Новаторско модулно решение за мониторинг на фотovoltaените и системите за съхранение на енергия

1. Въведение и фон на изследването​

​1.1 Състояние на сектора на слънчевата енергия​
Като един от най-изобилните възобновяеми източници на енергия, разработката и използването на слънчевата енергия се превръща в централен елемент на глобалния преход към енергия. През последните години, подтиквани от политики по целия свят, индустрията за фотоелектрическа (PV) енергия е преживяла експлозивен растеж. Статистиката показва, че PV индустрията в Китай е регистрирала удивително 168-пъти повишен ръст по време на периода "12-та петгодишна програма". До края на 2015 г. инсталацията на PV капацитет е надхвърлила 40 000 МВт, занимайки първо място в световен мащаб за трета поредна година, с очаквано продължаване на растежа в бъдеще.

​1.2 Съществуващи проблеми и технически предизвикателства​
Въпреки бързия прогрес, традиционните системи за съхранение на PV енергия все още се сблъскват с много технически бутилни врати при практическо приложение:

• ​Проблеми с PV масивите:​​ За да се удовлетворят изискванията за напрежение и мощност, обикновено се свързват множество отделни PV клетки в сериози и паралелни конфигурации. Тази структура е уязвима към частично затеняване, което води до "несъответствия" и горещи точки, които значително намаляват ефективността и безопасността на системата.
• ​Проблеми с батерийните комплекти за съхранение:​​ Батерийните комплекти, използващи също сериозни и паралелни конфигурации, по принцип се сблъскват с проблеми на балансиране. Несъответствията между батерии се засилват с увеличаване на мащаба, не само увеличавайки сложността на системата, но и причинявайки деградация на капацитета и намаляване на продължителността на живот, затруднявайки масовото приложение.
• ​Недостатъци на съществуващите технологии:​​ Въпреки че някои изследователи са предложили техники за пасивно управление на балансирането, тези методи просто преместват проблема на балансиране, без да вземат под внимание влиянието на многомодулната сериозна връзка върху нижните контури. Те също липсват научно насочване при избора на ключови компоненти като PV клетки.

​II. Обща системна решение и топология​

Основата на това решение е да се построи новаторска, модулна и мащабируема топология на електроенергийната система.

​2.1 Хиерархична системна съставка​
Системата е структурирана хиерархично от основната единица нагоре в три нива:

1. ​Модул (основна единица):​​
• ​Състав:​​ Една PV клетка, една батерия за съхранение (със съответстващо напрежение и капацитет), 4 силови ключа и независим контролер.
• ​Функция:​​ Като най-малка автономна единица, контролерът управлява четирите ключа, позволявайки независимо свързване/развръзане на PV клетката и батерията, като позволява гъвкаво превключване между пет операционни режими.
2. ​Сериозен стринг:​​
• ​Състав:​​ Формира се чрез свързване на няколко от горепосочените модули в серия.
• ​Функция:​​ Увеличава общата изходна мощност на стринга, за да съответства входния диапазон на напрежението на DC/DC преобразувателя.
3. ​Система:​​
• ​Състав:​​ Формира се чрез свързване на няколко сериозни стринга в паралел, събиращи се чрез DC/DC преобразувател към обща DC шина.
• ​Функция:​​ DC шината може директно да доставя енергия на DC потребители или, чрез DC/AC инвертор, да доставя енергия на AC потребители.

​2.2 Основни предимства​
Тази топология, чрез независимо управление на ниво индивидуални клетки, коренно елиминира вградените ефекти от затеняване и проблеми с балансиране на батерии на традиционните сериозни структури на физическия ниво. При правилен избор на компоненти, системата позволява на PV клетките да работят постоянно близо до своето Максимално точка на мощност (MPP), като с това елиминира необходимостта от допълнителни MPPT контури и сложни системи за управление на батерии (BMS).

​III. Хиерархична стратегия за мониторинг​

Това решение използва хиерархична стратегия за управление, за да постигне детайлно наблюдение от местно до глобално ниво.

