Učinkovito rješenje hibridnog sistema vjetar-sunce: Pretvarač Buck-Boost i pametno punjenje smanjuju troškove sistema

Apstrakt

Ova rešenja predlaže inovativni visoko-efikasan hibridni sistem za proizvodnju struje od vjetra i sunca. Rešenje se bavi ključnim nedostacima postojećih tehnologija, poput niske efikasnosti iskorištenja energije, kratkog vijeka trajanja baterija i loše stabilnosti sistema. Sistem koristi potpuno digitalno kontrolisane DC/DC konvertere tipa buck-boost, paralelnu tehnologiju sa preklapanjem i inteligentni algoritam trofaznog punjenja. To omogućava praćenje maksimalne tačke snage (MPPT) na širem rasponu brzina vjetra i solarnog zračenja, značajno poboljšavajući efikasnost hvatanja energije, efektivno proširujući vijek trajanja baterija i smanjujući ukupnu cenu sistema.

1. Uvod: Bolne točke industrije i postojeći nedostaci

Trovaljni hibridni sistemi imaju značajne nedostatke koji ograničavaju njihovu široku primenu i ekonomičnost:

• Uzak raspon ulaznih napona: Sistemi obično koriste jednostavne buck konvertere, koji mogu puniti bateriju samo kada napon generisan od vjetroelektrane ili solarne ploče premaši napon baterije. Pod uslovima niskog vjetra ili slabe svjetlosti, generisani napon je nedovoljan, što dovodi do odbačene obnovljive energije.
• Značajna odbačena energija: Kada je vjetar ili sunčeva energija obilna, tradicionalni sistemi često koriste rezistivno kočenje (dummy loads) da disipiraju suvišnu električnu energiju u toplotu kako bi spriječili pretjerano punjenje baterije, što dovodi do značajnog odbacivanja energije.
• Kratki vijek trajanja baterija: Zbog gore navedenog niskog hvatanja energije i neperfektne zaštite od pretjeranog punjenja, baterije često ostaju u stanju nepotpunog punjenja ili pretjeranog punjenja, drastično smanjujući njihov ciklusni vijek i povećavajući troškove održavanja.
• Niska preciznost kontrole i loša stabilnost: Većina sistema koristi jednostavne strategije kontrole, bez precizne regulacije napona i struje, što dovodi do nestabilnog kvaliteta struje. Da bi se osigurala pouzdana radnja opterećenja, često su potrebna veća oprema za proizvodnju i skladištenje, što povećava početnu investiciju.

2. Ključni komponenti rešenja

Ovaj sistem sastoji se od 11 ključnih komponenti koje sinergijski rade kako bi formirali inteligentnu, efikasnu mrežu za hvatanje, skladištenje i raspodelu energije.

3. Ključni tehnički prednosti

3.1 Buck-Boost DC/DC konverter sa širim rasponom ulaznih napona

• Ključna tehnologija: Obje konvertere, vjetar i sunce, koriste topologiju Buck-Boost DC/DC.
• Riješeni problem: Premašuje ograničenja napona tradicionalnih buck konvertera.
• Niski ulazni napon (Režim Boost): Kada je brzina vjetra ispod referentne vrijednosti (rpm < ω₀) ili svjetlost nedovoljna, a generisani napon je niži od napona baterije, konverter automatski radi u režimu Boost da podigne napon za punjenje.
• Visoki ulazni napon (Režim Buck): Kada su resurse vjetra/sunce obilne i generisani napon premaši napon baterije, konverter automatski prelazi u režim Buck za punjenje.
• Dva shematska rešenja:
• Kaskadni Buck-Boost DC/DC: Koristi 2 strujne prekidače za razdvojeno kontrolisanje boost/buck; nudi visoku preciznost, pogodan za visokoperformansne scene.
• Osnovni Buck-Boost DC/DC: Koristi 1 strujni prekidač kontrolisan jednim PWM dužinom impulsa (<50% Buck, >50% Boost); jednostavnija struktura, niža cena.

