Solusi Hibrid Angin-Surya yang Hemat Biaya: Konverter Buck-Boost & Pengisian Pintar Mengurangi Biaya Sistem

Abstrak​

Solusi ini mengusulkan sistem pembangkit listrik hibrid angin-surya yang inovatif dan berdaya tinggi. Menangani kekurangan inti dalam teknologi yang ada—seperti pemanfaatan energi yang rendah, umur baterai yang pendek, dan stabilitas sistem yang buruk—sistem ini menggunakan konverter DC/DC buck-boost yang sepenuhnya dikendalikan secara digital, teknologi paralel interleaved, dan algoritma pengisian tiga tahap yang 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, dan mengurangi biaya sistem secara keseluruhan.

​1. Pendahuluan: Tantangan Industri & Kekurangan yang Ada​

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

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

• ​Teknologi Inti:​​ Kedua konverter angin dan surya menggunakan topologi DC/DC Buck-Boost.
• ​Masalah yang Diselesaikan:​​ Mengatasi batasan voltase konverter buck tradisional.
• ​Voltase Input Rendah (Mode Boost):​​ Ketika kecepatan angin di bawah nilai nominal (rpm < ω₀) atau cahaya tidak cukup, dan voltase yang dihasilkan di bawah voltase baterai, konverter secara otomatis beroperasi dalam mode Boost untuk menaikkan voltase untuk pengisian.
• ​Voltase Input Tinggi (Mode Buck):​​ Ketika sumber angin/surya melimpah dan voltase yang dihasilkan melebihi voltase baterai, konverter secara otomatis beralih ke mode Buck untuk pengisian.
• ​Dua Skema Implementasi:​​
• ​DC/DC Buck-Boost Berjenjang:​​ 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 dikendalikan oleh satu siklus tugas PWM (<50% Buck, >50% Boost); struktur lebih sederhana, biaya lebih rendah.

​3.2 Kontrol Paralel Interleaved (Inovasi Kunci)​​

• ​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 keluaran saling menghilangkan, secara signifikan mengurangi nilai puncak-ke-puncak ripple arus total, memberikan daya DC yang lebih bersih dan stabil ke beban.
• ​Frekuensi Berganda, Kerugian Berkurang:​​ Frekuensi ripple arus total 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 secara 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 berkinerja tinggi, sistem mengumpulkan data voltase 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.
• Secara cerdas menentukan dan beralih mode pengisian.
• Menyusun sinyal PWM dengan tepat untuk menggerakkan konverter dan menerapkan kontrol interleaved.

​4. Manfaat dan Keterbukaan​

​4.1 Manfaat Teknis Inti​

1. ​Pemanfaatan Sumber Daya yang Sangat Ditingkatkan:​​ Rentang input voltase yang luas memungkinkan sistem untuk memanfaatkan energi rendah (misalnya, angin ringan, cahaya redup saat fajar/magrib) 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 interleaving, efisiensi energi sistem secara keseluruhan jauh melebihi solusi tradisional.
3. ​Umur Baterai yang Substansial Diperpanjang:​​ Algoritma pengisian tiga tahap cerdas secara efektif mencegah overcharging dan deep discharge, meningkatkan siklus hidup baterai lebih dari 50% dan secara signifikan mengurangi biaya perawatan dan penggantian.
4. ​Biaya Sistem Komprehensif Berkurang:​​ Stabilitas pasokan daya yang ditingkatkan mengeliminasi kebutuhan untuk oversizing kapasitas pembangkit dan penyimpanan untuk keandalan, mengurangi investasi awal.
5. ​Kualitas Daya Keluaran Tinggi:​​ Teknologi interleaving menyediakan output DC dengan ripple rendah dan sangat stabil, melindungi beban sensitif dan meningkatkan kualitas pasokan daya.

​4.2 Skema Ekspansi Kapasitas yang Fleksibel​

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

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