Kustannustehokas tuuli-aurinkohybridi ratkaisu: Buck-Boost-muunnin ja älykäs lataus vähentävät järjestelmän kustannuksia

Yhteenveto

Tämä ratkaisu ehdottaa innovatiivista tehokasta tuuli-aurinkohybridienergiantuotantojärjestelmää. Ratkaistakseen nykyisten teknologioiden ytimekkäitä heikkouksia, kuten alhaisen energian hyödyntämisen, lyhyen akun käyttöikän ja huonon järjestelmän vakauden, järjestelmä käyttää täysin digitaalisesti ohjattuja buck-boost DC/DC-muuntimia, ristiriitoittain yhdensuuntaista tekniikkaa ja älykästä kolmivaiheista latausalgoritmia. Tämä mahdollistaa Maksimaalisen Tehon Pisteen Seurannan (MPPT) laajemmassa tuulen nopeuden ja aurinkosäteilyn vaihteluvälissä, parantaa merkittävästi energian talteenoton tehokkuutta, pidentää tehokkaasti akun käyttöikää ja vähentää kokonaisjärjestelmän kustannuksia.

1. Johdanto: alan ongelmapisteet & nykyiset puutteet

Perinteisillä tuuli-aurinkohybridienergiantuotantojärjestelmillä on merkittäviä haittoja, jotka rajoittavat niiden laajamittaista soveltamista ja kustannustehokkuutta:

• Kapea syöttöjännitealue: Järjestelmät käyttävät yleensä yksinkertaisia buck-muuntimia, jotka voivat ladata akun vain, kun tuulivoiman tai aurinkopaneelin tuottama jännite ylittää akun jännitteen. Heikossa tuulissa tai heikossa valossa tuotettu jännite on riittämätön, mikä johtaa uusiutuvan energian haaskautumiseen.
• Merkittävä energiavaliko: Kun tuuli- tai aurinkoenergiaa on runsaasti, perinteiset järjestelmät käyttävät usein vastuslaitteita (dummy loads) ylikuumentamalla ylijäämäenergian, estääkseen akun ylikuumentumisen, mikä johtaa merkittävään energiavaliko.
• Lyhyt akun käyttöikä: Edellä mainittujen energian talteenoton riittämättömyyden ja epätäydellisten ylikuumentumissuojien vuoksi akut ovat usein joko aliladattuna tai ylikuumentuneena, mikä vähentää niiden sykliaikaa ja lisää huoltokustannuksia.
• Matala ohjaustarkkuus & huono vakaus: Useimmat järjestelmät käyttävät yksinkertaisia ohjausstrategioita, joissa puuttuu tarkka jännite- ja virran säännös, mikä johtaa epävakaaseen sähkölaatuun. Luotettavan kuorman toiminnan varmistamiseksi tarvitaan usein suurempaa kapasiteettia tuotannon ja varastoinnin laitteissa, mikä lisää alkukustannuksia.

2. Ratkaisun keskeiset komponentit

Tämä järjestelmä koostuu 11 keskeisestä komponentista, jotka toimivat yhteistyössä muodostaakseen älykästä, tehokasta energian talteenotto-, varastointi- ja jakeluverkon.

3. Ytimen tekniset etumat

3.1 Buck-Boost DC/DC-muuntin laajalla syöttöjännitealueella

• Ydinosa: Sekä tuulivoiman että aurinkovoiman muunnin käyttävät Buck-Boost DC/DC-topologiaa.
• Ratkaiseva ongelmapiste: Ylittää perinteisten buck-muuntimien jänniterajoitukset.
• Matala syöttöjännite (Boost-tila): Kun tuulen nopeus on alle asetetun arvon (rpm < ω₀) tai valo on riittämätön, ja tuotettu jännite on alempi kuin akun jännite, muuntin siirtyy automaattisesti Boost-tilaan nostamaan jännitettä latausta varten.
• Korkea syöttöjännite (Buck-tila): Kun tuuli- tai aurinkoresursseja on runsaasti ja tuotettu jännite ylittää akun jännitteen, muuntin siirtyy automaattisesti Buck-tilaan latausta varten.
• Kaksi toteutusmallia:
• Kasakkeliaseteltu Buck-Boost DC/DC: Käyttää 2 tehoventtiiliä erilliselle boost/buck-ohjaus; tarjoaa korkean tarkkuuden, sopii korkeasuorituskykyisiin skenaarioihin.
• Perus Buck-Boost DC/DC: Käyttää 1 tehoventtiiliä, jota ohjataan yhdellä PWM-tehotuksella (<50% Buck, >50% Boost); yksinkertaisempi rakenne, alhaisempi kustannus.

