नवीन मॉड्युलर मोनिटरिंग समाधान फोटोवोल्टेइक र ऊर्जा संचयन विद्युत उत्पादन प्रणालीको लागि

१. परिचय र अनुसन्धानको प्रसंग

१.१ सौर उद्योगको वर्तमान स्थिति
सबैभन्दा बढी अनुपलब्ध अनवधात ऊर्जा स्रोत भण्डा, सौर ऊर्जाको विकास र उपयोग ग्लोबल ऊर्जा ट्रान्झिशनको मध्येमा महत्वपूर्ण हुँदै परेको छ। देर-भएको वर्षहरूमा, विश्वभित्र नीतिहरूद्वारा प्रेरित हुने फोटोवोल्टेइक (PV) उद्योगले विस्फोटीय रूपमा विकास गरेको छ। सांख्यिकी दिँदै चिनिएको छ कि चीनको PV उद्योगले "१२वीं पाँच वर्षीय योजना" अवधिमा १६८ गुना वृद्धि देखेको छ। २०१५ को अन्तिममा, स्थापित PV क्षमता ४०,००० MW भन्दा बढी भएपछि, यो तीन लगातार वर्षहरूमा विश्वभित्र पहिलो स्थानमा रहेको छ, र भविष्यमा निरन्तर वृद्धि आशा गरिएको छ।

१.२ अस्तित्वमा रहेका समस्याहरू र तकनीकी चुनौतीहरू
तीव्र विकासको बावजुद, परम्परागत PV ऊर्जा संचयन प्रणालीहरूले व्यावहारिक अनुप्रयोगमा धेरै तकनीकी बाँधकामहरूसँग सामना गर्छन्:

• PV अरे समस्याहरू: लोड वोल्टेज र शक्ति आवश्यकताहरू पूरा गर्न, धेरै एकल PV सेलहरूलाई आमने-सामने र लगातार जोडिन्छ। यो संरचना आंशिक छायामा लाग्न सक्छ, जसले "मिसमैच" नुक्सान र होट-स्पॉट प्रभाव ल्याउँछ, जसले प्रणालीको शक्ति उत्पादन दक्षता र सुरक्षा ठूलो रूपमा घटाउँछ।
• ऊर्जा संचयन बैटरी पैक समस्याहरू: बैटरी पैकहरू पनि आमने-सामने र लगातार संरचनामा रहेका छन्, जुन स्वाभाविक रूपमा बैलेन्सिङ तथ्यांकहरूसँग सामना गर्छन्। बैटरी असमानता आकार बढ्दै बढ्दै बिग्रिन्छ, जसले प्रणालीको जटिलता बढाउँछ र क्षमता घटाउँछ र जीवनकाल छोटो बनाउँछ, जसले बड्दो परिमाणमा अनुप्रयोगलाई रोक्दछ।
• अस्तित्वमा रहेका तकनीकहरूको अपर्याप्तता: केही अनुसन्धानकर्ताहरूले पसिव इक्वलाइजेसन प्रबन्धन तकनीकहरू भन्ने विचार प्रस्तुत गरेका छन्, तर यी तरिकाहरू बस बैलेन्सिङ समस्यालाई थप्ने गर्छन् र बहु-मॉड्यूल श्रृंखला जोड्ने द्वितीयक परिपथहरूमा असरको पूर्ण विचार गर्दैन। यी तरिकाहरूमा PV सेलहरू जस्ता महत्वपूर्ण घटकहरूको चयनको लागि वैज्ञानिक निर्देशन छैन।

II. समग्र प्रणाली समाधान र टोपोलोजी

यो समाधानको मुख्य तत्व एउटा नयाँ, मॉड्यूलर, र स्केलेबल शक्ति प्रणाली टोपोलोजी निर्माण गर्ने हो।

२.१ टियर बाटो संरचना
प्रणालीले निम्न स्तरबाट ऊपर तीन टियरहरूमा संरचना गरिएको छ:

