یو نوین حل مانیټورنګ لپاره پاڼې او انرژۍ ذخیره کولو د قدرت تولید سیستمونه د IEE-Business پراختیا
1. مقدمه و زمینه پژوهش
1.1 وضعیت فعلی صنعت خورشیدی
به عنوان یکی از غنی‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر، توسعه و استفاده از انرژی خورشیدی به مرکز انتقال جهانی انرژی تبدیل شده است. در سال‌های اخیر، با تحریک سیاست‌های جهانی، صنعت فتوولتائی (PV) رشد بی‌سابقه‌ای تجربه کرده است. آمار نشان می‌دهد که صنعت PV چین طی دوره "دوازدهمین برنامه پنج‌ساله" افزایش 168 برابری داشته است. تا پایان سال 2015، ظرفیت نصب شده PV بیش از 40,000 MW بوده و برای سه سال متوالی رتبه اول جهانی را کسب کرده است، با انتظار رشد مستمر در آینده.
1.2 مشکلات موجود و چالش‌های فنی
با وجود توسعه سریع، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی PV سنتی هنوز در کاربردهای عملی با چندین گلوگاه فنی مواجه هستند:
- مشکلات آرایه PV: برای تأمین نیازهای ولتاژ و قدرت بار، معمولاً تعداد زیادی سلول‌های PV به صورت سری و موازی متصل می‌شوند. این ساختار حساس به سایه‌گیری جزئی است که منجر به "تغییرات ناهماهنگ" و اثرات نقطه گرم می‌شود، که به طور قابل توجهی کارایی تولید برق و ایمنی سیستم را کاهش می‌دهد.
- مشکلات باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی: باتری‌ها نیز با استفاده از ساختار سری-موازی، مشکلات تعادل را دارند. عدم همگونی باتری‌ها با افزایش مقیاس بدتر می‌شود، نه تنها پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد بلکه باعث کاهش ظرفیت و کوتاه شدن عمر مفید می‌شود، که مانع کاربرد در مقیاس بزرگ می‌گردد.
- نقایص در فناوری‌های موجود: اگرچه برخی پژوهشگران روش‌های مدیریت توازن غیرفعال را پیشنهاد کرده‌اند، این روش‌ها تنها مشکل توازن را منتقل می‌کنند بدون در نظر گرفتن تأثیر اتصال سری چند ماژولی بر مدارهای پایین‌دستی. همچنین آنها هدایت علمی برای انتخاب اجزای کلیدی مانند سلول‌های PV را ندارند.
II. راه‌حل کلی سیستم و توپولوژی
هسته این راه‌حل ساخت یک توپولوژی قدرتی نوآورانه، ماژولی و قابل مقیاس است.
2.1 ترکیب سیستم سطحی
سیستم از واحد پایه به بالا در سه سطح ساختاری شده است:
- ماژول (واحد پایه):
- ترکیب: یک سلول PV، یک باتری ذخیره‌سازی (با ولتاژ و ظرفیت متناسب)، چهار کلید قدرت و یک کنترل‌کننده مستقل.
- کارکرد: به عنوان کوچک‌ترین واحد مستقل، کنترل‌کننده چهار کلید را مدیریت می‌کند تا اتصال و جدا شدن مستقل سلول PV و باتری را ممکن سازد و امکان تغییر میان پنج حالت عملکردی را فراهم کند.
- رشته سری:
- ترکیب: با اتصال چندین ماژول فوق به صورت سری تشکیل می‌شود.
- کارکرد: ولتاژ خروجی کل رشته را افزایش می‌دهد تا با محدوده ولتاژ ورودی مبدل DC/DC بوستر مطابقت دهد.
- سیستم:
- ترکیب: با اتصال چندین رشته سری به صورت موازی و همگرایی از طریق یک مبدل DC/DC به یک اتوبوس DC مشترک تشکیل می‌شود.
