கோட்டியலான வளிமண்டல-சூரிய இணைத்த தீர்வு: பக்-பூஸ்ட் கந்தர்வி & ஸ்மார்ட் சார்ஜிங் தொழில்நுட்பம் அமைப்பின் செலவைக் குறைப்பதில் உதவும்
குறிச்சொல்
இந்த தீர்வு ஒரு புதிய உயர்-விளைவு காற்று-சூரிய இணைப்பு மின்சாரம் தோற்றமளிக்கிறது. இது தற்போதைய தொழில்நுட்பங்களில் உள்ள முக்கிய அரித்தங்களை எதிர்கொண்டு விடுகிறது - எனினும் மிக குறைந்த ஆற்றல் பயன்பாடு, குறைந்த அம்பத்து வாய்முறை மற்றும் குறைந்த அமைப்பு நிலைமை. இந்த அமைப்பு முழுமையாக இலக்கிய கட்டுப்பாட்டுடன் உள்ளது buck-boost DC/DC converters, interleaved parallel தொழில்நுட்பம் மற்றும் ஒரு தூரங்கால மூன்று-முறை மின்னல் அல்காரிதம். இது அதிக வேகமான காற்று வேகம் மற்றும் சூரிய உலகில் அதிக ஆற்றல் புள்ளி தொடர்பு தேர்வு (MPPT) ஐ வழங்குகிறது, இது ஆற்றல் கைப்பற்றல் வேகத்தை முன்னேற்றமாக விளைவு பெற்று, அம்பத்து வாய்முறையை செயல்படுத்துகிறது, மற்றும் மொத்த அமைப்பு செலவை குறைக்கிறது.
1. அறிமுகம்: தொழில் அரித்தங்கள் & தற்போதைய அரித்தங்கள்
தாமதிய காற்று-சூரிய இணைப்பு அமைப்புகள் அவற்றின் பரவலான பயன்பாட்டை மற்றும் செலவாற்றலை எதிர்கொள்வதற்கு பல முக்கிய அரித்தங்கள் உள்ளன:
- குறைந்த வோல்ட்டேஜ் உள்ளீட்டு வீச்சு: அமைப்புகள் எளிய buck converters ஐ பெருமளவில் பயன்படுத்துகின்றன, இது காற்று துரையானது அல்லது சூரிய பேனல்கள் உருவாக்கும் வோல்ட்டேஜ் அம்பத்து வோல்ட்டேஜை விட அதிகமாக இருக்கும்போது மட்டுமே அம்பத்தை மின்னல் செய்யும். குறைந்த காற்று அல்லது குறைந்த ஒளியின்போது, உருவாக்கப்படும் வோல்ட்டேஜ் குறைவாக இருக்கும், இது புனித மின்சாரத்தை வெறுமையாக்கும்.
- வலுவான ஆற்றல் வெறுமை: காற்று அல்லது சூரிய ஆற்றல் பெரிய போது, தாமதிய அமைப்புகள் போட்டி விடுவதன் மூலம் (dummy loads) அதிக மின்சாரத்தை வெப்பமாக வெளியே விடுவதன் மூலம் அம்பத்து மின்னல் தவிர்த்து, இது பெரிய ஆற்றல் வெறுமையை ஏற்படுத்துகிறது.
- குறைந்த அம்பத்து வாய்முறை: மேலே குறிப்பிட்ட குறைந்த ஆற்றல் கைப்பற்றல் மற்றும் மிக குறைந்த மின்னல் பாதுகாப்பு திட்டங்களின் காரணமாக, அம்பத்துகள் பெருமளவில் குறைந்த மின்னல் அல்லது அதிக மின்னல் நிலையில் இருக்கும், இது அவற்றின் சுழல் வாய்முறையை வெறுமையாக்குகிறது மற்றும் போதுகை செலவை அதிகப்படுத்துகிறது.
