Una Nova Solució Modular de Monitoratge per a Sistemes de Generació d'Energia Fotovoltaica i d'Emmagatzematge d'Energia

1.Introducció i antecedents de la recerca​

​1.1 Estat actual de l'indústria solar​
Com una de les fonts d'energia renovable més abundants, el desenvolupament i la utilització de l'energia solar s'han convertit en un element central de la transició energètica global. En els darrers anys, impulsat per polítiques a nivell mundial, l'indústria fotovoltaica (PV) ha experimentat un creixement explosiu. Les estadístiques indiquen que l'indústria PV xinesa va experimentar un increïble augment de 168 vegades durant el període del "Décim Segon Pla Quinquenal". Al final de 2015, la capacitat instal·lada de PV havia superat els 40.000 MW, situant-se al primer lloc a nivell global per tres anys consecutius, amb un creixement continu previst per al futur.

​1.2 Problemes existents i reptes tècnics​
Malgrat el ràpid desenvolupament, els sistemes tradicionals d'emmagatzematge d'energia fotovoltaica encara enfronten diversos cuellos de botella tècnics en aplicacions pràctiques:

• ​Problemes de la matxissos de PV:​​ Per complir amb els requisits de tensió i potència de la càrrega, normalment es connecten en sèrie i paral·lel un gran nombre de cel·les PV individuals. Aquesta estructura és susceptible a l'ombratge parcial, provocant pèrdues de "desajust" i efectes de punt calent, que reduïxen significativament l'eficiència i la seguretat de la generació d'energia del sistema.
• ​Problemes del paquet de bateries d'emmagatzematge d'energia:​​ Els paquets de bateries, també utilitzant configuracions en sèrie-paral·lel, enfronten inherentment problemes d'equilibri. La inconsistència de les bateries es deteriora amb l'escala, no només incrementant la complexitat del sistema, sinó també causant la degradació de la capacitat i la reducció de la vida útil, dificultant la seva aplicació a gran escala.
• ​Insuficiències de les tecnologies existents:​​ Encara que alguns investigadors han proposat tècniques de gestió d'equilibri passives, aquests mètodes només desplaçan el problema de l'equilibri sense considerar plenament l'impacte de la connexió en sèrie de múltiples mòduls en els circuits a jusstream. També manquen orientacions científiques per a la selecció de components clau com les cel·les PV.

​II. Solució general del sistema i topologia​

El nucli d'aquesta solució és construir una nova topologia de sistema d'energia modular i escalable.

​2.1 Composició jeràrquica del sistema​
El sistema està estructurat jeràrquicament des de l'unitat bàsica cap amunt en tres nivells:

1. ​Mòdul (Unitat Bàsica):​​
• ​Composició:​​ Una sola cela PV, una sola bateria d'emmagatzematge (amb tensió i capacitat ajustades), 4 commutadors de potència i un controlador independent.
• ​Funció:​​ Com a la unitat autònoma més petita, el controlador gestiona els 4 commutadors per permetre la connexió/desconnexió independent de la cela PV i la bateria, permetent la commutació flexible entre cinc modes d'operació.
2. ​Sèrie de Strings:​​
• ​Composició:​​ Formada per la connexió en sèrie de diversos dels mòduls anteriors.
• ​Funció:​​ Augmenta la tensió total de sortida del string per a ajustar-se al rang de tensió d'entrada del convertidor DC/DC boost a jusstream.
3. ​Sistema:​​
• ​Composició:​​ Formada per la connexió en paral·lel de diverses sèries de strings, convergint a través d'un convertidor DC/DC a un bus DC comú.
• ​Funció:​​ El bus DC pot subministrar directament energia a càrregues DC o, a través d'un inversor DC/AC, subministrar energia a càrregues AC.

​2.2 Avantatges principals​
Aquesta topologia, a través del control independent a nivell de cela individual, elimina fonamentalment els efectes inherents d'ombratge i els problemes d'equilibri de bateries de les estructures en sèrie tradicionals a nivell físic. Amb la selecció adequada de components, el sistema permet que les cel·les PV operin consistentment a prop del seu Punt de Potència Màxima (MPP), eliminant la necessitat de circuits MPPT addicionals i sistemes complexes de gestió de bateries (BMS).

​III. Estratègia de monitorització jeràrquica​

Aquesta solució adopta una estratègia de control jeràrquic per aconseguir una monitorització refinada des de nivells locals a globals.

