Una Nueva Solución Modular de Monitoreo para Sistemas de Generación de Energía Fotovoltaica y Almacenamiento

1. Introducción y Antecedentes de la Investigación

1.1 Estado Actual de la Industria Solar
Como una de las fuentes de energía renovable más abundantes, el desarrollo y la utilización de la energía solar se han convertido en un elemento central de la transición energética global. En los últimos años, impulsada por políticas a nivel mundial, la industria fotovoltaica (PV) ha experimentado un crecimiento explosivo. Las estadísticas indican que la industria PV de China vio un aumento asombroso de 168 veces durante el período del "Décimo Segundo Plan Quinquenal". Al final de 2015, la capacidad instalada de PV superó los 40,000 MW, ocupando el primer lugar a nivel mundial durante tres años consecutivos, con un crecimiento continuo anticipado en el futuro.

1.2 Problemas Existentes y Desafíos Técnicos
A pesar del rápido desarrollo, los sistemas de almacenamiento de energía fotovoltaica tradicionales aún enfrentan numerosos cuellos de botella técnicos en aplicaciones prácticas:

• Problemas de la Matriz FV: Para cumplir con los requisitos de voltaje y potencia de la carga, generalmente se conectan en serie y paralelo un gran número de células FV individuales. Esta estructura es susceptible a la sombra parcial, lo que lleva a pérdidas por "desajuste" y efectos de punto caliente, que reducen significativamente la eficiencia de generación de energía y la seguridad del sistema.
• Problemas del Paquete de Baterías de Almacenamiento: Los paquetes de baterías, también utilizando configuraciones en serie-paralelo, enfrentan inherentemente problemas de equilibrio. La inconsistencia de las baterías empeora a medida que aumenta la escala, no solo incrementando la complejidad del sistema, sino también causando la degradación de la capacidad y la reducción de la vida útil, obstaculizando su aplicación a gran escala.
• Insuficiencias de las Tecnologías Existentes: Aunque algunos investigadores han propuesto técnicas de gestión de equilibrio pasivo, estos métodos simplemente desplazan el problema de equilibrio sin considerar plenamente el impacto de la conexión en serie de múltiples módulos en los circuitos downstream. También carecen de orientación científica para la selección de componentes clave como las células FV.

II. Solución General del Sistema y Topología

El núcleo de esta solución es construir una topología de sistema de energía novedosa, modular y escalable.

2.1 Composición del Sistema Jerárquico
El sistema está estructurado jerárquicamente desde la unidad básica hasta tres niveles:

1. Módulo (Unidad Básica):
   • Composición: Una sola célula FV, una batería de almacenamiento individual (con voltaje y capacidad compatibles), 4 interruptores de potencia y un controlador independiente.
   • Función: Como la unidad autónoma más pequeña, el controlador gestiona los 4 interruptores para permitir la conexión/desconexión independiente de la célula FV y la batería, permitiendo un cambio flexible entre cinco modos de operación.
2. Cadena en Serie:
   • Composición: Formada al conectar varios de los módulos anteriores en serie.
   • Función: Aumenta el voltaje total de salida de la cadena para coincidir con el rango de voltaje de entrada del convertidor DC/DC boost downstream.
3. Sistema:
   • Composición: Formado al conectar múltiples cadenas en paralelo, convergiendo a través de un convertidor DC/DC a un bus DC común.
   • Función: El bus DC puede suministrar energía directamente a las cargas DC o, a través de un inversor DC/AC, suministrar energía a las cargas AC.

2.2 Ventajas Principales
Esta topología, a través del control independiente a nivel de celda individual, elimina fundamentalmente los efectos inherentes de sombreado y los problemas de equilibrio de baterías de las estructuras en serie tradicionales a nivel físico. Con la selección adecuada de componentes, el sistema permite que las células FV operen consistentemente cerca de su Punto de Potencia Máxima (MPP), eliminando así la necesidad de circuitos adicionales de seguimiento del MPP y sistemas de gestión de baterías (BMS) complejos.

III. Estrategia de Monitoreo Jerárquico

Esta solución adopta una estrategia de control jerárquico para lograr un monitoreo refinado desde el nivel local hasta el global.

