Jauns modulārs uzraudzības risinājums fotovoltaikas un enerģijas krātošanas elektroenerģijas ražošanas sistēmām

1.Ievads un pētījumu fons​

​1.1 Pašreizējā stāvoklis saules enerģijas nozarē​
Kā viens no vispieaugumākajiem atjaunojamajiem enerģijas avotiem, saules enerģijas izmantošana ir kļuvusi par centrālo jomu globālajā enerģijas pārejā. Pēdējos gados, stimulēts ar starptautiskajām politikām, fotovoltaikas (PV) nozare ir pieredzējusi eksplodējošu izaugsmi. Statistika rāda, ka Ķīnas PV nozare "12. piec gadus ilgā plānā" pieredzēja apstiprinātu 168 reizes lielāku izaugsmi. Līdz 2015. gada beigām ievērotais PV spēju apjoms pārsniedza 40 000 MW, ieņemot pirmo vietu globāli trīs secīgas gadus, un turpmāka izaugsme tiek sagaidīta nākotnē.

​1.2 Esošie jautājumi un tehniskie izaicinājumi​
Lai gan strauji attīstās, tradicionālas PV enerģijas krājēju sistēmas praktiskajā lietošanā joprojām saskaras ar daudziem tehniskiem grūtībām:

• ​PV matricu problēmas:​​ Lai nodrošinātu slodzes sprieguma un jaudas prasības, parasti tiek savienotas daudzas individuālas PV čūskas seriāli un paralēli. Šī struktūra ir jūtīga pret daļēju aizēnošanu, kas rada "nekongruences" zaudējumus un karstu punktu efektus, kas būtiski samazina sistēmas enerģijas ražošanas efektivitāti un drošību.
• ​Enerģijas krājēju pakāpju problēmas:​​ Arī akumulatoru pakāpes, izmantojot seriālo un paralēlo konfigurāciju, saskaras ar līdzsvarošanas problēmām. Akumulatoru neatbilstība pasliktinās ar mērogu, ne tikai palielinot sistēmas sarežģītību, bet arī rada jaudas degradāciju un saīsināto dzīveslaiku, traucējot liela mēroga pielietojumam.
• ​Esošo tehnoloģiju nepilnības:​​ Lai arī daži pētnieki ir piedāvājuši pasīvus līdzsvarošanas pārvaldības metodes, šīs metodes tikai pārcela līdzsvarošanas problēmu, nevis pilnībā ņem vērā daudzu moduļu seriālās savienojuma ietekmi uz lejuējiem shēmām. Tās arī trūkst zinātniska vadība, lai izvēlētos galvenos komponentus, piemēram, PV čūskas.

​II. Kopējā sistēmas risinājuma un topoloģija​

Šī risinājuma pamatā ir jauna, modulāra un mērogojamā enerģijas sistēmas topoloģija.

​2.1 Hierarhiskā sistēmas sastāve​
Sistēma ir strukturēta hierarhiski no pamatelementa līdz trim līmeņiem:

1. ​Modulis (pamatelement):​​
• ​Sastāvs:​​ Viens PV čūsks, viens krājēja akumulators (ar atbilstošu spriegumu un jaudu), 4 enerģijas pārslēdži un neatkarīgs kontrolētājs.
• ​Funkcija:​​ Kā mazākais autonomais elements, kontrolētājs pārvalda 4 pārslēdžus, lai ļautu neatkarīgu PV čūska un akumulatora savienojumu un atvienošanu, ļaujot elastīgu pārslēgšanos starp pieciem darbības režīmiem.
2. ​Seriālā virknē:​​
• ​Sastāvs:​​ Veidojot, savienojot vairākus no minētajiem moduļiem seriāli.
• ​Funkcija:​​ Paaugstināt kopējo virknes izvades spriegumu, lai to atbilstu lejuējas DC/DC stiprinātāja ieejas sprieguma diapazonam.
3. ​Sistēma:​​
• ​Sastāvs:​​ Veidojot, savienojot vairākas seriālās virknes paralēli, konverģējot caur DC/DC pārveidotāju uz kopējo DC šķidrumu.
• ​Funkcija:​​ DC šķidrums var tieši piegādāt enerģiju DC slodzēm vai, caur DC/AC invertoru, piegādāt enerģiju AC slodzēm.

​2.2 Galvenās priekšrocības​
Šī topoloģija, caur individuālu čūska līmeņa neatkarīgu pārvaldību, fundamentāli novērš tradicionālo seriālo struktūru īpašās aizēnošanas efektus un akumulatoru līdzsvarošanas problēmas fiziskajā līmenī. Ar pareizu komponentu izvēli, sistēma ļauj PV čūskām pastāvīgi darboties tuvāko maksimālajam jaudas punktam (MPP), tādējādi eliminējot nepieciešamību pēc papildu MPPT shēmām un sarežģītām Baterijas Pārvaldības Sistēmām (BMS).

​III. Hierarhiskā monitorings stratēģija​

Šis risinājums izmanto hierarhisko pārvaldības stratēģiju, lai sasniegtu rafinētu monitoringu no lokālā līmeņa līdz globālam līmenim.

