En ny modulär övervakningslösning för fotovoltaiska och energilagringskraftsystem

1. Introduktion och forskningsbakgrund

1.1 Aktuell tillstånd för solenergisektorn
Som en av de mest givande förnybara energikällorna har utvecklingen och användningen av solenergi blivit central för den globala energiomställningen. Under de senaste åren, drivna av policyer världen över, har fotovoltaikindustrin (PV) upplevt explosiv tillväxt. Statistik visar att Kinas PV-industri såg en fantastisk 168-faldig ökning under "12:e femårsplanen". Vid slutet av 2015 hade installerad PV-kapacitet överskridit 40 000 MW, vilket placerade landet på första plats globalt i tre år i rad, med fortsatt tillväxt förväntad i framtiden.

1.2 Existerande problem och tekniska utmaningar
Trots snabb utveckling står traditionella PV-energilagringsystem fortfarande inför många tekniska flaskhalsar i praktiska tillämpningar:

• Problem med PV-arrayer: För att möta kraven på lastspänning och effekt kopplas vanligtvis ett stort antal enskilda PV-cellerna i serie och parallell. Denna struktur är känslig för delvis skuggning, vilket leder till "missmatch"-förluster och heta punkteffekter, vilket betydligt minskar systemets elförsörjningsverkningsgrad och säkerhet.
• Problem med energilagringsbatteripack: Batteripack, som också använder serie-parallelkoppling, står inför balanseringsproblem. Batteriinkonsekvens försämras med storlek, vilket inte bara ökar systemkomplexiteten utan också orsakar kapacitetsförsämring och förkortad livslängd, vilket hindrar storskalig tillämpning.
• Brist på existerande tekniker: Även om vissa forskare har föreslagit passiva jämnviktsförvaltningsmetoder, flyttar dessa metoder endast balanseringsproblemet utan att fullt ut beakta inverkan av flera modulseriekopplingar på nedströmskretsar. De saknar också vetenskaplig vägledning för val av nyckelkomponenter som PV-celler.

II. Sammanfattningslösning och topologi för systemet

Kärnan i denna lösning är att konstruera en ny, modulär och skalbar elförsörjningssystemtopologi.

2.1 Hierarkisk systemuppbyggning
Systemet är uppbyggt hierarkiskt från grundläggande enheten uppåt i tre nivåer:

1. Modul (grundläggande enhet):
• Sammansättning: En enskild PV-cell, ett enskilt lagringsbatteri (med matchande spänning och kapacitet), fyra powerswitchar och en oberoende kontrollenhet.
• Funktion: Som den minsta självständiga enheten hanterar kontrollenheten de fyra switcharna för att möjliggöra oberoende anslutning/avkoppling av PV-cellen och batteriet, vilket tillåter flexibelt växlings mellan fem driftlägen.
2. Seriekedja:
• Sammansättning: Formad genom att koppla flera av de ovan nämnda modulerna i serie.
• Funktion: Ökar den totala utspänningen för kedjan för att matcha ingångsspänningsintervallet för den nedströms DC/DC boostkonverteraren.
3. System:
• Sammansättning: Formad genom att koppla flera seriekedjor parallellt, konvergerande genom en DC/DC-konverterare till en gemensam DC-buss.
• Funktion: DC-bussen kan direkt leverera el till DC-belastningar eller, via en DC/AC-inverter, leverera el till AC-belastningar.

2.2 Kärnadvantager
Denna topologi, genom individuell cellnivåoberoende kontroll, elimineras de inre skuggningseffekterna och batteribalanseringsproblemen hos traditionella seriestrukturer fysiskt. Med rätt komponentval låter systemet PV-celler operera nära sin Maximum Power Point (MPP) konsekvent, vilket eliminerar behovet av ytterligare MPPT-kretsar och komplexa Battery Management Systems (BMS).

III. Hierarkisk övervakningsstrategi

Denna lösning använder en hierarkisk kontrollstrategi för att uppnå raffinerad övervakning från lokalt till globalt.

