Solution hybride éolien-solaire économique : Convertisseur Buck-Boost et charge intelligente réduisent le coût du système

Résumé​

Cette solution propose un système de génération d'énergie hybride éolienne-solaire à haute efficacité innovant. En abordant les lacunes principales des technologies existantes, telles que l'utilisation faible de l'énergie, la durée de vie courte des batteries et la stabilité médiocre du système, le système utilise des convertisseurs DC/DC buck-boost entièrement numériques, une technologie parallèle intercalée et un algorithme de charge intelligent en trois étapes. Cela permet un suivi du point de puissance maximum (MPPT) sur une gamme plus large de vitesses de vent et d'irradiation solaire, améliorant considérablement l'efficacité de capture d'énergie, prolongeant efficacement la durée de vie des batteries et réduisant le coût global du système.

​1. Introduction : Points de douleur de l'industrie et déficiences existantes​

Les systèmes hybrides éolien-solaire traditionnels souffrent de désavantages significatifs qui limitent leur application généralisée et leur rentabilité :

• ​Gamme de tension d'entrée étroite :​​ Les systèmes utilisent généralement des convertisseurs buck simples, qui ne peuvent charger la batterie que lorsque la tension générée par l'éolienne ou les panneaux solaires dépasse la tension de la batterie. Dans des conditions de vent faible ou de lumière faible, la tension générée est insuffisante, entraînant un gaspillage d'énergie renouvelable.
• ​Gaspillage d'énergie sévère :​​ Lorsque l'énergie éolienne ou solaire est abondante, les systèmes traditionnels utilisent souvent un freinage résistif (charges factices) pour dissiper l'énergie électrique excédentaire sous forme de chaleur afin d'éviter la surcharge de la batterie, ce qui entraîne un gaspillage d'énergie important.
• ​Durée de vie de la batterie courte :​​ En raison de la capture insuffisante d'énergie et des mécanismes de protection contre la surcharge imparfaits mentionnés précédemment, les batteries restent souvent dans un état de sous-charge ou de surcharge, réduisant considérablement leur durée de vie en cycle et augmentant les coûts de maintenance.
• ​Précision de contrôle faible et stabilité médiocre :​​ La plupart des systèmes emploient des stratégies de contrôle simples, manquant de régulation précise de la tension et du courant, entraînant une qualité d'alimentation instable. Pour assurer le fonctionnement fiable de la charge, des équipements de génération et de stockage de grande capacité sont souvent nécessaires, augmentant l'investissement initial.

​2. Composants clés de la solution​

Ce système se compose de 11 composants clés travaillant en synergie pour former un réseau intelligent, efficace de capture, de stockage et de distribution d'énergie.

​3. Avantages techniques clés​

​3.1 Convertisseur DC/DC buck-boost avec une large gamme de tensions d'entrée​

• ​Technologie clé :​​ Les convertisseurs éolien et solaire utilisent tous deux une topologie DC/DC buck-boost.
• ​Problème résolu :​​ Surmonte les limitations de tension des convertisseurs buck traditionnels.
• ​Tension d'entrée faible (mode Boost) :​​ Lorsque la vitesse du vent est inférieure à la valeur nominale (rpm < ω₀) ou que la lumière est insuffisante, et que la tension générée est inférieure à celle de la batterie, le convertisseur passe automatiquement en mode Boost pour augmenter la tension de charge.
• ​Tension d'entrée élevée (mode Buck) :​​ Lorsque les ressources éolienne/solaire sont abondantes et que la tension générée dépasse celle de la batterie, le convertisseur passe automatiquement en mode Buck pour la charge.
• ​Deux schémas d'implémentation :​​
• ​Convertisseur DC/DC buck-boost en cascade :​​ Utilise 2 interrupteurs de puissance pour un contrôle boost/buck distinct ; offre une grande précision, adapté aux scénarios haute performance.
• ​Convertisseur DC/DC buck-boost de base :​​ Utilise 1 interrupteur de puissance contrôlé par un seul cycle de travail PWM (<50% Buck, >50% Boost) ; structure plus simple, coût moindre.