3.1 Estrategia de Monitoreo a Nivel de Módulo (Control Autónomo)
Cada módulo cambia autónomamente entre los siguientes 5 modos de operación según su propio estado (voltaje de salida FV, voltaje de la batería):

3.2 Estrategia de Monitoreo a Nivel de Cadena (Control de Coordinación de Voltaje)
El monitoreo a nivel de cadena utiliza el voltaje de entrada del convertidor DC/DC (U_in) como parámetro clave, estabilizando el voltaje mediante la conexión/desconexión de módulos.

• Objetivo de Control: Asegurar que U_in permanezca dentro del rango de operación permitido del circuito DC/DC (por ejemplo, 12V ~ 22V).
• Lógica de Control de Umbral (por ejemplo, para sistema de 24V):
  • Umbral de Bajo Voltaje (16V): Si U_in < 16V, el sistema de monitoreo busca automáticamente módulos dentro de la cadena que estén en modo standby pero tengan una carga de batería normal, ordenándoles que se conecten, evitando que el DC/DC se apague debido a un voltaje de entrada bajo.
  • Umbral de Alto Voltaje (20V): Si U_in > 20V, se restringe la conexión de nuevos módulos para asegurar que U_in no exceda el voltaje de entrada máximo del DC/DC.
  • Umbral de Protección (12V): Si U_in < 12V, se considera que la cadena está agotada, desconectándose forzosamente. Todos los módulos entran en modo standby hasta que un número suficiente de baterías recupere la carga.

3.3 Estrategia de Monitoreo a Nivel de Sistema (Protección Global)
El monitoreo a nivel de sistema se centra en garantizar la calidad del suministro de energía, con el voltaje del bus DC (U_bus) como punto de monitoreo clave.

• Lógica de Control: Se monitorea en tiempo real el voltaje del bus DC. Si el voltaje cae por debajo de un umbral crítico (por ejemplo, el 80% de la calificación de un sistema de 24V, es decir, 22V), indica una insuficiencia de energía total del sistema. El sistema de monitoreo ejecutará un comando de apagado global para proteger el inversor y el equipo de carga, asegurando la calidad de la energía en el lado AC.

IV. Método de Selección de Componentes Clave

Para abordar el problema de emparejamiento entre las células FV y las baterías de almacenamiento, esta solución propone un método de selección destinado a maximizar la eficiencia de utilización de la energía solar.

• Idea Central: En este sistema, el voltaje de operación de la célula FV está limitado por el voltaje de la batería, haciendo crítica la coincidencia de sus parámetros de voltaje.
• Modelo de Selección: Basado en un modelo matemático de ingeniería de la célula FV (considerando los efectos de temperatura e irradiación), se deriva la eficiencia del sistema η como una función del voltaje de la batería U_BAT y el voltaje del punto de potencia máxima de la célula FV U_mp.
• Conclusión: Para una batería de almacenamiento de 3.7V con un voltaje de operación alrededor de 3.9V~4.0V, los resultados de simulación indican que la eficiencia de utilización de la energía solar del sistema es máxima cuando el U_mp de la célula FV es aproximadamente 4.25V. Por lo tanto, en la selección práctica, el U_mp de la célula FV debe controlarse dentro del rango de 4.2V ~ 4.3V.

V. Resultados Esperados

1. Mejora Significativa de la Eficiencia: La operación independiente modular elimina completamente los efectos inherentes de "cubo de agua" y los problemas de puntos calientes de las estructuras en serie, asegurando que cada unidad opere eficientemente. Simultáneamente, el emparejamiento preciso de voltajes entre FV y almacenamiento permite un seguimiento aproximado del MPP sin circuitos adicionales, mejorando enormemente la eficiencia de generación de energía.
2. Incremento de la Vida Útil y Fiabilidad: La estructura modular resuelve fundamentalmente los desafíos de equilibrio causados por la inconsistencia de los paquetes de baterías, evitando la sobrecarga y la descarga excesiva, extendiendo efectivamente la vida útil del sistema en su conjunto. La estrategia de monitoreo jerárquico proporciona múltiples capas de protección desde el nivel local hasta el global, mejorando significativamente la robustez del sistema.
3. Optimización de Costos y Mantenimiento Cómodo: Este diseño elimina exitosamente la necesidad de rastreadores MPPT complejos y sistemas de gestión de baterías (BMS), reduciendo los costos de hardware. Su arquitectura "tipo Lego" hace que la instalación, el mantenimiento y la expansión sean extremadamente convenientes. La falla de un solo módulo no afecta la operación general, reduciendo el costo total del ciclo de vida.