Efektivní hybridní řešení větrná-slníčková: Přepínací převodník Buck-Boost & chytrý nabíjení snižují náklady systému

Abstrakt​

Tato řešení navrhuje inovativní vysokoeffektivní hybridní systém pro výrobu elektřiny z větru a slunce. Řeší klíčové nedostatky stávajících technologií, jako je nízká využití energie, krátká životnost baterií a špatná stabilita systému. Systém používá plně digitálně ovládané buck-boost DC/DC převodníky, interlevovanou paralelní technologii a inteligentní třístupňový algoritmus nabíjení. To umožňuje sledování maximálního bodu výkonu (MPPT) v širším rozsahu rychlostí větru a slunečního záření, což významně zlepšuje efektivitu zachycení energie, efektivně prodlužuje životnost baterií a snižuje celkové náklady systému.

​1. Úvod: Bolavé body průmyslu a stávající nedostatky​

Tradiční hybridní systémy využívající větrné a sluneční energie trpí významnými nedostatky, které omezují jejich široké uplatnění a nákladovou efektivitu:

• ​Úzký rozsah vstupních napětí:​​ Systémy obvykle používají jednoduché buck převodníky, které mohou nabíjet baterii pouze tehdy, když napětí vygenerované větrným turbínou nebo solárními panely přesahuje napětí baterie. Za nízkých rychlostí větru nebo slabého osvětlení je vygenerované napětí nedostatečné, což vede k ztrátě obnovitelné energie.
• ​Značné ztráty energie:​​ Když je větrná nebo sluneční energie hojná, tradiční systémy často používají rezistivní brzdění (falešné zatížení) k odvedení přebytku elektrické energie ve formě tepla, aby se zabránilo přetížení baterie, což vede k značným ztrátám energie.
• ​Krátká životnost baterií:​​ V důsledku výše uvedeného nedostatečného zachycení energie a nedokonalých mechanismů ochrany před přetížením se baterie často nacházejí v stavu podnabíjení nebo přetížení, což dramaticky snižuje jejich cyklickou životnost a zvyšuje náklady na údržbu.
• ​Nízká přesnost ovládání a špatná stabilita:​​ Většina systémů používá jednoduché strategie ovládání, které chybí přesné regulace napětí a proudů, což vede ke nestabilitě kvality dodávané energie. Pro zajištění spolehlivého provozu zátěže jsou často potřebná vybavení s větší kapacitou pro výrobu a skladování, což zvyšuje počáteční investice.

​2. Klíčové komponenty řešení​

Tento systém se skládá ze 11 klíčových komponent, které spolupracují k vytvoření inteligentní, efektivní sítě pro zachycení, skladování a distribuci energie.

​3. Klíčové technické výhody​

​3.1 Buck-Boost DC/DC převodník s širokým rozsahem vstupních napětí​

• ​Klíčová technologie:​​ Oba převodníky využívají topologii buck-boost DC/DC.
• ​Řešený problém:​​ Překonává omezení napětí tradičních buck převodníků.
• ​Nízké vstupní napětí (režim Boost):​​ Pokud je rychlost větru nižší než nominální hodnota (rpm < ω₀) nebo je světlo nedostatečné a vygenerované napětí je nižší než napětí baterie, převodník automaticky přechází do režimu Boost pro zvednutí napětí k nabíjení.
• ​Vysoké vstupní napětí (režim Buck):​​ Pokud jsou větrné nebo sluneční zdroje hojné a vygenerované napětí přesahuje napětí baterie, převodník automaticky přepne do režimu Buck pro nabíjení.
• ​Dva implementační schémata:​​
• ​Kaskádový buck-boost DC/DC:​​ Používá 2 výkonové přepínače pro samostatné ovládání boost/buck; poskytuje vysokou přesnost, vhodné pro vysokovýkonnostní scénáře.
• ​Základní buck-boost DC/DC:​​ Používá 1 výkonový přepínač ovládaný jedním PWM cyklem povinnosti (<50% Buck, >50% Boost); jednodušší struktura, nižší náklady.

