das Maximum aus dem Generator rausholen

[jb79]

Wurde eigentlich schon überlegt, wie man das Maximum aus dem Generator holen kann um damit eine Batterie zu laden?
Für den Solarbereich gibts ja sogenannte PPT (Peak-Power Tracker) und ich denke, die sollten eigentlich auch mit einem Windrad bzw. dem Generator zusammenarbeiten.

Hab hier mal einen Link für den Eigenbau eines solchen Gerätes. Laut Homepage wurde es bist ca. 20V/5A getestet, sollte sich aber mit stärkeren Transistoren und einer anderen Spule auch für mehr Leistung eignen.
Eigentlich hätte ich das Ganze gerne mal nachgebaut, mangels Pic Programmer und wegen der schwer erhältlichen Spule (selberwickeln ist nur ne Option wenn man sie auch messen kann) hab ich das aber noch nicht verwirklicht.

[Bernd]

Jürgen könntest du mal kurz umschreiben was ein PPT so macht ? So ganz habe ich das
noch nicht verstanden was auf der Seite als Funktion des Gerätes zu lesen ist.

Grüsse

Bernd

[jb79]

So, versuche das mal möglichst verständlich zu erklären, ich hoffe man kann halbwegs folgen.

Also ganz kurz gesagt: ein PPT (Peak Power Tracker) versucht das Leistungsmaximum MPP Maximum Power Point aus der Quelle (z.B: Solarzelle) herauszuholen und für eine Batterie so bereitzustellen, daß diese bestmöglich geladen wird. Leistungsanpassung sozusagen. Meist wird die Anpassung per Step-Down Converter (Akkuspannung niedriger als Generatorspannung) gemacht, aber auch Systeme, die mit Step-Up Converter arbeiten sind denkbar.

Die Regelung funktioniert so: Es werden ständig Strom und Spannung der Quelle und der Batterie gemessen. Zu Beginn fängt das System mal mit einem praktisch voreinstellbarem Startwert für die Last an, und versucht nun durch Anpassung des Laststroms (schrittweise erhöhen bzw. senken) das Produkt Strom x Spannung = Generatorleistung zu maximieren.

Beispiel: der Windgenerator würde bei einer bestimmten Windstärke z.B. 20V/1A liefern, also 20W.
Der Regler weiß das natürlich nicht, weil sich der Wind ja ändern kann und man praktisch unendlich viele Kennlinien fix einprogrammieren müßte. Schon die kleinste Abweichung (Vogeldreck am Windrad, schlecht laufendes Lager usw.) würden eine Abweichung von der Kennlinie und damit eine falsche Regelung verursachen.
Damit man das umgeht gibts keine Kennline, sondern nur eine Regelung, die sich den optimalen Leistungspunkt selbst sucht.
Zu unserem Beispiel (nehme mal zum einfacheren Rechnen 100% Wirkungsgrad des Reglers an):
Bei Start läuft das System erstmal mit einem vordefinierten Wert, z.B. 0,1A Generatorstrom los, die Spannung liegt sagen wir mal bei 25V.

Das sind dann 2,5W, erreichbar wären aber 20W. Also steigert der Regler den Strom, z.B: auf 0,2A. Jetzt sinkt natürlich die Spannung (abhängig von der Kennlinie des Generators), sagen wir auf 24V. 24V*0,2A=4,8W. Das ist mehr als 2,5W, also wird der Regler den Strom um eine weitere Stufe steigern. Das geht solange, bis wir am maximalen Punkt angelangt sind, in meinem Beispiel 20V/1A. Der Regler weiß das aber nicht und erhöht weiter den Strom (um jeweils einen Schritt, in meinem Beispiel also 0,1A) auf 1,1A, dabei sinkt die Spannug aber jetzt z.B. auf 18V, weil der optimale Punkt überschritten ist. Die Leistung ist jetzt geringer als beim letzten Schritt. Das merkt der Regler und fährt den Strom wieder um einen Schritt runter. Damit ist der optimale Punkt wieder erreicht.
Da es aber nun sein kann, daß z.B. der Wind zu- oder abgenommen hat in der Zwischenzeit würde das Ganze nur solange gehen, solange die Leistung vom Generator immer konstant ist.

Aus diesem Grund geht nach einer Wartezeit (eben das Intervall für Messung und Vergleich mit den vorherigen Werten) das Ganze wieder weiter, in unserem Fall mit Senkung des Stroms, weil ja bei der vorletzten Messung festgestellt wurde, daß der Strom zu hoch ist. Dabei kommt der Regler wieder drauf (sofern sich der Wind nicht geändert hat), daß man den Strom wieder erhöhen kann, dabei wird der Regler (bei immer noch gleicher Generatorleistung) draufkommen, daß der Strom jetzt wieder zu hoch ist. usw.

