Новая модульная система мониторинга для фотovoltaчных и систем хранения энергии

1. Введение и исследовательский контекст

1.1 Текущее состояние солнечной отрасли
В качестве одного из наиболее обильных возобновляемых источников энергии, развитие и использование солнечной энергии стало центральным в глобальном переходе на энергию. В последние годы, под влиянием политики во всем мире, фотоэлектрическая (ФЭ) промышленность пережила взрывной рост. Статистика показывает, что китайская ФЭ-индустрия за период "Двенадцатой пятилетки" выросла в 168 раз. К концу 2015 года установленная мощность ФЭ превысила 40 000 МВт, занимая первое место в мире три года подряд, с ожидаемым дальнейшим ростом в будущем.

1.2 Существующие проблемы и технические вызовы
Несмотря на быстрое развитие, традиционные системы хранения ФЭ-энергии по-прежнему сталкиваются с множеством технических ограничений в практическом применении:

• Проблемы с ФЭ-массивами: Для удовлетворения требований к напряжению и мощности нагрузки обычно соединяется большое количество отдельных ФЭ-элементов последовательно и параллельно. Эта структура уязвима к частичному затенению, что приводит к потерям из-за "несоответствия" и эффекту горячих точек, значительно снижая эффективность и безопасность генерации системы.
• Проблемы с аккумуляторными батареями: Аккумуляторные батареи, также использующие последовательно-параллельные конфигурации, изначально сталкиваются с проблемами балансировки. Несоответствие батарей усиливается с увеличением масштаба, что не только повышает сложность системы, но и приводит к деградации емкости и сокращению срока службы, препятствуя широкому применению.
• Недостатки существующих технологий: Хотя некоторые исследователи предложили методы пассивного управления равномерностью, эти методы лишь перемещают проблему балансировки, не полностью учитывая влияние многомодульного последовательного соединения на下游电路的影响。此外，这些方法在选择关键组件（如光伏电池）方面也缺乏科学指导。 II. 整体系统解决方案和拓扑结构 该解决方案的核心是构建一种新型的、模块化且可扩展的电源系统拓扑结构。 2.1 分层系统组成 系统从基本单元向上分层构成三个层次： 1. **模块（基本单元）：** - **组成：** 单个光伏电池、单个储能电池（电压和容量匹配）、4个功率开关和一个独立控制器。 - **功能：** 作为最小的自治单元，控制器管理4个开关，使光伏电池和电池能够独立连接或断开，允许灵活切换五种工作模式。 2. **串联串：** - **组成：** 由多个上述模块串联而成。 - **功能：** 增加串的总输出电压以匹配下游DC/DC升压转换器的输入电压范围。 3. **系统：** - **组成：** 由多个串联串并联组成，通过DC/DC转换器汇聚到一个公共直流母线上。 - **功能：** 直流母线可以直接为直流负载供电，或者通过DC/AC逆变器为交流负载供电。 2.2 核心优势 通过单个电池级别的独立控制，这种拓扑从根本上消除了传统串联结构固有的阴影效应和电池平衡问题。通过适当的组件选择，系统允许光伏电池始终在其最大功率点（MPP）附近运行，从而无需额外的MPPT电路和复杂的电池管理系统（BMS）。 III. 分层监控策略 该解决方案采用分层控制策略，实现从局部到全局的精细化监控。 3.1 模块级监控策略（自主控制） 每个模块根据自身状态（光伏输出电压、电池电压）自主在以下5种工作模式之间切换： | 工作模式 | 开关状态 (S1/S2/S3/S4) | 操作描述 | 典型切换条件（例如，对于3.7V锂离子电池） | | --- | --- | --- | --- | | **模式1：联合供电** | ON/ON/ON/OFF | 光伏和电池同时向负载供电。 | 正常U_BAT (3.0V~4.2V) AND 充足光照 U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V | | **模式2：仅光伏供电** | OFF/ON/ON/OFF | 断开电池，仅光伏供电。 | 正常U_BAT BUT 中等光照 U_pv(oc) ≤ U_BAT + 0.2V | | **模式3：仅电池供电** | ON/OFF/ON/OFF | 断开光伏，仅电池供电。 | 正常U_BAT BUT 无光照/夜间。 | | **模式4：待机/光伏不充电** | OFF/OFF/OFF/ON | 两者都断开，系统旁路，光伏不充电。 | 电池满电 (U_BAT ≥ 4.2V) AND 输入电压 U_in < 16V | | **模式5：光伏充电** | ON/ON/OFF/ON | 两者都断开，光伏给电池充电。 | 电池欠压 (U_BAT < 3.0V) AND 有光照 U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V | 3.2 串级监控策略（电压协调控制） 串级监控使用DC/DC转换器的输入电压 (U_in) 作为关键参数，通过连接或断开模块来稳定电压。 - **控制目标：** 确保U_in保持在DC/DC电路的允许工作范围内（例如，12V ~ 22V）。 - **阈值控制逻辑（例如，对于24V系统）：** - **低电压阈值 (16V)：** 如果U_in < 16V，监控系统会自动搜索串中处于待机模式但电池充电正常的模块，命令它们连接，防止由于输入电压过低导致DC/DC关闭。 - **高电压阈值 (20V)：** 如果U_in > 20V，限制新模块的连接，确保U_in不超过DC/DC的最大输入电压。 - **保护阈值 (12V)：** 如果U_in < 12V，认为串已耗尽，强制断开。所有模块进入待机模式，直到足够数量的电池恢复充电。 3.3 系统级监控策略（全局保护） 系统级监控重点在于确保供电质量，以直流母线电压 (U_bus) 作为关键监控点。 - **控制逻辑：** 实时监控直流母线电压。如果电压低于临界阈值（例如，24V系统的80%，即22V），则表明系统总能量不足。监控系统将执行全局关机命令，保护逆变器和负载设备，确保交流侧的供电质量。 IV. 关键组件选择方法 为解决光伏电池与储能电池之间的匹配问题，该解决方案提出了一种旨在最大化太阳能利用效率的选择方法。 - **核心思想：** 在此系统中，光伏电池的工作电压由电池电压钳制，因此其电压参数的匹配至关重要。 - **选择模型：** 基于光伏电池的工程数学模型（考虑温度和辐照度影响），推导出系统效率η作为电池电压U_BAT和光伏电池最大功率点电压U_mp的函数。 - **结论：** 对于3.7V的储能电池，工作电压约为3.9V~4.0V，仿真结果表明，当光伏电池的U_mp约为4.25V时，系统的太阳能利用效率最高。因此，在实际选择中，光伏电池的U_mp应控制在4.2V ~ 4.3V范围内。 V. 预期成果 1. **显著提高效率：** 模块化独立运行完全消除了传统串联结构固有的“桶队效应”和热点问题，确保每个单元高效运行。同时，光伏和储能之间的精确电压匹配实现了近似的最大功率点跟踪（MPPT），无需额外电路，大大提高了发电效率。 2. **延长寿命和可靠性：** 模块化结构从根本上解决了电池组不一致性引起的平衡挑战，避免了过充和过放，有效延长了整个系统的寿命。分层监控策略提供了从局部到全局的多层次保护，显著提高了系统的鲁棒性。 3. **成本优化和便捷运维：** 该设计成功消除了对复杂MPPT跟踪器和电池管理系统（BMS）的需求，降低了硬件成本。其“乐高式”架构使得安装、维护和扩展极其方便。单个模块的故障不会影响整体运行，降低了整个生命周期的成本。