1. मॉड्यूल (मूल एकाइ):
• संरचना: एकल PV सेल, एकल संचयन बैटरी (मिलानीय वोल्टेज र क्षमता), ४ शक्ति स्विचहरू, र एक स्वतन्त्र नियन्त्रक।
• कार्य: सबैभन्दा निम्न स्वतन्त्र एकाइको रूपमा, नियन्त्रकले ४ स्विचहरू प्रबन्ध गर्दछ जसले PV सेल र बैटरीलाई स्वतन्त्र रूपमा जोड्न वा छोड्न सक्छ, पाँच विभिन्न कार्यान्वयन मोडहरूमा लचीलो रूपमा परिवर्तन गर्न सक्छ।
2. श्रृंखला श्रृंखला:
• संरचना: उपर्युक्त मॉड्यूलहरूलाई श्रृंखला रूपमा जोडेर बनेको।
• कार्य: श्रृंखलाको कुल आउटपुट वोल्टेज बढाउँदै, डाउनस्ट्रीम DC/DC बूस्ट कन्वर्टरको इनपुट वोल्टेज रेन्जमा मिलानीय बनाउँदछ।
3. प्रणाली:
• संरचना: धेरै श्रृंखला श्रृंखलाहरूलाई समान्तर जोडेर, एक सामान्य DC बसमा एकत्रित गरेको।
• कार्य: DC बसले डायरेक्ट डीसी लोडहरूलाई वा डीसी/एसी इन्वर्टर द्वारा एसी लोडहरूलाई शक्ति प्रदान गर्न सक्छ।

२.२ मुख्य फाइदाहरू
यो टोपोलोजी, एकल सेल स्तरको स्वतन्त्र नियन्त्रणको माध्यम द्वारा, त्यहाँ भौतिक स्तरमा परम्परागत श्रृंखला संरचनाहरूको आंशिक छायाको प्रभाव र बैटरी बैलेन्सिङ समस्याहरूलाई मूलमा दूर गर्छ। उचित घटक चयनको साथ, प्रणालीले PV सेलहरूलाई निरन्तर उनीहरूको अधिकतम शक्ति बिन्दु (MPP) जस्ता काम गर्न अनुमति दिँदछ, जसले अतिरिक्त MPPT परिपथहरू र जटिल बैटरी प्रबन्धन प्रणाली (BMS)को आवश्यकता ल्याउँदैन।

III. टियर बाटो निरीक्षण रणनीति

यो समाधानले टियर बाटो नियन्त्रण रणनीति अपनाएको छ जसले स्थानीय देखि व्यापक तर्फ रिफाइन्ड निरीक्षण गर्न सक्षम बनाउँदछ।

३.१ मॉड्यूल स्तरको निरीक्षण रणनीति (स्वतन्त्र नियन्त्रण)
प्रत्येक मॉड्यूलले आफ्नो स्थिति (PV आउटपुट वोल्टेज, बैटरी वोल्टेज) आधारमा निम्न ५ ऑपरेटिंग मोडहरूमा स्वतन्त्र रूपमा बदल्न सक्छ:

३.२ श्रृंखला स्तरको निरीक्षण रणनीति (वोल्टेज समन्वय नियन्त्रण)
श्रृंखला स्तरको निरीक्षण DC/DC कन्वर्टरको इनपुट वोल्टेज (U_in) लाई महत्वपूर्ण पैरामिटरको रूपमा प्रयोग गर्दछ, मॉड्यूलहरूलाई जोड्न वा छोड्न गरेर वोल्टेज स्थिर गर्दछ।

• नियन्त्रण लक्ष्य: U_in लाई DC/DC परिपथको अनुमत व्यापक रेन्जमा (उदाहरणका लागि १२V ~ २२V) राख्ने।
• थ्रेसहोल्ड नियन्त्रण तर्क (उदाहरणका लागि २४V प्रणाली):
• निम्न वोल्टेज थ्रेसहोल्ड (१६V): यदि U_in < १६V, निरीक्षण प्रणालीले स्वतःले श्रृंखलामा स्टेबाइ मोडमा रहेका तर नै सामान्य बैटरी चार्ज भएका मॉड्यूलहरू खोज्छ, तिनीहरूलाई जोड्ने आदेश दिन्छ, DC/DC को निम्न इनपुट वोल्टेजको कारण बन्द नहुने रोक्दछ।
• उच्च वोल्टेज थ्रेसहोल्ड (२०V): यदि U_in > २०V, नयाँ मॉड्यूलहरूको जोड्न रोकिने गरिन्छ जसले U_in लाई DC/DCको अधिकतम इनपुट वोल्टेज भन्दा बढी नहुने रोक्दछ।
• सुरक्षा थ्रेसहोल्ड (१२V): यदि U_in < १२V, श्रृंखला खाली भएको मानिन्छ, यसलाई बलातया छोड्न गरिन्छ। सबै मॉड्यूलहरू स्टेबाइ मोडमा प्रवेश गर्छन् जबसम्म पर्याप्त संख्यक बैटरीहरू चार्ज बराबर नहुने नहुन्छ।

३.३ प्रणाली स्तरको निरीक्षण रणनीति (व्यापक सुरक्षा)
प्रणाली स्तरको निरीक्षण शक्ति आपूर्ति गुणस्तर रक्षा गर्न ध्यान दिन्छ, जहाँ DC बस वोल्टेज (U_bus) महत्वपूर्ण निरीक्षण बिन्दु हुन्छ।

