Költséghatékony szél-napelektő kombinált megoldás: Buck-Boost konverter és intelligens töltés csökkenti a rendszer költségeit

Összefoglaló​

Ez a megoldás egy innovatív, nagy hatékonyságú szél-napfény hibrid villamosenergia-termelő rendszert javasol. A meglévő technológiák alapvető hiányosságainak, mint például az alacsony energiahasználat, a rövid akkumulátor-élettartam és a rossz rendszerstabilitás, kezelésére a rendszer teljesen digitálisan vezérelt buck-boost DC/DC átalakítókat, interleaved párhuzamos technológiát és intelligens háromfázisú töltési algoritmust használ. Ez lehetővé teszi a Maximum Power Point Tracking (MPPT) szélesebb szélsírkörben és napfénybevilágításban, jelentősen javítva az energiahordozó hatékonyságot, hatékonyan meghosszabbítva az akkumulátor-élettartamot, és csökkentve az összes rendszer költségét.

​1. Bevezetés: Ipari fájdalomponlok & meglévő hiányosságok​

A hagyományos szél-napfény hibrid rendszerek jelentős hátrányokkal küzdenek, amelyek korlátozzák széles körű alkalmazásukat és költséghatékonyságukat:

• ​Szűk bemeneti feszültség-tartomány:​​ A rendszerek általában egyszerű buck átalakítókat használnak, amelyek csak akkor töltik fel az akkumulátort, ha a szélturbina vagy a napelemelek által generált feszültség meghaladja az akkumulátor feszültségét. Alacsony szélerősség vagy gyenge fény esetén a generált feszültség elegendő, ami erőforrás-pusztítást eredményez.
• ​Jelentős energia-pusztítás:​​ Amikor a szél vagy a napfény energia túl sok, a hagyományos rendszerek gyakran ellenállásos fékezést (dummy terheléseket) használnak, hogy a felesleges elektromos energiát hővé alakítsák, így elkerülve az akkumulátor túltöltését, ami jelentős energia-pusztítást eredményez.
• ​Rövid akkumulátor-élettartam:​​ A fent említett elégtelen energia-hordozó és nem tökéletes túltöltési védelem miatt az akkumulátorok gyakran alultöltött vagy túltöltött állapotban maradnak, drasztikusan csökkentve a ciklus-élettartamukat és növelve a karbantartási költségeket.
• ​Alacsony irányítási pontosság & rossz stabilitás:​​ A legtöbb rendszer egyszerű irányítási stratégiákat használ, amelyek hiányosan szabályozzák a feszültséget és az áramot, instabil energia minőséget eredményezve. A megbízható terhelés működésének biztosítása érdekében gyakran nagyobb kapacitású generáló és tároló berendezések szükségesek, ami növeli a kezdeti befektetést.

​2. A megoldás alapvető komponensei​

Ez a rendszer 11 alapvető komponensből áll, amelyek együttesen egy intelligens, hatékony energia-hordozó, tároló és elosztó hálót formálnak.

​3. Alapvető technológiai előnyök​

​3.1 Széles bemeneti feszültség-tartományú buck-boost DC/DC átalakító​

• ​Alapvető technológia:​​ Mind a szél, mind a napenergia-átalakítók buck-boost DC/DC topológiát használnak.
• ​Megoldott probléma:​​ Megoldja a hagyományos buck átalakítók feszültség-szabályozási korlátait.
• ​Alacsony bemeneti feszültség (Boost mód):​​ Ha a szélerősség alacsonyabb, mint a nominális érték (rpm < ω₀) vagy a fény gyenge, és a generált feszültség alacsonyabb, mint az akkumulátor feszültsége, az átalakító automatikusan Boost módban működik, növelve a feszültséget a töltéshez.
• ​Magas bemeneti feszültség (Buck mód):​​ Ha a szél/napfény energia bőséges, és a generált feszültség meghaladja az akkumulátor feszültségét, az átalakító automatikusan Buck módba vált, a töltéshez.
• ​Két végrehajtási sémája:​​
• ​Lánctolt buck-boost DC/DC:​​ Két teljesítménykapcsolóval rendelkezik, külön boost/buck-irányításhoz; magas pontosság, alkalmas nagy teljesítményű forgatókönyvekre.
• ​Alapszintű buck-boost DC/DC:​​ Egy teljesítménykapcsoló PWM teheranyag-ciklus (<50% Buck, >50% Boost) vezérlése; egyszerűbb szerkezet, alacsonyabb költség.

