En ny modulær overvåkingsløsning for fotovoltektriske og energilagrings kraftgenereringssystemer

1.Introduksjon og forskningsbakgrunn

1.1 Nåværende tilstand i solindustrien
Som en av de mest rikelige fornybare energikildene, har utvikling og bruk av solenergi blitt sentralt for den globale energiovergangen. I løpet av de siste årene, drevet av politikk over hele verden, har fotovoltaikk (PV) industri opplevd eksplosiv vekst. Statistikk viser at Kinas PV-industri så en stødig 168-gang økning under "12. femårplan". Ved slutten av 2015 hadde installert PV-kapasiteten overskred 40 000 MW, og var rangert som nummer ett globalt i tre påfølgende år, med fortsatt vekst forventet i fremtiden.

1.2 Eksisterende problemer og tekniske utfordringer
Trotters rask utvikling, står tradisjonelle PV-energilagringsystemer fremdeles overfor mange tekniske flaskenhalsproblemer i praksis:

• Problemer med PV-gruppe: For å møte krav om lastspennings- og effekt, er det vanligvis mange individuelle PV-celler koblet sammen i serie og parallelle. Denne strukturen er følsom for delvis skygging, noe som fører til "mismatch"-tap og hot-spot-effekter, som betydelig reduserer systemets kraftproduksjons-effektivitet og sikkerhet.
• Problemer med energilagringsbatteripakke: Batteripakker, som også bruker serie-parallell konfigurasjon, står overfor balansepunktsproblemer. Batteriinkonsistens forverres med størrelse, ikke bare øker systemkompleksiteten, men også fører til kapasitetsnedgang og forkortet levetid, som hindrer storstilt anvendelse.
• Mangel på eksisterende teknologier: Selv om noen forskere har foreslått passive likestillingsforvaltningsmetoder, flytter disse metodene bare balansepunktproblemet uten å ta hensyn til effekten av flermodulserieforbindelse på nedre kretser. De mangler også vitenskapelig veiledning for valg av nøkkelenheter som PV-celler.

II. Helhetlig systemløsning og topologi

Kjernen i denne løsningen er å bygge et nytt, modulært og skalbart strømsystemtopologi.

2.1 Hierarkisk systemoppbygging
Systemet er strukturert hierarkisk fra grunnleggende enhet og oppover i tre nivåer:

1. Modul (grunnleggende enhet):
• Sammensetning: En enkelt PV-celle, en enkelt lagringbatteri (med matchende spenning og kapasitet), 4 strømsveitslag, og en uavhengig kontroller.
• Funksjon: Som den minste autonome enheten, kontrollerer kontrolleren de fire sveitsene for å muliggjøre uavhengig kobling/frakobling av PV-cellen og batteriet, og tillater fleksibel skifte mellom fem driftsmodus.
2. Serie-streng:
• Sammensetning: Danner ved å koble flere av de ovennevnte modulene i serie.
• Funksjon: Øker total outputspenningen av strengen for å matche inngangsspenningsspenningsområdet til nedstrems DC/DC boost-konverter.
3. System:
• Sammensetning: Dannes ved å koble flere serie-strenger parallelt, sammentreffende gjennom en DC/DC-konverter til en felles DC-buss.
• Funksjon: DC-bussen kan direkte forsyne DC-laster eller, via en DC/AC-inverter, forsyne AC-laster.

2.2 Kjernefordeler
Denne topologien, gjennom individuell celle-nivåuavhengig kontroll, eliminere i grunnen de innherente skyggingseffektene og batteribalansepunktsproblemen av tradisjonelle seriestrukturer på fysisk nivå. Med riktig komponentvalg, lar systemet PV-celler operere nær deres Maksimalt Effekt Punkt (MPP) konsekvent, dermed eliminere behovet for ekstra MPPT-sirkuitter og komplekse Batteriadministrasjonssystemer (BMS).

III. Hierarkisk overvåkningsstrategi

Denne løsningen bruker en hierarkisk kontrollstrategi for å oppnå raffinert overvåking fra lokal til global nivå.

