एक नवीन मॉड्यूलर मॉनिटोरिंग समाधान फोटोवोल्टाइक और ऊर्जा संचयण विद्युत उत्पादन प्रणालियों के लिए
1. परिचय और शोध का पृष्ठभूमि
1.1 सौर उद्योग की वर्तमान स्थिति
सबसे अधिक उपलब्ध अक्षय ऊर्जा स्रोतों में से एक, सौर ऊर्जा के विकास और उपयोग को वैश्विक ऊर्जा परिवर्तन का केंद्र बना दिया गया है। हाल के वर्षों में, विश्वव्यापी नीतियों से प्रेरित, प्रकाश-विद्युत (PV) उद्योग ने विस्फोटक विकास देखा है। आंकड़े दिखाते हैं कि चीन के PV उद्योग ने "12वीं पांच वर्षीय योजना" कालावधि के दौरान 168 गुना वृद्धि की। 2015 के अंत तक, स्थापित PV क्षमता 40,000 MW से अधिक हो गई, जिसने लगातार तीन वर्षों तक विश्व में पहला स्थान हासिल किया, और भविष्य में निरंतर वृद्धि की अपेक्षा की जा रही है।
1.2 मौजूदा समस्याएं और तकनीकी चुनौतियां
तेजी से विकास के बावजूद, पारंपरिक PV ऊर्जा संचयण प्रणालियाँ व्यावहारिक अनुप्रयोगों में अनेक तकनीकी बाधाओं का सामना कर रही हैं:
- PV टाइल की समस्याएं: लोड वोल्टेज और शक्ति की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, आमतौर पर बड़ी संख्या में व्यक्तिगत PV सेलों को श्रृंखला और समानांतर में जोड़ा जाता है। यह संरचना आंशिक छाया से प्रभावित होती है, जिससे "मिसमैच" नुकसान और हॉट-स्पॉट प्रभाव होते हैं, जो प्रणाली की शक्ति उत्पादन दक्षता और सुरक्षा को बहुत कम कर देते हैं।
- ऊर्जा संचय बैटरी पैक की समस्याएं:मौजूदा तकनीकों की अपर्याप्तताएं: हालांकि कुछ शोधकर्ताओं ने संशोधित संतुलन प्रबंधन तकनीकों का प्रस्ताव रखा है, ये विधियां सिर्फ संतुलन समस्या को बदल देती हैं, बिना निम्नस्तरीय सर्किटों पर बहु-मॉड्यूल श्रृंखला कनेक्शन के प्रभाव को पूरी तरह से ध्यान में रखे। ये विधियां PV सेल जैसे महत्वपूर्ण घटकों के चयन के लिए वैज्ञानिक दिशा-निर्देशों की भी कमी रखती हैं।
II. समग्र प्रणाली समाधान और टोपोलॉजी
इस समाधान का कोर एक नया, मॉड्यूलर और स्केलेबल विद्युत प्रणाली टोपोलॉजी निर्मित करना है।
2.1 स्तरीय प्रणाली रचना
प्रणाली बुनियादी इकाई से ऊपर तीन स्तरों में संरचित है:
- मॉड्यूल (बुनियादी इकाई):
- रचना: एक व्यक्तिगत PV सेल, एक व्यक्तिगत संचय बैटरी (समान वोल्टेज और क्षमता), 4 विद्युत स्विच, और एक स्वतंत्र नियंत्रक।
- कार्य: सबसे छोटी स्वतंत्र इकाई के रूप में, नियंत्रक 4 स्विचों को प्रबंधित करता है ताकि PV सेल और बैटरी को स्वतंत्र रूप से जोड़ा या अलग किया जा सके, और पांच ऑपरेटिंग मोडों के बीच लचीला स्विचिंग किया जा सके।
- श्रृंखला स्ट्रिंग:
- रचना: कई ऊपरी मॉड्यूलों को श्रृंखला में जोड़कर बनाया जाता है।
- कार्य: स्ट्रिंग की कुल आउटपुट वोल्टेज को निम्नस्तरीय DC/DC बूस्ट कनवर्टर की इनपुट वोल्टेज सीमा से मेल खाने के लिए बढ़ाया जाता है।
- प्रणाली:
- रचना: कई श्रृंखला स्ट्रिंग को समानांतर में जोड़कर और एक DC/DC कनवर्टर के माध्यम से एक सामान्य DC बस पर एकत्रित किया जाता है।
- कार्य: DC बस सीधे DC लोडों को ऊर्जा प्रदान कर सकता है या एक DC/AC इनवर्टर के माध्यम से AC लोडों को ऊर्जा प्रदान कर सकता है।
2.2 मुख्य फायदे
