Μια Νέα Μοντουλωμένη Λύση Εποπτείας για Συστήματα Φωτοβολταϊκής και Αποθήκευσης Ηλεκτρικής Ενέργειας

1. Εισαγωγή και Πληροφοριακό Φύλλο​

​1.1 Τρέχουσα Κατάσταση της Ηλιακής Βιομηχανίας​
Ως μία από τις πιο πλούσιες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η ανάπτυξη και χρήση της ηλιακής ενέργειας έχει γίνει κεντρική στην παγκόσμια ενεργειακή μετάβαση. Τα τελευταία χρόνια, με την πίεση πολιτικών σε παγκόσμιο επίπεδο, η φωτοβολταϊκή (PV) βιομηχανία έχει βιώσει εκρηκτική ανάπτυξη. Στατιστικά δείχνουν ότι η PV βιομηχανία της Κίνας έχει δείξει συνεχή 168-φορά αύξηση κατά τη διάρκεια της "12ης Πενταετίας". Στο τέλος του 2015, η εγκατεστημένη ισχύς PV ξεπέρασε τα 40.000 MW, καταλαμβάνοντας την πρώτη θέση παγκοσμίως για τρία συνεχόμενα χρόνια, με συνεχή αναμενόμενη αύξηση στο μέλλον.

​1.2 Υπάρχοντα Προβλήματα και Τεχνικές Προκλήσεις​
Παρά την ταχεία ανάπτυξη, οι παραδοσιακές συστήματα αποθήκευσης ηλιακής ενέργειας αντιμετωπίζουν ακόμη πολλά τεχνικά προβλήματα σε πρακτικές εφαρμογές:

• ​Προβλήματα PV Πίνακα:​​ Για να επιτευχθούν οι απαιτήσεις τάσης και ισχύος του φορτίου, συνήθως συνδέονται πολλά μεμονωμένα PV κύτταρα σε σειρά και παράλληλα. Αυτή η δομή είναι ευάλωτη σε μερική σκίαση, οδηγώντας σε "αναλογικές" απώλειες και φαινόμενα θερμικών σημείων, που μειώνουν σημαντικά την απόδοση παραγωγής ενέργειας και την ασφάλεια του συστήματος.
• ​Προβλήματα Συστήματος Αποθήκευσης Μπαταριών:​​ Οι συστήματα μπαταριών, που χρησιμοποιούν επίσης σειριακές-παράλληλες δομές, αντιμετωπίζουν αναπόφευκτα προβλήματα ισορροπίας. Η αναμονολογία των μπαταριών επιδεινώνεται με την κλίμακα, μη μόνο αυξάνοντας την πολυπλοκότητα του συστήματος, αλλά και προκαλώντας μείωση της ικανότητας και μείωση της διάρκειας ζωής, εμποδίζοντας τη μεγάλης κλίμακας εφαρμογή.
• ​Ανεπάρκειες Σε Υπάρχοντες Τεχνολογίες:​​ Παρά το γεγονός ότι κάποιοι ερευνητές έχουν προτείνει τεχνικές διαχείρισης εξισορρόπησης, αυτές οι μέθοδοι απλώς μεταφέρουν το πρόβλημα της ισορροπίας χωρίς να λαμβάνουν υπόψη την επίδραση της σειριακής σύνδεσης πολλών μονάδων στους κατωτέρω κυκλώματα. Επίσης, έλλειπε επιστημονική καθοδήγηση για την επιλογή κλειδίων συσταδικών, όπως τα PV κύτταρα.

​II. Συνολική Λύση Συστήματος και Τοπολογία​

Το κύριο σημείο αυτής της λύσης είναι η κατασκευή μιας νέας, μοντουλάρης και επιμετρήσιμης τοπολογίας συστήματος ενέργειας.

