Wirkungsgrad und Funktionalität von Maximum-Power-Point-Tracking Photovoltaik-Ladereglern

Abstract

In dieser Arbeit wird eine Methode zur standardisierten Messung von Maximum-Power-Point-Tracking (MPPT) Photovoltaik-Laderegler-Wirkungsgraden untersucht und erfolgreich angewandt. Das entwickelte Verfahren wird als Vorlage für eine Norm vorgeschlagen. Die durchgeführten Wirkungsgradmessungen liefern einen Überblick über die bisher unbestätigte Effizienz aktueller MPPT-PV-Laderegler. Die Untersuchung der MPPT-Verfahren liefert neue Erkenntnisse darüber, welche Algorithmen in der Praxis eingesetzt werden. Durch den technologischen Fortschritt und die Entwicklungen am Markt werden immer häufiger MPPT-Laderegler bei netzfernen Stromversorgungen eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen PV-Ladereglern steht den Vorteilen in der Systemauslegung und den höheren Energieerträgen ein erhöhter Kaufpreis gegenüber. Bisher gibt es keine Norm für die Messung und Angabe der Effizienz von MPPT-Ladereglern. Ebenso gibt es nur wenige wissenschaftliche Arbeiten, welche die Effizienz von MPPT-Ladereglern in der Praxis untersuchen. Es sind keine Untersuchungen über Art und Performance von in der Praxis eingesetzten MPPT-Verfahren bei Ladereglern bekannt. Diese Arbeit untersucht wie der Wirkungsgrad von MPPT-Ladereglern standardisiert gemessen werden kann, wie effizient aktuelle Geräte sind und welche MPPT-Verfahren in der Praxis eingesetzt werden. In der Arbeit werden die Wirkungsgrade von 5 MPPT-Ladereglern unterschiedlicher Hersteller und Leistungsklassen gemessen. Der hierzu eingeführte Fraunhofer ISE Teststandard zur Bestimmung des Wirkungsgrads von MPPT-Laderegler stellt reproduzierbare Ergebnisse sicher und ermöglicht den Vergleich unterschiedlicher Geräte. Für die Untersuchung der MPPT-Laderegler wurde am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ein Teststand entwickelt. In dieser Arbeit wird sowohl die Auswahl der Messmethoden als auch die Ausgestaltung von Simulationsund Messabläufen des Teststands beschrieben. Mit Europäischen Gesamtwirkungsgraden von über 96 % und dynamischen MPPT-Wirkungsgraden von über 98 % wird die Effizienz von 3 der 5 getesteten MPPT-Laderegler als gut bewertet. Die Analyse der MPPT-Verfahren zeigt, dass alle Laderegler eine Kombination unterschiedlicher MPPT-Verfahren einsetzen.

This master thesis describes a new method for the measurement of maximum power point tracking (MPPT) photovoltaic (PV) charge controller efficiency. The method was successfully applied and is proposed as a draft for a new standard. The efficiency measurements presented in this thesis review the efficiency of modern MPPT PV charge controller. The analysis of MPPT methods provides new insights into which algorithms are used in practice. MPPT charge controllers are increasingly used in off-grid power applications due to technological development and market trends. In comparison to conventional PV charge controllers, they make system design more flexible and allow higher energy yields, although investment costs are higher. Until now, no standard for the measurement and specification of MPPT charge controller efficiencies exists. Besides that, there are very few scientific papers analysing the efficiency of MPPT charge controllers and none are studying the type and performance of MPPT algorithms used in practice. This thesis investigates how MPPT charge controller efficiency can be measured, how efficient current charge controllers are and which MPPT algorithms are used in practice. In the scope of this thesis, the efficiencies of 5 MPPT charge controllers from different manufacturers and of different capacity were measured. For these tests, the Fraunhofer ISE test standard for the measurement of MPPT charge controller efficiency was developed. It provided reproducible results and allowed the comparison of different devices. For the measurement of the MPPT charge controller efficiencies, a test rig was developed at the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE. In this thesis the implemented measurement methods as well as simulation and measurement processes are described. With European overall efficiencies above 96 % and dynamic MPPT efficiencies above 98 %, 3 out of the 5 tested MPPT charge controllers were found to be good. The analysis of the MPPT algorithms shows that all charge controllers utilize a combination of different MPPT methods.