यह टोपोलॉजी, व्यक्तिगत सेल-स्तर पर स्वतंत्र नियंत्रण के माध्यम से, भौतिक स्तर पर पारंपरिक श्रृंखला संरचनाओं के अंतर्निहित छाया प्रभाव और बैटरी संतुलन समस्याओं को मूल रूप से समाप्त करती है। उचित घटकों के चयन के साथ, प्रणाली नियमित रूप से PV सेलों को उनके अधिकतम शक्ति बिंदु (MPP) के निकट संचालित करने की अनुमति देती है, जिससे अतिरिक्त MPPT सर्किट और जटिल बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) की आवश्यकता नहीं होती।
III. स्तरीय निगरानी रणनीति
यह समाधान एक स्तरीय नियंत्रण रणनीति का उपयोग करता है ताकि स्थानीय से वैश्विक स्तर तक निर्मित निगरानी प्राप्त की जा सके।
3.1 मॉड्यूल-स्तर निगरानी रणनीति (स्वायत्त नियंत्रण)
प्रत्येक मॉड्यूल अपनी स्थिति (PV आउटपुट वोल्टेज, बैटरी वोल्टेज) के आधार पर निम्न 5 ऑपरेटिंग मोडों के बीच स्वतंत्र रूप से स्विच करता है:
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ऑपरेटिंग मोड |
स्विच स्थिति (S1/S2/S3/S4) |
कार्यात्मक विवरण |
आम स्विचिंग की स्थितियाँ (उदाहरण के लिए, 3.7V Li-ion के लिए) |
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मोड 1: संयुक्त आपूर्ति |
ON/ON/ON/OFF |
दोनों PV और बैटरी लोड को आपूर्ति करते हैं। |
सामान्य U_BAT (3.0V~4.2V) AND पर्याप्त प्रकाश U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
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मोड 2: केवल PV आपूर्ति |
OFF/ON/ON/OFF |
बैटरी अलग, केवल PV शक्ति प्रदान करता है। |
सामान्य U_BAT BUT मध्यम प्रकाश U_pv(oc) ≤ U_BAT + 0.2V |
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मोड 3: केवल बैटरी आपूर्ति |
ON/OFF/ON/OFF |
PV अलग, केवल बैटरी शक्ति प्रदान करता है। |
सामान्य U_BAT BUT कोई प्रकाश/रात्रि। |
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मोड 4: स्थिति/PV नहीं चार्जिंग |
OFF/OFF/OFF/ON |
दोनों अलग, प्रणाली बायपास, PV नहीं चार्जिंग। |
बैटरी पूरी (U_BAT ≥ 4.2V) AND इनपुट वोल्टेज U_in < 16V |
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मोड 5: PV चार्जिंग |
ON/ON/OFF/ON |
दोनों अलग, PV बैटरी को चार्ज करता है। |
बैटरी निम्न वोल्टेज (U_BAT < 3.0V) AND उपलब्ध प्रकाश U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
3.2 स्ट्रिंग-स्तर निगरानी रणनीति (वोल्टेज समन्वय नियंत्रण)
स्ट्रिंग-स्तर निगरानी DC/DC कनवर्टर की इनपुट वोल्टेज (U_in) को महत्वपूर्ण पैरामीटर के रूप में उपयोग करती है, मॉड्यूलों को जोड़ने या अलग करने द्वारा वोल्टेज को स्थिर रखती है।
- नियंत्रण लक्ष्य: सुनिश्चित करें कि U_in DC/DC सर्किट की अनुमत ऑपरेटिंग सीमा (उदाहरण के लिए, 12V ~ 22V) के भीतर रहता है।
- थ्रेशहोल्ड नियंत्रण लॉजिक (उदाहरण के लिए, 24V प्रणाली के लिए):
- निम्न वोल्टेज थ्रेशहोल्ड (16V): यदि U_in < 16V, तो निगरानी प्रणाली स्वचालित रूप से स्ट्रिंग में स्थित ऐसे मॉड्यूलों को खोजती है जो स्थिति में हों लेकिन सामान्य बैटरी चार्ज हो, उन्हें जोड़ने का आदेश देती है, ताकि DC/DC को कम इनपुट वोल्टेज के कारण बंद न हो।
- उच्च वोल्टेज थ्रेशहोल्ड (20V): यदि U_in > 20V, तो नए मॉड्यूलों को जोड़ने पर प्रतिबंध लगाया जाता है, ताकि U_in DC/DC की अधिकतम इनपुट वोल्टेज से ऊपर न जाए।
- सुरक्षा थ्रेशहोल्ड (12V): यदि U_in < 12V, तो स्ट्रिंग को खाली माना जाता है, इसे जबरदस्ती अलग किया जाता है। सभी मॉड्यूल स्थिति में प्रवेश करते हैं, जब तक पर्याप्त संख्या में बैटरी चार्ज नहीं हो जाती।
