Verfahren zur Messung des dynamischen Maximum-Power- Point-Trackings bei Netzverbund-Wechselrichtern

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1 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 Verfahren zur Messung des dynamischen Maximum-Power- Point-rackings bei Netzverbund-Wechselrichtern Heinrich Häberlin und Philipp Schärf Berner Fachhochschule (BFH), echnik und Informatik, Labor für Photovoltaik Jlcoweg 1, CH-34 Burgdorf / SCHWEIZ el: , Fax: heinrich.haeberlin@bfh.ch Internet: Einführung Die im Jahre 25 eingeführte Grösse "Gesamtwirkungsgrad" oder "totaler Wirkungsgrad" η tot eignet sich sehr gut zur ganzheitlichen Beschreibung des Verhaltens von Netzverbund-Wechselrichtern [1] und wird nun auch von anderen Institutionen und der Fachpresse (z.b. Photon) verwendet. Dieser totale Wirkungsgrad η tot ist das Produkt aus DC- AC-Umwandlungswirkungsgrad η und statischem MPP-racking-Wirkungsgrad η MPP. Neben dem statischen Betriebsverhalten, das durch η, η MPP und η tot gut beschrieben werden kann, interessiert in der Praxis natürlich auch das dynamische Verhalten. Es ist für Zeiten mit rasch wechselnder Einstrahlung von Interesse. Aus Sicht des PV- Anlagenbetreibers ist ein gutes dynamisches MPP-racking zur Erzielung eines hohen Energieertrags sehr erwünscht. Erste Messungen des dynamischen MPP-rackings sind in [2] und [3] dargestellt. Dank den umfangreichen Messdaten aus den Langzeit-Monitoring-Projekten des PV- Labors der BFH-I kann sehr schön gezeigt werden, dass dynamische MPP-racking Probleme in der Praxis wirklich vorkommen. Bild 1 zeigt ein Beispiel eines solchen Problems, das durch wiederholte Schwankungen der Einstrahlung hervorgerufen wurde. Bild 1: Dynamisches MPP- racking Problem an einer PV-Anlage am Zwischen 14: und 14:35 ist die vom Wechselrichter aufgenommene Leistung P DC im Verhältnis zur Einstrahlung zeitweise zu tief, da die von ihm eingestellte DC-Spannung wegen der Schwankungen der Einstrahlung manchmal deutlich höher ist als die MPP- Spannung U MPP. 1

2 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 Definition des statischen MPP-racking-Wirkungsgrades η MPP Der statische MPP-racking-Wirkungsgrad η MPP ist wie folgt definiert [1]: η MPP = M u DC P ( t) i MPP DC ( t) dt M () 1 u DC (t) = Spannung, i DC (t) = Strom am DC-Eingang des Wechselrichters. P MPP = Verfügbare maximale PV-Leistung im MPP. M = Dauer der Messung (Beginn bei t = ). Der Ausdruck im Nenner stellt die gesamte MPP-Energie dar, die unter optimalen Bedingungen vom Wechselrichter absorbiert werden könnte. Bei genügend langen Messzeiten M (nach einer gewissen Vorhaltezeit zur Stabilisierung, z.b. 3 s) sind Messungen des statischen MPP-acking Wirkungsgrads η MPP gut reproduzierbar. Bei Wechselrichtern, die periodisch einen MPP-Suchprozess in grösserer Entfernung vom bisherigen Arbeitspunkt unternehmen, können jedoch besonders bei kleineren M -Werten gewisse Abweichungen zwischen den einzelnen Messungen auftreten (siehe Bild 2). SolarMax 1C: DC-Arbeitspunkte bei U MPP = 44 V P-DC U-DC M = 1 : η MPP = 99,85% M = 2 : η MPP = 96,51% Zeit [s] M = - 6 s: η MPP = 98,71% PV-Simulator 1kW, Kennlinie: FF = 8% Bild 2: Zeitlicher Verlauf von P DC und U DC beim Betrieb eines 1 kw- Wechselrichters bei kleiner Leistung (P MPP 2,65 kw). Im Abstand von etwa 6 Minuten sucht das Gerät nicht nur unmittelbar um den MPP, sondern in einem weiteren Umkreis [4]. Je nach Dauer und Beginn der Messperiode M