​2.1 Ιεραρχική Σύνθεση Συστήματος​
Το σύστημα είναι οργανωμένο ιεραρχικά από τη βασική μονάδα έως τα τρία επίπεδα:

1. ​Μέτρο (Βασική Μονάδα):​​
• ​Σύνθεση:​​ Ένα μοναδικό PV κύτταρο, μια μοναδική μπαταρία αποθήκευσης (με ταιριασμένη τάση και ικανότητα), 4 διακόπτες ενέργειας και ένα ανεξάρτητο ελεγκτής.
• ​Λειτουργία:​​ Ως το μικρότερο αυτόνομο μονάδα, ο ελεγκτής διαχειρίζεται τους 4 διακόπτες για ανεξάρτητη σύνδεση/αποσύνδεση του PV κυττάρου και της μπαταρίας, επιτρέποντας ευέλικτη μεταβολή μεταξύ πέντε λειτουργικών καθεστώτων.
2. ​Σειριακή Σειρά:​​
• ​Σύνθεση:​​ Δημιουργείται με τη σύνδεση πολλών από τα παραπάνω μέτρα σε σειρά.
• ​Λειτουργία:​​ Αυξάνει την συνολική εξόδια τάση της σειράς για να ταιριάξει το εύρος εισόδου τάσης του DC/DC booster converter.
3. ​Σύστημα:​​
• ​Σύνθεση:​​ Δημιουργείται με τη σύνδεση πολλών σειριακών σειρών παράλληλα, συγκεντρώνοντας μέσω ενός DC/DC converter σε μια κοινή DC bus.
• ​Λειτουργία:​​ Η DC bus μπορεί να εφοδιάζει άμεσα DC φορτία ή, μέσω ενός DC/AC inverter, να εφοδιάζει AC φορτία.

​2.2 Κύρια Πλεονεκτήματα​
Αυτή η τοπολογία, μέσω της ανεξάρτητης ελέγχου σε επίπεδο μοναδικού κυττάρου, εξαλείφει θεμελιωδώς τα γενεσιουργά προβλήματα σκίασης και ισορροπίας μπαταριών των παραδοσιακών σειριακών δομών σε φυσικό επίπεδο. Με την κατάλληλη επιλογή συσταδικών, το σύστημα επιτρέπει στα PV κύτταρα να λειτουργούν συνεχώς κοντά στο Μέγιστο Σημείο Ισχύος (MPP), εξαλείφοντας την ανάγκη για επιπλέον MPPT κυκλώματα και πολύπλοκα Συστήματα Διαχείρισης Μπαταριών (BMS).

​III. Ιεραρχική Στρατηγική Εποπτείας​

Αυτή η λύση χρησιμοποιεί μια ιεραρχική στρατηγική ελέγχου για την επίτευξη ακριβούς εποπτείας από τοπικό επίπεδο μέχρι το παγκόσμιο.

​3.1 Στρατηγική Εποπτείας Επιπέδου Μέτρου (Αυτόνομος Έλεγχος)​​
Κάθε μέτρο αυτόνομα μεταβάλλει μεταξύ των ακόλουθων 5 λειτουργικών καθεστώτων με βάση τη δική του κατάσταση (PV εξόδια τάση, τάση μπαταρίας):

​3.2 Στρατηγική Εποπτείας Επιπέδου Σειράς (Εναρμόνιση Τάσης)​​
Η εποπτεία επιπέδου σειράς χρησιμοποιεί την εισόδια τάση (U_in) του DC/DC converter ως βασικό παράμετρο, σταθεροποιώντας την τάση μέσω της σύνδεσης/αποσύνδεσης μέτρων.

• ​Στόχος Ελέγχου:​​ Να διασφαλίσει ότι η U_in παραμένει εντός του επιτρεπτού εύρους λειτουργίας του DC/DC κυκλώματος (π.χ., 12V ~ 22V).
• ​Λογική Κατώφλιου Ελέγχου (π.χ., για 24V σύστημα):​​
• ​Κατώφλιο Χαμηλής Τάσης (16V):​​ Αν U_in < 16V, το σύστημα εποπτείας αυτόματα αναζητά μέτρα στη σειρά που είναι σε καθεστώς ετοιμότητας αλλά έχουν κανονική φόρτιση μπαταρίας, εντολοδοτώντας τα να συνδεθούν, αποτρέποντας την απενεργοποίηση του DC/DC λόγω χαμηλής εισόδιας τάσης.
• ​Κατώφλιο Υψηλής Τάσης (20V):​​ Αν U_in > 20V, περιορίζεται η σύνδεση νέων μέτρων για να εξασφαλίσει ότι η U_in δεν υπερβαίνει τη μέγιστη εισόδια τάση του DC/DC.
• ​Κατώφλιο Προστασίας (12V):​​ Αν U_in < 12V, η σειρά θεωρείται εξαντλημένη, επιβάλλεται αυτόματη αποσύνδεση. Όλα τα μέτρα εισέρχονται σε καθεστώς ετοιμότητας μέχρι να ανακτηθεί η φόρτιση σε επαρκή αριθμό μπαταριών.

