Novi modularni sistem za nadzor fotovoltaičnih i sistema za čuvanje energije

1. Uvod i istraživački pozadina

1.1 Trenutno stanje solarnog sektora
Kao jedan od najizobilnijih obnovljivih izvora energije, razvoj i iskorišćenje solarnih energija postalo je ključno za globalnu energetsku transformaciju. U poslednjih nekoliko godina, pokrenuto svetskim politikama, fotovoltaička (PV) industrija doživela je eksplozivni rast. Statistike pokazuju da je kineska PV industrija doživela neverovatan 168-puta veći porast tokom "Dvanajstog petogodišnjeg plana". Do kraja 2015. godine, instalirana PV snaga premašila je 40.000 MW, baveći prvo mesto na svetu tri godine zaredom, sa očekivanim nastavkom rasta u budućnosti.

1.2 Postojeće probleme i tehnološke izazove
Unatoč brzom razvoju, tradicionalni sistemi za pohranu solarnih energija još uvek suoče mnogo tehničkih prepreka u praktičnim primenama:

• Problemi sa PV nizom: Da bi se zadovoljili zahtevi za naponskim i snage, obično se veliki broj pojedinačnih PV celija povezuje serijalno i paralelno. Ova struktura je osjetljiva na djelomično senčenje, što dovodi do "nedosaglasnosti" gubitaka i efekata točke toplote, što značajno smanjuje efikasnost proizvodnje sistema i sigurnost.
• Problemi sa baterijama za pohranu energije: Baterijski paketi, takođe koristeći serijalno-paralelnu konfiguraciju, su podložni problemima balansiranja. Neslaganje baterija pogoršava se s povećanjem ljudskog faktora, povećavajući složenost sistema, uzrokujući degradaciju kapaciteta i skraćujući vreme života, sprečavajući masovnu primenu.
• Nedostaci postojećih tehnologija: Iako su neki istraživači predložili pasivne metode upravljanja ravnotežom, ovi metodi samo prebacuju problem ravnoteže bez potpune razmatranje uticaja višemodulne serijalne konekcije na donji krugove. Takođe nedostaju znanstveni savjeti za izbor ključnih komponenti poput PV celija.

II. Opšte rešenje sistema i topologija

Jezgra ovog rešenja je stvaranje nove, modulane i skalabilne topologije električnog sistema.

2.1 Hijerarhijska sastavnica sistema
Sistem je hijerarhijski strukturiran od osnovne jedinice prema gore u tri nivoa:

1. Modul (osnovna jedinica):
• Sastav: Jedna PV cela, jedna baterija za pohranu (sa usklađenim naponom i kapacitetom), 4 prekidnika snage i samostalni kontroler.
• Funkcija: Kao najmanja samostalna jedinica, kontroler upravlja četiri prekidnika omogućavajući samostalno povezivanje/odspajanje PV celija i baterije, omogućavajući fleksibilno preklapanje između pet operativnih moda.
2. Serijski lanac:
• Sastav: Formiran povezivanjem nekoliko gornjih modula serijski.
• Funkcija: Povećava ukupni izlazni napon lanca kako bi se prilagodio opsegu ulaznih napona DC/DC pojačavajućeg pretvarača.
3. Sistem:
• Sastav: Formiran povezivanjem više serijskih lanaca paralelno, konvergirajući kroz DC/DC pretvarač na zajedničku DC bus liniju.
• Funkcija: DC bus može direktno snabdevati DC opterećenja ili, putem DC/AC invertera, snabdevati AC opterećenja.

2.2 Ključne prednosti
Ova topologija, kroz samostalno upravljanje na nivou pojedinačne celije, fundamentalno eliminira inherente efekte senčenja i probleme balansiranja baterija tradicionalnih serijskih struktura na fizičkom nivou. Sa pravim izborom komponenti, sistem omogućava PV celijama da konstantno rade blizu svoje tačke maksimalne snage (MPP), time eliminirajući potrebu za dodatnim MPPT krugovima i složenim Sistemima za upravljanje baterijama (BMS).

III. Hijerarhijska strategija nadzora

Ovo rešenje koristi hijerarhijsku strategiju upravljanja kako bi se postigao sofisticirani nadzor od lokalnog do globalnog nivoa.

