Новий модульний системний рішення для моніторингу фотovoltaїчних та систем зберігання енергії

1.Вступ і науковий фон​

​1.1 Сучасний стан сонячної галузі​
Як один з найбільш доступних відновлюваних джерел енергії, розвиток та використання сонячної енергії стали центральними для глобального енергетичного переходу. У останні роки, під сприянням політик по всьому світу, фотоелектрична (ФЕ) галузь пережила експоненційний зростання. Статистика показує, що ФЕ галузь Китаю зазнала 168-кратного зростання за період "Дванадцятий п'ятирічний план". На кінець 2015 року встановлена потужність ФЕ перевищила 40 000 МВт, зайнявши перше місце у світі третій рік поспіль, з очікуваним продовженням зростання в майбутньому.

​1.2 Існуючі проблеми та технічні виклики​
Незважаючи на швидке розвиток, традиційні системи зберігання енергії ФЕ все ще стикаються з численними технічними бар'єрами у практичному застосуванні:

• ​Проблеми ФЕ масивів:​​ Для задоволення вимог до напруги та потужності навантаження, зазвичай, велика кількість окремих ФЕ клітин з'єднується послідовно та паралельно. Ця структура чутлива до часткового затінення, що призводить до "неспівпадінь" та ефекту гарячої точки, значно знижуючи ефективність та безпеку генерації електроенергії системи.
• ​Проблеми з батарейними пакетами:​​ Батарейні пакети, також використовуючи послідовно-паралельну конфігурацію, мають внутрішні проблеми з балансуванням. Несумісність батарей погіршується зі збільшенням масштабу, не лише збільшуючи складність системи, але й призводячи до виробничої деградації та скорочення терміну служби, заважаючи широкому застосуванню.
• ​Недоліки існуючих технологій:​​ Хоча деякі дослідники запропонували пасивні методи управління балансуванням, ці методи просто переносять проблему балансування, не враховуючи повноцінно вплив послідовного з'єднання багатьох модулів на нижчі контури. Вони також не надають наукової рекомендації для вибору ключових компонентів, таких як ФЕ клітини.

​II. Загальне рішення системи та топологія​

Основою цього рішення є створення новітньої, модульної та масштабованої топології енергетичної системи.

​2.1 Ієрархічна структура системи​
Система будується ієрархічно від базового модуля до трьох рівнів:

1. ​Модуль (базова одиниця):​​
• ​Склад:​​ Одна ФЕ клітина, одна батарея зберігання (з сумісною напругою та ємністю), 4 силові ключі та незалежний контролер.
• ​Функція:​​ Як найменша автономна одиниця, контролер керує 4 ключами, дозволяючи незалежне з'єднання/відключення ФЕ клітини та батареї, що дозволяє гнучке переключення між п'ятьма режимами роботи.
2. ​Послідовна стрічка:​​
• ​Склад:​​ Утворюється шляхом послідовного з'єднання кількох вищевказаних модулів.
• ​Функція:​​ Збільшує загальну вихідну напругу стрічки, щоб відповідати діапазону входної напруги DC/DC підвищувача.
3. ​Система:​​
• ​Склад:​​ Утворюється шляхом паралельного з'єднання кількох послідовних стрічок, збігаючись через DC/DC конвертер до загального DC шини.
• ​Функція:​​ DC шина може безпосередньо забезпечувати живлення DC навантажень або, через DC/AC інвертор, забезпечувати живлення AC навантажень.

​2.2 Основні переваги​
Ця топологія, через незалежне керування на рівні окремих клітин, фундаментально усуває вбудовані ефекти затінення та проблеми балансування батарей традиційних послідовних структур на фізичному рівні. З правильним вибором компонентів, система дозволяє ФЕ клітинам працювати біля своєї максимальної точки потужності (MPP) постійно, отже, усуваючи потребу у додаткових цепях MPPT та складних системах управління батареями (BMS).

​III. Ієрархічна стратегія моніторингу​

Це рішення використовує ієрархічну стратегію керування для досягнення детального моніторингу від локального до глобального рівнів.

