راه‌حل هیبریدی باد-خورشید با قیمت مناسب: کنورتر باک-بوست و شارژ هوشمند کاهش میزان هزینه سیستم

چکیده

این راه‌حل یک سیستم تولید انرژی هیبریدی باد-آفتاب با کارایی بالا پیشنهاد می‌دهد. با برخورد به نقص‌های اساسی در فناوری‌های موجود، مانند استفاده پایین از انرژی، عمر کوتاه باتری و پایداری ضعیف سیستم، این سیستم از تبدیل‌کننده‌های DC/DC باک-بوست کاملاً دیجیتال، فناوری موازی شدن متقاطع و الگوریتم شارژ سه مرحله‌ای هوشمند استفاده می‌کند. این امکان را می‌دهد که ردیابی نقطه قدرت حداکثر (MPPT) در محدوده گسترده‌تری از سرعت‌های باد و تابش خورشیدی صورت گیرد، که به طور قابل توجهی کارایی جذب انرژی را بهبود می‌بخشد، عمر مفید باتری را مؤثرانه افزایش می‌دهد و هزینه کلی سیستم را کاهش می‌دهد.

۱. مقدمه: نقاط دردناک صنعت و نقص‌های موجود

سیستم‌های هیبریدی باد-آفتاب سنتی از نقص‌های قابل توجهی رنج می‌برند که از کاربرد گسترده و مقرون به صرفه آن‌ها می‌کاهد:

• دامنه ولتاژ ورودی تنگ: این سیستم‌ها معمولاً از تبدیل‌کننده‌های باک ساده استفاده می‌کنند که فقط زمانی قادر به شارژ باتری هستند که ولتاژ تولید شده توسط توربین بادی یا پانل‌های خورشیدی بیش از ولتاژ باتری باشد. در شرایط باد کم یا نور ضعیف، ولتاژ تولید شده کافی نیست که منجر به تلف شدن انرژی تجدیدپذیر می‌شود.
• تلف شدید انرژی: زمانی که انرژی باد یا خورشیدی فراوان است، سیستم‌های سنتی اغلب از ترمز مقاومتی (بارهای وهمی) برای تبدیل انرژی بیش از حد به گرما استفاده می‌کنند تا از شارژ بیش از حد باتری جلوگیری کنند، که منجر به تلف شدن قابل توجه انرژی می‌شود.
• عمر کوتاه باتری: به دلیل جذب کافی انرژی و عدم وجود مکانیزم‌های محافظت از شارژ بیش از حد کامل، باتری‌ها معمولاً در حالت شارژ ناقص یا شارژ بیش از حد قرار می‌گیرند که به طور قابل توجهی عمر دوره‌ای 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 نظارت دقیق بر ولتاژ و جریان را فراهم نمی‌کنند، که منجر به ناپایداری کیفیت توان می‌شود. برای تضمین عملکرد قابل اعتماد بار، معمولاً تجهیزات تولید و ذخیره‌سازی با ظرفیت بزرگتر مورد نیاز هستند که سرمایه‌گذاری اولیه را افزایش می‌دهد.

۲. اجزای اصلی راه‌حل

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

۳. مزایای فنی اصلی

۳.۱ تبدیل‌کننده DC/DC باک-بوست با دامنه ولتاژ ورودی گسترده

• فن آوری اصلی: هر دو تبدیل‌کننده بادی و خورشیدی از توپولوژی DC/DC باک-بوست استفاده می‌کنند.
• نقطه دردناک حل شده: محدودیت‌های ولتاژ تبدیل‌کننده‌های باک سنتی را غلبه می‌کند.
• ولتاژ ورودی کم (حالت بوست): زمانی که سرعت باد کمتر از مقدار اسمی (rpm < ω₀) یا نور کافی نیست و ولتاژ تولید شده کمتر از ولتاژ باتری است، تبدیل‌کننده به صورت خودکار در حالت بوست عمل می‌کند تا ولتاژ را برای شارژ افزایش دهد.
• ولتاژ ورودی بالا (حالت باک): زمانی که منابع باد یا خورشیدی فراوان هستند و ولتاژ تولید شده بیش از ولتاژ باتری است، تبدیل‌کننده به صورت خودکار به حالت باک تغییر وضعیت می‌دهد تا شارژ را انجام دهد.
• دو طرح اجرایی:
• باک-بوست DC/DC پیوسته: از ۲ ترانزیستور قدرت برای کنترل جداگانه باک و بوست استفاده می‌کند؛ دقت بالا، برای سناریوهای با عملکرد بالا مناسب است.
• باک-بوست DC/DC پایه: از ۱ ترانزیستور قدرت کنترل شده توسط یک دیتی کیوئنس (PWM) (<50% باک، >50% بوست) استفاده می‌کند؛ ساختار ساده‌تر، هزینه کمتر.

