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Automatischer Teststand f¨ur solarmodulintegrierte DC-DC

1. 47 Tabellenverzeichnis 2 1 Gleichspannungswandler fiir Serienschaltungen auf dem Markt 2 2 Gleichspannungswandler fiir Parallelschaltung auf dem Markt 3 1 bersicht ber die verwendeten Ger te und ihre Seriennummern C 1 Technische Daten der SAS Module des Typs E4361A JO1 bei einer Netz Nennspannung VON 230 Vo uo ac Ko a a ee en eS he ee an he C 2 Daten der Agilent 34410A Multimeter fiir Gleichspannungsmessungen C 3 Aufl sungen und Messgeschwindigkeiten in Abh ngigkeit der NPLC fiir DC Messungen CA Unsicherheiten der Messungen f r die Tischmultimeter C 5 Daten der Hochpr zisionswiderst nde 00 0000 eee eee C 6 Wichtigste Daten der elektronischen Last 2 22mm nennen 49 Anhang A Software Dokumentation A1 berblick Im Folgenden werden alle Funktionen unterteilt in Grafische Oberfl chen kurz GUF Abschnitt A 2 und Funktionen und Skripte Abschnitt A A1 sowie alle globalen Variablen Abschnitt A 3 der Steue rungssoftware des Teststands dokumentiert Es findet sich jeweils eine kurze Beschreibung der Aufgabe der Funktion oder der Variablen au erdem eine Einteilung um was f r einen Variablen oder Funktionstyp es sich handelt zu welchem Programm bereich die jeweilige Funktion oder Variable geh rt und wo die Variable definiert ist respektive wie die Funktion aufgerufen werden muss kann Die folgende Auflistung umfa
2. Arrangement Overview c1 c2 DOTA ay o CONV 955903 95 5939 Eff 0 066595 0 066958 10mR SAS1 14 5943 INFO wm MPP 99 6988 99 444 Eff 0 033994 0 034345 Total 95 3024 95 0624 now Eff 0 032601 0 032613 y 1 91514 0 0168V e 1 6841A c2 Electronic Load NY SAS2 14 861V INFO t INFO Abbildung 5 4 Anzeige der Ergebnisse einer Einzelmessung Serienschaltung in der Benutzeroberfl che Ar rangement Overview f r Testmessung 1 Messreihe MPP Leistung 200 W Auch die Auswertung von Messreihen wurde in Abschnitt 4 4 10 bereits kurz beschrieben der Vollst n digkeit halber sollen an dieser Stelle jedoch nochmals die Graphen aufgez hlt werden die nach Abschluss der Messreihe automatisch generiert werden e Je Konverter ein Graph in dem die drei Effizienzen Konvertereffizienz MPP Effizienz und Ge samteffizienz gegen ber der eingestellten Lastspannung darstellt werden Abbildung 5 5 a e je Konverter ein Graph in dem die Konverterspannungen Eingang und Ausgang sowie die MPP Spannung gegen ber der Lastspannung darstellt werden Abbildung 5 6 a e je Konverter ein Graph in dem die Konverterstr me Eingang und Ausgang sowie der MPP Strom gegen ber der Lastspannung dargestellt werden Abbildung 5 6 b in der zweiten Grafik e je Konverter ein Graph der die Konverterleistung Eingang und Ausgang sowie d
3. Save Resu Evaluate Abbildung 4 7 Benutzeroberfl che mit Anzeige des Ergebnisses einer Einzelmessung Serienschaltung Der orange Hintergrund der drei Kontrollfelder zeigt an dass beide Ausg nge des SAS wie auch die Last eingeschaltet sind 33 5 Ergebnisse der Testmessungen 5 1 Allgemeine Feststellungen Die hier beschriebenen Testmessungen wurden allesamt mit dem Evaluations Kit des Gleichspannungs wandlers SolarMagic SM3320 1A durchgef hrt Daten siehe Tabelle 2 1 Einige generelle Ergebnisse der Testmessungen wurden bereits vorg ngig erw hnt an dieser Stelle soll noch einmal auf sie eingegan gen werden Werden nderungen an der Systemkonfiguration vorgenommen beispielsweise eine nderung der Kon verterein oder ausgangsspannung so ben tigen die Konverter eine nicht zu vernachl ssigende Zeit um sich auf die neue Situation einzustellen Insbesondere der MPP Tracking Algorithmus ben tigt nahe zu 2 Minuten um auf die neue Situation anzusprechen und anschlie end noch wenige Sekunden um den MPP tats chlich zu finden Des Weiteren wurde eine gewisse Proportionalit t zwischen der Intensit t der nderung und der Dauer bis der Konverter im MPP arbeitet festgestellt Je gr er die nderung z B der Lastspannung ist desto l nger braucht der Konverter sich auf die neue Situation einzustellen Wird beispielsweise eine Messreihe durchgef hrt zu deren Beginn die La
4. Datenblatt AZURAY TECHNOLOGIES INC Hrsg Azuray Power Optimizer Tech Sheet Azuray AP300 Portland OR 2010 Datenblatt SOLAREDGE LTD Hrsg SolarEdge PowerBox Module Add On Box Solution PB250 AOB PB350 AOB Grass Valley CA 2010 Datenblatt ST MICROELECTRONICS Hrsg STEVAL ISVOO9VI 300W photovoltaic converter demons tration board based on the SPV1020 Data brief Ohne Ort 2011 Datenblatt ST MICROELECTRONICS Hrsg SPV1020 Interleaved DC DC boost converter with built in MPPT algorithm Ohne Ort 2012 Datenblatt TIGO ENERGY INC Hrsg Tigo Energy Module Maximizer ES MM ES Data Sheet Los Gatos CA 2012 Datenblatt TEXAS INSTRUMENTS INC Hrsg SM1230 SM3320 Application Note 2120 Power Opti mizers Partial Deployment for Single String Systems Dallas TX 2011 Firmenschrift Datenbl tter zu Tabelle 2 2 EIQENERGY Hrsg vBOOST250 250 Watt DC to DC Converter Module San Jose CA ohne Jahr Datenblatt EIQENERGY Hrsg vBOOST350 350 Watt DC to DC Converter Module San Jose CA ohne Jahr Datenblatt TIGO ENERGY INC Hrsg Tigo Energy Module Maximizer EP MM EP Data Sheet Los Gatos CA 2011 Datenblatt Abbildungsverzeichnis 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 3 1 3 2 3 3 3 4 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 Schematisches Banddiagramm eines p n bergangs o ooa Beispielhafte J V und P V ennl
5. 0 490 c R W Pmp real DBL Reale MPP Leistung von SAS 2 C Ryo Pmp err DBL nicht mehr verwendet SystemTimeout INT Timeout Zeit des Systems nicht verwendet Ryo s HO DBL NPLC fiir Multimeter i 0 006 0 02 0 06 TMM 0 2 1 2 10 100 f range DBL Messbereich des Multimeters i 0 1 1 10 100 1000 V TMMtimer DBL Zeit zwischen zwei Samples der Multimeter Rso s Dur DBL Dauer einer Messung R gt o s n INT Anzahl Messungen pro Triggersignal 1 50 000 trig pw DBL Pulsbreite des Triggersignals 109 2 10 CR s v DBL Spannung des Triggersignals 3 5 c R YV 2Vgl hierzu Abschnitt 3 2 2 BDerzeit nicht ben tigt da alle Multimeter mit derselben NPLC arbeiten 59 A Software Dokumentation values Diese nur in der GUI SASconfig verwendete globale Variable dient einerseits dazu die Konfigu ration bei Aufruf der GUI wiederherstellen zu k nnen falls ein ung ltiger Wert gesetzt werden soll andererseits enth lt sie die neu zu setzenden Werte die berpr ft werden sollen Wird die GUI geschlos sen so wird auch die Variable gel scht Typ Struct Klassifikation Zustandssicherung Defintion SASconfig A 4 Funktionen und Skripte AskParam Die Funktion AskParam dient dazu den Wert eines bestimmten Parameters des Versuchsaufbaus zu er mitteln Die Parameter konnen sich dabei auf Ger te wie z B Widerst nde aber auch auf physikalische Gr en wie z
6. DBL Maximalfrequenz des Triggersignals kHz DBL Maximale Pulsbreite s TrigSet Sendet Einstellungen an den Trigger Typ Funktion Klassifikation Trigger Signatur success TrigSet n nplc volt pw Ein und Ausgabeargumente n INT Anzahl Messungen pro Triggersignal nplc DBL Integrationszeit in NPLC volt DBL Spannung des Triggersignals V pw DBL Pulsbreite des Triggersignals s success BOOL true falls die Einstellungen bermittelt wurden TrigSetStatus Setzt die Anzeigen in der GUlmain f r die Triggerwerte Typ Funktion Klassifikation Trigger Signatur TrigSetStatus handles Eingabeargument handles HDL Handles der GUI main VarDevices Initialisiert die globalen Variablen devices und ind Typ Skript Klassifikation Einstellungen Signatur VarDevices 80 A 4 Funktionen und Skripte VarState Setzt zum Starten des Systems n tige Standardwerte f r einige Felder der globalen Variablen st ate Typ Skript Klassifikation Einstellungen Signatur VarState 81 B Vorgehen beim Austausch eines Gerates Soll ein Teil des Teststandes ausgetauscht werden so sind einige Dinge zu beachten Jedes der aktiven Ger te hat eine programminterne Identifikationsnummer und meistens eine zuge wiesene physikalische Gr e Um eine saubere Auswertung sicherzustellen muss also darauf geachtet werden dass Identifikationsnummer und pysikalische Gr e einander korrekt zugeordnet werden Die Zuor
7. TrigCheckParams lt n v pw gt Sind n v und pw angegeben so werden diese Werte gepr ft anderenfalls die Werte der globalen Varia blen state Ein und Ausgabeargumente n INT Anzahl Messungen v DBL Spannung des Triggersignals V pw DBL Pulsbreite des Triggersignals s ok BOOL true falls die Werte g ltig sind sonst false mess STR Meldung welcher Wert nicht g ltig ist TrigDefaults Gibt die Standardeinstellungen f r den Trigger zur ck Typ Funktion Klassifikation Einstellungen Signatur n nplc volt pw TrigDefaults type Ein und Ausgabeargumente type STR Unterscheidung verschiedener Standardwerte default live test n INT Anzahl Messungen pro Triggersignal nplc DBL Integrationszeit in NPLC volt DBL Spannung des Triggersignals V pw DBL Pulsbreite des Triggersignal s TrigExec Sendet den Befehl den Trigger auszul sen Typ Skript Klassifikation Trigger Signatur TrigExec 79 A Software Dokumentation TrigLimits Gibt die Begrenzungen f r den Trigger zur ck Typ Funktion Klassifikation Einstellungen Signatur TrigLimits Die folgenden Werte werden in dieser Reihenfolge links oben nach rechts unten zur ckgegeben INT Mindestanzahl Messungen pro Trigger DBL Minimale Triggerspannung V INT Maximalanzahl Messungen pro Trigger DBL Maximale Triggerspannung V DBL Mindestfrequenz des Triggersignals kHz DBL Minimale Pulsbreite s
8. V Bereichma 0 1 V Vi 6 mV Ir 15 A Rinom 10 uQ Rim 1 K W ar 0 00001 K und ER Fertigung 0 0002 aus so erh lt man als obere Fehlergrenze emas 0 0024 0 24 Da es sich bei den Annahmen jedoch um physikalisch unm gliche Extrem werte handelt wird der Fehler immer signifikant kleiner sein als enax 35 5 Ergebnisse der Testmessungen 5 2 Testmessungen am Konverter SolarMagic SM3320 1A1 In erster Linie um die Implementation des Teststandes zu testen aber auch um etwas tiber den Konverter zu erfahren wurden unter anderem folgende Testmessungen durchgefiihrt Die Angaben von Strom und Spannung sind jeweils wie folgt zu lesen Voc Isc Vmpp Impp 1 Einzelmessung 20 V 2 5 A 16 V 1 5 A Lastspannung 25 V 2 Messreihe 20 V 2 5 A 16 V 1 5 A Lastspannung 20 V lt VL lt 40 V AVL 5 V 3 Messreihe 35 V 7 A 25 V 4 A Lastspannung 12 V lt VL lt 32 V AVL 1 V 4 Messreihe 35 V 7 A 25 V 6A Lastspannung 16 V lt Vi lt 32 V AVL 1 V 5 Messreihe 35 V 8 5 A 25 V 8 A Lastspannung 24 V lt Vi lt 35 V AVL 1 V Von diesen Messungen sollen die erste Messung als Beispiel f r eine Einzelmessung sowie die f nfte Messung als Beispiel f r eine Messreihe dargestellt werden Es sei darauf hingewiesen dass bei den Messungen zwei bis f nf jeweils nur ein Gleichspannungswandler im Messkreis angeschlossen war Der Konverter C wurde wie vorgesehen verkabelt mit dem Unterschied dass d
9. query channel Der erste Aufruf f hrt die Abfrage f r beide Kan le durch der zweite Aufruf nur f r Kanal channel Ein und Ausgabeargumente query STR Anfrage nicht case sensitive siehe Tabelle weiter unten channel INT Anfrage auf diesen Kanal beschr nken 1 oder 2 cni MIX Die Antwort von Kanal 1 ch2 MIX Die Antwort von Kanal 2 set MIX Die Antwort des spezifizierten Kanals Ausgabeargument e query Typ Inhalt OUT BOOL Zustand des Ausgangs 1 ON MODE STR Modus des Ausgangs FIX SAS TABL unknown STATUS STR Einstellungen Spannung Strom des Ausgangs Voc DBL Leerlaufspannung Isc DBL Kurzschlussstrom Vmpp DBL Definierte MPP Spannung Impp DBL Definierter MPP Strom Zuerst die linke Spalte von oben nach unten dann die rechte ebenso 70 A 4 Funktionen und Skripte SASReadMeasurement Liest die aktuellen Strom und Spannungswerte am SAS Ausgang und gibt sie zurtick Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur v1 i1 v2 12 SASReadMeasurement v 1 SASReadMeasurement channel Der erste Aufruf liest beide Kan le aus der zweite nur Kanal channel Ein und Ausgabeargumente channel INT Auszulesender Kanal 1 oder 2 sofern nicht beide gelesen werden sollen DBL Spannung am Ausgang 1 V il DBL Strom am Ausgang 1 A v2 DBL Spannung am Ausgang 2 V i2 DBL Strom aus Ausgang A DBL Spannung am spezi
10. 4 4 Funktionalitat 4 4 13 Anzeige der Ergebnisse Das Feld Arrangement Overview enth lt ein Schaltbild der aktuell aktiven Schaltung Serienschaltung oder Par allelschaltung in der alle Ger te und Messwerte einge zeichnet sind F r SAS SAS sowie die elektronische Last existiert eine Schaltfl che Info die Widerstandswer te sind ebenfalls je auf einer Schaltflache angegeben Auch die Bezeichnungen der Spannungen und Str me vor dem Starten der Messung siehe Abbildung respektive ihre gemessenen Werte nach einer Messung Abbildung 4 7 zeigt die GUI nach einer Einzelmessung bei Serien schaltung werden auf einer Schaltfl che angezeigt Diese Schaltfl chen dienen dazu weitere Informatio nen ber die betreffende Gr e zu erhalten so z B In formationen zwecks Identifikation ber den Ger tetyp die Seriennummer die Adresse den Verbindungstyp und die Instituts Inventarnummer RegNo aber auch mess technische relevante Informationen wie den eingestell ten Messbereich den exakten Wert und den berechneten Abbildung 4 6 Device LA Device Information Device Information R1 Device Type Burster High Precision Resistor Type 1282 Serial Number 7320 Calibration Certificate No Address none Conn Type none Reg No W0428 Range none Value 0 010002R Meas Err none Information Fenster f r den Widerstand R Messfehler Abbildung
11. 4 6 zeigt ein solches Device Information Fenster f r den Widerstand R Lu Test Environment Control Solar DC DC Converter Test Environment Control General Control System Status online Devices 10 of 10 Output Arrang Series Connection Last Refresh 03 05 2012 13 49 07 Suspend System Reboot Active Arrangement Series Change to Parallel Arrangement Selection Show Solar Array Simulator Characteristics SAS 2 Readings 14 7198 V 1 693 A 24 9209 W Voltage Current Power SAS 1 Readings Voltage 14 9377 V Current 1 7609 A Power 26 3036 W Arrangement Overview Load Readings 24 953 V 1 9234 A 47 757 W Voltage Current Power Main Control Panel 0 0172V eg 1 7193 c1 c2 CONV 955903 95 5939 SAS1 INFO 14 5943 0 066595 0 066958 MPP Eff 99 6988 99 444 0 033994 0 034345 o 12 5243 gt 0 0168V 95 3024 95 0624 0 032601 0 032613 mR 0 0192 1 9151A Total Eff gt 10mR 14 861V INFO T Electronic Load Status Ready of Triggers 10000 Aperture 0 006 NPLC dt 0 0008 sec Trigger Volt SV Duration 8 sec Trigger PW 1 5e 006 sec Set All Default Values Configure Trigger Default Trigger ALLOFF _ Start Live View Start Single Measurement Start Series Measurement
12. 4 Funktionen und Skripte Ein und Ausgabeargumente meas STC Messwerte durch TMMReadAl 1 ausgelesen arr CHR Aktuelle Schaltungsart s oder p results STC Alle Ergebnisse inklusive Messunsicherheiten siehe Abschnitt TMMInitAll Bereitet alle Multimeter auf die n chste Messung vor Typ Funktion Klassifikation Multimeter Signatur success TMMInitAll range n slope Ein und Ausgabeargumente range STR Der zu verwendende Messbereich auto f r AUTO RANGE get f r automatische Bestimmung UseSettings um aus den Systemparametern abzuleiten oder ein Wert aus 100mV 1V 10V 100V 1000V n INT Anzahl Messungen pro Triggersignal 1 bis 50 000 slope STR Ausschlaggebende Flanke des Triggersignals pos oder neg TMMIsValidParam Priift ob ein gegebener Parameter fiir die Multimeter g ltig ist Typ Funktion Klassifikation G ltigkeit Signatur valid TMMIsValidParam param value Ein und Ausgabeargumente param STR Parameter f r den ein Wert getestet werden soll nple numOfTrig value DBL Fraglicher Wert des Parameters valid BOOL true falls der Wert giiltig ist sonst false TMMQuery Sendet eine Anfrage an ein Multimeter und gibt die Antwort zur ck Typ Funktion Klassifikation Multimeter Signatur res TMMQuery query id Ein und Ausgabeargumente query STR Anfrage RANGE id INT Programminterne Identifikationsnummer de
13. 6a is LP 2 Pain Vo Ty Vo E z Pelin V d Vo sl V7 Vo P 2 0ut Vo IL Vo R3 P 2 0ut V7 4 Es R4 12 8 3 5b 2p 3 6b Pe2 in V4 h Vi Si ds Pen Va Rh Va Ai 17Es konnte ein einziger Anbieter in den USA ermittelt werden der relativ viele der Konverter im Sortiment hat 18 3 5 Messgenauigkeit Yi Pas Veh AR NMPP eI gt gt 3 7a PwPPi real PmPpPLrea PMPPi real V3 _ Pan _ Veb _ Vier NMPPc2 _ a E AAN 3 76 Pmpp2 real PMPP2 eal PMPP2 real Vi Pai ou Vs IL V5 Ri Mtot c1 S A EE 3 8a PwPpPi real PmMPPireal PMPP1real V3 Pe2 0ut Vo IL Ve Ro Motas gt mo pe 3 8b Pmpp2 real PMpp2 real PMPP2 real Vs Pe out V7 i V7 R3 Motel Ps S LE 3 9a Pmppt real Pmppi real PMPP1real Vo P 2 0ut V7 S Ia V7 f R4 Ntot c2 P 3 9b Pmpp2 real PMPP2real PMPP2 teal 3 5 Messgenauigkeit 3 5 1 Einf hrung Wie bereits in Abschnitt 3 1 beschrieben erreichen heutige Konverter bereits Effizienzen von 95 und dar ber Es ist somit erforderlich auch kleine Anderungen der Effizienz pr zise bestimmen zu k nnen z B von 95 0 auf 95 1 was wiederum hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit stellt In diesem Abschnitt sollen einige berlegungen zur Genauigkeit der Messungen angestellt werden die es im Endeffekt erm glichen die Genauigkeit der Messungen abzusch tzen Ziel ist es die Ungenauig keiten so genau wie m glich zu ber
14. B Str me beziehen Typ Funktion Klassifikation Einstellungen Signatur res AskParam elem type Ein und Ausgabeargumente Eingabeargument Ausgabeargument Bemerkungen Var Wertebereich Var Typ Wertebereich Inhalt elem frii EES MEA AS es INT 1 Nicht verwendet type beliebig elem Load en INT Programminterne Identifi type Sek kationsnummer der Last elem BE Eigenschaft des Wider MIX PRS Ra stands type alpha Temperaturkoeffizient 1 K err DBL Kalibrierungsfehler einheitenfrei exactVal res Genauer Widerstandswert Q thermalrR Therm Widerstand K W type Cali Kalibrationsnummer RegNo STR PES Elementnummer val Nominalwert elem iess SAS27 Programminterne Identifi res INT type dek kationsnummer des SAS elem SIVI VE Programminterne Identifi PBC CAT ENS kationsnummer des Multi res INT PGT Ter meters type Ai ad Tn Gleichung 3list die Temperaturabh ngigkeit der Widerst nde gegeben alpha entspricht aus bezeichneter Gleichung der Temperaturkoeffizient 2 Ordnung 6 wird vernachl ssigt da a gt 60 A 4 Funktionen und Skripte CheckFixMode Diese Funktion berpr ft ob die angegeben Parameter f r den Modus FIX des SAS g ltig sind Typ Funktion Klassifikation G litgkeit Signatur ok mess CheckFixMode VOLT CURR Ein und
15. C 2 Tischmultimeter Kenngr e Wert Eingangsimpedanz 10MQ 1 Messbereiche 100 mV 1 V 10 V 100 V 1000 V Messmethode Kontinuierlich intergrierender Multi Flanken IV A D Wandler Eingangs Verzerrungsstrom lt 50 pA bei 20 C Tabelle C 2 Daten der Agilent 34410A Multimeter f r Gleichspannungsmessungen Agilent TMM D I p 5 NPLC Messber bez Aufl sung Absolute Aufl sung Messungen Sek max 0 006 6ppm AV lt 6mV 10000 0 02 3 ppm AV lt 3 mV 3 000 0 06 1 5 ppm AV lt 1 5 mV 1000 0 2 0 7 ppm AV lt 700 uV 300 1 0 3 ppm AV lt 300 uV 50 2 0 2 ppm AV lt 200 uV 25 10 0 1 ppm AV lt 100 uV 5 100 0 03 ppm AV lt 30 uV 0 5 Tabelle C 3 Aufl sungen und Messgeschwindigkeiten in Abh ngigkeit der NPLC fiir DC Messungen Nach Agilent TMM DB p 4 Laut Agilent SAS DB betr gt die kleinste Impedanz 1 Q gem R ckmeldungen des Ger tes auf SCPI Befehle jedoch die hier angegebenen 0 25 2 85 C Technische Daten der Messger te Zeitfenste MOA 24h 90 a 1 Jahr 100mV 0 0030 0 0030 0 0040 0 0035 0 0050 0 0035 IN 0 0020 0 0006 0 0030 0 0007 0 0035 0 0007 10V 0 0015 0 0004 0 0020 0 0005 0 0030 0 0005 100 V 0 0020 0 0006 0 0035 0 0006 0 0040 0 0006 1000 V 0 0020 0 0006 0 0035 0 0006 0 0040 0 0006 Tabelle C 4 Unsicherheiten der Messungen fiir die Tischmultimete
