Solusi Pemantauan Modular Baru untuk Sistem Pembangkit Listrik Fotovoltaik dan Penyimpanan Energi

1.Pendahuluan dan Latar Belakang Penelitian

1.1 Kondisi Saat Ini Industri Surya
Sebagai salah satu sumber energi terbarukan yang paling melimpah, pengembangan dan pemanfaatan energi surya telah menjadi pusat transisi energi global. Dalam beberapa tahun terakhir, didorong oleh kebijakan di seluruh dunia, industri fotovoltaik (PV) telah mengalami pertumbuhan pesat. Statistik menunjukkan bahwa industri PV China mengalami peningkatan 168 kali lipat selama periode "Rencana Lima Tahun Ke-12". Pada akhir 2015, kapasitas PV yang terpasang telah melebihi 40.000 MW, berperingkat pertama secara global selama tiga tahun berturut-turut, dengan pertumbuhan yang diperkirakan akan berlanjut di masa depan.

1.2 Masalah dan Tantangan Teknis yang Ada
Meskipun berkembang pesat, sistem penyimpanan energi PV tradisional masih menghadapi banyak hambatan teknis dalam aplikasi praktis:

• Masalah Array PV: Untuk memenuhi persyaratan tegangan dan daya beban, biasanya sejumlah besar sel PV individu dihubungkan secara seri dan paralel. Struktur ini rentan terhadap penedulan parsial, menyebabkan "kehilangan ketidaksesuaian" dan efek titik panas, yang secara signifikan mengurangi efisiensi pembangkitan daya dan keamanan sistem.
• Masalah Paket Baterai Penyimpanan Energi: Paket baterai, juga menggunakan konfigurasi seri-paralel, secara inheren menghadapi masalah keseimbangan. Ketidakseragaman baterai memburuk dengan skala, tidak hanya meningkatkan kompleksitas sistem tetapi juga menyebabkan degradasi kapasitas dan umur pendek, menghambat aplikasi berskala besar.
• Kekurangan Teknologi yang Ada: Meskipun beberapa peneliti telah mengusulkan teknik manajemen equalisasi pasif, metode-metode ini hanya memindahkan masalah keseimbangan tanpa mempertimbangkan dampak dari koneksi seri multi-modul pada rangkaian downstream. Mereka juga kurang memiliki panduan ilmiah untuk memilih komponen kunci seperti sel PV.

II. Solusi Sistem Secara Keseluruhan dan Topologi

Inti dari solusi ini adalah untuk membangun topologi sistem daya yang baru, modular, dan dapat diskalakan.

2.1 Komposisi Sistem Hierarkis
Sistem ini dibangun secara hierarkis dari unit dasar hingga tiga tingkat:

1. Modul (Unit Dasar):
• Komposisi: Satu sel PV, satu baterai penyimpanan (dengan tegangan dan kapasitas yang sesuai), 4 saklar daya, dan kontroler independen.
• Fungsi: Sebagai unit otonom terkecil, kontroler mengelola 4 saklar untuk mengaktifkan/memutuskan koneksi sel PV dan baterai secara independen, memungkinkan perpindahan fleksibel antara lima mode operasi.
2. Rangkaian Seri:
• Komposisi: Terbentuk dengan menghubungkan beberapa modul di atas secara seri.
• Fungsi: Meningkatkan tegangan output total string untuk mencocokkan rentang tegangan input konverter DC/DC boost.
3. Sistem:
• Komposisi: Terbentuk dengan menghubungkan beberapa string seri secara paralel, mengkonvergensi melalui konverter DC/DC ke bus DC umum.
• Fungsi: Bus DC dapat langsung mensuplai daya ke beban DC atau, melalui inverter DC/AC, mensuplai daya ke beban AC.

2.2 Keuntungan Inti
Topologi ini, melalui kontrol independen pada tingkat sel individu, secara fundamental menghilangkan efek penedulan intrinsik dan masalah keseimbangan baterai struktur seri tradisional pada tingkat fisik. Dengan pemilihan komponen yang tepat, sistem memungkinkan sel PV beroperasi dekat dengan Titik Daya Maksimum (MPP) secara konsisten, sehingga menghilangkan kebutuhan untuk sirkuit MPPT tambahan dan Sistem Manajemen Baterai (BMS) yang kompleks.

III. Strategi Pemantauan Hierarkis

Solusi ini mengadopsi strategi kontrol hierarkis untuk mencapai pemantauan rinci dari lokal hingga global.