​3.3 Στρατηγική Εποπτείας Επιπέδου Συστήματος (Παγκόσμια Προστασία)​​
Η εποπτεία επιπέδου συστήματος εστιάζεται στη διασφάλιση της ποιότητας της παροχής ενέργειας, με την τάση της DC bus (U_bus) ως βασικό σημείο εποπτείας.

• ​Λογική Ελέγχου:​​ Η τάση της DC bus εποπτεύεται σε πραγματικό χρόνο. Αν η τάση πέσει κάτω από ένα κρίσιμο κατώφλιο (π.χ., 80% της ονομαστικής τάσης ενός 24V συστήματος, δηλαδή 22V), αυτό δείχνει ότι η συνολική ενέργεια του συστήματος είναι ανεπαρκής. Το σύστημα εποπτείας θα εκτελέσει μια παγκόσμια εντολή απενεργοποίησης για την προστασία του inverter και του εξοπλισμού φορτίου, διασφαλίζοντας την ποιότητα της ενέργειας στην πλευρά AC.

​IV. Μέθοδος Επιλογής Κλειδίων Συσταδικών​

Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ταίριασης μεταξύ PV κυττάρων και μπαταριών αποθήκευσης, αυτή η λύση προτείνει μια μέθοδο επιλογής που στοχεύει στη μαξιμοποίηση της αποδοτικότητας χρήσης της ηλιακής ενέργειας.

• ​Κύρια Ιδέα:​​ Σε αυτό το σύστημα, η λειτουργική τάση του PV κυττάρου είναι συμπιεσμένη από την τάση της μπαταρίας, κάνοντας κρίσιμη την ταίριαση των παραμέτρων τάσης.
• ​Μοντέλο Επιλογής:​​ Με βάση ένα μαθηματικό μηχανικό μοντέλο του PV κυττάρου (λαμβάνοντας υπόψη την θερμοκρασία και την ένταση φωτεινότητας), η αποδοτικότητα του συστήματος η προκύπτει ως συνάρτηση της τάσης της μπαταρίας U_BAT και της τάσης του μέγιστου σημείου ισχύος του PV κυττάρου U_mp.
• ​Συμπέρασμα:​​ Για μια 3.7V μπαταρία αποθήκευσης με λειτουργική τάση περίπου 3.9V~4.0V, οι σιμουλατόρικες αποτελέσματα δείχνουν ότι η αποδοτικότητα χρήσης της ηλιακής ενέργειας του συστήματος είναι μέγιστη όταν η U_mp του PV κυττάρου είναι περίπου 4.25V. Συνεπώς, σε πρακτική επιλογή, η U_mp του PV κυττάρου πρέπει να ελεγχθεί εντός του εύρους 4.2V ~ 4.3V.

​V. Αναμενόμενα Αποτελέσματα​

1. ​Σημαντική Μείωση Αποδοτικότητας:​​ Η μοντουλάρη ανεξάρτητη λειτουργία εξαλείφει θεμελιωδώς τα γενεσιουργά προβλήματα "bucket-brigade effect" και θερμικών σημείων των σειριακών δομών, εξασφαλίζοντας ότι κάθε μονάδα λειτουργεί αποδοτικά. Συγχρόνως, η ακριβής ταίριαση τάσης μεταξύ PV και αποθήκευσης επιτρέπει προσεγγιστική Μέγιστη Ισχύος (MPPT) χωρίς επιπλέον κυκλώματα, αυξάνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα παραγωγής ενέργειας.
2. ​Ενίσχυση Διάρκειας Ζωής και Αξιοπιστίας:​​ Η μοντουλάρη δομή επιλύει θεμελιωδώς τα προβλήματα ισορροπίας που προκαλούνται από την αναμονολογία των μπαταριών, αποφεύγοντας την υπερφόρτιση και την υποφόρτιση, α