16. CV oder CP A DBL Einzustellender Wert f r Kanal A in SI Basiseinheit B DBL Einzustellender Wert f r Kanal B in SI Basiseinheit addl MIX Anstiegsrate oder Maximalstrom CV als DBL STR max f r CV m glich add2 MIX Abfallrate als DBL f r CC CR und CP BOOL f r CV Fast Mode on true false ok BOOL true falls alle Werte giiltig sind sonst false mess STR Text zur Anzeige in GUI LoadConfig mit Hinweis auf Fehler falls ok false LoadDefaults Gibt die Standardeinstellungen fiir die Last zuriick Typ Funktion Klassifikation Einstellungen Signatur mode range A B addl add2 ch LoadDefaults Ausgabeargumente mode STR Standard Betriebsmodus CC CR CV oder CP range STR Standardbereich HIGH oder LOW A DBL Standardwert f r Kanal A in SI Basiseinheit B DBL _Standardwert f r Kanal B in SI Basiseinheit add l MIX Anstiegsrate CC CR CP als DBL oder Strombegrenzung als DBL STR max CV add2 MIX Abfallrate CC CR CP als DBL oder Fast Mode on CV als BOOL ch CHR Standardm ig aktiver Kanal A oder B LoadLimits Gibt die Maximal und Minimalwerte der Last obere untere Grenze zur ck Typ Funktion Klassifikation Einstellungen Signatur Min Max RISEmin RISEmax FALLmin FALLmax LoadLimits mode Vmin Vmax IMAXmin IMAXmax LoadLimits CV Ein und Ausgabeargumente mode STR Modus f r den die Grenzwerte abgefragt werden sollen C
17. Einstellungen vorgenom men werden k nnen Auf der linken Seite sind die Einstellungen f r die Lastvariation zu t tigen die rechte Seite ist f r eine sp tere Implementation der SAS Variation vorgesehen E LA Configure Measurement Configure Series Measurement Load Variation SAS Variation ON y OFF Constant Voltage Mode Only Start 12 v End Um die Lastvariation zu aktivieren muss in der Auswahlbox unter dem Titel Load Variation der Eintrag ON gew hlt werden Da die Lastvariati on bisher nur f r den Konstantspannungsbetrieb vorgesehen ist sind des Weiteren Start und End 1st Delay Abbildung 4 5 Konfigurationsfenster fiir Messreihen spannung sowie die Schrittweite anzugeben Dabei werden Start und Endwert als ausschlaggebend betrachtet das Vorzeichen der Schrittweite Step wird automatisch angepasst W hrend der Testmessungen wurde festgestellt dass einige Gleichspannungswandler eine relativ lange Zeit etwa 2 Minuten ben tigen um sich auf ge nderte Bedingungen sei es am Eingang oder am Aus gang einzustellen Deshalb wurden die Einstellm glichkeiten Delay und Ist Delay geschaffen Delay bestimmt wie lange in Sekunden zwischen zwei Messungen einer Reihe nach nderung der Parame ter gewartet werden soll st Delay bestimmt wie lange nach Einschalten des Systems gewartet werden soll bevor die erste Messung beginnt Die in Abbildung 4 5 eingetragenen Wert
18. GUIs der Anschein entstehen dass unn tige Funktionssignaturen vorhanden sind Diese Funktionssignaturen m ssen jedoch vorhanden sein damit die GUI korrekt geladen werden kann unabh ngig davon ob diese Funktionen etwas zur implementierten Funktionalit t der GUI beitragen oder nicht ConfigMeasSeries Die GUI ConfigMeasSeries dient dazu eine Messreihe zu konfigurieren Sie bietet die vorgese henen Einstellungsm glichkeiten und dient ebenso der berpr fung der eingegeben Wert siehe Ab schnitt H AO Von den vorhandenen Callback Funktionen wurden zwei f r die Funktionalit t der GUI explizit implementiert CheckSettings_Callback f hrt nur einen Test der Einstellungen durch StartSeries_Callback pr ft zuerst die G ltigkeit der Eingaben speichert sofern alle Parameter g ltig sind die Einstellungen in der globalen Variablen series und schlie t die Gum Beide Callback Funktionen verwenden zur berpr fung die ebenfalls in ConfigMeasSeries m implementierte Non Callback Funktion ok ans read handles die alle eingestellten Werte der GUI ausliest und auf ihre G ltigkeit hin berpr ft Sind die Werte g ltig dann nimmt ok den Wert 1 an ans enth lt die Werte die in die Variable series geschrieben werden m ssen andernfalls hat ok den Wert 0 ans enth lt einen String der den Benutzer informiert welche Werte nicht korrekt eingestellt sind 3 gt W hrend diese GUI ge ffnet ist befindet sich die Hauptroutine main m im
19. HDL handles aus der GUI main SASSwitch Schalter den Ausgang die Ausg nge des SAS ein oder aus Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur success SASSwitch action lt channel gt Ist channel angegeben so wird nur dieser Kanal geschaltet ansonsten beide Ein und Ausgabeargumente action STR ONT zum Einschalten OFF zum Ausschalten channel INT Kanal der geschaltet werden soll 1 oder 2 success BOOL true falls die Schaltaktion ausgef hrt werden konnte 13 A Software Dokumentation SetHandles Diese Funktion gestaltet die Benutzeroberfl che durch Aktivieren und Deaktivieren von Schaltfl chen das ndern von Hintergrundfarben und Beschriftungen Typ Funktion Klassifikation System Signatur SetHandles mode handles Eingabeargumente mode STR Modus f r den die Handles gesetzt werden sollen C BOOTED SUSPENDED LIVEVIEW MEASUREMENT handles HDL Die Handles der GUI main SetLiveViewVals Tragt die Messwerte in den Schaltplan im Arrangement Overview ein Typ Funktion Klassifikation System Signatur SetLiveViewVals arr results handles Eingabeargumente arr CHR Die Schaltungsart s oder pi results STC Ergebnisse die eingetragen werden solle handles HDL Handles der GUI main SetMainSwitch Setzt die Beschriftung und Funktionalit t des Hauptschalters entsprechend dem Systemzustand Typ Funktion Klassifikation System Signatur SetMainSwitch
20. Optional Durchfiihrung der Messung bei verschiedenen Temperaturen Ausf hrliche Dokumentation der durchgef hrten Arbeiten Schlusspr sentation der Semesterarbeit C Allgemeine Hinweise Die beiliegenden Vorschriften ber die Durchf hrung von Studien und Diplomarbeiten gelbes Merk blatt sind Bestandteil dieser Aufgabenstellung Die Sicherheitsvorschriften rotes Merkblatt m ssen strikte eingehalten werden Das ausgef llte wei e Formular ber die Gefahrenabsch tzung am Arbeits platz sowie die Handhabung der Software ist bei Beginn der Arbeit Herrn Peter Albrecht ETL H11 abzugeben Die Abgabekarte ist bis zum Schluss der Studienarbeit aufzubewahren Termine Arbeitsbeginn 20 02 2012 Arbeitsende 01 06 2012 Schlusspr sentation Juni 2012 Termin nach Vereinbarung Abgabe der Arbeit Juni 2012 Termin nach Vereinbarung Betreuung Matthias Kasper ETL 114 044 632 61 14 kasper lem ee ethz ch Beilagen 2 Merkbl tter 1 Formular IV 1 Kopierkarte 1 Abgabekarte Prof Dr J W Kolar Inhaltsverzeichnis Aufgabenstellung Vorwort Notation Zusammenfassung 1 Einf hrung 2 Nutzung der Photovoltaik 2 1 Prinzip photoelektrischer Energieerzeugung 2 2 Verschaltung von Solarmodulen 2 2 1 Serienschaltung mit nachgestelltem Wechselrichter 2 2 2 Direkte Netzeinspeisung 2 2 3 Parallelschaltung 22 2220 ee ann 2 3 _MPP Tracking wi Ae dE e SS a ae ad a 3 Aufbau
21. Ordner hei t trig Widerstand Die Funktion im Bereich Widerstand berechnet die Messunsicherheit auf Grund des Wider standes Sie befindet sich im Ordner resistor 32Graphical User Interface dt Benutzeroberfl che 53 A Software Dokumentation Bei den globalen Variablen des Typs st ruct findet sich meistens eine Tabelle die die Felder der Varia blen mit ihren Namen Datentypen und Wertebereichen auflistet Fiir Funktionen findet sich eine Tabelle oder eine Auflistung die die Eingabeargumente genauer erklart respektive verdeutlicht welche Eingabe argumente zu welchen Ausgaben fiihren In den Funktionssignaturen ist jeweils der Name der Variablen angegeben beispielsweise res AskParam elem type die Datentypen werden in der folgenden Aufz hlung oder Tabelle der Ar gumente genannt Folgende Datentypen werden verwendet ARR Array HDL Handle STC Struct BOOL Boolean INT Integer STR String CHR Character MIX Verschiedene DBL Double OBJ Objekt Man beachte dass bei der Programmierung gro er Wert auf die interne Dokumentation gelegt wurde Aus diesem Grund ist zu jeder Funktion und jedem Skript mit Ausnahme der GUI Funktionen eine Hilfe verf gbar die im MATLAB Befehlsfenster mittels help lt Funktion gt f r die Funktion AskParam also z B mittels help AskParam aufgerufen werden kann A 2 Grafische Oberfl chen Allgemeiner Hinweis Es mag bei Betrachtung von Beschreibung und Quelltext der
22. SAS Signatur SASDetermineModel SASDetermineModel property channel Ein und Ausgabeargumente Eingabeargumente Ausgabe argumente STR INT property channel Typ innate Keine R ckgabewerte Erstellung einer Grafik mit je einem Plot fiir SAS und SAS DBL Real simulierte MPP Spannung V ReAIMER tees DBL Real simulierter MPP Strom A RealPmp 1 2 DBL Real simulierte MPP Leistung W ARR DBL Alle Spannungen die auf der Solarkurve liegen und mittels SolarCurve 1 2 Gleichung 3 1 berechnet wurden ARR DBL Alle Str me 1 0 01 Isc die zur Berechnung der Solarkur ve verwendet wurden 69 A Software Dokumentation SASModeLimits SASModeLimits gibt die Begrenzungen des SAS Modus zur ck Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur SASModeLimits Ausgabeargumente in der korrekten Reihenfolge alle vom Typ DBL e Maximale Leerlaufspannung V e Maximaler MPP Strom A e Minimale Leerlaufspannung V e Minimaler MPP Strom A e Maximaler Kurzschlussstrom A e Maximale Ausgangsleistung W e Minimaler Kurzschlussstrom A Maximale MPP Spannung V e Minimale Ausgangsleistung W e Minimale MPP Spannung V e Minimaler Widerstand dV d f r V gt Vinpp SASQuery Sendet eine Anfrage an den SAS und gibt die Antwort zur ck Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur ch1 ch2 SASQuery query set SASQuery
23. Vout nom 375 V Tout max 0 55 A Sperrwandler Tigo MM EP35 Vin max 60 V Vin mpp 53 V 60 V Ja man 4A Tin mpp 3 3 A Pin max 200 W Vout nom 375 V Iout max 0 55 A Tabelle 2 2 Kommerzielle Gleichspannungswandler f r Parallelschaltung auf dem Markt Die zugeh rigen Datenbl tter sind im Literaturverzeichnis S speziell erw hnt 2 3 MPP Tracking In Abbildung 2 2 ist ersichtlich dass die Leistung eines Solarmoduls von der Ausgangsspannung abh ngig ist Jenes Wertepaar von Strom und Spannung an denen das Produkt P I V maximal wird bezeichnet man als Punkt gr tm glicher Leistung englisch Maximum Power Point oder kurz MPP Um eine maximale Ausnutzung des Solarmoduls zu erreichen sollte also die Spannung am Solar modulausgang Konvertereingang m glichst dem MPP Wert V pp entsprechen Zu diesem Zwecke verf gen die Konverter f r den Einsatz an Solarmodulen ber sogenanntes MPP Tracking Sie suchen 2 3 MPP Tracking nach dem MPP Dies geschieht durch eine schrittweise Anderung der Spannung am Konvertereingang Ist die Eingangsleistung des neuen Arbeitspunktes gr er als jene am alten Arbeitspunkt so wird ein weite rer Spannungsschritt in die gleiche Richtung durchgef hrt Ist die neue Eingangsleistung kleiner als die alte so wird wieder ein Spannungsschritt in die andere Richtung durchgef hrt Durch dieses Suchen nach dem MPP geht Leistung verloren da der
24. am Solarmodul mit anschlie ender Serienschaltung der Konverterausg nge wie auch der Einsatz von Gleichspannungswand lern mit anschlie ender Parallelschaltung der Konverterausg nge Die Beschaffung solcher Gleichspannungswandler ohne die gleichzeitige Bestellung einer Photovoltaik Anlage gestaltet sich sehr schwierig Lediglich Evaluations Boards eines Konverters konnten einfach be schafft werden einige Zeit sp ter solche eines anderen Konverters Es wurde nur ein Anbieter in den USA ausfindig gemacht der mehrere der ermittelten Gleichspannungswandler im Angebot hat die Lieferung w re demzufolge mit viel Aufwand und hohen Transportkosten verbunden gewesen Der Teststand selbst wurde aus hochpr zisen Messger ten aufgebaut und wird von einem PC mittels MATLAB gesteuert Alle Ger te k nnen je nach gew nschtem Test konfiguriert werden es werden Einzelmessungen zur Untersuchung eines Arbeitspunktes sowie Messreihen zur Untersuchung des Ver haltens bei verschiedenen Parametern unterst tzt Der LiveView Modus erm glicht es einen ungef hren berblick ber den aktuellen Zustand der Schaltung zu erhalten Je nach Schaltungsart der Konverterausg nge seriell oder parallel m ssen einige Verbindungen am Teststand umgesteckt werden die Software unterst tzt diese Umstellung mittels Schaltfl che Nach der Konfiguration der Messung erfolgt diese vollst ndig automatisiert Die Messwerte werden ausgelesen und die ben tigten und
25. eine grafische Oberfl che f r die Bedienung durch den Benutzer bieten Die Benutzeroberfl che des Teststandes soll dabei verschiedenste M glichkeiten bieten Konfiguration des SAS je Kanal Auswahl von FIX oder SAS Modus Einstellung aller zur Defi nition des betreffenden Modus n tigen Parameter Ein und Ausschalten des SAS je Kanal Konfiguration der Last Auswahl des gew nschten Modus CC CR CV oder CP sowie Definition der n tigen Parameter Ein und Ausschalten der Last Konfiguration des Triggers Einerseits Einstellungen betreffend das Triggersignal andererseits An zahl der gew nschten Messwerte pro Trigger sowie Dauer der Integration in NPLC Starten einer Einzelmessung oder einer Messreihe Darstellen der Ergebnisse Auswertung der Messergebnisse Speichern der Ergebnisse LiveView Modus zur berpr fung der Konfiguration Selbstverst ndlich m ssen alle Konfigurationen an die betreffenden Ger te bermittelt werden die Software muss Messungen starten Messwerte auslesen und Ger te zur cksetzen k nnen Des Weiteren muss die Berechnung der nur mathematisch zu ermittelnden Gr en nach den Gleichungen 5 bis 3 9 so wie die Fehlerberechnung nach Abschnitt 3 5jerfolgen Zu ber cksichtigen ist dabei insbesondere f r die Berechnung der MPP Effizienz wie auch der Gesamteffizienz dass bei der Simulation der Solarkurve gem Gleichung B 1 Fehler bez glich des MPP auftreten k nnen 4
26. gesamten Teststandes Durch den Aufruf der Funktion Start wird unter anderem auch diese GUI gestartet Ihre Funktionen sind im Kapitel 4 beschrieben eine vollst ndige Dokumentation w rde ein ganzes Buch f llen Aus diesem Grunde seien hier nur einige Anmerkungen zur Funktionsweise gemacht Einige der vor handenen Callback Funktionen lange aber nicht alle werden verwendet z B jedes Mal dann wenn eine Schaltfl che bet tigt wird Die Funktion Refresh_Callback dient dem Neuladen der GUI und wird deshalb von verschiedenen anderen Funktionen in der GUI aufgerufen Am Ende der Datei finden sich einige Non Callback Funktionen die von verschiedenen Callback Funktionen der GUI ben tigt werden Hierzu geh ren die Vorbereitungsfunktion f r die GUI DevInfo die Funktion ChangeArr um das Bild der Schaltung anzuzeigen und zu ndern sowie die Funktion HandleErr behandelt Fehler welche einen Neustart des Systems erfordern SASconfig Um den SAS wie in Abschnitt 4 4 5 zu konfigurieren wird die GUI SASconfig ben tigt Im Gegensatz zur GUI LoadConfig werden hier alle Callback Funktionen benutzt die Werte jeweils in der globalen Variablen values abgelegt In der Funktion Apply_Callback werden dann nur noch die Werte der Variablen values ausgelesen und auf ihre G ltigkeit berpr ft bevor entweder eine Warnung ausgege ben wird oder die Werte mittels der Funktionen SASSetMode SASSet Fix und SASSetSAS an den SAS gesendet werden Die Variable va
27. gestartet werden 4 4 12 Systemweite Funktionen in der Hauptkontrolle Im Hauptkontrollfeld Main Control Panel sind einige Funktionen implementiert die das gesamte Test system betreffen Diese sind im Folgenden kurz erl utert Set All Default Values setzt f r alle Ger te Multimeter Funktionsgenerator SAS und elektronische Last die Standardeinstellungen die in verschiedenen Dateien im Ordner settings definiert sind Der MAIN SWITCH Hauptschalter kann nur bet tigt werden wenn sowohl SAS als auch elektronische Last mit dem Computersystem verbunden sind Sind beide SAS Ausg nge wie auch die Last ausgeschal tet bietet dieser Schalter in diesem Fall mit ALL ON beschriftet die M glichkeit mit einem Klick die drei genannten Ger te einzuschalten Ist mindestens eines der Ger te eingeschaltet so werden mit dem in diesem Falle mit ALL OFF beschrifteten Schalter alle eingeschalteten Ger te ausgeschaltet Die Schaltfl che Refresh dient dazu die gesamte Benutzeroberfl che neu zu laden um die aktuellsten Werte und Zust nde anzuzeigen Mit der Schaltfl che RESET DEVICES wird das Skript SystemReset m siehe Anhang S aufgerufen welches an alle Ger te RESET Befehle schickt Diese Funktion kommt in erster Linie dann zum Einsatz wenn bei irgendeinem Ger t ein Fehler ERROR aufgetreten ist 2 L Series ist die programminterne Bezeichnung einer Messreihe mit ausschlie licher Lastvariation 32
28. handles Eingabeargument handles HDL Handles der GUI main SetMeasureHandles Visibility Schaltet die Schaltflachen im Arrangment Overview so sichtbar unsichtbar dass sie zur derzeitigen Schaltungsart passen Typ Funktion Klassifikation System Signatur SetMeasureHandlesVisibility arr handles 48Es werden folgende Felder mit DBL Werten erwartet vl val v2 val v3 val v4 val v5 val v6 val v7 val il val i2 val i3 val i4 val cl ConvEff val cl ConvEff err cl MPPEff val c1 MPPEff err c1 TotEff val c1 TotEff err c2 ConvEff val c2 ConvEff err c2 MPPEff val c2 MPPEff err c2 TotEff val c2 TotEff err 74 A 4 Funktionen und Skripte Eingabeargumente arr CHR Spezifiziert die Schaltungsart s oder p handles HDL Handles der GUI main Start Startet die Benutzeroberfl che und initialisiert n tige Variablen Typ Skript Klassifikation START Signatur Start SystemBoot Startet das System verbindet den PC mit den Messger ten und nimmt die Grundeinstellungen inklusive Laden der Standardwerte vor Typ Funktion Klassifikation System Signatur SystemBoot handles Eingabeargument handles HDL Handles der GUI main SystemReset Setzt alle verbundenen Ger te zur ck Typ Skript Klassifikation System Signatur SystemReset SystemSuspend Schaltet Last und SAS aus und beendet alle Verbindungen zu den Ger ten Typ Funktion Klassifikation System Signatur Sy
29. im Verh ltnis zur Ausgangsspannung Vpyou des Solar 8 moduly Ve out lt VPV out und somit Jc our gt Ipvouf Um es 7 allen Modulen zu erm glichen ihre volle Leistung einzu St speisen m ssen bei diesem Konzept jene Konverter ihre 5 5 Ausgangsspannung absenken die an verschatteten Solar zt modulen angeschlossen sind Auf der Kurve konstanter at Solarkurve V D Leistung rot gestrichelt in Abbildung D A k nnen also 1 Ka ck jene Strom Spannungs Werte am Konverterausgang er o reicht werden die links von der vertikalen gestrichelten 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 SCH y Spannung V Linie V Vinpp const liegen Hochsetzsteller engl Boost Converter k nnen am Aus Abbildung 2 4 Beispielhafte Solarkurve mit gang nur gleiche oder h here Spannungen erzeugen als Kurve konstanter Leistung am Eingang anliegen Demzufolge gilt mit den gleichen Voc 36 V Ise 6 A Mam Annahmen wie beim Tiefsetzsteller Ve our gt Vpv ou und 33 V Impp 5 5 A Teout lt Ipv out Somit sind auf der Kurve konstanter Leistung in Abbildung 2 4 all jene Strom Span nungswerte am Konverterausgang einstellbar die rechts der vertikalen gestrichelten Linie liegen In die sem Falle m ssen die Konverter jener Solarmodule die nicht verschattet sind eine h here Ausgangsspan nung erzeugen um den Ausgangsstrom auf das Niveau des am st rksten verschatteten Solarmoduls zu senken Kommen Tief Hochsetzsteller engl Buck Boost Convert