3.1 Strategi Pemantauan Tingkat Modul (Kontrol Otonom)
Setiap modul secara otonom beralih antara 5 mode operasi berikut berdasarkan statusnya sendiri (tegangan output PV, tegangan baterai):

3.2 Strategi Pemantauan Tingkat String (Kontrol Koordinasi Tegangan)
Pemantauan tingkat string menggunakan tegangan input konverter DC/DC (U_in) sebagai parameter kunci, menstabilkan tegangan dengan menghubungkan/memutuskan modul.

• Objektif Kontrol: Pastikan U_in tetap dalam rentang operasi yang diperbolehkan oleh sirkuit DC/DC (mis., 12V ~ 22V).
• Logika Kontrol Ambang Batas (mis., untuk sistem 24V):
• Ambang Batas Tegangan Rendah (16V): Jika U_in < 16V, sistem pemantauan secara otomatis mencari modul dalam string yang berada dalam mode siaga tetapi memiliki muatan baterai normal, memerintahkan mereka untuk terhubung, mencegah DC/DC mati karena tegangan input rendah.
• Ambang Batas Tegangan Tinggi (20V): Jika U_in > 20V, koneksi modul baru dibatasi untuk memastikan U_in tidak melebihi tegangan input maksimum DC/DC.
• Ambang Batas Perlindungan (12V): Jika U_in < 12V, string dianggap habis, diputus secara paksa. Semua modul masuk ke mode siaga hingga cukup banyak baterai pulih muatannya.

3.3 Strategi Pemantauan Tingkat Sistem (Perlindungan Global)
Pemantauan tingkat sistem fokus pada memastikan kualitas pasokan daya, dengan tegangan bus DC (U_bus) sebagai titik pemantauan kunci.

• Logika Kontrol: Tegangan bus DC dipantau secara real-time. Jika tegangan jatuh di bawah ambang batas kritis (mis., 80% dari rating sistem 24V, yaitu 22V), ini menunjukkan energi total sistem tidak cukup. Sistem pemantauan akan mengeksekusi perintah shutdown global untuk melindungi inverter dan peralatan beban, memastikan kualitas daya sisi AC.

IV. Metode Pemilihan Komponen Kunci

Untuk mengatasi masalah pencocokan antara sel PV dan baterai penyimpanan, solusi ini mengusulkan metode pemilihan yang bertujuan untuk memaksimalkan efisiensi pemanfaatan energi surya.

• Ide Inti: Dalam sistem ini, tegangan operasi sel PV dikunci oleh tegangan baterai, membuat pencocokan parameter tegangan mereka sangat penting.
• Model Pemilihan: Berdasarkan model matematika teknik sel PV (mempertimbangkan efek suhu dan iradiansi), efisiensi sistem η diturunkan sebagai fungsi dari tegangan baterai U_BAT dan tegangan titik daya maksimum sel PV U_mp.
• Kesimpulan: Untuk baterai penyimpanan 3,7V dengan tegangan operasi sekitar 3,9V~4,0V, hasil simulasi menunjukkan bahwa efisiensi pemanfaatan energi surya sistem tertinggi ketika U_mp sel PV sekitar 4,25V. Oleh karena itu, dalam pemilihan praktis, U_mp sel PV harus dikendalikan dalam rentang 4,2V ~ 4,3V.

V. Hasil yang Diharapkan

1. Peningkatan Efisiensi yang Signifikan: Operasi modular independen sepenuhnya menghilangkan efek "bucket-brigade" dan masalah titik panas struktur seri, memastikan setiap unit beroperasi secara efisien. Secara bersamaan, pencocokan tegangan yang tepat antara PV dan penyimpanan memungkinkan pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT) hampir tanpa sirkuit tambahan, sangat meningkatkan efisiensi pembangkitan daya.
2. Peningkatan Umur Layanan dan Keandalan: Struktur modular secara fundamental menyelesaikan tantangan keseimbangan yang disebabkan oleh ketidakseragaman paket baterai, menghindari overcharge dan over-discharge, secara efektif memperpanjang umur layanan sistem secara keseluruhan. Strategi pemantauan hierarkis memberikan lapisan perlindungan dari lokal hingga global, secara signifikan meningkatkan kekokohan sistem.
3. Optimasi Biaya dan O&M yang Nyaman: Desain ini berhasil menghilangkan kebutuhan untuk pelacak MPPT kompleks dan Sistem Manajemen Baterai (BMS), mengurangi biaya perangkat keras. Arsitektur "Lego-like"-nya membuat instalasi, pemeliharaan, dan ekspansi sangat mudah. Kegagalan satu modul tidak mempengaruhi operasi keseluruhan, mengurangi biaya siklus hidup total.