​3.1 Estratègia de monitorització a nivell de mòdul (Control autònom)​​
Cada mòdul canvia autònomament entre els 5 modes d'operació següents basant-se en el seu propi estat (tensió de sortida de PV, tensió de bateria):

​3.2 Estratègia de monitorització a nivell de string (Control de coordinació de tensió)​​
La monitorització a nivell de string utilitza la tensió d'entrada del convertidor DC/DC (U_in) com a paràmetre clau, estabilitzant la tensió a través de la connexió/desconnexió de mòduls.

• ​Objectiu de control:​​ Assegurar que U_in romangui dins del rang d'operació permès del circuit DC/DC (per exemple, 12V ~ 22V).
• ​Lògica de control de llindars (per exemple, per a un sistema de 24V):​​
• ​Llindar de baixa tensió (16V):​​ Si U_in < 16V, el sistema de monitorització busca automàticament mòduls dins del string que estiguin en mode d'espera però amb una càrrega de bateria normal, ordenant-los a connectar-se, prevenint que el DC/DC s'apague per tensió d'entrada baixa.
• ​Llindar d'alta tensió (20V):​​ Si U_in > 20V, la connexió de nous mòduls es restringeix per assegurar que U_in no superi la tensió d'entrada màxima del DC/DC.
• ​Llindar de protecció (12V):​​ Si U_in < 12V, el string es considera esgotat, forçant la seva desconnexió. Tots els mòduls entren en mode d'espera fins que un nombre suficient de bateries recuperin la càrrega.

​3.3 Estratègia de monitorització a nivell de sistema (Protecció global)​​
La monitorització a nivell de sistema es centra en assegurar la qualitat de subministrament d'energia, amb la tensió del bus DC (U_bus) com a punt clau de monitorització.

• ​Lògica de control:​​ La tensió del bus DC es monitoritza en temps real. Si la tensió cau per sota d'un llindar crític (per exemple, el 80% de la valoració del sistema de 24V, és a dir, 22V), indica que l'energia total del sistema és insuficient. El sistema de monitorització executarà una ordre de parada global per protegir l'inversor i l'equipament de càrrega, assegurant la qualitat de l'energia al costat AC.

​IV. Mètode de selecció de components clau​

Per abordar el problema de la correspondència entre les cel·les PV i les bateries d'emmagatzematge, aquesta solució proposa un mètode de selecció orientat a maximitzar l'eficiència d'utilització de l'energia solar.

• ​Idea principal:​​ En aquest sistema, la tensió d'operació de la cela PV està limitada per la tensió de la bateria, fent que la correspondència dels seus paràmetres de tensió sigui crítica.
• ​Model de selecció:​​ Basat en un model matemàtic d'enginyeria de la cela PV (tenint en compte els efectes de la temperatura i la radiació), s'obté l'eficiència del sistema η com una funció de la tensió de la bateria U_BAT i la tensió del punt de potència màxima de la cela PV U_mp.
• ​Conclusió:​​ Per a una bateria d'emmagatzematge de 3,7V amb una tensió d'operació al voltant de 3,9V~4,0V, els resultats de simulació indiquen que l'eficiència d'utilització de l'energia solar del sistema és màxima quan la U_mp de la cela PV és aproximadament 4,25V. Per tant, en la selecció pràctica, la U_mp de la cela PV hauria de controlar-se dins el rang de 4,2V ~ 4,3V.

​V. Resultats esperats​

1. ​Millora significativa de l'eficiència:​​ L'operació modular independent elimina completament l'efecte "bucket-brigade" i els problemes de punts calents de les estructures en sèrie, assegurant que cada unitat opera eficientment. Simultàniament, la correspondència precisa de tensió entre la PV i l'emmagatzematge permet un seguiment aproximatiu del Punt de Potència Màxima (MPPT) sense circuits addicionals, millorant enormement l'eficiència de generació d'energia.
2. ​Augment de la vida útil i la fiabilitat:​​ La estructura modular resol fonamentalment els reptes d'equilibri causats per les inconsistències del paquet de bateries, evitant la sobrecàrrega i la descàrrega excessiva, ampliant efectivament la vida útil total del sistema. L'estratègia de monitorització jeràrquica proporciona diverses capes de protecció des de nivells locals a globals, millorant significativament la robustesa del sistema.
3. ​Optimització dels costos i manteniment convenient:​​ Aquest disseny elimina amb èxit la necessitat de rastreadors MPPT complexos i sistemes de gestió de bateries (BMS), reduint els costos de maquinària. La seva arquitectura "Lego-like" fa que la instal·lació, el manteniment i l'expansió siguin extremadament convenients. La fallida d'un sol mòdul no afecta l'operació total, reduint el cost total del cicle de vida.