Das System pendelt so praktisch um den optimalen Punkt herum. Die Schrittgröße bestimmt dabei, um wieviel.
Ändert sich jetzt z.B. die Leistung, die der Generator liefern könnte, weil z.B. der Wind stärker geworden ist, so bekommt das das System mit und erhöht einfach solange den Strom, bis das LeistungsMaximum wieder um 1 Schitt überschritten wird. Dann gehts wieder 2 Schritte (1 Schitt unter dem Maximum) nach unten. Sinkt hingegen die Generatorleistung wegen geringerem Wind, so merkt der Regler beim nach unten gehen, daß im Vergleich mit der vorherigen Messung die Leistung weiter gesunken ist und geht entsprechend weiter nach unten.

Je größer der Schritt, desto schneller eine Anpassung an eventuelle Änderungen, allerdings größeres Überschwingen, je kleiner, desto genauer, aber auch langsamer, was allerdings durch die relativ schnellen Messungen und die dadurch schnell erfolgenden Änderungen nicht so schlimm ist.
Der Step-Down Regler arbeitet normalerweise im kHz Bereich, dadurch kann man auch mit einer kleinen Schittweise (z.B. 0,05A) schon nach 100 Schritten (bei 10kHz sind das dann gerade mal 0,01s schon 5A Änderung haben, vorausgesetzt, der Prozessor (PIC) rechnet schnell genug und die Spule läßt so schnelle Änderungen zu.

Wie aber ändert man den Strom? Ganz einfach: Die Strom/Spannungsänderungen werden über eine Änderung des Tastverhältnisses gemacht. Längere Einschaltzeit bedeutet mehr Strom, kürzere Einschaltzeit weniger Strom.
Der Regler muß außerdem Grenzwerte haben, einer ergibt sich mit 100% Ein, das ist der Fall, wenn die Generatorspannung so weit sinkt, daß sie nicht mehr höher als die Batteriespannung wird. Mehr als 100% ein geht nicht.
In diesem Punkt gibt es außerdem einen minimalen Ladestrom, fällt der Strom darunter, so sollte die Regelung abschalten, da der Generator nicht mehr genug Leistung für die Ladung bringt und die Batterie nicht weiter laden könnte. Außerdem bestünde in dieser Situation bei einer Solarzelle oder einem Gleichstromgenerator die Gefahr, daß sich bei 100% Tastverhältnis, also dauernd eingeschaltetem Leistungssteller die Batterie rückwärts über den Generator oder die Zelle entladen könnte.
Außerdem muß man die maximale Ladespannung der Batterie als Parameter angeben, die würde sonst überladen werden.

Hab noch ein Dokument (englisch) bezüglich MPP Regelung bei Windrädern, gefunden, die haben zwar eine andere Kennlinie als Solarzellen, das Prinzip bleibt aber das Gleiche.

PDF zu dem Thema, bin ja nicht der erste, der so eine Idee hat, diese Systeme arbeiten aber prinzipiell gleich.

Daß die prgrammtechnische Umsetzung relativ einfach ist kann jeder, der sich einmal ein bißchen mit Programmiersprachen beschäftigt hat an diesem Beispiel, das z.B. für den im ersten Post genannten Selbstbauregler geschrieben wurde, sehen.

[trilobyte]

einen powertracker einzusetzen ist sicher nicht verkehrt!
ein dc/dc wandler ist auf jeden fall ein gewinn.
wenn man einen rotor kennt könnte man ev auch kennlienen ablegen und gemäss diesen den generator belasten.
wobei das wahrscheinlich nur bei einer grösseren serie interessant ist. in diesem fall müsstem an auch die leistung messen können die der rotor abgibt.

gruss

peter

[jb79]

Eben genau das braucht man nicht, der PPT sucht sich den optimalen Betriebspunkt selbst, weil ja nie bekannt ist, wieviel Wind gerade geht.
Die Leistung, die der Generator abgibt wird ständig gemessen und beim bei der von mir verlinkten Schaltung sogar mit einigen anderen Werten über eine serielle Schnittstelle ausgegeben. Mit einem kleinen PC oder Router kann man die Werte sicher auch gleich ins Haus zum PC schicken wenn man sich ein kleines Programm schreibt, daß die entsprechende Umsetzung seriell auf TCP/IP übernimmt und dann noch eines, daß die Werte auf einem Server entgegennimmt.
Ein Asus WL-500 Premium könnte mit dem USB Anschluß die Daten vielleicht auch gleich auf HD schreiben.

