Izdevīga vēja-saules hibrīda risinājuma: Sprieguma paaugstināšanas un samazināšanas pārveidotājs & vieda uzlāde samazina sistēmas izmaksas

Kopsavilkums​

Šī risinājuma priekšrocība ir inovatīva augstaeffektivitātes vēja-saules hibrīda enerģijas ražošanas sistēma. Risinājums risina galvenos esošo tehnoloģiju trūkumus, piemēram, zemo enerģijas izmantošanu, īsu akumu darbības laiku un sliktu sistēmas stabilitāti. Sistēmā tiek izmantoti pilnīgi digitāli kontrolējamie buck-boost DC/DC pārveidotāji, savienojot paralēlo tehnoloģiju un inteliģento trīsstadiju lādēšanas algoritmu. Tas ļauj maksimālās jaudas punkta izsekoi (MPPT) plašākā vēja ātruma un saules apgaismojuma diapazonā, būtiski uzlabojot enerģijas uzsūknēšanas efektivitāti, efektīvi pagarinot akumu darbības laiku un samazinot kopējo sistēmas izmaksas.

​1. Ievads: Nozares problēmas un esošie trūkumi​

Parastās vēja-saules hibrīda sistēmas cieš no būtiskiem trūkumiem, kas ierobežo to plašu lietošanu un ekonomisko rentabilitāti:

• ​Īsspiežu pievade:​​ Sistēmas parasti izmanto vienkāršus buck pārveidotājus, kuri varētu lādēt akumatoru tikai tad, ja vēja turbīnas vai saules paneļu ģenerētais spriegums pārsniedz akuma spriegumu. Zemākos vēja ātrumos vai saules gaismā sistēmai nav pietiekami spēka, lai uzsūktu enerģiju, kas noved pie atjaunojamo enerģijas zudumiem.
• ​Būtisks enerģijas zudums:​​ Kad vēja vai saules enerģija ir bagātīga, parastās sistēmas parasti izmanto rezistoru bremzēšanu (dummy loads), lai pārstrādātu pārējo elektrisko enerģiju kā siltumu, lai novērstu akumu pārlādēšanu, kas noved pie būtiska enerģijas zuduma.
• ​Īss akumu darbības laiks:​​ Tā kā minētā enerģijas uzsūknēšana un nepilnīgā pārlādēšanas aizsardzība, akumu bieži atrodas nepietiekamas lādēšanas vai pārlādēšanas stāvoklī, kas drastiski samazina to ciklu laiku un palielina uzturēšanas izmaksas.
• ​Zema kontroles precizitāte un sliktā stabilitāte:​​ Lielākā daļa sistēmu izmanto vienkāršas kontroles stratēģijas, kas trūkst precīzas sprieguma un strāvas regulācijas, kas noved pie nestabila enerģijas kvalitātes. Lai nodrošinātu uzticamu slodzes darbību, bieži ir nepieciešama lielāka jauda un krājēju aprīkojums, kas palielina sākotnējos investījumus.

​2. Risinājuma galvenie komponenti​

Šī sistēma sastāv no 11 galvenajiem komponentiem, kas sadarbojas, lai veidotu inteliģentu, efektīvu enerģijas uzsūknēšanas, krājēju un sadalīšanas tīklu.

​3. Galvenās tehniskās priekšrocības​

​3.1 Buck-boost DC/DC pārveidotājs ar plašu pievades sprieguma diapazonu​

• ​Galvenā tehnoloģija:​​ Gan vēja, gan saules pārveidotāji izmanto Buck-boost DC/DC topoloģiju.
• ​Risināta problēma:​​ Pārvarēta tradicionālo buck pārveidotāju sprieguma ierobežojumu problēma.
• ​Zems pievades spriegums (Boost režīms):​​ Ja vēja ātrums ir zemāks par nomālā vērtību (rpm < ω₀) vai gaismas intensitāte ir nepietiekama, un ģenerētais spriegums ir zemāks par akuma spriegumu, pārveidotājs automātiski darbojas Boost režīmā, lai paaugstinātu spriegumu lādēšanai.
• ​Augsts pievades spriegums (Buck režīms):​​ Ja vēja/saules resursi ir bagātīgi un ģenerētais spriegums pārsniedz akuma spriegumu, pārveidotājs automātiski pārslēdzas Buck režīmā lādēšanai.
• ​Divas realizācijas shēmas:​​
• ​Kaskādes Buck-boost DC/DC:​​ Izmanto divus jaudas slēdus atsevišķai boost/buck kontrolei; piedāvā augstu precizitāti, piemērots augstās veiktspējas situācijām.
• ​Pamata Buck-boost DC/DC:​​ Izmanto vienu jaudas slēdzi, ko kontrolē viens PWM pienākuma cikls (<50% Buck, >50% Boost); vienkāršāka struktūra, zemākas izmaksas.

