Unha nova solución modular de monitorización para sistemas de xeración de enerxía fotovoltaica e almacenamento

1. Introdución e contexto de investigación​

​1.1 Estado actual da industria solar​
Como unha das fontes renovables máis abundantes, o desenvolvemento e a utilización da enerxía solar converteuse nun elemento central na transición energética global. Nos últimos anos, impulsada por políticas a nivel mundial, a industria fotovoltaica (PV) experimentou un crecemento explosivo. As estatísticas indican que a industria PV de China experimentou un aumento asombroso de 168 veces durante o período do "Décimo Segundo Plan Quinquenal". Ao final de 2015, a capacidade instalada de PV superou os 40.000 MW, ocupando o primeiro lugar a nivel mundial durante tres anos consecutivos, con un crecemento continuado previsto para o futuro.

​1.2 Problemas existentes e desafíos técnicos​
A pesar do rápido desenvolvemento, os sistemas de almacenamento de enerxía PV tradicionais aínda enfrentan numerosos cuellos de botella técnicos en aplicacións prácticas:

• ​Problemas do array PV:​​ Para cumprir coas necesidades de voltaxe e potencia da carga, xeralmente se conectan en serie e paralelo un gran número de células PV individuais. Esta estrutura é susceptible ao sombreo parcial, provocando perdas de "desacordo" e efectos de punto quente, que reducen significativamente a eficiencia e a seguridade da xeración de enerxía do sistema.
• ​Problemas do paquete de baterías de almacenamento:​​ Os paquetes de baterías, tamén usando configuracións en serie-paralelo, enfrentan inherentemente problemas de equilibrio. A inconsistencia das baterías agrávase con a escala, non só aumentando a complexidade do sistema, senón tamén causando a degradación da capacidade e a redución da vida útil, obstaculizando a aplicación a gran escala.
• ​Insuficiencias nas tecnoloxías existentes:​​ Aínda que algúns investigadores propuxeron técnicas de xestión de equilibrio pasivo, estes métodos simplemente desprazan o problema de equilibrio sen considerar completamente o impacto da conexión en serie de módulos múltiples nos circuitos downstream. Tamén carecen de orientación científica para a selección de compoñentes clave como as células PV.

​II. Solución de sistema global e topoloxía​

O núcleo desta solución é construír unha nova topoloxía de sistema de enerxía modular e escalable.

​2.1 Composición do sistema en niveis​
O sistema está estruturado en niveis desde a unidade básica ata tres niveis:

1. ​Módulo (unidade básica):​​
• ​Composición:​​ Unha célula PV individual, unha batería de almacenamento individual (con voltaxe e capacidade coincidentes), 4 interruptores de potencia e un controlador independente.
• ​Función:​​ Como a menor unidade autónoma, o controlador xestiona os 4 interruptores para permitir a conexión/desconexión independente da célula PV e a batería, permitindo a alternancia flexible entre cinco modos de funcionamento.
2. ​Cadea en serie:​​
• ​Composición:​​ Formada pola conexión en serie de varios dos módulos anteriores.
• ​Función:​​ Aumenta o voltaxe total de saída da cadea para coincidir co rango de voltaxe de entrada do conversor DC/DC boost downstream.
3. ​Sistema:​​
• ​Composición:​​ Formada pola conexión en paralelo de varias cadenas en serie, converxendo a través dun conversor DC/DC a un bus DC común.
• ​Función:​​ O bus DC pode suministrar directamente enerxía a cargas DC ou, a través dun inversor DC/AC, suministrar enerxía a cargas AC.

​2.2 Ventaxes principais​
Esta topoloxía, a través do control independente ao nivel de célula individual, elimina fundamentalmente os efectos de sombreo inerentes e os problemas de equilibrio de baterías das estructuras en serie tradicionais ao nivel físico. Con unha selección adecuada de compoñentes, o sistema permite que as células PV operen consistentemente preto do seu Punto de Potencia Máxima (MPP), eliminando así a necesidade de circuitos MPPT adicionais e sistemas de xestión de baterías (BMS) complexos.

​III. Estratexia de monitorización en niveis​

Esta solución adopta unha estratexia de control en niveis para lograr unha monitorización refinada desde o nivel local ao global.

