Eine neuartige modulare Überwachungslösung für Photovoltaik- und Energiespeicherkraftwerke

1. Einführung und Forschungshintergrund​

​1.1 Aktueller Stand der Solartechnologie-Industrie​
Als eine der reichhaltigsten erneuerbaren Energiequellen ist die Entwicklung und Nutzung von Solarenergie zum zentralen Element des globalen Energiewandels geworden. In den letzten Jahren hat die Photovoltaik-Industrie dank weltweiter Förderpolitiken ein explosionsartiges Wachstum erfahren. Statistiken zeigen, dass die chinesische PV-Industrie während des "12. Fünfjahresplans" einen atemberaubenden 168-fachen Anstieg verzeichnete. Bis Ende 2015 überstieg die installierte PV-Leistung 40.000 MW und stand drei Jahre in Folge an erster Stelle weltweit, mit weiterem Wachstum in der Zukunft zu erwarten.

​1.2 Bestehende Probleme und technische Herausforderungen​
Trotz des schnellen Fortschritts stoßen traditionelle PV-Speichersysteme in der praktischen Anwendung auf zahlreiche technische Engpässe:

• ​Probleme bei PV-Arrays:​​ Um den Lastspannungs- und -leistungsanforderungen gerecht zu werden, werden in der Regel eine große Anzahl von einzelnen PV-Zellen in Serie und Parallel geschaltet. Diese Struktur ist anfällig für partielle Beschattung, was zu "Mismatch"-Verlusten und Hot-Spot-Effekten führt, die die Systemleistungseffizienz und -sicherheit erheblich reduzieren.
• ​Probleme bei Speicherbatteriepaketen:​​ Batteriepakete, die ebenfalls in Serie-Parallel-Konfigurationen eingesetzt werden, haben grundsätzlich Ausgleichsprobleme. Die Uneinheitlichkeit der Batterien verschärft sich mit der Skalierung, erhöht nicht nur die Systemkomplexität, sondern führt auch zu Kapazitätsabfall und verkürzter Lebensdauer, was die großflächige Anwendung behindert.
• ​Mangelhafte bestehende Technologien:​​ Obwohl einige Forscher passive Ausgleichsverwaltungstechniken vorgeschlagen haben, verschieben diese Methoden lediglich das Ausgleichsproblem, ohne die Auswirkungen der Mehrmodulserienschaltung auf die nachgeschalteten Schaltkreise vollständig zu berücksichtigen. Sie bieten auch keine wissenschaftliche Leitlinie für die Auswahl wichtiger Komponenten wie PV-Zellen.

​II. Gesamtsystemlösung und Topologie​

Das Kernstück dieser Lösung ist die Konstruktion einer neuen, modularen und skalierbaren Stromsystemtopologie.

​2.1 Hierarchische Systemstruktur​
Das System ist hierarchisch in drei Ebenen von der Grundeinheit aufgebaut:

1. ​Modul (Grundeinheit):​​
• ​Aufbau:​​ Eine einzelne PV-Zelle, eine einzelne Speicherbatterie (mit passender Spannung und Kapazität), 4 Leistungsschalter und ein unabhängiger Controller.
• ​Funktion:​​ Als kleinste autonome Einheit verwaltet der Controller die 4 Schalter, um eine unabhängige Verbindung oder Trennung der PV-Zelle und der Batterie zu ermöglichen, was eine flexible Umschaltung zwischen fünf Betriebsmodi ermöglicht.
2. ​Serienschaltung:​​
• ​Aufbau:​​ Durch die Serienschaltung mehrerer der oben genannten Module.
• ​Funktion:​​ Erhöhung der Gesamtspannung der Reihe, um sie an den Eingangsspannungsbereich des nachgeschalteten DC/DC-Step-Up-Wandlers anzupassen.
3. ​System:​​
• ​Aufbau:​​ Durch die Parallelschaltung mehrerer Serienreihen, die über einen DC/DC-Wandler zu einem gemeinsamen Gleichstrombus zusammenlaufen.
• ​Funktion:​​ Der Gleichstrombus kann direkt Gleichstromlasten versorgen oder über einen DC/AC-Umrichter Wechselstromlasten versorgen.

​2.2 Kernvorteile​
Diese Topologie beseitigt durch die individuelle Zellenebene-Steuerung grundlegend die inhärenten Beschattungseffekte und Batterieausgleichsprobleme traditioneller Serienstrukturen auf physischer Ebene. Mit der richtigen Komponentenauswahl ermöglicht das System, dass PV-Zellen konsequent nahe ihrem Maximum-Power-Punkt (MPP) arbeiten, wodurch zusätzliche MPPT-Schaltkreise und komplexe Batteriemanagementsysteme (BMS) entfallen.

​III. Hierarchische Überwachungsstrategie​

Diese Lösung verwendet eine hierarchische Steuerungsstrategie, um eine verfeinerte Überwachung von lokal bis hin zu global zu erreichen.

​3.1 Modullevel-Überwachungsstrategie (Autonome Steuerung)​​
Jedes Modul schaltet autonom basierend auf seinem eigenen Status (PV-Ausgangsspannung, Batteriespannung) zwischen den folgenden 5 Betriebsmodi:

​3.2 Reihebene-Überwachungsstrategie (Spannungs-Koordinationssteuerung)​​
Die Überwachung auf Reihenebene verwendet die Eingangsspannung (U_in) des DC/DC-Wandlers als Schlüsselparameter, um die Spannung durch An- und Abkoppeln von Modulen zu stabilisieren.

