โซลูชันการตรวจสอบโมดูลาร์ใหม่สำหรับระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์และระบบเก็บพลังงาน

1. บทนำและพื้นหลังการวิจัย​

​1.1 สถานะปัจจุบันของอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์​
ในฐานะแหล่งพลังงานทดแทนที่มีอยู่มากที่สุด การพัฒนาและการใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์ได้กลายเป็นส่วนสำคัญของการเปลี่ยนแปลงด้านพลังงานทั่วโลก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยได้รับแรงผลักดันจากนโยบายทั่วโลก อุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) ได้ประสบกับการเติบโตอย่างรวดเร็ว สถิติแสดงให้เห็นว่าอุตสาหกรรม PV ของจีนเพิ่มขึ้นถึง 168 เท่าในช่วง "แผนพัฒนาแห่งชาติฉบับที่ 12" ณ สิ้นปี 2015 กำลังการติดตั้ง PV ได้เกินกว่า 40,000 MW ครองตำแหน่งอันดับหนึ่งของโลกติดต่อกันสามปี และคาดว่าจะมีการเติบโตต่อไปในอนาคต

​1.2 ปัญหาและอุปสรรคทางเทคนิคที่มีอยู่​
แม้ว่าจะมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ระบบเก็บพลังงาน PV แบบดั้งเดิมยังคงเผชิญกับข้อจำกัดทางเทคนิคหลายประการในการใช้งานจริง:

• ​ปัญหาของอาร์เรย์ PV:​​ เพื่อตอบสนองความต้องการของแรงดันไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าของโหลด มักจะมีเซลล์ PV จำนวนมากเชื่อมต่อกันแบบอนุกรมและขนาน โครงสร้างนี้ไวต่อการบังแดดบางส่วน ทำให้เกิด "ความไม่เท่าเทียม" และเอฟเฟกต์จุดร้อน ซึ่งลดประสิทธิภาพการผลิตพลังงานและความปลอดภัยของระบบอย่างมาก
• ​ปัญหาของแบตเตอรี่สำหรับเก็บพลังงาน:​​ แบตเตอรี่ที่ใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมและขนานมีปัญหาเรื่องการทรงตัว ความไม่เท่าเทียมของแบตเตอรี่แย่ลงเมื่อขนาดใหญ่ขึ้น ไม่เพียงแต่เพิ่มความซับซ้อนของระบบ แต่ยังทำให้ความจุลดลงและอายุการใช้งานสั้นลง ทำให้การใช้งานในขนาดใหญ่ยากลำบาก
• ​ข้อบกพร่องของเทคโนโลยีที่มีอยู่:​​ แม้ว่าผู้วิจัยบางคนจะเสนอเทคนิคการจัดการการทรงตัวแบบพาสซีฟ แต่วิธีเหล่านี้เพียงแค่ย้ายปัญหาการทรงตัวโดยไม่ได้พิจารณาผลกระทบจากการเชื่อมต่อโมดูลหลายตัวแบบอนุกรมต่อวงจรที่อยู่ด้านล่าง นอกจากนี้ยังขาดคำแนะนำทางวิทยาศาสตร์ในการเลือกส่วนประกอบหลัก เช่น เซลล์ PV

​II. โซลูชันระบบโดยรวมและโทโพโลยี​

แก่นของโซลูชันนี้คือการสร้างโทโพโลยีระบบพลังงานที่ใหม่ มีโมดูล และสามารถขยายได้

​2.1 การประกอบระบบแบบลำดับชั้น​
ระบบถูกสร้างขึ้นเป็นลำดับชั้นจากหน่วยพื้นฐานขึ้นไปเป็นสามระดับ:

