Das globale Maximum Power Point Tracking (MPPT) bezieht sich auf die Fähigkeit eines Wechselrichters, die gesamte Strom-Spannungs-Kurve (IV) einer Solaranlage periodisch abzufahren, um den Betriebspunkt zu finden, an dem die Anlage die meiste Energie erzeugt. Diese Funktion kann in Verbindung mit Bypass-Dioden in den Solarmodulen einen erheblichen Einfluss auf die Energieproduktion bei Anlagen mit Teilverschattung haben. Dieser Artikel behandelt die Konzepte des globalen MPPT und der Bypass-Dioden und erklärt, wie Aurora diese Funktionen implementiert.
Bypass-Dioden
Bei String-Wechselrichtern begrenzt das Modul, das aufgrund von Abschattung, Verschmutzung oder generell geringerer Einstrahlung die geringste Strommenge produziert, den Strom des gesamten Strings. Das liegt daran, dass die in Reihe geschalteten Module die gleiche Strommenge transportieren müssen. Wenn ein Modul nicht so viel Strom produzieren kann wie ein anderes, dann kann der Stringstrom nicht höher sein als der, den das schwächste Modul ausgeben kann. Dies führt dazu, dass die "stärksten" Module ihre maximale Leistung nicht mehr erreichen, so dass die Gesamtenergiemenge geringer ist als die, die sie für sich genommen erzeugen können.
Um dies abzumildern, integrieren viele Modulhersteller Bypass-Dioden Um zu erklären, wie dies funktioniert, untersuchen wir zunächst, wie Bypass-Dioden funktionieren würden, wenn sie auf Modulebene eingesetzt würden. Sobald wir das grundlegende Konzept verstanden haben, werden wir es auf die Funktionsweise von Bypass-Dioden anwenden, wenn sie auf Submodulebene angeschlossen sind. Betrachten Sie Abb. 1, in der eine einzelne Bypass-Diode parallel zu jedem Modul in einem String geschaltet ist. Wenn nur ein Modul schattiert ist, kann das Modul durch seine parallele Diode überbrückt werden. überbrückt so dass der höhere Strom der nicht beschatteten Module fließen kann, ohne durch das beschattete Modul beeinträchtigt zu werden. Das schwächere Modul ist effektiv kurzgeschlossen. Dies führt häufig zu einer höheren Ausgangsleistung des Arrays. Nehmen wir als Beispiel einen Fall, in dem neun von zehn Modulen in der Lage sind, 8 A Strom bei einer Spannung von 32,5 V abzugeben, aber eines der zehn Module verschattet ist und nur 1 A bei etwa der gleichen Spannung erzeugen kann. Wenn das schwache Modul nicht überbrückt wird, beträgt die Gesamtausgangsleistung ungefähr 10 * 32,5 V * 1 A = 325 W, da der gesamte String gezwungen ist, mit dem niedrigsten Strom zu arbeiten (beachten Sie, dass dies voraussetzt, dass die nicht beschatteten Module immer noch mit 32,5 V arbeiten; in Wirklichkeit werden sie näher an ihrer Leerlaufspannung arbeiten). Wenn wir jedoch das schattierte Modul umgehen können, beträgt die Gesamtausgangsleistung 9*32,5 V*8 A = 2.340 W, ohne den geringen Leistungsverlust durch den Spannungsabfall der Diode. Dies ist eindeutig ein Fall, in dem wir das schattierte Modul umgehen und mit einem höheren Strom arbeiten wollen.
Abb. 1: Illustration von Bypass-Dioden parallel zu jedem Modul in einem String. Der positive Anschluss der Diode (Anode) ist mit dem negativen Anschluss des Moduls verbunden, und der negative Anschluss der Diode (Kathode) ist mit dem positiven Anschluss des Moduls verbunden.
Global MPPT
Die Strom-Spannungs-Kurve (IV) und die Leistungs-Spannungs-Kurve (PV) des Solarmoduls im schattierten Zustand spiegeln alle möglichen Betriebspunkte wider (in unserem einfachen Fall: niedriger Strom und hoher Strom). Abb. 2 zeigt ein Beispiel dafür, wo ein "globaler" maximaler Leistungspunkt gefunden wird, wenn das Array mit einem höheren Strom und einer niedrigeren Spannung (≈22 V) betrieben wird, und wo ein "lokaler" maximaler Leistungspunkt gefunden wird, wenn das Array mit einem niedrigeren Strom und einer höheren Spannung (≈38 V) betrieben wird; ersterer tritt auf, wenn die Bypass-Diode des schattierten Moduls "aktiviert" ist, und letzterer tritt auf, wenn die Bypass-Diode des schattierten Moduls keinen Strom führt. Durch die Einstellung der Betriebsspannung des Strings kann der Wechselrichter entscheiden, an welchem Punkt er arbeiten soll.