​3.2 Interlevované paralelní ovládání (klíčová inovace)​​

• ​Technický princip:​​ Digitální řadič ovládá PWM signály pro dva paralelní DC/DC převodníky s fázovým posuvem 180 stupňů, na rozdíl od tradičního paralelního provozu v fázi.
• ​Technické efekty:​​
• ​Snížení ripple:​​ Výstupní proudy ripple se vzájemně ruší, což významně snižuje vrcholek-podstava celkového ripple proudu, poskytující čistější a stabilnější stejnosměrný proud zátěži.
• ​Dvojnásobná frekvence, snížené ztráty:​​ Frekvence ripple celkového výstupního proudu se stane dvojnásobkem přepínací frekvence jednoho převodníku, což umožňuje použití nižší přepínací frekvence pro splnění požadavků na ripple, čímž se snižují přepínací ztráty a zlepšuje celkovou efektivitu systému.

​3.3 Inteligentní třístupňový režim nabíjení​

Digitální řadič dynamicky upravuje strategii nabíjení na základě stavu nabíjení (SOC) baterie, dosahující optimální rovnováhy mezi efektivitou a ochranou:

​3.4 Plně digitální inteligentní ovládání​

Středem systému je vysokovýkonnostní MCU nebo DSP, který shromažďuje reálně časová data o napětí a proudu z větrné turbíny, solárních panelů a baterie. Pomocí vestavěných algoritmů:

• Provádí reálně časové výpočty MPPT, aby zajistil optimální zachycení energie.
• Inteligentně určuje a přepíná režimy nabíjení.
• Přesně generuje PWM signály pro ovládání převodníků a implementaci interlevovaného ovládání.

​4. Výhody a škálovatelnost​

​4.1 Klíčové technické výhody​

1. ​Značně zlepšené využití zdrojů:​​ Široký rozsah vstupních napětí umožňuje systému využít energeticky nízké zdroje (např. lehké větry, slabé světlo v ránu a večer), které tradiční systémy nemohou zachytit, což významně rozšiřuje použitelný rozsah větrné a sluneční energie.
2. ​Značně zlepšená efektivita systému:​​ Algoritmus MPPT zajišťuje, že výrobní jednotky pracují v jejich optimálním bodu výkonu. Spolu s sníženými ztrátami z interlevované technologie je celková energetická efektivita systému mnohem vyšší než u tradičních řešení.
3. ​Značně prodloužená životnost baterií:​​ Inteligentní třístupňový algoritmus nabíjení efektivně previne přetížení a hluboké vybíjení, zvyšuje cyklickou životnost baterií o více než 50% a značně snižuje náklady na údržbu a náhradu.
4. ​Snížené komplexní náklady systému:​​ Zlepšená stabilita dodávky energie eliminuje potřebu přetypování výrobní a skladovací kapacity pro zajištění spolehlivosti, což snižuje počáteční investice.
5. ​Vysoká kvalita výstupního výkonu:​​ Interlevovaná technologie poskytuje nízké ripple a vysokou stabilitu stejnosměrného výstupu, chrání citlivé zátěže a zlepšuje kvalitu dodávky energie.

​4.2 Flexibilní schéma rozšíření kapacity​

Systém nabízí vynikající škálovatelnost pro flexibilní rozšíření kapacity podle potřeby:

• ​Rozšíření na úrovni komponent:​​ Vstupy dvou DC/DC převodníků lze paralelně připojit ke stejnému solárnímu panelu nebo větrné turbíně. Digitální řadič poskytuje unifikované interlevované ovládání, což zdvojnásobí vrcholový výkon pro daný zdroj (slunce nebo větrná turbína).
• ​Rozšíření na úrovni systému:​​ Rozšířené solární a větrné jednotky lze paralelně připojit na stejnosměrnou sběrnici, aby snadno zásobovaly větší bateriové banky a zátěže. Všechny řídící jednotky jsou propojeny prostřednictvím komunikačních rozhraní (např. CAN sběrnice) pro centralizované monitorování a správu.