssignals unter Erhalt eines verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und(III) amplifying the derivative signal obtained to obtain an amplified output signal (U A , I A ) and
- (IV) Anlegen des erhaltenen verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) an die Last.(IV) Applying the obtained amplified output signal (U A , I A ) to the load.
Da die zum Verstärken in Schritt (III) beim verwendeten Verstärker erforderliche elektrische Verstärkerleistung (PV) der Stromquelle entnommen wird, entsteht eine Rückkopplung des Verstärkers auf die Stromquelle, so daß das verstärkte Ausgangssignal Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist.Since the electrical amplifier power (P V ) required for amplification in step (III) of the amplifier used is taken from the current source, the amplifier is fed back to the current source, so that the amplified output signal has oscillations, in particular resonance oscillations.
Vorzugsweise wird zum Verstärken in Schritt (III) ein Verstärker verwendet, dessen aufgenommene elektrische Verstärkerleistung (PV) nicht konstant, sondern von der Größe des verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und/ oder von der in Schritt (IV) von der Last aufgenommenen Last-Leistung (PA) abhängig ist, so daß eine zeitlich wechselnde Belastung der Stromquelle auftritt.Preferably, an amplifier is used for amplification in step (III), the electrical amplifier power (P V ) that is consumed is not constant, but rather depends on the size of the amplified output signal (U A , I A ) and / or that in step (IV) Load-absorbed load power (P A ) is dependent, so that a time-changing load on the power source occurs.
Um störende Signalkomponenten zu unterdrücken, ist es vorteilhaft, das Ableitungssignal nach Schritt (II) und vor Schritt (III) zu filtern. Eine besonders günstige Anregung des oszillierenden Systems kann durch eine Filterung des zu verstärkenden Signals nach einer vorgegebenen Bandpaß-Durchlaßcharakteristik erzielt werden.To avoid disturbing signal components suppress, it is advantageous to use the derivative signal after step (II) and before Filter step (III). A particularly favorable excitation of the oscillating Systems can by filtering the signal to be amplified according to a given bandpass pass characteristic be achieved.
Zweckmäßigerweise wird das Verstärken in Schritt (III) bei einstellbarem Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers vorgenommen, um das rückgekoppelte System zu Schwingungen anzuregen und die Oszillationsbedingung zu erfüllen. Durch das Verändern des Verstärkungsgrades kann das schwingungsfähige System, besonders ein Solarsystem, an die aktuellen Arbeitsbedingungen, wie Beleuchtungsstärke und Lastwiderstand, angepaßt werden. Der Verstärkungsgrad wird vorteilhafterweise so eingestellt, daß die Schwingungsbedingung für die aktuellen Arbeitsbedingungen erfüllt ist.The reinforcement is expediently in Step (III) with adjustable gain (F) of the amplifier, around the feedback System to excite vibrations and the oscillation condition too fulfill. By changing the degree of reinforcement can that vibrate System, especially a solar system, to the current working conditions, like illuminance and load resistance become. The degree of reinforcement is advantageously set so that the vibration condition for the current working conditions is.
Der Verstärkungsgrad (F) wird vorzugsweise so eingestellt, daß die von der Last aufgenommene Last-Leistung (PA) maximiert wird. Die Einstellung des Verstärkungsgrads erfolgt zweckmäßigerweise durch einen analogen und/oder digitalen Regler, insbesondere einen Maximalwertregler, der automatisch einen maximalen Wert der zu steuernden Größe ermittelt.The gain (F) is preferably set so that the load power (P A ) absorbed by the load is maximized. The gain level is expediently set by an analog and / or digital controller, in particular a maximum value controller, which automatically determines a maximum value of the variable to be controlled.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß in Abhängigkeit von einem Stellwert der Regelung, insbesondere dem Verstärkungsgrad (F), ein Sollwert für die Regelung erzeugt wird. Dabei ist es zweckmäßig, einen ansteigenden Sollwert zu erzeugen, solange der Stellwert eine vorgegebene Bedingung erfüllt, und im anderen Falle einen zeitlich abfallenden Sollwert zu erzeugen.An advantageous embodiment of the The procedure provides that in dependence of a manipulated variable of the control, in particular the degree of amplification (F), a setpoint for the scheme is generated. It is useful to have an increasing setpoint generate as long as the manipulated variable fulfills a specified condition, and in the other case to generate a time-decreasing setpoint.
Zur Steuerung des Verstärkungsgrades (F) des Verstärkers kann zu vorgegebenen Zeitpunkten der Wert einer oder mehrerer der Größen PQ, PA, UQ, IQ, UA, IA mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt verglichen und der jeweilige Differenzwert gebildet werden. Die Steuerung des Verstärkungsgrades erfolgt zweckmäßigerweise unter Berücksichtigung dieses Differenzwerts, der die Änderung der entsprechenden Größe im Vergleich zum vorhergehenden Zeitpunkt angibt.To control the degree of amplification (F) of the amplifier, the value of one or more of the variables P Q , P A , U Q , I Q , U A , I A can be compared with the value of the relevant variable at the previous point in time and the respective value Difference value are formed. The degree of amplification is expediently controlled taking into account this difference value, which indicates the change in the corresponding variable compared to the previous point in time.