3.2 Ristiriitoittainen paralleelli-ohjaus (keskeinen innovaatio)

• Tekninen periaate: Digitaalinen ohjain ajaa PWM-signaalit kahdelle paralleelliselle DC/DC-muuntimelle 180-asteen vaiheerolla, poikkeuksellisesti perinteisestä samavaiheisestä paralleellisesta toiminnasta.
• Tekniset vaikutukset:
• Pienennetty pulssivaara: Ulostulovirta-pulssivaarat kumoavat toisensa, mikä vähentää huomattavasti kokonaismääräisen pulssivaaran huippu-arvoa, tarjoten puhdasta, vakaita suoraa virtaa kuormitukselle.
• Kaksinkertainen taajuus, pienennetty menetykset: Kokonaismääräisen ulostulovirta-pulssivaaran taajuudeksi tulee kaksinkertainen yhden muuntimen vaihtovirtataajuudesta, mikä mahdollistaa alhaisemman vaihtovirtataajuuden käytön pulssivaaravaatimuksien täyttämiseksi, mikä vähentää vaihtovirtamenetyksiä ja parantaa kokonaisjärjestelmän tehokkuutta.

3.3 Älykäs kolmivaiheinen lataustila

Digitaalinen ohjain säädellään dynaamisesti latausstrategiaa akun lataustason (SOC) perusteella, saavuttaen optimaalisen tasapainon tehokkuuden ja suojan välillä:

3.4 Täysin digitaalinen älykäs ohjaus

Keskittyy korkeasuorituskykyiseen MCU:hen tai DSP:hen, järjestelmä kerää reaaliaikaisia jännite- ja virran tietoja tuuliturbiineista, aurinkopaneeleista ja akusta. Käyttämällä upotettuja algoritmeja se:

• Suorittaa reaaliaikaisia MPPT-laskutoimituksia varmistaakseen optimiaisen energian talteenoton.
• Älykkäästi määrittelee ja siirtyy lataustilojen välillä.
• Tarkasti tuottaa PWM-signaalit muuntimien ajamiseksi ja ristiriitoittaisen ohjauksen toteuttamiseksi.

4. Etumat ja skaalautuvuus

4.1 Ytimen tekniset etumat

1. Huomattavasti parannettu resurssien hyödyntäminen: Laaja syöttöjännitealue mahdollistaa järjestelmän hyödyntämisen alhaisen laatuisen energian (esim. kevyt tuuli, auringonnousu-/lasku-heikko valo) talteenoton, mitä perinteiset järjestelmät eivät voi tehdä, laajentaa huomattavasti tuuli- ja aurinkoenergian käyttökelpoista aluetta.
2. Merkitsevästi parannettu järjestelmän tehokkuus: MPPT-algoritmi varmistaa, että tuotantoyksiköt toimivat optimaalisessa teho-pisteessä. Yhdistettynä ristiriitoittaisen teknologian avulla pienentyviin menetyksiin, järjestelmän kokonaisenergiatehokkuus ylittää huomattavasti perinteisten ratkaisujen.
3. Merkitsevästi pidentynyt akun käyttöikä: Älykäs kolmivaiheinen latausalgoritmi estää tehokkaasti ylikuumentumisen ja syvän purkautumisen, lisää akun sykliaikaa yli 50 % ja vähentää huomattavasti huoltokustannuksia ja vaihtokustannuksia.
4. Vähennetty kokonaisjärjestelmän kustannus: Parannettu sähköntarjonnan vakaus poistaa tarpeen ylikokoa tuotanto- ja varastokapasiteettia luotettavuuden varmistamiseksi, vähentäen alkukustannuksia.
5. Korkea ulostulovirta-laatu: Ristiriitoittainen teknologia tarjoaa pieniä pulssivaaroja, erittäin vakaita suoraa virtaa, suojelee herkkäkuntoisia kuormituksia ja parantaa sähköntarjonnan laatua.

4.2 Joustava kapasiteettien lisäysmalli

Järjestelmä tarjoaa erinomaista skaalautuvuutta joustaville kapasiteettien lisäyksille tarpeiden mukaan:

• Komponenttitason lisäys: Kaksi DC/DC-muuntimen syötteitä voidaan yhdistää samaan aurinkopaneeliin tai tuuliturbiiniin. Digitaalinen ohjain tarjoaa yhdenmukaisen ristiriitoittaisen ohjauksen, kaksinkertaistamalla huippuulostulovirtan kyseiselle lähteelle (aurinko tai tuuli).
• Järjestelmätason lisäys: Lisätyt aurinko- ja tuulivoiman yksiköt yhdistetään paralleellisesti DC-bussilla helposti suurempien akupankkien ja kuormituksien toimittamiseksi. Kaikki ohjausyksiköt yhdistetään viestintärajapintojen (esim. CAN-bus) avulla keskitettyyn valvontaan ja hallintaan.