30. nge Elektronen aus dem Valenzband herausschlagen und ins Leitungsband bef rdern Die freien Elektronen wandern in Richtung des geringeren Energieniveaus die entstandenen L cher wandern in Richtung des h heren Energieniveaus siehe Abbildung 2 1 Durch Photonen erzeugte Elektronen Sonnenlicht Leitungsband Bandl cke Valenzband S Elektronen verhalten sich ASAS wie Wassertropfen Sie OY a A J streben immer das nied rigste Niveau an Durch Photonen erzeugte tether a Locher verhalten sich wie Gasblasen unter Wasser Sie streben immer das h chste Niveau an Abbildung 2 1 Schematisches Banddiagramm eines p n bergangs Aus DSolar o J Abb 2 So entsteht zwischen den beiden Enden der Solarzelle an denen sich die Klemmen befinden eine Span nung von 0 5 V bis 0 7 V Glotzbach 2009 S 15 Durch die Verschaltung mehrerer Solarzellen zu einem Modul entsteht eine Stromquelle die durch ih re Leerlaufspannung Voc ihren Kurzschlussstrom und ihren Punkt gr tm glicher Leistung Maxi mum Power Point MPP charakterisiert durch die Gr en Vinpp und June gekennzeichnet ist Die 2 Nutzung der Photovoltaik Ausgangsspannung V des Moduls kann dabei als Funktion des Ausgangsstromes betrachtet werden p 95 vgl auch Abschnitt 3 2 2 Der Kurzschlussstrom ist abh ngig von der In tensit t der Sonneneinstrahlung Je intensiver die Sonneneinstrahlung desto gr er der
31. r die beiden Felder SAS1 und SAS2 Diese Felder existieren nur wenn der betreffende SAS Kanal im FIX Modus betrieben wurde 58 A 3 Globale Variablen SASconf Diese globale Variable wird beim Klicken der Schaltfl che Configure von SAS 1 Control Panel auf 1 gesetzt bei Benutzung der gleichen Schaltfl che in SAS 2 Control Panel erh lt sie den Wert 2 Sie dient dazu der GUI SASconf ig mitzuteilen welcher Ausgang des SAS konfiguriert werden soll Typ Struct Klassifikation Wertiibergabe an GUI Defintion main state Die Variable state speichert den aktuellen Zustand des Systems in erster Linie die Einstellungen der Ger te Hinweis Die Felder TMM1 bis TMM7 werden in der Tabelle der Einfachheit halber unter TMM SAS1 und SAS2 unter SAS zusammengefasst Typ Struct Klassifikation Zustandssicherung Defintion diverse Felder Typ Inhalt Wertebereich arr CHR Verschaltung der Konverterausg nge sp loadChannel CHR Aktiver Kanal der Last PA B nplc DBL Globale NPLC 10 006 0 02 0 06 0 2 1 2 10 100 path STR Dateipfad der zu Start m f hrt beliebig mode STR Aktueller Modus des SAS FIX SAS Voc DBL Leerlaufspannung von SAS 0 55 CR V Isc DBL Kurzschlussstrom von SAS 0 8 5 c R A SAS Vmp DBL MPP Spannung von SAS 0 50 c R V Imp DBL MPP Strom von SAS 0 8 5 c R A Pmp def DBL Definierte MPP Leistung von SAS
32. sein die Effizienz jeglicher Photovoltaik Konverter zu berpr fen Um diesen Teststand entwickeln zu k nnen wird zuerst eine kurze Einf hrung in das Prinzip der Photo voltaik und die m glichen Verschaltungen und Ans tze gegeben Kapitel 2 in den Kapiteln B und wird der Aufbau des Teststandes Hardware und Software beschrieben Die Ergebnisse einiger Testmessungen werden in Kapitel 5 dargestellt Endenergie beinhaltet die vom Konsumenten fiir einen bestimmten Nutzen eingekaufte bzw selbst produzierte Energie wie zum Beispiel Strom f r Licht oder Benzin f rs Auto BFE 2010 S ii Diese Zahlen beziehen sich auf die Erzeugung von elektrischer Energie Anlagen zur direkten Beheizung oder mit anderen Aufgaben sind nicht ber cksichtigt Unter lokal abgeschatteten Modulen werden Teile einer Photovoltaik Anlage verstanden die durch kleine lokale Schatten wie z B den eines Schornsteins auf einem Dach verdunkelt sind Verluste im Konverter f hren zu Erw rmung welche die Alterung der Bauteile f rdert und somit die Lebensdauer reduziert 2 Nutzung der Photovoltaik 2 1 Prinzip photoelektrischer Energieerzeugung Solarzellen aus denen Photovoltaik Anlagen aufgebaut sind basieren auf den Prizipien der Halbleiter physik Grunds tzlich sind Solarzellen klassische p n berg nge Treffen Photonen auf den bergang so k n nen sie bei korrekter Abstimmung der Halbleitermaterialien auf die Photonenwellenl
33. 00 V f r Gleichstrommessungen stehen die Messbereiche 100 vA 1 mA 10 mA 100 mA 1A und 3 A zur Verf gung Auf Grund der Tatsache dass der gr te Messbereich f r Gleichstrom 3 A betr gt die Ausgangsstr me von Solarmodulen allerdings bis 10 A und sogar dar ber gehen k nnen ist der Einsatz von Shunts zur Strommessung n tig siehe Tabellen 2 1 2 2 weiterhin ist auf Grund der Spezifikatio nen in Agilent TMM HB S 143 eine um Faktoren schlechtere Messgenauigkeit zu erwarten F r Gleichspannungsmessungen stellt das Multimeter zwei verschiedene Arten der Integrationszeit Anga be zur Verf gung Entweder es wird direkt die Integrationszeit angegeben oder es wird eine Integrations zeit relativ zur Netzzykluszeit angegeben Im zweiteren Falle wird der Faktor mit dem die Netzzykluszeit multipliziert werden soll mit NPLC gt bezeichnet NPLC e 0 006 0 02 0 06 0 2 1 2 10 100 Je nach gew hlter NPLC ver ndert sich die Messaufl sung f r die Messung Eine Zusammenstellung ist in Anhang Clin Tabelle gegeben die wichtigsten technischen Daten der Messger te sind in Tabel le C 2 aufgefiihrt Um die Messger te m glichst synchron starten zu k nnen steht ein BNC Eingang f r ein externes Trig gersignal zur Verf gung Das Triggersignal muss eine Amplitude von 3 V bis 5 V und eine Dauer von mindestens 1 us aufweisen Agilent TMM HB S 83 Es ist m glich bis zu 50 000 Messwerte pro Trig gersignal aufzunehmen Fer
34. 000 GWh auf fast 60 000 GWh pro Jahr Tab 25 Der Photovoltaik f llt dabei eine tragende Rolle zu W hrend im Jahr 2000 noch 1 325 Photovoltaik Anlagen mit einer Nennleistung von insgesamt 15 2 MW installiert waren so waren es 2010 bereits 7425 Anlagen mit einer Gesamt Nennleistung von 110 9 MW Tab 32 eine Steigerung um mehr als einen Faktor 7 in der Nennleistung Insbesondere auf Grund des steigenden Bedarfs an elektrischer Energie nicht zuletzt aber auch aus wirtschaftlichen Gr nden besteht Interesse daran die Photovoltaik so effizient wie m glich zu nutzen Um dieses Ziel zu erreichen gibt es bereits verschiedene Ans tze auf die in Abschnitt 2 2 eingegan gen wird Einer dieser Ans tze ist es die Verschaltung von Solarmodulen anzupassen und jedes Modul respektive jeden String von Modulen mit einem eigenen Konverter zu versehen und anschlieBend die Ausg nge der Konverter seriell oder parallel an einen Wechselrichter anzuschlie en So soll auch aus lokal abgeschatten Module ein Maximum an Leistung gewonnen werden anstatt diese Module abzu schalten Eine hohe Konvertereffizienz ist dabei einerseits zwecks einer m glichst hohen Energieausbeute andererseits f r eine m glichst lange Lebensdauer der Konverter w nschenswert Im Rahmen dieser Arbeit soll zur berpr fung der Effizienz insbesondere dieser Module aber auch des gesamten Ansatzes ein automatischer Teststand entwickelt werden Mit diesem Teststand soll es m glich
35. 074 somit 1073 und B 0 59 1076 die thermischen Koeffizienten Weitere technische Daten der verwendeten Widerst nde sind in Anhang Clin Tabelle C 5 gegeben 3 2 5 Funktionsgenerator Agilent 33220A Der Funktionsgenerator dient in diesem Messaufbau als Trigger Verwendet wird ein Puls Signal welches mittels BNC Kabel an die Eing nge f r einen externen Trigger der Messger te bertragen wird Auf diese Weise wird sichergestellt dass die Multimeter nahezu perfekt synchron mit ihren Messungen beginnen Da sich elektromagnetische Wellen und somit elektrische Signale mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und die Kabel eine L nge zwischen ungef hr 0 5m und 2m aufweisen A 1 5 m ergibt sich mit At Al c eine vernachl ssigbare Laufzeitdifferenz von 5 ns Fernzugriff Der Funktionsgenerator verf gt tiber eine USB Schnittstelle tiber die das Ger t mittels SCPI Befehlen ferngesteuert werden kann Die Hersteller ID von Agilent lautet 0x0957 die Ger te ID lautet 0x0407 3 2 6 Elektronische Last Chroma 63202 2 6 kW Die elektronische Last dient dazu den eigentlich an den Ausgang einer Solarmodul Schaltung angeschlos senen Wechselrichter zu simulieren Die Last unterst tzt verschiedene Operationsmodi so Konstantstrom CC Konstantwiderstand CR Konstantspannung CV und Konstantleistung CP sowie einige spezielle Derivate dieser Modi Ein Wechselrichter wird im Allgemeinen eine konstante Eingangsspannung fordern wesh
36. 2 Konzept W hrend der Einarbeitung in die Bedienung der Messger te hat sich erwiesen dass es m glich ist die Messger te direkt aus MATLAB zu steuern Da die Datenaufbereitung sowieso in MATLAB erfolgen soll wurde deshalb entschieden LABVIEW als zus tzliche Instanz aus dem Messaufbau zu entfernen und die Fernsteuerung der Messger te direkt in MATLAB zu implementieren 23 4 Software Die Software an sich wird m glichst modular aufgebaut hnliche Aufgaben werden in einzelnen ger te spezifischen Funktionen implementiert Ziel dieser berlegung ist es nach Implementation der Basisfunk tionen komplexere Aufgaben schnell einfach und sicher mit Hilfe der bereits bestehenden Funktionen zu implementieren In allen Funktionen die direkt auf die Ger te zugreifen muss sichergestellt werden dass eventuell auftretende Fehler direkt festgestellt und das betroffene Ger t zur ckgesetzt und neu initialisiert wird In bestimmten Fehlerf llen wird falls es die Konstellation n tig macht die gesamte Teststandes Steuerungssoftware neu gestartet Als weiteres Konzept kommt die Ausgabe von Informationen an den Benutzer mittels MATLAB Be fehlsfenster zum Einsatz Es werden Informationen Warnungen und Fehler unterschieden wobei letztere zu einem Neustart des Systems f hren S mtliche Meldungen die mit Zeitstempel im Befehlsfenster angezeigt werden werden auch in eine Log Datei geschrieben Somit k nnen eventuelle Fehler sp te
37. 31 35 Load Voltage V a Konvertereffizienzen gegen ber der Lastspannung figure 1 Efficiency Converter 1 vs its own Output Voltage 100 99 5 MPP Tracking Eff og el a See Total E Efficiency i i i i i i i i 67 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Output Voltage V b Konvertereffizienzen gegen ber der Konverterausgangsspannung figure2 Abbildung 5 5 Konvertereffizienzen gegeniiber Lastspannung und Konverterausgangsspannung Da in diesem Falle nur ein Konverter getestet wurde sind die Graphen nahezu identisch Bei den Graphen Konverterspannungen Lastspannung und Konverterstr me Lastspannung Abbildungen 5 6 a und 5 6 b geht es wiederum um die Genauigkeit des MPP Tracking Algorithmus Die Eingangs spannungen und str me der Konverter sollten f r jede beliebige Lastspannung m glichst nahe am jewei ligen ebenfalls eingetragenen MPP Wert liegen Des Weiteren erm glichen diese Graphen eine Aussage ber den Betriebsmodus des Konverters Ist die Ausgangsspannung signifikant kleiner als die Eingangsspannung Vin lt Vou so arbeitet der Kon verter im Tiefsetzstellerbetrieb ist die Ausgangsspannung signifikant gr er als die Eingangsspannung Vin gt Vout so arbeitet der Konverter im Hochsetzstellerbetrieb Sind Eingangs und Ausgangsspannung Der Spannungsabfall zwischen Konverterausgangsspannung und Lastspannung r hrt vom Shunt her 40 5 2 Testm
38. A B lt addl add2 gt Ein und Ausgabeargumente Eingabeargument MEER Br Lada aa 0 CC Setzt die Werte A und B f r den gew hlten Modus cRy DBL DBL AJ Q W gt o CP DBL DBL Setzt zus tzlich die Anstiegs add1 und Abfallrate add A us A uS A us Setzt die Spannungen A und B f r die betreffenden Kan le CV DBL DBL HM DBL BOOL Setzt die Strombegrenzung auf add1 A und Fast Mode ot auf add2 65 A Software Dokumentation LoadSetStatus Diese Funktion setzt die handles der GUI main die tiber den Zustand der Last Aufschluss geben Typ Funktion Klassifikation Last Signatur LoadSetStatus handles Eingabeargument handles HDL handles aus der GUI main LoadSwitch Schaltet die Last an oder aus Typ Funktion Klassifikation Last Signatur success LoadSwitch action Ein und Ausgabeargumente action STR ONT zum Einschalten OPE zum Ausschalten success BOOL true falls die Schaltaktion durchgef hrt werden Konnte MakeDate Erstellt einen String des aktuellen Datums Typ Funktion Klassifikation System Signatur date MakeDate format Ein und Ausgabeargumente format STR Gew nschtes Format yyyymmdd yymmdd yyyy mm dd yy mm dd dd mm yyyy dd mm yy date STR Aktuelles Datum im gew nschten Format MakeTimestamp Erstellt einen aktuellen Zeitstempel Typ Funktion Klassifikation Sys
39. AAS EINEVIEW sa d Stes paraa sa ein a a 4 4 9 Durchf hrung von Messungen 4 4 10 Auswerten und Speichern von Messungen 2 2 nme 4 4 11 Abbruch einer Messung a 4 4 12 Systemweite Funktionen in der Hauptkontrolle 4 4 13 Anzeige der Ergebnisse o o e e 5 Ergebnisse der Testmessungen 5 1 Allgemeine Feststellungen nn pee eee 5 2 Testmessungen am Konverter SolarMagic SM3320 1A1 6 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A Software Dokumentation AJ berblick less ee ee Ba ee A 2 Grafische Oberfl chen A 3 Globale Variablen aa a AA Funktionen und Skripte e B Vorgehen beim Austausch eines Ger tes C Technische Daten der Messger te Cl Solar Array Simulator 22 oo onen C2 Tischm ltimeter 2 u 2 0 0 a anna Ba a ww do C 3 burster Hochpr zisionswiderstand 2 Comm nn nen C4 Elektronische Last sa zu dd a OR aaa aaa Eigenstandigkeitserklarung VI SEE SS eS SS S SS amp a SERRE A SR E Vorwort Die Diskussion um Energie ist allgegenw rtig Ausstieg aus der Atomkraft Wie lange reichen die Olre serven noch Gibt es M glichkeiten elektrische Energie sauber also ohne Schaden f r die Umwelt zu generieren Im Fokus all dieser Diskussionen stehen im Endeffekt die erneuerbaren Energien Wasserkraft Wind kraft Solarenergie Sie
40. Ausgabeargumente VOLT DBL Eingestellte Spannung V CURR DBL Eingestellte Strombegrenzung A ok BOOL true falls die Werte von VOLT und CURR zul ssig sind mess STR Text zur Anzeige in der GUI SASconf mit Hinweis auf den Fehler falls ok false CheckForError Pr ft ob beim spezifizierten Ger t Error Meldungen vorliegen ruft diese ab und zeigt sie als Warnungen im Befehlsfenster an Typ Funktion Klassifikation System Signatur numOfErrors CheckForError devID mfile Ein und Ausgabeargumente devID INT Programminterne Identifikationsnummer des Ger ts mfile STR Name des Skripts das diese Funktion aufgerufen hat numOfErrors INT Anzahl ausgelesener Fehlermeldungen 0 lt numOfErrors CheckSASMode berpr ft die Parameter f r den SAS Modus des SAS auf ihre G ltigkeit Typ Funktion Klassifikation G ltigkeit Signatur ok mess CheckSASMode VOC ISC VMPP IMPP Ein und Ausgabeargumente voc DBL Leerlaufspannung V Isc DBL Kurzschlussstrom A VMPP DBL MPP Spannung V IMPP DBL MPP Strom A ok BOOL true falls alle Werte giiltig sind mess STR Text zur Anzeige in der GUI SASconf mit Hinweis auf den Fehler falls ok false 61 A Software Dokumentation CountAvailDev Z hlt die angeschlossenen und verbundenen Ger te Typ Funktion Klassifikation System Signatur num CountAvailDev Ausgabeargument num INT Anzahl verbundener Ger te FixModeLimits Gibt die Grenz
41. Bereich V V1 Bereich max Vi Bereich V gt Zeie emos enc F V gt 2 SEEN TR Rinom Ri th QR en Feigng 3 13 Bei den Testmessungen lagen diese Werte deutlich unter 0 1 Setzt man 0 1 als Unsicherheit ein so ergibt sich bei einer gemessenen respektive berechneten Effizienz von 95 ein Intervall von 94 905 95 095 f r den realen Wert der Effizienz 3 5 4 Ungenauigkeiten durch Aufbau und Verkabelung Auch durch die Verkabelung k nnen Ungenauigkeiten in der Messung entstehen in erster Linie durch die Kabelwiderst nde und allf llige parasit re Induktivit ten Zweitere lassen sich durch kurze m glichst gerade verlegte Kabel sowie die Verdrillung von Hin und R ckleiter miteinander stark minimieren Beim Aufbau des Teststandes wurde darauf geachtet m glichst kurze Kabel J lt 1 m zu verwenden und diese soweit wie m glich gerade zu f hren und gegen einander zu verdrillen Es kann deshalb davon ausgegangen werden dass die parasit ren Induktivit ten vernachl ssigt werden d rfen Der Widerstand eines Kabels Rx berechnet sich bekanntlich aus Kabell nge Leitungsquerschnitt A und spezifischem Widerstand o zu Re 3 14 F r die zur Leistungsf hrung verwendeten Kupferkabel mit einer L nge von weniger als Im und einem Querschnitt von 2 5 mm ergibt sich pro Kabel somit ein Widerstand von Rx 0 01786 7 mQ Da die Abgriffe der Spannung jedoch unmittelbar am Element stattfin
42. C CR oder CP Min DBL Zul ssiger Minimalwert in SI Basiseinheit Max DBL Zul ssiger Maximalwert in SI Basiseinheit 63 A Software Dokumentation RISEmin RISEmax FALLmin FALLmax Vmin Vmax IMAXmin IMAXmax LoadQuery DBL DBL DBL DBL DBL DBL DBL DBL Minimale Anstiegsrate A us CC CP oder A uS CR Maximale Anstiegsrate Einheiten wie oben Minimale Abfallrate Einheiten wie oben Maximale Abfallrate Einheiten wie oben Minimale Spannung V Maximale Spannung V Minimale Strombegrenzung A Maximale Strombegrenzung A Sendet eine Anfrage an die Last und gibt das Ergebnis der Anfrage zur ck Typ Klassifikation Signatur Funktion e Last Ein und Ausgabeargumente LoadQuery query Ausgabeargumente HEY Var Typ Inhalt FOUL on BOOL true falls die Last eingeschaltet ist sonst false MORE mode STR Aktueller Betriebsmodus CC CR CV oder CP range STR Eingestellter Bereich HIGH oder LOW valA DBL Eingestellter Wert fiir Kanal A unit IBANI valB DBL Eingestellter Wert f r Kanal B unit unit CHR Einheit der Werte va 1A und valB A R V W add MIX Strombegrenzung f r CV als DBL sonst STR err CURR il r1 DBL Eingestellter Wert f r Kanal A im entsprechenden Modus CC CR CP pl A Q W RES i2 r2 DBL Eingestellter Wert
43. Konverter w hrend eines Gro teils der Zeit au erhalb des MPPs arbeitet Die Qualit t des MPP Tracking Algorithmus hat also auch einen Einfluss auf die Gesamteffizienz des Konverters In Kapitel 5 wird im Rahmen der Ergebnisse einiger Testmessungen nochmals auf das MPP Tracking eingegangen 210 W 210 W 210 W 210 W 7A STE 210 W 210 W 450V 3150 W 210 W 210 W a Anordnung fiir Serienschaltung b Anordnung fiir Parallelschaltung Abbildung 2 5 Beispiele f r Verschaltungen von Solarmodulen mit Gleichspannungswandlern Aus Kranzer 2010 p 5 a respektive Kranzer 2010 p 24 b 3 Aufbau des Teststandes 3 1 Versuchsanordnung Ziel der Versuchsanordnung ist es solarmodulintegrierte Konverter auf ihre Effizienz hin untersuchen zu k nnen Da die Konverter bereits heute Effizienzen von 95 und dar ber erreichen Kranzer 2010 sind hoch genaue Messger te zu verwenden sowie im Aufbau der Schaltung parasit re Induktivit ten Widerst nde etc m glichst gering zu halten Auf die Messgenauigkeit wird in Abschnitt 3 5 genauer eingegangen Weiterhin wurden in Abschnitt 2 2 zwei verschiedene Verschaltungsarten von Solarmodulen vorgestellt Der Teststand soll also so aufgebaut werden dass mit m glichst wenig Umsteck Aufwand Konverter fiir beide Arten der Verschaltung getestet werden k nnen Wie der Solar Array Simulator der Solarmodule simuliert mit den Konvertern und diese mit der Last verbunden werden m ss
44. Kurzschlussstrom und somit die MPP Leistung Eine beispielhafte Strom Spannungs und Leistungs Spannungs Kennlinie ist in Abbildung 2 2 gegeben Gemessene I U und berechnete P U Kennlinie Typische Solarmodul Leerlaufspannungen liegen am 03 07 2009 um 12 00 00 UTC 1 im Bereich von 24V bis 36 V in seltenen F llen 70 auch bei 70 V und dar ber Um durch einen nach 60 gestellten Wechselrichter in das 230 V Netz ein 50 5 speisen zu k nnen ist am Eingang des Wechsel 40 Lichters jedoch eine Spannung von mindestens v2 3 230 V 330 V Spitzenwert der Spannung bei e 3 einphasiger Einspeisung wiinschenswert Um die sen Wert zu erreichen miissen mehrere Module in 10 Serie geschaltet werden 50 100 150 H Da Solaranlagen selten auf freiem Feld aufge Spannung V baut werden k nnen sondern in den meisten Fal CAEN A A UN len auf Hausd chern installiert werden muss mit MPP MPP lokalen Verschattungen gerechnet werden Dies be Pupp 65 W Ty 55 2 C E deutet dass einzelne Solarmodule z B im Schat Abbildung 2 2 Beispielhafte I V und P V Kennlinien ten eines Schornsteins liegen k nnen und somit Aus Glotzbach 2009 S 20 nicht mit der gleichen Intensit t wie die brigen Module der Serienschaltung bestrahlt werden Wie bereits vorg ngig erl utert nimmt hierdurch die Ausgangsleistung des Solarmoduls ab Treiben die unverschatteten Module ihren maximalen Strom so wird dieser Strom als Folge der Seriensch