1. ​โมดูล (หน่วยพื้นฐาน):​​
• ​การประกอบ:​​ เซลล์ PV หนึ่งตัว แบตเตอรี่สำหรับเก็บพลังงานหนึ่งตัว (มีแรงดันและความจุที่ตรงกัน) สวิตช์ควบคุมพลังงานสี่ตัว และคอนโทรลเลอร์อิสระ
• ​ฟังก์ชัน:​​ เป็นหน่วยที่เล็กที่สุดที่สามารถทำงานได้เอง คอนโทรลเลอร์จัดการสวิตช์สี่ตัวเพื่อให้เซลล์ PV และแบตเตอรี่สามารถเชื่อมต่อและแยกออกได้อย่างอิสระ ทำให้สามารถสลับระหว่างโหมดการทำงานห้าแบบได้อย่างยืดหยุ่น
2. ​สายอนุกรม:​​
• ​การประกอบ:​​ สร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อโมดูลหลายตัวแบบอนุกรม
• ​ฟังก์ชัน:​​ เพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออกของสายให้ตรงกับช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของตัวแปลง DC/DC แบบบูสต์
3. ​ระบบ:​​
• ​การประกอบ:​​ สร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อสายอนุกรมหลายเส้นแบบขนาน แล้วรวมผ่านตัวแปลง DC/DC ไปยังบัส DC ที่ร่วมกัน
• ​ฟังก์ชัน:​​ บัส DC สามารถจ่ายไฟฟ้าให้กับโหลด DC ได้โดยตรง หรือผ่านตัวแปลง DC/AC จ่ายไฟฟ้าให้กับโหลด AC

​2.2 ข้อดีหลัก​
โทโพโลยีนี้ ผ่านการควบคุมอิสระในระดับเซลล์ ทำลายปัญหาการบังแดดและปัญหาการทรงตัวของแบตเตอรี่ของโครงสร้างอนุกรมแบบดั้งเดิมในระดับกายภาพ ด้วยการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสม ระบบจะทำให้เซลล์ PV ทำงานใกล้เคียงกับจุดกำลังสูงสุด (MPP) อย่างต่อเนื่อง ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้วงจร MPPT เพิ่มเติมและระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่ซับซ้อน

​III. กลยุทธ์การตรวจสอบแบบลำดับชั้น​

โซลูชันนี้ใช้กลยุทธ์การควบคุมแบบลำดับชั้นเพื่อให้การตรวจสอบละเอียดจากท้องถิ่นไปถึงระดับทั่วโลก

​3.1 กลยุทธ์การตรวจสอบในระดับโมดูล (การควบคุมอิสระ)​​
แต่ละโมดูลจะสลับระหว่างโหมดการทำงานห้าแบบตามสถานะของตนเอง (แรงดันไฟฟ้าขาออกของ PV แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่):

​3.2 กลยุทธ์การตรวจสอบในระดับสาย (การควบคุมแรงดันไฟฟ้า)​​
การตรวจสอบในระดับสายใช้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าของตัวแปลง DC/DC (U_in) เป็นพารามิเตอร์หลัก ควบคุมแรงดันไฟฟ้าโดยการเชื่อมต่อและแยกโมดูล

• ​เป้าหมายการควบคุม:​​ รับประกันว่า U_in อยู่ภายในช่วงการดำเนินงานที่ยอมรับของวงจร DC/DC (เช่น 12V ~ 22V)
• ​ตรรกะการควบคุมด้วยเกณฑ์ (เช่น สำหรับระบบ 24V):​​
• ​เกณฑ์แรงดันต่ำ (16V):​​ หาก U_in < 16V ระบบตรวจสอบจะค้นหารายการโมดูลภายในสายที่อยู่ในโหมดสแตนด์บายแต่มีแรงดันแบตเตอรี่ปกติ กำหนดให้เชื่อมต่อ เพื่อป้องกันการปิดตัวของ DC/DC เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าต่ำ
• ​เกณฑ์แรงดันสูง (20V):​​ หาก U_in > 20V จะจำกัดการเชื่อมต่อโมดูลใหม่เพื่อรับประกันว่า U_in ไม่เกินแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดของ DC/DC
• ​เกณฑ์การป้องกัน (12V):​​ หาก U_in < 12V สายจะถูกถือว่าหมด ทำการแยกออกทั้งหมด โมดูลทั้งหมดเข้าสู่โหมดสแตนด์บายจนกว่าแบตเตอรี่จำนวนหนึ่งจะฟื้นฟูแรงดัน

