Een Nieuwe Modulaire Monitoringoplossing voor Fotovoltaïsche en Energie-opslag Elektriciteitsproductiesystemen

1. Inleiding en Onderzoeksachtergrond​

​1.1 Huidige Staat van de Zonnesector​
Als een van de meest voorkomende hernieuwbare energiebronnen is de ontwikkeling en het gebruik van zonne-energie centraal geworden in de globale energietransitie. In recente jaren, gedreven door beleidsmaatregelen over de hele wereld, heeft de fotovoltaïsche (PV) industrie explosieve groei doorgemaakt. Statistieken wijzen uit dat de PV-industrie in China tijdens de periode van de "12e Vijfjarenplan" een verbijsterende 168-voudige toename heeft ervaren. Tegen het einde van 2015 had de geïnstalleerde PV-capaciteit 40.000 MW overschreden, drie opeenvolgende jaren op de eerste plaats staand, met voortgezette groei verwacht in de toekomst.

​1.2 Bestaande Problemen en Technische Uitdagingen​
Ondanks de snelle ontwikkeling staan traditionele PV-energieopslagsystemen nog steeds voor talrijke technische knelpunten in praktische toepassingen:

• ​PV-arrayproblemen:​​ Om aan de spanning- en vermogensvereisten van de belasting te voldoen, worden meestal een groot aantal individuele PV-cellen in serie en parallel verbonden. Deze structuur is gevoelig voor gedeeltelijke verduistering, wat leidt tot "mismatch"-verliezen en hot-spot-effecten, die de systeemvermogensrendement en veiligheid aanzienlijk verlagen.
• ​Energieopslagbatterijpakketproblemen:​​ Batterijpakketten, ook met series-parallelconfiguraties, hebben inherent balanceringsproblemen. De ongelijkmatigheid van batterijen neemt toe met schaal, wat niet alleen de systeemcomplexiteit verhoogt, maar ook capaciteitsafname en verkorte levensduur veroorzaakt, waardoor grote-schalige toepassing wordt belemmerd.
• ​Tekortkomingen in Bestaande Technologieën:​​ Hoewel sommige onderzoekers passieve equalisatiebeheertechnieken hebben voorgesteld, verplaatsen deze methoden slechts het balanceringsprobleem zonder volledig rekening te houden met de impact van multi-module seriesverbindingen op downstream circuits. Ze missen ook wetenschappelijke richtlijnen voor de selectie van belangrijke componenten zoals PV-cellen.

​II. Algemene Systeemoplossing en Topologie​

Het kernpunt van deze oplossing is de bouw van een nieuw, modulair en schaalbaar krachtsysteemtopologie.

​2.1 Hiërarchisch Systeemopbouw​
Het systeem is hiërarchisch gestructureerd vanaf de basis-eenheid naar drie niveaus:

1. ​Module (Basis-eenheid):​​
• ​Samenstelling:​​ Een enkele PV-cel, een enkele opslagbatterij (met bijpassende spanning en capaciteit), 4 stroomschakelaars en een onafhankelijke controller.
• ​Functie:​​ Als de kleinste autonome eenheid beheert de controller de 4 schakelaars om onafhankelijke verbinding/ontkoppeling van de PV-cel en de batterij mogelijk te maken, waardoor flexibel wisselen tussen vijf bedrijfsmodi mogelijk is.
2. ​Serie-string:​​
• ​Samenstelling:​​ Gecreëerd door meerdere van bovenstaande modules in serie te verbinden.
• ​Functie:​​ Verhoogt de totale uitgangsspanning van de string om overeen te komen met het ingangsspanningsbereik van de downstream DC/DC boostconverter.
3. ​Systeem:​​
• ​Samenstelling:​​ Gecreëerd door meerdere serie-strings parallel te verbinden, convergerend via een DC/DC-converter naar een gemeenschappelijke DC-bus.
• ​Functie:​​ De DC-bus kan rechtstreeks stroom leveren aan DC-belastingen of, via een DC/AC-omvormer, stroom leveren aan AC-belastingen.

​2.2 Kernvoordelen​
Deze topologie elimineert fundamenteel de inherente verduisteringseffecten en batterijbalanseringsproblemen van traditionele seriesstructuren op fysiek niveau door zelfstandige cel-niveaucontrole. Met de juiste componentselectie staat het systeem toe dat PV-cellen consistent nabij hun Maximum Power Point (MPP) werken, waardoor extra MPPT-schakelingen en complexe Battery Management Systems (BMS) overbodig zijn.

​III. Hiërarchische Monitoringstrategie​

Deze oplossing maakt gebruik van een hiërarchische controlestrategie om verfijnde monitoring te realiseren van lokaal tot globaal niveau.

