Egy új moduláris monitorozási megoldás fotovoltaikus és energiatároló termelőrendszerekhez

1. Bevezetés és kutatási háttér​

​1.1 A napelektromos ipar jelenlegi állapota​
A napenergia, mint az egyik leggazdagabb megújuló energiaforrás, a globális energiatranszformáció központi elemevé vált. Az elmúlt években a világ szerte alkalmazott politikák hatására a fotovoltaikus (PV) ipar exponenciálisan növekedett. A statisztikák szerint Kína PV ipara a "12. ötévterv" időszak alatt 168-szeres növekedést mutatott. 2015 végére a telepített PV-képesség meghaladta a 40 000 MW-ot, és három évig folyamatosan globálisan is első helyen állt, ahol további növekedést várható.

​1.2 Létező problémák és technikai kihívások​
Még a gyors fejlődés ellenére a hagyományos PV energia tároló rendszerek gyakorlati alkalmazása során még mindig számos technikai akadályba ütközik:

• ​PV tömbök problémái:​​ A terhelési feszültség és teljesítmény igényeinek kielégítése érdekében általában nagyszámú egyedi PV cellát kötünk sorba és párhuzamosan. Ez a struktúra részleges árnyékolódásnak van kitett, ami "nemegyezés" veszteségeket és forró pont effektust okoz, ami jelentősen csökkenti a rendszer generálási hatékonyságát és biztonságát.
• ​Akkumulátor tömbök problémái:​​ Az akkumulátor tömbök, amelyek is sorba és párhuzamosan vannak kötve, természetesen egyensúlyi problémákkal küzdenek. Az akkumulátorok nemegyformasága a méret növelésével romlik, ami nemcsak a rendszer bonyolultságát növeli, de kapacitás-csökkenést és rövid élettartamot is okoz, ami gátolja a nagy léptékű alkalmazást.
• ​Létező technológiák hiányosságai:​​ Bár néhány kutató paszív egyensúlyi kezelési technikákat javasolt, ezek a módszerek csak eltolják az egyensúlyi problémát, anélkül, hogy teljes mértékben figyelembe vennék a több modul soros csatlakoztatásának hatását a lefelé vezető áramkörökön. Ezeknek a módszereknek hiányzik a kulcsfontosságú komponensek, például a PV cellák kiválasztásához szükséges tudományos iránymutatásuk.

​II. Teljes rendszermegoldás és topológia​

Ez a megoldás új, moduláris, skálázható erőművek topológiájának felépítését tartalmazza.

​2.1 Hierarchikus rendszeralkotás​
A rendszer hierarchikusan épül fel alapvető egységekből három szintre:

1. ​Modul (alapegység):​​
• ​Összetétel:​​ Egyetlen PV cella, egyetlen tároló akkumulátor (megfelelő feszültséggel és kapacitással), 4 erőműkapcsoló és egy önálló vezérlő.
• ​Funkció:​​ Mint a legkisebb önálló egység, a vezérlő kezeli a 4 kapcsolót, hogy a PV cella és az akkumulátor független csatlakoztatását és leválasztását lehetővé tegye, így rugalmasan váltani lehessen öt működési mód között.
2. ​Sorozat:​​
• ​Összetétel:​​ Több fentiekben említett modul soros összekötése.
• ​Funkció:​​ Növeli a sor teljes kimeneti feszültségét, hogy illeszkedjen a lefelé vezető DC/DC feszültségemelő beviteli feszültségtartományához.
3. ​Rendszer:​​
• ​Összetétel:​​ Több sorozat párhuzamos összekötése, amely egy közös DC buszon találkozik a DC/DC konverterrel.
• ​Funkció:​​ A DC busz közvetlenül DC terheléseket tud ellátni, vagy DC/AC inverter segítségével AC terheléseket.

​2.2 Fő előnyök​
Ez a topológia, a cellaszintű önálló ellenőrzés révén, alapvetően megszünteti a hagyományos soros szerkezetekhez tartozó természetes árnyékolódási és akkumulátor egyensúlyi problémáit fizikai szinten. Megfelelő komponensek kiválasztásával a rendszer a PV cellákat konzisztensen a Maximális Teljesítmény Pont (MPP) közelében működteti, így kiküszöbözi a további MPPT áramkörök és összetett Akkumulátor Kezelő Rendszerek (BMS) szükségességét.

​III. Hierarchikus monitorozási stratégia​

Ez a megoldás hierarchikus ellenőrzési stratégiát alkalmaz, hogy a helyi és globális szintek között történő finom monitorozást valósítsa meg.

