太陽光発電およびエネルギー貯蔵発電システム向けの新しいモジュール型監視ソリューション

1. はじめにと研究背景​

​1.1 ソーラー産業の現状​
最も豊富な再生可能エネルギー源の一つである太陽エネルギーの開発と利用は、世界的なエネルギー転換の中心となっています。近年、世界中の政策によって、太陽光発電（PV）産業は爆発的な成長を遂げています。統計によると、中国のPV産業は「第12次五カ年計画」期間中に驚くべき168倍の増加を記録しました。2015年末には、インストールされたPV容量は40,000MWを超え、3年連続で世界第1位となり、今後も継続的な成長が見込まれています。

​1.2 現存する問題と技術的課題​
急速な発展にもかかわらず、従来のPVエネルギーストアージシステムは実用的なアプリケーションにおいて多くの技術的なボトルネックに直面しています：

• ​PVアレイの問題：​​ 負荷電圧および出力要件を満たすために、通常、多数の個別のPVセルが直列並列接続されます。この構造は部分的な影による影響を受けやすく、「不一致」損失やホットスポット効果を引き起こし、システムの発電効率と安全性を大幅に低下させます。
• ​エネルギーストアージバッテリーパックの問題：​​ バッテリーパックも直列並列構成を使用しており、バランスの問題に直面します。スケールが大きくなるにつれてバッテリーの一貫性は悪化し、システムの複雑さを増すだけでなく、容量の劣化と寿命の短縮を引き起こし、大規模な応用を妨げます。
• ​既存技術の不足：​​ 一部の研究者はパッシブ均等化管理技術を提案していますが、これらの方法はバランスの問題を単に移動させるだけで、マルチモジュール直列接続が下流回路に及ぼす影響を十分に考慮していません。また、PVセルのような主要な部品の選択に関する科学的な指針も欠けています。

​II. 全体的なシステムソリューションとトポロジー​

このソリューションの核心は、新しい、モジュラーかつスケーラブルな電力システムトポロジーを構築することです。

​2.1 階層的なシステム構成​
システムは基本ユニットから上に向かって3つのレベルに階層的に構成されています：

1. ​モジュール（基本ユニット）：​​
• ​構成：​​ 単一のPVセル、単一の蓄電池（電圧と容量が一致）、4つの電源スイッチ、独立したコントローラ。
• ​機能：​​ 最小の自律ユニットとして、コントローラは4つのスイッチを管理し、PVセルとバッテリーの独立した接続/切断を可能にし、5つの動作モード間での柔軟な切り替えを可能にします。
2. ​シリーズストリング：​​
• ​構成：​​ 上記のいくつかのモジュールを直列に接続して形成されます。
• ​機能：​​ ストリングの総出力電圧を増加させ、下流のDC/DCブーストコンバータの入力電圧範囲に合わせます。
3. ​システム：​​
• ​構成：​​ 複数のシリーズストリングを並列に接続し、DC/DCコンバータを通じて共通のDCバスに集約します。
• ​機能：​​ DCバスは直接DC負荷に電力を供給したり、DC/ACインバータを介してAC負荷に電力を供給することができます。

​2.2 核心的な利点​
このトポロジーは、個々のセルレベルでの独立制御により、物理レベルで伝統的な直列構造の固有の影の影響とバッテリーのバランス問題を根本的に解消します。適切な部品の選択により、システムはPVセルが最大電力点（MPP）近くで常に動作できるようにし、追加のMPPT回路や複雑なバッテリーマネジメントシステム（BMS）の必要性を排除します。

​III. 階層的な監視戦略​

このソリューションでは、局所から全体へと洗練された監視を達成するための階層制御戦略を採用しています。

​3.1 モジュールレベルの監視戦略（自律制御）​​
各モジュールは自身の状態（PV出力電圧、バッテリー電圧）に基づいて以下の5つの動作モード間で自律的に切り替えます：

​3.2 ストリングレベルの監視戦略（電圧調整制御）​​
ストリングレベルの監視は、DC/DCコンバータの入力電圧（U_in）を重要なパラメータとして使用し、モジュールの接続/切断によって電圧を安定させます。

• ​制御目標：​​ U_inがDC/DC回路の許容動作範囲（例：12V ~ 22V）内に留まるようにします。
• ​しきい値制御ロジック（例：24Vシステムの場合）：​​
• ​低電圧しきい値（16V）：​​ U_in < 16Vの場合、監視システムはストリング内でスタンバイモードにあるがバッテリーの充電が正常なモジュールを探し、それらに接続を命じ、DC/DCが低入力電圧でシャットダウンすることを防ぎます。
• ​高電圧しきい値（20V）：​​ U_in > 20Vの場合、新たなモジュールの接続を制限して、U_inがDC/DCの最大入力電圧を超えないようにします。
• ​保護しきい値（12V）：​​ U_in < 12Vの場合、ストリングは枯渇しているとみなされ、強制的に切断されます。すべてのモジュールはスタンバイモードに入り、十分な数のバッテリーが充電を回復するまで待機します。

​3.3 システムレベルの監視戦略（全般的な保護）​​
システムレベルの監視は、DCバス電圧（U_bus）を重要な監視ポイントとして、電力供給品質を確保することに焦点を当てています。

• ​制御ロジック：​​ DCバス電圧はリアルタイムで監視されます。電圧が臨界値（例：24Vシステムの場合、定格の80%つまり22V）以下に下がった場合、これはシステム全体のエネルギーが不足していることを示します。監視システムは全般的なシャットダウンコマンドを実行して、インバータと負荷設備を保護し、AC側の電力品質を確保します。

​IV. 主要部品の選択方法​

PVセルと蓄電池のマッチング問題に対処するために、このソリューションでは太陽エネルギー利用効率を最大化する選択方法を提案しています。

• ​核心的なアイデア：​​ このシステムでは、PVセルの動作電圧はバッテリー電圧によって固定されるため、その電圧パラメータのマッチングが重要となります。
• ​選択モデル：​​ PVセルのエンジニアリング数学モデル（温度と照度の影響を考慮）に基づいて、システム効率ηはバッテリー電圧U_BATとPVセルの最大電力点電圧U_mpの関数として導出されます。
• ​結論：​​ 3.7Vの蓄電池で動作電圧が約3.9V~4.0Vの場合、シミュレーション結果によると、PVセルのU_mpが約4.25Vのときにシステムの太陽エネルギー利用効率が最高になります。したがって、実際の選択では、PVセルのU_mpを4.2V ~ 4.3Vの範囲内に制御することが望ましいです。

​V. 期待される成果​

1. ​顕著な効率改善：​​ モジュラー独立動作は、直列構造の固有の「バケツリレー効果」とホットスポット問題を完全に解消し、各ユニットが効率的に動作します。同時に、PVと蓄電池の正確な電圧マッチングにより、追加の回路なしで近似的な最大電力点追跡（MPPT）が可能になり、発電効率が大幅に向上します。
2. ​寿命と信頼性の向上：​​ モジュラ構造はバッテリーパックの一貫性によるバランスの問題を根本的に解決し、過充電と過放電を避けることで、全体的なシステム寿命を延ばします。階層的な監視戦略は、局所から全体へと多層の保護を提供し、システムの堅牢性を大幅に向上させます。
3. ​コスト最適化と便利なO&M：​​ この設計は複雑なMPPTトラッカーとバッテリーマネジメントシステム（BMS）の必要性を排除し、ハードウェアコストを削減します。「レゴのような」アーキテクチャにより、インストール、メンテナンス、拡張が非常に便利です。単一のモジュールの故障は全体の動作に影響を与えず、ライフサイクルコストを削減します。