Новаторско модуларно решение за мониторинг на фотovoltaičни и системи за чување енергија

1. Вовед и истражувачки фон​

​1.1 Тековна состојба на солнечката индустрија​
Како еден од најобилните обновливи извори на енергија, развојот и искористувањето на солнечка енергија стана централно за глобалниот енергетски премин. Во последните години, под стимулација на политики по светот, фотovoltaичката (PV) индустрија доживеа експлозивен растег. Статистиките покажуваат дека PV индустријата во Кина имаше 168-пати растег токму во периодот на „Двенадесета петгодишна програма“. До крајот на 2015 година, инсталираниот капацитет на PV надминува 40.000 MW, со непрекинато растег предвиден во иднина.

​1.2 Постојечи проблеми и технички предизвици​
Иако со брз развој, традиционалните системи за складирање на PV енергија все уште се соочуваат со многу технички бутони во практичната применa:

• ​Проблеми со PV низа:​​ За да се задоволат потребите за напон и моќ, типична конструкција вклучува поврзување на голем број на индивидуални PV ќелии во серија и паралела. Оваа структура е подложна на делумно сенчење, што доведува до „мismatch“ губитоци и ефект на гореспот, кои значително намалуваат ефикасноста и безопасноста на системот.
• ​Проблеми со аккумулаторска батерија:​​ Батеријските пакети, кои исто така користат серијско-паралелна конфигурација, природно се соочуваат со проблеми со балансирање. Нестојноста на батериите се зголемува со масата, не само што зголемува комплексноста на системот, туку и кауза дека се намалува капацитетот и се скратува временското трчање, што го пречи на големомасовата применa.
• ​Недостатоци на постојечите технологии:​​ Иако некои истражувачи предложија методи за пасивно управување со балансирање, овие методи само преместуваат проблемот без да го разгледаат влијанието на поврзувањето на повеќе модули во серија на понизни кола. Така, недостасува научна насока за избор на клучни компоненти како што се PV ќелиите.

​II. Општа системска решенија и топологија​

Срцевината на ова решение е да се изгради нова, модуларна и скалабилна топологија на енергетски систем.

​2.1 Хиерархија на системски состав​
Системот е структуриран хиерархијски од основната единица нагоре во три нивоа:

1. ​Модул (основна единица):​​
• ​Состав:​​ Една PV ќелија, една аккумулаторска батерија (со согласуван напон и капацитет), 4 силни превключувачи и независен контролер.
• ​Функција:​​ Како најмала автономна единица, контролерот управува четирите превключувачи за независно поврзување или одсечување на PV ќелијата и батеријата, што овозможува флексибилно сврчување меѓу пет оперативни режими.
2. ​Серијска низа:​​
• ​Состав:​​ Формирана со поврзување на неколку од горенаведените модули во серија.
• ​Функција:​​ Зголемува тоталниот излезен напон на низата за да се согласува со опсегот на входен напон на DC/DC boost конвертерот.
3. ​Систем:​​
• ​Состав:​​ Формиран со поврзување на повеќе серијски низи во паралела, кои се сведуваат преку DC/DC конвертер на заедничка DC шина.
• ​Функција:​​ DC шината може директно да доставува енергија на DC лопти или, преку DC/AC инвертор, да доставува енергија на AC лопти.

​2.2 Клуни предности​
Оваа топологија, преку независно управување на ниво на индивидуална ќелија, фундаментално елиминира ефектите на сенчење и проблемите со балансирање на батериите на традиционалните серијски структури на физичко ниво. Со правилен избор на компоненти, системот овозможува на PV ќелиите да работат константно околу нивната Максимална точка на моќ (MPP), што елиминира потребата за дополнителни MPPT кола и комплексни системи за управување со батерија (BMS).

​III. Хиерархија на стратегијата за мониторинг​

Ова решение користи хиерархична контролна стратегија за постигнување на детален мониторинг од локално до глобално ниво.

​3.1 Стратегија за мониторинг на ниво на модул (автономно управување)​​
Секој модул автономно се сврчува меѓу следните 5 оперативни режими според својата состојба (излезен напон од PV, напон на батерија):

​3.2 Стратегија за мониторинг на ниво на низа (координирано управување со напон)​​
Мониторингот на ниво на низа користи входниот напон на DC/DC конвертерот (U_in) како клучен параметар, стабилизирајќи го напонот со поврзување или одсечување на модули.