45. N he des realen MPPs liegen Je geringer die Streuung dieser Messwerte ist desto besser ist der MPP Tracking Algorithmus AStufenweise Spannungsvariation siehe Abschnitt 2 3 36 5 2 Testmessungen am Konverter SolarMagic SM3320 1A1 EE gt y o 0 018 L M Week ei de A1 IL MR CP pe the he be egy le deste CL VD E i c2 V3 S 0 016 F N i S Load V7 0 014 i i i i i i i j 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Time ms a Spannungen ber den Shunts MD gt In V2 D 15 Out V5 3 14 J TR EE EE 12 i l i i i i j 0 1000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Time ms b Spannungen an Konverter 1 16 Voltages at Converter 2 In V4 e 15 Out V6 Saal tum A A ng re ET 12 i i i i i i i j 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Time ms c Spannungen an Konverter 2 Abbildung 5 1 Spannungsdiagramme der Auswertung einer Einzelmessung im ersten Fenster figurel fiir Testmessung 1 37 5 Ergebnisse der Testmessungen 2 5f N Converter Input Current A Ka Solar Curve Real MPP x Converter Input 5 10 15 Converter Input Voltage V 20 N uu 1 15 Converter Input Current A 05 x Converter Input Solar Curve k Real MPP 5 10 15 Converter Input Voltage V 20 a I V Diagramm Konverter 1 b J V Diagramm Konverter 2 A
46. Power Electronic Systems d d d Laboratory d Fr hjahrssemester 2012 Semesterarbeit LEM 1201 Automatischer Teststand f r solarmodulintegrierte DC DC Konverter Axel Bomhauer Beins ETH Betreuer M Sc Matthias Kasper Eidgen ssische Technische Hochschule Z rich Professor Prof Dr Johann W Kolar Swiss Federal Institute of Technology Zurich Aufgabenstellung Semesterarbeit FS 2012 Axel Bomhauer Beins Vollautomatischer Teststand fiir solar modulintegrierte DC DC Konverter A Beschreibung Erneuerbaren Energien insbesondere der Photo voltaik PV kommt eine stetig wachsende Bedeu tung bei der Stromerzeugung zu Heutige PV An lagen bestehen aus einer einfachen Serienschaltung von Solarmodulen Aufgrund dieser Verschaltung geht die Leistung von lokal abgeschatteten Mo dulen z B durch lokale Verschmutzung Schat ten von Schornsteinen etc verloren Mit dem Ein satz von Konvertern auf Solarmodulebene kann er reicht werden dass jedes Modul seine maxima le momentane Leistung ins Stromnetz einspeisen kann Da eine hohe Effizienz der Konverter fiir eine lan ge Lebensdauer und gro e Energieausbeute wich tig ist soll in dieser Arbeit ein automatisiertes Messsystem entwickelt werden mit dem die Effizienz der auf dem Markt erh ltlichen Konverter und von eigenen Prototypen gemessen werden kann Zur Gesamtef fizienz eines solarmodulintegrierten DC DC Konverters z hlt neben der Effizienz der Leistungselektronik a
47. Werte durch Zu Informationszwecken wurde die Schaltflache Show Solar Array Simulator Characteristics zwischen den Kontroll und Lesewertfeldern einfiigt Diese Schaltflache bewirkt die Erzeugung einer Grafik in der die simulierte Solarkuve als V dargestellt wird Auf dieser Kurve sind der definierte und der reale MPP eingezeichnet die Werte Pann det und Pimpp real Sind in der Legende angegeben In den Abbildungen 3 4 a und 3 4 b S 16Jund 16 sind solche Grafiken dargestellt 4 4 7 Steuerung der Last Die Steuerung der Last untscheidet sich nur unwesentlich von der Steuerung des SAS Auch hier werden aktueller Modus eingestellte Parameter und gegenw rtiger Status im Kontrollfeld Load Control Panel dargestellt die gegenw rtigen Werte von Spannung Strom und Leistung werden im Lesewertfeld Load Readings angezeigt Die Steuerung der Last erfolt ber vier Schaltfl chen e An Aus Schalter exakt wie beim SAS e Einstellungs Schalter Configure e Zur cksetzen auf Standards Set Default exakt wie beim SAS und e Kanalwahlschalter Channel A Channel B Das Konfigurationsfenster der Last Abbildung 4 3 unterscheidet sich in Aussehen und Funktionalit t etwas von dem des SAS Mit der Einstellung Operation Mode kann der aktuell gew nschte Modus eingestellt werden Typisch f r Gleichspannungswandler mit Anwendung im Solarbereich ist die Einstellung Constant Voltage CV 27 4 Software r EI Load Configuration Sea Load Con
48. alb der Modus CV der f r den Teststand bedeutendste ist Allerdings werden auch andere Modi implementiert falls das Ver halten der Konverter unter anderen Bedingungen getestet werden soll Zu Informationszwecken ist es m glich die Momentanwerte von Strom Spannung und Leistung Wi derstand der Last auszulesen Leider l sst die Genauigkeit dieser Messwerte zu w nschen brig was die Verwendung zur Effizienzbestimmung ausschlie t Die wichtigsten technischen Daten der elektronischen Last sind in Anhang Clin Tabelle C 6 aufgefiihrt Fernzugriff Die Last verfiigt tiber eine GPIB Schnittstelle die mittels eines GPIB Adapterq von Na tional Instruments auf eine USB Schnittstelle am PC bersetzt werden kann Die Last erscheint dann als GPIB Device f r den Zugriff sind Board Address 0 und Primary Address 2 erforderlich Die Funkti onsweise des Fernzugriffs wird in Abschnitt 4 3 erlautert l National Instruments GPIB USB HS 17 3 Aufbau des Teststandes 3 3 Pruflinge Als Pr flinge kommen grunds tzlich alle Gleichspannungswandler f r Serien oder Parallelschaltung in Frage F r diese Arbeit beschr nkt sich die Auswahl der Gleichspannungswandler auf die in den Tabel len 2 1 und 2 2 aufgef hrten Konverter Zumal viele der Konverter einzeln nur sehr schwer zu beschaffen sind wurden die Tests w hrend der Entwicklungsphase mit dem Evaluations Kit SM3320 RF EV des Konverters SolarMagic SM3320 IAI vgl Tabelle durchge
49. altung auch durch das verschattete Modul flie en Je nach Verschattungsgrad ist dieses Modul jedoch nicht mehr in der Lage einen Strom dieser St rke zu treiben Als Folge wird die Spannung gem einer Kennlinie wie in Abbildung 2 2 immer mehr zusammenbrechen bis sie u U schlie lich negativ wird Daraus w rde ohne Gegenma nahme eine thermische Zerst rung des Moduls und im schlimmsten Falle ein Brand resultieren Die einfachste L sung f r dieses Problem ist der Ein satz aktiver oder passiver Bypass Dioden Abbildung 2 3 Passive Bypass Dioden sind einfache Dioden die bei ei ner negativen Spannung ber einem Modul dessen Strom bernehmen und dieses somit faktisch kurzschlie en Da Abbildung 2 3 Schaltung mit passiven durch wird das betroffene Modul vollst ndig aus der Se Bypass Dioden rienschaltung entfernt die Leistung die es noch erzeugen Aus Kranzer 2010 p 3 k nnte geht verloren Da gem p 3 die passiven Bypass Dioden jedoch im Bezug auf K hlung Leckstr me und Defekte durch berspannung Schwierigkeiten bereiten werden vermehrt auch aktive Bypass Dioden in Form von Halbleiter Schaltern eingesetzt Diese aktiven Bypass Dioden weisen bezogen auf die Schwie rigkeiten der passiven Bypass Dioden bessere Eigenschaften auf f hren jedoch ebenfalls zum Verlust der gesamten Modul Leistung Um auch die Leistung der verschatteten Module nutzen zu k nnen wurden verschiedene Konzepte entwickelt die in Abschn
50. ass die Software versucht zu jedem der Ger te eine Verbindung herzustellen jedes Ger t zuriickzusetzen und dessen Stan dardwerte zu laden Im Feld General Control wird der derzeitige Systemstatus angezeigt die Anzahl der verbundenen Ger te sowie die aktive Schaltungsart Nach einem erfolgreichen Systemstart sind alle Schaltflachen mit Ausnahme der Schaltflachen Eva luate Save Results sowie der Auswahl der Schaltungsart aktiviert Die Schaltfl che Boot System hei t nun Suspend System die Verwendung der Schaltfl che Reboot ist gleichbedeutend mit der Verwen dung der Schaltfl che Suspend System und anschlie ender Verwendung von Boot System Ein Neustart des Systems kann dann sinnvoll sein wenn entweder ein Fehler an einem Ger t aufge treten ist so dass dieses neu gestartet werden musste oder wenn nderungen im Quelltext der Software vorgenommen wurden Wichtig Sollen ein oder mehrere Ger te abgeschaltet oder abgetrennt werden muss das System zuvor mittels Suspend System heruntergefahren werden Anderenfalls wird MATLAB nicht in der Lage sein die Verbindung zu diesem Ger t wiederherzustellen MATLAB muss neu gestartet werden Die Oberfl che kann jedoch bedenkenlos mittels des wei en Kreuzes auf rotem Grund geschlossen werden in diesem Falle wird die Routine die das System herunterf hrt automatisch ausgef hrt 4 4 5 Steuerung des Solar Array Simulators Jeder Ausgang des SAS verf gt ber ein eigenes Kontrol
51. bbildung 5 2 Strom Spannungsdiagramme als Teil der Auswertung einer Einzelmessung im zweiten Fenster figure2 fiir Testmessung 1 25 25 254 Ss 252 253 25 15 3 252 E 251 3 5 05 25 1 3 25 05 3 E 2 25 E 25 D 5 g9L ee E 249 5 o Gig 24 85 24 7 24 8 24 6 24 75 24 5 13 135 14 14 5 15 15 5 135 14 145 15 15 5 16 Converter Input Voltage V Converter Input Voltage V a P V Diagramm Konverter 1 b P V Diagramm Konverter 2 Abbildung 5 3 Leistung Spannungsdiagramme als Teil der Auswertung einer Einzelmessung im zweiten Fens ter figure2 f r Testmessung 1 Abbildung 5 3 verdeutlicht nochmals die Bedeutung des MPPs Je n her die Eingangsspannung an der MPP Spannung liegt desto h her ist auch die Eingangsleistung des Konverter Diese Graphen stellen alle gemessenen respektive berechneten Konvertereingangsleistungen gegen ber der Konvertereingangsspannung dar Es l sst sich leicht absch tzen wie viele Messpunkte nahe an der MPP Spannung lagen somit ist indirekt eine Aussage ber die Qualit t des MPP Algorithmus bei die sen Parametern m glich Die Messwerte aller Spannungen sowie die berechneten Werte der Str me und Effizienzen werden direkt in der Benutzeroberfl che angezeigt Abbildung 5 4 zeigt den Arrangement Overview mit den Ergebnis sen dieser Testmessung gt 5 aus dem Solarmodul gewonnene Leistung 38 5 2 Testmessungen am Konverter SolarMagic SM3320 1A1
52. busy wait Zustand Sobald die GUI ConfigMeasSeries geschlossen und die Variable series gesetzt ist beginnt die Messreihe in main m 54 A 2 Grafische Oberfl chen Devinfo Diese GUI dient dazu den Benutzer ber die Eigenschaften des jeweiligen Ger tes beziehungsweise der jeweiligen physikalischen Gr e zu informieren siehe Abschnitt 4 4 13 Da es sich um eine reine Anzeige GUI handelt werden die Werte direkt beim Starten der GUI DevInfo_OutputFcn ausgele sen und in die handles der GUI geschrieben Mittels der globalen Variablen DevInf Feld device wird der GUI mitgeteilt f r welches Ger t oder welche Gr e die Informationen angezeigt werden sollen LoadConfig In dieser GUI wird dem Benutzer die M glichkeit geboten die elektronische Last zu konfigurieren sie he Abschnitt 4 4 7 Beim Starten der GUI LoadConfig_OutputFcn wird die direkt in der Datei LoadConfig m implementierte Funktion initLoadConfig handles aufgerufen die alle Ein stellungen der Last liest und die Werte der zugeh rigen Felder in der GUI entsprechend setzt Wird die Schaltfl che Apply bet tigt so wird die Funktion Apply_Callback ausgef hrt Diese pr ft zuerst f r den ausgew hlten Modus CC CR CV oder CP die G ltigkeit der Einstellungen bevor sie mittels der Funktionen LoadSetMode und LoadChannel die Werte an die Last sendet Anschlie end wird die GUI automatisch geschlossen main Hierbei handelt es sich um die Hauptroutine des
53. den hebt sich dieser Effekt f r die Konverter Effizienz auf Der Einfluss auf die MPP Effizienz ist vernachl ssigbar da der SAS mittels Sense Anschl ssen am Konvertereingang immer die programmierte Solarkurve zur Verf gung h lt Der Im n 2 5 mm 21 3 Aufbau des Teststandes Spannungsabfall zwischen Konvertereingang und Sense Anschl ssen des SAS kann dabei vernachl ssigt werden da f r den internen Widerstand Raas intern Mit Sicherheit Rss inten gt RK gilt Lediglich bei der Gesamteffizienz der Schaltung ist ein gewisser Leistungsverlust zu vermuten Die Testmessungen haben allerdings gezeigt dass die theoretische Relation Datei cl MMPPE2 3 15 in den meisten F llen auf drei Nachkommastellen h lt Daraus l sst sich schlussfolgern dass auch dieser Leistungsverlust kaum Einfluss auf die Messgenauigkeit hat F r die Messabgriffe werden Kupferkabel mit einem Leitungsquerschnitt von 1 mm verwendet Mit einer Kabell nge von lt 2 m und Gleichung 3 14 ergibt sich ein Kabelwiderstand von Rx 36 mQ was gegen ber dem Innenwiderstand der Multimeter von 10 MQ vernachl ssigbar ist Summa summarum ist also bei dem bestehenden Aufbau eine Vernachl ssigung der Ungenauigkeiten durch Aufbau und Verkabelung zul ssig ohne die Messergebnisse dadurch merklich zu verf lschen 22 4 Software 4 1 Anforderungen Die Software des automatischen Teststandes soll die gesamte Steuerung des Teststandes tibernehmen so wie
54. der Konverter im Hoch oder Tiefsetzstellerbetrieb arbeitet oder gar einfach durchschaltet Die zweite Grafik enth lt je Gleichspannungswandler zwei Graphen insgesamt also vier Fiir jeden der Konverter wird die Solarkurve gem Gleichung 3 1 als I V dargestellt Darin eingezeichnet ist der rea le MPP sowie alle Messpunkte von Strom und Spannung am Konvertereingang Dieser Graph erm glicht eine Aussage ber die Genauigkeit des MPP Tracking Algorithmus Je n her alle Messwerte des Konver tereingangs am realen MPP liegen desto besser ist der Algorithmus Der zweite Graph der zweiten Grafik stellt die Leistung am Konvertereingang gegen ber der Spannung am Konvertereingang dar Auch dieser Graph erm glicht eine Aussage ber den MPP Tracking Algorithmus Je mehr Messpunkte bei der realen MPP Spannung und somit bei der h chstm glichen Leistung liegen desto besser ist der MPP Tracking Algorithmus 31 4 Software F r eine Messreihe des Typs L Series werden ebenfalls zwei Grafiken erstellt In der ersten werden fiir jeden Konverter drei Graphen erstellt Die Konvertereffizienzen Konverter MPP und gesamte die Kon verterspannungen Eingang Ausgang und MPP Spannung sowie die Konverterstr me Eingang Aus gang und MPP Strom jeweils gegen ber der Lastspannung Da die Fehler automatisch zu jeder Messung berechnet und abgelegt werden k nnen direkt sogenannte Fehlerbalken errorbars erzeugt werden die angeben in welchem Be
55. der Seriennummer des Ger tes zusammen F r eine Verbindung mit tels GPIB werden die GPIB Board Adresse sowie die Prim re GPIB Adresse ben tigt Devinf Diese Variable dient dazu der GUI DevInfo bei Aufruf aus main mitzuteilen f r welches Ger t oder welche physikalische Gr e das Informationsfenster angezeigt werden soll Typ Struct Klassifikation Wert bergabe an GUI Defintion main m Funktion DeviceInfo 56 A 3 Globale Variablen ind In der Variablen ind sind Informationen zu den bei der Variablen devices s 0 verwendeten Indizes gespeichert Wichtig Funktionsvoraussetzung fiir das gesamte Programm ist dass die Multimeter fortlaufend von TMMmin bis TMMmax siehe weiter unten nummeriert sind Typ Struct Klassifikation Einstellungen Defintion VarDevices Feld Typ Inhalt Wert TMMmin INT Kleinster fiir die Multimeter verwendeter Index 1 TMMmax INT Gr ter f r die Multimeter verwendeter Index 7 TMMClIi INT Index des Multimeters am Eingang von Konverter 1 3 TMMC2i INT Index des Multimeters am Eingang von Konverter 2 6 TMMClo INT Index des Multimeters am Ausgang von Konverter 1 2 TMMC2o INT Index des Multimeters am Ausgang von Konverter 2 5 TMMLiP INT Index des Multimeters am Last Eingang in der Parallelschaltung 1 Trig INT Index des Triggers 8 SAS INT Index des Solar Array Simulators 9 Load INT Index der elektronischen Last 10 MAX INT Gr t
56. des Teststandes 3 1 Versuchsanordnung 3 2 Messger te saoer wiesen ne e ee a en ee ne 3 2 1 berblick A a ner nk Rie oe a a 3 2 2 Solar Array Simulator Agilent E4360A e 3 2 3 Tischmultimeter Agilent 34410A 0 0 0 00 0 4 3 2 4 burster Hochpr zisionswiderstand Modell 1282 3 2 5 Funktionsgenerator Agilent 222204AT 3 2 6 Elektronische Last Chroma 63202 2 6KW 3 3 PIMP lt lt da EE e Bede OS Pa RAS Se eae 2 ok Ae 3 4 Berechnung der Ergebnisse 3 3 Messgenauigkeit AE ane EE EE ee ee EE eee EE E h a 3 5 1 Bimfthrung 26 26 ee EEN E E EE na ann 3 5 2 ZeitpunktderMessung 0 a 3 5 3 Unsicherheiten der Ger te 2 22 20m onen 3 5 4 Ungenauigkeiten durch Aufbau und Verkabelung 4 Software 4 1 Antorderingen sss ss 2 u a cde a wa nun nd a E o a 4 2 Konzept x Ae Gna aa we u ee eh EE Re ae kw 4 3 Grundlagen der Programmierung 44 Funktionalit t eaa a a aa A E a k E e a e E e a 4 4 1 Einf hrung Sl e CORSAN SSSESEESEEESSREE cesar a RB SR Ss Inhaltsverzeichnis 4 4 2 Start der Oberfl che 2 2 o o e o 4 4 3 Auswahl der Schaltung o o e e e 444 Starten Herunterfahren und Neustarten des Systems 4 4 5 Steuerung des Solar Array Simulators nommen 44 6 Anzeige der Solarkurven e 4 4 7 Steuerung der Last
57. dnung wie sie derzeit besteht ist in Tabelle 3 1 gegeben Es wird empfohlen die Ger te stets wie in dieser Tabelle angegeben zuzuordnen Ist es n tig ein aktives Ger t auszutauschen so m ssen einige Anpassungen vorgenommen werden Im Skript VarDevices wird jeder Identifikationsnummer eine Seriennummer und einige andere Ei genschaften zugeordnet Diese Eigenschaften m ssen bei einem Ger tetausch entsprechend modifiziert werden Wird auch noch die Identifikationsnummer ge ndert wovon dringend abgeraten wird so muss auch die Funktion TMMSort angepasst werden F r die Widerst nde sind verschiedene Parameter wie z B der exakte Wert in der Funktion AskParam abgelegt Wird einer der Widerst nde ausgetauscht so m ssen dort die entsprechenden Werte ange passt werden Werden die Werte nicht angepasst sind s mtliche Berechnungen nicht mehr so exakt wie m glich 83 C Technische Daten der Messgerate C 1 Solar Array Simulator Modus Gr e Wert Maximale Leistung 498 W Maximale Leerlaufspannung Voc max 58V SAS Maximale MPP Spannung V mpp max 53 5 V Maximaler Kurzschlussstrom Isc max 93A Maximaler MPP Strom Impp max 93A Kleinste Impedanz dV dI f r V gt Ven 0 25 Q FIX Ausgangsspannungsbereich 0 53 5V Ausgangsstrombereich 0 93 A Tabelle C 1 Technische Daten der SAS Module des Typs E4361A JO1 bei einer Netz Nennspannung von 230V Nach Agilent SAS DB p 9
58. e haben sich als gut prak tikabel erwiesen 2I Die Einstellung dauert umso l nger umso gr er die nderung ist Deshalb wird darauf verzichtet die betroffenen Ger te zur Anderung der Parameter explizit auszuschalten 30 4 4 Funktionalitat Mittels der Schaltflache Check Settings kann tiberpriift werden ob die Einstellungen giiltig sind Dieser Test wird allerdings ebenfalls bei Auswahl der Schaltfl che Start Series Measurement ausgef hrt sind die Werte ungiiltig wird eine Warnung ausgegeben und die Messung nicht gestartet das Konfigurati onsfenster bleibt ge ffnet Sobald jedoch die Schaltfl che Start Series Measurement bei g ltigen Werten angeklickt wird startet die Messreihe sofort Bei einer Messreihe sind verschiedene Status Meldungen im Main Control Panel vorgesehen Starting Series Measurement Setting new load params Anpassung der Lastspannung Waiting for Converter w hrend des Delays Initializing Measurement of Einstellen der Ger te Measurement of Messung l uft und Collecting Data for Run of Lesen der Messwerte Dabei symbolisiert jeweils die Nummer der aktuellen Messung und die Gesamtanzahl durchzuf hrender Messungen Wichtig Stehen beide der verf gbaren Auswahllisten auf OFF so wird automatisch eine Einzelmessung gestartet Um das Starten einer Messreihe abzubrechen steht wiederum das bliche Schlie en des Fens ters zur Verf gung Nach Abschluss einer Teilmessu
