پیشنهاد هیبرید باد-خورشیدی ارزان قیمت: کاهش هزینه سیستم با تبدیل‌کننده بک-بوست و شارژ هوشمند

چکیده​

این راه‌حل یک سیستم تولید انرژی هیبریدی باد-خورشید با کارایی بالا پیشنهاد می‌کند. این سیستم به معایب اصلی فناوری‌های موجود مانند استفاده کم از انرژی، عمر کوتاه باتری و پایداری ضعیف سیستم می‌پردازد. این سیستم از مبدل‌های DC/DC باک-بوست کاملاً دیجیتال، فناوری موازی تو در تو و الگوریتم شارژ سه مرحله‌ای هوشمند استفاده می‌کند. این موجب تعقیب نقطه قدرت بیشینه (MPPT) در محدوده گسترده‌تری از سرعت‌های باد و تابش خورشید می‌شود، که به طور قابل توجهی کارایی جذب انرژی را افزایش می‌دهد، عمر خدماتی باتری را افزایش می‌دهد و هزینه کلی سیستم را کاهش می‌دهد.

​۱. مقدمه: نکات دردناک صنعت و معایب موجود​

سیستم‌های هیبریدی باد-خورشید سنتی از معایب قابل توجهی برخوردارند که از کاربرد گسترده و کارایی آن‌ها جلوگیری می‌کند:

• ​دامنه ولتاژ ورودی محدود:​​ این سیستم‌ها معمولاً از مبدل‌های باک ساده استفاده می‌کنند که فقط زمانی قادر به شارژ باتری هستند که ولتاژ تولید شده توسط توربین بادی یا پانل‌های خورشیدی از ولتاژ باتری بیشتر باشد. در شرایط باد کم یا روشنایی ضعیف، ولتاژ تولید شده کافی نیست که منجر به تلف شدن انرژی تجدیدپذیر می‌شود.
• ​تلف شدید انرژی:​​ وقتی انرژی باد یا خورشید فراوان است، سیستم‌های سنتی معمولاً از ترمز مقاومتی (بارهای وهمی) برای تبدیل انرژی بیش از حد به گرما استفاده می‌کنند تا از بیش شارژ باتری جلوگیری کنند، که منجر به تلف شدن قابل توجه انرژی می‌شود.
• ​عمر کوتاه باتری:​​ به دلیل عدم جذب کافی انرژی و مکانیسم‌های محافظت از بیش شارژ ناقص، باتری‌ها معمولاً در حالت کم شارژ یا بیش شارژ باقی می‌مانند که به طور قابل توجهی عمر چرخه آن‌ها را کاهش می‌دهد و هزینه‌های نگهداری را افزایش می‌دهد.
• ​کنترل دقیق کم و پایداری ضعیف:​​ بیشتر سیستم‌ها از استراتژی‌های کنترل ساده استفاده می‌کنند که تنظیم دقیق ولتاژ و جریان را ندارند، که منجر به عدم پایداری کیفیت انرژی می‌شود. برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد بار، معمولاً نیاز به تجهیزات تولید و ذخیره‌سازی با ظرفیت بزرگتر است که موجب افزایش سرمایه‌گذاری اولیه می‌شود.

​۲. مولفه‌های اصلی راه‌حل​

این سیستم شامل ۱۱ مولفه اصلی است که به صورت همکاری برای تشکیل یک شبکه هوشمند، کارآمد جذب، ذخیره‌سازی و توزیع انرژی عمل می‌کنند.

​۳. مزایای فنی اصلی​

​۳.۱ مبدل DC/DC باک-بوست با دامنه ولتاژ ورودی گسترده​

• ​فن‌آوری اصلی:​​ هر دو مبدل بادی و خورشیدی از توپولوژی DC/DC باک-بوست استفاده می‌کنند.
• ​نکته دردناک حل شده:​​ محدودیت‌های ولتاژ مبدل‌های باک سنتی را غلبه می‌کند.
• ​ولتاژ ورودی کم (حالت بوست):​​ وقتی سرعت باد کمتر از مقدار اسمی (rpm < ω₀) یا نور کافی نیست و ولتاژ تولید شده کمتر از ولتاژ باتری است، مبدل به طور خودکار در حالت بوست عمل می‌کند تا ولتاژ را برای شارژ افزایش دهد.
• ​ولتاژ ورودی بالا (حالت باک):​​ وقتی منابع باد یا خورشید فراوان هستند و ولتاژ تولید شده بیشتر از ولتاژ باتری است، مبدل به طور خودکار به حالت باک تغییر می‌کند تا شارژ کند.
• ​دو طرح اجرایی:​​
• ​مبدل DC/DC باک-بوست کاسکادی:​​ از ۲ کلید قدرت برای کنترل جداگانه بوست/باک استفاده می‌کند؛ دقت بالا، برای سناریوهای با کارایی بالا مناسب است.
• ​مبدل DC/DC باک-بوست پایه:​​ از ۱ کلید قدرت کنترل شده توسط یک چرخه وظیفه PWM (<50% باک، >50% بوست) استفاده می‌کند؛ ساختار ساده‌تر، هزینه کمتر.

