Kọ̀-ẹ̀kọ̀ Soluṣọn Ẹ̀ka-Awọn Arẹ̀ Ọ̀kan: Buck-Boost Converter & Smart Charging Jẹ́ Ẹ̀kọ̀ Fún Ìpínlé Síṣe

Abstrak​

Solusi ini mengusulkan sistem pembangkit listrik hibrid angin-surya berdaya tinggi yang inovatif. Menangani kekurangan inti dalam teknologi yang ada seperti efisiensi penggunaan energi rendah, umur baterai pendek, dan stabilitas sistem buruk, sistem ini menggunakan konverter DC/DC buck-boost sepenuhnya digital, teknologi paralel interleave, dan algoritma pengisian tiga tahap cerdas. Ini memungkinkan pelacakan titik daya maksimum (MPPT) pada rentang kecepatan angin dan radiasi surya yang lebih luas, meningkatkan efisiensi penangkapan energi secara signifikan, memperpanjang umur layanan baterai secara efektif, dan mengurangi biaya sistem keseluruhan.

​1. Pendahuluan: Titik Nyeri Industri & Kekurangan yang Ada​

Sistem hibrid angin-surya tradisional memiliki kekurangan signifikan yang membatasi aplikasi dan efisiensi biaya mereka:

• ​Rentang Input Tegangan Sempit:​​ Sistem biasanya menggunakan konverter buck sederhana, yang hanya dapat mengisi baterai ketika tegangan yang dihasilkan oleh turbin angin atau panel surya melebihi tegangan baterai. Dalam kondisi angin lemah atau cahaya redup, tegangan yang dihasilkan tidak cukup, menyebabkan pemborosan energi terbarukan.
• ​Pemborosan Energi Parah:​​ Ketika energi angin atau surya melimpah, sistem tradisional sering menggunakan pengereman resistif (beban dummy) untuk mendispersikan energi listrik berlebih sebagai panas untuk mencegah overcharging baterai, menghasilkan pemborosan energi yang signifikan.
• ​Umur Baterai Pendek:​​ Karena penangkapan energi yang tidak mencukupi dan mekanisme perlindungan overcharge yang tidak sempurna, baterai sering berada dalam keadaan kurang muat atau overcharged, secara drastis mengurangi siklus hidup mereka dan meningkatkan biaya perawatan.
• ​Precision Kontrol Rendah & Stabilitas Buruk:​​ Sebagian besar sistem menggunakan strategi kontrol sederhana, kurang regulasi tegangan dan arus yang tepat, mengarah pada kualitas listrik yang tidak stabil. Untuk memastikan operasi beban yang andal, peralatan pembangkit dan penyimpanan kapasitas besar sering diperlukan, meningkatkan investasi awal.

​2. Komponen Inti Solusi​

Sistem ini terdiri dari 11 komponen inti yang bekerja sinergis untuk membentuk jaringan penangkapan, penyimpanan, dan distribusi energi yang cerdas dan efisien.

​3. Keunggulan Teknis Inti​

​3.1 Konverter DC/DC Buck-Boost dengan Rentang Input Tegangan Lebar​

• ​Teknologi Inti:​​ Kedua konverter angin dan surya menggunakan topologi DC/DC Buck-Boost.
• ​Titik Nyeri yang Diselesaikan:​​ Mengatasi batasan tegangan konverter buck tradisional.
• ​Tegangan Input Rendah (Mode Boost):​​ Ketika kecepatan angin di bawah nilai nominal (rpm < ω₀) atau cahaya tidak cukup, dan tegangan yang dihasilkan di bawah tegangan baterai, konverter secara otomatis beroperasi dalam mode Boost untuk menaikkan tegangan untuk pengisian.
• ​Tegangan Input Tinggi (Mode Buck):​​ Ketika sumber daya angin/surya melimpah dan tegangan yang dihasilkan melebihi tegangan baterai, konverter secara otomatis beralih ke mode Buck untuk pengisian.
• ​Dua Skema Implementasi:​​
• ​DC/DC Buck-Boost Bertingkat:​​ Menggunakan 2 saklar daya untuk kontrol boost/buck terpisah; menawarkan presisi tinggi, cocok untuk skenario performa tinggi.
• ​DC/DC Buck-Boost Dasar:​​ Menggunakan 1 saklar daya yang dikontrol oleh satu siklus tugas PWM (<50% Buck, >50% Boost); struktur lebih sederhana, biaya lebih rendah.

