Nová modulární řešení pro monitorování fotovoltaických a systémů na ukládání energie

1. Úvod a výzkumné základy

1.1 Současný stav solárního průmyslu
Jako jedno z nejbohatších obnovitelných zdrojů energie se rozvoj a využití sluneční energie stalo klíčovým prvkem globální energetické transformace. V posledních letech, podporován politikami po celém světě, zažil fotovoltaický (PV) průmysl explozivní růst. Statistiky ukazují, že čínský PV průmysl za dobu "12. pětiletého plánu" zaznamenal obrovský 168násobný nárůst. Do konce roku 2015 překonal instalovaný PV výkon 40 000 MW, což bylo tři roky v řadě světové prvenství, s očekáváním dalšího růstu v budoucnu.

1.2 Stávající problémy a technické výzvy
Navzdory rychlému rozvoji stále čelí tradiční systémy ukládání PV energie mnoha technickým látkám v praktickém použití:

• Problémy s PV polem: Aby bylo splněno napětí a výkon zátěže, jsou typicky spojeny v sériové a paralelní konfiguraci velké množství individuálních PV článků. Tato struktura je náchylná na částečné stínění, což vede k "nesouladu" ztrát a efektu horkého místa, což značně snižuje efektivitu a bezpečnost generování energie systémem.
• Problémy s bateriovými balíky: Bateriové balíky, které také používají sériové a paralelní konfigurace, vrozeně čelí problémům s vyrovnáváním. Nesoulad baterií se zhoršuje s rostoucím měřítkem, což nejen zvyšuje složitost systému, ale také způsobuje degradaci kapacity a zkrácení životnosti, což brání širokému uplatnění.
• Nedostatky stávajících technologií: I když někteří výzkumníci navrhli pasivní metody správy vyrovnávání, tyto metody jen přesouvají problém vyrovnávání bez úplného zohlednění dopadu sériového spojení více modulů na dolní okruhy. Nedostatečně také poskytují vědeckou orientaci pro výběr klíčových komponent, jako jsou PV články.

II. Celkové systémové řešení a topologie

Klíčovým prvkem tohoto řešení je vytvoření nové, modulární a škálovatelné topologie elektrického systému.

2.1 Hierarchické složení systému
Systém je hierarchicky strukturován od základní jednotky vzhůru do tří úrovní:

1. Modul (základní jednotka):
• Složení: Jedna PV buňka, jedna akumulační baterie (s odpovídajícím napětím a kapacitou), 4 přepínače a nezávislý kontrolér.
• Funkce: Jako nejmenší autonomní jednotka kontrolér spravuje 4 přepínače, aby umožnil nezávislé připojení a odpojení PV článku a baterie, což umožňuje flexibilní přepínání mezi pěti operačními režimy.
2. Sériový řetězec:
• Složení: Vytvořen spojením několika výše uvedených modulů v sériové konfiguraci.
• Funkce: Zvyšuje celkové výstupní napětí řetězce, aby odpovídalo vstupnímu napěťovému rozsahu dolního DC/DC boost konvertoru.
3. Systém:
• Složení: Vytvořen paralelním spojením několika sériových řetězců, které konvergují prostřednictvím DC/DC konvertoru na společnou DC sběrnici.
• Funkce: DC sběrnice může přímo dodávat energii DC zátěži nebo, prostřednictvím DC/AC inverteru, dodávat energii AC zátěži.

2.2 Klíčové výhody
Tato topologie, prostřednictvím nezávislého řízení na úrovni jednotlivých článků, zásadně eliminuje vrozené efekty stínění a problémy s vyrovnáváním baterií tradičních sériových struktur na fyzické úrovni. S vhodnou volbou komponent umožňuje systém PV článkům pracovat v blízkosti svého bodu maximálního výkonu (MPP), což eliminuje potřebu dodatečných obvodů MPPT a složitých systémů správy baterií (BMS).

III. Hierarchická strategie monitorování

Toto řešení používá hierarchickou strategii řízení k dosažení detailejšího monitorování od lokální do globální úrovně.

