Isang Bagong Modular na Solusyon sa Pagsusuri para sa mga Sistema ng Photovoltaic at Imprastraktura ng Paglalagak ng Enerhiya

1. Pagkakaroon at Background ng Pagsasaliksik​

​1.1 Kasalukuyang Kalagayan ng Industriya ng Solar​
Bilang isa sa pinakamaraming renewable energy sources, ang pag-unlad at paggamit ng solar energy ay naging sentral sa global na transition ng enerhiya. Sa mga nakaraang taon, dahil sa mga patakaran sa buong mundo, ang industriya ng photovoltaic (PV) ay kumalat nang mabilis. Ang mga estadistika ay nagpapahiwatig na ang industriya ng PV sa Tsina ay may 168-fold na pagtaas noong "Ika-12 na Limang Taong Plano" period. Noong dulo ng 2015, ang na-install na kapasidad ng PV ay lumampas sa 40,000 MW, na naka-rank bilang unang lugar sa buong mundo sa loob ng tatlong sunod-sunod na taon, at inaasahan ang patuloy na paglago sa hinaharap.

​1.2 Umiiral na mga Problema at Teknikal na Hamon​
Bagama't may mabilis na pag-unlad, ang mga tradisyonal na sistema ng imbakan ng enerhiya ng PV ay patuloy na kinakaharap ng maraming teknikal na botelya sa praktikal na aplikasyon:

• ​Mga Isyu sa PV Array:​​ Upang matugunan ang mga pangangailangan ng load voltage at power, karaniwang konektado sa serye at parallel ang malaking bilang ng individual na mga PV cells. Ang struktura na ito ay madaling maapektuhan ng partial shading, na nagdudulot ng "mismatch" losses at hot-spot effects, na nagsisimula ng masiglang pagbawas ng efisiensiya ng pag-generate ng enerhiya at seguridad ng sistema.
• ​Mga Isyu sa Battery Pack ng Imbakan ng Enerhiya:​​ Ang mga battery pack, na gumagamit din ng serye-parallel configuration, ay may inherent na mga isyu sa pagbabalance. Ang hindi pagkakapareho ng mga battery ay lumalala habang lumalaki ang scale, hindi lamang nagpapataas ng complexity ng sistema kundi nagdudulot rin ng pagkalason ng capacity at maikling lifespan, na nagiging hadlang sa large-scale application.
• ​Kakulangan ng Umiiral na Teknolohiya:​​ Bagama't may ilang mga mananaliksik na nagproporsyona ng mga pasibong equalization management techniques, ang mga paraan na ito ay simpleng naglilipat ng problema ng balancing nang hindi ito lubusang inaangkin ang impact ng multi-module series connection sa downstream circuits. Hindi rin sila nagbibigay ng siyentipikong gabay sa pagpili ng mga key components tulad ng mga PV cells.

​II. Kabuuang Sistema ng Solusyon at Topology​

Ang core ng solusyong ito ay ang pagtatayo ng bagong, modular, at scalable na topology ng sistema ng enerhiya.

​2.1 Hierarchical na Komposisyon ng Sistema​
Ang sistema ay estrukturado nang hierarchical mula sa basic unit pataas hanggang sa tatlong level:

1. ​Module (Basic Unit):​​
• ​Komposisyon:​​ Isa ring PV cell, isang storage battery (na may matched voltage at capacity), 4 power switches, at isang independent controller.
• ​Function:​​ Bilang ang pinakamaliit na autonomous unit, ang controller ay nagmamanage ng 4 switches upang makapag-enable ng independent na koneksyon/disconnection ng PV cell at battery, na nagbibigay ng flexible switching sa pagitan ng limang operating modes.
2. ​Series String:​​
• ​Komposisyon:​​ Binubuo ng pagkonekta ng ilang modules sa serye.
• ​Function:​​ Nagdudulot ng pagtaas ng total output voltage ng string upang tugunan ang input voltage range ng downstream DC/DC boost converter.
3. ​Sistema:​​
• ​Komposisyon:​​ Binubuo ng pagkonekta ng maraming series strings sa parallel, na konverging sa pamamagitan ng DC/DC converter sa common DC bus.
• ​Function:​​ Ang DC bus ay maaaring direktang magbigay ng enerhiya sa DC loads o, sa pamamagitan ng DC/AC inverter, magbigay ng enerhiya sa AC loads.