​3.3 กลยุทธ์การตรวจสอบในระดับระบบ (การป้องกันทั่วโลก)​​
การตรวจสอบในระดับระบบเน้นการรับประกันคุณภาพการจ่ายไฟ ด้วยแรงดันไฟฟ้าของบัส DC (U_bus) เป็นจุดตรวจสอบหลัก

• ​ตรรกะการควบคุม:​​ ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของบัส DC แบบเรียลไทม์ หากแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าเกณฑ์วิกฤต (เช่น 80% ของอัตราการกำหนดระบบ 24V คือ 22V) แสดงว่าพลังงานของระบบไม่เพียงพอ ระบบตรวจสอบจะสั่งปิดระบบแบบทั่วโลกเพื่อป้องกันตัวแปลงและอุปกรณ์โหลด รับประกันคุณภาพการจ่ายไฟทาง AC

​IV. วิธีการเลือกส่วนประกอบหลัก​

เพื่อแก้ปัญหาการจับคู่ระหว่างเซลล์ PV และแบตเตอรี่สำหรับเก็บพลังงาน โซลูชันนี้เสนอวิธีการเลือกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ให้สูงสุด

• ​แนวคิดหลัก:​​ ในระบบนี้ แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของเซลล์ PV ถูกจำกัดโดยแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ ทำให้การจับคู่พารามิเตอร์แรงดันไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญ
• ​แบบจำลองการเลือก:​​ บนพื้นฐานของแบบจำลองทางวิศวกรรมคณิตศาสตร์ของเซลล์ PV (พิจารณาผลกระทบของอุณหภูมิและปริมาณแสง) ได้รับประสิทธิภาพของระบบ η เป็นฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ U_BAT และแรงดันไฟฟ้าที่จุดกำลังสูงสุดของเซลล์ PV U_mp
• ​สรุป:​​ สำหรับแบตเตอรี่สำหรับเก็บพลังงาน 3.7V ที่มีแรงดันไฟฟ้าในการทำงานประมาณ 3.9V~4.0V ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ของระบบสูงสุดเมื่อ U_mp ของเซลล์ PV ประมาณ 4.25V ดังนั้นในการเลือกใช้จริง ควรควบคุม U_mp ของเซลล์ PV ให้อยู่ในช่วง 4.2V ~ 4.3V

​V. ผลลัพธ์ที่คาดหวัง​

1. ​การปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมาก:​​ การทำงานอิสระแบบโมดูลทำลายปัญหา "เอฟเฟกต์กระบอกสูบ" และปัญหาจุดร้อนของโครงสร้างอนุกรม ทำให้แต่ละหน่วยทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมกับการจับคู่แรงดันไฟฟ้าระหว่าง PV และแบตเตอรี่อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถติดตามจุดกำลังสูงสุด (MPPT) ได้โดยไม่ต้องใช้วงจรเพิ่มเติม ทำให้ประสิทธิภาพการผลิตพลังงานสูงขึ้นอย่างมาก
2. ​การเพิ่มอายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือ:​​ โครงสร้างแบบโมดูลทำลายปัญหาการทรงตัวที่เกิดจากความไม่เท่าเทียมของแบตเตอรี่ หลีกเลี่ยงการชาร์จเกินและปล่อยไฟเกิน ทำให้ยืดอายุการใช้งานของระบบโดยรวม กลยุทธ์การตรวจสอบแบบลำดับชั้นให้การป้องกันหลายระดับจากท้องถิ่นไปถึงระดับทั่วโลก ทำให้ความแข็งแกร่งของระบบสูงขึ้นอย่างมาก
3. ​การเพิ่มประสิทธิภาพค่าใช้จ่ายและการบำรุงรักษาที่สะดวก:​​ ดีไซน์นี้ทำลายความจำเป็นในการใช้วงจรติดตามจุดกำลังสูงสุด (MPPT) และระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่ซับซ้อน ลดค่าใช้จ่ายด้านฮาร์ดแวร์ โครงสร้างแบบ "เลโก้" ทำให้การติดตั้ง การบำรุงรักษา และการขยายระบบเป็นไปได้อย่างง่ายดาย การล้มเหลวของโมดูลเดียวไม่กระทบต่อการดำเนินงานโดยรวม ลดค่าใช้จ่ายตลอดวงจรชีวิต