3.1 Strategie monitorování na úrovni modulu (autonomní řízení)
Každý modul autonomně přepíná mezi následujícími 5 operačními režimy na základě svého vlastního stavu (výstupního napětí PV, napětí baterie):

3.2 Strategie monitorování na úrovni řetězce (koordinace napětí)
Monitorování na úrovni řetězce používá vstupní napětí DC/DC konvertoru (U_in) jako klíčový parametr, stabilizující napětí připojením a odpojením modulů.

• Cíl řízení: Zajištění, aby U_in zůstalo v povoleném provozním rozsahu obvodu DC/DC (např. 12V ~ 22V).
• Logika prahového řízení (např. pro 24V systém):
• Nízký prahový stupeň (16V): Pokud U_in < 16V, systém automaticky hledá moduly v řetězci, které jsou v pohotovostním režimu, ale mají normální nabití baterie, a dává jim příkaz k připojení, aby zabránil vypnutí DC/DC kvůli nízkému vstupnímu napětí.
• Vysoký prahový stupeň (20V): Pokud U_in > 20V, je omezeno připojení nových modulů, aby se zajistilo, že U_in nepřekročí maximální vstupní napětí DC/DC.
• Chráněný prahový stupeň (12V): Pokud U_in < 12V, řetězec je považován za vyčerpaný, což vede k jeho nucenému odpojení. Všechny moduly vstoupí do pohotovostního režimu, dokud nedosáhnou dostatečného nabití baterií.

3.3 Strategie monitorování na úrovni systému (globální ochrana)
Monitorování na úrovni systému se zaměřuje na zajištění kvality dodávky energie, s napětím DC sběrnice (U_bus) jako klíčovým monitorem.

• Logika řízení: Napětí DC sběrnice je sledováno v reálném čase. Pokud napětí klesne pod kritickou hranici (např. 80 % nominální hodnoty 24V systému, tj. 22V), naznačuje to nedostatek celkové energie systému. Systém provede globální příkaz k vypnutí, aby chránil inverter a zařízení zátěže, a zajišťoval kvalitu energie na straně AC.

IV. Metoda výběru klíčových komponent

Pro řešení problému sproporcionality mezi PV články a akumulačními bateriemi toto řešení navrhuje metodu výběru, která má za cíl maximalizovat využití sluneční energie.

• Základní myšlenka: V tomto systému je provozní napětí PV článku uzpůsobeno napětí baterie, což činí jejich napěťové parametry klíčovými.
• Model výběru: Na základě inženýrského matematického modelu PV článku (zohledňujícího efekty teploty a osvětlení) je odvozena efektivita systému η jako funkce napětí baterie U_BAT a napětí bodu maximálního výkonu PV článku U_mp.
• Závěr: Pro 3,7V akumulační baterii s provozním napětím okolo 3,9V~4,0V simulace ukazují, že využití sluneční energie systémem je nejvyšší, když U_mp PV článku je přibližně 4,25V. Proto by v praxi mělo být U_mp PV článku kontrolováno v rozmezí 4,2V ~ 4,3V.

V. Očekávané výsledky

1. Značné zlepšení efektivity: Modulární nezávislá operace kompletně eliminuje vrozené efekty "vodítkového efektu" a horkého místa sériových struktur, což zajišťuje efektivní fungování každé jednotky. Současně přesná napěťová shoda mezi PV a úložištěm umožňuje přibližné sledování bodu maximálního výkonu (MPPT) bez dodatečných obvodů, což výrazně zvyšuje efektivitu výroby energie.
2. Zlepšení životnosti a spolehlivosti: Modulární struktura zásadně řeší problémy s vyrovnáváním způsobené nesouladem bateriových balíků, což předchází přetížení a nadměrnému vypalování, což efektivně prodlužuje celkovou životnost systému. Hierarchická strategie monitorování poskytuje více vrstev ochrany od lokální do globální úrovně, což výrazně zlepšuje robustnost systému.
3. Optimalizace nákladů a pohodlná O&M: Tento design úspěšně eliminuje potřebu složitých obvodů MPPT a systémů správy baterií (BMS), což snižuje náklady na hardware. Jeho "Lego-like" architektura zjednodušuje instalaci, údržbu a rozšiřování. Selhání jednoho modulu neovlivní celkovou operaci, což snižuje celkové náklady na životní cyklus.