Solució híbrida eòlica-fotovoltaica econòmica: Convertidor Buck-Boost i càrrega intel·ligent redueixen el cost del sistema

Resum

Aquesta solució proposa un sistema d'energia híbrid eòlic-fotovoltaic d'alta eficiència. Abordant els principals defectes de les tecnologies existents, com l'ús baix de l'energia, la vida útil curta de les bateries i la poca estabilitat del sistema, aquest sistema utilitza convertidors DC/DC buck-boost totalment digitals, tecnologia d'interleaving paral·lela i un algoritme de càrrega intel·ligent en tres etapes. Això permet el seguiment del punt de màxima potència (MPPT) en un rang més ampli de velocitats del vent i radiació solar, millorant significativament l'eficiència de captació d'energia, prolongant la vida útil de les bateries i reduint el cost total del sistema.

1. Introducció: Punts de dolor de l'indústria i deficiències existents

Els sistemes híbrids eòlics-fotovoltaics tradicionals presenten importants inconvenients que limiten la seva aplicació generalitzada i la seva rentabilitat:

• Rang d'entrada de tensió estret: Els sistemes solen utilitzar convertidors buck simples, que només poden carregar la bateria quan la tensió generada pel aerogenerador o els panells solars supera la tensió de la bateria. En condicions de vent baix o llum feble, la tensió generada és insuficient, provocant una pèrdua d'energia renovable.
• Pèrdua d'energia greu: Quan hi ha abundància d'energia eòlica o solar, els sistemes tradicionals sovint utilitzen frenades resistives (càrregues fictícies) per dissipar l'excés d'energia elèctrica com a calor per evitar la sobrecàrrega de la bateria, resultant en una pèrdua d'energia significativa.
• Vida útil curta de les bateries: Degut a la captació insuficient d'energia i mecanismes de protecció contra la sobrecàrrega imperfectes, les bateries sovint es troben en un estat de subcàrrega o sobrecàrrega, reduint dràsticament la seva vida útil cíclica i incrementant els costos de manteniment.
• Baixa precisió de control i poca estabilitat: La majoria dels sistemes utilitzen estratègies de control simples, sense regulació precisa de la tensió i corrent, resultant en una qualitat d'energia inestable. Per assegurar l'operació fiable de la càrrega, sovint són necessaris equips de generació i emmagatzematge de capacitat més gran, incrementant l'inversió inicial.

2. Components bàsics de la solució

Aquest sistema consta de 11 components bàsics que treballen sinergicament per formar una xarxa intel·ligent, eficient de captació, emmagatzematge i distribució d'energia.

3. Avantatges tècnics principals

3.1 Convertidor DC/DC buck-boost amb rang d'entrada de tensió ample

• Tecnologia principal: Tots dos convertidors, eòlic i solar, utilitzen una topologia Buck-Boost DC/DC.
• Inconvenient resolt: Supera les limitacions de tensió dels convertidors buck tradicionals.
• Tensió d'entrada baixa (mode Boost): Quan la velocitat del vent és inferior al valor nominal (rpm < ω₀) o la llum és insuficient, i la tensió generada és inferior a la tensió de la bateria, el convertidor opera automàticament en mode Boost per augmentar la tensió per a la càrrega.
• Tensió d'entrada alta (mode Buck): Quan hi ha abundància d'energia eòlica o solar i la tensió generada supera la tensió de la bateria, el convertidor canvia automàticament a mode Buck per a la càrrega.
• Dos esquemes d'implementació:
• Buck-Boost DC/DC en cascada: Utilitza 2 interruptors de potència per al control separat de boost/buck; ofereix alta precisió, adequat per a escenaris de alt rendiment.
• Buck-Boost DC/DC bàsic: Utilitza 1 interruptor de potència controlat per un cicle de dutxa PWM únic (<50% Buck, >50% Boost); estructura més simple, menor cost.

3.2 Control paral·lel intercalat (innovació clau)

• Principi tècnic: El controlador digital genera senyals PWM per a dos convertidors DC/DC paral·lels amb un desfasament de 180 graus, diferent de l'operació paral·lela en fase tradicional.
• Efectes tècnics:
• Reducció de les oscil·lacions: Les oscil·lacions de corrent de sortida s'anul·len entre si, reduint significativament el valor de pic a pic de la corrent total d'oscil·lació, proporcionant una energia CC més neta i estable a la càrrega.
• Freqüència doblada, pèrdues reduïdes: La freqüència d'oscil·lació de la corrent total de sortida es converteix en el doble de la freqüència de commutació d'un sol convertidor, permetent utilitzar una freqüència de commutació més baixa per complir els requisits d'oscil·lació, reduint les pèrdues de commutació i millorant l'eficiència global del sistema.

3.3 Mode de càrrega intel·ligent en tres etapes

El controlador digital ajusta dinàmicament la estratègia de càrrega basant-se en l'estat de càrrega (SOC) de la bateria, assolint un equilibri òptim entre eficiència i protecció:

3.4 Control intel·ligent totalment digital

Centrat en un MCU o DSP de alt rendiment, el sistema recopila dades de tensió i corrent en temps real del aerogenerador, els panells solars i la bateria. Utilitzant algoritmes integrats, això:

• Realitza càlculs de MPPT en temps real per assegurar la captació òptima d'energia.
• Determina i canvia intel·ligentment els modes de càrrega.
• Genera precisament senyals PWM per a dirigir els convertidors i implementar el control intercalat.

4. Beneficis i escalabilitat

4.1 Beneficis tècnics principals

1. Utilització de recursos enormement millorada: El rang d'entrada de tensió ample permet al sistema captar energia de baixa qualitat (per exemple, brises lleugeres, llum feble a l'alba o al crepuscle) que els sistemes tradicionals no poden captar, ampliant significativament el rang utilitzable d'energia eòlica i solar.
2. Millora significativa de l'eficiència del sistema: L'algoritme MPPT assegura que les unitats de generació operin al seu punt de màxima potència. Combinat amb la reducció de pèrdues gràcies a la tecnologia d'interleaving, l'eficiència energètica global del sistema supera molt la de les solucions tradicionals.
3. Augment substancial de la vida útil de la bateria: L'algoritme de càrrega en tres etapes intel·ligent prevé eficaçment la sobrecàrrega i la descàrrega profunda, incrementant la vida útil cíclica de la bateria en més de 50% i reduint significativament els costos de manteniment i substitució.
4. Reducció del cost total del sistema: L'estabilitat millorada de l'aprovitament elimina la necessitat de sobredimensionar la capacitat de generació i emmagatzematge per a la fiabilitat, reduint l'inversió inicial.
5. Qualitat de potència de sortida elevada: La tecnologia d'interleaving proporciona una sortida DC de baixa oscil·lació i altament estable, protegint les càrregues sensibles i millorant la qualitat de l'aprovitament.

4.2 Esquema d'expansió de capacitat flexible

El sistema ofereix una excel·lent escalabilitat per a increments de capacitat flexibles basats en la demanda:

• Expansió a nivell de component: Les entrades de dos convertidors DC/DC es poden connectar en paral·lel a la mateixa plaça fotovoltaica o aerogenerador. El controlador digital proporciona un control intercalat unificat, duplicant la potència de sortida màxima per a aquesta font particular (solar o eòlica).
• Expansió a nivell de sistema: Les unitats d'energia solar i eòlica expandides es connecten en paral·lel a la línia DC per a alimentar fàcilment bateries i càrregues més grans. Totes les unitats de control estan interconnectades a través d'interfícies de comunicació (per exemple, bus CAN) per a la monitorització i gestió centralitzades.