​3.2 Contrôle parallèle intercalé (innovation clé)​​

• ​Principe technique :​​ Le contrôleur numérique génère les signaux PWM pour deux convertisseurs DC/DC parallèles avec un déphasage de 180 degrés, contrairement à l'opération parallèle en phase traditionnelle.
• ​Effets techniques :​​
• ​Réduction des ondulations :​​ Les ondulations de courant en sortie s'annulent mutuellement, réduisant considérablement la valeur crête-à-crête du courant total, fournissant une alimentation continue plus propre et stable à la charge.
• ​Fréquence doublée, pertes réduites :​​ La fréquence d'ondulation du courant total devient le double de la fréquence de commutation d'un seul convertisseur, permettant l'utilisation d'une fréquence de commutation plus basse pour répondre aux exigences d'ondulation, réduisant ainsi les pertes de commutation et améliorant l'efficacité globale du système.

​3.3 Mode de charge intelligent en trois étapes​

Le contrôleur numérique ajuste dynamiquement la stratégie de charge en fonction de l'état de charge (SOC) de la batterie, atteignant un équilibre optimal entre efficacité et protection :

​3.4 Contrôle intelligent entièrement numérique​

Centré sur un MCU ou DSP de haute performance, le système collecte en temps réel les données de tension et de courant de l'éolienne, des panneaux solaires et de la batterie. À l'aide d'algorithmes embarqués, il :

• Efectue des calculs de MPPT en temps réel pour assurer une capture optimale d'énergie.
• Détermine et change intelligemment les modes de charge.
• Génère précisément des signaux PWM pour piloter les convertisseurs et mettre en œuvre le contrôle intercalé.

​4. Bénéfices et extensibilité​

​4.1 Bénéfices techniques clés​

1. ​Utilisation accrue des ressources :​​ La large gamme de tensions d'entrée permet au système de capter l'énergie de bas niveau (par exemple, brises légères, lumière faible du matin/soir) que les systèmes traditionnels ne peuvent pas capturer, élargissant considérablement la plage d'utilisation de l'énergie éolienne et solaire.
2. ​Amélioration significative de l'efficacité du système :​​ L'algorithme MPPT assure que les unités de génération fonctionnent à leur point de puissance optimal. Associé à la réduction des pertes grâce à la technologie d'intercalage, l'efficacité énergétique globale du système dépasse largement celle des solutions traditionnelles.
3. ​Prolongation substantielle de la durée de vie de la batterie :​​ L'algorithme de charge en trois étapes intelligent prévient efficacement la surcharge et la décharge profonde, augmentant la durée de vie en cycle de la batterie de plus de 50 % et réduisant considérablement les coûts de maintenance et de remplacement.
4. ​Réduction du coût global du système :​​ La stabilité accrue de l'alimentation élimine la nécessité de surdimensionner la capacité de génération et de stockage pour la fiabilité, réduisant l'investissement initial.
5. ​Qualité de la puissance de sortie élevée :​​ La technologie d'intercalage fournit une sortie continue à faibles ondulations, hautement stable, protégeant les charges sensibles et améliorant la qualité de l'alimentation.

​4.2 Schéma d'extension de capacité flexible​

Le système offre une excellente extensibilité pour des augmentations de capacité flexibles en fonction de la demande :

• ​Extension au niveau des composants :​​ Les entrées de deux convertisseurs DC/DC peuvent être connectées en parallèle au même panneau solaire ou éolienne. Le contrôleur numérique fournit un contrôle intercalé unifié, doublant la puissance de sortie maximale pour cette source particulière (solaire ou éolienne).
• ​Extension au niveau du système :​​ Les unités de puissance solaire et éolienne étendues sont connectées en parallèle sur le bus continu pour alimenter facilement des banques de batteries et des charges plus grandes. Toutes les unités de contrôle sont interconnectées via des interfaces de communication (par exemple, bus CAN) pour une surveillance et une gestion centralisées.