- کارکرد: اتوبوس DC می‌تواند مستقیماً به بارهای DC تغذیه کند یا از طریق یک مبدل DC/AC به بارهای AC تغذیه کند.
2.2 مزایای اصلی
این توپولوژی با کنترل مستقل در سطح سلول‌های فردی، به طور بنیادی اثرات سایه‌گیری و مشکلات توازن باتری‌های ساختارهای سری سنتی را در سطح فیزیکی حذف می‌کند. با انتخاب صحیح اجزا، سیستم اجازه می‌دهد سلول‌های PV به طور مداوم در نزدیکی نقطه توان ماکزیمم (MPP) عمل کنند، به طوری که نیاز به مدارهای MPPT اضافی و سیستم‌های مدیریت باتری پیچیده (BMS) حذف می‌شود.
III. استراتژی نظارت سطحی
این راه‌حل از استراتژی کنترل سطحی برای دستیابی به نظارت دقیق از سطح محلی تا سطح کلی استفاده می‌کند.
3.1 استراتژی نظارت سطح ماژول (کنترل خودکار)
هر ماژول به طور خودکار میان پنج حالت عملکردی زیر بر اساس وضعیت خود (ولتاژ خروجی PV، ولتاژ باتری) تغییر می‌کند:
|
حالت عملکرد |
وضعیت کلید (S1/S2/S3/S4) |
توضیح عملکرد |
شرایط تغییر معمول (مثلاً برای لیتیوم 3.7V) |
|
حالت 1: تأمین مشترک |
روشن/روشن/روشن/خاموش |
هر دو PV و باتری بار را تأمین می‌کنند. |
U_BAT عادی (3.0V~4.2V) AND نور کافی U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
|
حالت 2: تأمین فقط با PV |
خاموش/روشن/روشن/خاموش |
باتری جدا شده، فقط PV توان را تأمین می‌کند. |
U_BAT عادی BUT نور متوسط U_pv(oc) ≤ U_BAT + 0.2V |
|
حالت 3: تأمین فقط با باتری |
روشن/خاموش/روشن/خاموش |
PV جدا شده، فقط باتری توان را تأمین می‌کند. |
U_BAT عادی BUT بدون نور/شب. |
|
حالت 4: حالت ایست/عدم شارژ PV |
خاموش/خاموش/خاموش/روشن |
هر دو جدا شده، سیستم دور زده می‌شود، PV شارژ نمی‌شود. |
باتری پر (U_BAT ≥ 4.2V) AND ولتاژ ورودی U_in < 16V |
|
حالت 5: شارژ PV |
روشن/روشن/خاموش/روشن |
هر دو جدا شده، PV باتری را شارژ می‌کند. |
باتری کم‌شارژ (U_BAT < 3.0V) AND نور موجود U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
3.2 استراتژی نظارت سطح رشته (کنترل هماهنگی ولتاژ)
نظارت سطح رشته از ولتاژ ورودی مبدل DC/DC (U_in) به عنوان پارامتر کلیدی استفاده می‌کند و با اتصال و جدا کردن ماژول‌ها ولتاژ را پایدار می‌کند.
- هدف کنترل: اطمینان از آنکه U_in در محدوده عملکرد مجاز مدار DC/DC (مثلاً 12V ~ 22V) باقی بماند.
- منطق کنترل آستانه (مثلاً برای سیستم 24V):
- آستانه ولتاژ پایین (16V): اگر U_in < 16V، سیستم نظارت به طور خودکار در رشته به دنبال ماژول‌هایی که در حالت ایست هستند اما با شارژ باتری عادی، دستور می‌دهد تا متصل شوند، تا جلوی خاموش شدن مبدل DC/DC به دلیل ولتاژ ورودی پایین بگیرد.
- آستانه ولتاژ بالا (20V): اگر U_in > 20V، اتصال ماژول‌های جدید محدود می‌شود تا اطمینان حاصل شود که U_in از ولتاژ ورودی ماکزیمم مبدل DC/DC فراتر نرود.