​۳.۲ کنترل موازی تو در تو (نوآوری کلیدی)​​

• ​اصول فنی:​​ کنترل‌کننده دیجیتال سیگنال‌های PWM برای دو مبدل DC/DC موازی با اختلاف فاز ۱۸۰ درجه را می‌راند، متفاوت از عملکرد موازی هم‌فاز سنتی.
• ​اثرات فنی:​​
• ​کاهش نوسان:​​ نوسانات جریان خروجی یکدیگر را لغو می‌کنند، که مقدار قله-پایه کل نوسان جریان خروجی را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و برق مستقیم تمیز‌تر و پایدارتری را به بار ارائه می‌دهد.
• ​ضعف دوبرابر فرکانس، کاهش زیان‌ها:​​ فرکانس نوسان کل جریان خروجی دوبرابر فرکانس تبدیل یک مبدل می‌شود، که امکان استفاده از فرکانس تبدیل کمتر برای برآوردن نیازهای نوسان را فراهم می‌کند، بنابراین زیان‌های تبدیل را کاهش می‌دهد و کارایی کلی سیستم را افزایش می‌دهد.

​۳.۳ حالت شارژ سه مرحله‌ای هوشمند​

کنترل‌کننده دیجیتال استراتژی شارژ را بر اساس وضعیت شارژ (SOC) باتری به طور دینامیک تنظیم می‌کند، توازن بهینه بین کارایی و محافظت را به دست می‌آورد:

​۳.۴ کنترل کاملاً دیجیتال و هوشمند​

با مرکزیت یک MCU یا DSP با عملکرد بالا، سیستم داده‌های ولتاژ و جریان واقعی از توربین بادی، پانل‌های خورشیدی و باتری را جمع‌آوری می‌کند. با استفاده از الگوریتم‌های تعبیه شده، آن:

• محاسبات MPPT واقعی را انجام می‌دهد تا جذب بهینه انرژی را تضمین کند.
• به طور هوشمند حالت‌های شارژ را تعیین و تغییر می‌دهد.
• سیگنال‌های PWM دقیق را تولید می‌کند تا مبدل‌ها را ران کند و کنترل موازی تو در تو را اجرا کند.

​۴. مزایا و قابلیت مقیاس‌پذیری​

​۴.۱ مزایای فنی اصلی​

1. ​افزایش قابل توجه استفاده از منابع:​​ دامنه ولتاژ ورودی گسترده امکان جذب انرژی کم‌کیفیت (مثلاً بادهای ضعیف، نور ضعیف صبح و عصر) را که سیستم‌های سنتی نمی‌توانند جذب کنند، فراهم می‌کند و محدوده قابل استفاده انرژی باد و خورشید را به طور قابل توجهی گسترش می‌دهد.
2. ​افزایش قابل توجه کارایی سیستم:​​ الگوریتم MPPT اطمینان می‌دهد که واحدهای تولید در نقطه قدرت بیشینه خود عمل می‌کنند. با ترکیب با کاهش زیان‌ها از طریق فناوری موازی تو در تو، کارایی انرژی کلی سیستم به طور قابل توجهی بیشتر از راه‌حل‌های سنتی است.
3. ​افزایش قابل توجه عمر باتری:​​ الگوریتم شارژ سه مرحله‌ای هوشمند به طور مؤثر از بیش شارژ و شارژ عمیق جلوگیری می‌کند و عمر چرخه باتری را بیش از ۵۰٪ افزایش می‌دهد و هزینه‌های نگهداری و جایگزینی را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
4. ​کاهش هزینه کلی سیستم:​​ پایداری بیشتر تأمین برق نیاز به افزایش ظرفیت تولید و ذخیره‌سازی برای اطمینان از قابلیت اطمینان را حذف می‌کند و سرمایه‌گذاری اولیه را کاهش می‌دهد.
5. ​کیفیت خروجی برق بالا:​​ فناوری موازی تو در تو خروجی DC با نوسان کم و پایدار را فراهم می‌کند، که بارهای حساس را محافظت می‌کند و کیفیت تأمین برق را بهبود می‌بخشد.

​۴.۲ طرح افزایش ظرفیت انعطاف‌پذیر​

این سیستم قابلیت مقیاس‌پذیری بسیار خوبی برای افزایش انعطاف‌پذیر ظرفیت بر اساس تقاضا دارد:

• ​افزایش در سطح مولفه:​​ ورودی‌های دو مبدل DC/DC می‌توانند به طور موازی به یک پانل خورشیدی یا توربین بادی متصل شوند. کنترل‌کننده دیجیتال کنترل موازی تو در تو یکپارچه را ارائه می‌دهد که توان خروجی قله‌ای برای آن منبع خاص (خورشید یا باد) را دوبرابر می‌کند.
• ​افزایش در سطح سیستم:​​ واحدهای تولید خورشیدی و بادی گسترش یافته می‌توانند به طور موازی در باس DC متصل شوند تا به راحتی باتری‌ها و بارهای بزرگتر را تغذیه کنند. تمام واحد‌های کنترلی از طریق رابط‌های ارتباطی (مثلاً باس CAN) به یکدیگر متصل می‌شوند برای نظارت و مدیریت متمرکز.