تحلیل مهندسی سیستم‌های ذخیره‌سازی خورشیدی: مقایسه معماری‌های AC-Coupled و DC-Coupled

تامین توان اضطراری و مدیریت هزینه‌های انرژی، یکی از چالش‌های اصلی صنایع و منازل مسکونی است. در گذشته، راهکار معمول استفاده از ژنراتورهای سوخت فسیلی در کنار سیستم‌های UPS سنتی بود. اما امروزه سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مدرن (ESS) با ارائه زمان کارکرد طولانی‌تر، قابلیت استفاده مستقل از شبکه (Off-grid)، حذف چالش‌های تامین سوخت و ترکیب همزمان پشتیبانی توان و کاهش قبوض برق، برتری قاطعی نسبت به روش‌های سنتی دارند. برای پیاده‌سازی این سیستم‌ها با منابع تجدیدپذیر، مهندسان با یک انتخاب پایه‌ای روبرو هستند: مقایسه AC-Coupled و DC-Coupled. در این مقاله به بررسی دقیق این دو معماری می‌پردازیم.

تفاوت ساختاری در مسیرهای تبدیل توان

تفاوت اصلی این دو معماری در محل اتصال پنل‌های خورشیدی به سیستم ذخیره‌سازی باتری است. در سیستم‌های DC-Coupled، پنل‌های خورشیدی و باتری‌ها در سمت جریان مستقیم (DC) به یک اینورتر هیبرید متصل می‌شوند. در مقابل، در سیستم‌های AC-Coupled، پنل‌های خورشیدی دارای اینورتر مختص به خود هستند و اتصال آن‌ها به سیستم باتری در سمت جریان متناوب (AC) صورت می‌گیرد.

این تفاوت ساختاری تاثیر مستقیمی بر راندمان ذخیره سازی خورشیدی دارد. راندمان کل رفت‌وبرگشت (Solar-to-Battery-to-Load RTE) در سیستم‌های DC-Coupled بین ۸۸٪ تا ۹۳٪ است. اما این مقدار در سیستم‌های AC-Coupled به دلیل تعدد مراحل تبدیل بین ۷۸٪ تا ۸۴٪ افت می‌کند. علت این افت آن است که در چرخه شارژ و دشارژ شبانه سیستم‌های AC-Coupled، توان تولیدی ۳ مرحله تبدیل الکترونیک قدرت را طی می‌کند: ابتدا تبدیل DC به AC توسط اینورتر خورشیدی، سپس تبدیل AC به DC توسط شارژر باتری، و در نهایت تبدیل مجدد DC به AC برای تغذیه بار مصرفی.

ارزیابی مهندسی سناریوهای رتروفیت

با وجود راندمان پایین‌تر، معماری AC-Coupled کاربرد حیاتی خود را دارد. زمانی که یک نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه (On-grid) از پیش نصب شده باشد، اجرای یک رتروفیت سیستم خورشیدی برای اضافه کردن قابلیت ذخیره‌سازی از طریق AC-Coupled منطقی‌ترین راهکار است. این روش نیازی به تغییر سیم‌کشی پنل‌ها یا تعویض اینورتر خورشیدی موجود ندارد.

با این حال، اجرای AC-Coupling نیازمند رعایت الزامات مهندسی دقیقی است. یکی از مهم‌ترین آن‌ها، قانون 1 به 1 در AC Coupling است. بر اساس این قانون، حداکثر توان نامی خروجی AC اینورتر خورشیدی نباید از توان نامی اینورتر باتری یا هیبرید فراتر رود. این محدودیت برای جلوگیری از بروز اضافه‌ولتاژهای گذرا (Transient over-voltage) در هنگام افت ناگهانی بار در حالت کارکرد جدا از شبکه اعمال می‌شود.

دینامیک ریزشبکه و کنترل فرکانس

هنگامی که شبکه برق سراسری قطع می‌شود، سیستم وارد حالت جزیره‌ای (Islanded) می‌گردد و اینورتر باتری وظیفه تشکیل ریزشبکه (Microgrid) را بر عهده می‌گیرد. چالشی که در معماری AC-Coupled وجود دارد، نحوه توقف تولید پنل‌های خورشیدی زمانی است که باتری‌ها کاملا شارژ شده‌اند و بار مصرفی پایینی وجود دارد.