​3.2 Kontrol Paralel Interleave (Inovasi Utama)​​

• ​Prinsip Teknis:​​ Kontroler digital menggerakkan sinyal PWM untuk dua konverter DC/DC paralel dengan fase bergeser 180 derajat, berbeda dengan operasi paralel sefase tradisional.
• ​Efek Teknis:​​
• ​Ripple Berkurang:​​ Ripple arus output saling menghilangkan, mengurangi nilai puncak-ke-puncak total ripple arus secara signifikan, memberikan daya DC yang lebih bersih dan stabil kepada beban.
• ​Frekuensi Ganda, Kerugian Berkurang:​​ Frekuensi ripple total arus output menjadi dua kali frekuensi switching konverter tunggal, memungkinkan penggunaan frekuensi switching yang lebih rendah untuk memenuhi persyaratan ripple, sehingga mengurangi kerugian switching dan meningkatkan efisiensi sistem keseluruhan.

​3.3 Mode Pengisian Tiga Tahap Cerdas​

Kontroler digital menyesuaikan dinamis strategi pengisian berdasarkan State of Charge (SOC) baterai, mencapai keseimbangan optimal antara efisiensi dan perlindungan:

​3.4 Kontrol Cerdas Digital Penuh​

Berpusat pada MCU atau DSP performa tinggi, sistem mengumpulkan data tegangan dan arus real-time dari turbin angin, panel surya, dan baterai. Menggunakan algoritma tertanam, ia:

• Melakukan perhitungan MPPT real-time untuk memastikan penangkapan energi optimal.
• Menentukan dan beralih cerdas mode pengisian.
• Menghasilkan sinyal PWM dengan presisi untuk menggerakkan konverter dan mengimplementasikan kontrol interleave.

​4. Manfaat dan Scalability​

​4.1 Manfaat Teknis Inti​

1. ​Pemanfaatan Sumber Daya yang Sangat Ditingkatkan:​​ Rentang input tegangan yang lebar memungkinkan sistem menangkap energi kelas rendah (misalnya, angin ringan, cahaya fajar/senja) yang tidak dapat ditangkap oleh sistem tradisional, secara signifikan memperluas rentang energi angin dan surya yang dapat digunakan.
2. ​Efisiensi Sistem yang Signifikan Ditingkatkan:​​ Algoritma MPPT memastikan unit pembangkit beroperasi pada titik daya optimal. Dikombinasikan dengan pengurangan kerugian dari teknologi interleave, efisiensi energi sistem keseluruhan jauh melebihi solusi tradisional.
3. ​Umur Baterai yang Sangat Diperpanjang:​​ Algoritma pengisian tiga tahap cerdas secara efektif mencegah overcharge dan deep discharge, meningkatkan siklus hidup baterai lebih dari 50% dan secara signifikan mengurangi biaya perawatan dan penggantian.
4. ​Pengurangan Biaya Sistem Komprehensif:​​ Penstabilan pasokan daya yang ditingkatkan menghilangkan kebutuhan untuk oversizing kapasitas pembangkitan dan penyimpanan untuk keandalan, mengurangi investasi awal.
5. ​Kualitas Daya Output Tinggi:​​ Teknologi interleave memberikan output DC dengan ripple rendah, sangat stabil, melindungi beban sensitif dan meningkatkan kualitas pasokan daya.

​4.2 Skema Ekspansi Kapasitas Fleksibel​

Sistem menawarkan skalabilitas yang luar biasa untuk peningkatan kapasitas fleksibel berdasarkan permintaan:

• ​Ekspansi Tingkat Komponen:​​ Input dari dua konverter DC/DC dapat dihubungkan paralel ke panel surya atau turbin angin yang sama. Kontroler digital memberikan kontrol interleave yang terpadu, menggandakan daya output puncak untuk sumber tersebut (surya atau angin).
• ​Ekspansi Tingkat Sistem:​​ Unit tenaga surya dan angin yang diperluas dihubungkan paralel pada bus DC untuk dengan mudah memasok bank baterai dan beban yang lebih besar. Semua unit kontrol dihubungkan melalui antarmuka komunikasi (misalnya, bus CAN) untuk pemantauan dan manajemen terpusat.