​3.1 Modula līmeņa monitoringa stratēģija (autonomā pārvaldība)​​
Katrā modulā autonomi notiek pārslēgšanās starp sekojošiem 5 darbības režīmiem, balstoties uz savu statusu (PV izvades spriegumu, akumulatora spriegumu):

​3.2 Virknes līmeņa monitoringa stratēģija (sprieguma koordinācijas pārvaldība)​​
Virknes līmeņa monitoringam kā galvenais parametrs tiek izmantots DC/DC pārveidotāja ieejas spriegums (U_in), stabilizējot spriegumu, savienojot un atvienojot moduļus.

• ​Pārvaldības mērķis:​​ Pārliecināties, ka U_in paliek DC/DC shēmas atļautajā darbības diapazonā (piem., 12V ~ 22V).
• ​Robežas pārvaldības loģika (piem., 24V sistēmai):​​
• ​Zemas sprieguma robeža (16V):​​ Ja U_in < 16V, monitoringa sistēma automātiski meklē moduļus virknē, kas atrodas gaidīšanas režīmā, bet ar normālu akumatora lādējumu, dēvējot tos savienot, lai novērstu DC/DC pārveidotāja izslēgšanos zema ieejas sprieguma dēļ.
• ​Augstas sprieguma robeža (20V):​​ Ja U_in > 20V, jaunu moduļu savienojums tiek ierobežots, lai nodrošinātu, ka U_in nepārsniedz DC/DC maksimālo ieejas spriegumu.
• ​Aizsardzības robeža (12V):​​ Ja U_in < 12V, virkne tiek uzskatīta par iztukšotu, piespiestu atvienošanu. Visi moduļi nonāk gaidīšanas režīmā, kamēr pietiekams akumatoru skaits atgūst lādējumu.

​3.3 Sistēmas līmeņa monitoringa stratēģija (globālā aizsardzība)​​
Sistēmas līmeņa monitoringam ir fokuss uz enerģijas piegādes kvalitātes nodrošināšanu, ar DC šķidruma spriegumu (U_bus) kā galveno monitoringa punktu.

• ​Pārvaldības loģika:​​ DC šķidruma spriegums tiek monitorēts reāllaikā. Ja spriegums nokrīt zem kritiskās robežas (piem., 80% no 24V sistēmas ratinga, t.i., 22V), tas norāda, ka kopējā sistēmas enerģija ir nepietiekama. Monitoringa sistēma izpildīs globālu izslēgšanas komandu, lai aizsargātu inverteri un slodzes iekārtas, nodrošinot AC puses enerģijas kvalitāti.

​IV. Galveno komponentu izvēles metode​

Lai risinātu PV čūsku un krājēja akumatoru atbilstības problēmu, šis risinājums piedāvā izvēles metodi, mērķis ir maksimizēt saules enerģijas izmantošanas efektivitāti.

• ​Kernere ideja:​​ Šajā sistēmā PV čūska darbības spriegums tiek klātāts ar akumatora spriegumu, padarot tos sprieguma parametru atbilstību kritisku.
• ​Izvēles modelis:​​ Balstoties uz PV čūska inženierzinātnisku matemātisko modeļu (ņemot vērā temperatūras un apgaismojuma efektus), sistēmas efektivitāte η tiek izvesta kā funkcija no akumatora sprieguma U_BAT un PV čūska maksimālā jaudas punkta sprieguma U_mp.
• ​Secinājums:​​ 3.7V krājēja akumatoram ar darbības spriegumu aptuveni 3.9V~4.0V, simulācijas rezultāti liecina, ka sistēmas saules enerģijas izmantošanas efektivitāte ir augstākā, kad PV čūska U_mp ir aptuveni 4.25V. Tādēļ, praktiskā izvēlē, PV čūska U_mp jākontrolē aptuveni 4.2V ~ 4.3V diapazonā.

​V. Gaidāmie rezultāti​

1. ​Būtiska efektivitātes uzlabošana:​​ Modulāra neatkarīga darbība pilnībā novērš intrinsiskā "vieglmetāļu efekta" un karstu punktu problēmas serijā, nodrošinot, ka katra vienība darbojas efektīvi. Tāpat, precīzs sprieguma atbilstība starp PV un krājēju ļauj aptuvenu Maksimālā Jaudas Punkta Sekošanu (MPPT) bez papildu shēmām, ļoti uzlabojot enerģijas ražošanas efektivitāti.
2. ​Palielināta izturība un uzticamība:​​ Modulārā struktūra fundamentāli risina līdzsvarošanas problēmas, ko rada akumatoru pakāpu neatbilstība, izvairot pārmērīgu lādēšanu un atlādēšanu, efektīvi paildzinot vispārējo sistēmas dzīveslaiku. Hierarhiskā monitoringa stratēģija sniedz daudzus aizsardzības līmeņus no lokālā līdz globālam, būtiski uzlabojot sistēmas stabilitāti.
3. ​Izmaksu optimizācija un ērta O&M:​​ Šis dizains veiksmīgi eliminē nepieciešamību pēc sarežģītām MPPT trakeriem un Baterijas Pārvaldības Sistēmām (BMS), samazinot hardware izmaksas. Tā "Lego-aizdomīgā" arhitektūra padara instalāciju, uzturēšanu un paplašināšanu ļoti ērtu. Viena moduļa kļūda neatstāj ietekmi uz vispārējo darbību, samazinot kopējo dzīves cikla izmaksas.