[Bernd]

Hui hier habe ich ja was verpasst.
Das hört sich alles sehr gut an, besonders auch das Durchreichen der Werte ins Wohnhaus.
Ich kann mich aber so schwach entsinnen, das PPT gesteuerte Wechselrchter in der Windbranche
keinen guten Ruf haben. Wenn ich mich recht entsinne, dann hies es immer so " ach der Wechselrichter
ist ja noch PPT gesteuert", so als ob das eher Schnee von gestern wäre. Ich glaube das es darum
ging das die Geräte entweder nicht schnell genug reagierten oder zum Aufschwingen neigten
oder ähnliche Effekte zeigten. Resumee war wohl das sie genau das nicht machten, wofür sie
doch konstruierte wurden, sich möglichst eng an die tatsächliche Leistungskurve zu schmiegen.
Vielleicht liegt es daran das sich die Leistungswerte an einem Windrad innerhalb von 2 oder 3 Sekunden
verzehnfachen können und mit jeder Böe auch sehr stark schwanken können, keine Ahnung.

Wäre denn nicht auch eine Schaltung toll, die über ein Anemometer misst welche Windgeschwindigkeit
aktuell anliegt und danach den Rotor über den Generator passend belastet ? Da könnte es weder zu
Verzögerungen noch zu Aufschwingen, Überschwingen zu starker oder zu schwacher Belastung kommen.
Irgendwie finde ich das noch idealer. Ich weiss aber nicht ob es sowas gibt.

Grüsse

Bernd

[jb79]

Nun ja, es kommt auf die Programmierung an.
Die oben verlinkte Schaltung mit einem Pic ist für Solaranlagen konzipiert, die prinzipiell keine extrem schnellen Schwankungen mitmachen, darum ist die Regelung mit 2 Messungen/Schritten pro Sekunde und damit 50s vom Hochlauf von 0 auf 100% recht langsam.
Denke, daß der Pic das sicher auch 20x pro Sekunde kann. Damit wäre ein Hochlaufen von 0 auf 100% in 5s kein Problem, wenn man die Regelung eine Spur ungenauer macht (z.B. 2% oder 5% Schritte) gehts noch schneller.

Denke aber, daß die mechanische Trägheit des Windrades incl. Generator größer ist als die, die man elektrisch erreichen kann.

Ich glaube, ich muß mir das Ganze einfach mal nachbauen.

[arcobär]

Die Methode der Selbstoptimierung habe ich schon mal im anderen Forum beschrieben. Auch ich habe vor, einen Mikrorechner(AVR) als Schritt-Regler zu programmieren. So weit bin ich aber noch nicht. Erst muss das Windrad im März auf das Dach. Der Mikrorechner ist nur die eine Seite. Benötigt wird auch das entsprechende Stellelement für den Generatorstrom. Ich habe mir überlegt, dafür einen 1-Quadranten-Stromregler für DC-Motore zu verwenden. Meine schon vor 20 Jahren entwickelte und oft eingesetzte Schaltung besteht nur aus einer Triggerschaltung, einem MOS-FET, einem Stromshunt und einer Induktivität.
Ich werde die Schaltung demnächst für die Batterieladung entsprechend dimensionieren und hier reinstellen.
Mit dieser Schaltung müssten schon bei entsprechender Nachbildung der Sollwertkennlinie des Stromes in Abhängigkeit von der Generatorspannung auch ohne Mikrorechner recht optimale Ergebnisse erziehlt werden können.

Gruß Uli

[jb79]

@acrobär: Ah sehr schön, mal sehen, was die Schaltung macht.

Will trotzdem mal die Schaltung nachbauen (hab ja auch ne Solarzelle zum Testen daheim).
btw: Wo besorgt ihr euch die Drosseln für Schaltregler? Ich bräuchte für das Teil eine mit 33µH und einigen Ampere Belastbarkeit. Die Frequenz beträgt 100kHz, nur was braucht man da für einen Kern, der das kann?!?
Die Grundlagen sind mir ca. klar, nur waren Spulen irgendwie immer die Bauteile im Grundlagen Elektrotechnik Unterricht, die ich am wenigsten kapiert habe bzw. nicht kapieren wollte.

[arcobär]

Hallo jb79,

Drosseln für Schaltregler 33µH und einigen Ampere Belastbarkeit bekommst du eigentlich relativ leicht, evtl- auch von Conrad. Ich beziehe meine elektronischen Bauteile auf Arbeit meistens von Reichelt, RS Components und Farnell.

Gruß Uli