​3.1 Стратегія моніторингу на рівні модуля (автономне керування)​​
Кожен модуль автономно переключається між наступними 5 режимами роботи залежно від свого стану (виходна напруга ФЕ, напруга батареї):

​3.2 Стратегія моніторингу на рівні стрічки (координація напруги)​​
Моніторинг на рівні стрічки використовує входну напругу DC/DC конвертера (U_in) як ключовий параметр, стабілізуючи напругу шляхом з'єднання/відключення модулів.

• ​Мета керування:​​ Забезпечити, щоб U_in залишалася в допустимому діапазоні роботи DC/DC контуру (наприклад, 12V ~ 22V).
• ​Логіка керування порогами (наприклад, для системи 24V):​​
• ​Нижній поріг напруги (16V):​​ Якщо U_in < 16V, система моніторингу автоматично шукає модулі в стрічці, які знаходяться в режимі резерву, але мають нормальне зарядження батареї, отримуючи команду на з'єднання, щоб запобігти відключенню DC/DC через низьку входну напругу.
• ​Верхній поріг напруги (20V):​​ Якщо U_in > 20V, обмежується з'єднання нових модулів, щоб забезпечити, що U_in не перевищує максимальну входну напругу DC/DC.
• ​Поріг захисту (12V):​​ Якщо U_in < 12V, стрічка вважається виснаженою, її насильно відключають. Усі модулі переходить в режим резерву, поки достатня кількість батарей не відновить заряд.

​3.3 Стратегія моніторингу на рівні системи (глобальний захист)​​
Моніторинг на рівні системи зосереджений на забезпеченні якості живлення, з напругою DC шини (U_bus) як ключовим точкою моніторингу.

• ​Логіка керування:​​ Напруга DC шини моніториться в реальному часі. Якщо напруга опускається нижче критичного порогу (наприклад, 80% від номінальної напруги системи 24V, тобто 22V), це вказує на недостатню загальну енергію системи. Система моніторингу виконає глобальну команду відключення, щоб захистити інвертор та обладнання навантаження, забезпечуючи якість живлення на стороні AC.

​IV. Метод вибору ключових компонентів​

Для вирішення проблеми сумісності між ФЕ клітинами та батареями зберігання, це рішення пропонує метод вибору, спрямований на максимізацію ефективності використання сонячної енергії.

• ​Основна ідея:​​ У цій системі, робоча напруга ФЕ клітини обмежується напругою батареї, що робить критичним їх сумісність напруг.
• ​Модель вибору:​​ На основі інженерної математичної моделі ФЕ клітини (з урахуванням температурних та радіаційних ефектів), ефективність системи η виводиться як функція напруги батареї U_BAT та напруги максимальної точки потужності ФЕ клітини U_mp.
• ​Висновок:​​ Для батареї зберігання 3.7V з робочою напругою близько 3.9V~4.0V, результати моделювання показують, що ефективність використання сонячної енергії системи найвища, коли U_mp ФЕ клітини становить близько 4.25V. Отже, в практичному виборі, U_mp ФЕ клітини повинен бути контролюється в діапазоні 4.2V ~ 4.3V.

​V. Очікувані результати​

1. ​Значне покращення ефективності:​​ Модульне незалежне функціонування повністю усуває вбудовані ефекти "ведра" та гарячих точок послідовних структур, забезпечуючи ефективну роботу кожного модуля. Одночасно, точна сумісність напруг між ФЕ та батареями дозволяє наближене слідування максимальної точки потужності (MPPT) без додаткових цепей, значно підвищуючи ефективність генерації електроенергії.
2. ​Покращення строку служби та надійності:​​ Модульна структура фундаментально вирішує проблеми балансування, спричинені несумісністю батарей, уникнення перезарядки та розрядки, ефективно продовжуючи загальний строк служби системи. Ієрархічна стратегія моніторингу забезпечує багаторівневий захист від локального до глобального рівнів, значно підвищуючи стійкість системи.
3. ​Оптимізація вартості та зручність обслуговування:​​ Цей дизайн успішно усуває потребу у складних MPPT трекерах та системах управління батареями (BMS), зменшуючи вартість обладнання. Його "Lego-подобна" архітектура робить встановлення, обслуговування та розширення надзвичайно зручним. Відмова одного модуля не впливає на загальне функціонування, зменшуючи загальну вартість жизненного циклу.