یک راه‌حل نظارت مدولار جدید برای سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک و ذخیره سازی انرژی
۱. مقدمه و پیشینه تحقیق
۱.۱ وضعیت فعلی صنعت خورشیدی
به عنوان یکی از غنی‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر، توسعه و استفاده از انرژی خورشیدی به مرکز تغییر جهانی انرژی تبدیل شده است. در سال‌های اخیر، با توجه به سیاست‌های جهانی، صنعت فتوولتائیک (PV) رشد نمایی داشته 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 بوده و برای سه سال متوالی در رتبه اول جهان قرار گرفته است و رشد مداوم در آینده پیش‌بینی می‌شود.
۱.۲ مشکلات موجود و چالش‌های فنی
با وجود توسعه سریع، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی PV سنتی هنوز در کاربردهای عملی با چالش‌های فنی متعدد مواجه هستند:
- مشکلات آرایه PV: برای تأمین نیازهای ولتاژ و توان بار، معمولاً تعداد زیادی سلول‌های PV به صورت سری و موازی به هم متصل می‌شوند. این ساختار به سایه‌روشنی جزئی حساس است که منجر به "تعدیل ناهماهنگ" و اثرات نقطه گرم می‌شود که به طور قابل توجهی کارایی تولید انرژی و ایمنی سیستم را کاهش می‌دهد.
- مشکلات بسته باتری ذخیره‌سازی: باتری‌ها نیز با استفاده از ساختار سری-موازی به مشکلات تعدیل مواجه هستند. عدم یکنواختی باتری‌ها با افزایش مقیاس، نه تنها پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد بلکه منجر به کاهش ظرفیت و عمر کوتاه‌تر می‌شود که مانع کاربرد در مقیاس بزرگ می‌گردد.
- نقایص فناوری‌های موجود: اگرچه برخی از پژوهشگران روش‌های مدیریت تعدیل غیرفعال پیشنهاد کرده‌اند، این روش‌ها فقط مشکل تعدیل را منتقل می‌کنند و تأثیر اتصال سری چند ماژولی بر مدارهای پایین‌دست را در نظر نمی‌گیرند. همچنین این روش‌ها هدایت علمی برای انتخاب مؤلفه‌های کلیدی مانند سلول‌های PV را ندارند.
II. راه‌حل کلی سیستم و توپولوژی
هسته این راه‌حل ساخت یک توپولوژی نوآورانه، ماژولی و قابل مقیاس برای سیستم توان است.
۲.۱ ترکیب سیستم سلسله‌مراتبی
سیستم از واحد پایه به سمت بالا به سه سطح سلسله‌مراتبی تقسیم می‌شود:
- ماژول (واحد پایه):
- ترکیب: یک سلول PV، یک باتری ذخیره‌سازی (با ولتاژ و ظرفیت متناسب)، ۴ کلید توان و یک کنترل‌کننده مستقل.
- کارکرد: به عنوان کوچک‌ترین واحد خودگردان، کنترل‌کننده ۴ کلید را مدیریت می‌کند تا اتصال و جدا شدن مستقل سلول PV و باتری را ممکن سازد و امکان تغییر بین پنج حالت عملیاتی را فراهم می‌کند.
- رشته سری:
- ترکیب: با اتصال چندین ماژول فوق به صورت سری تشکیل می‌شود.
- کارکرد: ولتاژ خروجی کل رشته را افزایش می‌دهد تا با محدوده ولتاژ ورودی تقویت‌کننده DC/DC مطابقت داشته باشد.
- سیستم:
- ترکیب: با اتصال چندین رشته سری به صورت موازی و تلاقی 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 تبدیل‌کننده DC/AC به بارهای AC تغذیه کند.
۲.۲ مزایای اصلی
این توپولوژی از طریق کنترل مستقل سطح سلولی، اثرات سایه‌روشنی و مشکلات تعدیل باتری ساختارهای سری سنتی را از لحاظ فیزیکی به طور بنیادی حذف می‌کند. با انتخاب مؤلفه‌های مناسب، سیستم اجازه می‌دهد تا سلول‌های PV به طور مداوم در نزدیکی نقطه توان ماکزیمم (MPP) عمل کنند و در نتیجه نیاز به مدارهای MPPT 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 سطح ماژول (کنترل خودگردان)
هر ماژول بر اساس وضعیت خود (ولتاژ خروجی PV، ولتاژ باتری) بین ۵ حالت عملیاتی زیر به طور خودگردان تغییر می‌کند:
|
حالت عملیاتی |
وضعیت کلید (S1/S2/S3/S4) |
توضیح عملیاتی |
شرایط تغییر معمول (مانند برای Li-ion ۳.۷V) |
|
حالت ۱: تأمین مشترک |
ON/ON/ON/OFF |
هر دو PV و باتری بار را تأمین می‌کنند. |
U_BAT عادی (۳.۰V~۴.۲V) و نور کافی U_pv(oc) > U_BAT + ۰.۲V |
|
حالت ۲: تأمین تنها با PV |
OFF/ON/ON/OFF |
باتری قطع شده، تنها PV توان را تأمین می‌کند. |
U_BAT عادی اما نور متوسط U_pv(oc) ≤ U_BAT + ۰.۲V |
|
حالت ۳: تأمین تنها با باتری |
ON/OFF/ON/OFF |
PV قطع شده، تنها باتری توان را تأمین می‌کند. |
U_BAT عادی اما بدون نور/شب. |
|
حالت ۴: حالت انتظار/PV نمی‌بارد |
OFF/OFF/OFF/ON |
هر دو قطع شده، سیستم دور زده می‌شود، PV نمی‌بارد. |
باتری پر (U_BAT ≥ ۴.۲V) و 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) و نور موجود U_pv(oc) > U_BAT + ۰.۲V |
۳.۲ استراتژی نظارت سطح رشته (کنترل هماهنگی ولتاژ)
نظارت سطح رشته از ولتاژ ورودی تقویت‌کننده DC/DC (U_in) به عنوان پارامتر کلیدی استفاده می‌کند و با اتصال و جدا کردن ماژول‌ها ولتاژ را ثابت می‌کند.