​3.1 Modulszintű monitorozási stratégia (autonóm ellenőrzés)​​
Minden modul önmagában vált a következő 5 működési mód között a saját állapotától (PV kimeneti feszültség, akkumulátor feszültség) függően:

​3.2 Sorozatszintű monitorozási stratégia (feszültség koordinációs ellenőrzés)​​
A sorozatszintű monitorozás a DC/DC konverter beviteli feszültségét (U_in) használja kulcsparaméterként, a feszültség stabilizálása soros és párhuzamos kapcsolódásokkal történik.

• ​Ellenőrzési cél:​​ Biztosítja, hogy az U_in a DC/DC áramkör engedélyezett működési tartományán belül maradjon (pl., 12V ~ 22V).
• ​Küszöbérték ellenőrzési logika (pl., 24V rendszer esetén):​​
• ​Alacsony feszültség küszöb (16V):​​ Ha U_in < 16V, a monitorozó rendszer automatikusan keres olyan modulokat a sorban, amelyek készletben vannak, de normál akkumulátor töltésük van, és parancsot ad nekik a kapcsolódáshoz, hogy a DC/DC ne kapcsoljon ki alacsony beviteli feszültség miatt.
• ​Magas feszültség küszöb (20V):​​ Ha U_in > 20V, korlátozza az új modulok kapcsolódását, hogy az U_in ne haladja meg a DC/DC maximális beviteli feszültségét.
• ​Védelem küszöb (12V):​​ Ha U_in < 12V, a sor kimerültnek minősül, és erősen leválasztja. Minden modul készlet módra vált, amíg elegendő számú akkumulátor nem helyreállítja a töltését.

​3.3 Rendszerszintű monitorozási stratégia (globális védelem)​​
A rendszerszintű monitorozás a DC busz feszültségére (U_bus) összpontosít, ami a kulcsfontosságú monitorozási pont.

• ​Ellenőrzési logika:​​ A DC busz feszültsége valós időben van figyelés alatt. Ha a feszültség aláesik egy kritikus küszöbértéken (pl., 24V rendszer esetén 80%-a, azaz 22V), azt jelzi, hogy a rendszer teljes energiaforrása elégtelen. A monitorozó rendszer globális leállítási parancsot ad, hogy megvédje az invertert és a terhelési felszerelést, garantálva az AC oldali energia minőségét.

​IV. Fontos komponensek kiválasztási módszere​

A PV cellák és tároló akkumulátorok közötti egyeztetési probléma megoldására ez a megoldás egy kiválasztási módszert javasol, amely célja a napenergia használati hatékonyságának maximalizálása.

• ​Alapötlet:​​ Ebben a rendszerben a PV cella működési feszültsége az akkumulátor feszültségével van rögzítve, tehát a feszültségparaméterek egyeztetése létfontosságú.
• ​Kiválasztási modell:​​ Az IEE-Business mérnöki matematikai modelljének alapján a PV cella (a hőmérséklet és a sugárzás hatásait figyelembe véve) a rendszer hatékonysága η függvénye a akkumulátor feszültségének (U_BAT) és a PV cella maximális teljesítmény pontjának (U_mp) függvénye.
• ​Következtetés:​​ Egy 3,7V tároló akkumulátor esetén, amely működési feszültsége körülbelül 3,9V~4,0V, a szimulációk szerint a rendszer napenergia használati hatékonysága legmagasabb, ha a PV cella U_mp körülbelül 4,25V. Tehát a gyakorlati kiválasztás során a PV cella U_mp-t 4,2V ~ 4,3V tartományban kellene tartani.

​V. Várható eredmények​

1. ​Jelentős hatékonyságnövekedés:​​ A moduláris önálló működés teljesen megszünteti a soros szerkezetek természetes "kancsóeffektusát" és forró pont problémáit, biztosítva minden egység hatékony működését. Ugyanakkor a PV és a tároló pontos feszültség egyeztetése lehetővé teszi a közelítő Maximum Power Point Tracking (MPPT)-et, anélkül, hogy további áramkörökre lenne szükség, ami jelentősen növeli a generálási hatékonyságot.
2. ​Élettartam és megbízhatóság javítása:​​ A moduláris szerkezet alapvetően megoldja a batterypack-nak a nemegyformaságából adódó egyensúlyi problémáit, elkerülve a túltöltést és túlmerülést, hatékonyan meghosszabbítva a rendszer teljes élettartamát. A hierarchikus monitorozási stratégia többszintű védelmet nyújt a helyi és globális szinteken, jelentősen javítva a rendszer robustságát.
3. ​Költségoptimalizálás és kényelmes karbantartás:​​ Ez a tervezés sikeresen megszünteti a komplex MPPT követők és Batter Management Systems (BMS) szükségességét, csökkentve a hardver költségeit. A "Lego-szerű" architektúrája kiválóan alkalmas a telepítésre, karbantartásra és kiterjesztésre. Egyetlen modul hibája nem befolyásolja az egész rendszer működését, csökkentve a teljes életciklus költségeit.