En ny modulær overvågningssolution for fotovoltaiske og energilagrings kraftproduktionssystemer

1.Introduktion og forskningsbaggrund

1.1 Nuværende tilstand i solindustrien
Som en af de mest rige fornyelige energikilder er udviklingen og udnyttelsen af solenergi blevet centralelementer i den globale energiovergang. I de seneste år, drevet af politikker verden over, har fotovoltaik (PV) industri oplevet eksponentiel vækst. Statistikker viser, at Kinas PV-industri oplevede en støtende 168-gange øgning under "12. Fiver-Års-Plan" periode. Ved udgangen af 2015 havde den installerede PV-kapacitet overskredet 40.000 MW, hvilket placerede Kina som nummer et globalt i tre på hinanden følgende år, med fortsat forventet vækst i fremtiden.

1.2 Eksisterende problemer og tekniske udfordringer
Trods hurtig udvikling står traditionelle PV-energilagringssystemer stadig overfor mange tekniske flaskenhalse i praktisk anvendelse:

• Problemer med PV-array: For at opfylde spændings- og effektkravene fra belastningen, er det typisk nødvendigt at forbinde en stor mængde individuelle PV-celler i serie og parallel. Denne struktur er sårbar over for delvis skygge, hvilket fører til "mismatch"-tab og hot-spot-effekter, der betydeligt reducerer systemets effektivitet og sikkerhed.
• Problemer med energilagringsbatteripakke: Batteripakker, som også bruger serie-parallell konfigurationer, står over for balanceringsproblemer. Battersammensætningens usammenhæng trædes hårdere på med størrelse, ikke kun øger dette systemkomplexiteten, men forårsager også kapacitetsnedgang og forkortet levetid, hvilket hindrer stor skala anvendelse.
• Mangel på eksisterende teknologier: Selvom nogle forskere har foreslået passive jævnbyrdestyringsteknikker, flytter disse metoder blot problemet uden at fuldt ud tage højde for virkningen af flermodulseriekobling på nederstampe kredsløb. De mangler også videnskabelig vejledning for valg af nøglekomponenter som PV-celler.

II. Overordnet systemløsning og topologi

Kernen i denne løsning er at bygge en ny, modulær og skalabel strømsystemtopologi.

2.1 Hierarkisk systemopbygning
Systemet er struktureret hierarkisk fra grundlæggende enhed opad i tre niveauer:

1. Modul (grundlæggende enhed):
• Sammensætning: En enkelt PV-celle, et enkelt lagringsbatteri (med matchende spænding og kapacitet), 4 strømforsyningskontakter, og en selvstændig kontrolenhed.
• Funktion: Som den mindste autonome enhed administrerer kontroleenheden de 4 kontakter for at muliggøre uafhængig forbinding/afbrydelse af PV-cellen og batteriet, hvilket tillader fleksibel skift mellem fem driftstilstande.
2. Serie-streng:
• Sammensætning: Dannet ved at forbinde flere af ovenstående moduler i serie.
• Funktion: Øger den samlede udgangsspænding af strengen for at matche inputspændingsintervallet for den nederstampe DC/DC boost-konverter.
3. System:
• Sammensætning: Dannet ved at forbinde flere serie-strenger parallelt, sammenføjet gennem en DC/DC-konverter til en fælles DC-bus.
• Funktion: DC-bussen kan direkte forsyne DC-belastninger eller, via en DC/AC-inverter, forsyne AC-belastninger.

2.2 Kernen fordele
Denne topologi, gennem uafhængig kontrol på celle-niveau, eliminerer i bund og grund de indbyggede skyggeeffekter og batteribalanceringsspørgsmål i traditionelle seriestrukturelle problemer på fysisk niveau. Med passende komponentvalg tillader systemet, at PV-celler konsekvent opererer nær deres maksimale effektpunkt (MPP), hvilket eliminerer behovet for yderligere MPPT-kredsløb og komplekse Batteriadministrationsystemer (BMS).

III. Hierarkisk overvågningsstrategi

Denne løsning anvender en hierarkisk kontrolstrategi for at opnå raffineret overvågning fra lokal til globalt niveau.

