fehlerdetektion durch modulgenaues monitoring · 2020. 8. 23. · m2,s1 u mm,s1 u m1,s2 u m1,sn i...

Fehlerdetektion durch modulgenaues Monitoring

Dr.-Ing. Thilo Kilper

Themenfeldleiter Photovoltaische Systeme

Bereich Energiesysteme & Speicher

13. Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“

Köln, 29.11.2016

1. Einleitung PV-Monitoring auf Generator/String/Modul-Basis

2. Vergleich Fehlerdetektions-Möglichkeiten

3. Vergleich Fehleranalyse-Möglichkeiten

4. Praxisbeispiele

5. Zusammenfassung

29.11.2016 13. Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“ 2

1. Einleitung - Generator basiertes PV-Monitoring

3 29.11.2016 13. Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“

UDC,Gen

IDC,Gen

PV-Generator

PDC PAC

String basiertes PV-Monitoring

PDC,S1

PDC,S2

UDC,S1

UDC,S2

IDC,S1

IDC,S2

PAC,S1

PAC,S2

String-WR 1

String-WR 2

String 1

String 2

String basiertes PV-Monitoring

PDC,S1

PDC,S2

UDC,S1

UDC,S2

IDC,S1

IDC,S2

PAC,S1

PAC,S2

String-WR 1

String-WR 2

String 1

String 2

= UDC,S1

~ UDC,S2

IDC,S1

IDC,S2

PDC,S1

PDC,S2

Multi-String-WR

String 1

String 2

Modulgenaues PV-Monitoring

UDC,Gen

IDC,Gen

~ PDC PAC

UM1,S1

UM2,S1

UMm,S1

UM1,S2 UM1,Sn

IS1 IS2 ISn Auch bei parallel verschalteten Strings muss jeder einzelne String-Strom messtechnisch erfassbar sein!

UDC,Gen

IDC,Gen

~ PDC PAC

PM1,S1

PM2,S1

PMm,S1

PM1,S2 PM1,Sn

PM2,Sn

PMm,Sn

PM2,S2

PMm,S2 𝐸𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙 = 𝑃𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙 ∙ 𝑑𝑡

4. Praxisbeispiele

5. Zusammenfassung

Ist/Ist-Wert-Vergleich

Vergleich PV-Messgröße mit anderer PV-Messgröße

Ist/Ist-Wert-Vergleich

Vergleich PV-Messgröße mit anderer PV-Messgröße

Ist/Soll-Wert-Vergleich

Vergleich PV-Messgröße mit PV-Simulationsgröße

PV-Monitoring Ist/Ist-Wert-Vergleich Interpretation *

PV-Generator

basiert

benachbarte PV-Anlagen

EPV-Anlage

PPV-Anlage(t)

Modulausrichtung

PN identisch? - kWh/kWp bzw. kW/kWp - Modultyp - Hinterlüftung - etc.

*Kritisch für Interpretation Fehler ja/nein

PV-Monitoring Ist/Ist-Wert-Vergleich Interpretation * Ist/Soll-Wert-Vergleich Interpret. *

PV-Generator

basiert

benachbarte PV-Anlagen

EPV-Anlage

PPV-Anlage(t)

Modulausrichtung

PN identisch? - kWh/kWp bzw. kW/kWp - Modultyp - Hinterlüftung - etc.

Modellierung & Simulation PV-Anlage

EPV-Anlage

PPV-Anlage(t)

Globalstrahlung

Zelltemperatur

Modellierung - Modul - WR

PV-Monitoring Ist/Ist-Wert-Vergleich Interpretation * Ist/Soll-Wert-Vergleich Interpret. *

PV-Generator

basiert

benachbarte PV-Anlagen EPV-Anlage

PPV-Anlage(t)

Modulausrichtung PN - kWh/kWp bzw. kW/kWp - Modultyp/Hinterlüftung

Modellierung & Simulation PV-Anlage EPV-Anlage

PPV-Anlage(t)

Globalstrahlung Zelltemperatur Modellierung - Modul/WR/…

String basiert

benachbarte Strings der gleichen PV-Anlage

EString

PString(t)

UString(t)

siehe oben

EString

PString(t)