ergeben sich unterschiedliche Werte für η MPP zwischen etwa 93% und 1%. Definition des dynamischen MPP-racking Wirkungsgrades η MPPdyn Für dynamische ests, die age mit wechselnder Bewölkung simulieren, sind Variationen zwischen verschiedenen Stufen mit bekannten P MPP -Werten nötig. Einfach zu realisieren sind ests mit quasi rechteckiger Variation zwischen zwei verschiedenen Leistungsstufen. Sie geben einen guten Einblick in das Regelverhalten des Wechselrichters, sind für die Praxis aber etwas zu streng. Resultate solcher ests wurden bereits in [2] und [3] gezeigt. Etwas realistischer sind ests mit Rampen des Stromes (proportional Einstrahlung) resp. der MPP-Leistung. Sie sind aber mit der erforderlichen hohen Messgenauigkeit schwieriger zu realisieren. Vor dem Beginn eines dynamischen MPP-racking-ests ist wie bei den statischen ests eine Stabilisierungsperiode von einigen Minuten nötig. Dann folgen einige estzyklen, während denen die effektive dynamische MPP-Messung stattfindet. Wechselrichter hinken dem tatsächlichen MPP immer etwas hinterher, deshalb wird die angebotene MPP-Leistung nach einer Änderung nicht sofort vollständig absorbiert. 2

3 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 Der dynamische MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn wird dann wie mit (1) definiert: η MPPdyn = M u DC M ( t) i p MPP DC ( t) dt ( t) dt ( 2) u DC (t) = Spannung, i DC (t) = Strom am DC-Eingang des Wechselrichters. p MPP (t) = Verfügbare maximale PV-Leistung des PV- Simulators im jeweiligen momentanen MPP. M = Dauer der Messung (Beginn bei t = ). Das Integral im Nenner stellt die gesamte MPP- Energie dar, die unter optimalen Bedingungen vom Wechselrichter absorbiert werden könnte. Definition und Beschreibung der verschiedenen estrampen Im Rahmen des DKE-Arbeitskreises zur Erarbeitung einer Norm für den Gesamtwirkungsgrad von Wechselrichtern wurden im Laufe des Jahres 28 verschiedene estmuster mit Rampen für derartige dynamische Wechselrichtertests (siehe Bild 3 und 4) untersucht. Dabei sollen n und t 1... t 4 in einem grösseren Bereich variiert werden, um zu testen, ob der MPP-Algorithmus des Wechselrichters verschieden schnellen Strahlungsschwankungen problemlos folgen kann. G G SC 5% Normiertes Einstrahlungsäquivalent t 1 t 2 t 3 t 4 n Wiederholungen G G SC 1% Normiertes Einstrahlungsäquivalent t 1 t 2 t 3 t 4 n Wiederholungen Vorhaltezeit Vorhaltezeit 1% Muster: z.b.12x (15/5H/15/5L) t Bild 3: est mit Schwankungen zwischen kleiner und mittlerer Leistung (1% und 5% von G SC, mit nennenswerter U MPP -Variation). 3% Muster: z.b.12x (15/5H/15/5L) t Bild 4: est mit Schwankungen zwischen mittlerer und grosser Leistung (3% und 1% von G SC, mit geringer U MPP -Variation). Die einzelnen ests werden durch den folgenden Beschreibungscode definiert (abelle 1): Anzahl n Wiederholungen, dann x und in Klammern jeweils die Dauer t 1 des Anstiegs in Sekunden, dann die Verweilzeit t 2 auf hohem Niveau in Sekunden (Zahl + H), dann die Dauer des Abfalls t 3 in Sekunden, dann die Verweilzeit auf tiefem Niveau t 4 in Sekunden (Zahl + L). Gemäss dem im Simulator verwendeten Kennlinienmodell (Eindiodenmodell) ist P MPP etwa proportional G, während U MPP entsprechend der gerade eingestellten Einstrahlung G leicht variiert. Die Messungen sind recht aufwändig: Eine Messung nach ab. 1 inkl. Vorhaltezeiten von je 3 s auf der Ausgangstufe dauert knapp 6½ Stunden. Von Juni bis Oktober 28 wurden zunächst viele ests mit teilweise schärferen und teilweise milderen estrampen als in abelle 1 gezeigt durchgeführt. Die darin beschriebenen estrampen stellen einen nach eingehenden Diskussionen und vielen estmessungen im DKE-Arbeitskreis erzielten Kompromiss dar, der nun auch im Entwurf für eine provisorische EN (FprEN553) enthalten ist. 3