• ​Steuerungsziel:​​ Sicherstellen, dass U_in innerhalb des zulässigen Arbeitsbereichs des DC/DC-Schaltkreises bleibt (z.B. 12V ~ 22V).
• ​Schwellwertsteuerungslogik (z.B. für 24V-System):​​
• ​Niedriger Spannungsschwellwert (16V):​​ Wenn U_in < 16V, sucht das Überwachungssystem automatisch nach Modulen in der Reihe, die im Bereitschaftsmodus, aber mit normaler Batterieladung sind, und befiehlt ihnen, sich anzuschließen, um ein Abschalten des DC/DC-Wandlers aufgrund niedriger Eingangsspannung zu verhindern.
• ​Höherer Spannungsschwellwert (20V):​​ Wenn U_in > 20V, wird die Verbindung neuer Module eingeschränkt, um sicherzustellen, dass U_in die maximale Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers nicht überschreitet.
• ​Schutzschwellwert (12V):​​ Wenn U_in < 12V, gilt die Reihe als erschöpft und wird zwangsweise getrennt. Alle Module gehen in den Bereitschaftsmodus, bis eine ausreichende Anzahl von Batterien wieder geladen ist.

​3.3 Systemebene-Überwachungsstrategie (Globaler Schutz)​​
Die Überwachung auf Systemebene fokussiert sich darauf, die Qualitätsversorgung zu gewährleisten, wobei die Spannung des Gleichstrombusses (U_bus) als wichtigster Überwachungspunkt dient.

• ​Steuerungslogik:​​ Die Spannung des Gleichstrombusses wird in Echtzeit überwacht. Fällt die Spannung unter einen kritischen Schwellwert (z.B. 80% des Nennwerts eines 24V-Systems, also 22V), deutet dies auf unzureichende gesamtsystemenergetische Energie hin. Das Überwachungssystem führt dann einen globalen Ausschaltbefehl aus, um den Umrichter und die Lastgeräte zu schützen und die Netzqualität auf der AC-Seite zu gewährleisten.

​IV. Methode zur Auswahl von Schlüsselkomponenten​

Um das Matching-Problem zwischen PV-Zellen und Speicherbatterien zu lösen, schlägt diese Lösung eine Auswahlmethode vor, die darauf abzielt, die Effizienz der Nutzung von Sonnenenergie zu maximieren.

• ​Kernidee:​​ In diesem System wird die Betriebsspannung der PV-Zelle durch die Batteriespannung begrenzt, sodass die Übereinstimmung ihrer Spannungsparameter entscheidend ist.
• ​Auswahlmodell:​​ Basierend auf einem ingenieurmathematischen Modell der PV-Zelle (unter Berücksichtigung von Temperatur- und Beleuchtungseinflüssen) wird die Systemeffizienz η als Funktion der Batteriespannung U_BAT und der maximalen Leistungspunktspannung U_mp der PV-Zelle hergeleitet.
• ​Fazit:​​ Für eine 3,7V-Speicherbatterie mit einer Betriebsspannung von etwa 3,9V~4,0V weisen Simulationsergebnisse darauf hin, dass die Nutzungseffizienz der Sonnenenergie am höchsten ist, wenn die U_mp der PV-Zelle etwa 4,25V beträgt. Daher sollte in der Praxis die U_mp der PV-Zelle innerhalb des Bereichs von 4,2V ~ 4,3V gesteuert werden.

​V. Erwartete Ergebnisse​

1. ​Signifikante Effizienzsteigerung:​​ Die modulare unabhängige Betriebsweise beseitigt vollständig die inhärenten "Bucket-Brigade-Effekte" und Hot-Spot-Probleme von Serienstrukturen, wodurch jede Einheit effizient arbeitet. Gleichzeitig ermöglicht die präzise Spannungsanpassung zwischen PV und Speicher eine annähernde Maximale-Leistungspunkt-Verfolgung (MPPT) ohne zusätzliche Schaltkreise, was die Stromerzeugungseffizienz erheblich verbessert.
2. ​Verbesserte Haltbarkeit und Zuverlässigkeit:​​ Die modulare Struktur löst grundsätzlich die Ausgleichsprobleme, die durch Uneinheitlichkeiten in Batteriepaketen verursacht werden, vermeidet Überladung und Entladung, verlängert die Gesamtsystemlebensdauer effektiv. Die hierarchische Überwachungsstrategie bietet mehrere Schutzebenen von lokalen bis hin zu globalen, was die Systemrobustheit erheblich verbessert.
3. ​Kostenoptimierung und bequeme O&M:​​ Dieses Design eliminiert erfolgreich komplexe MPPT-Tracker und Batteriemanagementsysteme (BMS), reduziert Hardwarekosten. Seine "Lego-artige" Architektur macht Installation, Wartung und Erweiterung extrem bequem. Der Ausfall eines einzelnen Moduls beeinträchtigt den Gesamtbetrieb nicht, reduziert die Gesamtlebenszykluskosten.