Novelna modularna rješenja za nadzor fotovoltačnih i sustava za pohranu energije

1. Uvod i istraživački okvir

1.1 Trenutno stanje solarnog sektora
Kao jedan od najobilnijih obnovljivih izvora energije, razvoj i iskorištavanje sunčeve energije postalo je ključno za globalni prelazak na novu energetsku platformu. U posljednjih nekoliko godina, potaknuti politikama diljem svijeta, fotovoltaička (PV) industrija doživjela je eksplozivni rast. Statistike pokazuju da je kineska PV industrija tijekom razdoblja "12. petogodišnjeg plana" doživjela zapanjujuće 168-puta veći porast. Do kraja 2015. godine, instalirana PV snaga premašila je 40 000 MW, te je zauzimala prvo mjesto u svijetu tri uzastopne godine, s očekivanim nastavkom rasta u budućnosti.

1.2 Postojeći problemi i tehnički izazovi
Unatoč brzom razvoju, tradicionalni sustavi za pohranu PV energije još uvijek suočavaju brojne tehničke prepreke u praktičnoj primjeni:

• Problemi sa sklopovima fotovoltaičnih panela: Da bi se zadovoljili zahtjevi za naponom i snage opterećenja, tipično se veliki broj pojedinačnih PV celija povezuje serijalno i paralelno. Ova struktura je osjetljiva na djelomičnu senku, što dovodi do "nedosljednosti" gubitaka i točkovitih efekata, što značajno smanjuje učinkovitost proizvodnje energije i sigurnost sustava.
• Problemi sa akumulatornim paketima: Akumulatori, također koriste serijalno-paralelnu konfiguraciju, sukladno tome suočeni s problemima balansiranja. Nedsoljednost baterija pogoršava se s povećanjem ljudskog faktora, što ne samo povećava složenost sustava, već uzrokuje degradaciju kapaciteta i skraćivanje vijeka trajanja, sprečavajući masovnu primjenu.
• Nedostaci postojećih tehnologija: Iako su neki istraživači predložili metode pasivnog upravljanja ravnotežom, ove metode samo premještaju problem balansiranja bez potpunog promišljanja utjecaja više-modulne serijalne povezanosti na donji krugove. Također nedostaju znanstveni smjernici za odabir ključnih komponenti poput PV celija.

II. Opće rješenje sustava i topologija

Srž ovog rješenja je stvaranje nove, modularne i skalabilne topologije električnog sustava.

2.1 Hierarhijski sastav sustava
Sustav je strukturiran hierarhijski od osnovne jedinice prema gore u tri razina:

1. Modul (osnovna jedinica):
• Sastav: Jedna PV cela, jedan akumulator (s podudaranjem napona i kapaciteta), 4 prekidnika snage i neovisni kontroler.
• Funkcija: Kao najmanja autonomna jedinica, kontroler upravlja četiri prekidnika omogućujući neovisno povezivanje/odspajanje PV celije i akumulatora, omogućujući fleksibilno prebacivanje između pet operativnih modova.
2. Serijski lanac:
• Sastav: Formiran povezivanjem nekoliko od navedenih modula u serijskoj vezi.
• Funkcija: Povećava ukupni izlazni napon lanca kako bi se podudario s dopuštenim opsegom unaprijednog napona DC/DC pretvarača.
3. Sustav:
• Sastav: Formiran povezivanjem nekoliko serijskih lanaca paralelno, konvergirajući kroz DC/DC pretvarač na zajednički DC bus.
• Funkcija: DC bus može direktno snabdijevati DC opterećenja ili, putem DC/AC invertera, snabdijevati AC opterećenja.

2.2 Ključne prednosti
Ova topologija, kroz neovisno upravljanje na razini pojedinačnih celija, temeljito eliminira inherentne probleme sjenčenja i balansiranja baterija tradicionalnih serijalnih struktura na fizičkoj razini. S odgovarajućim odabirom komponenti, sustav omogućuje PV celijama da konstantno rade blizu svoje maksimalne točke snage (MPP), time eliminirajući potrebu za dodatnim MPPT krugovima i složenim sustavima upravljanja baterijama (BMS).

III. Hierarhijska strategija nadzora

Ovo rješenje usvaja hierarhijsku strategiju upravljanja kako bi se ostvario sofisticirani nadzor od lokalne do globalne razine.