​3.1 Estratexia de monitorización ao nivel de módulo (control autónomo)​​
Cada módulo alterna autonomamente entre os seguintes 5 modos de funcionamento baseándose no seu propio estado (voltaxe de saída PV, voltaxe da batería):

​3.2 Estratexia de monitorización ao nivel de cadea (control de voltaxe coordinado)​​
A monitorización ao nivel de cadea usa o voltaxe de entrada do conversor DC/DC (U_in) como parámetro clave, estabilizando o voltaxe conectando/desconectando módulos.

• ​Obxectivo de control:​​ Asegurar que U_in permanezca dentro do rango de operación permitido do circuito DC/DC (por exemplo, 12V ~ 22V).
• ​Lóxica de control de umbrais (por exemplo, para un sistema de 24V):​​
• ​Umbral de baixo voltaxe (16V):​​ Se U_in < 16V, o sistema de monitorización busca automaticamente módulos dentro da cadea que están en modo de espera pero con carga normal da batería, ordenándolles que se conecten, evitando que o DC/DC se apague debido a un voltaxe de entrada baixo.
• ​Umbral de alto voltaxe (20V):​​ Se U_in > 20V, restringese a conexión de novos módulos para asegurar que U_in non supere o voltaxe de entrada máximo do DC/DC.
• ​Umbral de protección (12V):​​ Se U_in < 12V, a cadea considerase agotada, forzando a súa desconexión. Todos os módulos entran en modo de espera até que un número suficiente de baterías recupere a carga.

​3.3 Estratexia de monitorización ao nivel de sistema (protección global)​​
A monitorización ao nivel de sistema centrase en asegurar a calidade do suministro de enerxía, co voltaxe do bus DC (U_bus) como punto clave de monitorización.

• ​Lóxica de control:​​ O voltaxe do bus DC monitorízase en tempo real. Se o voltaxe cae por debaixo dun umbral crítico (por exemplo, o 80% da clasificación do sistema de 24V, é dicir, 22V), indica que a enerxía total do sistema é insuficiente. O sistema de monitorización executará unha orde de apagado global para protexer o inversor e o equipo de carga, asegurando a calidade da enerxía no lado AC.

​IV. Método de selección de compoñentes clave​

Para abordar o problema de coincidencia entre as células PV e as baterías de almacenamento, esta solución propón un método de selección destinado a maximizar a eficiencia de utilización da enerxía solar.

• ​Idea central:​​ Neste sistema, o voltaxe de funcionamento da célula PV está limitado polo voltaxe da batería, facendo crítica a coincidencia dos seus parámetros de voltaxe.
• ​Modelo de selección:​​ Basándose nun modelo matemático de enxeñaría da célula PV (considerando os efectos da temperatura e a irradiación), derívase a eficiencia do sistema η como función do voltaxe da batería U_BAT e do voltaxe do punto de potencia máxima da célula PV U_mp.
• ​Conclusión:​​ Para unha batería de almacenamento de 3.7V con un voltaxe de funcionamento arredor de 3.9V~4.0V, os resultados da simulación indican que a eficiencia de utilización da enerxía solar do sistema é máxima cando o U_mp da célula PV está aproximadamente en 4.25V. Polo tanto, na selección práctica, o U_mp da célula PV debe controlarse dentro do rango de 4.2V ~ 4.3V.

​V. Resultados esperados​

1. ​Melora significativa da eficiencia:​​ A operación modular independente elimina completamente o efecto "bucket-brigade" e os problemas de punto quente das estructuras en serie, asegurando que cada unidade opere de forma eficiente. Ao mesmo tempo, a coincidencia precisa de voltaxes entre PV e almacenamento permite un seguimento aproximado do Punto de Potencia Máxima (MPPT) sen circuitos adicionais, mellorando enormemente a eficiencia de xeración de enerxía.
2. ​Aumento da duración e fiabilidade:​​ A estrutura modular resolve fundamentalmente os desafíos de equilibrio causados pola inconsistencia dos paquetes de baterías, evitando o sobrecargado e a descarga excesiva, extendendo efectivamente a vida útil do sistema en xeral. A estratexia de monitorización en niveis proporciona múltiples capas de protección desde o nivel local ao global, mellorando significativamente a robustez do sistema.
3. ​Optimización de custos e manutención conveniente:​​ Este deseño elimina con éxito a necesidade de rastreadores MPPT complexos e Sistemas de Xestión de Baterías (BMS), reducindo os custos de hardware. A súa arquitectura "Lego-like" fai que a instalación, a manutención e a expansión sexan extremadamente cómodas. A falla dun único módulo non afecta á operación global, reducindo o custo total do ciclo de vida.