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光伏发电技术
★ 5.0
优化光伏-电池混合系统:一种具有组件级最大功率点跟踪和负载共享的可重构方法
Optimizing PV–Battery Hybrid Systems: A Reconfigurable Approach With Module-Level Maximum-Power-Point Tracking and Load Sharing
| 作者 | Wei Jiang · Nima Tashakor · Pouyan Pourhadi Abkenar · Alexander Koehler · Hui Wang · Stefan M. Goetz |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 混合可重构系统 可再生能源 最大功率点跟踪 电池模块 调制策略 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种新颖的混合可重构电池与光伏(PV)系统,旨在满足对高效可再生能源日益增长的需求。该系统采用模块化可重构架构,配备紧凑的耦合电感和独特的调制策略,提高了灵活性和能源利用率。该系统确保每个光伏组件在其最大功率点(MPP)运行,以实现发电最大化,同时解决了硬线连接带来的局部最优和可扩展性等问题。电池模块能无缝适应光伏输出功率和负载需求的波动,同时确保稳定的直流母线电压输出。通过耦合电感在并联和串联连接之间创建中间状态,以管理并联模块之间的电压差。这些电感占用空间小,磁性材料使用量少。它们无需在高负载电流下处理高共模磁通量,而是通过高差模电感实现平衡电流。所提出的调制策略实现了高效的双向能量传输,并允许独立于输出控制对模块间的功率交换进行精确控制。这种独立控制有助于在不同电压的电池和光伏面板之间实现充电和负载平衡。仿真和实验表明,该系统的最大功率点跟踪性能效率至少达到97%,与两个固定串联的光伏组件相比,能量输出约增加19%,输出电压和电流的纹波小于1%。
English Abstract
This article presents a novel hybrid reconfigurable battery and photovoltaic (PV) system designed to meet the growing demand for efficient renewable energy sources. The system features a modular reconfigurable architecture with compact coupled inductors and a unique modulation strategy, which enhance flexibility and energy utilization. The system ensures that each PV component operates at its maximum power point (MPP) to maximize power generation, while it solves the problems of hard-wired connections, such as local optima and scalability. The battery module seamlessly adapts to fluctuations in PV power output and load demands, while it ensures a stable dc-bus voltage output. Intermediate states between parallel and series connectivity are created through coupled inductors to manage voltage differences between paralleled modules. These inductors offer a small footprint and minimal magnetic material usage. They do not need to manage the high common-mode magnetic flux at high load currents but serve for the balancing currents through high differential-mode inductance. The proposed modulation strategy enables efficient bidirectional energy transfer and allows precise control of power exchange between modules independently of output control. The independent control facilitates charge and load balancing between battery and PV panels with varying voltages. Simulations and experiments demonstrate the system's MPP tracking performance with at least 97% efficiency, an approximate 19% increase in energy output compared to a fixed string of two PVs, and <1% ripple in the output voltage and current.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项光伏-储能混合可重构系统技术具有显著的战略价值。该技术通过模块级最大功率点跟踪(MPPT)和可重构架构,有效解决了传统固定串联系统中的局部遮蔽、失配损失和扩展性受限等痛点,这与我们在组串式逆变器和储能系统领域的技术演进方向高度契合。
该技术的核心创新在于紧凑型耦合电感和独特调制策略的结合,实现了光伏组件与储能单元的灵活互联和独立控制。实验数据显示至少97%的系统效率和相比固定串联提升约19%的能量输出,这对提升我们户用和工商业储能系统的经济性具有直接价值。特别是输出电压电流纹波小于1%的特性,可显著改善电能质量,减轻后级逆变器的滤波压力,有助于降低系统整体成本。
从应用前景看,该技术在分布式光储系统中潜力巨大。模块级独立控制能力使系统能够精确管理不同老化程度的光伏组件和电池单元,延长系统生命周期,这对我们推广的户用智能光储解决方案尤为重要。耦合电感的小型化设计也符合高功率密度的产品开发趋势。
然而,技术挑战不容忽视。可重构架构的复杂控制算法对数字控制平台的计算能力提出更高要求,需要评估在大规模量产中的成本增量。此外,耦合电感在不同工况下的热管理、长期可靠性以及与现有BMS系统的集成,都需要深入的工程验证。建议我们的研发团队重点关注该技术在5-20kW功率段产品中的应用可行性,并开展差模电感优化设计和模块化控制策略的适配性研究。