4 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 Einstrahlungsvariation 1 % 5% von G SC Anzahl Steilheit Art Dauer n [W/m 2 /s] [s] 2.5 (8 / 1H / 8 / 1L) (4 / 1H / 4 / 1L) (2 / 1H / 2 / 1L) (133 / 1H / 133 / 1L) (8 / 1H / 8 / 1L) (57 / 1H / 57 / 1L) (4 / 1H / 4 / 1L) (29 / 1H / 29 / 1L) (2 / 1H / 2 / 1L) (13 / 1H / 13 / 1L) (8 / 1H / 8 / 1L) 66 otal Vorhalte- und Messzeit Einstrahlungsvariation 3 % 1% von G SC Anzahl Steilheit Art Dauer n [W/m 2 /s] [s] 1 1 (7 / 1H / 7 / 1L) (5 / 1H / 5 / 1L) (35 / 1H / 35 / 1L) (23 / 1H / 23 / 1L) (14 / 1H / 14 / 1L) (7 / 1H / 7 / 1L) 64 otal Vorhalte- und Messzeit 6987 abelle 1: Vorgesehene Rampentests, Anzahl Wiederholungen und Steilheit für Leistungsvariationen. Vor jeder Messung erfolgt eine Stabilisierung von 3 s auf der Ausgangsstufe. Bei Geräten, die nicht schon über ein sehr gutes dynamisches MPP-racking verfügen, stellt die exakte Reproduzierbarkeit der Messungen ein gewisses Problem dar. Je nach der momentanen DC-Spannung des Wechselrichters, der aktuellen U MPP -Suchrichtung (nach oben oder unten) und dem Stand der inneren Uhr des Gerätes zu Beginn des dynamischen ests ergeben sich bei identischen ests an gleichen Wechselrichtern manchmal verschiedene Werte für den dynamischen MPP-racking-Wirkungsgrad. Während der Entwicklung der ests wurden auch analoge ests mit Beginn auf der hohen statt auf der tiefen Leistungsstufe durchgeführt. Dadurch ergab sich natürlich eine nochmalige Verdoppelung der erforderlichen Messzeit. Da sich daraus aber keine grundlegend neuen Erkenntnisse ergaben, wurde bei der definitiven Festlegung der estmuster darauf verzichtet, um den Aufwand nicht allzu gross werden zu lassen. Übersichtsdiagramme mit Ergebnissen von dynamischen ests an Wechselrichtern mit Rampen gemäss abelle 1 Mit solchen Rampen wurden ests an insgesamt sechs verschiedenen Wechselrichtern (WR1 bis WR6) durchgeführt. Der vom Hersteller verwendete MPP-racking-Algorithmus hat einen grossen Einfluss auf das dynamische MPP-racking. Diesbezüglich speziell interessant waren ests mit zwei Geräten, bei denen je eine ältere und eine bezüglich des dynamischen MPP-rackings verbesserte Firmware verfügbar waren. Da es in diesem Beitrag primär um die Entwicklung geeigneter estverfahren und nicht um die Qualifizierung einzelner Wechselrichter geht, wurden die ypen und Hersteller der getesteten Geräte in diesem Beitrag entgegen unseren sonstigen Gepflogenheiten ausnahmsweise anonymisiert. Bild 5, 6 und 7 zeigen die Ergebnisse derartiger dynamischer MPP-ests am WR3 resp. WR6 mit älterer Firmware. Bei verschiedenen estdurchläufen ist die Reproduzierbarkeit nicht überall gegeben, wie ein Vergleich von Bild 5 und 6 zeigt (detailliertere Analyse der Gründe siehe Bilder 17 und 19). Bei gewissen Rampensteilheiten haben die Geräte Probleme und die gemessenen Werte von η MPPdyn sind teilweise deutlich < 1%. 4

