Uus muduline jälgimislahendus fotogaal- ja energiakaitsema süsteemidele
1.Sissejuhatus ja uurimisalustus
1.1 Praegune päikeseenergia sektori seisund
Kuna üks kõige rikkalikumaid taastuvenergiaallikaid, on päikeseenergia arendamine ja kasutamine saanud keskseks globaalses energiakäändes. Viimastel aastatel, rahvusvaheliste poliitikate tõttu, on fotogaania (PV) tööstus kogenud eksploderivat kasvu. Statistika näitab, et Hiina PV tööstuses oli "12. neli-aastase plaani" perioodil hämmastav 168-kordne kasv. 2015. aasta lõpuks oli paigaldatud PV võimsus ületanud 40 000 MW, jäädes kolme aastat järjest maailma esikohale, jätkudes tulevikus ka edasise kasvu ootamisel.
1.2 Olemasolevad probleemid ja tehnilised väljakutsed
Hoolimata kiirest arengust, traditsioonilised PV energia varude säilitussüsteemid silmitses praktikas ikka veel paljude tehniliste püstiikidega:
- PV-massivaadi probleemid: Laadivoltage ja -voima nõuetekohaseks rahuldamiseks on tavaliselt ühendatud sarja- ja paralleelskeemides suur hulk individuaalseid PV-sele. See struktuur on osaliselt varjatuse tõttu tundlik "mittevastavuse" kaotuste ja soojuspunkti efektide eest, mis oluliselt vähendavad süsteemi elektritootmise efektiivsust ja ohutust.
- Energia varude akupakkide probleemid: Akupakid, samuti kasutades sarja- ja paralleelskeeme, on loomulikult tasakaalu probleemidega silmitsed. Akude mittevastavus halveneb skaala suurenemisega, mitte ainult suurendades süsteemi keerukust, vaid ka põhjustades kapatsiteedi heppenemise ja lühema elueaga, takistades laiaulatuslikku rakendamist.
- Olemasolevate tehnoloogiate puudujäägid: Kuigi mõned uurijad on esitanud passiivse tasakaalustamise haldamise meetodeid, need meetodid lihtsalt viivad tasakaalu probleemi ilma täielikult arvestamata mitme mooduli sarjaühenduse mõju allpool asuvatele tsirkuiteerile. Neil puudub ka teaduslik juhend valitud komponentide, nagu PV-sele, valikul.
II. Üldine süsteemi lahendus ja topoloogia
Selle lahenduse tuum on uue, moodulipõhise ja skaalauttava energiaüsteemi topoloogia ehitamine.
2.1 Hierarhilise süsteemi koosseis
Süsteem on hierarhiliselt ehitatud alusüksusest ülespoole kolme tasandit:
- Moodul (alusüksus):
- Koosseis: Üks PV-sell, üks varude akku (vaste voltage'ga ja kapatsiteediga), 4 võimu lüliti ja sõltumatu juhtimissüsteem.
- Funktsioon: Kui väikseim autonoomne üksus, juhtimissüsteem haldab 4 lülitit, lubades PV-selli ja akku sõltumatult ühendada ja lahutada, võimaldades paindlikku ülekäigu viie toimimisrežiimi vahel.
- Sarjastring:
- Koosseis: Vormitatakse ühendades mitu ülaltoodud moodulit sarjas.
- Funktsioon: Suurendab stringi kogu väljundvoltage't, vastavalt alloleva DC/DC boost-converteri sisendvoltage'i ulatusele.
- Süsteem:
- Koosseis: Vormitatakse ühendades mitu sarjastringi paralleelskeemis, koonduvad ühise DC-bussi kaudu DC/DC konverteri abil.
- Funktsioon: DC-buss võib otse DC-laadile või DC/AC inverteri kaudu AC-laadile elektri tarnida.
2.2 Põhiline eelis
See topoloogia, kaudu üksiku selli tasandil sõltumatut kontrolli, elimineerib füüsiliselt traditsiooniliste sarjastruktuuride endise varjunduse ja akude tasakaalu probleemide. Õigete komponentide valikuga, lubab see süsteem PV-seletele püsivalt maksimaalse energia punkti (MPP) lähedal töötada, seega vältides lisande MPPT tsirkuite ja keeruliste akude haldamise süsteemide (BMS) vajadust.
III. Hierarhilised jälgimisstrateegiad
See lahendus kasutab hierarhilist kontrollistrateegiat, et saavutada jälgimine lokaalist kogukondlikuni.