59. echnen oder wo dies nicht m glich ist abzusch tzen 3 5 2 Zeitpunkt der Messung In den Gleichungen 5 bis B 9 wird deutlich dass fiir die Berechnung jeder Effizienz bis zu vier verschie dene Messwerte n tig sind mindestens jedoch zwei Erfolgen diese Messungen nicht zeitgleich so ist eine signifikante Ungenauigkeit der Messung zu er warten zumal das in Abschnitt 2 3 erl uterte MPP Tracking regelm ig die Eingangsspannung des Kon verters ndert 8 Um die Messungen so zeitgleich wie m glich zu starten wird wie bereits in AbschnittB 2 5 erl utert ein Funktionsgenerator als Trigger eingesetzt Der Unterschied von 5 ns in der Signallaufzeit vom ersten zum letzten Multimeter ist gegentiber dem geringsten Messintervall von empirisch etwa 1 ms sowie ge gen ber der Frequenz des MPP Tracking Algorithmus von ca 1 kHz 1 nderung pro Millisekunde vernachlassigbar Somit kann davon ausgegangen werden dass der Messfehler auf Grund zeitlicher Verschiebungen der Messungen gegeneinander verschwindend gering ist 8Die Testmessungen haben ergeben dass die Eingangsspannung etwa mit einer Frequenz von 1 kHz ge ndert wird 19 3 Aufbau des Teststandes 3 5 3 Unsicherheiten der Gerate Alle Ger te egal ob Messger te oder Widerst nde unterliegen bei der Fertigung gewissen Toleranzen bei den Messger ten begrenzt die Anzahl Bits die Genauigkeit der Analog Digital Wandlung Die exak ten Werte die zur Ber
60. echnung der Messungenauigkeiten der einzelnen Ger te ben tigt werden sind in Anhang Claufgelistet Hier soll nun die Messungenauigkeit auf Grund der Ger te ermittelt werden F r die Messunsicherheit eines beliebigen Voltmeters gilt gem MacLachlan 2011 p 5 TMM abs emess Vmess Bereich VBereich max 3 10 Dabei ist aps die absolute Unsicherheit emess und Bereich Sind relative Unsicherheiten in Prozent ihre Werte f r die f r diesen Teststand verwendeten Multimeter sind in Tabelle C 4 aufgelistet Um eine Gesamtunsicherheit zu berechnen bietet es sich an nur mit relativen Unsicherheiten zu arbei ten Werden Messgr en die mit relativen normalverteilten Fehlern behaftet sind miteinander multipli ziert oder durcheinander dividiert dann ergibt sich die Gesamtunsicherheit durch einfache Addition aller relativen Fehler Abschnitt 2 1 Deshalb wird der absolute Fehler eu mittels Division von Gleichung 10 durch den Messwert Vmess auf diesen bezogen TMM abs 3 11 2 EBereich VBereich max eTMM tel ens V mess V mess Die Abweichung eines Widerstandswertes von seinem Nennwert wird in erster Linie durch zwei Fakto ren verursacht Durch die Verlustleistung die zur Erw rmung und damit zur nderung des Widerstands wertes gem Gleichung 3 f hrt sowie durch die Fertigungsungenauigkeit erertigung Die thermischen Verluste im Widerstand setzen sich zusammen aus der durch den Str
61. ellende Strombegrenzung A channel INT Kanal den die Einstellungen betreffen sollen success BOOL true falls die Einstellungen bermittelt werden konnten SASSetMode W hlt den Modus des SAS Ausgangs aus FIX oder SAS Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur success SASSetMode mode lt channel gt Ist channel angegeben so wird nur der Modus f r diesen Kanal gesetzt ansonsten f r beide Ein und Ausgabeargumente mode STR Zu aktivierender Modus FIX SAS channel INT Kanal den die nderung betreffen soll 1 oder 2 success BOOL true falls die Operation ausgef hrt werden konnte 72 A 4 Funktionen und Skripte SASSetSAS Sendet die Einstellungen fiir den SAS Modus an den SAS ohne den SAS Modus zu aktivieren Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur success SASSetSAS Voc Isc Vmpp Impp lt channel gt Ist channel angegeben werden die Einstellungen nur an den entsprechenden Kanal gesendet ansonsten an beide Ein und Ausgabeargumente Voc DBL Leerlaufspannung V Isc DBL Kurzschlussstrom A Vmpp DBL MPP Spannung V Impp DBL MPP Strom A channel INT Kanal fiir den die Einstellungen gesetzt werden sollen 1 oder 2 success BOOL true falls die Einstellungen gesendet werden konnten SASSetStatus Setzt die handles der GUI main die tiber den Zustand des SAS Aufschluss geben Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur SASSet Status handles Eingabeargument handles
62. en ergibt sich aus den in Abschnitt 2 2 er rterten Schaltungsvarianten Fiir eine genauere Betrachtung der verschiedenen Konvertertypen ihres Verhaltens und ihrer Verschaltung sei auf Kranzer 2010 verwiesen Der resultierende schematische Aufbau des Teststandes betrachtet aus der Vogelperspektive ist in Abbildung 1 f r beide Schaltungsarten dargestellt Abbildung 3 2 zeigt den Schaltplan des Teststandes mit allen Mess Abgriffen ebenfalls f r beide Schaltungsarten C C Elektron Last Elektron Last a Aufbau f r Serienschaltung b Aufbau f r Parallelschaltung Abbildung 3 1 Schematischer Aufbau des Teststandes f r Serien und Parallelschaltung der Solarmodule von oben betrachtet Legende SAS SAS Solar Array Simulator Ausg nge siehe Abschnitt 3 2 2 R bis Ra Hochpr zisionswiderst nde als Shunts siehe Abschnitt 3 2 4 C und C2 Gleichspannungswandler Priiflinge siehe Abschnitt 3 3 Elektron Last Elektronische Last als Verbraucher siehe Abschnitt 3 2 6 Rote orange schwarze Verbindungen Kabel auf hohem mittlerem niedrigem Potential Die Messverbindungen sowie die Messgeriite sind nicht eingezeichnet 11 3 Aufbau des Teststandes 3 2 Messgerate 3 2 1 Uberblick Um den Teststand gem Abbildung aufzubauen werden insgesamt 14 Ger te ben tigt Ein So lar Array Simulator sieben Tischmultimeter zur Spannungsmessung vier Hochpr zisionswiderst nde als Shunts ein Funktionsgenera
63. er zum Einsatz so k nnen im Rahmen der Konverterspezifikationen am Konverterausgang beliebige Strom Spannungspaare deren Produkt auf der Kurve konstanter Leistung liegt erreicht werden Dies bietet die gr tm gliche Flexibilit t und die theo retische M glichkeit die Konverter so zu betreiben dass der Wirkungsgrad der gesamten Anlage opti miert wird Ein weiterer Vorteil liegt darin dass die Eingangsspannung des Wechselrichters auch Bus Spannung genannt nahezu beliebig frei gew hlt und eingestellt werden kann 6F r die elektrische Leistung gilt bekanntlich P V I die Vergr erung von und Verkleinerung von V respektive umgekehrt kann also so durchgef hrt werden dass die Leistung konstant bleibt 7Es wird angenommen dass die Verluste zwischen Ausgang des Solarmoduls und Eingang des Konverters vernachl ssigbar sind also Vein Vpvout Der Fall der Gleichheit von Eingangs und Ausgangsspannung ist nur theoretisch und bei einer Effizienz von 100 zu errei chen 2 Nutzung der Photovoltaik Auf dem Markt sind derzeit alle Konvertertopologien vertreten wobei einige Hersteller einen zus tzlichen Durchschalt Modus anbieten Wird am Konverterausgang in etwa die gleiche Spannung ben tigt wie sie am Konvertereingang anliegt so werden Konverterein und ausgang direkt miteinander verbunden Durch diese zus tzliche Ma nahme K nnen die Schaltverluste in diesem Modus eliminiert werden einzig die Leitungsverluste der K
64. er Messung nahezu alle Schaltfl chen W hrend einer Messung durchl uft das System folgende Zust nde Starting Single Measurement Measuring und Collecting Data Nach Ende der Messung werden die Ergebnisse im Befehlsfenster von MATLAB angezeigt Mittels der Schaltfl che Save Results k nnen die Ergebnisse in eine mat Datei exportiert werden die Schaltfl che Evaluate generiert Graphen zur Auswertung der Messung siehe Abschnitt 4 4 10 Die Ergebnisse einer Einzelmessung enthalten jeweils f r die Spannungen V bis V7 nebst den Mittel werten und Fehlern gem Abschnitt 3 5 alle einzelnen Messwerte also bis zu 50000 sowie eine von MATLAB berechnete Standardabweichung aller Messwerte Messreihe starten Auch f r eine Messreihe m ssen die Triggereinstellungen wie vorangehend beschrieben gesetzt wer den In diesem Falle beziehen sich die Einstellungen auf eine einzelne Messung der Messreihe Als Mess reihe kommt theoretisch eine Variation der Last eine Variation eines oder beider Ausg nge des SAS sowie jede beliebige Kombination davon in Frage Aus Zeitgr nden musste bei der Implementation der Software leider auf jegliche Variationsm glichkeit f r die SAS Ausg nge verzichtet werden eine sp tere Implementation ist allerdings vorgesehen Um eine Messreihe zu starten steht die Schalt fl che Start Series Measurement zur Verf gung Es ffnet sich ein Dialogfenster Abbildung 4 5 in dem die gew nschten
65. er negative Ausgang direkt auf die Last gef hrt wurde Durch diesen Kunstgriff ist es m glich Konverter einzeln zu testen auch solche die nicht f r den Einsatz an Solarmodulen konzipiert wurden Einzelmessung MPP Leistung 24W Wie bereits in Abschnitt 4 4 10 erw hnt werden als Auswertung einer Einzelmessung sieben Graphen erstellt e Ein Graph der den Verlauf aller Spannung ber den Shunts darstellt Abbildung 5 1 a e je Konverter ein Graph der die Verl ufe von Eingangs und Ausgangsspannung darstellt Abbil dungen 5 1 b Jund 5 1 c e je Konverter ein Graph der den Konvertereingangsstrom gegen ber der Konvertereingangsspan nung darstellt die Solarkurve und der reale MPP werden ebenfalls angezeigt Abbildung 5 2 so wie e je Konverter ein Graph der die Konvertereingangsleistung gegen ber der Konvertereingangsspan nung darstellt Abbildung 5 3 In den Abbildungen 1 b Jund5 ICe sind zwei Dinge deutlich zu erkennen Einerseits zeigen die starken Schwankungen der Eingangsspannung beider Konverter die Arbeitsweise des MPP Trackings anderer seits l sst sich aus der Tatsache dass die Ausgangsspannung beider Konverter deutlich tiefer als ihre Eingangsspannung ist schlie en dass beide Konverter im Tiefsetzstellerbetrieb arbeiten Abbildung 5 2 zeigt dass die Konvertereingangsspannungen und str me immer auf der Solarkurve lie gen und die Wertepaare die effektiv angenommen werden tats chlich in der
66. er verwendeter Index Anzahl Ger te 10 result Die Variable result enth lt die Ergebnisse der letzten Messung unabh ngig davon ob es sich um eine Einzel oder eine Serienmessung handelt Die Variable wird jeweils mit dem Beginn einer neuen Messung gel scht und neu erstellt Zwecks einfacherer Darstellung werden hier die Spannungen v1 bis v7 mit v abgek rzt die Str me il und i4 als i dargestell und die Konverter c1 und c2 unter c zusammengefasst Alle Fehlerwerte sind grunds tzlich relative einheitenfreie Werte Um den Fehler in Prozent zu erhalten muss also der Fehlerwert mit 100 multipliziert werden Typ Struct Klassifikation Ergebnis Defintion TMMReadAll TMMEvalAll Tabelle mit den Feldern von result siehe n chste Seite 34 Hinweis Im Falle einer Serienschaltung wird i 3 im Interface auch als J bezeichnet i4 existiert nicht 57 A Software Dokumentation Felder Typ Inhalt Wertebereich rend ARR DBL Alle gelesenen Werte der Spang i DBL e 0 1000 c R V m val DBL Mittelwert aus allen Messwerten 0 1000 c R f dey DBL Die von MATLAB berechnete Stan Ryo dardabweichung err DBL Messunsicherheit Rso vi val ARR DBL Werte der Lastspannung die einge DBL e 2 5 500 c R stellt wurden val DBL Mittelwert des Stromes i be R i rechnet aus zugeh rigem Span f nungsmittelwert und Widerstand err DBL Messuns
67. essungen am Konverter SolarMagic SM3320 1Al in etwa gleich gro Vin Maul so schaltet der Konverter bei dieser Lastspannung vom Eingang zum Ausgang durch in Abbildung 5 6 a list dies bei 25 V 26 V und 27 V Lastspannung der Fal P Voltages at Converter 1 A E Rea MPP 28 Ke m or eS are a em ee gh IE SS EE Converter Voltage V LA S 24 25 26 27 28 29 i i i i i 30 31 32 33 34 35 Load Voltage V a Konverterspannungen gegen ber der Lastspannung Currents at Converter 1 8 5 T T T T T T T T T T 7 4 8 q 5 5 Input va Jr Output Real MPP 2 657 GC S 5 ek Set 5 4 25 26 27 28 29 30 3 32 33 34 35 Load Voltage V b Konverterstr me gegen ber der Lastspannung Abbildung 5 6 Konverterspannungen und str me gegen ber der Lastspannung f r eine Messreihe Teil von figurel in diesem Falle Testmessung 5 Die Darstellung der Konverterleistung Eingang und Ausgang sowie MPP Leistung gegen ber der Last spannung verdeutlicht die Optimierung des Konverters auf einen Arbeitspunkt an dem die Effizienz am gr ten ist in diesem Graph an der Stelle an dem die Ausgangsleistung am n chsten an der MPP Leistung liegt Auch die geringeren Verluste im Durchschaltmodus in Abbildung 5 7 bei 25 V 26 V und 27 V sind deutlich erkennbar 27Man ber cksichtige dass vom Eingang zum Ausgang Verluste auftreten F r de
68. f r Kanal B im entsprechenden Modus CC CR CP p2 A Q W POW rise DBL Eingestellte Anstiegsrate f r den entsprechenden Modus CC CR CP A us A uS A us fall DBL Eingestellte Abfallrate f r den entsprechenden Modus CC CR CP A us A uS A us vl DBL Eingestellte Spannung fiir Kanal A im CV Modus V VOLT v2 DBL Eingestellte Spannung f r Kanal B im CV Modus V imax DBL Eingestellte Strombegrenzung f r den CV Modus A fast BOOL Fast Mode aktiv oder nicht i DBL Aktueller Strommesswert A EA p DBL Aktuell gemessene Leistung W r DBL Aktuell gemessenener Widerstand Q v DBL Aktueller Spannungsmesswert V 64 A 4 Funktionen und Skripte LoadSetDefaults Diese Funktion setzt die Einstellungen der Last auf die Standardwerte Typ Funktion Klassifikation Last Signatur success LoadSetDefaults und Ausgabeargument success BOOL true falls die Standardeinstellungen gesetzt werden konnten LoadSetMode Aktiviert den ausgew hlten Modus f r die Last Typ Funktion Klassifikation Last Signatur success LoadSetMode mode range Ein und Ausgabeargumente mode STR Gew nschter Modus CC CR CV oder CP range STR HIGH oder LOW success BOOL true falls der gew nschte Modus gesetzt wurde LoadSetParams Setzt f r einen Betriebsmodus die Parameter der Last Typ Funktion Klassifikation Last Signatur success LoadSetParams mode
69. figuration Operation Mode Parameter Settings Constant Cu t CC ee ee Mode Channel A ChannelB Additional _ Constant Resistance CR cc A JA Rise Alus Constant Voltage CV Fok Wis ise 2 Constant Power CP CR R 7 R Rise 7 AJuS Fall 2 Aus CC Dynamic Load CCD CV 7 y MW Lmax JA CC External Wave CCE FA C_ Fast Response Select Range S cP Ww W Rise AJuS Low Range Fall JANS High Range L 4 Abbildung 4 3 Last Konfigurationsfenster Die Abbildung zeigt eine Offline Version des Konfigurationsfens ters im Betrieb w rden die durch die aktuell eingestellten Werte ersetzt Konstantspannung aber auch andere Modi k nnen gew hlt werden In dieser Version der Software werden die Modi Constant Current Dynamic Load und Constant Current External Wave nicht unterst tzt Das Kontrollfeld Select Range erm glicht die Auswahl Low Range oder High Range wobei der Un terschied zwischen den beiden Modi in p 3 8 wie folgt beschrieben ist The low range is used for input voltage in low voltage range while the high range is for the input voltage over low voltage range Zu deutsch Low Range wird f r Spannungen im Low Range Bereich verwendet High Range f r Spannungen oberhalb des Low Range Spannungsbereichs Auf p 4 13 wird diesbez glich angemerkt dass die Range Einstellung einen Einfluss auf die Aufl sung hat mit der Eins
70. fiihrt Gegen Ende der Arbeit gelang es auch noch das Evaluations Kit STEVAL ISV009V 1 welches auf dem Hochsetzsteller ST Microelectronics SPV1020 vel Tabelle 2 1 basiert zu beschaffen 3 4 Berechnung der Ergebnisse Das Hauptinteresse des in dieser Arbeit entwickelten Teststandes gilt der Effizienz der zu testenden Wech selrichter sprich der Priiflinge Insgesamt sind drei verschiedene Effizienzen von Interesse e Die Effizienz des Konverters Konvertereffizienz 7 vom Konvertereingang zum Konverterausgang e die Effizienz des MPP Trackings MPP Effizienz pp sprich das Verh ltnis von Konverterein gangsleistung zu verf gbarer MPP Leistung sowie e die Gesamteffizienz des Systems mo von der MPP Leistung zur Konverterausgangsleistung Die Effizienz eines jeden Systems ist grunds tzlich definiert als Pou ek t lt 100 3 4 in Da jedoch weder die Effizienz noch die Leistung mit dem in Abbildung 3 2 gezeigten Aufbau direkt gemessen werden k nnen m ssen die besagten Effizienzen berechnet werden Dies geschieht f r die Konvertereffizienz gem den Gleichungen 3 5 f r Serienschaltung und 6 f r Parallelschaltung f r die MPP Effizienz gem den Gleichungen 3 7 und f r die Gesamteffizienz gem den Gleichungen 3 8 f r Serienschaltung und 3 9 f r Parallelschaltung Die Bezeichnungen der Gr en orientieren sich dabei an Abbildung y V n Patou bach JS 3 5a n Pas Vrh Veg 3
71. fizierten Ausgang V i DBL Strom am spezifizierten Ausgang A SASReadParams Liest die derzeitigen Einstellungen des SAS und gibt sie zur ck Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur mode v i voc isc vmpp impp SASReadParams lt channel gt Ein und Ausgabeargumente channel INT Auswahl des Kanals 1 oder 2 mode ARR STR STR Modi beider des ausgew hlten Kanals v ARR DBL DBL FIX Spannungen beider des ausgew hlten Kanals V H ARR DBL DBL FIX Strombegrenzung A voc ARR DBL DBL Leerlaufspannung V isc ARR DBL DBL Kurzschlussstrom A vmpp ARR DBL DBL MPP Spannung V impp ARR DBL DBL MPP Strom A 71 A Software Dokumentation SASSetDefaults Sendet die Standardeinstellungen an den SAS Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur success SASSetDefaults lt channel gt Ist channel angegeben so wird nur der betreffende Kanal zur ckgesetzt ansonsten beide Ein und Ausgabeargumente channel INT Zurickzusetzender Kanal 1 oder 2 success BOOL true falls die Operation durchgef hrt wurde SASSetFix Sendet die Einstellungen fiir den FIX Modus an den SAS ohne den FIX Modus zu aktivieren Typ Funktion Klassifikation SAS Signatur success SASSetFix volt curr lt channel gt Ist channel angegeben werden die Einstellungen nur an den entsprechenden Kanal gesendet ansonsten an beide Ein und Ausgabeargumente volt DBL Einzustellende Spannung V curr DBL Einzust
72. g Il Zum Zeitpunkt der Abgabe dieser Arbeit waren alle Ger te wie hier beschrieben im Einsatz Allerdings ist es m glich dass im sp teren Einsatz das eine oder andere Ger t ausgetauscht wird In diesem Falle sind einige Anpassungen n tig vgl hierzu Anhang B Unter der ID wird die programminterne Identifikationsnummer verstanden Bei den Widerst nden R bis R ist an Stelle der Seriennummer die Nummer des Kalibrierungszertifikats angegeben 12 3 2 Messger te SAS SAS a Schaltplan fiir Serienschaltung der Gleichspannungswandler SAS SAS b Schaltplan fiir Parallelschaltung der Gleichspannungswandler Abbildung 3 2 Schaltpldne des Teststandes fiir Serien und Parallelschaltung der Gleichspannungswandler 13 3 Aufbau des Teststandes SAS Mode Im SAS Modus berechnet der SAS anhand der Vorgabe der Parameter Voc Isc Vmpp und Impp eine Solarkurve und simuliert das Verhalten eines Solarmoduls Auf das verwendete Modell wird sp ter in diesem Abschnitt genauer eingegangen Table Mode Im Table Mode kurz TABL simuliert der SAS anhand einer gespeicherten Tabelle das Verhalten eines Solarmoduls F r den Teststand wird haupts chlich der SAS Modus ben tigt um m glichst flexibel das Verhalten des Solarmoduls einstellen zu k nnen Zu Testzwecken wird ebenfalls der Modus FIX unterst tzt SAS Mode Modell Laut Agilent SAS HB p 58 verwendet der SAS im SAS Modus zur Simulation des Solarmoduls e