​3.1 Module-niveaumonitoringstrategie (zelfstandige controle)​​
Elke module schakelt zelfstandig tussen de volgende 5 bedrijfsmodi op basis van eigen status (PV-uitgangsspanning, batterijspanning):

​3.2 String-niveaumonitoringstrategie (spanningscoördinatiecontrole)​​
String-niveaumonitoring gebruikt de ingangsspanning (U_in) van de DC/DC-converter als belangrijkste parameter, stabiliserend door modules te verbinden/ontkoppelen.

• ​Controle-doel:​​ Zorg ervoor dat U_in binnen het toegestane werkingsbereik van de DC/DC-schakeling blijft (bijv. 12V ~ 22V).
• ​Drempelcontrolelogica (bijv. voor 24V-systeem):​​
• ​Lage spanningsdrempel (16V):​​ Als U_in < 16V, zoekt het monitoringssysteem automatisch naar modules binnen de string die in stand-by-modus zijn maar normale batterijlading hebben, en commandeert hen om te verbinden, waardoor de DC/DC niet uitschakelt vanwege lage ingangsspanning.
• ​Hoge spanningsdrempel (20V):​​ Als U_in > 20V, wordt de verbinding van nieuwe modules beperkt om ervoor te zorgen dat U_in de maximale ingangsspanning van de DC/DC niet overschrijdt.
• ​Protectiedrempel (12V):​​ Als U_in < 12V, wordt de string als leeg beschouwd, waardoor hij wordt afgesloten. Alle modules gaan in stand-by-modus totdat een voldoende aantal batterijen weer geladen is.

​3.3 Systeem-niveaumonitoringstrategie (globale bescherming)​​
Systeem-niveaumonitoring richt zich op het waarborgen van de kwaliteit van de stroomvoorziening, met de DC-busspanning (U_bus) als belangrijkste monitoringspunt.

• ​Controlelogica:​​ De DC-busspanning wordt in real-time bewaakt. Als de spanning onder een kritische drempel valt (bijv. 80% van de nominale spanning van een 24V-systeem, d.w.z. 22V), geeft dit aan dat de totale systeemenergie ontoereikend is. Het monitoringssysteem zal een globale uitschakelcommando uitvoeren om de omvormer en de belastingsapparatuur te beschermen, waardoor de kwaliteit van de stroom aan de AC-kant wordt gewaarborgd.

​IV. Methode voor Selectie van Belangrijke Componenten​

Om het matchingsprobleem tussen PV-cellen en opslagbatterijen aan te pakken, stelt deze oplossing een selectiemethode voor gericht op maximalisering van de efficiëntie van zonne-energiegebruik.

• ​Kernidee:​​ In dit systeem wordt de werkspanning van de PV-cel geklampt door de batterijspanning, waardoor de matching van hun spanningparameters cruciaal is.
• ​Selectiemodel:​​ Op basis van een ingenieursmathematisch model van de PV-cel (rekening houdend met temperatuur- en stralingseffecten) wordt de systeemefficiëntie η afgeleid als functie van de batterijspanning U_BAT en de maximumkrachtspanning U_mp van de PV-cel.
• ​Conclusie:​​ Voor een 3,7V opslagbatterij met een werkspanning rond 3,9V~4,0V geven simulatieresultaten aan dat de systeemefficiëntie van zonne-energiegebruik het hoogst is wanneer de U_mp van de PV-cel ongeveer 4,25V is. Daarom moet in de praktijk de U_mp van de PV-cel binnen het bereik van 4,2V ~ 4,3V worden gehouden.

​V. Verwachte Resultaten​

1. ​Significante Efficiëntieverbetering:​​ Modulaire zelfstandige werking elimineert volledig de inherente "bucket-brigade effecten" en hot-spotproblemen van seriesstructuren, waardoor elke eenheid efficiënt werkt. Tegelijkertijd stelt nauwkeurige spanningmatching tussen PV en opslag in staat om benaderde Maximum Power Point Tracking (MPPT) te realiseren zonder extra schakelingen, waardoor de opwek-efficiëntie aanzienlijk wordt verhoogd.
2. ​Verhoogde Levensduur en Betrouwbaarheid:​​ De modulaire structuur lost fundamenteel de balanceringsproblemen op die worden veroorzaakt door ongelijkmatigheden in batterijpakketten, waardoor overladen en -ontladen wordt voorkomen, waardoor de totale systeemlevensduur effectief wordt verlengd. De hiërarchische monitoringstrategie biedt meerdere lagen bescherming van lokaal tot globaal, waardoor de systeemrobustheid aanzienlijk wordt verbeterd.
3. ​Kostenoptimalisatie en Gemakkelijke O&M:​​ Dit ontwerp elimineert succesvol de noodzaak voor complexe MPPT-trackers en Battery Management Systems (BMS), waardoor hardwarekosten worden verlaagd. De "Lego-achtige" architectuur maakt installatie, onderhoud en uitbreiding uiterst gemakkelijk. Het falen van een enkele module heeft geen invloed op de algemene werking, waardoor de totale levenscycluskosten worden verlaagd.