Una Nuova Soluzione di Monitoraggio Modulare per Sistemi Fotovoltaici e di Accumulo Energetico

1.Introduzione e contesto di ricerca

1.1 Stato attuale dell'industria solare
Come una delle fonti rinnovabili più abbondanti, lo sviluppo e l'utilizzo dell'energia solare sono diventati centrali nella transizione energetica globale. Negli ultimi anni, spinti dalle politiche a livello mondiale, l'industria fotovoltaica (PV) ha sperimentato una crescita esplosiva. Le statistiche indicano che l'industria PV cinese ha registrato un aumento straordinario di 168 volte durante il periodo del "Dodicesimo Piano Quinquennale". Alla fine del 2015, la capacità installata di PV ha superato i 40.000 MW, classificandosi al primo posto a livello globale per tre anni consecutivi, con una crescita continua prevista in futuro.

1.2 Problemi esistenti e sfide tecniche
Nonostante lo sviluppo rapido, i sistemi di accumulazione di energia PV tradizionali affrontano ancora numerose bottleneck tecniche nelle applicazioni pratiche:

• Problemi degli array PV: Per soddisfare i requisiti di tensione e potenza del carico, tipicamente vengono connesse in serie e in parallelo un gran numero di celle PV individuali. Questa struttura è suscettibile all'ombreggiamento parziale, causando perdite di "mismatch" ed effetti di hot-spot, che riducono significativamente l'efficienza e la sicurezza della generazione di energia del sistema.
• Problemi dei pacchi di batterie di accumulo: I pacchi di batterie, utilizzando anch'essi configurazioni in serie e in parallelo, presentano intrinsecamente problemi di bilanciamento. L'incoerenza delle batterie peggiora con la scala, non solo aumentando la complessità del sistema, ma anche causando la degradazione della capacità e la riduzione della durata, ostacolando l'applicazione su larga scala.
• Inadeguatezze delle tecnologie esistenti: Sebbene alcuni ricercatori abbiano proposto tecniche di gestione di equalizzazione passiva, questi metodi si limitano a spostare il problema di bilanciamento senza considerare pienamente l'impatto della connessione in serie di moduli multipli sui circuiti downstream. Inoltre, mancano di una guida scientifica per la selezione di componenti chiave come le celle PV.

II. Soluzione di sistema complessiva e topologia

Il nucleo di questa soluzione consiste nella costruzione di una nuova topologia di sistema di potenza modulare e scalabile.

2.1 Composizione gerarchica del sistema
Il sistema è strutturato gerarchicamente dal singolo unità base in tre livelli:

1. Modulo (unità base):
• Composizione: Una singola cella PV, una singola batteria di accumulo (con tensione e capacità compatibili), 4 interruttori di potenza e un controller indipendente.
• Funzione: Come la più piccola unità autonoma, il controller gestisce gli 4 interruttori per consentire la connessione/disconnessione indipendente della cella PV e della batteria, permettendo una flessibile commutazione tra cinque modalità operative.
2. Stringa in serie:
• Composizione: Formata dalla connessione in serie di diversi moduli sopra descritti.
• Funzione: Aumenta la tensione di uscita totale della stringa per adattarsi all'intervallo di tensione di ingresso del convertitore DC/DC a rialzo downstream.
3. Sistema:
• Composizione: Formato dalla connessione in parallelo di diverse stringhe in serie, convergendo attraverso un convertitore DC/DC a un bus DC comune.
• Funzione: Il bus DC può fornire direttamente energia ai carichi DC o, tramite un inverter DC/AC, fornire energia ai carichi AC.

2.2 Vantaggi principali
Questa topologia, attraverso il controllo indipendente a livello di singola cella, elimina fondamentalmente gli effetti di ombreggiamento e i problemi di bilanciamento delle batterie intrinseci alle strutture in serie tradizionali a livello fisico. Con una scelta appropriata dei componenti, il sistema consente alle celle PV di operare costantemente vicino al loro Punto di Massima Potenza (MPP), eliminando così la necessità di circuiti MPPT aggiuntivi e di complessi Sistemi di Gestione delle Batterie (BMS).

III. Strategia di monitoraggio gerarchico

Questa soluzione adotta una strategia di controllo gerarchico per raggiungere un monitoraggio raffinato da livello locale a livello globale.