۳.۲ کنترل موازی متقاطع (نوآوری کلیدی)

• اصول فنی: کنترل‌کننده دیجیتال سیگنال‌های PWM برای دو تبدیل‌کننده DC/DC موازی را با اختلاف فاز ۱۸۰ درجه می‌راند، در حالی که در عملیات موازی سنتی فاز مشابه است.
• اثرات فنی:
• کاهش ریپل: ریپل‌های جریان خروجی یکدیگر را خنثی می‌کنند، که به طور قابل توجهی مقدار پیک به پیک کل ریپل جریان را کاهش می‌دهد و توان مستقیم تمیزتر و پایدارتری به بار ارائه می‌دهد.
• ضعف دوبرابر فرکانس، کاهش زیان‌ها: فرکانس ریپل کل جریان خروجی دوبرابر فرکانس تبديل‌کننده تکی می‌شود، که امکان استفاده از فرکانس تبديل کمتر برای رفع نیازهای ریپل را فراهم می‌کند، بنابراین زیان‌های تبديل را کاهش می‌دهد و کارایی کلی سیستم را بهبود می‌بخشد.

۳.۳ حالت شارژ سه مرحله‌ای هوشمند

کنترل‌کننده دیجیتال استراتژی شارژ را بر اساس وضعیت شارژ (SOC) باتری به صورت پویا تنظیم می‌کند، تا تعادل بهینه‌ای بین کارایی و حفاظت را به دست آورد:

۳.۴ کنترل کاملاً دیجیتال و هوشمند

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

• محاسبات MPPT زنده را انجام می‌دهد تا تضمین کند که واحد تولیدی در نقطه توان بهینه عمل می‌کند.
• حالت‌های شارژ را هوشمندانه تعیین و تغییر می‌دهد.
• سیگنال‌های PWM دقیق را تولید می‌کند تا تبدیل‌کننده‌ها را ران کند و کنترل موازی را اجرا کند.

۴. مزایا و قابلیت مقیاس‌پذیری

۴.۱ مزایای فنی اصلی

1. افزایش چشمگیر استفاده از منابع: دامنه ولتاژ ورودی گسترده امکان می‌دهد تا سیستم انرژی کم‌کیفیت (مانند بادهای لایت، نور ضعیف صبح و عصر) را که سیستم‌های سنتی نمی‌توانند جذب کنند، جذب کند، که به طور قابل توجهی محدوده قابل استفاده از انرژی باد و خورشید را گسترش می‌دهد.
2. بهبود قابل توجه کارایی سیستم: الگوریتم MPPT تضمین می‌کند که واحدهای تولیدی در نقطه توان بهینه خود عمل می‌کنند. با ترکیب با کاهش زیان‌ها از طریق فناوری موازی شدن متقاطع، کارایی انرژی کلی سیستم بسیار بیشتر از راه‌حل‌های سنتی است.
3. افزایش چشمگیر طول عمر باتری: الگوریتم شارژ سه مرحله‌ای هوشمند به طور مؤثر از شارژ بیش از حد و شارژ عمیق جلوگیری می‌کند، طول عمر دوره‌ای 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 افزایش یافته تأمین توان نیاز به افزایش ظرفیت تولید و ذخیره‌سازی برای قابلیت اطمینان را حذف می‌کند، که سرمایه‌گذاری اولیه را کاهش می‌دهد.
5. کیفیت بالای توان خروجی: فناوری موازی شدن متقاطع توان مستقیم با ریپل کم و پایداری بالا را ارائه می‌دهد، که بارهای حساس را محافظت می‌کند و کیفیت تأمین توان را بهبود می‌بخشد.

۴.۲ طرح گسترش قابلیت مقیاس‌پذیری

این سیستم قابلیت گسترش قابلیت‌های مختلف را بر اساس نیاز ارائه می‌دهد:

• گسترش در سطح مولفه: ورودی‌های دو تبدیل‌کننده DC/DC می‌توانند به صورت موازی به یک پانل خورشیدی یا توربین بادی متصل شوند. کنترل‌کننده دیجیتال کنترل موازی متقاطع یکپارچه را ارائه می‌دهد که توان خروجی حداکثری برای آن منبع خاص (خورشید یا باد) را دوبرابر می‌کند.
• گسترش در سطح سیستم: واحدهای تولید باد و خورشید گسترش یافته به صورت موازی در اتوبوس مستقیم متصل می‌شوند تا به راحتی باتری‌های بزرگتر و بارهای بزرگتر تغذیه کنند. همه واحدهای کنترلی از طریق رابط‌های ارتباطی (مانند اتوبوس CAN) به یکدیگر متصل می‌شوند تا نظارت و مدیریت مرکزی امکان‌پذیر شود.