3.2 Paralelna kontrola sa preklapanjem (Ključna inovacija)

• Tehnički princip: Digitalni kontroler pokreće PWM signale za dva paralelna DC/DC konvertera sa faznim pomakom od 180 stupnjeva, različito od tradicionalne paralelne operacije u fazi.
• Tehnički efekti:
• Smanjeni talasi: Talasi izlazne struje se poništavaju, značajno smanjujući vrh-vrh vrijednost ukupnog talasnog struja, pružajući čistiju, stabilniju DC struju opterećenju.
• Dvostruka frekvencija, smanjeni gubitci: Frekvencija talasa ukupnog izlaznog struja postaje dvostruko veća od frekvencije prekida jednog konvertera, omogućavajući korištenje niže frekvencije prekida da bi se zadovoljili zahtjevi za talasima, smanjujući gubitke prekida i poboljšavajući ukupnu efikasnost sistema.

3.3 Inteligentni trofazni mod punjenja

Digitalni kontroler dinamički prilagođava strategiju punjenja na osnovu stanja punjenja (SOC) baterije, postižući optimalnu ravnotežu između efikasnosti i zaštite:

3.4 Potpuno digitalna inteligentna kontrola

Centriran oko visokoperformantnog MCU ili DSP, sistem prikuplja real-time podatke o naponu i struji od vjetroelektrane, solarnih ploča i baterije. Koristeći ugrađene algoritme, on:

• Izvršava real-time MPPT izračune kako bi osigurao optimalno hvatanje energije.
• Inteligentno određuje i prebacuje mode punjenja.
• Precizno generiše PWM signale za pokretanje konvertera i implementaciju paralelne kontrole sa preklapanjem.

4. Prednosti i skalabilnost

4.1 Ključne tehničke prednosti

1. Značajno poboljšano iskorištenje resursa: Širi raspon ulaznih napona omogućava sistemu da iskoristi niskokvalitetnu energiju (npr. blagi vjetar, slabu svjetlost jutrom/prijepodne) koju tradicionalni sistemi ne mogu uhvatiti, značajno proširujući iskorišteni raspon vjetra i sunca.
2. Značajno poboljšana efikasnost sistema: Algoritam MPPT osigurava da generacijske jedinice rade na svojoj optimalnoj tački snage. Kombinirano sa smanjenim gubitcima od paralelne kontrole sa preklapanjem, ukupna energetska efikasnost sistema znatno premašuje tradicionalna rešenja.
3. Značajno prošireni vijek trajanja baterija: Inteligentni trofazni algoritam punjenja efektivno sprečava pretjerano punjenje i duboko ispunjenje, povećavajući ciklusni vijek baterija za preko 50% i značajno smanjujući troškove održavanja i zamjene.
4. Smanjeni ukupni troškovi sistema: Poboljšana stabilnost snabdijevanja strujom eliminira potrebu za prevelikim kapacitetima proizvodnje i skladištenja za pouzdanost, smanjujući početnu investiciju.
5. Visoka kvaliteta izlazne struje: Tehnologija paralelne kontrole sa preklapanjem pruža niskotalasnu, visoko stabilnu DC struju, štiti osetljiva opterećenja i poboljšava kvalitet snabdijevanja strujom.

4.2 Fleksibilna shema proširenja kapaciteta

Sistem nudi odličnu skalabilnost za fleksibilno povećanje kapaciteta prema potrebi:

• Proširenje na nivou komponenti: Ulazi dva DC/DC konvertera mogu biti spojeni paralelno na istu solarne ploče ili vjetroelektranu. Digitalni kontroler pruža unificiranu paralelnu kontrolu sa preklapanjem, duplirajući vrhunske izlazne snage za taj određeni izvor (sunce ili vjetar).
• Proširenje na nivou sistema: Proširene jedinice solarnih i vjetroelektrana spojene su paralelno na DC busu kako bi lako snabdijevale veće baterijske banke i opterećenja. Sve kontrolne jedinice su međusobno povezane putem komunikacijskih sučelja (npr. CAN bus) za centralni nadzor i upravljanje.