3.1 Strategija nadzora na razini modula (autonomno upravljanje)
Svaki modul autonomno prebacuje između sljedećih 5 operativnih moda temeljenih na vlastitom stanju (izlazni napon PV-a, napon baterije):

3.2 Strategija nadzora na razini lanca (koordinacija napona)
Nadzor na razini lanca koristi ulazni napon DC/DC pretvarača (U_in) kao ključni parametar, stabilizirajući napon povezivanjem/odspajanjem modula.

• Cilj upravljanja: Osigurati da U_in ostane unutar dopuštenog opsega rada DC/DC kruga (npr. 12V ~ 22V).
• Logika upravljanja granicama (npr. za 24V sustav):
• Donja granica napona (16V): Ako je U_in < 16V, sustav nadzora automatski pretražuje module u lancu koji su u stanju pripravnosti ali imaju normalno punjenje baterije, naredbe ih povezati, spriječiti gašenje DC/DC zbog niskog ulaznog napona.
• Gornja granica napona (20V): Ako je U_in > 20V, ograničavaju se povezivanja novih modula kako bi se osiguralo da U_in ne premaši maksimalni ulazni napon DC/DC-a.
• Granica zaštite (12V): Ako je U_in < 12V, lanac se smatra iscrpljenim, prisilno se odspaja. Svi moduli ulaze u stanje pripravnosti dok se ne oporavi dovoljan broj baterija.

3.3 Strategija nadzora na razini sustava (globalna zaštita)
Nadzor na razini sustava fokusira se na osiguranje kvalitete snabdijevanja strujom, s napajanjem DC bus-a (U_bus) kao ključnom točkom nadzora.

• Logika upravljanja: Napajanje DC bus-a nadgleda se u stvarnom vremenu. Ako napon padne ispod kritične granice (npr. 80% od nominalnog naponskog razine 24V sustava, tj. 22V), to upućuje na nedostatak ukupne energije sustava. Sustav nadzora izvršit će naredbu globalnog isključivanja kako bi zaštitio inverter i opremu za opterećenje, osiguravajući kvalitetu snabdijevanja strujom na AC strani.

IV. Metoda odabira ključnih komponenti

Za rješavanje problema podudaranja između PV celija i baterija, ovo rješenje predlaže metodu odabira koja ima za cilj maksimizirati učinkovitost iskorištavanja sunčeve energije.

• Osnovna ideja: U ovom sustavu, radni napon PV celije ograničen je napajanjem baterije, čime postaje ključno podudaranje njihovih naponskih parametara.
• Model odabira: Na temelju inženjerskog matematičkog modela PV celije (uzimajući u obzir utjecaj temperature i osvetljenja), učinkovitost sustava η derivirana je kao funkcija napona baterije U_BAT i maksimalne točke snage PV celije U_mp.
• Zaključak: Za 3.7V bateriju s radnim naponom oko 3.9V~4.0V, simulacije pokazuju da je učinkovitost iskorištavanja sunčeve energije najveća kada je U_mp PV celije otprilike 4.25V. Stoga, u praktičnom odabiru, U_mp PV celije treba kontrolirati unutar raspona od 4.2V ~ 4.3V.

V. Očekivani rezultati

1. Značajan poboljšani učinkovitost: Modularni neovisni rad potpuno eliminira inhereentni "efekt ladne točke" i točkovite probleme serijalnih struktura, osiguravajući da svaka jedinica radi učinkovito. Istodobno, precizno podudaranje napona između PV i pohrane omogućuje aproksimativno praćenje maksimalne točke snage (MPPT) bez dodatnih krugova, značajno povećavajući učinkovitost proizvodnje energije.
2. Povećana dugotrajnost i pouzdanost: Modularna struktura temeljito rješava probleme balansiranja uzrokovane nedsoljednošću paketa baterija, izbjegavajući preopterećenje i preispotpunjenje, efektivno produžujući ukupnu dugotrajnost sustava. Hierarhijska strategija nadzora pruža višestruku zaštitu od lokalne do globalne razine, značajno poboljšavajući robustnost sustava.
3. Optimizacija troškova i udobno održavanje: Ovaj dizajn uspješno eliminira potrebu za složenim MPPT pratiteljima i sustavima upravljanja baterijama (BMS), smanjujući troškove hardvera. Njegova "Lego-like" arhitektura čini instalaciju, održavanje i proširenje izuzetno jednostavnim. Neuspjeh jednog modula ne utječe na ukupni rad, smanjujući ukupne troškove ciklusa života.