5 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 ηmppdyn in % ηmppdyn in % ηmppdyn in % Dyn. MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn für WR3 (U MPP high = 295V); mittleres estmuster, alte Firmware, 1.est 1% --> 5% 9 3% --> 1% Dyn. MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn für WR3 (U MPP high = 295V); mittleres estmuster, alte Firmware, 2.est 1% --> 5% 9 3% --> 1% Dyn. MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn für WR6 (U MPP high = 33V); alte FW 1% --> 5% 3% --> 1% Bild 5: Rampentests nach ab. 1 beim WR3 mit alter Firmware aus 25 (1. estdurchlauf). Die gemessenen Werte von η MPPdyn liegen im Bereich von 96 1%, es tritt hier aber bei keiner Steilheit eine ausgeprägte "Resonanzstelle" auf, bei der das Gerät massiv aus dem ritt gerät. Bild 6: Rampentests nach ab. 1 beim WR3 mit alter Firmware aus 25 (2. estdurchlauf). Bei einer Rampensteilheit von 2 W/m 2 /s tritt hier eine ausgeprägte "Resonanzstelle" auf, bei der das Gerät aus dem ritt gerät. Bei dieser Steilheit ist das Verhalten deutlich schlechter als in Bild 5. Es ist keine exakte Reproduzierbarkeit festzustellen. Bild 7: Rampentests nach ab. 1 bei einem anderen Gerät (WR6, mit alter Firmware). Dieses Gerät hat keine Probleme mit sehr langsamen Rampen, zeigt aber Einbrüche im Bereich von etwa 3 W/m 2 /s bis 2W/m 2 /s und hat hier eine ausgeprägte "Resonanzstelle" bei einer Rampensteilheit von 1 W/m 2 /s. Bild 8, 9 und 1 zeigen die Ergebnisse analoger ests mit den genau gleichen Geräten, bei denen jedoch jeweils eine von den Herstellern verbesserte Firmware eingesetzt wurde. Die estergebnisse und ihre Reproduzierbarkeit sind bei beiden Geräten nun hervorragend. Diese gute Reproduzierbarkeit wurde bei allen Geräten beobachtet, die bei diesen ests gut abschneiden. Probleme mit der Reproduzierbarkeit wurden bisher nur bei Geräten mit schlechtem dynamischem Verhalten beobachtet. Durch einfache Verbesserung der Software kann somit das dynamische MPP-racking von Wechselrichtern massiv verbessert werden! 5

6 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 ηmppdyn in % ηmppdyn in % ηmppdyn in % Dyn. MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn für WR3 (U MPP high = 295V); mittleres estmuster, neue Firmware, 1.est Massstab stark gedehnt! % --> 5% % --> 1% Dyn. MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn für WR3 (U MPP high = 295V); mittleres estmuster, neue Firmware, 2.est Massstab stark gedehnt! % --> 5% % --> 1% Dyn. MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn für WR6 (U MPP high = 33V); neue FW (Beta-Version) Massstab stark gedehnt! % --> 5% % --> 1% Bild 8: Rampentests nach ab. 1 beim Wechselrichter WR3 mit neuer Firmware (1. estdurchlauf). Der Massstab ist hier stark gedehnt. Das dynamische MPP- racking mit dieser Firmware ist hervorragend und die Messergebnisse sind gut reproduzierbar (vergl. Bild 9). Bild 9: Ergebnisse eines vollständigen Rampentests nach ab. 1 beim Wechselrichter WR3 mit neuer Firmware (2. estdurchlauf). Der Massstab ist hier stark gedehnt. Das dynamische MPP- racking mit dieser Firmware ist hervorragend und die Messergebnisse sind gut reproduzierbar (vergl. Bild 8). Bild 1: Rampentests nach ab. 1 bei einem anderen Gerät (WR6, auch mit neuer, verbesserter Firmware). Der Massstab ist hier ebenfalls stark gedehnt. Das dynamische MPP- racking mit dieser Firmware ist auch hier sehr gut. Die Bilder 11, 12 und 13 zeigen die Ergebnisse weiterer ests mit den estmustern gemäss abelle 1 an anderen Geräten. Die estergebnisse sind hier nicht mehr so gut wie bei den Bildern 8 1. Bei Bild 11 und 12 ist η MPPdyn oft deutlich kleiner als 1%, deshalb ist hier auch die Reproduzierbarkeit schlechter. 6