- هدف کنترل: اطمینان از اینکه U_in در محدوده عملیاتی مدار DC/DC (مانند ۱۲V ~ ۲۲V) باقی بماند.
- منطق کنترل آستانه (مانند برای سیستم ۲۴V):
- آستانه ولتاژ پایین (۱۶V): اگر U_in < ۱۶V، سیستم نظارت به طور خودکار به دنبال ماژول‌هایی در حالت انتظار اما با باتری شارژ شده معمولی می‌گردد و دستور اتصال آن‌ها را می‌دهد تا از خاموش شدن DC/DC به دلیل ولتاژ ورودی پایین جلوگیری شود.
- آستانه ولتاژ بالا (۲۰V): اگر U_in > ۲۰V، اتصال ماژول‌های جدید محدود می‌شود تا اطمینان حاصل شود که U_in از ولتاژ ورودی ماکزیمم DC/DC فراتر نرود.
- آستانه حفاظت (۱۲V): اگر U_in < ۱۲V، رشته به عنوان خالی در نظر گرفته می‌شود و به طور اجباری قطع می‌شود. تمام ماژول‌ها به حالت انتظار می‌روند تا تعداد کافی از باتری‌ها شارژ شوند.
۳.۳ استراتژی نظارت سطح سیستم (حفاظت کلی)
نظارت سطح سیستم روی تضمین کیفیت تغذیه تمرکز دارد و ولتاژ اتوبوس DC (U_bus) به عنوان نقطه کلیدی نظارت در نظر گرفته می‌شود.
- منطق کنترل: ولتاژ اتوبوس DC به طور واقعی نظارت می‌شود. اگر ولتاژ زیر آستانه بحرانی (مانند ۸۰٪ از ولتاژ اسمی سیستم ۲۴V یعنی ۲۲V) بیفتد، نشان‌دهنده کمبود کلی انرژی سیستم است. سیستم نظارت دستور خاموشی کلی را اجرا می‌کند تا محافظت از تبدیل‌کننده و تجهیزات بار را تضمین کند و کیفیت تغذیه سمت AC را حفظ کند.
IV. روش انتخاب مؤلفه‌های کلیدی
برای حل مشکل مطابقت بین سلول‌های PV و باتری‌های ذخیره‌سازی، این راه‌حل یک روش انتخاب پیشنهاد می‌کند که هدف آن به حداکثر رساندن کارایی استفاده از انرژی خورشیدی است.
- ایده اصلی: در این سیستم، ولتاژ عملیاتی سلول PV توسط ولتاژ باتری محدود می‌شود که مطابقت پارامترهای ولتاژی آن‌ها بسیار مهم است.
- مدل انتخاب: بر اساس یک مدل ریاضی مهندسی سلول PV (با در نظر گرفتن تأثیرات دما و تابش)، کارایی سیستم η به عنوان تابعی از ولتاژ باتری U_BAT و ولتاژ نقطه توان ماکزیمم سلول PV U_mp محاسبه می‌شود.
- نتیجه: برای باتری ذخیره‌سازی ۳.۷V با ولتاژ عملیاتی حدود ۳.۹V~۴.۰V، نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که کارایی استفاده از انرژی خورشیدی سیستم در حالتی که U_mp سلول PV حدود ۴.۲۵V باشد، بالاترین مقدار را دارد. 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 ماژولی به طور کامل اثرات "bucket-brigade" و مشکلات نقطه گرم ساختارهای سری را حذف می‌کند و اطمینان حاصل می‌شود که هر واحد به طور کارآمد عمل می‌کند. همزمان، مطابقت دقیق ولتاژ بین PV و ذخیره‌سازی امکان تعقیب تقریبی نقطه توان ماکزیمم (MPPT) را بدون نیاز به مدارهای اضافی فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی کارایی تولید توان را افزایش می‌دهد.
- افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان: ساختار ماژولی به طور بنیادی چالش‌های تعدیل ناشی از عدم یکنواختی باتری‌ها را حل می‌کند و از شارژ و رها کردن بیش از حد جلوگیری می‌کند و به طور موثر طول عمر کلی سیستم را افزایش می‌دهد. استراتژی نظارت سلسله‌مراتبی از سطح محلی تا سطح کلی لایه‌های متعددی از حفاظت را فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد.
- بهینه‌سازی هزینه و راحتی نگهداری و عملیات (O&M): این طراحی با موفقیت نیاز به مدارهای MPPT پیچیده و سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) را حذف می‌کند و هزینه‌های سخت‌افزاری را کاهش می‌دهد. ساختار "Lego-like" آن نصب، نگهداری و گسترش را بسیار راحت می‌کند. خرابی یک ماژول تأثیری بر عملکرد کلی ندارد و هزینه کلی چرخه حیات را کاهش می‌دهد.