3.3 प्रणाली-स्तर निगरानी रणनीति (वैश्विक सुरक्षा)
प्रणाली-स्तर निगरानी विद्युत आपूर्ति की गुणवत्ता को सुनिश्चित करने पर केंद्रित है, जिसमें DC बस वोल्टेज (U_bus) महत्वपूर्ण निगरानी बिंदु है।
- नियंत्रण लॉजिक: DC बस वोल्टेज की वास्तविक समय में निगरानी की जाती है। यदि वोल्टेज एक महत्वपूर्ण थ्रेशहोल्ड (उदाहरण के लिए, 24V प्रणाली की रेटिंग का 80%, अर्थात 22V) से कम हो जाता है, तो यह संकेत देता है कि प्रणाली की कुल ऊर्जा अपर्याप्त है। निगरानी प्रणाली वैश्विक शटडाउन कमांड को निष्पादित करेगी, इनवर्टर और लोड उपकरणों की सुरक्षा करेगी, और AC-साइड ऊर्जा की गुणवत्ता को सुनिश्चित करेगी।
IV. महत्वपूर्ण घटक चयन विधि
PV सेलों और संचय बैटरी के बीच मेल खाने की समस्या को संबोधित करने के लिए, यह समाधान सौर ऊर्जा उपयोग की दक्षता को अधिकतम करने के लिए एक चयन विधि प्रस्तावित करता है।
- मुख्य विचार: इस प्रणाली में, PV सेल का संचालन वोल्टेज बैटरी वोल्टेज द्वारा नियंत्रित होता है, जिससे उनके वोल्टेज पैरामीटरों का मिलान महत्वपूर्ण हो जाता है।
- चयन मॉडल: PV सेल के इंजीनियरिंग गणितीय मॉडल (तापमान और प्रकाशन के प्रभावों को ध्यान में रखते हुए) के आधार पर, प्रणाली की दक्षता η को बैटरी वोल्टेज U_BAT और PV सेल के अधिकतम शक्ति बिंदु वोल्टेज U_mp के फंक्शन के रूप में निकाला जाता है।
- निष्कर्ष: 3.7V संचय बैटरी के लिए, जिसका संचालन वोल्टेज लगभग 3.9V~4.0V होता है, सिमुलेशन के परिणाम दिखाते हैं कि प्रणाली की सौर ऊर्जा उपयोग की दक्षता सबसे अधिक होती है जब PV सेल का U_mp लगभग 4.25V होता है। इसलिए, व्यावहारिक चयन में, PV सेल का U_mp 4.2V ~ 4.3V की सीमा में नियंत्रित किया जाना चाहिए।
V. अपेक्षित परिणाम
- सामान्य दक्षता में महत्वपूर्ण सुधार: मॉड्यूलर स्वतंत्र संचालन श्रृंखला संरचनाओं के अंतर्निहित "बकेट-ब्रिगेड प्रभाव" और हॉट-स्पॉट मुद्दों को पूरी तरह से समाप्त करता है, सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक इकाई दक्षता से संचालित होती है। एक साथ, PV और संचय के बीच वोल्टेज का निश्चित मिलान अतिरिक्त सर्किटों के बिना अनुमानित अधिकतम शक्ति बिंदु ट्रैकिंग (MPPT) को संभव बनाता है, जिससे शक्ति उत्पादन दक्षता में बहुत बड़ा सुधार होता है।
- लंबाई और विश्वसनीयता में सुधार: मॉड्यूलर संरचना बैटरी पैक असंगतियों के कारण उत्पन्न संतुलन समस्याओं को मूल रूप से समाप्त करती है, जो ओवरचार्जिंग और ओवरडिसचार्जिंग से बचाती है, प्रणाली की कुल लंबाई को प्रभावी रूप से बढ़ाती है। स्तरीय निगरानी रणनीति स्थानीय से वैश्विक स्तर तक बहुत स्तरों की सुरक्षा प्रदान करती है, जिससे प्रणाली की रॉबस्टनेस में बहुत बड़ा सुधार होता है।
- लागत अनुकूलन और सुविधाजनक O&M: यह डिजाइन जटिल MPPT ट्रैकर और बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) की आवश्यकता को सफलतापूर्वक समाप्त करता है, हार्डवेयर की लागत को कम करता है। इसकी "लेगो-जैसी" आर्किटेक्चर इंस्टॉलेशन, मेंटेनेंस और विस्तार को अत्यंत सुविधाजनक बनाता है। एक एकल मॉड्यूल की विफलता पूरी प्रणाली के संचालन को प्रभावित नहीं करती, जिससे कुल लाइफसाइकल लागत में कमी होती है।
