Uusi modulaarinen valvontaratkaisu aurinko- ja akkuperäiseen sähköntuotantoon

1.Johdanto ja tutkimustusta​

​1.1 Aurinkoenergiateollisuuden nykytila​
Aurinkoenergia on yksi runsaimmista uusiutuvista energialähteistä, ja sen kehittäminen ja hyödyntäminen on tullut keskeiseksi globaalissa energiamuunnoksessa. Viime vuosina maailmanlaajuisilla poliittisilla toimilla on edistetty valokappaleen (PV) teollisuuden räjähtävää kasvua. Tilastot osoittavat, että Kiinan PV-teollisuus koki hämmästyttävän 168-kertaisen kasvun "12. viisivuotissuunnitelman" aikana. Vuoden 2015 loppuun mennessä asennettu PV-potentiaali ylitti 40 000 MW, jolloin Kiina oli maailman ensimmäinen kolme peräkkäistä vuotta, ja jatkuvaa kasvua odotetaan tulevaisuudessa.

​1.2 Olemassa olevat ongelmat ja tekniset haasteet​
Vaikka nopea kehitys onkin tapahtunut, perinteisillä PV-energiavarastojarjestelmillä on vielä monia teknisiä pullonkauloja käytännön sovelluksissa:

• ​PV-tahkon ongelmat:​​ Latausten jännite- ja tehovaatimusten täyttämiseksi yleensä yhdistetään suuri määrä yksittäisiä PV-soluja sarja- ja rinnakkaisyhdisteessä. Tämä rakenne on altis osittaiselle varjoituksesta, mikä johtaa "epäyhtenäisyyden" tappioihin ja kuumin pisteen vaikutuksiin, jotka merkittävästi vähentävät järjestelmän tehon tuotannontehokkuutta ja turvallisuutta.
• ​Energianvarastobatteripaketin ongelmat:​​ Batteriapaketit, jotka myös käyttävät sarja- ja rinnakkaisyhdisteitä, kohtaavat luonnostaan tasapainoongelmaa. Akkujen epäyhtenäisyys pahenee mittakaavan kanssa, mikä lisää järjestelmän monimutkaisuutta ja aiheuttaa kapasiteetin heikkenemisen sekä elinkaaren lyhentymisen, mikä hidastaa laajamittaista soveltamista.
• ​Nykyisten teknologioiden puutteet:​​ Vaikka jotkut tutkijat ovat ehdottaneet passiivisia tasapainotusmenetelmiä, nämä menetelmät siirtävät vain tasapainoongelman ilman, että ne ottavat huomioon koko modulin sarjayhdistämisen vaikutuksen jälkimmäisiin piireihin. Niissä myös puuttuu tieteellistä ohjausta avainkomponenttien, kuten PV-solujen, valintaan.

​II. Kokonaisratkaisu ja topologia​

Tämän ratkaisun ydin on rakentaa uusi, modulaarinen ja skaalautuva sähköjärjestelmän topologia.

​2.1 Hierarkkinen järjestelmäkoostumus​
Järjestelmä on hierarkkisesti rakennettu perusyksiköstä kolmeen tasoon:

1. ​Moduuli (perusyksikkö):​​
• ​Koostumus:​​ Yksi PV-solu, yksi varastobatteri (jolla on sopiva jännite ja kapasiteetti), 4 virtasuuntimet ja itsenäinen ohjain.
• ​Toiminto:​​ Pienimpänä itsenäisenä yksikkönä ohjain hallitsee 4 virtasuuntinta mahdollistaakseen PV-solun ja batterin riippumattoman yhdistämisen/poistamisen, mikä mahdollistaa joustavan siirtymisen viiden eri toimintatilan välillä.
2. ​Sarjasidonta:​​
• ​Koostumus:​​ Muodostetaan yhdistämällä useita yllä mainittuja moduleja sarjassa.
• ​Toiminto:​​ Lisää sidoksen kokonaistulovoltin jotta se vastaa jälkimmäisen DC/DC-boost-muunnin syöttöjänniterangetta.
3. ​Järjestelmä:​​
• ​Koostumus:​​ Muodostetaan yhdistämällä useita sarjasidoksia rinnakkaan, jotka sulautuvat yhteiseen DC-bussiin DC/DC-muunnin kautta.
• ​Toiminto:​​ DC-bussi voi suoraan tarjota sähköä DC-latauksille tai AC-latauksille DC/AC-inverterin kautta.

​2.2 Ytimen etumatkapisteet​
Tämä topologia poistaa perinteisten sarjarakenteiden ominaiset varjoitusvaikutukset ja akun tasapainoongelmat fyysisellä tasolla solupohjaisella itsenäisellä hallinnalla. Asianmukaisella komponenttivalinnalla järjestelmä mahdollistaa PV-solujen toiminnan lähellä niiden Maksimaalista Tehotilaa (MPP) jatkuvasti, mikä poistaa tarpeen lisä-MPPT-piireille ja monimutkaisille Akun Hallintajärjestelmille (BMS).

​III. Hierarkkinen valvontastrategia​

Tämä ratkaisu käyttää hierarkkista valvontastrategiaa saavuttaakseen tarkennetun valvonnan paikalliselta globaalille tasolle.