​3.2 Savienojot paralēli (Galvenā inovācija)​​

• ​Tehniskais princips:​​ Digitālais kontrolētājs pārveido PWM signālus diviem paralēliem DC/DC pārveidotājiem ar 180 grādu fāzes nobīdi, nevis tradicionālo vienfāzes paralēlo darbību.
• ​Tehniskie efekti:​​
• ​Izraisīts spraugas samazinājums:​​ Izvades strāvas spraugas atcelas viena otru, būtiski samazinot kopējās spraugas strāvas šķērsveida vērtību, sniedzot tīrāku, stabiliāku GKP slodzi.
• ​Dubultota frekvence, samazinātas zaudējumi:​​ Kopējā izvades strāvas spraugas frekvence kļūst par divreiz lielāku nekā viena pārveidotāja maiņfrekvence, ļaujot izmantot zemāku maiņfrekvenci, lai apmierinātu spraugas prasības, tādējādi samazinot maiņzaudējumus un uzlabojot vispārējo sistēmas efektivitāti.

​3.3 Inteliģenta trīsstadia lādēšanas režīms​

Digitālais kontrolētājs dinamiski pielāgo lādēšanas stratēģiju, balstoties uz akuma lādēšanas stāvokli (SOC), sasniedzot optimālu līdzsvaru starp efektivitāti un aizsardzību:

​3.4 Pilnīgi digitāla inteliģenta kontrole​

Bazējoties uz augstveiktspējīgu MCU vai DSP, sistēma apkopo realu laiku sprieguma un strāvas datus no vēja turbīnes, saules paneļiem un akuma. Izmantojot iebūvētos algoritmus, tā:

• Izpilda realu laiku MPPT aprēķinus, lai nodrošinātu optimālu enerģijas uzsūknēšanu.
• Inteliģenti noteik un maina lādēšanas režīmus.
• Precīzi ģenerē PWM signālus, lai pārveidotājiem un savienojot paralēli kontrolētu.

​4. Priekšrocības un mērogojamība​

​4.1 Galvenās tehniskās priekšrocības​

1. ​Būtiski uzlabota resursu izmantošana:​​ Plašais pievades sprieguma diapazons ļauj sistēmai izmantot zemas kvalitātes enerģiju (piemēram, vieglu vēju, rīta/dienvidu blāva gaismu), ko tradicionālās sistēmas nevarētu uzsūkt, būtiski paplašinot izmantojamos vēja un saules enerģijas resursus.
2. ​Būtiski uzlabota sistēmas efektivitāte:​​ MPPT algoritms nodrošina, ka ģenerējošie vienības strādā optimālā jaudas punktā. Kombinējot ar samazinātajām zaudējumiem no savienojot paralēli tehnoloģiju, vispārējā sistēmas enerģijas efektivitāte pārsniedz tradicionālos risinājumus.
3. ​Būtiski pagarināts akuma darbības laiks:​​ Inteliģentais trīsstadia lādēšanas algoritms efektīvi novērš pārlādēšanu un dziļu atlādēšanu, palielinot akuma ciklu laiku par vairāk nekā 50% un būtiski samazinot uzturēšanas un aizvietošanas izmaksas.
4. ​Samazinātas kopējās sistēmas izmaksas:​​ Uzlabota enerģijas piegādes stabilitāte nozīmē, ka nav nepieciešams pārmērīgi lielu jaudas un krājēju kapacitāti, lai nodrošinātu uzticamību, samazinot sākotnējos investījumus.
5. ​Augsts izvades enerģijas kvalitāte:​​ Savienojot paralēli tehnoloģija sniedz zemu spraugu, augsti stabila GKP izvade, aizsargājot jūtīgas slodzes un uzlabojot enerģijas piegādes kvalitāti.

​4.2 Elastīgs jaudas paplašināšanas plāns​

Sistēma piedāvā labu mērogojamību, lai elastīgi palielinātu jaudu atkarībā no vajadzībām:

• ​Komponenta līmeņa paplašināšana:​​ Divu DC/DC pārveidotāju ieceļi var tikt savienoti paralēli vienā un tajā pašā saules panelī vai vēja turbīnē. Digitālais kontrolētājs nodrošina vienotu savienojot paralēli kontrolēšanu, dubultojot šī avota (saule vai vējš) maksimālo izvades jaudu.
• ​Sistēmas līmeņa paplašināšana:​​ Paplašinātie saules un vēja enerģijas bloki tiek savienoti paralēli GKP maģistrālē, lai viegli piegādātu enerģiju lielākiem akumu bankām un slodzēm. Visi kontrolētāji tiek savienoti caur sakarišanas saskarēm (piemēram, CAN maģistrāle) centraļai monitorēšanai un pārvaldībai.