Giải pháp giám sát mô-đun mới cho hệ thống phát điện quang điện và lưu trữ năng lượng

1. Giới thiệu và Bối cảnh Nghiên cứu

1.1 Tình hình hiện tại của Ngành công nghiệp Năng lượng Mặt trời
Là một trong những nguồn năng lượng tái tạo dồi dào nhất, việc phát triển và sử dụng năng lượng mặt trời đã trở thành trung tâm của quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Trong những năm gần đây, được thúc đẩy bởi các chính sách trên toàn thế giới, ngành công nghiệp quang điện (PV) đã trải qua sự tăng trưởng nhanh chóng. Thống kê cho thấy ngành công nghiệp PV của Trung Quốc đã tăng gấp 168 lần trong giai đoạn "Kế hoạch 5 Năm thứ 12". Đến cuối năm 2015, công suất lắp đặt PV đã vượt quá 40.000 MW, đứng đầu thế giới trong ba năm liên tiếp, với dự đoán sẽ tiếp tục tăng trưởng trong tương lai.

1.2 Các Vấn đề Hiện hữu và Thách thức Kỹ thuật
Mặc dù có sự phát triển nhanh chóng, các hệ thống lưu trữ năng lượng PV truyền thống vẫn gặp phải nhiều điểm nghẽn kỹ thuật trong ứng dụng thực tế:

• Vấn đề Mảng PV: Để đáp ứng yêu cầu về điện áp và công suất tải, thường cần kết nối chuỗi và song song một số lượng lớn các tế bào PV riêng lẻ. Cấu trúc này dễ bị ảnh hưởng bởi sự che khuất cục bộ, dẫn đến "mất cân xứng" và hiệu ứng điểm nóng, làm giảm đáng kể hiệu quả phát điện và an toàn của hệ thống.
• Vấn đề Pin Lưu trữ: Các gói pin, cũng sử dụng cấu hình chuỗi và song song, tự nhiên gặp phải vấn đề cân bằng. Sự không đồng đều của pin càng trở nên tồi tệ hơn khi quy mô tăng, không chỉ làm tăng độ phức tạp của hệ thống mà còn gây ra suy giảm dung lượng và tuổi thọ ngắn, cản trở việc áp dụng quy mô lớn.
• Sự thiếu hụt của Công nghệ Hiện hữu: Mặc dù một số nhà nghiên cứu đã đề xuất các kỹ thuật quản lý cân bằng thụ động, nhưng những phương pháp này chỉ đơn giản là chuyển vấn đề cân bằng mà không xem xét đầy đủ tác động của kết nối chuỗi đa mô-đun đối với mạch phía sau. Chúng cũng thiếu hướng dẫn khoa học để lựa chọn các thành phần chính như tế bào PV.

II. Giải pháp Hệ thống Tổng thể và Topology

Tâm điểm của giải pháp này là xây dựng một topology hệ thống điện mới, mô-đun và có thể mở rộng.

2.1 Thành phần Hệ thống theo Tầng
Hệ thống được cấu trúc theo tầng từ đơn vị cơ bản lên thành ba cấp độ:

1. Mô-đun (Đơn vị Cơ bản):
• Thành phần: Một tế bào PV, một pin lưu trữ (với điện áp và dung lượng phù hợp), 4 công tắc điện và một bộ điều khiển độc lập.
• Chức năng: Là đơn vị tự chủ nhỏ nhất, bộ điều khiển quản lý 4 công tắc để cho phép kết nối/mở đường riêng lẻ của tế bào PV và pin, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa năm chế độ hoạt động.
2. Dây Chuyền Chuỗi:
• Thành phần: Được tạo thành bằng cách kết nối chuỗi một số mô-đun như trên.
• Chức năng: Tăng tổng điện áp đầu ra của dây chuyền để phù hợp với phạm vi điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi DC/DC tăng áp.
3. Hệ thống:
• Thành phần: Được tạo thành bằng cách kết nối song song nhiều dây chuyền chuỗi, hội tụ thông qua bộ chuyển đổi DC/DC đến một bus DC chung.
• Chức năng: Bus DC có thể cung cấp trực tiếp cho tải DC hoặc, thông qua bộ chuyển đổi DC/AC, cung cấp cho tải AC.

2.2 Ưu điểm Cốt lõi
Topology này, thông qua việc kiểm soát độc lập ở cấp tế bào, cơ bản loại bỏ các hiệu ứng che khuất và vấn đề cân bằng pin cố hữu của cấu trúc chuỗi truyền thống ở cấp vật lý. Với việc lựa chọn thành phần phù hợp, hệ thống cho phép tế bào PV hoạt động gần Điểm Công suất Tối đa (MPP) một cách liên tục, do đó loại bỏ nhu cầu về các mạch MPPT bổ sung và Hệ thống Quản lý Pin (BMS) phức tạp.

III. Chiến lược Giám sát theo Tầng

Giải pháp này áp dụng chiến lược kiểm soát theo tầng để đạt được giám sát tinh vi từ mức cục bộ đến mức toàn cầu.