3.1 Mooduli tasandi jälgimisstrateegia (autonoomne kontroll)
Iga moodul sõltumatult vahetab järgmisi 5 toimimisrežiimi, põhinedes oma staatusel (PV väljundvoltage, aku voltage):
|
Toimimisrežiim |
Lüliti olek (S1/S2/S3/S4) |
Toiming kirjeldus |
Tavalised lülitus tingimused (nt 3.7V Li-ion) |
|
Režiim 1: Kooskõlastatud tarnimine |
SEES/SEES/SEES/VÄLJA |
Mõlemad, PV ja aku, tarnivad laadile. |
Normaalne U_BAT (3.0V~4.2V) JA piisav valgus U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
|
Režiim 2: Ainus PV tarnimine |
VÄLJA/SEES/SEES/VÄLJA |
Aku lahutatud, ainult PV tarnib. |
Normaalne U_BAT AGA keskmine valgus U_pv(oc) ≤ U_BAT + 0.2V |
|
Režiim 3: Ainus aku tarnimine |
SEES/VÄLJA/SEES/VÄLJA |
PV lahutatud, ainult aku tarnib. |
Normaalne U_BAT AGA puudub valgus/öösel. |
|
Režiim 4: Ootel/PV ei lae |
VÄLJA/VÄLJA/VÄLJA/SEES |
Mõlemad lahutatud, süsteem ümber kanne, PV ei lae. |
Aku täis (U_BAT ≥ 4.2V) JA sisendvoltage U_in < 16V |
|
Režiim 5: PV laeb |
SEES/SEES/VÄLJA/SEES |
Mõlemad lahutatud, PV laeb aku. |
Aku alavoltage (U_BAT < 3.0V) JA valgus saadaval U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
3.2 Stringi tasandi jälgimisstrateegia (voltage koordinatsioonikontroll)
Stringi tasandi jälgimine kasutab DC/DC konverteri sisendvoltage'i (U_in) võtmeparameetrina, stabiliseerides voltage ühendamise/katkestamise abil mooduleid.
- Kontrolli eesmärk: Tagada, et U_in jääks DC/DC tsirkuiti lubatud töötingimuste vahemikku (nt 12V ~ 22V).
- Threshold kontrollilogika (nt 24V süsteem):
- Madal voltage threshold (16V): Kui U_in < 16V, jälgimissüsteem automaatselt otsib stringist ootel olevaid, kuid normaalselt laetud akusid, käskides neid ühenduda, vältides DC/DC tsirkuiti madala sisendvoltage tõttu sulgemist.
- Kõrge voltage threshold (20V): Kui U_in > 20V, piiratakse uute moodulite ühendamist, et tagada, et U_in ei ületaks DC/DC maksimaalset sisendvoltage'd.
- Kaitse threshold (12V): Kui U_in < 12V, peetakse stringi tühi, sundlikult lahutatakse. Kõik moodulid lähevad ootel, kuni piisav arv akke taastab laadimise.
3.3 Süsteemi tasandi jälgimisstrateegia (globaalne kaitse)
Süsteemi tasandi jälgimine keskendub elektri tarnimise kvaliteedile, DC-bussi voltage (U_bus) võtmepunktina.
- Kontrollilogika: DC-bussi voltage jälgitakse reaalajas. Kui voltage langab kriitilise limiidi alla (nt 24V süsteemi 80%, st 22V), viitab see süsteemi kokkuhoiu puudulikkusele. Jälgimissüsteem käivitab globaalse sulgemiskäsku, kaitsta inverterit ja laadimise seadmeid, tagades AC-poolikku kvaliteedilt elektri.
IV. Oluliste komponentide valikumeetod
Et lahendada PV-sele ja varude akude vahelise vastavuse probleemi, pakub see lahendus valikumeetodi, mille eesmärk on maksimeerida päikeseenergia kasutamise efektiivsust.
- Põhiline idee: Selles süsteemis on PV-selli töövoltage piiratud aku voltage'ga, muutes nende voltage parameetrite vastavuse kriitiliseks.
- Valikumudel: PV-selli insenerimatematiilise mudeli (arvestades temperatuuri ja valguse intensiivsuse mõju) põhjal, tuletatakse süsteemi efektiivsus η funktsioonina aku voltage' U_BAT ja PV-selli maksimaalse energia punkti voltage' U_mp järgi.
- Järeldus: 3.7V varude akul, mille töövoltage on umbes 3.9V~4.0V, simulatsioonitulemuste kohaselt on süsteemi päikeseenergia kasutamise efektiivsus kõrgeim, kui PV-selli U_mp on umbes 4.25V. Seega, praktilises valikus peaks PV-selli U_mp olema kontrollitud 4.2V ~ 4.3V vahemikus.
V. Oodatavad tulemused
- Oluline efektiivsuse paranemine: Moodulipõhine sõltumatu toimimine täielikult elimineerib sarjastruktuuride endise "karbid-linna efekti" ja soojuspunkti probleemide, tagades iga ühiku efektiivse töö. Samal ajal, täpne voltage vastavus PV ja varude vahel võimaldab lähedast MPP jälgimist ilma lisatsirkuiteeta, oluliselt suurendades elektri tootmise efektiivsust.
- Pikendatud eluea ja usaldusväärsus: Moodulipõhine struktuur fundamentaalselt lahendab akude pakki mittevastavuse tõttu tekkinud tasakaalu probleemide, vältides ülepunnet ja ülepunnet, pikendades süsteemi koguelu. Hierarhilised jälgimisstrateegiad pakkuvad mitmekihlist kaitset lokaalist kogukondlikuni, oluliselt parandades süsteemi kindlust.
- Maksumuse optimeerimine ja mugav hooldus: See disain edukalt elimineerib komplekssete MPPT jälgijate ja akude haldamise süsteemide (BMS) vajaduse, vähendades hardveri kulusid. Selle "Lego-stiilne" arhitektuur muudab installeerimise, hoolduse ja laiendamise äärmiselt mugavaks. Ühe mooduli väljapade ei mõjuta üldist toimimist, vähendades koguelu kulusid.