73. g der von MATLAB bestimmten Standardabweichung aller Spannungsmessungen zwecks Fehlerabsch tzung e Kompilieren des Programms in eine ausf hrbare Date Diese Konverter m ssen nicht f r den Betrieb im Zusammenhang mit Solaranlagen konzipiert sein 30 Auf Grund der wenigen und umst ndlichen Beschaffungswege f r solarmodulintegrierte Konverter musste beispielsweise auf Tests mit der Parallelschaltung verzichtet werden 31Es sollte die Verf gbarkeit der Treiber getestet werden 43 Literaturverzeichnis Agilent SAS DB AGILENT TECHNOLOGIES Hrsg Agilent E4360 Modular Solar Array Simulators Models E4360 62A E4366 68A Datasheet Santa Clara CA 2011 Datenblatt Agilent SAS HB AGILENT TECHNOLOGIES Hrsg Modular Solar Array Simulator Series E4360 User s Manual 5 Edition Santa Clara CA 2010 Handbuch Agilent TMM DB AGILENT TECHNOLOGIES Hrsg Agilent 34410A and 34411A Multimeters Pro duct Overview Santa Clara CA 2007 Datenblatt Agilent TMM HB AGILENT TECHNOLOGIES Hrsg Agilent 34410A 11A Multimeter mit 6 2 Stel len Benutzerhandbuch 3 Auflage Santa Clara CA 2006 Handbuch BFE 2000 SCHWEIZERISCHE EIDGENOSSENSCHAFT BUNDESAMT F R ENERGIE Hrsg Schwei zerische Gesamtenergiestatistik 2000 Bern 2001 Jahresstatistik BFE 2010 SCHWEIZERISCHE EIDGENOSSENSCHAFT BUNDESAMT F R ENERGIE Hrsg Schwei zerische Gesamtenergiestatistik 2010 Bern 2011 Jahresstati
74. g sind Wer te von 1 bis 50000 die Standardeinstellung sieht 10000 Teil Trigger Configuration messungen vor Aperture gibt an wie lange das Eingangssig nal integriert werden soll in NPLC Trigger Voltage gibt die Number of Measurements n a Spannung des Triggersignals vor sie sollte gem f Multimeter Eigenschaften 3 V bis 5 V betragen Abschnitt 3 2 3 Trigger Pulsewith gibt die Breite des Pulses vor die 1 us bis 2 us betra gen sollte Trigger Pulsewidth Beim Klicken auf Apply werden die Werte auf ihre Giiltigkeit hin tiberpriift Sind alle Werte giiltig so werden sie an den Funk tionsgenerator und die Multimeter tibermittelt andernfalls er scheint im Konfigurationsfenster selbst eine Warnung Das Schlie en des Fensters mittels des wei en Kreuzes auf rotem Grund verwirft alle vorgenommenen nderungen EI Trigger Configuration Aperture Trigger Voltage Apply Abbildung 4 4 Fenster zur Messungs konfiguration Trigger Konfiguration Die Schaltfl che Default Trigger stellt die Standard Triggerein stellungen wieder her namentlich 10000 Messungen mit einer Integrationszeit von 0 006 NPLC Trigger spannung 5 V und Pulsbreite 1 5 us 29 4 Software Einzelmessung starten Nachdem die Messung mittels Triggereinstellungen wunschgem konfiguriert wurde kann sie durch einen Klick auf die Schaltfl che Start Single Measurement gestartet werden Das System deaktiviert bis zum Abschluss d
75. gelten teilweise trotz ihrer durchaus vorhandenen Nachteile als Allheilmittel f r unsere Energieprobleme Eine Aufgabe der Forschung ist es also diese Nachteile der erneuerbaren Energie zu erkennen und L sungen zu finden Im Zentrum dieser Arbeit steht die Solarenergie Um elektrische Energie aus Solarzellen in das beste hende elektrische Netz einspeisen zu k nnen m ssen mehrere Solarzellen zu einem Solarmodul zusam mengeschaltet werden anschlie end m ssen wieder mehrere Solarmodule zusammengeschaltet werden Geschieht dies ohne weitere Ma nahmen so k nnen verschattete Solarmodule thermisch zerst rt werden und so unter Umst nden einen Hausbrand ausl sen Um diesem Effekt entgegenzuwirken k nnen mittels Dioden jene Module abgeschaltet werden denen die thermische Zerst rung droht was jedoch auch zum Verlust der theoretisch noch gewinnbaren Leistung f hrt In den vergangen Monaten habe ich mich damit befasst zur Untersuchung eines neueren L sungsansatzes beizutragen Mit Hilfe von Gleichspannungswandlern ist es m glich aus jedem Solarmodul die maximale Leistung herauszuholen Dies ist jedoch nur dann praktikabel wenn die Konverter so effizient sind dass ihr Einsatz auch wirklich konomisch sinnvoll ist Um dies zu berpr fen und der k nftigen Entwick lung ein Testwerkzeug zur Verf gung zu stellen habe ich einen Teststand entwickelt der genau diese Konvertereffizienz unter verschiedenen Bedingungen testet Mit d
76. gew nschten Gr en der Schaltung wie z B die Effizienzen sowie ihre Messunsicherheit berechnet Die Auswertung erfolgt in Form von Graphen die die Messergebnisse veranschaulichen und Interpretationen erm glichen F r Einzelmessungen werden auch die gemessenen Werte in einem Schaltplan der Teil der Benutzeroberfl che ist dargestellt Die Graphen wie auch die Werte die in einer globalen Variablen abgelegt sind k nnen gesichert wer den entweder durch das Speichern der MATLAB Figur in einem beliebigen Format und oder durch das Speichern der Ergebnis Variablen in eine mat Datei Weiterhin wurden mit dem Teststand einige Testmessungen durchgef hrt die bereits erste Aussagen ber das Verhalten der getesteten Gleichspannungswandler erm glichen So konnte beispielsweise festgestellt werden dass die Konverter eine gewisse Zeit ben tigen um wirklich die maximale Leistung aus dem Solarmodul ins Netz oder den Zwischenkreis einspeisen zu k nnen XII 1 Einfuhrung Wir leben in einer Welt in der die elektrische Energie immer mehr an Bedeutung gewinnt Nebst den Bemiihungen der Transportindustrie insbesondere im Automobilbereich verstarkt elektrische Ener gie einzusetzen verzeichnet die elektrische Energie auch einen steigenden Anteil am sogenannten End energieverbrauch In der Schweiz ist ihr Anteil von 2000 bis 2010 von 22 auf 23 6 angewachsen Fig 2 der Gesamtverbrauch stieg im selben Zeitraum von knapp 54
77. i der Software bestehen viele Erweiterungsm glichkeiten Eine aus Sicht des Autors besonders wert volle Erweiterung der Software w re durch den Ausbau der Messreihen zu erreichen Wird nebst der Lastvariation die selbstverst ndlich auf andere Modi wie CC CR und CP erweitert werden k nnte eine SAS Variation implementiert so erg be sich die M glichkeit eines viel umfassenderen Testens Ei ne Auswertung der Messergebnisse in drei Dimensionen z B Lastspannung auf der x Achse MPP Spannung auf der y Achse und Konvertereffizienz auf der z Achse w rde f r jeden Konvertertyp eine charakteristische Effizienz Fl che ergeben und somit einen direkten Vergleich der verschiedenen Konver ter erm glichen Ebenso w re es w nschenswert gespeicherte Ergebnisse zwecks erneuter Auswertung laden zu k nnen Zwar besteht die M glichkeit die Messergebnisse in eine mat Datei zu speichern ein Laden und Wieder Auswerten istin der Benutzeroberfl che derzeit aber nicht m glich Die Auswertung geladener Ergebnisse sollte sich nicht von der Auswertung einer gerade eben erfolgten Messung unterscheiden Weitere m gliche kleine Erweiterungen oder und Verbesserungen sollen nur stichwortartig aufgef hrt werden e Zentralisierung der Zuordnung von Ger te ID zu den Bezeichnungen der Messwerte e Verbesserung der Fehlerbehandlung und Einrichten eines wirksamen Messabbruchs ohne Neustart e Unterst tzung der brigen Modi der Last e Verwendun
78. icherheit Rso val DBL SI Wert der Effizienz vom Eingang 0 1 CR ConvEff zum Ausgang des Konverters i err DBL Messunsicherheit Rso val DBL SI Wert der Effizienz von der Quel 0 1 c R Ci MPPEff le SAS zum Eingang von c err DBL Messunsicherheit Rso val DBL SI Wert der Effizienz von der Quel 0 1 c R TotEff le SAS zum Eingang der Last err DBL Messunsicherheit Rso int DBL Intervall zwischen den Messpunk R o s ten type STR Typ der Messung single L Series art STR Serien oder Parallelschaltung der s p Konverter dela DBL Wartezeit zw zwei Messungen Rso s delay DBL Wartezeit vor der ersten Messung Rso s Voc DBL Leerlaufspannung des SAS Kanals 0 55 c R V Isc DBL Kurzschlussstrom des SAS Kanals 0 8 5 c R A SA Pmp DBL MPP Leistung des SAS Kanal 0 490 CR W Vmp DBL MPP Spannung des SAS Kanal 0 50 c R V Imp DBL MPP Strom des SAS Kanalq 0 9 c R A SA di V DBL Spannung der Quelle 0 50 c R V I DBL Maximal zul ssiger Strom 0 9 c R A 36 Dieses Feld ist nur bei Einzelmessungen enthalten 37 Dieses Feld existiert nur wenn es sich um eine Messreihe mit Lastspannungsvariation handelt 38Dieses Feld existiert nur bei Messreihen 3Zusammenfassung f r die beiden Felder SAS1 und SAS2 Diese Felder existieren nur wenn der betreffende SAS Kanal im SAS Modus betrieben wurde 40Es werden jeweils die realen nicht die definierten Werte abgelegt 41 Zusammenfassung f
79. ie MPP Leistung gegen ber der Lastspannung darstellt Abbildung 5 7 sowie e je Konverter ein Graph der die drei Effizienzen gegen ber der Konverterausgangsspannung darstellt Abbildung 5 5 b Insbesondere wenn nur ein Konverter getestet wird wie in diesem Fall geschehen erm glicht die Visualisierung der Effizienzen gegen ber der Lastspannung Abbildung einen guten Eindruck bez glich der Auslegung des Konverters So wird in diesem Falle z B deutlich dass der Konverter bei einer MPP Leistung von definiert 200 W am effizientesten arbeitet wenn die Ausgangsspannung zwi schen 25 V und 27 V liegt wobei bei einer Lastspannung von 25V aus unerfindlichen Gr nden der Durchschaltmodus aktiviert wird und die Effizienz der MPP Trackings somit stark einbricht 6Diese Funktionali t wird erreicht in dem die Funktion der Schaltfl che Evaluate nach Abschluss der Messungen automatisch ausgef hrt wird 39 5 Ergebnisse der Testmessungen Soll eine hnliche Aussage f r einen Test mit mehreren Konvertern get tigt werden so bietet sich die Darstellung der Effizienzen gegentiber der Konverterausgangsspannung wie in Abbildung an Wird nur ein Konverter getestet so sind die Graphen Effizenzen Lastspannung und Effizienzen Konverter ausgangsspannung nahezu identisch Efficiency of Converter 1 T SE nn Converter Eft MPP Tracking Eff Total Eff Efficiency i i 1 29 30
80. ieser Arbeit m chte ich einen kleinen Beitrag zur Weiterentwicklung der erneuerbaren Energien leisten und dem geneigten Leser einen Ein druck vom faszinierenden Thema der Photovoltaik und der Leistungselektronik geben An dieser Stelle m chte ich auch meinen Dank aussprechen e Meinem Betreuer Matthias Kasper f r seine Unterst tzung und die hervorragende Betreuung w h rend der ganzen Arbeit und ganz besonders daf r dass er durch seine Anregungen R ckfragen und Vorschl ge den Arbeitsprozess stets bereichert und angeregt hat e der Professur f r Leistungselektronik und Messtechnik der ETH Z rich f r das Zurverf gungstellen des Laborplatzes der Hardware f r den Messaufbau und die brige Infrasturktur e Herrn Peter Albrecht f r das Beschaffen der Evaluations Kits der Konverter und das Bereithalten von elektrischen und elektronischen Bauteilen sowie e allen anderen die mich in irgendeiner Form w hrend dieser Arbeit unterst tzt haben Z rich im Mai 2012 Axel Bomhauer Beins VII Notation Im Folgenden sind Abktirzungen und Symbole aufgelistet die in dieser Arbeit verwendet werden Ebenso ist ihre Bedeutung angegeben sofern im Text nicht explizit eine andere Definition gegeben wird Abkiirzungen AC Alternating Current dt Wechselstrom BNC Bayonet Neill Concelman eine koaxiale Steckverbindung DC Direct Current dt Gleichstrom GPIB General Purpose Interface Bus MPP Maximum Power Point Punkt gr tm gliche
81. in exponentielles Modell das durch die Parameter Voc Isc Vmpp und mpp definiert wird In Agilent SAS HB p 60 wird explizit darauf hingewiesen dass im Falle Impp lt Isc eine Abweichung des durch die Parameter definierten MPP ef vom real simulierten MPP auftreten kann Verwendet man die Modellgleichungen aus Agilent SAS HB p 95 so ist es m glich das Modell in der Steuerungssoftware des Teststandes nachzubilden Auf die Behandlung dieser Abweichung des definierten MPP vom real simulierten MPP wird in Abschnitt 4 4 eingegangen an dieser Stelle sollen zuerst die dem Modell zu Grunde liegenden Gleichungen angegeben werden R I Ix nO S sc V I Ces 3 1 We wobei V V a 3 2a Impp In 2 24 Ne a 3 2b In Vmpp 1 Ze Rs Impp 1sc a AO NE 3 2c Voc Abbildung 3 4 a zeigt ein Beispiel f r die Abweichung des real simulierten MPPs vom definierten MPP Sowohl Strom Spannung als auch Leistung entsprechen nicht den definierten Werten Prea 1 05 Paet Deal Abbildung 3 4 b zeigt dass das Modell f r Impp Ls den MPP jedoch in guter N herung trifft Prea 1 0003 Paef Preal Anschl sse des SAS Ausgangs Jedes SAS Modul verf gt am Ausgang ber f nf Klemmen mit den Bezeichnungen D s und s Abbildung 3 3 zeigt eine schematische Darstellung des Ausgangs eines SAS Moduls Bei den Anschl ssen und handelt es sich dabei um die blichen Ausg nge a
82. inien oaoa aaa nen Schaltung mit passiven Bypass Dioden e Beispielhafte Solarkurve mit Kurve konstanter Leistung Beispiele f r Verschaltungen von Solarmodulen mit Gleichspannungswandlern N 9 E E RA Schematischer Aufbau des Teststandes fiir Serien und Parallelschaltung der Solarmodule Schaltpl ne des Teststandes fiir Serien und Parallelschaltung der Gleichspannungswandler Ausgang eines SAS Moduls Modellkurven des SAS 4 2 5 ia x a 2a u wa Wahl EN A eS Hauptoberfl che des Teststandes vor dem Starten des Systems SAS Konfigurationsdialog ee Last Konfigurationsfenster ee Fenster zur Messungskonfiguration Trigger Konfiguration Konfigurationsfenster f r Messreihen Device Information Fenster f r den Widerstand R 000 4 Benutzeroberfl che mit Anzeige des Ergebnisses einer Einzelmessung Spannungsdiagramme der Auswertung einer Einzelmessung Strom Spannungsdiagramme als Teil der Auswertung einer Einzelmessung Leistung Spannungsdiagramme als Teil der Auswertung einer Einzelmessung Anzeige der Ergebnisse einer Einzelmessung in der Benutzeroberfl che Konvertereffizienzen gegen ber Lastspannung und Konverterausgangsspannung Konverterspannungen und str me gegen ber der Lastspannung f r eine Messreihe Konverterleistungen gegen ber der Lastspannung bei einer Messreihe
83. itt 2 2 kurz vorgestellt werden Dies entspricht einer Verlagerung des Arbeitspunktes in den zweiten Quadranten 2 2 Verschaltung von Solarmodulen 2 2 Verschaltung von Solarmodulen 2 2 1 Serienschaltung mit nachgestelltem Wechselrichter Bleibt man dem Konzept der Serienschaltung von Solarmodulen und anschlieBender Einspeisung ins Netz mittels Wechselrichter treu will aber dennoch auch die Leistung von teilweise verschatteten Modulen m glichst vollst ndig nutzen k nnen so bietet es sich an jedes Solarmodul mit einem Gleichspannungs wandler auszur sten Dieser Gleichspannungswandler wird so angeschlossen dass der Ausgang eines Solarmoduls direkt mit dem Eingang eines Gleichspannungswandlers verbunden wird anschlie end wer den alle Ausg nge der Gleichspannungswandler in Serie geschaltet Es resultiert eine Schaltung wie in Abbildung 2 5 a S 9 dargestellt Die Gleichspannungswandler erm glichen je nach Ausf hrung eine Verschiebung des Arbeitspunktes auf einer Kurve konstanter Leistung Demzufolge ist es m glich den Strom der gesamten Serienschal tung von Solarmodulen so einzustellen dass alle Solarmodule ihre maximale Leistung MPP Leistung einspeisen k nnen F r die drei verschiedenen Ausf hrungen von Gleichspannungswandlern gibt es drei entsprechende Anpassungsszenarien Werden Tiefsetzsteller engl Buck Converter verwen 10 det so gilt f r die Spannung V ou am Konverterausgang 9
84. l sowie Lesewertfeld gekennzeichnet mit SAS Control Panel und SAS I Readings respektive SAS 2 Control Panel und SAS 2 Readings Die Steuerung der Simulatoren erfolgt jeweils ber drei Schaltfl chen v 1 n r e An Aus Schalter Switch ON Switch OFF e Einstellungs Schalter Configure und e Zur cksetzen auf Standards Set Default fiir SAS respektive bernahme der Einstellungen von SAS f r SAS Copy SAS Die Verwendung des Schalters aktiviert dabei den im oberen Teil des Kontrollfeldes angegebenen Modus mit seinen ebenfalls angezeigten Parametern Das Feld Status gibt Auskunft tiber den aktuellen Zustand des SAS Ausgangs eingeschaltet ausgeschaltet unbekannt Ist ein Modul eingeschaltet so wird der Hintergrund des betreffenden Kontrollfeldes orange eingef rbt st der Hintergrund eines Kontrollfeldes rot eingef rbt sollte die Arbeit unterbrochen und der Zustand des SAS direkt am Ger t gepr ft werden Die Konfiguration wird durch einen Klick auf die Schaltfl che Configure ge ffnet Abbildung 4 2 Sie erm glicht die Auswahl der Betriebsmodi FIX und SAS die in Abschnitt beschrieben sind sowie Ist Parallelschaltung ausgew hlt so tr gt die Schaltfl che die Aufschrift Change to Series 26 4 4 Funktionalitat die Konfiguration der jeweiligen Parameter Bei Verwendung der Schaltflache Apply All Settings wird zu erst getestet ob die eingegebenen Werte zul ssig sind G ltige Werte werden an den SAS gesende
85. lt Wert eines Widerstandes tiefgestellt Realer Wert Notation rel th TMM tot typ sc tiefgestellt tiefgestellt tiefgestellt tiefgestellt tiefgestellt tiefgestellt tiefgestellt Relativer Wert z B Fehler Thermische Gr e Wert eines Tischmultimeters total Typischer Wert Serienschaltung Wert im Kurzschlussfall short circuit XI Zusammenfassung Um Solarmodule effizienter nutzen zu k nnen wurden Gleichspannungswandler entwickelt die von je dem Solarmodul die maximal m gliche Leistung ins Netz einspeisen sollen Dabei ist es selbstverst ndlich von gro em Interesse diese Konverter die direkt in die Solarmodule integriert werden sollen mit m g lichst hoher Effizienz zu bauen Zum aktuellen Zeitpunkt sind bereits verschiedene Konvertertopologien von verschiedenen Herstellern kommerziell verf gbar Um diese Konverter auf ihre Effizienz hin zu pr fen wird in dieser Arbeit ein Teststand entwickelt der sowohl f r eine serielle als auch eine parallele Verschaltung der Konverter ge eignet ist auch andere Gleichspannungswandler die nichts mit Photovoltaik zu tun haben k nnen mit diesem Teststand gepr ft werden Nachdem das Prinzip der photovoltaischen Energieerzeugung in Grundz gen verstanden wurde ergaben Recherchen verschiedene kommerziell verf gbare Ans tze um Solarmodule so effizient wie m glich zu nutzen Von gr tem Interesse sind dabei der Einsatz von Gleichspannungswandlern
86. lues wird nur in dieser GUI ben tigt und deshalb beim Schlie en vollst ndig gel scht 55 A Software Dokumentation TrigConfig Die GUI TrigConfig deren Bedienung in Abschnitt beschrieben ist funktioniert genau analog zur GUI LoadConfig mit dem einzigen Unterschied dass zur bermittlung der Werte die Funktionen TMMInitAll und TrigSet zum Einsatz kommen A 3 Globale Variablen devices Die Variable devices enth lt Informationen ber die verwendeten Ger te und ihre Konfiguration na mentlich Tischmultimeter Funktionsgenerator Solar Array Simulator und elektronische Last Die Ger te werden dabei mittels Indizes angesprochen so kann z B der Name des Ger tes mit dem Index pro gramminterne Identifikationsnummer 1 durch den folgenden Aufruf ermittelt werden devices 1 name Typ Struct Klassifikation Einstellungen Definition VarDevices Feld Typ Inhalt conType name STR Instituts Inventarbezeichnung alle serial STR Seriennummer des Ger ts alle address STR VISA Adresse des Ger ts USB boardAddr INT GPIB Board Adresse GPIB primaryAddr INT Prim re GPIB Adresse GPIB vendor STR Ger te Hersteller alle conType STR Typ der Verbindung zwischen PC und Ger t alle visa OBJ Verbindungs Objekt alle type STR Ger te Typ Bezeichnung alle Anmerkung Die Adresse um ein Ger t via USB anzusprechen setzt sich im Wesentlichen aus der Verk ufer ID der Ger te ID und
87. max 9A Pmax 300 W Vout max 36V Die Angaben beziehen sich auf das Evaluations Board STEVAL ISV009V1 welches auf dem IC SPV1020 und der Bypass Diode SPV1001N30 basiert 2 2 Verschaltung von Solarmodulen Tief Hochsetzsteller SolarMagiq SM1230 xAx Vin max 50 V Vin mpp lt 40 V Jose 9 2 A 10 4 Al Linmpp lt 8 5 A Vout max 43 V Tout max 8 5 A Tief Hochsetzsteller SolarMagic SM1230 xBx Vin max 100 V Vin mpp lt 80 V IPy sc 5 9 A 6 4 A Tin mpp lt 8 A Vout max 80 V Iout max 5 5 A Tief Hochsetzsteller SolarMagic SM3320 xAx Vin max 50 V Vin mpp lt 40 V Durchschalt Modus Tinsmax 11 A Finmpp lt 11 A Vout max 43 V Tout max 12 5 A Tief Hochsetzsteller SolarMagic SM3320 xBx Vin max 80 V Vin mpp lt 42 V Durchschalt Modus lin max 9 A Einmpp lt 9 A Vout max 46 V Tout max 10A Tief Hochsetzsteller SolarMagic SM3320 xCx Vin max 80 V Vin mpp lt 50 V Durchschalt Modus Tinsmax 9 A Einmpp lt 9 A Vout max 53 V Tout max 10A Tief Hochsetzsteller SolarMagic SM3320 xDx Vin max 100 V Vin mpp lt 70 V Durchschalt Modus Inmax 9 A Iin mpp lt 9 A Vout max 74 V Tout max 10A Tief Hochsetzsteller SolarEdge PB250 AOB Vin max 60 V Vin mpp 5 V 60 V Fini max 10A Pinmax 250 W Vout 5 V 60 V Iout max 15 A Tief Hochsetzsteller SolarEdge PB350 AOB Vin max 60 V Vin mpp 5 V 60 V Fin max 10A Pin ma
