یک راه‌حل نظارت مدولار جدید برای سیستم‌های تولید انرژی فتوولتائیک و ذخیره‌سازی انرژی
۱. مقدمه و پسزمینه تحقیق
۱.۱ وضعیت فعلی صنعت خورشیدی
به عنوان یکی از غنی‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر، توسعه و استفاده از انرژی خورشیدی به مرکز انتقال جهانی انرژی تبدیل شده است. در سال‌های اخیر، با تحریک سیاست‌های جهانی، صنعت فتوولتائیک (PV) رشد نمایی تجربه کرده است. آمار نشان می‌دهد که صنعت PV چین طی دوره "دوازدهمین برنامه پنج‌ساله" افزایش ۱۶۸ برابری داشته است. تا پایان سال ۲۰۱۵، ظرفیت نصب شده PV بیش از ۴۰,۰۰۰ MW بود که برای سه سال متوالی در رتبه اول جهان قرار گرفته و رشد مداوم در آینده پیش‌بینی می‌شود.
۱.۲ مشکلات موجود و چالش‌های فنی
با وجود رشد سریع، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی PV سنتی هنوز در کاربردهای عملی با چندین گلوگاه فنی مواجه هستند:
- مشکلات آرایه PV: برای تأمین نیازهای ولتاژ و توان بار، معمولاً تعداد زیادی سلول‌های PV به صورت سری و موازی متصل می‌شوند. این ساختار به تظليل جزئی حساس است که منجر به "اتلاف عدم تطابق" و اثرات نقطه گرم می‌شود که به طور قابل توجهی کارایی تولید برق سیستم و ایمنی آن را کاهش می‌دهد.
- مشکلات باتری‌های ذخیره‌سازی: باتری‌ها نیز با استفاده از ساختار سری-موازی با مشکلات تعادل مواجه هستند. ناهماهنگی باتری‌ها با افزایش مقیاس، نه تنها پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد بلکه باعث کاهش ظرفیت و کوتاه شدن عمر مفید می‌شود که مانع کاربرد در مقیاس بزرگ می‌گردد.
- کمبودهای فناوری‌های موجود: اگرچه برخی محققان روش‌های مدیریت تعادل غیرفعال پیشنهاد کرده‌اند، این روش‌ها فقط مشکل تعادل را منتقل می‌کنند بدون اینکه تأثیر اتصال سری چند ماژولی بر مدارهای پایین‌دست را به طور کامل در نظر بگیرند. همچنین، این روش‌ها راهنمایی علمی برای انتخاب مؤلفه‌های کلیدی مانند سلول‌های PV ندارند.
II. راه‌حل کلی سیستم و توپولوژی
هسته این راه‌حل ساخت یک توپولوژی قدرتی جدید، مدولار و مقیاس‌پذیر است.
۲.۱ ترکیب سیستم سلسله‌مراتبی
سیستم از واحد پایه به بالا در سه سطح ساختار یافته است:
- ماژول (واحد پایه):
- ترکیب: یک سلول PV، یک باتری ذخیره‌ساز (با ولتاژ و ظرفیت متناسب)، ۴ کلید قدرت و یک کنترل‌کننده مستقل.
- کارکرد: به عنوان کوچک‌ترین واحد مستقل، کنترل‌کننده ۴ کلید را مدیریت می‌کند تا اتصال/قطع مستقل سلول PV و باتری را امکان‌پذیر کند و تغییر پذیری بین پنج حالت عملکردی ایجاد شود.
- رشته سری:
- ترکیب: با اتصال چند ماژول فوق به صورت سری تشکیل می‌شود.
- کارکرد: ولتاژ خروجی کل رشته را افزایش می‌دهد تا با محدوده ولتاژ ورودی تقویت‌کننده DC/DC پایین‌دست تطابق دهد.
- سیستم:
- ترکیب: با اتصال چند رشته سری به صورت موازی و همگرایی از طریق تقویت‌کننده DC/DC به یک اتوبوس DC مشترک تشکیل می‌شود.
- کارکرد: اتوبوس DC می‌تواند مستقیماً به بارهای DC تغذیه کند یا از طریق مبدل DC/AC به بارهای AC تغذیه کند.