​3.1 Стратегия за мониторинг на ниво модул (автономно управление)​​
Всеки модул самостоятелно превключва между следните 5 операционни режими в зависимост от собственото си състояние (изходно напрежение на PV, напрежение на батерията):

​3.2 Стратегия за мониторинг на ниво стринг (координирано управление на напрежението)​​
Мониторингът на ниво стринг използва входното напрежение (U_in) на DC/DC преобразувателя като ключов параметър, стабилизирайки напрежението чрез свързване/развръзане на модули.

• ​Цел на управлението:​​ Да се осигури, че U_in остава в рамките на позволения операционен диапазон на DC/DC контура (например, 12V ~ 22V).
• ​Логика на управление на прагове (например, за 24V система):​​
• ​Нисък праг на напрежението (16V):​​ Ако U_in < 16V, системата за мониторинг автоматично търси модули в стринга, които са в режим на готовност, но имат нормално зареждане на батерия, командирайки ги да се свържат, за да се предотврати спирането на DC/DC поради ниско входно напрежение.
• ​Висок праг на напрежението (20V):​​ Ако U_in > 20V, се ограничава свързването на нови модули, за да се осигури, че U_in не надхвърля максималното входно напрежение на DC/DC.
• ​Праг за защита (12V):​​ Ако U_in < 12V, стрингът се счита за изчерпан, принудително се разединява. Всички модули влизат в режим на готовност, докато достатъчен брой батерии възстановят зареждането.

​3.3 Стратегия за мониторинг на ниво система (глобална защита)​​
Мониторингът на ниво система се фокусира върху осигуряване качеството на доставката на енергия, с DC шината като ключова точка за наблюдение.

• ​Логика на управление:​​ Напрежението на DC шината се наблюдава в реално време. Ако напрежението падне под критичен праг (например, 80% от рейтинга на 24V система, тоест 22V), това указва недостатъчна общо системна енергия. Системата за мониторинг ще изпълни глобална команда за спиране, за да защити инвертора и оборудването на потребителите, гарантирайки качеството на енергията на страната на AC.

​IV. Метод за избор на ключови компоненти​

За решаване на проблема със съответствието между PV клетките и батерии за съхранение, това решение предлага метод за избор, насочен към максимизиране на ефективността на използване на слънчевата енергия.

• ​Основна идея:​​ В тази система, работното напрежение на PV клетката е ограничено от напрежението на батерията, правейки съответствието на техните параметри на напрежението критично.
• ​Модел за избор:​​ На базата на инженерен математически модел на PV клетката (като се вземат предвид ефектите от температурата и осветлението), системната ефективност η се извежда като функция на напрежението на батерията U_BAT и напрежението на максималната точка на мощността на PV клетката U_mp.
• ​Заключение:​​ За 3.7V батерия за съхранение с работно напрежение около 3.9V~4.0V, резултатите от симулацията показват, че ефективността на използване на слънчевата енергия на системата е най-висока, когато U_mp на PV клетката е приблизително 4.25V. Следователно, при практически избор, U_mp на PV клетката трябва да се контролира в диапазона 4.2V ~ 4.3V.

​V. Очаквани резултати​

1. ​Значително подобрение на ефективността:​​ Модулното независимо функциониране напълно елиминира вградените ефекти на "ведро-воденосна верига" и горещи точки на сериозните структури, осигурявайки ефективно функциониране на всеки единица. Едновременно, точното съответствие на напрежението между PV и съхранение позволява приблизително проследяване на максималната точка на мощност (MPPT) без допълнителни контури, значително подобрявайки ефективността на генерирането на енергия.
2. ​Подобрен живот и надеждност:​​ Модулната структура коренно решава предизвикателствата, свързани с балансирането, причинени от несъответствията между батерийните комплекти, избягвайки прекомерно зареждане и разрядване, ефективно удължавайки общия живот на системата. Хиерархичната стратегия за мониторинг предоставя многослойна защита от местно до глобално ниво, значително подобрявайки устойчивостта на системата.
3. ​Оптимизация на разходите и удобство на ОиП:​​ Този дизайн успешно елиминира необходимостта от сложни MPPT трекъри и системи за управление на батерии (BMS), намалявайки разходите за хардуер. Неговата "Lego-подобна" архитектура прави инсталацията, поддръжката и разширяването изключително удобни. Повредата на един модул не влияе на общото функциониране, намалявайки общите разходи през цикъла на живот.