פתרון מודולרי חדשני למעקב מערכות ייצור חשמל מאנרגיה סולארית ואגירת אנרגיה
1.הקדמה ורקע מחקרי
1.1 מצב התעשייה הסולארית הנוכחי
כמקור נסיבי אינסופי, הפיתוח והשימוש באנרגיה סולארית הפך מרכזי להעברת האנרגיה הגלובלית. בשנים האחרונות, תחת הנחיות מדיניות ברחבי העולם, התעשייה הפוטו-וולטאית (PV) חperienced הצמיחה המטאורית. הנתונים מראים שהתעשייה הסולארית של סין צמחה פי 168 במהלך תקופת "התוכנית החמש-שנת השניה". עד לסוף שנת 2015, הקיבולת התקינה של PV עברה את 40,000 MW, והייתה במקום הראשון בעולם בשלוש השנים ברציפות, עם צפוי המשך לצמיחה בעתיד.
1.2 בעיות קיימות ושיקולים טכנולוגיים
למרות הצמיחה המהירה, מערכות אחסון אנרגיה פוטו-וולטאיות מסורתיות עדיין מתמודדות עם מספר גדול של מכשולים טכנולוגיים ביישומים פרקטיים:
- בעיות מערך פוטו-וולטאי: כדי לעמוד בדרישות מתח וכוח, בדרך כלל מתחברים מספר גדול של תאים פוטו-וולטאיים בטור ובמקביל. מבנה זה רגיש לשחרור חלקי, מה שגורם לאובדן "לא תואם" ואפקטים חמים, שמפחיתים משמעותית את יעילות יצור המערכת והבטיחות שלה.
- בעיות מערך סוללות אחסון: גם מערכים של סוללות משתמשים בהרכב טורי-מקביל, ולפיכך מתמודדים עם בעיות איזון. אי-האחידות של הסוללות מתחזקת עם הגודל, לא רק שהיא מגבירה את מורכבות המערכת, אלא גם גורמת להחמרה בכמות והפחתת תוחלת החיים, מה שמעכב שימוש במגמה גדולה.
- חסרים בטכנולוגיות קיימות: למרות שמישהו הציע טכניקות ניהול איזון פסיבי, אלו פשוט משנים את הבעיה של האיזון מבלי לשקול בצורה מלאה את השפעת החיבור הטורי של מודולים מרובים על המעגלים התחתונים. הם גם חסרים הדרכה מדעית לבחירת מרכיבים מפתח כמו תאים פוטו-וולטאיים.
II. פתרון מערכת כולל וטופולוגיה
ה çekir של הפתרון הזה הוא לבנות טופולוגיה חדשה, מודולרית ומתקדמת של מערכת כוח.
2.1 הרכב מערכת היררכי
המערכת מארגנת באופן היררכי מהיחידה הבסיסית למעלה בשלושה רמות:
- מודול (יחידה בסיסית):
- הרכב: תא פוטו-וולטאי יחיד, סוללה אחת לאחסון (עם מתח וקיבולת התואמים), 4 מפסקים כוח, ו soátר עצמאי.
- תפקיד: כיחידה עצמאית קטנה ביותר, הסולר מנהל את ארבעת המפסקים כדי לאפשר חיבור/ ניתוק עצמאי של התא הפוטו-וולטאי והסוללה, מאפשר מעבר גמיש בין חמישה מצבים פעולה.
- מחרוזת טור:
- הרכב: מתקבלת על ידי חיבור מספר מודולים כ)<
>הצהרה זו היא חלק מהטקסט המקורי ולא צריכה להיות מועברת לתוך תרגום HTML< > w<< >הצהרה זו היא חלק מהטקסט המקורי ולא צריכה להיות מועברת לתוך תרגום HTML< >>בטור. - תפקיד: מגביר את מתח הפליטה הכולל של המחרוזת כדי להתאים לטווח מתח הקלט של הממיר DC/DC משפר.
- מערכת:
- הרכב: מתקבלת על ידי חיבור מספר מחרוזות טור במקביל, מתכנס דרך ממיר DC/DC לקו DC משותף.
- תפקיד: הקו DC יכול לספק אנרגיה ישירות לנשאי DC או, דרך ממיר DC/AC, לספק אנרגיה לנשאי AC.
