Nowa modułowa rozwiązań monitorowania dla systemów fotowoltaicznych i magazynowania energii elektrycznej

1. Wprowadzenie i tło badawcze

1.1 Obecny stan branży słonecznej
Jako jedno z najbardziej obfitych źródeł odnawialnych, rozwój i wykorzystanie energii słonecznej stało się centralne dla globalnej transformacji energetycznej. W ostatnich latach, napędzane przez polityki na całym świecie, przemysł fotowoltaiczny (PV) doświadczył eksplozywnego wzrostu. Statystyki wskazują, że chiński przemysł PV doświadczył zaskakującego 168-krotnego wzrostu w okresie "Dwunastej Pięcioletniej Koncepcji". Do końca 2015 roku zainstalowana moc PV przekroczyła 40 000 MW, zajmując pierwsze miejsce na świecie trzy kolejne lata, z oczekiwanym dalszym wzrostem w przyszłości.

1.2 Istniejące problemy i wyzwania techniczne
Pomimo szybkiego rozwoju, tradycyjne systemy magazynowania energii PV nadal stoją przed wieloma technicznymi butelkami szyjkowymi w praktycznym zastosowaniu:

• Problemy z tablicą PV: Aby spełnić wymagania dotyczące napięcia i mocy obciążenia, zwykle połączona jest duża liczba indywidualnych komórek PV szeregowo i równolegle. Ta struktura jest podatna na częściowe zacienienie, prowadząc do strat "niezgodności" i efektów gorącego punktu, co znacznie zmniejsza wydajność generowania energii i bezpieczeństwo systemu.
• Problemy z pakietem baterii akumulatorowych: Pakiety baterii, również używające konfiguracji szeregowo-równoległych, mają problem z bilansowaniem. Niezgodność baterii pogarsza się wraz ze skalą, nie tylko zwiększając złożoność systemu, ale także powodując degradację pojemności i skracanie czasu życia, utrudniając szeroką aplikację.
• Niedostateczność istniejących technologii: Chociaż niektórzy badacze zaproponowali techniki pasywnej równowagi zarządzania, te metody tylko przesuwają problem bilansowania bez pełnego uwzględnienia wpływu szeregowego połączenia wielu modułów na obwody poniżej. Brakuje również naukowej wskazówki przy wyborze kluczowych komponentów, takich jak komórki PV.

II. Całkowite rozwiązanie systemowe i topologia

Kluczem tego rozwiązania jest budowa nowej, modułowej i skalowalnej topologii systemu energetycznego.

2.1 Hierarchiczna struktura systemu
System jest hierarchicznie zbudowany od podstawowej jednostki do trzech poziomów:

1. Moduł (podstawowa jednostka):
• Skład: Jedna komórka PV, jedna bateria magazynująca (z dopasowanym napięciem i pojemnością), 4 przełączniki mocy i niezależny kontroler.
• Funkcja: Jako najmniejsza autonomiczna jednostka, kontroler zarządza czterema przełącznikami, umożliwiając niezależne połączenie/rozłączenie komórki PV i baterii, umożliwiając elastyczne przełączanie między pięcioma trybami pracy.
2. Szereg:
• Skład: Utworzony poprzez połączenie kilku powyższych modułów szeregowo.
• Funkcja: Zwiększa całkowite napięcie wyjściowe szeregu, aby dopasować zakres napięcia wejściowego dolnego DC/DC konwertera boost.
3. System:
• Skład: Utworzony poprzez połączenie wielu szeregów równolegle, zbiegających się przez DC/DC konwerter do wspólnego DC busa.
• Funkcja: DC bus może bezpośrednio zasilać obciążenia DC lub, poprzez DC/AC inwerter, zasilać obciążenia AC.

2.2 Kluczowe zalety
Ta topologia, dzięki niezależnej kontroli na poziomie pojedynczej komórki, fundamentalnie eliminuje naturalne efekty zacienienia i problemy z bilansowaniem baterii w tradycyjnnych strukturach szeregowych na fizycznym poziomie. Dzięki odpowiedniemu wyborowi komponentów, system pozwala komórkom PV działać blisko swojego Maksymalnego Punkt Mocy (MPP) w sposób ciągły, eliminując potrzebę dodatkowych obwodów MPPT i złożonych Systemów Zarządzania Baterią (BMS).

III. Strategia monitorowania hierarchicznego

To rozwiązanie stosuje strategię hierarchicznego sterowania, aby osiągnąć szczegółowe monitorowanie od lokalnego do globalnego poziomu.