3.1 Strategija nadzora na nivou modula (samostalno upravljanje)
Svaki modul samostalno prebacuje između sledećih 5 operativnih moda zavisno o njegovom stanju (napon izlaza PV, napon baterije):

3.2 Strategija nadzora na nivou lanca (Koordinacija napona)
Nadzor na nivou lanca koristi ulazni napon DC/DC pretvarača (U_in) kao ključni parametar, stabilizujući napon povezivanjem/odspajanjem modula.

• Cilj upravljanja: Osigurati da U_in ostane unutar dopustivog opsega rada DC/DC kruga (npr. 12V ~ 22V).
• Logika upravljanja pragovima (npr. za 24V sistem):
• Niski prag napona (16V): Ako je U_in < 16V, sistem nadzora automatski pretražuje module unutar lanca koji su u stanju pripravnosti ali imaju normalno punjenje baterije, komandujući ih da se povežu, sprecavajući DC/DC da se isključi zbog niskog ulaznog napona.
• Visoki prag napona (20V): Ako je U_in > 20V, ograničen je novi povez modula kako bi se osiguralo da U_in ne premaši maksimalni ulazni napon DC/DC-a.
• Prag zaštite (12V): Ako je U_in < 12V, lanac se smatra iscrpljenim, prisilno ga se odspaja. Svi moduli ulaze u stanje pripravnosti dok se ne oporavi dovoljan broj baterija.

3.3 Strategija nadzora na nivou sistema (Globalna zaštita)
Nadzor na nivou sistema fokusira se na osiguranje kvaliteta snabdevanja, sa naponom DC bus-a (U_bus) kao ključnom tačkom nadzora.

• Logika upravljanja: Napon DC bus-a se praćen u stvarnom vremenu. Ako napon pada ispod kritičnog praga (npr. 80% od 24V sistemskog nominalnog, tj. 22V), to ukazuje na nedostatak ukupne energije sistema. Sistem nadzora će izvršiti globalnu komandu za isključivanje kako bi zaštitio inverter i oprema za opterećenje, osiguravajući kvalitet snabdevanja na AC strani.

IV. Metoda izbora ključnih komponenti

Za rješavanje problema usklađenosti između PV celija i baterija za pohranu, ovo rešenje predlaže metod izbora namijenjen maksimizaciji efikasnosti iskorišćenja solarnih energija.

• Ključna ideja: U ovom sistemu, radni napon PV cele ograničen je naponom baterije, čineći usklađenost njihovih naponskih parametara ključnom.
• Model izbora: Na osnovu inženjerskog matematičkog modela PV cele (uzimajući u obzir uticaj temperature i zračenja), efikasnost sistema η se izvede kao funkcija napona baterije U_BAT i napona maksimalne tačke snage PV cele U_mp.
• Zaključak: Za 3.7V bateriju za pohranu sa radnim naponom oko 3.9V~4.0V, simulacije pokazuju da je efikasnost iskorišćenja solarnih energija najveća kada je U_mp PV cele otprilike 4.25V. Stoga, u praktičnom izboru, U_mp PV cele treba kontrolisati unutar opsega 4.2V ~ 4.3V.

V. Očekivani rezultati

1. Značajan povećaj efikasnosti: Modularna samostalna operacija potpuno eliminira inherentne "efekte vozača kofera" i točke toplote serijskih struktura, osiguravajući da svaka jedinica radi efikasno. Istovremeno, precizno usklađenje napona između PV i pohrane omogućava aproksimativno pratnje tačke maksimalne snage (MPPT) bez dodatnih krugova, znatno poboljšavajući efikasnost proizvodnje energije.
2. Poboljšana dugotrajnost i pouzdanost: Modularna struktura fundamentalno rešava izazove balansiranja uzrokovane neslaganjem baterijskih paketa, izbegavajući preopterećenje i preotporečenje, efektivno produžujući ukupnu dugotrajnost sistema. Hijerarhijska strategija nadzora pruža više slojeva zaštite od lokalnog do globalnog nivoa, znatno poboljšavajući otpornost sistema.
3. Optimizacija troškova i praktično održavanje: Ovaj dizajn uspešno eliminira potrebu za složenim MPPT trackerima i Sistemima za upravljanje baterijama (BMS), smanjujući troškove hardvera. Njegova "Lego-slična" arhitektura čini instalaciju, održavanje i proširenje izuzetno praktičnim. Povreda pojedinačnog modula ne utiče na ukupnu operaciju, smanjujući ukupne troškove ciklusa života.