88. n Daten sind in Ab schnitt angegeben der Hersteller des verwendeten GPIB Adapters ist wie bereits erw hnt National Instruments ni F r die ben tigten SCPI Befehle kann in Handb chern oder Referenzen nachgeschlagen werden In MATLAB muss nach Herstellen der Verbindung s o diese mit dem Befehl fopen Verbobj ge ffnet werden bevor mit den Befehlen fprintf VerbObj Befehlsstring und ans query VerbObj Anfrage Befehle gesendet respektive Werte ausgelesen werden k nnen Mit tels fclose VerbObj kann die Verbindung geschlossen werden Diese sind meist Teil der Bedienungsanleitung des betreffenden Ger tes 24 4 4 Funktionalitat 4 4 Funktionalitat 4 4 1 Einf hrung In diesem Abschnitt soll die Funktionalitat der Software in Form einer kurzen Bedienungsanleitung darge stellt werden Dabei wird jeder Funktionalit t ein Abschnitt gewidmet Um die Anwendung der Software repektive eine sp tere Weiterentwicklung auch nicht deutschsprachigen Personen zu erm glichen wurden Software und Oberfl che in Englisch programmiert In dieser Beschreibung werden die Bezeichnungen so verwendet wie sie auch auf der Benutzeroberfl che verwendet werden es erfolgt keine bersetzung der Bezeichnungen insbesondere von Schaltfl chennamen ins Deutsche Abbildung 4 1 zeigt die Oberfl che vor dem Starten des Systems LA Test Environment Control ZS A Last Refresh Solar DC DC Converte
89. n Strom gelten sinngem die gleichen Aussagen Auf Grund der Relation P V I bedeutet Ij lt Joy aber einen Tief setzstellerbetrieb Die anderen Betriebsarten ergeben sich gleicherma en 41 5 Ergebnisse der Testmessungen SAS Converter 1 209 208 207 206 F 205 204 Converter Power W 200 4 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Load Voltage V Abbildung 5 7 Konverterleistungen gegentiber der Lastspannung bei einer Messreihe Teil von figure2 hier fiir Testmessung 5 42 6 Ausblick Im Rahmen dieser Arbeit ist ein funktionsf higer Teststand f r solarmodulintegrierte Gleichspannungs wandler entstanden der auch fiir Tests von verschiedenen anderen Konvertertypen verwendet werden kann Des Weiteren wurden mit diesem Teststand einige Testmessungen an einem solarmodulintegrier ten Konverter durchgefiihrt Die Ergebnisse dieser Arbeit insbesondere der Teststand lassen sich aus Sicht des Autors folgen derma en weiterverwenden Es w re w nschenswert systematisch Messungen mit m glichst vielen der in den Tabellen 2 1 und 2 2 aufgelisteten Konvertern durchzuf hren So kann einerseits der Teststand in seiner Funktionalit t besser erprobt werden andererseits w rde sich ein umfassende re s Bild ber den aktuellen Stand der Technik ergeben In einem sp teren Schritt kann der Teststand dann dazu genutzt werden einen eigenen Konverter unter verschiedensten Bedingungen zu testen und zu optimieren Be
90. ng werden die Ergebnisse derselben jeweils angezeigt nach Abschluss der Messreihe wird automatisch die Auswertung entspricht einem Klick auf die Schaltfl che Evaluate ausgef hrt Bei Messreihen werden jeweils nur die Mittelwerte der in den Teilmessungen aufgenomme nen Spannungen in der Ergebnisvariablen abgelegt Die Messreihe dient in erster Linie dazu das Verhalten der Konverter bei variablen Bedingungen zu testen Ein optimaler Konverter w rde unabh ngig von der Lastspannung immer im MPP laufen und so die maximale Leistung liefern Je gr er die Abweichung des Konverters vom MPP umso gr er ist auch das Verbesserungspotential 4 4 10 Auswerten und Speichern von Messungen Ein Klick auf die Schaltfl che Evaluate startet eine Routine die abh ngig vom Typ der letzen Mes sung Graphen zur Auswertung der Ergebnisse erstellt Bei der Auswertung der Messung kommt der reale mittels Gleichung B 1 bestimmte MPP zur Anwendung Fiir eine Einzelmessung werden in der ersten von zwei Grafiken alle Spannungen tiber der Zeit aufge tragen Dabei werden jeweils die Ein und Ausgangsspannung eines Gleichspannungswandlers in einem Diagramm sowie alle Spannungen die zur Stromberechnung dienen in einem Diagramm dargestellt die erste Grafik enth lt somit drei Graphen Anhand der Eingangsspannungen der Konverter l sst sich dann z B der MPP Tracking Algorithmus erkennen Mit Hilfe der Ausgangsspannung l sst sich erkennen ob
91. nzugriff Die Multimeter verf gen ber eine USB Schnittstelle ber die die Ger te mittels SCPI Befehlen ferngesteuert werden k nnen Die Hersteller ID von Agilent lautet 0x0 957 die Ger te ID lau tet 0x0607 14Mit der Spannung Ve ber einem Widerstand mit Widerstandswert R ergibt sich der Strom durch den Widerstand zu I Vr R 5Number of Power Line Cycles Anzahl Netzzyklen 15 3 Aufbau des Teststandes lays nvuas apop Aap UOIIDAJSN ana 1 5 8unyo1919 puas SWS s p uaainyjapoy EFC Sunppqqy mgd dd IN PddN SE TS E y 6y STA SBT A WS OTA 07 A 9 IS e y T IA OT A Y ST OTA 07 A 8 A 938104 A 93eyoA 07 st 91 Hl Lu 8 9 Tt 0 07 ai 91 H do 8 9 rt T 0 e UM 808906 dd ea O M 906 daN pour ae gt M 891 ST ddI IRA O M 7 daN PUIG 9 e UU v uam y mmp 16 3 2 Messger te 3 2 4 burster Hochpr zisionswiderstand Modell 1282 In Abschnitt 3 2 3 wurde festgestellt dass zur Strommessung Shunts ben tigt werden Zu diesem Zwe cke werden burster Hochpr zisionswiderst nde des Modells 1282 mit einem Nennwiderstand von 10 mQ verwendet Diese Widerst nde verf gen ber je zwei Anschl sse Eingang und Ausgang zur Stromf hrung sowie zwei Anschl sse zur Spannungsmessung Sie wurden bei einer Umgebungstemperatur von 23 C kali briert ihre Temperaturabh ngigkeit ist gegeben als Rr Rr 2c 1 T 20 C T 20 C 3 3 mit a e 0 20 1
92. omfluss resultie renden Verlustleistung dem thermischen Widerstand und den Temperaturkoeffizienten Da f r den Tem peraturkoeffizienten 1 Ordnung a gem Tabelle C 5 in Bezug auf den Temperaturkoeffizienten 2 Ord nung gilt gt kann f r diese Betrachtung vernachl ssigt werden Verwendet man den Mittelwert zur Berechnung der Unsicherheit so ergibt sich H ER rel Ik Ruom Rin Fertigung 3 12 A lt Py Therm Verluste Unter Verwendung der obigen Aussage dass relative Fehler bei Multiplikation oder Division von feh lerbehafteten Messwerten addiert werden ist es nun m glich f r jeden Messwert und jede berechnete Gr e gem den Gleichungen in Abschnitt 3 4 die Messunsicherheit herzuleiten und zu implementie ren So gilt beispielsweise fiir den Fehler der Konvertereffizienz des ersten Konverters unter Annahme normalverteilter Fehlerwahrscheinlichkeiten der in Gleichung 3 13 gegebene Ausdruck 20 3 5 Messgenauigkeit ncl S ev y eR Cy y ter 3 11 Bereich Vz V5 Bereich max E emess V5 t u Vs CBereich V7 V7 Bereich max mess V7 V eR 7 EBereich V V1 Bereich max mess V EEE onen 1 EBereich V gt V2 Bereich max mess V2 V eR 2 3 12 Bereich Vs V5 Bereich max emes v t u Vs CBereich Vz V7 Bereich max mess V7 A 7 2 Tr R3 nom d Kam OR ER Fertigung C
93. onverter in erster Linie der Schalter halten in diesem Falle die Effizienz unter 100 In Tabelle2 1 ist eine bersicht ber die derzeit auf dem Markt verf gbaren Gleichspannungswandler f r Serienschaltung der Ausg nge gegeben Durchschalt Modus Typ Hersteller und Modellbezeich Spezifikationen nung Tiefsetzsteller Azuray AP250 Mia min 20 V Vinmax 80 V Jaen 8 A ba maa 10A Pinmax 250 W V out max VPv out Tout max 14 A Tiefsetzsteller Azuray AP260 Vinmin 8 V Vinmax 70 V Jaen 8 A ba maa 10 A Pinmax 300 W V out max VPv out Iout max 15 A Tiefsetzsteller Azuray AP300 Vinmin 8 V Vinmax 80 V Jaen 8 A ia max 10A Pinmax 300 W V out max VPv out Iout max 15 A Tiefsetzsteller Tigo MM ES50 Vin max 52 V Vin mpp 16 V 48 V Iin max 10 A Linmpp 9 5 A Pinmax 350 W Vout max Vpv outs Tout max 9 5 A Tiefsetzsteller Tigo MM ES75 Vin max 75 V Vin mpp 30 V 65 V Iin max 7 5 A Jumm 6 5 A Pinmax 350 W V out max VPv out Tout max 6 5 A Tiefsetzsteller Tigo MM ES110 Vin max 110 V Vin mpp 30 V 89 V Iin max 5A Jumm 4 7 A Pin max 350 W Vout max Vpv outs Tout max 4 7 A Tiefsetzsteller Tigo MM ES170 Vin max 170 V Vin mpp 30 V 140 V Tin max 3A Jumm 26A Pin max 350 W Vout max Vpv outs Tout max 2 6 A Hochsetzsteller ST Microelectronics SPV Eng Vin max 40 V Vinmin 6 5 V Fin
94. ordner mit Funktionen enth lt und in dem die Datei Start m liegt Um die Benutzeroberfl che zu starten muss zu diesem Dateipfad in MAT LAB navigiert werden Durch die Eingabe des Befehls Start in das MATLAB Befehlsfenster wird die Oberfl che gestartet Die ben tigten Unterordner werden automatisch zur in MATLAB bekannten Ord nerhierarchie hinzugef gt Nach dem Laden der Oberfl che sind alle Schaltfl chen mit Ausnahme der Schaltfl chen Boot System Change to Parallel sowie der Element Schaltfl chen in der Schaltungs bersicht deaktiviert Grunds tz lich werden immer dann Schaltfl chen deaktiviert wenn ihre Funktionalit t nicht verf gbar ist oder ihre Benutzung die Systemstabilit t gef hrden w rde 25 4 Software 4 4 3 Auswahl der Schaltung In Abschnitt wurden zwei zu unterst tzende Schaltungsarten vorgestellt Serienschaltung und Pa rallelschaltung der Konverterausg nge Standardm ig ist die Serienschaltung ausgew hlt mit Hilfe der Schaltfl che Change to Parallel kann auf Parallelschaltung umgestellt werden 20lDiese Auswahl muss vor dem Starten des Systems geschehen und mit der tats chlich aufgebauten Schaltung bereinstimmen vgl Abbildung 3 1 Ist die falsche Schaltungsart ausgew hlt so wird die automatische Auswertung beliebig falsche Ergebnisse liefern 4 4 4 Starten Herunterfahren und Neustarten des Systems Mittels der Schaltfl che Boot System wird das Messsystem gestartet Dies bedeutet d
95. r um eine von mir selbstandig und in eigenen Worten verfasste Originalarbeit handelt VerfasserIn VerfasserInnen Name Vorname Bomhauer Beins Axel Betreuende r Dozentin Name Vorname Kolar Prof Dr Johann W Mit meiner Unterschrift best tige ich dass ich ber fach bliche Zitierregeln unterrichtet worden bin und das Merkblatt http www ethz ch students exams plagiarism_s_de pdf gelesen und verstanden habe Die im betroffenen Fachgebiet blichen Zitiervorschriften sind eingehalten worden Eine berpr fung der Arbeit auf Plagiate mithilfe elektronischer Hilfsmittel darf vorgenommen werden Ort Datum Unterschrift Bei Gruppenarbeiten sind die Unterschriften aller VerfasserInnen erforderlich F Bern Durch die Unterschrift b rgen Sie f r den vollumf nglichen Inhalt der Endversion dieser schriftlichen Arbeit EH
96. r jeweils als des Messwerts der Be reichsobergrenze Nach Agilent TMM DB p 3 C 3 burster Hochprazisionswiderstand Wider Inv Nr Kali Nominalwert Realwert Unge Therm stand bra nauig Wider bez tions keit stand auf Zert Abb Nr R W0428 7320 10 00161 mQ Ra W0429 7321 10 00128 mQ K W R3 W0430 7322 Dan 10 00122 mQ DEE j RE Ra W0427 5162 10 00040 mQ Tabelle C 5 Daten der Hochpr zisionswiderst nde nach p 2 C 4 Elektronische Last Modus Parameter Wert Leistung 2600 W allg Laststrom OA bis 50 A Lastspannung 1 25 V bis 500 V cc Bereich VA bis 50 A Aufl sung 12 5 mA CR Bereich 10 Q bis 40kQ Aufl sung 12 bits cv Bereich 2 5 V bis 500 V Aufl sung 125 mV CP Bereich 6 25 W bis 2 6 kW Aufl sung 31 25 mW Tabelle C 6 Wichtigste Daten der elektronischen Last nach Chroma HB p 1 4 Das Zeitfenster gibt an in welchen Zeitraum alle Messungen liegen m ssen um dieser Genauigkeit zu entsprechen 86 ETH Eidgen ssische Technische Hochschule Z rich Swiss Federal Institute of Technology Zurich Eigenstandigkeitserklarung Ist jeder an der ETH verfassten schriftlichen Arbeit unterzeichnet beizufiigen Ich erklare hiermit dass es sich bei der von mir eingereichten schriftlichen Arbeit mit dem Titel Automatischer Teststand fur solarmodulintegrierte DC DC Konverte
97. r rekonstruiert oder Messungen einfacher wiederholt werden 4 3 Grundlagen der Programmierung Zur Erstellung der Benutzeroberfl che in MATLAB wird der MATLAB eigene GUI Editor guide ver wendet Dieser Editor erm glicht die grafische Gestaltung der Oberfl che und erstellt automatisch eine m Datei welche die n tigen Funktionssignaturen bereits enth lt Es gen gt also die Oberfl che zu ge stalten und sp ter in der Quelltext Vorlage die Funktionalit t zu implementieren Um die Ger te aus MATLAB zu steuern muss die Instrument Control Toolbox vorhanden sind Diese unterst tzt die bermittlung von Befehlen an SCPI Ger te mittels visa oder gpib Zu diesem Zweck muss zuerst ein Verbindungsobjekt erstellt werden im Falle einer visa Verbindung lautet der ben tigte Befehl VerbObj visa Hersteller Adresse wobei der Hersteller in diesem Falle agilent ist die Adresse setzt sich zusammen als USB HerstID DevID SERIAL INSTR Dabei ist HerstID die Identifikationsnummer des Herstellers DevID die Identifikationsnummer des Ge r temodells und SERIAL die Seriennummer des einzelnen Ger tes Die jeweiligen Werte sind in den ger tebezogenen Sektionen des Abschnitts3 2 angegeben F r die Herstellung einer Verbindung zu einem GPIB Ger t lautet der n tige Befehl VerbObj gpib Hersteller BoardAddress PrimaryAddress Diese Art der Verbindung ist nur f r die elektronische Last erforderlich die n tige
98. r Leistung NPLC Number of Power Cycles dt Anzahl Netzzyklen SAS Solar Array Simulator SCPI Standard Commands for Programmable Instruments USB Universal Serial Bus Symbole und Einheiten a Temperaturkoeflizient A Symbol fiir Differenz n Effizienz A Einheit Ampere implizite Annahme Gleichstrom c Lichtgeschwindigkeit e Fehler fa Netzfrequenz fa 50 Hz I Zeitunabh ngiger Strom l Lange IX Notation Py ppm lt lt lt S gt Indizes abs def eff int max mess min mpp nom oc out PV real Leistung Verlustleistung parts per million Teile pro eine Million Teile Einheit Siemens Leitwert Zeit Temperatur Einheit Volt implizite Annahme Gleichspannung Einheit Volt fiir Wechselspannungen Zeitunabh ngige Spannung Einheit Watt Mittelwert der Gr e x tiefgestellt Absoluter Wert z B Fehler tiefgestellt Gr e eines Konverters tiefgestellt Definierter Wert tiefgestellt Effektivwert tiefgestellt Wert an einem Eingang tiefgestellt Integration tiefgestellt Elektronische Last tiefgestellt Gr ter zul ssiger Wert tiefgestellt Messwert oder auf einen Messwert bezogen tiefgestellt Kleinster zul ssiger Wert tiefgestellt Wert am Punkt gr tm glicher Leistung tiefgestellt Nominalwert tiefgestellt Wert im Leerlauf open circuit tiefgestellt Wert an einem Ausgang tiefgestellt Parallelschaltung tiefgestellt Gr e eines Solarmoduls tiefgestel
99. r Test Environment Control esto m General Control SAS 1 Control Panel SAS 2 Control Panel _ ______ Load Control Panel System Status offline Mode unknown Mode unknown Mode unknown Channel A Devices 0 of lt unknown gt Parameters unknown Parameters unknown Parameters unknown Output Arrang Series Connection Status disconnected Status disconnected Status disconnected Boot System Reboot Swit Configure Set Default Switct Configure Copy SAS Swite i Show Solar Array Simulator Characteristics SS Arrangement Selection r SAS 1 Readings SAS 2 Readings Load Readings Active Arrangement Series Voltage unknown Voltage unknown Voltage unknown Current unknown Current unknown Current unknown Change to Parallel Power unknown Power unknown Power unknown Arrangement Overview Main Control Panel Status offline c1 c2 of Triggers unknown Vi a Conv Aperture unknown al D oe Trigger Volt unknown Duration unknown lol Eff ei b Trigger PW unknown 10mR SAS1 vir VES Set All Default Values INFO u DC I MPP s DI ara WS Total gt Start Single Measurement Electronic Load NFO Abbildung 4 1 Hauptoberfl che des Teststandes vor dem Starten des Systems 4 4 2 Start der Oberfl che Die Software besteht aus einem Verzeichnis das mehrere Unter
100. r relativ geringen Effizienz zu vermuten dass sich dieser Konvertertyp als Massenl sung kaum durchsetzen wird 2 2 3 Parallelschaltung Ein weiterer auf dem Markt erh ltlicher L sungsansatz ver ndert die Verschaltung der Konverterausg nge Anstatt die Ausg nge der modulintegrierten Gleichspannungswandler wie bisher in Serie zu schalten werden die Ausg nge der modulintegrierten Gleichspannungswandler parallel geschaltet Die Konver ter z B Sperrwandler engl Flyback Converter werden dabei so betrieben dass am Ausgang die gew nschte Wechselrichter Eingangsspannung anliegt p 21 f Der flie ende Strom stellt sich entsprechend der verf gbaren Leistung ein Die auf dem Markt erh ltlichen Gleichspannungswandler f r Parallelschaltung sind in Tabelle 2 2 kurz vorgestellt eine beispielhafte Schaltung ist in Abbildung 2 5 b gegeben Typ Hersteller und Modellbezeich Spezifikationen nung Sperrwandler elQenergy vBOOST250 Vinmin 20 V Vinimax 50 V Fin max 10A Pin max 250 W Vout 250 V 350 V Joutmax 1 25 A Sperrwandler elQenergy VBOOST350 Mia min 30 V Vinmax 100 V Iin max 10A Pin max 350 W Vout 250 V 350 V Joutmax 1 25 A Sperrwandler Tigo MM EP35 Vin max 55 V Vin mpp 28 V 42 V Ein max 6 5 A Iin mpp 5 7A Pin max 200 W Vout nom 375 V Tout max 0 55 A Sperrwandler Tigo MM EP45 Vin max 54 V Vin mpp 39 V 54 V Iin max 5A Iin mpp 44 A Pin max 200 W
101. reich der Wert unter Ber cksichtigung des zu erwartenden Fehlers liegt In der zweiten Grafik werden f r jeden Konverter zwei Graphen erzeugt Einer der die Konverterleis tungen Eingang Ausgang und MPP Leistung gegen ber der Lastspannung darstellt und ein zweiter der die drei Effizienzen gegen ber der Konverterausgangsspannung darstellt Auch in diesem Falle werden wieder Fehlerbalken verwendet die der Darstellung der Messunsicherheit dienen In Kapitel 5 sind einige Beispiele solcher Auswertungsgrafiken abgebildet Die direkt in MATLAB er zeugten Figuren figures k nnen in verschiedenste Grafik Formate exportiert und somit gespeichert wer den Um auch die Werte zu speichern steht die Schaltfl che Save Results zur Verf gung Sie ffnet einen Dialog der zur Auswahl eines Dateipfades und zur Angabe eines Namens auffordert unter dem anschlie end die Variable result vgl Abschnitt A 3 S 57 als mat Datei gespeichert wird 4 4 11 Abbruch einer Messung Der Abbruch von Messungen ist grunds tzlich nicht vorgesehen da keine M glichkeit gefunden werden konnte alle betroffenen laufenden Prozesse in MATLAB zu beenden Soll eine Messung aus welchen Gr nden auch immer dennoch abgebrochen werden so ist dies durch das Schlie en der Benutzerober fl che mittels des wei en Kreuzes auf rotem Grund m glich Dadurch wird das gesamte System herunter gefahren und muss erneut durch Eingabe des Befehls Start in das Befehlsfenster
102. rview zur ck auf die symbolischen Bezeichnungen Typ Funktion Klassifikation System Signatur ResetMeasureHandlesValues handles Eingabeargument handles HDL handles der GUI main RoundValue Rundet einen gegebenen Wert Typ Funktion Klassifikation System Signatur rounded RoundValue value accuracy Ein und Ausgabeargumente value DBL Exakter zu rundender Wert accuracy STR 2PERCENT rundet den Wert gem Vorgabd und rechnet in Prozent um STR NORM rundet den Wert gem Vorgabe STR LIVE rundet den Wert auf zwei Stellen weniger als vorgegeben INT rundet den Wert auf accuracy Nachkommastellen rounded DBL Der gerundete Wert Der Prozentwert ist duch Multiplikation mit 100 zu bestimmen 68 A 4 Funktionen und Skripte SASDefaults Gibt die Standardeinstellungen fiir den SAS zur ck Typ Funktion Klassifikation Einstellungen Signatur mode volt curr voc isc vmpp impp SASDefaults Ausgabeargumente mode STR Standard Betriebsmodus des SAS FIX oder SAS volt DBL FIX Spannung V curr DBL FIX Strombegrenzung A voc DBL Leerlaufspannung im SAS Modus V isc DBL Kurzschlussstrom im SAS Modus A vmpp DBL MPP Spannung im SAS Modus V impp DBL MPP Strom im SAS Modus A SASDetermineModel Berechnet die simulierte Solarkurve nach Gleichung und stellt sie entweder grafisch dar oder gibt gefragte Werte der Kurve zur ck Typ Funktion Klassifikation