• ​Цел на контрола:​​ Да се осигура дека U_in останува во дозволениот опсег на работата на DC/DC колата (нпр., 12V ~ 22V).
• ​Логика на контрола со прагови (нпр., за 24V систем):​​
• ​Нископраг (16V):​​ Ако U_in < 16V, системот за мониторинг автоматски пребара модули во низата кои се во режим на стенд но имаат нормален напон на батеријата, заповедувајќи ги да се поврзат, за да се спречи DC/DC конвертерот да се изклучи поради нискиот входен напон.
• ​Високопраг (20V):​​ Ако U_in > 20V, ограничува се поврзувањето на нови модули за да се осигура дека U_in не надминува максималниот входен напон на DC/DC конвертерот.
• ​Праг за заштита (12V):​​ Ако U_in < 12V, низата се смета за исчерпана, принудително се одсечува. Сите модули влегуваат во режим на стенд до кога доволен број батерији се преполне.

​3.3 Стратегија за мониторинг на ниво на систем (глобална заштита)​​
Мониторингот на ниво на систем се фокусира на осигурување на квалитетот на доставувањето на енергија, со напонот на DC шината (U_bus) како клучен параметар за мониторинг.

• ​Логика на контрола:​​ Напонот на DC шината се мониторира во реално време. Ако напонот падне под критичкиот праг (нпр., 80% од 24V систем, т.е. 22V), тоа указува на недостаток на целосна енергија на системот. Системот за мониторинг ќе изврши глобална командa за изклучување за заштита на инверторот и опремата за лопта, осигурувајќи квалитет на енергијата на страната на AC.

​IV. Метод за избор на клучни компоненти​

За да се реши проблемот со согласување помеѓу PV ћелии и аккумулаторски батерији, ова решение предлага метод за избор со цел максимално да се искористи ефикасноста на солнечката енергија.

• ​Основна идеја:​​ Во овој систем, рабочиот напон на PV ќелијата е ограничен од напонот на батеријата, што прави согласувањето на нивните параметри за напон критично.
• ​Модел за избор:​​ На база на инженерски математички модел на PV ќелијата (забележувајќи ги ефектите од температура и осветлување), ефикасноста на системот η се изведува како функција од напонот на батеријата U_BAT и напонот на максималната точка на моќ на PV ќелијата U_mp.
• ​Заклучок:​​ За 3.7V аккумулаторска батерија со рабоч напон околу 3.9V~4.0V, симулацијата покажува дека ефикасноста на системот во искористување на солнечката енергија е највисока кога U_mp на PV ќелијата е околу 4.25V. Затоа, во практика, U_mp на PV ќелијата треба да се контролира во опсегот од 4.2V ~ 4.3V.

​V. Очекувани резултати​

1. ​Значајно подобрување на ефикасноста:​​ Модуларното независно функционирање потполно елиминира внатрешните ефекти на „bucket-brigade“ и гореспоти на серијските структури, осигурувајќи ефикасно функционирање на секоја единица. Од друга страна, прецизното согласување на напоните помеѓу PV и аккумулаторите овозможува приближно слежување на MPP без дополнителни кола, што значително го подобрува коефициентот на генерирање на моќ.
2. ​Подобрен животен век и надежност:​​ Модуларната структура фундаментално решава проблемите со балансирање причинети од нестабилноста на батеријските пакети, избегнувајќи прекомерно зарежување и разряжување, што ефективно го продлабочува общият животен век на системот. Хиерархичната стратегија за мониторинг дава многу нивоа на заштита од локално до глобално ниво, значително го подобрува надежнивоста на системот.
3. ​Оптимизација на цена и удобна O&M:​​ Овој дизајн успешна елиминира потребата за комплексни MPPT праќачи и системи за управување со батерија (BMS), што ги намалува хардверските трошоци. Неговата „Lego-like“ архитектура го прави инсталирањето, одржувањето и проширувањето екстремно удобно. Нефункционирањето на еден модул не влијае на целостното функционирање, што ги намалува трошоците на жизнен циклус.