۲.۲ مزایای اصلی
این توپولوژی با کنترل مستقل در سطح سلول‌های انفرادی، به طور بنیادی اثرات تظليل و مشکلات تعادل باتری‌های ساختار سری سنتی را در سطح فیزیکی حذف می‌کند. با انتخاب مؤلفه‌های مناسب، سیستم اجازه می‌دهد تا سلول‌های PV به طور مداوم نزدیک به نقطه توان بیشینه (MPP) عمل کنند، بنابراین نیاز به مدارهای MPP اضافی و سیستم‌های مدیریت باتری پیچیده (BMS) را حذف می‌کند.
III. استراتژی نظارت سلسله‌مراتبی
این راه‌حل از استراتژی کنترل سلسله‌مراتبی برای دستیابی به نظارت دقیق از سطح محلی تا سطح کلی استفاده می‌کند.
۳.۱ استراتژی نظارت در سطح ماژول (کنترل خودکار)
هر ماژول به طور خودکار بین ۵ حالت عملکردی زیر بر اساس وضعیت خود (ولتاژ خروجی PV، ولتاژ باتری) تغییر می‌کند:
|
حالت عملکردی |
وضعیت کلید (S1/S2/S3/S4) |
توضیح عملکردی |
شرایط تغییر معمولی (به عنوان مثال، برای لیتیوم-یون ۳.۷V) |
|
حالت ۱: تأمین مشترک |
ON/ON/ON/OFF |
هم PV و هم باتری بار را تأمین می‌کنند. |
U_BAT عادی (۳.۰V~۴.۲V) AND روشنایی کافی U_pv(oc) > U_BAT + ۰.۲V |
|
حالت ۲: تأمین تنها از PV |
OFF/ON/ON/OFF |
باتری قطع شده، تنها PV توان را تأمین می‌کند. |
U_BAT عادی BUT روشنایی متوسط U_pv(oc) ≤ U_BAT + ۰.۲V |
|
حالت ۳: تأمین تنها از باتری |
ON/OFF/ON/OFF |
PV قطع شده، تنها باتری توان را تأمین می‌کند. |
U_BAT عادی BUT بدون روشنایی/شب. |
|
حالت ۴: حالت آماده‌باش/PV بدون شارژ |
OFF/OFF/OFF/ON |
هر دو قطع شده، سیستم دور زده می‌شود، PV بدون شارژ. |
باتری پر (U_BAT ≥ ۴.۲V) AND ولتاژ ورودی U_in < ۱۶V |
|
حالت ۵: شارژ PV |
ON/ON/OFF/ON |
هر دو قطع شده، PV باتری را شارژ می‌کند. |
باتری با ولتاژ پایین (U_BAT < ۳.۰V) AND روشنایی موجود U_pv(oc) > U_BAT + ۰.۲V |
۳.۲ استراتژی نظارت در سطح رشته (کنترل هماهنگی ولتاژ)
نظارت در سطح رشته از ولتاژ ورودی تقویت‌کننده DC/DC (U_in) به عنوان پارامتر کلیدی استفاده می‌کند و با اتصال/قطع ماژول‌ها ولتاژ را ثابت می‌کند.
- هدف کنترل: اطمینان از حفظ U_in در محدوده عملکرد مجاز مدار DC/DC (به عنوان مثال، ۱۲V ~ ۲۲V).
- منطق کنترل آستانه (به عنوان مثال، برای سیستم ۲۴V):
- آستانه ولتاژ پایین (۱۶V): اگر U_in < ۱۶V، سیستم نظارت به طور خودکار به دنبال ماژول‌هایی در حالت آماده‌باش اما با شارژ باتری عادی می‌گردد و دستور اتصال آنها را صادر می‌کند تا از خاموش شدن تقویت‌کننده DC/DC به دلیل ولتاژ ورودی پایین جلوگیری شود.
- آستانه ولتاژ بالا (۲۰V): اگر U_in > ۲۰V، اتصال ماژول‌های جدید محدود می‌شود تا U_in از ولتاژ ورودی حداکثری تقویت‌کننده DC/DC فراتر نرود.
