Жаңа модульдік көзейту шешімі фотогальваникалық және энергия сақтау электр өндіріс системалары үшін
1. Есепке жол ашып, зерттеу түрі
1.1 Аққулы энергия өнімдери ыңғайлауының ағымдағы күйі
Ең көптеген жаңартылатын энергия барысынан аққулы энергия өнімдери ыңғайлауы мен пайдалануы дүние жүзіндегі энергия өсуіне маңызды рөл атқарады. Жүзеге асырылған саясаттардың әсерімен, фотогальваникалық (ФГ) өнімдери өсуі тез өсіп келеді. Статистика бойынша, Кытай ФГ өнімдері "12-бес жылдық жоспар" уақытында 168 есе өсті. 2015 жылдың аяғына дейін ФГ өнеркәсібінің қуаты 40,000 МВ-ден астам болды, үш жылдан бері дүние жүзінде бірінші орында қалады, мұнда өсу үмітталады.
1.2 Бар болған есептер және техникалық шешімдер
Тез өсіп келе жатқанына қарамастан, традиционды ФГ энергия сақтау жүйелері практикалық қолданыста көптеген техникалық қысқартылуларды кездеседі:
- ФГ массивінің есептері: Заттардың напрямдасуы мен қуаты талаптарын қанағаттандыру үшін көптеген ФГ элементтері сериялық және параллель түрде байланыстырылады. Бұл құрылым бөлік заттарға әсер етеді, "мismatch" жоюларын және жарық нүктесінің әсерін жаратады, бұл жүйенің өндірген қуатын және безопасностьні азайтады.
- Энергия сақтау батареясының есептері: Батареялар да сериялық-параллель құрылымын қолданады, олар қатарлық қысқартылуларға туындайды. Батареялардың қатарлық қысқартылулары өлшемімен күшейді, бұл жүйенің құралын қиындыратын бірақ қуатын азайтуын және өмір мерзімін қысқартуын әкеледі, масштабты қолдануды қиналады.
- Бар болған технологиялардың жетіспеушілігі: Бірақ біреулер пассивті бағдарламалау әдістерін ұсынған, бұл әдістер қатарлық қысқартылуларды қысқартуын ғана қозғалтады, көптеген модульдердің сериялық байланысының төменгі цептерге әсерін толық ескермеді. Олар ФГ элементтер сияқты маңызды құралдарды таңдау үшін илимиий бағыт береді.
II. Жалпы жүйе шешімі және топологиясы
Бұл шешімдің негізі - жаңы, модульді және кеңейтілетін электр энергиясының топологиясын құру.
2.1 Деңгейлік жүйе құрылымы
Жүйе үш деңгейден тұрады:
- Модуль (негізгі бөлігі):
- Құрамы: Бір ФГ элементі, бір сақтау батареясы (напрямдасу мен қуаты сәйкестендірілген), 4 энергия коммутаторы және жеке контроллер.
- Функциясы: Эң кіші автономды бөлік ретінде, контроллер 4 коммутаторды басқарады, ФГ элементі мен батареяны өзара қосу/жылу үшін, бес қызмет режиміне өзара өзгерту үшін.
- Сериялық жол:
- Құрамы: Бірнеше модульдер сериялық байланысқа қосылып туралады.
- Функциясы: Жолдың жалпы шығыс напрямдасуын төменгі DC/DC буст конверторының кіріс напрямдасу аралығына сәйкестендіреді.
- Жүйе:
- Құрамы: Бірнеше сериялық жолдар параллель байланысқа қосылып, DC/DC конвертор арқылы бір ұзақ DC автобусқа жетеді.
- Функциясы: DC автобус DC заттарға же DC/AC инвертор арқылы AC заттарға энергия беруі мүмкін.
2.2 Негізгі артықшылықтар
Бұл топология, әрбір элементтің өзара басқаруы арқылы, традиционды сериялық құрылымдардың физикалық деңгейде тенилеу әсерін және батареялардың қатарлық қысқартылуларын толығымен шешеді. Дұрыс құралдарды таңдап, ФГ элементтері үшін Максималды Қуат Нүктесі (MPP) жақында өзара өзгерту мүмкін, бұл қосымша MPPT цептерін және татаң BMS қажеттілігін азайтады.
III. Деңгейлік басқару стратегиясы
Бұл шешім деңгейлік басқару стратегиясын қолданып, жергілікті және жалпы деңгейлерден тәуелсіз басқару үшін қолданылады.