7 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 ηmppdyn in % ηmppdyn in % ηmppdyn in % 1 95 Dyn. MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn für WR4 (U MPP high = 28 V); 1.est 9 1% --> 5% 3% --> 1% Dyn. MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn für WR4 (U MPP high = 28 V); 2.est 1% --> 5% 3% --> 1% Dyn. MPP-racking-Wirkungsgrad η MPPdyn für WR5 (U MPP high = 37V) 1% --> 5% 3% --> 1% Bild 11: Rampentests nach ab. 1 bei einem anderen Gerät (WR4, 1. estdurchlauf). Das Gerät zeigt hier bei allen Rampensteilheiten gewisse Probleme, besonders aber bei sehr grossen Rampensteilheiten. Der Vergleich mit Bild 12 zeigt, dass die Werte auf den einzelnen Messpunkten nicht exakt reproduzierbar sind. Bild 12: Rampentests nach ab. 1 beim gleichen Gerät wie in Bild 11 (WR4, 2. estdurchlauf). Das Gerät hat hier bei kleinen Rampensteilheiten etwas weniger Probleme, zeigt dafür einen tieferen Einbruch bei 2W/m 2 /s. Am schlechtesten schneidet es wie bei Bild 11 bei der grössten Rampensteilheit ab. Bild 13: Ergebnisse eines vollständigen Rampentests nach ab. 1 bei einem anderen Gerät (WR5). Das dynamische MPP- racking mit dieser Firmware ist zwar ein wenig schlechter als in Bild 8 1, aber immer noch ziemlich gut. Zeitdiagramme der dynamischen ests zur vertieften Analyse Um einen vertieften Einblick in das Verhalten während des dynamischen ests zu erhalten, ist es zweckmäßig, nicht nur die vom estobjekt aufgenommene Leistung P DC, sondern auch die Spannung U DC, auf der das Gerät arbeitet, in Funktion der Zeit darzustellen (siehe Bilder 14-22). Dabei werden teilweise auch etwas andere, ältere estmuster als in ab. 1 verwendet. Die Bilder 14 und 15 zeigen je einen Rampentest mit WR4 und WR5, bei denen die Geräte ziemlich ausser ritt geraten. 7

8 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein WR4: Dynamische DC-Leistung bei U MPP = 28 V Pdc(t) 2 P MPP Low Udc(t) Zeit [min] η Muster: 3x (2/1H/2/1L) MPPdyn = 91,69% WR5: Dynamische DC-Leistung bei U MPP = 36 V P MPP Low Muster: 2x (1/5H/1/5L) Zeit [min] η MPPdyn = 86,7% Pdc(t) Udc(t) Bild 14: Zeitdiagramm eines Rampentests nach ab. 1 mit 2 W/m 2 /s beim WR4 (1% 5%). U DC beginnt beim richtigen U MPP, sinkt dann aber trotz steigendem P immer weiter ab. Bei fallendem P bleibt U DC konstant. Erst beim nächsten P-Anstieg steigt U DC wieder, fällt jedoch beim übernächsten erneut. η MPPdyn beträgt hier 91,7%. Bild 15: Detailliertes Zeitdiagramm eines Rampentests mit 4 W/m 2 /s (1% 5%) beim WR5. Im Laufe des ests sinkt U DC im Vergleich zu U MPP immer weiter ab und entsprechend sinkt auch P DC immer weiter ab. η MPPdyn beträgt hier 86,7%. Wie bereits erwähnt, wurden während der Entwicklung der estverfahren auch ests mit Beginn auf der hohen Stufe durchgeführt (statt wie in ab. 1 nur auf der tiefen). Bild 16 und 17 zeigen das Verhalten des WR3 mit alter Firmware bei einem solchen Rampentest. Bei den dargestellten ests kann die Ursache für das nicht reproduzierbare Verhalten bei dem verwendeten MPP-racking Algorithmus sehr schön gezeigt werden und eine Steilheit von 1 W/m 2 /s scheint recht kritisch zu sein. Bei den in Bild 5 und 6 gezeigten ests von tief nach hoch sind aber offenbar Steilheiten von 2 W/m 2 /s kritischer Leistungsangebot High Low WR3, alte FW: Dynamische DC-Leistung bei U MPP = 29 V Pdc(t) Udc(t) P MPP Low Muster: 7x (4/5H/4/5L) Zeit [min] η MPPdyn = 8,5% Bild 16: Zeitdiagramm eines Rampentests