​2.2 Core Advantages​
Ang topology na ito, sa pamamagitan ng individual cell-level independent control, ay fundamental na nag-eeliminate ng inherent shading effects at battery balancing issues ng traditional series structures sa physical level. Sa tamang pagpili ng component, ang sistema ay nag-aallow sa mga PV cells na laging mag-operate malapit sa kanilang Maximum Power Point (MPP), kaya walang kinakailangang additional MPPT circuits at complex Battery Management Systems (BMS).

​III. Hierarchical Monitoring Strategy​

Ang solusyong ito ay gumagamit ng hierarchical control strategy upang makamit ang refined monitoring mula sa lokal hanggang sa global levels.

​3.1 Module-Level Monitoring Strategy (Autonomous Control)​​
Bawat module ay autonomously nag-switch sa pagitan ng sumusunod na 5 operating modes batay sa sarili nitong status (PV output voltage, battery voltage):

​3.2 String-Level Monitoring Strategy (Voltage Coordination Control)​​
String-level monitoring uses the DC/DC converter's input voltage (U_in) as the key parameter, stabilizing voltage by connecting/disconnecting modules.

• ​Control Objective:​​ Ensure U_in remains within the DC/DC circuit's allowable operating range (e.g., 12V ~ 22V).
• ​Threshold Control Logic (e.g., for 24V system):​​
• ​Low Voltage Threshold (16V):​​ If U_in < 16V, the monitoring system automatically searches for modules within the string that are in standby mode but have normal battery charge, commanding them to connect, preventing the DC/DC from shutting down due to low input voltage.
• ​High Voltage Threshold (20V):​​ If U_in > 20V, the connection of new modules is restricted to ensure U_in does not exceed the DC/DC's maximum input voltage.
• ​Protection Threshold (12V):​​ If U_in < 12V, the string is deemed depleted, forcibly disconnecting it. All modules enter standby mode until a sufficient number of batteries recover charge.

​3.3 System-Level Monitoring Strategy (Global Protection)​​
System-level monitoring focuses on ensuring power supply quality, with the DC bus voltage (U_bus) as the key monitoring point.

• ​Control Logic:​​ The DC bus voltage is monitored in real-time. If the voltage falls below a critical threshold (e.g., 80% of 24V system rating, i.e., 22V), it indicates insufficient total system energy. The monitoring system will execute a global shutdown command to protect the inverter and load equipment, ensuring AC-side power quality.

​IV. Paraan ng Paggamit ng Key Component​

Upang tugunan ang matching problem sa pagitan ng mga PV cells at storage batteries, ang solusyong ito ay nagpoproporsyona ng paraan ng pagpili na naghahanda sa maksimum na paggamit ng solar energy efficiency.

• ​Core Idea:​​ Sa sistema na ito, ang operating voltage ng PV cell ay clamped ng battery voltage, kaya ang matching ng kanilang mga voltage parameters ay kritikal.
• ​Selection Model:​​ Batay sa engineering mathematical model ng PV cell (considering temperature and irradiance effects), the system efficiency η is derived as a function of the battery voltage U_BAT and the PV cell's maximum power point voltage U_mp.
• ​Conclusion:​​ Para sa 3.7V storage battery na may operating voltage na around 3.9V~4.0V, ang simulation results ay nagpapahiwatig na ang pinakamataas na solar energy utilization efficiency ng sistema ay nangyayari kapag ang U_mp ng PV cell ay humigit-kumulang 4.25V. Kaya, sa praktikal na pagpili, ang U_mp ng PV cell ay dapat kontrolin sa rango ng 4.2V ~ 4.3V.

​V. Inaasahang Resulta​

1. ​Significant Efficiency Improvement:​​ Modular independent operation completely eliminates the inherent "bucket-brigade effect" and hot-spot issues of series structures, ensuring each unit operates efficiently. Simultaneously, precise voltage matching between PV and storage enables approximate Maximum Power Point Tracking (MPPT) without additional circuits, greatly enhancing power generation efficiency.
2. ​Enhanced Lifespan and Reliability:​​ The modular structure fundamentally resolves the balancing challenges caused by battery pack inconsistencies, avoiding overcharging and over-discharging, effectively extending the overall system lifespan. The hierarchical monitoring strategy provides multiple layers of protection from local to global levels, significantly improving system robustness.
3. ​Cost Optimization and Convenient O&M:​​ This design successfully eliminates the need for complex MPPT trackers and Battery Management Systems (BMS), reducing hardware costs. Its "Lego-like" architecture makes installation, maintenance, and expansion extremely convenient. Failure of a single module does not affect overall operation, reducing the total lifecycle cost.