コスト効果の高い風力・太陽光ハイブリッドソリューション：バックブーストコンバータとスマートチャージングでシステムコストを削減

要約

本ソリューションは、革新的な高効率の風力・太陽光ハイブリッド発電システムを提案しています。既存の技術におけるエネルギー利用効率の低さ、バッテリー寿命の短さ、システムの安定性の不足といった核心的な課題に対処するため、完全デジタル制御のバックブーストDC/DCコンバータ、インターリーブ並列技術、そしてインテリジェントな三段階充電アルゴリズムを採用しています。これにより、幅広い風速と太陽光照射条件での最大電力点追跡（MPPT）が可能になり、エネルギーキャプチャ効率が大幅に向上し、バッテリーの寿命が延び、全体的なシステムコストが削減されます。

1. はじめに：業界の痛手と既存の欠陥

従来の風力・太陽光ハイブリッドシステムには、その広範な応用とコスト効果を制限する重大な欠点があります：

• 狭い入力電圧範囲： システムは通常、単純なバックコンバータを使用しており、風力タービンまたは太陽光パネルによって生成された電圧がバッテリー電圧を超える場合にのみ充電できます。風速が低く、または光が弱い条件下では、生成される電圧が不十分で、再生可能なエネルギーが無駄になります。
• 深刻なエネルギー浪費： 風力や太陽光エネルギーが豊富な場合、従来のシステムはしばしば抵抗ブレーキング（ダミーロード）を使用して過剰な電気エネルギーを熱として放出し、バッテリーの過充電を防ぎますが、これにより大量のエネルギーが浪費されます。
• バッテリー寿命の短さ： 上記のエネルギー捕集の不十分さと不完全な過充電保護機構により、バッテリーはしばしば充電不足または過充電の状態にあり、サイクル寿命が大幅に短くなり、メンテナンスコストが増加します。
• 低い制御精度と不安定性： 多くのシステムは単純な制御戦略を採用しており、正確な電圧と電流の制御が欠けており、電力品質が不安定です。信頼性のある負荷運転を確保するために、より大容量の発電および蓄電装置が必要となり、初期投資が増加します。

2. ソリューションの主要構成要素

このシステムは、11の主要な構成要素が協調して動作し、スマートで効率的なエネルギーキャプチャ、貯蔵、配布ネットワークを形成します。

3. 核心技術的優位性

3.1 広い入力電圧範囲を持つバックブーストDC/DCコンバータ

• 核心技术： 風力と太陽光両方のコンバータがバックブーストDC/DCトポロジーを使用しています。
• 解決した課題： 従来のバックコンバータの電圧制限を克服します。
• 低入力電圧（ブーストモード）： 風速が定格値未満（rpm < ω₀）または光が不十分で、生成された電圧がバッテリー電圧未満の場合、コンバータは自動的にブーストモードで動作し、充電のために電圧を上げます。
• 高出力電圧（バックモード）： 風力や太陽光資源が豊富で、生成された電圧がバッテリー電圧を超える場合、コンバータは自動的にバックモードに切り替えて充電します。
• 二つの実装スキーム：
• カスケード型バックブーストDC/DC： 別々のブースト/バック制御に2つのパワー・スイッチを使用；高精度で、高性能シナリオに適しています。
• 基本型バックブーストDC/DC： 単一のPWMデューティ比（<50% バック、>50% ブースト）で制御する1つのパワー・スイッチを使用；シンプルな構造で、コストが低い。

3.2 インターリーブ並列制御（主要な革新）

• 技術原理： デジタル制御器は、2つの並列DC/DCコンバータのPWM信号を180度の位相シフトで駆動し、従来の同相並列動作とは異なります。
• 技術効果：
• リップルの減少： 出力電流リップルが互いにキャンセルされ、総リップル電流のピーク間値が大幅に減少し、負荷にクリーンで安定した直流電力を提供します。
• 周波数倍増、損失削減： 総出力電流のリップル周波数は、単一のコンバータのスイッチング周波数の2倍になります。これにより、リップル要件を満たすために低いスイッチング周波数を使用でき、スイッチング損失が削減され、全体的なシステム効率が向上します。

3.3 インテリジェントな三段階充電モード

デジタル制御器は、バッテリーのSOC（充電状態）に基づいて充電戦略を動的に調整し、効率と保護の最適なバランスを達成します：

3.4 完全デジタルインテリジェント制御

高性能のMCUまたはDSPを中心に、システムは風力タービン、太陽光パネル、バッテリーからリアルタイムの電圧と電流データを収集します。組み込みアルゴリズムを使用して、以下を行います：

• リアルタイムのMPPT計算を行い、最適なエネルギー捕集を確保する。
• 充電モードをインテリジェントに決定し、切り替える。
• コンバータを駆動し、インターリーブ制御を実装するためのPWM信号を精密に生成する。

4. 利点と拡張性

4.1 核心技術的利点

1. 大幅な資源利用の向上： 広い入力電圧範囲により、システムは微風や朝晩の薄明光など、従来のシステムではキャプチャできない低グレードのエネルギーを活用でき、風力と太陽光エネルギーの利用可能な範囲が大幅に広がります。
2. 大幅なシステム効率の改善： MPPTアルゴリズムにより、発電ユニットが最適な電力点で動作します。インターリーブ技術による損失の削減と組み合わせることで、全体的なシステムエネルギー効率は従来のソリューションを大幅に上回ります。
3. 大幅なバッテリー寿命の延長： インテリジェントな三段階充電アルゴリズムにより、過充電と深放電が効果的に防止され、バッテリーのサイクル寿命が50%以上増加し、メンテナンスと交換コストが大幅に削減されます。
4. 総合的なシステムコストの削減： 電力供給の安定性が向上することで、信頼性のために発電および蓄電容量を過大に設計する必要がなくなり、初期投資が削減されます。
5. 高品質の出力電力： インターリーブ技術により、低リップルで高度に安定した直流出力が得られ、敏感な負荷を保護し、電力供給品質を向上させます。

4.2 柔軟な容量拡張スキーム

システムは、需要に応じて柔軟な容量拡張が可能です：

• 部品レベルの拡張： 2つのDC/DCコンバータの入力を同じ太陽光パネルまたは風力タービンに並列接続することができます。デジタル制御器は統一されたインターリーブ制御を提供し、特定のソース（太陽光または風力）のピーク出力電力を2倍にします。
• システムレベルの拡張： 拡張された太陽光および風力発電ユニットをDCバス上で並列接続することで、より大容量のバッテリー銀行と負荷に簡単に電力を供給できます。すべての制御ユニットは通信インターフェース（例：CANバス）を介して相互接続され、中央監視と管理が可能になります。