Penyelesaian Pemantauan Modul Baharu untuk Sistem Penjanaan Tenaga Fotovoltaik dan Penyimpanan Tenaga

1. Pengenalan dan Latar Belakang Penyelidikan​

​1.1 Keadaan Semasa Industri Solar​
Sebagai salah satu sumber tenaga boleh diperbaharui yang paling melimpah, pembangunan dan penggunaan tenaga solar telah menjadi pusat kepada peralihan tenaga global. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, didorong oleh dasar-dasar di seluruh dunia, industri fotovoltaik (PV) telah mengalami pertumbuhan yang luar biasa. Statistik menunjukkan bahawa industri PV China telah melihat peningkatan 168 kali semasa tempoh "Rancangan Lima Tahun Kedua". Pada akhir tahun 2015, kapasiti PV yang dipasang telah melebihi 40,000 MW, menduduki peringkat pertama secara global untuk tiga tahun berturut-turut, dengan pertumbuhan yang dijangka berterusan pada masa hadapan.

​1.2 Masalah Sedia Ada dan Cabaran Teknikal​
Walaupun perkembangan yang cepat, sistem penyimpanan tenaga PV tradisional masih menghadapi banyak botol leher teknikal dalam aplikasi praktikal:

• ​Masalah Array PV:​​ Untuk memenuhi keperluan voltan dan kuasa beban, sejumlah besar sel PV biasanya disambungkan secara siri dan selari. Struktur ini mudah terdedah kepada pengecualian sebahagian, menyebabkan "kehilangan ketidakseimbangan" dan kesan hot-spot, yang secara signifikan mengurangkan kecekapan generasi tenaga dan keselamatan sistem.
• ​Masalah Paket Bateri Penyimpanan Tenaga:​​ Paket bateri, juga menggunakan konfigurasi siri-selari, secara inheren menghadapi masalah keseimbangan. Ketidakseragaman bateri makin parah dengan skala, tidak hanya meningkatkan kompleksiti sistem tetapi juga menyebabkan penurunan kapasiti dan jangka hayat yang lebih pendek, menghalang aplikasi berskala besar.
• ​Kekurangan dalam Teknologi Sedia Ada:​​ Walaupun beberapa penyelidik telah mencadangkan teknik-teknik pengurusan keseimbangan pasif, kaedah-kaedah ini hanya mengalihkan masalah keseimbangan tanpa mempertimbangkan sepenuhnya kesan sambungan siri modul berbilang pada litar hilir. Mereka juga kurang panduan saintifik untuk pemilihan komponen penting seperti sel PV.

​II. Penyelesaian Sistem Keseluruhan dan Topologi​

Inti penyelesaian ini adalah untuk membina topologi sistem kuasa yang baru, modular, dan boleh ditingkatkan.

​2.1 Komposisi Sistem Berperingkat​
Sistem ini dibentuk secara berperingkat dari unit asas hingga ke tiga peringkat:

1. ​Modul (Unit Asas):​​
• ​Komposisi:​​ Satu sel PV, satu bateri penyimpanan (dengan voltan dan kapasiti yang sepadan), 4 switch kuasa, dan pengawal bebas.
• ​Fungsi:​​ Sebagai unit autonomi terkecil, pengawal menguruskan 4 switch untuk membolehkan sambungan/pemutusan sel PV dan bateri secara bebas, membolehkan peralihan fleksibel antara lima mod operasi.
2. ​Rantai Siri:​​
• ​Komposisi:​​ Dibentuk dengan menyambung beberapa modul di atas secara siri.
• ​Fungsi:​​ Meningkatkan voltan output total rantai untuk sepadan dengan julat voltan input pemindah DC/DC boost.
3. ​Sistem:​​
• ​Komposisi:​​ Dibentuk dengan menyambung beberapa rantai siri secara selari, berkumpul melalui pemindah DC/DC ke bas DC umum.
• ​Fungsi:​​ Bas DC boleh mensupply kuasa langsung kepada beban DC atau, melalui inverter DC/AC, mensupply kuasa kepada beban AC.

​2.2 Kelebihan Inti​
Topologi ini, melalui kawalan bebas pada tahap sel individu, secara fundamental menghapuskan kesan naungan dan isu keseimbangan bateri struktur siri tradisional pada tahap fizikal. Dengan pemilihan komponen yang sesuai, sistem membolehkan sel PV beroperasi dekat dengan Titik Kuasa Maksimum (MPP) secara konsisten, dengan itu menghapuskan keperluan untuk litar MPPT tambahan dan Sistem Pengurusan Bateri (BMS) yang rumit.

​III. Strategi Pemantauan Berperingkat​

Penyelesaian ini mengambil strategi kawalan berperingkat untuk mencapai pemantauan halus dari aras lokal hingga global.