3.1 Strategia di monitoraggio a livello di modulo (controllo autonomo)
Ogni modulo commuta autonomamente tra le seguenti 5 modalità operative in base al proprio stato (tensione di uscita PV, tensione della batteria):

3.2 Strategia di monitoraggio a livello di stringa (controllo di coordinamento della tensione)
Il monitoraggio a livello di stringa utilizza la tensione di ingresso del convertitore DC/DC (U_in) come parametro chiave, stabilizzando la tensione connettendo/disconnettendo i moduli.

• Obiettivo di controllo: Assicurare che U_in rimanga all'interno dell'intervallo di funzionamento ammissibile del circuito DC/DC (es. 12V ~ 22V).
• Logica di controllo soglia (es. per sistema 24V):
• Soglia di tensione bassa (16V): Se U_in < 16V, il sistema di monitoraggio cerca automaticamente i moduli all'interno della stringa che sono in modalità standby ma hanno una carica di batteria normale, comandandoli a connettersi, prevenendo lo spegnimento del DC/DC a causa di una tensione di ingresso bassa.
• Soglia di tensione alta (20V): Se U_in > 20V, la connessione di nuovi moduli viene limitata per assicurare che U_in non superi la tensione massima di ingresso del DC/DC.
• Soglia di protezione (12V): Se U_in < 12V, la stringa viene considerata esaurita, disconnessa forzatamente. Tutti i moduli entrano in modalità standby fino a quando un numero sufficiente di batterie recupera la carica.

3.3 Strategia di monitoraggio a livello di sistema (protezione globale)
Il monitoraggio a livello di sistema si concentra sull'assicurare la qualità del fornitore di energia, con la tensione del bus DC (U_bus) come punto di monitoraggio chiave.

• Logica di controllo: La tensione del bus DC viene monitorata in tempo reale. Se la tensione scende sotto una soglia critica (es. 80% della tensione nominale del sistema 24V, cioè 22V), indica un'energia totale insufficiente del sistema. Il sistema di monitoraggio eseguirà un comando di spegnimento globale per proteggere l'inverter e l'equipaggiamento di carico, assicurando la qualità dell'energia sul lato AC.

IV. Metodo di selezione dei componenti chiave

Per risolvere il problema di abbinamento tra le celle PV e le batterie di accumulo, questa soluzione propone un metodo di selezione mirato a massimizzare l'efficienza di utilizzo dell'energia solare.

• Idea centrale: In questo sistema, la tensione di funzionamento della cella PV è bloccata dalla tensione della batteria, rendendo critica la corrispondenza dei loro parametri di tensione.
• Modello di selezione: Basato su un modello matematico ingegneristico della cella PV (considerando gli effetti di temperatura e irradiazione), l'efficienza del sistema η viene derivata come funzione della tensione della batteria U_BAT e della tensione al punto di massima potenza della cella PV U_mp.
• Conclusione: Per una batteria di accumulo da 3.7V con una tensione di funzionamento intorno a 3.9V~4.0V, i risultati della simulazione indicano che l'efficienza di utilizzo dell'energia solare del sistema è massima quando la U_mp della cella PV è approssimativamente 4.25V. Pertanto, nella selezione pratica, la U_mp della cella PV dovrebbe essere controllata nell'intervallo di 4.2V ~ 4.3V.

V. Risultati attesi

1. Miglioramento significativo dell'efficienza: L'operazione modulare indipendente elimina completamente l'effetto "bucket-brigade" e i problemi di hot-spot delle strutture in serie, garantendo che ogni unità operi efficientemente. Nello stesso tempo, l'abbinamento preciso della tensione tra PV e accumulo consente un tracciamento approssimativo del Punto di Massima Potenza (MPPT) senza circuiti aggiuntivi, migliorando notevolmente l'efficienza di generazione di energia.
2. Aumento della durata e affidabilità: La struttura modulare risolve fondamentalmente le sfide di bilanciamento causate dall'incoerenza dei pacchi di batterie, evitando sovralimentazione e scarica eccessiva, estendendo efficacemente la durata complessiva del sistema. La strategia di monitoraggio gerarchico fornisce molteplici livelli di protezione da livello locale a livello globale, migliorando significativamente la robustezza del sistema.
3. Ottimizzazione dei costi e manutenzione conveniente: Questo design elimina con successo la necessità di complessi tracker MPPT e Sistemi di Gestione delle Batterie (BMS), riducendo i costi hardware. La sua architettura "simile a Lego" rende l'installazione, la manutenzione e l'espansione estremamente convenienti. Il guasto di un singolo modulo non influisce sull'operazione complessiva, riducendo il costo totale del ciclo di vita.