Inovativna modularna rešitev za nadzor fotovoltačnih in sistemov za shranjevanje energije

1. Uvod in raziskovalno ozadje​

​1.1 Trenutno stanje solarnega sektorja​
Kot eden najbolj obilnih obnovljivih virov energije je razvoj in uporaba sončne energije postala ključna za globalno prehod na zelene viri energije. V zadnjih letih, pod spodbudo politik po vsem svetu, je fotovoltaška (PV) industrija doživela eksplozivni rast. Statistika kaže, da je kitajska PV industrija doživela neverjetno 168-kratno povečanje med obdobjem "12. petletnega načrta". Do konca leta 2015 je nameščena PV kapaciteta presegla 40.000 MW, kar je bilo tri leta zapored prvo mesto na svetu, s predvidenim nadaljnjim rastom v prihodnosti.

​1.2 Obstojajoče težave in tehnične izzive​
Čeprav je bila hitra rast, tradicionalni sistemi za shranjevanje PV energije še vedno soočajo z mnogimi tehničnimi ovirami v praktični uporabi:

• ​Težave s PV poljem:​​ Za izpolnitev zahtev glede naponov in moči obremenitev so običajno povezani veliki število posameznih PV celic v vrsto in vzporedno. Ta struktura je občutljiva na delno senčenje, kar vodi do "mismatch" izgub in efektov točk, ki znatno zmanjšata učinkovitost proizvodnje sistema in varnost.
• ​Težave s paketom akumulatorjev za shranjevanje energije:​​ Paketi akumulatorjev, ki tudi uporabljajo vrstno-vzporedno konfiguracijo, so od rojstva soočeni z problemi ravnotežja. Neskladje baterij se poglablja s širino, ne le, da povečuje kompleksnost sistema, ampak tudi povzroča degradacijo kapacitete in skrajšanje življenjske dobe, kar preprečuje večjo uporabo.
• ​Nedostatki obstoječih tehnologij:​​ Čeprav so nekateri raziskovalci predlagali pasivne metode za ravnotežje, te metode le premaknejo problem ravnotežja brez popolnega upoštevanja vpliva večmodulne vrstne povezave na dolgočasne krinke. Prav tako manjkajo znanstveni smernice za izbiro ključnih komponent, kot so PV celice.

​II. Splošno reševanje sistema in topologija​

Jedro te rešitve je gradnja nove, modulne in skalabilne topologije električnega sistema.

​2.1 Hierarhična sestava sistema​
Sistem je hierarhično strukturiran od osnovne enote navzgor v tri ravni:

1. ​Modul (osnovna enota):​​
• ​Sestava:​​ Posamezna PV cela, posamezen akumulator za shranjevanje (z ujemajočim se napetostjo in kapaciteto), 4 preklopniki moči in samostojni regulirnik.
• ​Funkcija:​​ Kot najmanjša samostojna enota regulirnik upravlja 4 preklopnike, da omogoči samostojno povezovanje/odklop PV celice in akumulatorja, omogoča fleksibilno preklopitev med petimi operativnimi načini.
2. ​Vrstni niz:​​
• ​Sestava:​​ Oblikovan z povezovanjem več zgornjih modulov v vrsto.
• ​Funkcija:​​ Poveča skupno izhodno napetost niza, da se ujame s vhodnim naponskim obsegom DC/DC pojačevalnika.
3. ​Sistem:​​
• ​Sestava:​​ Oblikovan z povezovanjem več vrstnih nizov vzporedno, ki se združujejo skozi DC/DC pretvornik na skupno DC bus.
• ​Funkcija:​​ DC bus lahko neposredno oskrbuje DC obremenitve ali, skozi DC/AC inverter, oskrbuje AC obremenitve.

​2.2 Ključne prednosti​
Ta topologija, s samostojnim nadzorom na ravni posamezne celice, temeljito odpravi notranje senčne učinke in težave ravnotežja baterij tradičnih vrstnih struktur na fizični ravni. Z ustrezno izbiro komponent sistem omogoča, da PV celice delujejo blizu svoje točke maksimalne moči (MPP) konzistentno, s tem pa eliminira potrebo po dodatnih MPPT krinkah in kompleksnih sistemih za upravljanje baterij (BMS).

​III. Hierarhična strategija nadzora​

Ta rešitev uporablja hierarhično strategijo nadzora za dosego natančnega spremljanja od lokalne do globalne ravni.