3.1 Strategia monitorowania na poziomie modułu (autonomiczne sterowanie)
Każdy moduł autonomicznie przełącza się między następującymi 5 trybami pracy, w zależności od własnego stanu (napięcia wyjściowego PV, napięcia baterii):

3.2 Strategia monitorowania na poziomie szeregu (sterowanie napięciem)
Monitorowanie na poziomie szeregu używa napięcia wejściowego DC/DC konwertera (U_in) jako kluczowego parametru, stabilizując napięcie poprzez połączenie/rozłączenie modułów.

• Cel sterowania: Zapewnić, aby U_in pozostawało w dopuszczalnym zakresie działania obwodu DC/DC (np. 12V ~ 22V).
• Logika sterowania progami (np. dla systemu 24V):
• Dolny próg napięcia (16V): Jeśli U_in < 16V, system monitorujący automatycznie wyszukuje moduły w trybie gotowości, ale z normalnym ładowaniem baterii, nakazując im połączyć, aby zapobiec wyłączeniu DC/DC z powodu niskiego napięcia wejściowego.
• Górny próg napięcia (20V): Jeśli U_in > 20V, ogranicza się połączenie nowych modułów, aby zapewnić, że U_in nie przekroczy maksymalnego napięcia wejściowego DC/DC.
• Próg ochronny (12V): Jeśli U_in < 12V, szereg uznaje się za wyczerpany, zmuszając go do rozłączenia. Wszystkie moduły wchodzą w tryb gotowości, aż do momentu, gdy wystarczająca liczba baterii odzyska ładunek.

3.3 Strategia monitorowania na poziomie systemu (globalna ochrona)
Monitorowanie na poziomie systemu skupia się na zapewnieniu jakości zasilania, z napięciem DC busa (U_bus) jako kluczowym punktem monitorowania.

• Logika sterowania: Napięcie DC busa jest monitorowane w czasie rzeczywistym. Jeśli napięcie spadnie poniżej krytycznego progu (np. 80% nominalnego napięcia systemu 24V, czyli 22V), oznacza to niewystarczającą całkowitą energię systemu. System monitorujący wykona polecenie globalnego wyłączenia, aby chronić inwerter i sprzęt obciążenia, zapewniając jakość zasilania po stronie AC.

IV. Metoda wyboru kluczowych komponentów

Aby rozwiązać problem dopasowania między komórkami PV a bateriami magazynującymi, to rozwiązanie proponuje metodę wyboru skierowaną na maksymalizację wykorzystania energii słonecznej.

• Główny pomysł: W tym systemie, napięcie pracy komórki PV jest zablokowane przez napięcie baterii, co sprawia, że dopasowanie ich parametrów napięcia jest kluczowe.
• Model wyboru: Na podstawie inżynierskiego modelu matematycznego komórki PV (z uwzględnieniem efektów temperatury i nasłonecznienia), wydajność systemu η jest wyprowadzana jako funkcja napięcia baterii U_BAT i napięcia maksymalnej mocy komórki PV U_mp.
• Podsumowanie: Dla baterii magazynującej 3.7V z napięciem pracy około 3.9V~4.0V, wyniki symulacji wskazują, że wydajność wykorzystania energii słonecznej jest najwyższa, gdy U_mp komórki PV wynosi około 4.25V. Dlatego w praktycznym wyborze, U_mp komórki PV powinno być kontrolowane w zakresie 4.2V ~ 4.3V.

V. Oczekiwane rezultaty

1. Znaczne zwiększenie wydajności: Modułowe działanie niezależne całkowicie eliminuje naturalny efekt wiaderka i problemy z gorącym punktem w strukturach szeregowych, zapewniając, że każda jednostka działa wydajnie. Tymczasem, dokładne dopasowanie napięcia między PV i magazynem umożliwia aproksymacyjne śledzenie maksymalnego punktu mocy (MPPT) bez dodatkowych obwodów, znacznie zwiększając wydajność generowania energii.
2. Zwiększenie żywotności i niezawodności: Struktura modułowa fundamentalnie rozwiązuje problemy z bilansowaniem spowodowane niezgodnościami pakietów baterii, unikając przeciążenia i przeciążenia, efektywnie przedłużając ogólną żywotność systemu. Hierarchiczna strategia monitorowania zapewnia wielopoziomową ochronę od lokalnego do globalnego poziomu, znacznie zwiększając odporność systemu.
3. Optymalizacja kosztów i wygodna obsługa: Ten projekt pomyślnie eliminuje potrzebę skomplikowanych śledzieli MPPT i Systemów Zarządzania Baterią (BMS), redukując koszty sprzętowe. Jego architektura "typu Lego" sprawia, że instalacja, konserwacja i rozszerzanie są niezwykle wygodne. Awaria jednego modułu nie wpływa na całość działania, obniżając całkowity koszt cyklu życia.