- آستانه حفاظت (۱۲V): اگر U_in < ۱۲V، رشته به عنوان خالی شناخته می‌شود و به طور اجباری قطع می‌شود. تمام ماژول‌ها به حالت آماده‌باش می‌روند تا تعداد کافی باتری‌ها شارژ کافی داشته باشند.
۳.۳ استراتژی نظارت در سطح سیستم (حفاظت کلی)
نظارت در سطح سیستم بر تضمین کیفیت تغذیه برق تمرکز دارد، با ولتاژ اتوبوس DC (U_bus) به عنوان نقطه کلیدی نظارت.
- منطق کنترل: ولتاژ اتوبوس DC به طور واقعی نظارت می‌شود. اگر ولتاژ زیر آستانه بحرانی (به عنوان مثال، ۸۰٪ از رتبه سیستم ۲۴V، یعنی ۲۲V) بیفتد، این نشان‌دهنده کمبود کلی انرژی سیستم است. سیستم نظارت دستور خاموشی کلی را اجرا می‌کند تا محافظت از مبدل و تجهیزات بار را تضمین کند و کیفیت برق سمت AC را حفظ کند.
IV. روش انتخاب مؤلفه‌های کلیدی
برای حل مشکل تطابق بین سلول‌های PV و باتری‌های ذخیره‌ساز، این راه‌حل یک روش انتخاب پیشنهاد می‌کند که هدف آن بیشینه کردن کارایی استفاده از انرژی خورشیدی است.
- ایده اصلی: در این سیستم، ولتاژ عملیاتی سلول PV توسط ولتاژ باتری محدود می‌شود، بنابراین تطابق پارامترهای ولتاژ آنها بسیار مهم است.
- مدل انتخاب: بر اساس یک مدل ریاضی مهندسی از سلول PV (با در نظر گرفتن تأثیرات دما و تابش)، کارایی سیستم η به عنوان یک تابع از ولتاژ باتری U_BAT و ولتاژ نقطه توان بیشینه سلول PV U_mp محاسبه می‌شود.
- نتیجه: برای باتری ذخیره‌ساز ۳.۷V با ولتاژ عملیاتی حدود ۳.۹V~۴.۰V، نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که کارایی استفاده از انرژی خورشیدی سیستم زمانی که U_mp سلول PV حدود ۴.۲۵V است بیشترین است. بنابراین، در انتخاب عملی، U_mp سلول PV باید در محدوده ۴.۲V ~ ۴.۳V کنترل شود.
V. نتایج مورد انتظار
- بهبود قابل توجه کارایی: عملکرد مستقل مدولار به طور کامل اثرات "لاک‌پشت‌سان" و مشکلات نقطه گرم ساختار سری را حذف می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که هر واحد به طور کارآمد عمل می‌کند. همزمان، تطابق دقیق ولتاژ بین PV و ذخیره‌ساز امکان تعقیب تقریبی نقطه توان بیشینه (MPPT) بدون مدارهای اضافی را فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی کارایی تولید برق را افزایش می‌دهد.
- افزایش عمر مفید و قابلیت اعتماد: ساختار مدولار به طور بنیادی چالش‌های تعادل ناشی از ناهماهنگی باتری‌ها را حل می‌کند و از شارژ و رها کردن بیش از حد جلوگیری می‌کند که عمر کلی سیستم را افزایش می‌دهد. استراتژی نظارت سلسله‌مراتبی محافظت‌های چند لایه‌ای از سطح محلی تا سطح کلی فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی استحکام سیستم را افزایش می‌دهد.
- بهینه‌سازی هزینه و تعمیر و نگهداری آسان: این طراحی به طور موفقیت‌آمیزی نیاز به مدارهای MPPT پیچیده و سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) را حذف می‌کند و هزینه‌های سخت‌افزاری را کاهش می‌دهد. ساختار "مانند لگو" آن نصب، تعمیر و گسترش را بسیار آسان می‌کند. خرابی یک ماژول تأثیری بر عملکرد کلی ندارد و هزینه کلی چرخه حیات را کاهش می‌دهد.