3.1 Modulnivå-overvåkningsstrategi (autonom kontroll)
Hvert modul skifter autonomt mellom de følgende 5 driftsmodusene basert på sin egen status (PV-utspenning, batterispenning):

3.2 Strengnivå-overvåkningsstrategi (spenningssammenhengskontroll)
Strengnivå-overvåking bruker DC/DC-konverterens inngangsspenning (U_in) som hovedparameter, stabiliserer spenning ved å koble/frakoble moduler.

• Kontrollobjectiv: Sikre at U_in forblir innenfor DC/DC-sirkuits tillatte driftsområde (f.eks. 12V ~ 22V).
• Terskelkontrolllogikk (f.eks. for 24V-system):
• Lavspenning terskel (16V): Hvis U_in < 16V, søker overvåkingssystemet automatisk etter moduler innenfor strengen som er i standby-modus, men har normal batteriladning, beordrer dem til å koble, unngå at DC/DC slutter pga lav inngangsspenning.
• Høy spenning terskel (20V): Hvis U_in > 20V, begrenses koblingen av nye moduler for å sikre at U_in ikke overstiger DC/DCs maksimale inngangsspenning.
• Skyldterskel (12V): Hvis U_in < 12V, anses strengen for tømt, frakobles tvungent. Alle moduler går inn i standby-modus inntil et tilstrekkelig antall batterier gjenoppretter ladning.

3.3 Systemnivå-overvåkningsstrategi (global beskyttelse)
Systemnivå-overvåking fokuserer på å sikre kraftforsyningens kvalitet, med DC-bussens spenning (U_bus) som hovedovervåkningspunkt.

• Kontrolllogikk: DC-bussens spenning overvåkes i sanntid. Hvis spenningen faller under en kritisk terskel (f.eks. 80% av 24V-systemets rating, altså 22V), indikerer dette utilstrekkelig total systemenergi. Overvåkingssystemet vil utføre en global shutdown-kommando for å beskytte inverter og lastutstyr, sikre AC-side kraftkvalitet.

IV. Metode for valg av nøkkelenheter

For å løse matchingsproblemet mellom PV-celler og lagringbatterier, foreslår denne løsningen en valgmetode rettet mot maksimering av solenergienytteffektiviteten.

• Kjerneide: I dette systemet er driftsspenningen av PV-cellen klampet av batterispenningen, gjør matching av deres spenningsparametre kritisk.
• Valgmodell: Basert på en ingeniørmatematisk modell av PV-cellen (tar hensyn til temperatur- og strålingsvirksomhet), deriveres systemeffektiviteten η som en funksjon av batterispenningen U_BAT og PV-cellens maksimal effektpunktspenning U_mp.
• Konklusjon: For et 3,7V lagringbatteri med driftsspenning rundt 3,9V~4,0V, indikerer simuleringer at systemets solenergienytteeffektivitet er høyest når PV-cellens U_mp er omtrent 4,25V. Derfor, i praksis valg, bør PV-cellens U_mp kontrolleres innenfor området 4,2V ~ 4,3V.

V. Forventede resultater

1. Betydelig effektivitetsforbedring: Modulær uavhengig drift eliminerer helt den innherente "bucket-brigade-effekten" og hot-spot-problemene av seriestrukturer, sikrer at hver enhet opererer effektivt. Samtidig, nøyaktig spenningsmatching mellom PV og lagring muliggjør tilnærmet Maksimal Effekt Punkt Sporing (MPPT) uten ekstra sirkuitter, øker betydelig kraftproduksjons-effektiviteten.
2. Økt levetid og pålitelighet: Modulær struktur løser fundamentalt balansegjennomsiktigheten forårsaket av batteripakkeinkonsistens, unngår overladning og overfraladning, effektivt forlenget total systemlevetid. Hierarkisk overvåkningsstrategi gir flere beskyttelseslag fra lokal til global nivå, øker betydelig systemrobusthet.
3. Kostnadsoptimalisering og bekvemt O&M: Denne designen fjerner behovet for komplekse MPPT-sporende og Batteriadministrasjonssystemer (BMS), reduserer hardvarekostnader. Dens "Lego-lignende" arkitektur gjør installasjon, vedlikehold og utvidelse ekstremt bekvem. Mislykket av en enkelt modul påvirker ikke total drift, reduserer total livssykluskostnad.