3.1 Модуль деңгейіндегі басқару стратегиясы (өзара басқару)
Әрбір модуль өзінің статусына (ФГ шығыс напрямдасуы, батарея напрямдасуы) қарай төмендегі бес қызмет режиміне өзара өзгереді:
|
Қызмет режимі |
Коммутатордың қолданысы (S1/S2/S3/S4) |
Қызметті сипаттау |
Типтік өзгерту шарттары (мисалы, 3.7V Li-ion үшін) |
|
Режим 1: Біріктірілген қызмет |
ON/ON/ON/OFF |
ФГ және батарея заттарға энергия береді. |
Нормал U_BAT (3.0V~4.2V) және жеткілікті жарық U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
|
Режим 2: ФГ ғана қызмет |
OFF/ON/ON/OFF |
Батарея жылу, ФГ ғана энергия береді. |
Нормал U_BAT бірақ орташа жарық U_pv(oc) ≤ U_BAT + 0.2V |
|
Режим 3: Батарея ғана қызмет |
ON/OFF/ON/OFF |
ФГ жылу, батарея ғана энергия береді. |
Нормал U_BAT бірақ жарық жоқ/түн |
|
Режим 4: Готовностық/ФГ зарядтауы жоқ |
OFF/OFF/OFF/ON |
Екеуі де жылу, система өткізіледі, ФГ зарядтауы жоқ. |
Батарея толық (U_BAT ≥ 4.2V) және кіріс напрямдасу U_in < 16V |
|
Режим 5: ФГ зарядтауы |
ON/ON/OFF/ON |
Екеуі де жылу, ФГ батареяны зарядтауы. |
Батарея аз напрямдасу (U_BAT < 3.0V) және жарық бар U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
3.2 Сериялық жол деңгейіндегі басқару стратегиясы (напрямдасу үйлесімділігі)
Сериялық жол деңгейіндегі басқару DC/DC конверторының кіріс напрямдасуы (U_in) негізгі параметр ретінде қолданылады, модульдерді қосу/жылу арқылы напрямдасуды стабилизациялады.
- Басқару мақсаты: U_in DC/DC цептерінің қолданыс мүмкін аралығында (мисалы, 12V ~ 22V) қалуын қамтамасыз ету.
- Эсептік логика (мисалы, 24V жүйе үшін):
- Төмен напрямдасу эсебі (16V): Егер U_in < 16V, басқару жүйесі автоматты түрде сериялық жолда standby режимінде болып, батарея нормал зарядтауы бар модулдерді іздейді, оларды қосу өткізілетін, DC/DC төмен кіріс напрямдасуынан өтуін тыйым салады.
- Жоғары напрямдасу эсебі (20V): Егер U_in > 20V, жаңа модулдерді қосу шектеледі, U_in DC/DC максимум кіріс напрямдасуынан асқан жоқтығын қамтамасыз ету үшін.
- Қорғау эсебі (12V): Егер U_in < 12V, сериялық жол қысқартылуы қабылданады, барлық модулдер standby режиміне өтеді, батареялардың зарядтауы жеткілікті болғанша.
3.3 Жүйе деңгейіндегі басқару стратегиясы (жалпы қорғау)
Жүйе деңгейіндегі басқару энергия қамтамасыз ету сапасына өзара қарай, DC автобус напрямдасуы (U_bus) негізгі басқарылатын нүкте болып табылады.
- Басқару логикасы: DC автобус напрямдасуы уақытша басқарылады. Егер напрямдасу критикалық эсебін (мисалы, 24V жүйесінің 80% сияқты, яғни 22V) төмендейді, бұл жүйенің энергиясы жеткіліксіз екенін білдіреді. Басқару жүйесі жалпы өткізу қаулысын қолданады, инвертор мен заттарды қорғау үшін, AC жағында энергия сапасын қамтамасыз ету үшін.
IV. Маңызды құралдарды таңдау әдісі
ФГ элементтері мен сақтау батареяларының үйлесімділігін шешу үшін, бұл шешім ФГ энергиясын пайдалану үшін қолданылатын әдіс ұсынады.
- Негізгі идея: Бұл жүйеде, ФГ элементінің қызмет напрямдасуы батарея напрямдасуымен шектеледі, олардың напрямдасу параметрлерінің үйлесімділігі маңызды болады.
- Таңдау модельі: ФГ элементінің инженерлік математикалық модели (температура және освещенность әсерін ескерсек), жүйенің үздігі η батарея напрямдасуы U_BAT және ФГ элементінің максималды қуат нүктесінің напрямдасуы U_mp функциясы ретінде анықталады.
- Шешім: 3.7V сақтау батареясы үшін, қызмет напрямдасуы 3.9V~4.0V болғанда, модельдеу нәтижелері ФГ элементінің U_mp құралы құралғанда құралған жүйенің ФГ энергиясын пайдалану үздігі ең жоғары болады. Сондықтан, практикада ФГ элементінің U_mp құралы 4.2V ~ 4.3V аралығында құралған болуы керек.
V. Күтілетін нәтижелер
- Үздік өсу: Модульді өзара қызмет ететін операциялар традиционды сериялық құрылымдардың "құбыр-батыр" әсерін және жарық нүктесін толығымен шешеді, әрбір бөлік өзара өзгереді. Сондай-ақ, ФГ және сақтау элементтерінің тәуелсіз напрямдасуы MPP қолданысын қолдану үшін қосымша цептер қажет емес, бұл өндірген үздікті өте арттырады.
- Өмір мерзімі және итилигін арттыру: Модульді құрылым татаң батареялардың қатарлық қысқартылуларын шешеді, өткізу және өткізу қысқартылуларын басқарады, жүйенің өмір мерзімін өте арттырады. Деңгейлік басқару стратегиясы жергілікті және жалпы деңгейлерден тәуелсіз қорғау үшін бірнеше деңгейлерді қолданады, бұл жүйенің итилигін өте арттырады.
- Төлемді оптимизациялау және қолдау және өңдеу: Бұл дизайн қосымша MPP трекерлері мен BMS қажеттілігін азайтады, аппараттық төлемді азайтады. "Лего" құрылымы орнату, қолдау және кеңейту өте ыңғайлы. Бір модульдің қате өзара өзгеруі жүйенің өзара өзгеруіне әсер етпейді, бұл жүйенің жалпы өмір сызығын азайтады.