در این شرایط، اینورتر باتری از مکانیزم کنترل شیفت فرکانس اینورتر (Frequency-Watt droop control) استفاده می‌کند. برای جلوگیری از شارژ بیش‌ازحد باتری پر، اینورتر فرکانس مرجع ریزشبکه را از ۵۰.۰ هرتز به سمت ۵۱.۰ تا ۵۲.۵ هرتز شیفت می‌دهد. این تغییر فرکانس به عنوان یک سیگنال کنترلی عمل کرده و اینورتر خورشیدی را وادار می‌کند تا توان خروجی خود را مهار کند.

سرعت انتقال توان اضطراری در مقایسه با UPS

یکی از پارامترهای کلیدی برای تجهیزات حساس صنعتی و سرورها، زمان سوئیچینگ (Transfer Time) به هنگام قطع برق است. در اینورترهای هیبرید یکپارچه DC-Coupled، زمان انتقال توان در سطح استانداردهای UPS بوده و بین ۴ تا ۱۰ میلی‌ثانیه است. این سرعت انتقال تضمین می‌کند که هیچ‌گونه قطعی در تجهیزات حساس رخ ندهد.

در نقطه مقابل، سامانه‌های مجزای AC-Coupled بسته به هماهنگی سوئیچ‌های انتقال خودکار (ATS) خارجی، معمولا بین ۲۰ تا ۱۰۰ میلی‌ثانیه زمان برای سوئیچینگ نیاز دارند. بنابراین برای بارهای بسیار حساس که نیازمند جایگزین مستقیم برای UPS هستند، معماری DC-Coupled انتخاب برتر است.

انطباق تجهیزات در پیاده‌سازی هیبریدی

برای اجرای بهینه این معماری‌ها، استفاده از تجهیزاتی که قابلیت انعطاف‌پذیری بالایی دارند ضروری است. به عنوان نمونه، اینورتر هیبرید دیه مدل SUN-6K-OG01LP1 یک راهکار قدرتمند مهندسی است. این اینورتر با توان خروجی ۶۰۰۰ وات، قابلیت دریافت حداکثر ورودی PV معادل ۹۶۰۰ وات از طریق ۲ ردیاب MPPT را دارد. جریان شارژ و دشارژ بالای ۱۳۵ آمپر در این دستگاه، مدیریت توان را بهینه می‌کند. نکته قابل توجه این است که این مدل از اتصال AC-Couple بر روی پورت کمکی (AUX) خود پشتیبانی می‌کند که آن را برای هر دو سناریوی DC و AC سازگار می‌سازد.

در بخش ذخیره‌سازی نیز، تامین توان لحظه‌ای نیازمند باتری‌هایی با قابلیت جریان‌دهی بالا است. باتری‌های لیتیوم‌آهن‌فسفات سری Deye SE-F5 و SE-F12 با ارائه طول عمری بیش از ۶۰۰۰ سیکل، قابلیت اطمینان سیستم را تضمین می‌کنند. این ماژول‌ها امکان موازی‌سازی تا ۳۲ واحد را دارند که ظرفیت لازم برای جذب پیک جریان شارژ و پاسخگویی به جهش‌های بار را در حالت‌های جزیره‌ای فراهم می‌آورد.

در نهایت، شواهد فنی نشان می‌دهد که برای نصب سیستم‌های جدید، معماری یکپارچه DC-Coupled با راندمان بالاتر و زمان سوئیچینگ سریع‌تر، بهترین بازدهی را به همراه دارد. اما برای ارتقای سیستم‌های خورشیدی موجود، معماری AC-Coupled با رعایت دقیق پروتکل‌های فرکانسی و توانی، راهکاری استاندارد و بدون نیاز به تخریب است. در هر دو حالت، سیستم‌های نوین ESS جایگزینی بی‌رقیب برای روش‌های سنتی پشتیبان توان به شمار می‌روند.