- குறைந்த கட்டுப்பாட்டு துல்லியம் & குறைந்த நிலைமை: பெருமளவில் அமைப்புகள் எளிய கட்டுப்பாட்டு தொழில்நுட்பங்களை பயன்படுத்துகின்றன, இது துல்லியமான வோல்ட்டேஜ் மற்றும் கரணத்தை கட்டுப்பாடு செய்யாது, இது மின்சார தரம் நிலையற்றதாக இருக்கும். நம்பகமான போதுகை செயல்பாட்டை உறுதி செய்ய, பெரிய தரம் உருவாக்கும் மற்றும் போதுகை உலகில் பெரிய தரம் உண்டு, இது துவக்க முதலீட்டை அதிகரிக்கிறது.
2. தீர்வின் முக்கிய அமைப்புகள்
இந்த அமைப்பு 11 முக்கிய அமைப்புகள் ஒன்றுக்கொன்று சேர்ந்து ஒரு தூரங்கால, குறைந்த ஆற்றல் கைப்பற்றல், போதுகை மற்றும் விநியோக வலையை உருவாக்குகிறது.
|
அமைப்பு எண். |
பெயர் |
முக்கிய செயல்பாடு |
|
1 |
சூரிய பேனல் |
ஒளியை நேர்மின்சாரமாக மாற்றுகிறது; ஒரு முக்கிய ஆற்றல் மூலம். |
|
2 |
காற்று துரை |
காற்றை பெருமின்சாரமாக மாற்றுகிறது; ஒரு முக்கிய ஆற்றல் மூலம். |
|
3 |
காற்று ஆற்றல் மாற்றி |
முக்கியமாக buck-boost DC/DC converter; காற்று உருவாக்கிய வோல்ட்டேஜ்/கரணத்தை கட்டுப்பாடு செய்கிறது. |
|
4 |
சூரிய ஆற்றல் மாற்றி |
முக்கியமாக buck-boost DC/DC converter; சூரிய உருவாக்கிய வோல்ட்டேஜ்/கரணத்தை கட்டுப்பாடு செய்கிறது. |
|
5 |
முழுமையாக இலக்கிய கட்டுப்பாட்டி |
அமைப்பு மூளை (MCU/DSP); தூரங்கால கட்டுப்பாட்டை அமல்படுத்துகிறது (MPPT, மூன்று-முறை மின்னல், interleaving). |
|
6 |
அம்பத்து/போதுகை இணைப்பு |
அம்பத்து மற்றும் போதுகை இணைக்கும்; தூரங்கால ஆற்றல் விநியோகத்தை வழங்குகிறது. |
|
7 |
铅酸电池 |
Stores excess energy to power the load during periods without wind/sun. |
|
8 |
Load |
Power consumption end, e.g., remote base stations, residential use, border posts. |
|
9 |
Communication Interface |
Supports CAN/RS485/422 bus for communication with host PC; enables remote monitoring. |
|
10 |
Keyboard/Display |
Provides local HMI for parameter setting and status monitoring. |
|
11 |
Wind Power Rectifier Circuit |
Rectifies AC output from the wind turbine to DC for subsequent converter use. |
3. Core Technical Advantages
3.1 Buck-Boost DC/DC Converter with Wide Input Voltage Range
- Core Technology: Both wind and solar converters utilize a Buck-Boost DC/DC topology.
- Pain Point Solved: Overcomes the voltage limitations of traditional buck converters.
- Low Input Voltage (Boost Mode): When wind speed is below rated value (rpm < ω₀) or light is insufficient, and generated voltage is below battery voltage, the converter automatically operates in Boost mode to raise the voltage for charging.
- High Input Voltage (Buck Mode): When wind/solar resources are abundant and generated voltage exceeds battery voltage, the converter automatically switches to Buck mode for charging.
- Two Implementation Schemes:
- Cascaded Buck-Boost DC/DC: Uses 2 power switches for separate boost/buck control; offers high precision, suitable for high-performance scenarios.