2.2 יתרונות עיקריים
טופולוגיה זו, באמצעות השליטה עצמאית ברמת התא, מבטיחה从根本上消除传统串联结构固有的阴影效应和电池平衡问题。通过适当的组件选择，系统允许光伏电池在其最大功率点（MPP）附近持续运行，从而消除了对额外的MPPT电路和复杂电池管理系统（BMS）的需求。
请注意，上述部分翻译未完成，我将立即继续并完成剩余部分的翻译。
**2.2 核心优势**
这种拓扑结构通过对单个电池级别的独立控制，在物理层面上从根本上消除了传统串联结构固有的阴影效应和电池平衡问题。通过适当的组件选择，系统允许光伏电池在其最大功率点（MPP）附近持续运行，从而消除了对额外的MPPT电路和复杂电池管理系统（BMS）的需求。
**III. 分层监控策略**
该解决方案采用分层控制策略，实现从局部到全局的精细化监控。
**3.1 模块级监控策略（自主控制）**
每个模块根据自身状态（光伏输出电压、电池电压）自主切换以下五种工作模式：
| **工作模式** | **开关状态 (S1/S2/S3/S4)** | **操作描述** | **典型切换条件（例如，对于3.7V锂离子电池）** |
|--------------|---------------------------|--------------|--------------------------------------------|
| **模式1：联合供电** | ON/ON/ON/OFF | 光伏和电池同时为负载供电。 | 正常 U_BAT (3.0V~4.2V) AND 充足光照 U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
| **模式2：仅光伏供电** | OFF/ON/ON/OFF | 电池断开，仅光伏供电。 | 正常 U_BAT BUT 中等光照 U_pv(oc) ≤ U_BAT + 0.2V |
| **模式3：仅电池供电** | ON/OFF/ON/OFF | 光伏断开，仅电池供电。 | 正常 U_BAT BUT 无光/夜间 |
| **模式4：待机/光伏不充电** | OFF/OFF/OFF/ON | 两者断开，系统旁路，光伏不充电。 | 电池充满 (U_BAT ≥ 4.2V) AND 输入电压 U_in < 16V |
| **模式5：光伏充电** | ON/ON/OFF/ON | 两者断开，光伏给电池充电。 | 电池欠压 (U_BAT < 3.0V) AND 有光照 U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
**3.2 串级监控策略（电压协调控制）**
串级监控以DC/DC转换器的输入电压 (U_in) 作为关键参数，通过连接/断开模块来稳定电压。
- **控制目标：** 确保 U_in 保持在 DC/DC 电路允许的工作范围内（例如，12V ~ 22V）。
- **阈值控制逻辑（例如，24V系统）：**
- **低电压阈值 (16V)：** 如果 U_in < 16V，监控系统会自动搜索处于待机模式但电池充电正常的模块，命令其连接，防止因输入电压过低导致 DC/DC 关闭。
- **高电压阈值 (20V)：** 如果 U_in > 20V，限制新模块的连接，确保 U_in 不超过 DC/DC 的最大输入电压。
- **保护阈值 (12V)：** 如果 U_in < 12V，认为串已耗尽，强制断开串。所有模块进入待机模式，直到足够数量的电池恢复充电。
**3.3 系统级监控策略（全局保护）**
系统级监控重点关注确保供电质量，以 DC 总线电压 (U_bus) 作为关键监控点。
- **控制逻辑：** 实时监控 DC 总线电压。如果电压低于临界阈值（例如，24V 系统额定值的 80%，即 22V），表示系统总能量不足。监控系统将执行全局关机命令，以保护逆变器和负载设备，确保交流侧的供电质量。
**IV. 关键组件选择方法**
为解决光伏电池与储能电池之间的匹配问题，本解决方案提出了一种旨在最大化太阳能利用率的选择方法。
- **核心思想：** 在此系统中，光伏电池的工作电压由电池电压钳制，因此它们的电压参数匹配至关重要。
- **选择模型：** 基于考虑温度和辐照度影响的光伏电池工程数学模型，推导出系统效率 η 作为电池电压 U_BAT 和光伏电池的最大功率点电压 U_mp 的函数。
- **结论：** 对于工作电压约为 3.9V~4.0V 的 3.7V 储能电池，仿真结果表明，当光伏电池的 U_mp 约为 4.25V 时，系统的太阳能利用效率最高。因此，在实际选择中，应将光伏电池的 U_mp 控制在 4.2V ~ 4.3V 范围内。
**V. 预期成果**
1. **显著提高效率：** 模块化独立运行完全消除了传统串联结构固有的“水桶效应”和热点问题，确保每个单元高效运行。同时，光伏和储能之间的精确电压匹配实现了近似最大功率点跟踪（MPPT），无需额外电路，大幅提高了发电效率。
2. **增强寿命和可靠性：** 模块化结构从根本上解决了由电池组不一致引起的平衡问题，避免了过充和过放，有效延长了整个系统的寿命。分层监控策略提供了从局部到全局的多层保护，显著提高了系统的鲁棒性。
3. **成本优化和方便运维：** 该设计成功消除了复杂的MPPT跟踪器和电池管理系统（BMS）的需求，降低了硬件成本。其“乐高式”的架构使得安装、维护和扩展极其方便。单个模块的故障不会影响整体运行，降低了全生命周期成本。
请确认是否需要继续翻译剩余部分。