- آستانه حفاظت (12V): اگر U_in < 12V، رشته به عنوان خالی شناخته می‌شود و به طور اجباری جدا می‌شود. تمام ماژول‌ها وارد حالت ایست می‌شوند تا تعداد کافی باتری‌ها شارژ کافی را بازیابی کنند.
3.3 استراتژی نظارت سطح سیستم (حفاظت کلی)
نظارت سطح سیستم روی تضمین کیفیت تأمین توان تمرکز دارد، با ولتاژ اتوبوس DC (U_bus) به عنوان نقطه کلیدی نظارت.
- منطق کنترل: ولتاژ اتوبوس DC به طور واقعی نظارت می‌شود. اگر ولتاژ زیر آستانه بحرانی (مثلاً 80% از رتبه سیستم 24V، یعنی 22V) بیفت، این نشان‌دهنده کمبود کلی انرژی سیستم است. سیستم نظارت دستور خاموشی کلی را اجرا می‌کند تا محافظت از مبدل و تجهیزات بار را تضمین کند و کیفیت توان سمت AC را حفظ کند.
IV. روش انتخاب اجزای کلیدی
برای حل مشکل تطابق بین سلول‌های PV و باتری‌های ذخیره‌سازی، این راه‌حل یک روش انتخاب ارائه می‌دهد که هدف آن حداکثرسازی کارایی استفاده از انرژی خورشیدی است.
- ایده اصلی: در این سیستم، ولتاژ عملیاتی سلول PV توسط ولتاژ باتری محدود می‌شود، که تطابق پارامترهای ولتاژ آنها بسیار مهم است.
- مدل انتخاب: بر اساس یک مدل ریاضی مهندسی سلول PV (با در نظر گرفتن اثرات دما و تابش)، کارایی سیستم η به عنوان یک تابع از ولتاژ باتری U_BAT و ولتاژ نقطه توان ماکزیمم سلول PV U_mp مشتق می‌شود.
- نتیجه: برای باتری ذخیره‌سازی 3.7V با ولتاژ عملیاتی حدود 3.9V~4.0V، نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که کارایی استفاده از انرژی خورشیدی سیستم در زمانی که U_mp سلول PV حدود 4.25V است بیشترین مقدار را دارد. بنابراین، در انتخاب عملی، U_mp سلول PV باید در محدوده 4.2V ~ 4.3V کنترل شود.
V. نتایج مورد انتظار
- بهبود قابل توجه کارایی: عملکرد مستقل ماژولی به طور کامل اثرات "سلب کارایی" و مشکلات نقطه گرم ساختارهای سری را حذف می‌کند، تا هر واحد به طور کارآمد عمل کند. همزمان، تطابق دقیق ولتاژ بین PV و ذخیره‌سازی امکان دنبال‌کردن تقریبی نقطه توان ماکزیمم (MPPT) را بدون مدارهای اضافی فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی کارایی تولید برق را افزایش می‌دهد.
- افزایش عمر مفید و قابلیت اطمینان: ساختار ماژولی به طور بنیادی چالش‌های توازن ناشی از عدم همگونی باتری‌ها را حل می‌کند، از شارژ و خالی‌شدن بیش از حد جلوگیری می‌کند و عمر کلی سیستم را افزایش می‌دهد. استراتژی نظارت سطحی محافظت چندلایه‌ای از سطح محلی تا سطح کلی را فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد.
- بهینه‌سازی هزینه و راحتی نگهداری و عملیات (O&M): این طراحی با موفقیت نیاز به مدارهای پیچیده MPPT و سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) را حذف می‌کند و هزینه‌های سخت‌افزاری را کاهش می‌دهد. ساختار "مانند لگو" آن نصب، نگهداری و گسترش را بسیار راحت می‌کند. خرابی یک ماژول تأثیری بر عملکرد کلی ندارد و هزینه کلی چرخه حیات را کاهش می‌دهد.