3.1 Chiến lược Giám sát ở Mức Mô-đun (Kiểm soát Tự chủ)
Mỗi mô-đun tự động chuyển đổi giữa 5 chế độ hoạt động sau đây dựa trên trạng thái của nó (điện áp đầu ra của PV, điện áp pin):

3.2 Chiến lược Giám sát ở Mức Dây chuyền (Kiểm soát Điều phối Điện áp)
Giám sát ở mức dây chuyền sử dụng điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi DC/DC (U_in) làm tham số chính, ổn định điện áp bằng cách kết nối/ngắt các mô-đun.

• Mục tiêu Kiểm soát: Đảm bảo U_in nằm trong phạm vi hoạt động cho phép của mạch DC/DC (ví dụ, 12V ~ 22V).
• Lógic Kiểm soát Ngưỡng (ví dụ, cho hệ thống 24V):
• Ngưỡng Điện áp Thấp (16V): Nếu U_in < 16V, hệ thống giám sát tự động tìm kiếm các mô-đun trong dây chuyền đang ở chế độ chờ nhưng có điện áp pin bình thường, lệnh chúng kết nối, ngăn chặn bộ chuyển đổi DC/DC tắt do điện áp đầu vào thấp.
• Ngưỡng Điện áp Cao (20V): Nếu U_in > 20V, việc kết nối các mô-đun mới bị hạn chế để đảm bảo U_in không vượt quá điện áp đầu vào tối đa của DC/DC.
• Ngưỡng Bảo vệ (12V): Nếu U_in < 12V, dây chuyền được coi là cạn kiệt, buộc phải ngắt. Tất cả các mô-đun chuyển sang chế độ chờ cho đến khi số lượng pin đủ phục hồi.

3.3 Chiến lược Giám sát ở Mức Hệ thống (Bảo vệ Toàn cầu)
Giám sát ở mức hệ thống tập trung vào việc đảm bảo chất lượng cung cấp điện, với điện áp bus DC (U_bus) là điểm giám sát chính.

• Lógic Kiểm soát: Điện áp bus DC được giám sát theo thời gian thực. Nếu điện áp giảm xuống dưới ngưỡng quan trọng (ví dụ, 80% của hệ thống 24V, tức là 22V), điều này cho thấy năng lượng tổng cộng của hệ thống không đủ. Hệ thống giám sát sẽ thực hiện lệnh tắt toàn cầu để bảo vệ bộ chuyển đổi và thiết bị tải, đảm bảo chất lượng điện bên AC.

IV. Phương pháp Lựa chọn Thành phần Chính

Để giải quyết vấn đề khớp giữa tế bào PV và pin lưu trữ, giải pháp này đề xuất một phương pháp lựa chọn nhằm tối đa hóa hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời.

• Trong hệ thống này, điện áp hoạt động của tế bào PV bị kẹp bởi điện áp pin, làm cho việc khớp các tham số điện áp của chúng rất quan trọng.
• Mô hình Lựa chọn: Dựa trên mô hình toán học kỹ thuật của tế bào PV (xem xét hiệu ứng nhiệt độ và bức xạ), hiệu suất hệ thống η được rút ra là hàm của điện áp pin U_BAT và điện áp điểm công suất tối đa của tế bào PV U_mp.
• Kết luận: Đối với pin lưu trữ 3.7V có điện áp hoạt động khoảng 3.9V~4.0V, kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời của hệ thống cao nhất khi U_mp của tế bào PV khoảng 4.25V. Do đó, trong lựa chọn thực tế, U_mp của tế bào PV nên được kiểm soát trong phạm vi 4.2V ~ 4.3V.

V. Kết quả Dự kiến

1. Cải thiện Hiệu suất đáng Kể: Việc hoạt động độc lập theo mô-đun hoàn toàn loại bỏ hiệu ứng "chuyền nước" và vấn đề điểm nóng của cấu trúc chuỗi, đảm bảo mỗi đơn vị hoạt động hiệu quả. Đồng thời, việc khớp điện áp chính xác giữa PV và lưu trữ cho phép theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) gần đúng mà không cần mạch bổ sung, nâng cao đáng kể hiệu suất phát điện.
2. Nâng cao Tuổi thọ và Độ tin cậy: Cấu trúc mô-đun cơ bản giải quyết các thách thức cân bằng do sự không đồng đều của gói pin, tránh sạc quá mức và xả quá mức, kéo dài tuổi thọ tổng thể của hệ thống. Chiến lược giám sát theo tầng cung cấp nhiều lớp bảo vệ từ mức cục bộ đến mức toàn cầu, cải thiện đáng kể độ bền của hệ thống.
3. Tối ưu Hóa Chi phí và Bảo trì Thuận tiện: Thiết kế này thành công loại bỏ nhu cầu về các bộ theo dõi MPPT phức tạp và Hệ thống Quản lý Pin (BMS), giảm chi phí phần cứng. Kiến trúc "như Lego" làm cho việc lắp đặt, bảo trì và mở rộng cực kỳ thuận tiện. Sự hỏng hóc của một mô-đun duy nhất không ảnh hưởng đến hoạt động tổng thể, giảm tổng chi phí vòng đời.