3.1 Modulnivåövervakningsstrategi (autonom kontroll)
Varje modul växlar autonoma mellan följande 5 driftlägen baserat på dess egen status (PV-utspänning, batterispänning):

3.2 Seriekedjanivåövervakningsstrategi (spänningskoordinationskontroll)
Seriekedjanivåövervakning använder DC/DC-konverterarens ingångsspänning (U_in) som den viktigaste parametern, stabiliserar spänningen genom att koppla/avkoppla moduler.

• Kontrollmål: Säkerställa att U_in förblir inom DC/DC-kretsens tillåtna driftområde (t.ex. 12V ~ 22V).
• Tröskelkontrolllogik (t.ex. för 24V-system):
• Låg spänningströskel (16V): Om U_in < 16V söker övervakningssystemet automatiskt efter moduler inom kedjan som är i vänteläge men har normal batteriladdning, beordrar dem att anslutas, förhindrar att DC/DC stängs av på grund av låg ingångsspänning.
• Hög spänningströskel (20V): Om U_in > 20V begränsas anslutningen av nya moduler för att säkerställa att U_in inte överskrider DC/DC:s maximala ingångsspänning.
• Skyddströskel (12V): Om U_in < 12V anses kedjan vara uttömd, tvingar avkoppling. Alla moduler går in i vänteläge tills ett tillräckligt antal batterier återhämtar laddning.

3.3 Systemnivåövervakningsstrategi (global skydd)
Systemnivåövervakning fokuserar på att säkerställa elförsörjningskvalitet, med DC-bussens spänning (U_bus) som den viktigaste övervakningspunkten.

• Kontrolllogik: DC-bussens spänning övervakas i realtid. Om spänningen faller under ett kritiskt tröskelvärde (t.ex. 80% av 24V-systemets rating, dvs. 22V), indikerar det otillräcklig total systemenergi. Övervakningssystemet kommer att utföra ett globalt stängningskommando för att skydda inverter och belastningsutrustning, säkerställer AC-sidans elförsörjningskvalitet.

IV. Metod för val av nyckelkomponenter

För att lösa matchningsproblemet mellan PV-celler och lagringsbatterier föreslår denna lösning en valmetod med syfte att maximera solenerginyttjandeverkningsgraden.

• Kärnidé: I detta system är PV-cellens driftspänning klampad av batterispänningen, vilket gör matchningen av deras spänningsparametrar kritisk.
• Valmodell: Baserat på en ingenjörsmatematisk modell av PV-cellen (som tar hänsyn till temperatur- och strålningseffekter) härleds systemeffektiviteten η som en funktion av batterispänningen U_BAT och PV-cellens maximum power point-spänning U_mp.
• Slutsats: För ett 3,7V-lagringsbatteri med driftspänning runt 3,9V~4,0V indikerar simuleringar att systemets solenerginyttjandeverkningsgrad är högst när PV-cellens U_mp är ungefär 4,25V. Därför bör PV-cellens U_mp kontrolleras inom intervallet 4,2V ~ 4,3V i praktiska val.

V. Förväntade resultat

1. Betydande effektivitetsförbättring: Modular oberoende drift eliminerar helt de inre "bucket-brigade-effekterna" och heta punkteffekterna hos seriestrukturer, säkerställer att varje enhet fungerar effektivt. Samtidigt möjliggör precist spännningsmatchning mellan PV och lagring approximativ Maximum Power Point Tracking (MPPT) utan ytterligare kretsar, vilket enormt förbättrar elförsörjningsverkningsgraden.
2. Förbättrad livslängd och tillförlitlighet: Den modulära strukturen löser fundamentalbalanseringsutmaningarna orsakade av batteripackinkonsekvens, undviker överladdning och överavlastning, effektivt förlänger det totala systemets livslängd. Den hierarkiska övervakningsstrategin ger flera skyddsnivåer från lokalt till globalt, drastiskt förbättrar systemets robusthet.
3. Kostnadsoptimering och bekvämt underhåll: Denna design lyckas eliminera behovet av komplexa MPPT-spårare och Battery Management Systems (BMS), minskar hårdvarukostnader. Dess "Lego-lika" arkitektur gör installation, underhåll och utvidgning extremt bekvämt. Fel på en enda modul påverkar inte den totala drift, minskar den totala livscykelkostnaden.