beim WR3 mit alter Firmware (hier mit Beginn auf hoher Leistungsstufe). Wenn P abnimmt oder konstant bleibt, bleibt auch U DC konstant, bei P-Zunahme wird U DC erhöht, obwohl U DC schon über U MPP liegt. Eine detaillierte Analyse mit Erklärung folgt in Bild 17. Bei Bild 16 und 17 (gedehnter Ausschnitt) beginnt das Gerät richtigerweise bei U MPP der hohen Stufe, erhöht dann aber bei steigenden Rampen U DC dauernd, so dass das Gerät auf der Kennlinie in Richtung Leerlauf davonläuft und P DC immer mehr absinkt. Erst bei Erreichen der Leerlaufspannung auf der tiefen Stufe wird die Suchrichtung umgekehrt. 8

9 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein WR3, alte FW: Dynamische DC-Leistung bei U MPP = 29 V Pdc(t) Udc(t) 5 P-Zunahme bei ΔU >, 26 U wird weiter erhöht! P MPP Low Muster: 7x (4/5H/4/5L) Zeit [min] η MPPdyn = 8,5% Leistungsangebot High Low P-Abnahme bei ΔU >, U bleibt etwa konstant! - 3 Min. gedehnt Bild 17: Gedehnter Ausschnitt aus Bild 16. Solange die Leistung steigt, nimmt der MPP- Algorithmus einfach an, dass die Leistungssteigerung auf Grund der vorher vorgenommenen Änderung von U DC erfolgt ist und dass deshalb nur in der gleichen Richtung weiter gesucht werden soll. Beobachtungsintervall 5s. Wie Bild 17 sehr schön zeigt, wurde unmittelbar vor Beginn der steigenden P DC -Rampe U DC etwas erhöht. Der MPP-Algorithmus nimmt nun an, dass diese Steigerung von P DC eine Folge der U DC -Erhöhung ist und dass er einfach in dieser Richtung weiterfahren soll. Wenn P abnimmt oder konstant bleibt, wird dagegen U DC ungefähr konstant gehalten. Bild 18 und 19 (gedehnter Ausschnitt) zeigt ein detailliertes Zeitdiagramm eines Rampentests gemäss ab. 1 mit 2 W/m 2 /s (1% 5%) beim WR3 mit alter Firmware. Wegen einer anderen Stellung der internen Uhr zu Beginn des ests erniedrigt das Gerät diesmal aber bei steigenden Rampen nun U DC dauernd, so dass das Gerät auf der Kennlinie in Richtung Kurzschlusspunkt davonläuft und P DC allmählich absinkt. Da die Leistung beim Weglaufen zu tieferen Spannungen nicht so rasch sinkt wie beim Weglaufen in Richtung Leerlauf, nimmt P DC weniger rasch ab und η MPPdyn sinkt nicht ganz so tief WR3, alte FW: Dynamische DC-Leistung bei U MPP = 298 V Pdc(t) Udc(t) P MPP Low Muster: 1x (2/1H/2/1L) Zeit [min] η MPPdyn = 88,44% WR3, alte FW: Dynamische DC-Leistung bei U MPP = 298 V P-Zunahme bei ΔU <, U wird weiter erniedrigt! - 2 Min. gedehnt P-Abnahme, U bleibt etwa konstant! P MPP Low Pdc(t) Udc(t) Muster: 1x (2/1H/2/1L) Zeit [min] η MPPdyn = 88,44% Bild 18: Detailliertes Zeitdiagramm eines Rampentests gemäss ab. 1 mit 2 W/m 2 /s (1% 5%) beim WR3 mit alter Firmware. Wenn P abnimmt oder konstant bleibt, bleibt auch U DC konstant, bei P-Zunahme wird U DC erniedrigt. η MPPdyn beträgt hier 88,4%. Eine detaillierte Analyse mit Erklärung folgt in Bild 19. Bild 19: Gedehnter Ausschnitt aus Bild 18. Das gezeigte Verhalten kann wie in Bild 16 und 17 erklärt werden: Solange P steigt, nimmt der MPP-Algorithmus an, dass der Grund für P-Zunahme die vorher erfolgte Änderung von U DC ist und dass in die gleiche Richtung weiter gesucht werden soll. 9