In Schritt (III) kann ein Optimierungsverfahren angewandt werden, um durch (iterative) Einstellung des Verstärkungsgrades (F) die von der Last aufgenommene Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) zu maximieren. Besonders geeignet zur Optimierung der Leistung sind Gradientenverfahren, die die Ableitung der Leistung bezüglich der einzustellenden Größe (Verstärkungsgrad) berücksichtigen.In step (III), an optimization method can be used to maximize the load power (P A ) or the current source power (P Q ) taken up by the load by (iteratively) setting the gain (F). Gradient methods that take into account the derivation of the power with regard to the variable to be set (degree of amplification) are particularly suitable for optimizing the power.
Um parametrische Werte der Stromquelle, insbesondere die Temperatur der Stromquelle, bei der Einstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers zu berücksichtigen, können die Parameterwerte der Stromquelle durch entsprechende Sensoren erfaßt und für eine Korrektur des Verstärkungsgrades herangezogen werden.To get parametric values of the power source, especially the temperature of the power source when setting the degree of reinforcement of the amplifier to take into account can the parameter values of the current source by appropriate sensors detected and for a correction of the gain be used.
Vorzugsweise wird der Verstärkungsgrad (F) so eingestellt, daß der Arbeitspunkt des Verstärkers in einem nichtlinearen Bereich seiner Verstärkungskennlinie liegt.The degree of reinforcement is preferred (F) set so that the Operating point of the amplifier lies in a non-linear range of its gain characteristic.
Das verstärkte Ausgangssignal (UA, IA) wird zweckmäßigerweise an eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. einen Akkumulator, ein Ladegerät, einen Gleichrichter, einen Wechselrichter, einen Transformator oder einen anderen elektrischen Wandler angelegt.The amplified output signal (U A , I A ) is expediently applied to an ohmic load, a battery or an accumulator, a charger, a rectifier, an inverter, a transformer or another electrical converter.
Das dargestellte Konzept der Erfindung beschränkt sich nicht auf die erläuterten Ausführungsformen, sondern erfaßt das grundsätzli che Prinzip, einer Strom- bzw. Signalquelle über einen Verstärker mit oszillierendem Ausgangssignal maximale Leistung zu entnehmen, wobei der Verstärker als Last auf die Quelle zurückwirkt.The illustrated concept of the invention limited not refer to the explained Embodiments, but detected the basic Principle of having a current or signal source via an amplifier oscillating output signal to derive maximum power, whereby the amplifier acts back as a burden on the source.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Below are preferred embodiments the invention explained with reference to the drawing. Show it:
Die Stromquelle
Die Vorrichtung
Der Differenziereinrichtung
Der Ausgang der Filtereinrichtung
Der Verstärkungsgrad F des Verstärkers
Die in
Der Differenzwert ΔPA wird einem Regler
Um den Einfluß der Zellentemperatur TQ auf die Kennlinie der Stromquelle
Da der Verstärker
Die
Da das Auftreten von Resonanzschwingungen
am Verstärkerausgang
einfach zu erfassen ist, kann die Maximierung der an der Last
Die
Die Stromquelle
Die Differenziereinrichtung
Zwischen dem Ausgang des Verstärkers
In dem in
Die
Da die Leistungsaufnahme der Differenziereinrichtung
Auf der Ausgangsseite des Verstärkers
Da der Innenwiderstand RQ der
Stromquelle
Auf der Verstärkerausgangsseite ergibt sich für die Last-Leistung. Unter der Annahme eines verlustlos arbeitenden Verstärkers mit 100 % Wirkungsgrad gilt: PA = PV.This results on the amplifier output side for the load power. Assuming a lossless amplifier with 100% efficiency: P A = P V.
Somit kann der Widerstand RV des Verstärkers bestimmt werden: The resistance R V of the amplifier can thus be determined:
Die
Die am Eingang der Vorrichtung anliegende
Stromquellen-Spannung UQ wird von der Differenziereinrichtung
Unter Berücksichtigung des durch die Leistungsbetrachtung gewonnenen Ausdrucks für RV gilt: Taking into account the expression for R V obtained by considering the performance:
Für die Spannung am Verstärkereingang ergibt sich: For the voltage at the amplifier input:
Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Verstärkereingangsspannung UV und Verstärkerausgangsspannung UA wird folgende Differentialgleichung zweiter Ordnung erhalten: Taking into account the relationship between amplifier input voltage U V and amplifier output voltage U A , the following second-order differential equation is obtained:
Diese nichtlineare Differentialgleichung
zweiter Ordnung für
die Spannung UA (t) am Ausgang des Verstärkers beschreibt
ein schwingungsfähiges
System bestehend aus Stromquelle
Die Resonanzfrequenzen der Schwingung
der Ausgangsspannung UA des Verstärkers sind
in dem Frequenzdiagramm der
Zur Anpassung des Arbeitsbereichs
kann der erfaßte
Istwert X, beispielsweise die Spannung UA bzw. die
Leistung PA, gegebenenfalls nach einer Glättung bzw.