​3.1 Strategi Pemantauan Aras Modul (Kawalan Autonom)​​
Setiap modul secara autonomi beralih antara lima mod operasi berikut berdasarkan statusnya sendiri (voltan output PV, voltan bateri):

​3.2 Strategi Pemantauan Aras Rantai (Kawalan Koordinasi Voltan)​​
Pemantauan aras rantai menggunakan voltan input pemindah DC/DC (U_in) sebagai parameter utama, menstabilkan voltan dengan menyambung/memutuskan modul.

• ​Objektif Kawalan:​​ Pastikan U_in kekal dalam julat operasi yang dibenarkan oleh litar DC/DC (contohnya, 12V ~ 22V).
• ​Logik Kawalan Ambang (contohnya, untuk sistem 24V):​​
• ​Ambang Voltan Rendah (16V):​​ Jika U_in < 16V, sistem pemantauan secara automatik mencari modul dalam rantai yang berada dalam mod siaga tetapi memiliki isi bateri normal, memerintahkan mereka untuk menyambung, mencegah pemindah DC/DC mati kerana voltan input rendah.
• ​Ambang Voltan Tinggi (20V):​​ Jika U_in > 20V, sambungan modul baru dibatasi untuk memastikan U_in tidak melebihi voltan input maksimum pemindah DC/DC.
• ​Ambang Perlindungan (12V):​​ Jika U_in < 12V, rantai dianggap habis, diputuskan secara paksa. Semua modul masuk ke mod siaga sehingga sejumlah bateri cukup pulih isiannya.

​3.3 Strategi Pemantauan Aras Sistem (Perlindungan Global)​​
Pemantauan aras sistem fokus pada memastikan kualitas bekalan kuasa, dengan voltan bas DC (U_bus) sebagai titik pemantauan utama.

• ​Logik Kawalan:​​ Voltan bas DC dipantau secara real-time. Jika voltan jatuh di bawah ambang kritis (contohnya, 80% daripada rating sistem 24V, iaitu 22V), ia menunjukkan tenaga sistem secara keseluruhan tidak mencukupi. Sistem pemantauan akan melaksanakan arahan shutdown global untuk melindungi inverter dan peralatan beban, memastikan kualitas kuasa sisi AC.

​IV. Kaedah Pemilihan Komponen Utama​

Untuk menangani masalah padanan antara sel PV dan bateri penyimpanan, penyelesaian ini mencadangkan kaedah pemilihan yang bertujuan untuk memaksimumkan kecekapan penggunaan tenaga solar.

• ​Idea Inti:​​ Dalam sistem ini, voltan operasi sel PV ditetapkan oleh voltan bateri, menjadikan padanan parameter voltan mereka sangat penting.
• ​Model Pemilihan:​​ Berdasarkan model matematik enjinering sel PV (mengambil kira kesan suhu dan sinaran), kecekapan sistem η diturunkan sebagai fungsi voltan bateri U_BAT dan voltan titik kuasa maksimum sel PV U_mp.
• ​Kesimpulan:​​ Untuk bateri penyimpanan 3.7V dengan voltan operasi sekitar 3.9V~4.0V, hasil simulasi menunjukkan bahawa kecekapan penggunaan tenaga solar sistem tertinggi apabila U_mp sel PV kira-kira 4.25V. Oleh itu, dalam pemilihan praktikal, U_mp sel PV harus dikawal dalam julat 4.2V ~ 4.3V.

​V. Hasil yang Dijangka​

1. ​Penambahbaikan Kecekapan yang Signifikan:​​ Operasi modul independen sepenuhnya menghapuskan "kesan bucket-brigade" dan isu hot-spot struktur siri, memastikan setiap unit beroperasi dengan cekap. Secara serentak, padanan voltan tepat antara PV dan penyimpanan membolehkan pelacakan Titik Kuasa Maksimum (MPPT) yang hampir tepat tanpa litar tambahan, meningkatkan kecekapan generasi kuasa dengan ketara.
2. ​Penambahbaikan Jangka Hayat dan Kebolehpercayaan:​​ Struktur modul secara fundamental menyelesaikan cabaran keseimbangan yang disebabkan oleh ketidakseragaman paket bateri, mengelakkan overcharging dan over-discharging, secara efektif memanjangkan jangka hayat sistem secara keseluruhan. Strategi pemantauan berperingkat memberikan pelindungan berlapis dari aras lokal hingga global, meningkatkan ketahanan sistem secara signifikan.
3. ​Optimisasi Kos dan Pemeliharaan yang Mudah:​​ Reka bentuk ini berhasil menghapuskan keperluan untuk tracker MPPT yang rumit dan Sistem Pengurusan Bateri (BMS), mengurangkan kos hardw