• नियन्त्रण तर्क: DC बस वोल्टेजलाई वास्तविक समयमा निरीक्षण गरिन्छ। यदि वोल्टेज एक महत्वपूर्ण थ्रेसहोल्ड (उदाहरणका लागि २४V प्रणालीको ८०% रेटिंग, अर्थात् २२V) भन्दा निम्न गर्छ, यो संकेत दिन्छ कि प्रणालीको कुल ऊर्जा अपर्याप्त छ। निरीक्षण प्रणालीले व्यापक बन्द आदेश अनुसरण गर्नेछ जसले इन्वर्टर र लोड उपकरणहरूलाई सुरक्षा गर्छ, एसी साइडमा शक्ति गुणस्तर रक्षा गर्दछ।

IV. मुख्य घटक चयन तरिका

PV सेलहरू र संचयन बैटरीहरूबीचको मिलान समस्यालाई समाधान गर्न, यो समाधानले सौर ऊर्जा उपयोग दक्षतालाई अधिकतम बनाउने लक्ष्यको लागि एक चयन तरिका प्रस्तुत गरेको छ।

• मुख्य विचार: यी प्रणालीमा, PV सेलको काम वोल्टेज बैटरी वोल्टेजद्वारा बाँधिएको छ, जसले उनीहरूको वोल्टेज पैरामिटरहरूको मिलान महत्वपूर्ण बनाउँछ।
• चयन मॉडल: PV सेलको अभियान्त्रिक गणितीय मॉडल (तापमान र आकारणको प्रभावलाई ध्यानमा लिएको) आधारमा, प्रणाली दक्षता η बैटरी वोल्टेज U_BAT र PV सेलको अधिकतम शक्ति बिन्दु वोल्टेज U_mp बीचको फलनको रूपमा निकालिएको छ।
• निष्कर्ष: ३.७V संचयन बैटरीको लागि, जसको काम वोल्टेज ३.९V~४.०V भन्दा बढी छ, सिमुलेशन नतिजाहरू दिँदै चिनिएको छ कि प्रणालीको सौर ऊर्जा उपयोग दक्षता अधिकतम छ जब PV सेलको U_mp लगभग ४.२५V हुन्छ। त्यसैले, व्यावहारिक चयनमा, PV सेलको U_mp ४.२V ~ ४.३V रेन्जमा नियन्त्रण गरिनुपर्छ।

V. अपेक्षित परिणामहरू

1. प्रमुख दक्षता सुधार: मॉड्यूलर स्वतन्त्र काम गर्ने ढाँचाले परम्परागत श्रृंखला संरचनाहरूको आंशिक "बकेट-ब्रिगेड असर" र होट-स्पॉट समस्याहरूलाई मूलमा दूर गर्छ, प्रत्येक एकाइलाई दक्षता सिधा गर्न सुनिश्चित गर्छ। एकै साथ, PV र संचयन बीच निश्चित वोल्टेज मिलान अतिरिक्त परिपथहरू बिना अनुमानित अधिकतम शक्ति बिन्दु ट्रैकिङ (MPPT) गर्न सक्षम बनाउँछ, जसले शक्ति उत्पादन दक्षतालाई ठूलो रूपमा सुधार्छ।
2. जीवनकाल र विश्वसनीयता बढाउन: मॉड्यूलर संरचनाले बैटरी पैक असमानताले उत्पन्न गरेका बैलेन्सिङ समस्याहरूलाई मूलमा समाधान गर्छ, ओवरचार्जिङ र ओवरडिस्चार्जिङ रोक्दछ, जसले कुल प्रणालीको जीवनकाल बढाउँछ। टियर बाटो निरीक्षण रणनीतिले स्थानीय देखि व्यापक तर्फ बहु तहको सुरक्षा प्रदान गर्छ, जसले प्रणालीको दृढता ठूलो रूपमा सुधार्छ।
3. लागत अनुकूलन र सुविधाजनक O&M: यो डिझाइनले जटिल MPPT ट्रैकरहरू र बैटरी प्रबन्धन प्रणालीहरू (BMS)को आवश्यकता ल्याउँदैन, जसले हार्डवेयर लागत घटाउँछ। यसको "लेगो-जस्ता" ढाँचाले स्थापना, रक्षणावेक्षण, र विस्तार अत्यन्त सुविधाजनक बनाउँछ। एकल मॉड्यूलको विफलता प्रणालीको कुल काम सामान्यतया प्रभावित गर्दैन, जसले कुल जीवनचक्र लागत घटाउँछ।