10 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 Wie Bild 19 zeigt, wurde vor Beginn der steigenden P DC -Rampe U DC etwas erniedrigt. Der MPP-Algorithmus nimmt nun an, dass diese Steigerung von P DC eine Folge der U DC -Reduktion ist und dass er einfach in dieser Richtung weiterfahren soll. Bei P- Abnahme wird U DC ungefähr konstant gehalten. Die Bilder 2 bis 22 zeigen die Ergebnisse einiger ests mit WR6 und WR3 mit neuer, verbesserter Firmware, bei denen das dynamische MPP-racking nun sehr gut ist WR6, neue FW: Dynamische DC-Leistung bei U MPP = 34 V Pdc(t) Udc(t) 5 P MPP Low Muster: 1x (4/1H/4/1L) Zeit [min] η MPPdyn = 99,68% Bild 2: Detailliertes Zeitdiagramm eines Rampentests gemäss ab. 1 mit 1 W/m 2 /s (1% 5%) beim WR6 mit neuer Firmware. U DC beginnt bei U MPP der tiefen Stufe und steigt langsam gegen U MPP der hohen Stufe an. Das Verhalten ist nun hervorragend und η MPPdyn erreicht den sehr guten Wert von 99,7%. Die Bilder 21 und 22 zeigen einen gleichen est wie in Bild 18 und 19 mit 1 Rampen (2/1H/2/1L, 1% 5%, Steilheit 2 W/m 2 /s) beim WR3 mit neuer Firmware. In diesem Fall verhält sich das Gerät viel besser WR3, neue FW: Dynamische DC-Leistung bei U MPP = 297 V P MPP Low Pdc(t) Udc(t) Muster: 1x (2/1H/2/1L) Zeit [min] η MPPdyn = 99,59% WR3, neue FW: Dynamische DC-Leistung bei U MPP = 297 V - 3 Min. gedehnt P MPP Low Pdc(t) Udc(t) Muster: 1x (2/1H/2/1L) Zeit [min] η MPPdyn = 99,59% Bild 21: Detailliertes Zeitdiagramm eines Rampentests gemäss ab. 1 mit 2 W/m 2 /s (1% 5%) beim WR3 mit neuer Firmware (gleiches estmuster wie bei Bild 18). U DC beginnt knapp unterhalb von U MPP der tiefen Stufe und folgt rasch dem jeweils richtigen U MPP -Wert. η MPPdyn erreicht hier den sehr guten Wert von 99,6%. Bild 22: Gedehnter Ausschnitt aus Bild 21. Anhand dieses Diagramms ist die Funktionsweise des neuen, verbesserten MPP- racking-algorithmus gut zu erkennen. Da das Beobachtungsintervall hier nur etwa 2 s beträgt, reagiert der MPP- Algorithmus auch viel schneller auf Änderungen. 1

11 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 Hier zieht der MPP-Algorithmus in Betracht, dass eine Zu- oder Abnahme von P DC nicht unbedingt eine Folge der vorgängigen Veränderung von U DC sein muss, sondern auch andere Ursachen (Veränderung der Einstrahlung) haben könnte, sucht ab und zu in die Gegenrichtung und bleibt ggf. auf der Spannung stehen. Schlussbemerkungen Die zahlreichen bisher durchgeführten ests haben gezeigt, dass das dynamische MPP- racking-verhalten durch eine geeignete, intelligente Steuersoftware deutlich verbessert werden kann, ohne dass das statische MPP-racking dadurch beeinträchtigt wird. Es konnte gezeigt werden, dass bei zwei Geräten durch blosse Verbesserung der MPP- racking-software ohne Änderungen an der Hardware sehr starke Verbesserungen des dynamischen MPP-Verhaltens möglich waren. Jeder Hersteller sollte deshalb in der Lage sein, ohne grossen Aufwand analoge Verbesserungen vorzunehmen. Die vorgestellten estverfahren mit Rampen mit vielen verschiedenen Steilheiten sind geeignet, bei vertretbarem zeitlichem Aufwand die Qualität und Schnelligkeit des dynamischen MPP-rackings zu überprüfen. Dank den vielen verschiedenen Rampensteilheiten, die bei den ests verwendet werden, sollten bei allen Wechselrichtern noch vorhandene Probleme erkannt werden können. Etwas unbefriedigend ist allerdings die atsache, dass bei Geräten mit schlechtem dynamischem MPP-Verhalten gewisse Probleme bei der Reproduzierbarkeit der Messwerte auf den einzelnen Stufen bestehen. Wie gezeigt wurde, ist dies aber ein grundsätzliches Problem, denn die Überprüfung des MPP-rackings in einem Wechselrichter erfolgt immer mit einer von seiner internen Uhr gesteuerten Periodizität und eine Synchronisation zwischen der