- Basic Buck-Boost DC/DC: Uses 1 power switch controlled by a single PWM duty cycle (<50% Buck, >50% Boost); simpler structure, lower cost.
3.2 Interleaved Parallel Control (Key Innovation)
- Technical Principle: The digital controller drives the PWM signals for two parallel DC/DC converters with a 180-degree phase shift, unlike traditional in-phase parallel operation.
- Technical Effects:
- Reduced Ripple: Output current ripples cancel each other, significantly reducing the peak-to-peak value of the total ripple current, providing cleaner, more stable DC power to the load.
- Doubled Frequency, Reduced Losses: The ripple frequency of the total output current becomes twice the switching frequency of a single converter, allowing the use of a lower switching frequency to meet ripple requirements, thereby reducing switching losses and improving overall system efficiency.
3.3 Intelligent Three-Stage Charging Mode
The digital controller dynamically adjusts the charging strategy based on the battery's State of Charge (SOC), achieving an optimal balance between efficiency and protection:
|
Charging Mode |
Trigger Condition |
Control Strategy |
Primary Objective |
|
Mode I: Constant Current + MPPT |
When battery SOC is low. |
If wind/solar energy is sufficient, charges battery with max allowed constant current; if energy is scarce, prioritizes MPPT, using all captured energy for charging. |
Rapidly replenishes charge, maximizes energy capture, prevents battery damage from prolonged undercharging. |
|
Mode II: Constant Voltage + MPPT |
When battery voltage reaches float charge setpoint. |
Maintains constant battery terminal voltage to prevent overcharge. If surplus energy remains, switches to MPPT mode to power the load or capture extra energy. |
Prevents overcharging, extends lifespan, while continuing efficient energy utilization. |
|
Mode III: Trickle Charge |
When battery is fully charged. |
Applies a small float charge to compensate for self-discharge, maintaining full charge. |
Maintains battery health, ensures readiness, further extends service life. |
3.4 Fully Digital Intelligent Control
Centered on a high-performance MCU or DSP, the system collects real-time voltage and current data from the wind turbine, solar panels, and battery. Using embedded algorithms, it:
- Performs real-time MPPT calculations to ensure optimal energy capture.
- Intelligently determines and switches charging modes.
- Precisely generates PWM signals to drive the converters and implement interleaved control.
4. Benefits and Scalability
4.1 Core Technical Benefits
- Greatly Enhanced Resource Utilization: The wide input voltage range allows the system to harness low-grade energy (e.g., light breezes, dawn/dusk weak light) that traditional systems cannot capture, significantly broadening the usable range of wind and solar energy.
- Significantly Improved System Efficiency: The MPPT algorithm ensures generating units operate at their optimal power point. Combined with reduced losses from interleaving technology, the overall system energy efficiency far exceeds that of traditional solutions.
- Substantially Extended Battery Life: The intelligent three-stage charging algorithm effectively prevents overcharging and deep discharge, increasing battery cycle life by over 50% and significantly reducing maintenance and replacement costs.
- Reduced Comprehensive System Cost: Enhanced power supply stability eliminates the need for over-sizing generation and storage capacity for reliability, reducing initial investment.
- High Output Power Quality: Interleaving technology provides low-ripple, highly stable DC output, protecting sensitive loads and improving power supply quality.
4.2 Flexible Capacity Expansion Scheme
The system offers excellent scalability for flexible capacity increases based on demand:
- Component-Level Expansion: The inputs of two DC/DC converters can be connected in parallel to the same solar panel or wind turbine. The digital controller provides unified interleaved control, doubling the peak output power for that particular source (solar or wind).
- System-Level Expansion: Expanded solar and wind power units are connected in parallel on the DC bus to easily supply power to larger battery banks and loads. All control units are interconnected via communication interfaces (e.g., CAN bus) for centralized monitoring and management.