UString(t)

siehe oben

PV-Monitoring Ist/Ist-Wert-Vergleich Interpretation * Ist/Soll-Wert-Vergleich

Interpret. *

PV-Generator

basiert

benachbarte PV-Anlagen EPV-Anlage

PPV-Anlage(t)

Modulausrichtung PN - kWh/kWp bzw. kW/kWp - Modultyp/Hinterlüftung

Modellierung & Simulation PV-Anlage EPV-Anlage

PPV-Anlage(t)

Globalstrahlung Zelltemperatur Modellierung - Modul/WR/…

String basiert

benachbarte Strings der gleichen PV-Anlage E/P/Ustring

siehe oben

Modellierung & Simulation PV-Anlage E/P/Ustring

siehe oben

modulgenau

Module des gleichen Strings

EModul

PModul(t)

UModul(t)

Schwellwert für kann deutlich geringer angesetzt werden.

EModul

PModul(t)

UModul(t)

siehe oben

Zwischenfazit

» Insbesondere bei zwei benachbarten Modulen eines Strings ist von nahezu identischen Betriebsbedingungen (Ausrichtung, Globalstrahlung, Zelltemperatur) auszugehen.

» Beim Vergleich der Betriebsdaten von Strings oder ganzer PV-Anlagen ist dies häufig deutlich weniger gegeben.

» Bei der Fehlerdetektion via Ist/Ist-Wert-Vergleich hat das modulgenaue Monitoring daher das signifikant größere Sensitivitäts-Potenzial im Vergleich zum String-Monitoring oder PV-Generator-Monitoring.

4. Praxisbeispiele

5. Zusammenfassung

PV-Monitoring Sichtprüfung IV-Kennlinienmessung Thermographie EL-Messung

PV-Generator basiert

Fehler wurde detektiert

Freier Zugang oder Kamera

Unterbrechung PV-Anlagen-betrieb Messung im Feld

Zuerst IV-Kennlinien der Strings

Anschließend IV-Kennlinien der einzelnen Module im String

Normalbetrieb + Rückbestromung

String basiert

Reduktion auf zuvor identifizierten String

String basiert

Reduktion auf zuvor identifizierten String

modulgenau kann entfallen kann entfallen kann entfallen kann entfallen

Fehleranalyse kann per Ferndiagnose erfolgen!

Beispiel für Fehlersignatur: PID

Zwischenfazit 1/2

» Drastisches O&M-Kostensenkungspotenzial durch modulgenauen Ansatz!

» Nutzbarkeit des Messgröße UModul für Fehlersignatur-Erstellung

Kontinuierliche und automatisierte Auswertung aller UModul-Daten durch Mustererkennungs-Algorithmen

In-Situ Ferndiagnose statt Ex-Situ Fehleranalyse im Feld

Zeitlicher Aufwand zur Fehlerbeseitigung im Feld resultiert sich drastisch

• Lage der Fehler behafteten Module vorab der Servicekraft bekannt

• Handlungsanweisung ebenso (Modulaustausch, Diodenaustausch, Reinigung, …)

Zwischenfazit 2/2

» IV-Kennlinien aller Module einer PV-Anlage können jederzeit beliebig neu aufgezeichnet werden

Kann automatisiert erfolgen ohne Ausbau im Feld und manuelle Einzelmessung durch Servicekraft

Durch die automatisierbare IV-Modulkennlinien-Aufnahme kann auch ein regelmäßiges Monitoring von Größen wie FF, Rs und Rsh erfolgen

Neuer Ansatz für Früherkennung von Fehlertypen mit schleichendem Charakter wie z.B. PID (bei manueller Einzelmessung wegen Zeitaufwand undenkbar!)

Sensitivität der Fehlerdetektion kann hierdurch noch einmal deutlich erhöht werden im Vergleich zu Ist/Ist-Wert oder Ist/Soll-Wert-Vergleichen mit dazu festgelegtem -Schwellwert

4. Praxisbeispiele

5. Zusammenfassung

4. Modulgenaues Monitoring - Praxisbeispiele

- 33 %

Diodendefekt (SC-Fall)

4. Modulgenaues Monitoring - Praxisbeispiele

Erforderliche zeitliche Auflösung für Fehlersignaturerkennung

» Bei SunSniffer Technologie minimal Messintervall 30 s einstellbar

» Fallbeispiel 15 min Zeitauflösung

» Abwägung

Hohe Auflösung und viele Messdaten aus statistischer Sicht immer vorteilhaft „Gesetz der großen Zahlen“

„Big Data“-Aufwand muss aber auch technologisch beherrschbar und wirtschaftlich darstellbar sein!