3.1 Modul-niveau overvågningsstrategi (autonom kontrol)
Hvert modul skifter autonomt mellem følgende 5 driftstilstande baseret på sin egen status (PV-udgangsspænding, batterispænding):

3.2 Streng-niveau overvågningsstrategi (spændningskoordinering)
Overvågning på streng-niveau bruger DC/DC-konverterens indgangsspænding (U_in) som key parameter, stabiliserer spændingen ved at forbinde/afbryde moduler.

• Kontrolmål: Sikre, at U_in forbliver inden for DC/DC-kredsløbs tilladte driftsområde (fx 12V ~ 22V).
• Grænsen for kontrollogik (fx for 24V-system):
• Lavspændinggrænse (16V): Hvis U_in < 16V, søger overvågningssystemet automatisk efter moduler i strengen, der er i standby-tilstand, men har normal batteriladning, beordrer dem til at forbinde, for at undgå, at DC/DC lukker ned pga lav indgangsspænding.
• Højspændinggrænse (20V): Hvis U_in > 20V, begrænses forbindelsen af nye moduler for at sikre, at U_in ikke overstiger DC/DC's maksimum indgangsspænding.
• Beskyttelsesgrænse (12V): Hvis U_in < 12V, anses strengen for tom, afbrydes den tvangsfuldt. Alle moduler går i standby-tilstand, indtil et tilstrækkeligt antal batterier genoplivet ladning.

3.3 System-niveau overvågningsstrategi (global beskyttelse)
Overvågning på system-niveau fokuserer på at sikre strømforsyningens kvalitet, med DC-bussespændingen (U_bus) som key monitoring point.

• Kontrollogik: DC-bussespændingen overvåges i realtid. Hvis spændingen falder under en kritisk grænse (fx 80% af 24V-systemets rating, dvs. 22V), indikerer det utilstrækkelig total systemenergi. Overvågningssystemet vil udføre en global lukkedown-kommando for at beskytte inverteren og belastningsudstyr, for at sikre strømkvaliteten på AC-siden.

IV. Væsentlige komponentvalgsmetode

For at adressere matchingsproblemet mellem PV-celler og lagringsbatterier, foreslår denne løsning en valgmetode, der sigter på at maksimere solenergienyttegraden.

• Kerneide: I dette system er PV-cellens driftsspænding fastholdt af batteriets spænding, hvilket gør matchingen af deres spændningsparametre afgørende.
• Valgsmodel: Baseret på en ingeniørmatematisk model af PV-cellen (med hensyn til temperatur- og strålingsvirkningsbetingelser), deriveres systemets effektivitet η som en funktion af batteriets spænding U_BAT og PV-cellens maksimale effektpunktspænding U_mp.
• Konklusion: For et 3,7V-lagringsbatteri med en driftsspænding på omkring 3,9V~4,0V, indikerer simuleringer, at systemets solenergienyttegrad er højst, når PV-cellens U_mp er cirka 4,25V. Derfor bør PV-cellens U_mp i praksis kontrolleres inden for intervallet 4,2V ~ 4,3V.

V. Forventede resultater

1. Betydelig effektivitetsforbedring: Modulær uafhængig drift eliminerer helt de indbyggede "bucket-brigade-effekter" og hot-spot-problemer i seriestrukturelle problemer, hvilket sikrer, at hver enhed fungerer effektivt. Samtidig muliggør præcis spændningsmatchning mellem PV og lagring næsten Maksimal Effektpunkt Tracking (MPPT) uden ekstra kredsløb, hvilket betydeligt forbedrer strømproduktions effektiviteten.
2. Forøget levetid og pålidelighed: Den modulære struktur løser i bund og grund balanceringsproblemerne, der skyldes usammenhæng i batteripakker, undgår overladning og overudladning, hvilket effektivt forlænger systemets samlede levetid. Den hierarkiske overvågningsstrategi giver flere lag beskyttelse fra lokal til globalt niveau, hvilket betydeligt forbedrer systemets robusthed.
3. Omkkostningsoptimering og bekvem O&M: Denne design succesfuldt eliminere behovet for komplekse MPPT-tracker og Batteriadministrationsystemer (BMS), reducerer hardwareomkostninger. Dens "Lego-lignende" arkitektur gør installation, vedligeholdelse og udvidelse ekstremt bekvem. Fejl i en enkelt modul påvirker ikke den samlede drift, hvilket reducerer den totale livscykluskost.