estapparatur und dieser inneren Uhr ist grundsätzlich nicht möglich. Bei allen bisher durchgeführten ests war die Reproduzierbarkeit bei Geräten mit gutem dynamischem MPP-Verhalten aber sehr gut. In der erwähnten provisorischen EN (FprEN553) wird auch ein Anlauf-/Abschalttest mit einer langsamen Variation von G im Bereich,2% bis 1% G SC beschrieben. Obwohl auch derartige ests bereits für einige Wechselrichter durchgeführt wurden, kann aus Platzgründen hier nicht mehr auf die Resultate dieser ests eingegangen werden. Literatur [1] H. Häberlin, L. Borgna, M. Kämpfer und U. Zwahlen: "otaler Wirkungsgrad ein neuer Begriff zur besseren Charakterisierung von Netzverbund-Wechselrichtern". 2. Symposium Photovoltaik, Staffelstein, 25. [2] H. Häberlin, M. Kämpfer und U. Zwahlen: "Messung des dynamischen Maximum- Power-Point-rackings bei Netzverbund-Wechselrichtern". 21. Symposium Photovoltaik, Staffelstein, 26. [3] Häberlin, L. Borgna, M. Kämpfer, U. Zwahlen "Measurement of Dynamic MPP- racking Efficiency at Grid-Connected PV Inverters". 21 st EU PV Conf., Dresden, Germany, September 26. [4] H. Häberlin, L. Borgna, D.Gfeller und U. Zwahlen: "Resultate von ersten ests von 1kW-Wechselrichtern mit dem neuen Solargenerator-Simulator von 1 kw". 24. Symposium Photovoltaik, Staffelstein,

12 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 Measurement of Dynamic MPP-racking Efficiency at Grid-Connected PV Inverters H. Haeberlin and Ph. Schaerf, PV Laboratory, BFH-I, CH-34 Burgdorf/Switzerland he new quantity overall or total efficiency η tot is very suitable to describe overall behaviour of grid-connected inverters [1] and is now also used by other institutions and professional journals (e.g. Photon). his overall efficiency is the product of DC-AC conversion efficiency η and static MPP tracking efficiency η MPP. At locations, where there are often variable cloudy conditions, besides static behaviour also the dynamic MPP-behaviour has to be considered. A good dynamic behaviour under quickly changing irradiance is needed for optimum energy yield at higher latitudes. Owing to the many data obtained in our long-term monitoring projects it can be clearly shown that dynamic MPP-tracking problems actually occur in real operation of PV systems. In this contribution, new test ramps (as proposed in FprEN553) and first results of tests performed with repeated sequences of such ramps on six different inverters are described. It could be shown at several inverters that by simple improvement of the control software a significant improvement of the dynamic MPPtracking behaviour can be obtained without affecting static MPP-tracking and therefore overall efficiency. An extended publication with even more test results is planned for the 24 th EU PV Conf. in Sept. 29. Further information about the research activities and publications in German and English (many of them can be downloaded) of the PV laboratory of BFH-I is available on the internet: References in English: [1] H. Häberlin, L. Borgna, M. Kämpfer, U. Zwahlen: "otal Efficiency η tot A new Quantity for better Characterisation of Grid-Connected PV Inverters". 2 th EU PV Conf., Barcelona, Spain, 25. [2] H. Haeberlin, L. Borgna, M. Kaempfer, U. Zwahlen: "Measurement of Dynamic MPP- racking Efficiency at Grid-Connected PV Inverter". 21 rd EU Conf., Dresden, Germany, 26. Further information about the research activities of the PV laboratory of BFH on the internet: 12