» Erforderliche Zeitauflösung hängt auch vom Fehlertyp ab

Bei regelmäßig auftretenden kurzzeitigen Teilverschattungen wichtig

Bei Fehler mit schleichendem Charakter und hohen Zeitskalen (z.B. PID) nicht wichtig

Praxisbeispiel temporäre Modulverschattung I

- 33 %

Bypass-Diode aktiviert

Modul wieder schattenfrei

Praxisbeispiel temporäre Modulverschattung II

4. Praxisbeispiele

5. Zusammenfassung

Mehraufwand modulgenaues PV-Monitoring Mehrwert modulgenaues PV-Monitoring

U-Sensor für jedes Modul

Präferenz serienmäßige Integration in Modulanschluss-dose während Modulproduktion.

I-Sensor für jeden String

Ebenfalls serienmäßig integrierbar in Generator-Anschlussdosen oder bei bestimmten PV-Generator-Verschaltungskonzepten auch direkt in PV-Wechselrichter (String-WR oder Multi-String-WR)

Messdaten übertragen, speichern & auswerten

5. Zusammenfassung

Mehraufwand Mehrwert modulgenaues PV-Monitoring

U-Sensor für jedes Modul Präferenz serienmäßige Integration in Modulanschlussdose bei Modulproduktion

Fehlerdetektion Sehr hohe Sensitivität bei Ist/Ist-Vergleich benachbarter Module des

gleichen Strings. Als Folge können Maßnahmen gegen finanzielle Einbußen durch

PV-Ertragsverluste früher durchgeführt werden. Neue Möglichkeiten für Früherkennung von Fehlertypen mit schleichen-

dem Charakter durch automatisierbare Neuaufnahme von IV-Modul-kennlinien.

Sensitivität bei der Detektion dieses Fehlertypen vergrößert sich dadurch noch einmal deutlich.

I-Sensor für jeden String Ebenfalls serienmäßig integrierbar in Generator-Anschlussdose oder PV-Wechselrichter

5. Zusammenfassung

Mehraufwand Mehrwert modulgenaues PV-Monitoring

U-Sensor für jedes Modul Präferenz serienmäßige Integration in Modulanschlussdose bei Modulproduktion

Fehlerdetektion Sehr hohe Sensitivität bei Ist/Ist-Vergleich benachbarter Module des

gleichen Strings. Als Folge können Maßnahmen gegen finanzielle Einbußen durch

PV-Ertragsverluste früher durchgeführt werden. Neue Möglichkeiten für Früherkennung von Fehlertypen mit schleichen-

dem Charakter durch automatisierbare Neuaufnahme von IV-Modul-kennlinien.

Sensitivität bei der Detektion dieses Fehlertypen vergrößert sich dadurch noch einmal deutlich.

I-Sensor für jeden String Ebenfalls serienmäßig integrierbar in Generator-Anschlussdose oder PV-Wechselrichter

Fehleranalyse Fazit hohes O&M-Kostensenkungspotenzial! In-situ Ferndiagnose via Fehlersignatur/Mustererkennung Vorab-Lokalisierung von fehlerbehafteten Modulen und Vorab-Kenntnis

des Fehlertyps minimiert Einsatzzeiten von Servicekraft im Feld

Zusammenfassung

Beim modulgenauen Monitoring steht dem erhöhten Mehraufwand für die technische Umsetzung eine Reihe von nennenswerten inhärenten Vorteilen gegenüber im Vergleich zum String-Monitoring und PV-Generator-Monitoring.

Zusammenfassung

Das modulgenaue Monitoring hat also erkennbar das Potenzial einer disruptiven Technologie (Thema Ferndiagnose).

Zusammenfassung

Das modulgenaue Monitoring hat also erkennbar das Potenzial einer disruptiven Technologie (Thema Ferndiagnose).

Beitrag zur Realisierung von „Smart“-Photovoltaikmodulen

Danke für die Aufmerksamkeit!

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