​3.2 Interleaved párhuzamos irányítás (Kulcsfontosságú innováció)​​

• ​Technológiai elv:​​ A digitális irányító 180 fokos fáziskülönbséggel vezényli a két párhuzamos DC/DC átalakító PWM jeleit, ellentétben a hagyományos in-phase párhuzamos működéssel.
• ​Technológiai hatás:​​
• ​Csökkentett ripple:​​ A kimeneti áram ripple-i kiejtik egymást, jelentősen csökkentve a teljes ripple áram csúcspontjának értékét, tiszta, stabil DC energiát nyújtva a terhelésnek.
• ​Kétszeres frekvencia, csökkentett veszteség:​​ A teljes kimeneti áram ripple frekvenciája kétszerese lesz egyetlen átalakító kapcsolófrekvenciájának, lehetővé téve a ripple követelményeknek megfelelő alacsonyabb kapcsolófrekvenciának használatát, csökkentve a kapcsolóveszteségeket, és javítva az összes rendszer hatékonyságát.

​3.3 Intelligens háromfázisú töltési mód​

A digitális irányító dinamikusan igazítja a töltési stratégiát az akkumulátor Töltöttségi Állapot (SOC) alapján, optimalizálva a hatékonyság és a védelem közötti egyensúlyt:

​3.4 Teljesen digitális intelligens irányítás​

Egy magas teljesítményű MCU vagy DSP köré épül, a rendszer valós idejű feszültség- és áram-adatokat gyűjt a szélturbinától, a napelemektől és az akkumulátortól. A beágyazott algoritmusok segítségével:

• Valós idejű MPPT számításokat végez, biztosítva az optimális energia rögzítést.
• Intelligensen dönti el és vált a töltési módok között.
• Pontosan generál PWM jeleket az átalakítók meghajtásához és a interleaved irányítás végrehajtásához.

​4. Előnyök és skálázhatóság​

​4.1 Alapvető technológiai előnyök​

1. ​Jelentősen növekedett erőforrás-használat:​​ A széles bemeneti feszültség-tartomány lehetővé teszi, hogy a rendszer olyan alacsony minőségű energiát (például enyhe szél, reggel/este gyenge fény) használjon, amit a hagyományos rendszerek nem tudnak rögzíteni, jelentősen kiterjesztve a használható szél- és napenergia tartományát.
2. ​Jelentősen javított rendszer-hatékonyság:​​ Az MPPT algoritmus biztosítja, hogy a generáló egységek optimális teljesítményi ponton működjenek. Az interleaving technológia által csökkentett veszteségekkel együtt az összes rendszer energiahatékonysága messze meghaladja a hagyományos megoldásokat.
3. ​Drasztikusan meghosszabbított akkumulátor-élettartam:​​ Az intelligens háromfázisú töltési algoritmus hatékonyan megelőzi a túltöltést és a mély diszchargét, meghaladva az akkumulátor ciklus-élettartamát 50%-kal, jelentősen csökkentve a karbantartási és cserére vonatkozó költségeket.
4. ​Csökkentett összrendszerköltség:​​ A javított energiaellátási stabilitás kiküszöböli a megbízhatóság érdekében szükséges túlzott generáló és tároló kapacitás szükségességét, csökkentve a kezdeti befektetést.
5. ​Magas kimeneti energia minőség:​​ Az interleaving technológia alacsony ripple, nagyon stabil DC kimenetet nyújt, védve a érzékeny terheléseket, és javítva az energiaellátási minőséget.

​4.2 Rugalmas kapacitás-bővítési séma​

A rendszer kínál kiemelkedő skálázhatóságot rugalmas kapacitás-bővítésre a kereslet alapján:

• ​Komponens-szintű bővítés:​​ Két DC/DC átalakító bemeneteit párhuzamosan lehet csatlakoztatni ugyanahhoz a napelemhez vagy szélturbinához. A digitális irányító egységes interleaved irányítást nyújt, megduplázva a szélsírkör vagy a napfény adott forrásának (nap vagy szél) csúcskimeneti teljesítményét.
• ​Rendszer-szintű bővítés:​​ A bővített nap- és szélenergia-egységeket párhuzamosan lehet csatlakoztatni a DC buszon, könnyen ellátva nagyobb akkumulátorbankokat és terheléseket. Az összes irányító egység kommunikációs interfészek (például CAN busz) révén van összekapcsolva központi figyelésre és kezelésre.