Abb. 2: (links) IV- (blau) und PV-Kurve (rot) einer Solaranlage ohne Verschattung; (rechts) IV- (blau) und PV-Kurve (rot) einer Solaranlage mit Verschattung, bei der die Aktivierung von Bypass-Dioden zu mehreren möglichen Betriebspunkten führt. Bildquelle: Digikey
Nicht alle Wechselrichter, die ein Maximum Power Point Tracking (MPPT) durchführen, sind in der Lage, die gesamte IV-Kurve zu durchsuchen, um den Betriebspunkt zu finden, der die höchstmögliche Leistung erbringt, wobei einige Module möglicherweise übergangen werden. Einige Wechselrichter sind darauf beschränkt, den Punkt maximaler Leistung nur in einer lokalen Region zu suchen, in der er "normalerweise" liegt - dies ist typischerweise die Hochspannungslösung, bei der keine Module überbrückt werden, und infolgedessen ist dieser "Punkt maximaler Leistung" möglicherweise nicht das globale Optimum, das zur größtmöglichen Ausgangsleistung führt. Die meisten modernen Wechselrichter für Privathaushalte sind in der Lage, den maximalen Energiepunkt global zu verfolgen, da Abschattungen aufgrund von Bäumen und Hindernissen üblich und zu erwarten sind.
Auroras Komponentendatenbank wurde aktualisiert, um zu zeigen, welche Wechselrichter in der Lage sind, die IV-Kurve zu scannen, um die höchstmögliche Ausgangsleistung zu finden. Wenn Sie eine Aurora-Leistungssimulation mit einem Wechselrichter durchführen, der über die Funktion "Global MPPT" verfügt (Abb. 3), ermittelt Aurora einen globalen Punkt maximaler Leistung, an dem schwächere Module umgangen werden können. Wenn ein Modul überbrückt wird, modelliert Aurora einen typischen Spannungsabfall der Diode von 0,7 V pro Bypass-Diode, abhängig vom Strom durch die Diode. Die Module in Auroras Komponentendatenbank wurden ebenfalls aktualisiert und enthalten nun Informationen darüber, wie viele Bypass-Dioden in einem einzelnen Modul integriert sind. Wenn ein Modul drei Bypass-Dioden enthält und schließlich überbrückt wird, ergibt sich ein Spannungsabfall von 2,1 V über dem Modul. Der Spannungsabfall der Diode multipliziert mit dem Stringstrom ist die Verlustleistung, die mit der Aktivierung der Bypass-Diode verbunden ist. Dieser Leistungsverlust wird automatisch in Auroras Leistungsschätzung berücksichtigt. Die Effizienz des MPPT bei der Suche nach dem globalen Punkt maximaler Leistung, d.h. wie viel Zeit der MPPT mit der Suche nach der maximalen Leistung verbringt und nicht mit dem tatsächlichen Betrieb, wird nicht berücksichtigt. Wenn der Wechselrichter das "globale" Maximum Power Point Tracking unterstützt, wird angenommen, dass der Wechselrichter während des gesamten Simulationsschritts von einer Stunde am globalen Maximum Power Point arbeitet.
Abb. 3: Beispiel eines Wechselrichters in Auroras Komponentendatenbank mit "Global MPPT"-Funktionalität.
Bis auf Weiteres können nur Wechselrichter, die in der Aurora Komponentendatenbank mit globaler MPPT-Funktionalität angeboten werden, Bypass-Dioden simulieren. Sie können keine globale MPPT-Simulation mit benutzerdefinierten Komponenten durchführen.
Auswirkungen auf die Energieproduktion
- An Standorten mit starker Abschattung durch Hindernisse, Bäume und Gebäude wird ein Wechselrichter mit globaler MPPT-Funktionalität wahrscheinlich eine höhere Gesamtproduktion erzielen als ein Wechselrichter ohne diese Funktion. Standorte ohne Verschattung werden im Allgemeinen nicht anders abschneiden, unabhängig davon, ob der Wechselrichter über ein globales Maximalleistungs-Tracking verfügt oder nicht, da es bei fehlender Verschattung keinen Grund gibt, die Module zu umgehen.
- In manchen Fällen ist es nie optimal, wenn Bypass-Dioden aktiviert werden. Wenn z.B. ein String in einem Design mit vielen parallelen Strings verschattet ist, dann senkt das Absenken der Spannung des verschatteten Strings durch die Überbrückung von Modulen die Spannung über alle parallelen Strings, da parallele Strings die gleiche Spannung haben müssen. Dadurch werden die "guten" Strings von ihrer maximalen Leistung abgezogen, was zu einer geringeren Gesamtausgangsleistung führen kann als in dem Szenario, in dem die verschatteten Module nicht umgangen werden.
- In seltenen Fällen können Sie eine höhere Gesamtproduktion feststellen, wenn Sie keine Bypass-Dioden simulieren oder einen Wechselrichter ohne globales Maximum Power Point Tracking verwenden. Denn es ist möglich, dass Wechselrichter - sowohl in der Realität als auch in der Simulation - in Regionen mit einem lokalen Maximum auf der Leistungs-Spannungs-Kurve stecken bleiben.
- Bypass-Dioden sind kein Ersatz für Leistungselektronik auf Modulebene, wie z.B. DC-Optimierer oder Mikro-Wechselrichter. Im besten Fall wird eine Bypass-Diode den Leistungsbeitrag eines Moduls effektiv auf Null setzen. Ein DC-Optimierer oder Mikro-Wechselrichter wird jedoch immer noch so viel Energie wie möglich von einem verschatteten Modul ernten, ohne die Betriebspunkte anderer Module in Ihrem Design zu beeinträchtigen.