Стойкостно-ефективно хибридно решение за вятър-слънце: Бук-Буст конвертор и интелигентно зареждане намаляват системните разходи

Резюме

Тази решениe предлага иновативна високоефективна хибридна система за генериране на енергия от вятър и слънце. Решавайки основните недостатъци в съществуващите технологии, като ниска утилизация на енергията, кратък живот на батерията и лоша стабилност на системата, тя използва пълно цифрово контролирани buck-boost DC/DC преобразуватели, паралелна технология и интелигентен триетапен алгоритъм за зареждане. Това позволява следене на максималната точка на мощност (MPPT) в по-широк диапазон от скорости на вятъра и сончева осветеност, значително подобрява ефективността на улавянето на енергия, удължава ефективния живот на батерията и намалява общата цена на системата.

1. Въведение: Проблеми в индустрията и съществуващи недостатъци

Традиционните хибридни системи за вятър и слънце имат значителни недостатъци, които ограничават техния широкомащабен приложение и икономичност:

• Ограничен диапазон на входното напрежение: Системите обикновено използват прости buck преобразуватели, които могат да зареждат батерията само когато напрежението, генерирано от вятърната турбина или сончевите панели, надхвърли напрежението на батерията. При ниски скорости на вятъра или слаба светлина, генерираното напрежение е недостатъчно, водейки до загуба на възобновяема енергия.
• Значителна загуба на енергия: Когато енергията от вятъра или слънцето е изобилна, традиционните системи често използват резистивно спирање (dummy loads) за разсейване на излишната електрическа енергия като топлина, за да се предотврати прекомерно зареждане на батерията, което води до значителна загуба на енергия.
• Кратък живот на батерията: Поради по-горе споменатите недостатъци в улавянето на енергия и непълно защитно устройство срещу прекомерно зареждане, батериите често остават в състояние на недостиг или прекомерно зареждане, което драстично намалява техния цикличен живот и увеличава разходите за поддръжка.
• Ниска точност на управление и лоша стабилност: Повечето системи използват прости стратегии за управление, липсват им точно регулиране на напрежението и тока, което води до нестабилно качество на енергията. За да се гарантира надеждната работа на потребителите, се изискват генериращи и съхраняващи устройства с по-голяма капацитет, което увеличава началните инвестиции.

2. Основни компоненти на решението

Тази система се състои от 11 основни компонента, които работят синергетично, за да формират интелигентна, ефективна мрежа за улавяне, съхранение и разпределение на енергия.

3. Основни технически предимства

3.1 Buck-Boost DC/DC преобразувател с широк диапазон на входното напрежение

• Основна технология: И двата преобразувателя – вятърен и сончев, използват buck-boost DC/DC топология.
• Решена проблемна точка: Преодолява напреженичните ограничения на традиционните buck преобразуватели.
• Ниско входно напрежение (Boost режим): Когато скоростта на вятъра е под номиналната стойност (rpm < ω₀) или светлината е недостатъчна, и генерираното напрежение е под напрежението на батерията, преобразувателят автоматично работи в Boost режим, за да повиши напрежението за зареждане.
• Високо входно напрежение (Buck режим): Когато ресурсите от вятър/слънце са изобилни и генерираното напрежение надхвърля напрежението на батерията, преобразувателят автоматично се превключва в Buck режим за зареждане.
• Две реализации:
• Каскаден buck-boost DC/DC: Използва 2 силови ключа за отделно управление на boost/buck; предлага висока точност, подходяща за високопроизводствени сценарии.
• Основен buck-boost DC/DC: Използва 1 силов ключ, контролиран от един PWM duty cycle (<50% Buck, >50% Boost); по-проста структура, по-ниска цена.

3.2 Паралелно управление с фазово сместване (основна иновация)

• Технически принцип: Цифровият контролер управлява PWM сигнали за два паралелни DC/DC преобразуватели с фазово сместване от 180 градуса, в сравнение с традиционното управление в фаза.
• Технически ефекти:
• Намалена рипла: Изходните токови рипли се анулират, значително намалявайки върховната стойност на общата рипла, предоставяйки по-чист и стабилен DC изходен ток за потребителите.
• Удвоена честота, намалени загуби: Честотата на риплата на общия изходен ток става два пъти по-висока от честотата на превключване на един преобразувател, позволявайки използването на по-ниска честота на превключване, за да се удовлетворят изискванията за рипла, като така се намаляват загубите от превключване и се подобрява общата ефективност на системата.

3.3 Интелигентен триетапен режим на зареждане

Цифровият контролер динамично коригира стратегията за зареждане в зависимост от състоянието на зареждане (SOC) на батерията, постигайки оптимален баланс между ефективност и защита:

3.4 Пълно цифрово интелигентно управление

С център във високопроизводителен MCU или DSP, системата събира реално време данни за напрежение и ток от вятърната турбина, сончевите панели и батерията. Използвайки вградени алгоритми, тя:

• Изпълнява реално време MPPT изчисления, за да се гарантира оптималното улавяне на енергия.
• Интелигентно определя и превключва режимите на зареждане.
• Точни генерира PWM сигнали, за да управлява преобразувателите и реализира паралелно управление.

4. Предимства и мащабируемост

4.1 Основни технически предимства

1. Значително подобрена утилизация на ресурсите: Широкият диапазон на входното напрежение позволява системата да улавя ниско качествена енергия (например, леки ветрове, слаба светлина през зори), която традиционните системи не могат да уловят, значително разширявайки използваемия диапазон на вятърна и сончева енергия.
2. Значително подобрена ефективност на системата: Алгоритъмът MPPT гарантира, че генериращите устройства работят в оптималната точка на мощност. Комбиниран с намалените загуби от паралелната технология, общата ефективност на системата е много по-висока от традиционните решения.
3. Значително удължен живот на батерията: Интелигентният триетапен алгоритъм за зареждане ефективно предотвратява прекомерно зареждане и дълбоко разразрядане, увеличавайки жизнения цикъл на батерията с над 50% и значително намалява разходите за поддръжка и замяна.
4. Намалена обща цена на системата: Подобрена стабилност на доставката на енергия елиминира необходимостта от излишно размерене на генериращата и съхраняващата капацитет за надеждност, намалявайки началните инвестиции.
5. Високо качество на изходната мощност: Паралелната технология предоставя ниско рипло, високо стабилно DC изходно напрежение, което защитава чувствителните потребители и подобрява качеството на доставката на енергия.

4.2 Гъвкава схема за увеличаване на капацитета

Системата предлага отлична мащабируемост за гъвкаво увеличаване на капацитета в зависимост от нуждите:

• Увеличаване на ниво компоненти: Входовете на два DC/DC преобразувателя могат да бъдат свързани паралелно към една и съща сончева панел или вятърна турбина. Цифровият контролер предоставя единно паралелно управление, удвоявайки връхната изходна мощност за конкретния източник (сонце или вятър).
• Увеличаване на ниво система: Разширени сончеви и вятърни единици могат да бъдат свързани паралелно на DC шината, за да се достави енергия на по-големи банки от батерии и потребители. Всички контролни единици са свързани чрез комуникационни интерфейси (например, CAN шина) за централизирано наблюдение и управление.