​3.1 Strategija nadzora na ravni modula (samostojni nadzor)​​
Vsak modul samostojno preklopi med naslednjimi 5 operativnimi načini glede na svoje stanje (napetost izhoda PV, napetost akumulatorja):

​3.2 Strategija nadzora na ravni niza (koordinacija napetosti)​​
Nadzor na ravni niza uporablja vhodno napetost DC/DC pretvornika (U_in) kot ključni parameter, stabilizira napetost z povezovanjem/odklopom modulov.

• ​Cilj nadzora:​​ Zagotoviti, da ostane U_in znotraj dopustnega obsega delovanja DC/DC krinke (npr., 12V ~ 22V).
• ​Logika pragovnega nadzora (npr., za 24V sistem):​​
• ​Nizki prag napetosti (16V):​​ Če je U_in < 16V, sistem samodejno išče module znotraj niza, ki so v režimu čakanja, a imajo normalno nabite akumulatorje, jih ukazuje, da se povežejo, da prepreči, da bi DC/DC zaradi nize napetosti izklopil.
• ​Visoki prag napetosti (20V):​​ Če je U_in > 20V, omejuje povezovanje novih modulov, da zagotovi, da U_in ne preseže maksimalno vhodno napetost DC/DC.
• ​Prag zaščite (12V):​​ Če je U_in < 12V, niz je obravnavan kot izčrpan, silno ga odklopi. Vsi moduli preklopijo v režim čakanja, dokler se ne obnovi dovolj akumulatorjev.

​3.3 Strategija nadzora na ravni sistema (globalna zaščita)​​
Nadzor na ravni sistema se osredotoča na zagotavljanje kakovosti oskrbe z električno energijo, z DC bus napetostjo (U_bus) kot ključnim točkom nadzora.

• ​Logika nadzora:​​ DC bus napetost je spremljana v realnem času. Če napetost pada pod kritični prag (npr., 80% ocene 24V sistema, tj. 22V), to kaže, da je skupna energija sistema nedostatna. Sistem nadzora bo izvedel ukaz globalnega izklopa, da zaščiti inverter in opremo za obremenitev, zagotoviti kakovost stranske oskrbe z električno energijo.

​IV. Metoda izbire ključnih komponent​

Za reševanje problema uskladitve med PV celicami in akumulatorji za shranjevanje ta rešitev predlaga metodo izbire, namenjeno maksimizaciji učinkovitosti uporabe sončne energije.

• ​Temeljni zamisli:​​ V tem sistemu je delovna napetost PV celice zategnjen s napetostjo akumulatorja, kar čini uskladitev njunih napetostnih parametrov ključno.
• ​Izbirni model:​​ Na osnovi inženirskih matematičnih modelov PV celice (ob upoštevanju učinka temperature in osvetlitve) je izpeljan sistemski učinek η kot funkcija napetosti akumulatorja U_BAT in maksimalne močne točke PV celice U_mp.
• ​Zaključek:​​ Za 3,7V akumulator z delovno napetostjo okoli 3,9V~4,0V simulacije kažejo, da je učinkovitost uporabe sončne energije najvišja, ko je U_mp PV celice približno 4,25V. Torej, v praksi bi morala biti U_mp PV celice kontrolirana v območju 4,2V ~ 4,3V.

​V. Pričakovani rezultati​

1. ​Znaten povečan učinek:​​ Modularna samostojna operacija popolnoma odpravi notranje "efekte vedra" in točke, ki zagotavljajo, da vsaka enota deluje učinkovito. Hkrati natančna uskladitev napetosti med PV in shranjevanjem omogoča približno sledenje MPP brez dodatnih krink, kar zelo poveča učinkovitost proizvodnje energije.
2. ​Povečan življenjski čas in zanesljivost:​​ Modularna struktura temeljito reši izzive ravnotežja, ki jih povzroča neskladje paketov akumulatorjev, preprečuje preobremenitev in preobremenitev, učinkovito podaljša skupni življenjski čas sistema. Hierarhična strategija nadzora zagotavlja več slojev zaščite od lokalne do globalne ravni, zelo poveča trdnost sistema.
3. ​Optimizacija stroškov in priročno vzdrževanje:​​ Ta dizajn uspešno odstrani potrebo po kompleksnih sledilnikih MPPT in sistemih za upravljanje baterij (BMS), zmanjša stroške hardverja. Njegov "Lego-like" arhitektura naredi namestitev, vzdrževanje in razširitev izjemno priročno. Neuspeh posameznega modula ne vpliva na celoten delovanje, zmanjša celoten cikel življenjskih stroškov.