Mittelung, fakultativ von einer Normierungseinrichtung
Ein Maximum-Regler
Falls der Istwert X' zum Zeitpunkt t + 1 kleiner als der Istwert X zum vorangegangenen Zeitpunkt t ist, wurde der Stellwert in die falsche Richtung verändert. Zum nächsten Zeitpunkt t + 2 wird der Stellwert dann um den Wert 2 dY verringert.If the actual value X 'at time t + 1 is smaller than the actual value X at the previous point in time t the manipulated variable changed in the wrong direction. At the next time t + 2 the manipulated value is then reduced by the value 2 dY.
Falls der Istwert X' zum Zeitpunkt t + 1 größer wird oder gleich bleibt, kann die Änderung wiederholt werden. Zum nächsten Zeitpunkt t + 2 wird der Stellwert ein weiteres Mal um den Wert dY erhöht.If the actual value X 'at time t + 1 gets bigger or remains the same, the change can be repeated. To the next At time t + 2, the manipulated value is increased by the value dY increased.
Diese Verfahrensweise wird vom Maximum-Regler
Über
eine fakultative Kennlinienanpassungseinrichtung
Beispiel 1example 1
Dazu wurden insgesamt sechs identische
Solarpanels
Um Fehler durch fertigungsbedingte Bauteilunterschiede auszuschließen, wurden in Vorversuchen alle Paarungen der Bauteile untersucht. Durch diese Messungen wurde festgestellt, daß der maximale Fehler durch Bauteilunterschiede weniger als 1 % beträgt.To errors due to manufacturing Exclude component differences, All pairings of the components were examined in preliminary tests. By these measurements determined that the maximum error was due to Component differences is less than 1%.
Zur Messung der Lastleistung PA, die von den jeweiligen Lastwiderständen
Bei Beginn der Messung wurden die
Schalter
Die
Beispiel 2Example 2
In
Der größte Gewinn wurde in Bereich
Im Bereich
Im Bereich
Im Bereich
Die Experimente der Beispiele 1 und 2 zeigen einen deutlichen Leistungsgewinn durch die erfindungsgemäße Vorrichtung. Besonders in Bereichen, in denen die Bestrahlung der Solarpanels von den optimalen Bedingungen, für welche die Solaranlage ausgelegt wurde, abweicht, kann die Vorrichtung trotz Fehlanpassung der Quelle maximale Leistung entnehmen und dem Lastwiderstand zuführen. Dies entspricht einer laufenden adaptiven Anpassung der Last an die Quelle unter Leistungsgewinn.The experiments of Examples 1 and 2 show a clear performance gain through the device according to the invention. Especially in areas where the solar panels are irradiated of the optimal conditions for Which device the solar system was designed, the device can despite maximum mismatch of the source take maximum power and that Apply load resistance. This corresponds to an ongoing adaptive adaptation of the load the source under performance gain.
- 11
- Vorrichtung bzw. MPP-Reglercontraption or MPP controller
- 22
- Last (elektrische)load (Electrical)
- 33
- Stromquellepower source
- 44
- DifferenziereinrichtungDifferentiator
- 55
- Verstärkeramplifier
- 66
- Vergleichercomparator
- 77
- Filtereinrichtungfiltering device
- 88th
- Einstelleinrichtungadjustment
- 99
- Reglerregulator
- 1010
- Erfassungseinrichtungdetector
- 1111
- Korrektureinrichtungcorrector
- 1212
- GleichrichteinrichtungRectifying means
- 1313
- Solarzellen (photovoltaische Zellen)solar cells (photovoltaic cells)
- 1414
- Normierungseinrichtungnormalization means
- 1515
- Maximum-ReglerMaximum slider
- 1616
- KennlinienanpassungseinrichtungCharacteristic adjusting means
- UQ U Q
-
Spannung
der Stromquelle
3 Power source voltage3 - IQ I Q
- im Stromquellenkreis fließender Stromin the Current source circuit flowing electricity
- PQ P Q
- Stromquellen-LeistungCurrent source power
- UA U A
-
Ausgangsspannung
des Verstärkers
5 Output voltage of the amplifier5 - IA I A
-
durch
die Last
2 fließender Stromby the load2 flowing current - PA P A
-
von
der Last
2 aufgenommene Last-Leistungfrom the load2 load power consumed - PV P V
- Verstärker-LeistungAmplifier power
- FF
-
Verstärkungsgrad
des Verstärkers
5 Amplification degree of the amplifier5 - TQ T Q
- Stromquellen-TemperaturPower source temperature
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