​3.1 Moduulin tason valvontastrategia (itsenäinen hallinta)​​
Jokainen moduuli itsenäisesti vaihtaa seuraavia 5 toimintatilaa omasta tilastaan (PV-tulovoltti, akun voltti):

​3.2 Sidoksen tason valvontastrategia (jännitekoordinointivalvonta)​​
Sidoksen tason valvonta käyttää DC/DC-muunnin syöttöjännitteeksi (U_in) keskeisenä parametrina, vakauttaen jännitettä yhdistämällä/kytkemällä moduleja.

• ​Valvontatavoite:​​ Varmistaa, että U_in pysyy DC/DC-piirin sallitulla toimintajänniterangella (esim. 12V ~ 22V).
• ​Kynnysarvotehtävä (esim. 24V-järjestelmässä):​​
• ​Alhainen jännitekynnys (16V):​​ Jos U_in < 16V, valvontajärjestelmä etsii automaattisesti sidoksissa olevia moduuleja, jotka ovat valmiustilassa mutta joilla on normaali akun lataus, ja käskystä ne yhdistää, estääkseen DC/DC:n sammutumisen alhaisen syöttöjännitteen vuoksi.
• ​Korkea jännitekynnys (20V):​​ Jos U_in > 20V, uusien moduulien yhdistäminen rajoitetaan varmistaakseen, että U_in ei ylitä DC/DC:n maksimisyöttöjännitettä.
• ​Suojakynnys (12V):​​ Jos U_in < 12V, sidoksia pidetään tyhjänä, pakotetaan kaikki moduulit valmiustilaan, kunnes riittävä määrä akkuja palauttaa latauksensa.

​3.3 Järjestelmän tason valvontastrategia (globaali suojaus)​​
Järjestelmän tason valvonta keskittyy sähkötarjonnan laadun varmistamiseen, jossa DC-bussijännite (U_bus) on keskeinen valvontapiste.

• ​Valvontalogiikka:​​ DC-bussijännite seurataan reaaliaikaisesti. Jos jännite laskee kriittisen kynnyksen alle (esim. 24V-järjestelmän 80 % arvo, eli 22V), se osoittaa, että järjestelmän kokonaisenergia on riittämätön. Valvontajärjestelmä suorittaa globaalin sammutuskäskyn suojellakseen inverteriä ja latauslaitteita, varmistaen AC-puolen sähkölaadun.

​IV. Avaintekijöiden valintamenetelmä​

PV-soluiden ja varastobatterien välisen yhteensopivuusongelman ratkaisemiseksi tämä ratkaisu ehdottaa valintamenetelmää, jonka tavoitteena on maksimoida aurinkoenergian käyttötehokkuus.

• ​Ydinidea:​​ Tässä järjestelmässä PV-solun toiminnanjännite on kiinnitetty akun jännitteeseen, mikä tekee niiden jänniteparametrien yhteensopivuudesta keskeisen.
• ​Valintamalli:​​ Perustuen insinöörimatememaattiseen malliin PV-solulle (otetaan huomioon lämpötilan ja säteilyn vaikutukset), järjestelmän tehokkuus η johdetaan funktiona akun jännitteestä U_BAT ja PV-solun maksimienergian jännitteestä U_mp.
• ​Lopputulos:​​ Simulaatiotulokset osoittavat, että 3.7V-varastobatterille, joka toimii noin 3.9V~4.0V jännitteellä, järjestelmän aurinkoenergian käyttötehokkuus on korkein, kun PV-solun U_mp on noin 4.25V. Siksi käytännössä valittaessa PV-solun U_mp tulisi olla noin 4.2V ~ 4.3V.

​V. Odotettavat tulokset​

1. ​Merkitsevä tehokkuuden parantaminen:​​ Modulaarinen itsenäinen toiminta poistaa täysin sarjakokoonpanon luontaiset "ketjun heikkoin lenkki" -ongelmat ja kuumin pisteen ongelmat, varmistamalla, että jokainen yksikkö toimii tehokkaasti. Samalla tarkka jänniteyhdistäminen PV:n ja varaston välillä mahdollistaa likimääräisen Maksimi Tehon Pisteen Seurannan (MPPT) ilman lisäpiirejä, mikä huomattavasti parantaa sähköntuotannon tehokkuutta.
2. ​Kesto-ajan ja luotettavuuden parantaminen:​​ Modulaarinen rakenne ratkaisee perusteellisesti akkupaketin epäyhtenäisyydestä johtuvat tasapainoongelmat, välttää liian suuren latauksen ja purkauksen, ja näin pidentää järjestelmän kokonaiskestoa. Hierarkkinen valvontastrategia tarjoaa monitasoista suojaa paikalliselta globaalille tasolle, mikä merkittävästi parantaa järjestelmän robustisuutta.
3. ​Kustannusten optimointi ja kätevä hoito:​​ Tämä suunnitelma onnistuu kumoamaan tarpeen monimutkaisiin MPPT-seurantapiireihin ja Akun Hallintajärjestelmiin (BMS), mikä vähentää laitteistokustannuksia. Sen "Lego-niminen" arkkitehtuuri tekee asennuksen, huollon ja laajentamisen erittäin helppokäyttöiseksi. Yhden moduulin epäonnistuminen ei vaikuta kokonaisen toiminnan, mikä vähentää kokonaiskustannuksia elinkaaren aikana.