103. s Multimeters res DBL Antwort des Multimeters Messbereich in V 77 A Software Dokumentation TMMReadAll Liest von allen Multimetern alle Werte aus Typ Funktion Klassifikation Multimeter Signatur meas TMMReadAll Ausgabeargument meas STC Ergebnisse in der Form f r TMMEvalAll TMMSetAll2Wait Versetzt alle Multimeter in den Warte auf Trigger Zustand Typ Funktion Klassifikation Multimeter Signatur success TMMSetAll2Wait Ausgabeargument success BOOL true falls der Befehl f r alle Multimeter ausgef hrt wurde TMMSetDefaults Setzt f r alle Multimeter die Standardeinstellungen Typ Funktion Klassifikation Multimeter Signatur success TMMSetDefaults Ausgabeargument success BOOL true falls f r alle Multimeter die Standardeinstellungen geladen werden konnten TMMSort Ordnet die Messergebnisse von interner Identifikationsnummer auf Bezeichnung der Gr e im Schaltplan um Typ Funktion Klassifikation Multimeter Signatur sorted TMMSort var fieldl field2 field Ein und Ausgabeargumente var STC Variable die umsortiert werden soll field STR Bezeichnungen der Felder die den Spannungen v1 v7 zugeordnet werden sollen Reihenfolge sorted SIC Umsortiertes Struct mit neuen Feldnamen 78 A 4 Funktionen und Skripte TrigCheckParams Pr ft die G ltigkeit von Triggereinstellungen Typ Funktion Klassifikation G ltigkeit Signatur ok mess
104. sst die verwendeten Programmbereiche die Bedeutung des betreffenden Programmbereichs wird jeweils kurz erl utert Einstellungen Hierzu geh ren alle Funktionen die Grundeinstellungen des Systems beinhalten und falls es sich um systemweite Werte handelt auch setzen Diese Funktionen sind im Ordner settings zu finden G ltigkeit Diese Funktionen dienen dazu Einstellungen die in einer der GUIs vorgenommen werden k nnen auf ihre G ltigkeit zu berpr fen Der zugeh rige Ordner hei t validity Last S mtliche Funktionen dieses Bereichs dienen dazu mit der Last zu kommunizieren Befehle sen den Werte lesen und diese Werte in den entsprechenden Feldern der GUI main anzuzeigen Die Funktionen befinden sich im Ordner load Multimeter Die Multimeter Funktionen dienen einerseits der Kommunikation mit den Multimetern an dererseits aber auch der Auswertung der gemessenen Daten Alle Funktionen dieses Bereichs liegen im Ordner tmm SAS F r diese Funktionen gilt sinngem das Gleiche wie f r die Funktionen des Bereichs Last Der zugeh rige Ordner hei t sas System Zu diesem Bereich geh ren alle Funktionen die entweder das System als Ganzes betreffen wie z B Starten oder Herunterfahren oder von mehreren Funktionen des Systems genutzt werden Alle diese Funktionen liegen im Ordner system Trigger F r die Funktionen des Bereichs Trigger gilt sinngem das Gleiche wie f r die Funktionen des Bereichs Last der zugeh rige
105. st mit einer Spannung von 20 V zuge schaltet wird und anschlie end in jedem Durchgang um 1 V erh ht wird so dauert es etwa 2 Minuten bis der Konverter nach dem Einschalten der Last den MPP gefunden hat zwischen den einzelnen Messungen jedoch nur wenige Sekunden Dieser Tatsache wird in der Software Rechnung getragen in dem wie in Abschnitt 4 4 9 beschrieben die M glichkeit gegeben wird sowohl eine Verz gerung vor der ersten Messung als auch zwischen den folgenden Messungen anzugeben Unter Anwendung der berlegungen aus Abschnitt 3 5 z B Gleichung 3 13 konnten einige Messunsi cherheiten der Effizienzen Konvertereffizienz MPP Tracking Effizienz und Gesamteffizienz bestimmt werden Wie zu erwarten war weist die Konvertereffizienz die gr te Messunsicherheit auf da sie von vier Messwerten abh ngt jeweils Strom und Spannung am Eingang wie am Ausgang wogegen bei den anderen Effizienzen mit der mathematisch exakt definierten MPP Leistung gem Gleichung ge rechnet werden kann F r die Konvertereffizienz wurden in allen Tests Messunsicherheiten e lt 0 001 0 1 berechnet meist e 0 0007 0 07 Verwendet man e 0 001 so ergibt sich beispielsweise f r eine gemessene Konvertereffizienz von mess 95 ein Intervall von 7 mess 94 905 95 095 in dem der tats chliche Wert der Effizienz liegen wird 3Wertet man Gleichung 3 13 f r die Extremwerte emess v 0 00005 EBereich v 0 000035
106. stemSuspend handles Eingabeargument handles HDL Handles der GUI main 75 A Software Dokumentation TMMDefaults Gibt die Standardeinstellungen fiir die Multimeter zurtick Typ Funktion Klassifikation Einstellungen Signatur nplc n slope TMMDefaults Ausgabeargumente nplc DBL Integrationszeit als NPLC n INT Anzahl durchzuf hrender Messungen pro Triggersignal slope STR _Ausschlaggebende Flanke des Triggersignals pos oder neg TMMErr Berechnet die Messunsicherheit fiir eine gegebene Konstellation Typ Funktion Klassifikation Multimeter Signatur error TMMErr id read Ein und Ausgabeargumente id INT Programminterne Identifikationsnummer des Multimeters read DBL Gelesener Wert V error DBL Messunsicherheit einheitenfrei TMMErrorList Gibt fiir eine bestimmte Messanordnung die Lese und Bereichsunsicherheit des Multimeters einheitenfrei zur ck Typ Funktion Klassifikation Multimeter Signatur error TMMErrorList type range period Ein und Ausgabeargumente type STR Gesuchter Fehlertyp read oder range range DBL Messbereich 0 0 1 1 10 100 1000 V period STR Versuchsdauer 24h 90d oder 1a error DBL Betreffende Unsicherheit einheitenfrei TMMEvalAll Wertet die Messungen aller Multimeter entsprechend des gegeben Aufbaus aus Typ Funktion Klassifikation Multimeter Signatur results TMMEvalAll meas arr 76 A
107. stik Burster 0 J BURSTER PRAEZISIONSMESSTECHNIK Hrsg Precision High Capacity Resistors Mo del 1282 Data Sheet Gernsbach ohne Jahr Datenblatt Chroma HB CHROMA ATE Inc Hrsg High Power DC Electronic Load 63200 Series Operation amp Programming Manual Kuei Shan Hsiang Taoyuan Hsien 2009 Handbuch DSolar o J DEUTSCHESOLAR Hrsg Grundlagen der Photovoltaik Freiberg ohne Jahr Firmen schrift Glotzbach 2009 GLOTZBACH Thomas Grundlagen und Potenziale der Photovoltaik 14 Fuldaer Elektrotechnik Kolloquium 2009 Fulda 2009 Originalprasentation Kranzer 2010 KRANZER Dirk Module Integrated Electronics OTTI Seminar Power Electronics for Photovoltaics Miinchen 2010 Miinchen 2010 Originalprasentation MacLachlan 2011 MACLACHLAN Derek KEITHLEY INSTRUMENTS Hrsg Getting Back to the Basics of Electrical Measurements Cleveland OH 2011 Firmenschrift VUWien 2012 INSTITUT FUR MEDIZINISCHE PHYSIK Hrsg Messunsicherheit und Fehlerrechnung URL http www med physik vu wien ac at physik ws95 w9522dir w9522120 htm Abgerufen am 08 03 2012 um 16 50 h Veterin runiversit t Wien 45 Literaturverzeichnis 46 Datenbl tter zu Tabelle 2 1 AZURAY TECHNOLOGIES INC Hrsg Azuray Power Optimizer Tech Sheet Azuray AP250 Durham OR 2011 Datenblatt AZURAY TECHNOLOGIES INC Hrsg Azuray Power Optimizer Tech Sheet Azuray AP260 Portland OR 2011
108. t bei ung ltigen Werten erscheint eine Warnung in derselben Benutzeroberfl che Wichtig Wird die Schaltfl che zum Umschalten des aktuellen re x Modus verwendet so werden alle Konfigurationsparameter auf SASA Copia Panel die derzeit eingestellten Werte zur ckgesetzt Wird das Fens operating mode Selector GE ter mittels der Schlie en Schaltfl che oben rechts geschlossen Current Mode FIX viconst 9 Ww werden keine nderungen an der bestehenden Konfiguration chansetsas Leonst 2 A vorgenommen a SAS Mode Settings i 2 5 nh wa V_oc 2 v V_mpp 16 v Die Lesewerte des Ger tes werden jeweils so aktuell wie m glich Lac A _mpp 5 IA angezeigt Da diese Werte jedoch bei keiner Berechnung zum Einsatz kommen kann tiber ihre Genauigkeit keine Aussage Apply AI Settings get tigt werden sie dienen lediglich dazu einen Eindruck ber den Zustand des Systems zu gewinnen ja Abbildung 4 2 SAS Konfigurationsdialog 4 4 6 Anzeige der Solarkurven In Abschnitt 3 2 2 wurde darauf hingewiesen dass das fiir die Berechnung der Solarkurve verwendete Modell zwar stets f r die Werte Voc und exakt ist die Werte Vinpp real UNA Impp rear und somit auch Pmpp rea1 von den eingestellten Werten Vinpp det Impp def Und Pmpp def abweichen k nnen Die Software des Teststandes wertet die Modellgleichung 3 1 intern aus und fiihrt alle Effizienz Berechnungen auf Grund der berechneten realen
109. tellung Low Range kann im unteren Spannungsbereich eine h here Aufl sung erreicht werden Wie der untere Spannungsbereich definiert ist geht aus jedoch nicht hervor Das Kontrollfeld Parameter Settings enth lt alle m glichen Parameter f r alle unterst tzten Modi und zeigt wenn das Fenster ge ffnet wird die aktuell eingestellten Werte an Rise und Fall geben jeweils an mit welcher Geschwindigkeit der Strom repektive der Widerstand seinen Wert ndern darf in A us respektive A uS F r den Konstantspannungsbetrieb CV werden stattdessen der gr te zul ssige Strom Imax sowie die Reaktionsgeschwindigkeit Anstiegsrate des Stroms der Last schnell langsam ange geben Im Unterschied zum SAS l st ein Klick auf die Schaltfl che Apply nur eine berpr fung jener Werte aus die f r den ausgew hlten Modus von Bedeutung sind auch werden nur die Werte f r den gew hlten Modus an die Last gesendet Wird das Konfigurationsfenster mittels der Schaltfl che oben rechts geschlos sen so wird keiner der eingestellten Werte an die Last gesendet 28 4 4 Funktionalitat Der erw hnte Kanalwahlschalter implementiert die von der Last unterst tzten zwei verschiedenen Kan le die unterschiedlich konfiguriert werden k nnen Es kann somit f r Kanal A z B eine andere Spannung vorgegeben werden als f r Kanal B Mit dem Kanalwahlschalter im Lastkontrollfeld kann zwischen den beiden Kan len umgeschaltet werden auf der Schaltfl che wird je
110. tem Signatur timestamp MakeTimestamp Ausgabeargument timestamp STR Zeitstempel im Format dd mm yyyy hh mm ss 66 A 4 Funktionen und Skripte Report Schreibt eine Meldung in das Befehlsfenster und das t gliche Logfile Typ Funktion Klassifikation System Signatur Report text type Eingabeargumente text STR Zu verarbeitende Meldung type CHR Typ der Meldung E W T ReportError Schreibt einen ERROR ins Befehlsfenster und das Logfile und wirft eine MException Typ Funktion Klassifikation System Signatur ReportError text Eingabeargument text STR Die Meldung Reportinfo Schreibt eine Information ins Befehlsfenster und das Logfile Typ Funktion Klassifikation System Signatur ReportInfo text Eingabeargument text STR Die Meldung ReportWarning Schreibt eine Warnung ins Befehlsfenster und das Logfile Typ Funktion Klassifikation System Signatur ReportWarning text Eingabeargument text STR Die Meldung 67 A Software Dokumentation ResError Berechnet die Messungenauigkeit eines Widerstands Typ Funktion Klassifikation Widerstand Signatur error ResError name curr Ein und Ausgabeargumente name STR Bezeichnung des Widerstands R1 R2 R3 oder R4 curr DBL Gemessener Strom durch den Widerstand A error DBL Relative Messunsicherheit cinheitenfrei ResetMeasureHandlesValues Setzt alle Anzeigen des Arrangement Ove
111. tor als Trigger sowie eine elektronische Last Tabelle gibt einen berblick ber die w hrend des ersten Aufbaus des Teststandes verwendeten Ger te und ihre Serien nummern zwecks eindeutiger Identifizierung Bezeichnung in Abb Di Ger tebezeichnung Seriennummey SAS SAS1 SAS2 9 Agilent E4360A MY48002120 Vi 4 MY47024632 V2 3 MY47024592 V3 2 MY47024612 Va 7 Agilent 34410A MY47023453 Vs 6 MY 47023452 V6 5 MY 47023020 V7 1 MY47024627 Ri 7320 E burster 1282 10mQ a Ra 5162 Trig 8 Agilent 33220A MY44012795 Electronic Load 10 Chroma 63202 2 6kW AGZ000000219 Tabelle 3 1 bersicht ber die verwendeten Ger te und ihre Seriennummern Die Gleichspannungswandler C und Com Abbildung 2 sind die auszumessenden Pr flinge 3 2 2 Solar Array Simulator Agilent E4360A Zum Aufbau des Teststandes kommt der Solar Array Simulator Agilent E4360A mit SAS Modulen des Typs Agilent E4361A JO zum Einsatz Die zwei SAS Module werden im Folgenden mit SAS und SAS bezeichnet ihre Spezifikationen bei einer Netz Nennspannung von Veg 230 V sind in Anhang C in Tabelle gegeben Der SAS unterst tzt drei verschiedene Betriebsmodi Fixed Mode Im Fixed Mode kurz FIX verh lt sich der SAS wie eine ideale Spannungsquelle F r jeden beliebigen Strom unterhalb des definierten Grenzwertes steht die definierte Ausgangsspannung zur Verf gun
112. uch die Genauigkeit des durchgef hrten Maximum Power Point MPP Trackings Zur Messung werden hochgenaue Messger te zentral ber einen PC per LABVIEW angesteuert und ausgelesen Die Datenaufbereitung erfolgt danach in MATLAB Dieser Vorgang soll automatisiert und ber ein Interface durchgef hrt werden mit direkter Anzeige der berechneten Effizienz in verschiedenen Arbeitspunkten Diese Arbeit ist Teil eines bergeordneten Forschungsprojekts mit dem Ziel einen hocheffizienten solar modulintegrierten DC DC Konverter zu entwickeln Bei dieser Arbeit k nnen vertiefte Kenntnisse ber die Leistungselektronik und Anforderungen im Bereich der Photovoltaik gewonnen werden III Aufgabenstellung B Aufgabenstellung Im Rahmen dieser Semesterarbeit soll die Programmierung der Messger te Ansteuerung erfolgen Fol gende Arbeitsschritte sind n tig Einarbeiten in die Anforderungen an PV DC DC Konverter Aufstellen eines Zeitplans Recherche ber kommerziell verf gbare PV DC DC Konverter und Bestellung Literaturstudium ber hochgenaue Effizienz messungen Einarbeitung in LABVIEW und die Bedienung der Testhardware Programmierung der Ansteuerung der Messger te in LABVIEW mit GUI Programmierung der Datenauswertung in MATLAB Effizienz der Konverter in dem gemessenen Arbeitspunkt MPP Tracking Genauigkeit Durchfiihrung von Messungen mit bestellten Konvertern in verschiedenen Arbeitspunkten Volllast und Teillastbereiche
113. uf hohem respektive tiefem Potential Der Anschluss D ist intern ber eine Diode mit dem Anschluss verbunden Verwendet man diesen Anschluss anstelle des Anschlusses so werden u U gef hrliche R ckstr me unterbunden Bei den Anschl ssen s und s handelt es sich um Mess Eing nge die bei l ngeren Distanzen oder Verlusten zwischen SAS Ausgang und Verbrauchereingang dazu verwendet werden k nnen die Verbrau chereing nge zur ckzuf hren Der SAS wird dann die Ausg nge so regeln dass am Verbrauchereingang stets die programmierte Kurve zur Verf gung steht Die am Ausgang anliegenden Strom Spannungs werte k nnen ausgelesen werden 14 3 2 Messger te D I s S Abbildung 3 3 Ausgang eines SAS Moduls Aus Agilent SAS HB p 21 Fernzugriff Der SAS verf gt ber eine USB Schnittstelle ber die das Ger t mittels SCPI Befehlen ferngesteuert werden kann Die Hersteller ID von Agilent lautet 0x0957 die Ger te ID lautet 0x1107 Die Funktionsweise des Fernzugriffs wird in Abschnitt 3 erl utert 3 2 3 Tischmultimeter Agilent 34410A Bei diesem Tischmultimeter handelt es sich um ein 6 digit Pr zisionsmessger t Es unterst tzt neben Gleichstrom und Gleichspannungsmessungen viele weitere Messarten die f r diesen Teststand jedoch nicht von Bedeutung sind Die verf gbaren Spannungsmessbereiche sind 100 mV 1 V 10 V 100 V und 10
114. weils der derzeit aktive Kanal angezeigt Das Lesewertfeld dient wie beim SAS lediglich der Information da die Messgenauigkeit bei Weitem nicht an jene der Tischmultimeter heranreicht 4 4 8 LiveView Der Modus LiveView zu starten durch die Schaltfl che Start Live View konfiguriert den Teststand so dass etwa einmal pro Sekunde alle Messwerte ausgelesen Str me und Effizienzen berechnet und ange zeigt werden Durch erneutes Bet tigen derselben Schaltfl che die bei aktivem LiveView die Beschrif tung Stop Live View tr gt werden die Standardeinstellungen f r den Messstand wiederhergestellt und die regelm ige Aktualisierung beendet Man beachte dass sowohl das Starten als auch das Beenden des LiveView Modus einige Sekunden in Anspruch nehmen da jeweils alle Multimeter sowie der Funktionsgenerator umkonfiguriert werden m ssen Im Main Control Panel wird unter dem Punkt Status der aktuelle Zustand des Systems ange zeigt f r den LiveView Modus sind Preparing Live View Live View und Stopping Live View vorgesehen Es ist empfehlenswert keine Aktionen vorzunehmen solange einer dieser Modi aktiv ist 4 4 9 Durchf hrung von Messungen Messung einrichten Mittels der Schaltfl che Configure Trigger wird ein Konfigurationsfenster ge ffnet in dem die Einstel lungen f r den Trigger gesetzt werden k nnen Abbildung 4 4 Number of Measurements gibt an aus wievielen Teilmessun gen die Ergebnisse berechnet werden sollen Zul ssi
115. werte obere untere Grenze der Einstellungen f r den Modus FIX des SAS zur ck Typ Funktion Klassifikation Einstellungen Signatur u_max umin i_max i_min p_max p min FixModeLimits Ausgabeargumente u_max DBL Maximale zul ssige Ausgangsspannung V umin DBL Minimale zul ssige Ausgangsspannung V imax DBL Maximaler zul ssiger Ausgangsstrom A imin DBL Minimaler zul ssiger Ausgangsstrom A pmax DBL Maximale zul ssige Ausgangsleistung W pmin DBL Minimale zul ssige Ausgangsleistung W IsConnected Pr ft ob eine Verbindung zu einem bestimmen Ger t besteht Typ Funktion Klassifikation System Signatur status IsConnected devID Ein und Ausgabeargumente devID INT Programminterne Identifikationsnummer des Ger ts status BOOL true falls das Ger t verbunden ist sonst false LoadChannel Aktiviert einen der beiden Kan le der Last Typ Funktion Klassifikation Last Signatur success LoadChannel channel Ein und Ausgabeargumente channel CHR Der gew nschte Kanal A oder B success BOOL true falls der Kanal fehlerfrei gew hlt werden konnte sonst false 62 A 4 Funktionen und Skripte LoadCheckParams Priift die gewiinschten Einstellungen der Last auf ihre Giiltigkeit Typ Funktion Klassifikation G ltigkeit Signatur ok mess LoadCheckParams mode A D addl addi Ein und Ausgabeargumente mode STR Betriebsmodus der Last CC CR
116. x 350 W Vout 5 V 60 V Tout max 15A Tabelle 2 1 Kommerzielle Gleichspannungswandler fiir Serienschaltungen auf dem Markt Die zugeh rigen Datenbl tter sind im Literaturverzeichnis S speziell erw hnt 2 2 2 Direkte Netzeinspeisung Mittels potentialgetrennter Wechselrichter ist es m glich vom Ausgang eines Solarmoduls direkt ins Netz einzuspeisen Dabei gibt es verschiedene Konvertertypen die zur Anwendung gelangen Die Potential trennung ist jedoch in jedem Falle notwendig da ohne Transformator eine derart gro e Spannungsdif ferenz zwischen Solarmodulausgang und Konverterausgang nicht realisierbar ist In den meisten F llen kommen Hochfrequenztransformatoren zum Einsatz die gegen ber den Niederfrequenztransformatoren eine deutlich geringere Baugr e und Masse aufweisen Nachteil dieser Topologie ist die durch die Transformatoren bedingte relativ geringe Effizienz von h chstens 95 Kranzer 2010 p 25 28 Dennoch werden einige sogenannte Mikro Inverter kommerzi ell produziert in werden Dorfm ller Enphase Enecsys und SolarBridge als Hersteller genannt Dieser Typ von Konvertern ist f r die vorliegende Arbeit nicht von Bedeutung da das Forschungsinteresse modulintegrierten Konvertern gilt Mit Massen von bis zu 2kg sind diese Konverter f r einen direkten 10Teil von National Semiconductor 2 Nutzung der Photovoltaik Einbau am Modul jedoch kaum geeignet auBerdem steht auf Grund ihre

Automatischer Teststand f¨ur solarmodulintegrierte DC-DC

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