โซลูชันไฮบริดลม-แสงอาทิตย์ที่คุ้มค่า: คอนเวอร์เตอร์บัค-บูสต์และระบบชาร์จอัจฉริยะลดต้นทุนระบบ

บทคัดย่อ

โซลูชันนี้เสนอระบบการผลิตไฟฟ้าไฮบริดจากลมและแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงอย่างน่าสนใจ ในการแก้ไขข้อบกพร่องหลักของเทคโนโลยีปัจจุบัน เช่น การใช้พลังงานต่ำ อายุการใช้งานแบตเตอรี่สั้น และความเสถียรของระบบไม่ดี ระบบใช้คอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบบัค-บูสต์ที่ควบคุมด้วยดิจิทัลทั้งหมด เทคโนโลยีการขนานแบบอินเทอร์เลฟ และอัลกอริธึมการชาร์จสามขั้นตอนอัจฉริยะ ทำให้สามารถติดตามจุดกำลังสูงสุด (MPPT) ได้ในช่วงความเร็วลมและรังสีแสงอาทิตย์ที่กว้างขึ้น ปรับปรุงประสิทธิภาพการจับพลังงานได้อย่างมาก ขยายอายุการใช้งานแบตเตอรี่ และลดต้นทุนระบบโดยรวม

1. บทนำ: ปัญหาของอุตสาหกรรมและการขาดแคลนที่มีอยู่

ระบบไฮบริดจากลมและแสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมมีข้อเสียที่สำคัญซึ่งจำกัดการใช้งานอย่างกว้างขวางและความคุ้มค่า:

• ช่วงแรงดันขาเข้าแคบ: ระบบเหล่านี้มักใช้คอนเวอร์เตอร์บัคที่ง่าย ซึ่งสามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้เฉพาะเมื่อแรงดันที่สร้างขึ้นโดยกังหันลมหรือแผงเซลล์แสงอาทิตย์สูงกว่าแรงดันแบตเตอรี่ ในกรณีที่ลมเบาหรือแสงอ่อน แรงดันที่สร้างขึ้นไม่เพียงพอ ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานทดแทน
• การสูญเสียพลังงานอย่างรุนแรง: เมื่อมีพลังงานจากลมหรือแสงอาทิตย์มาก ระบบแบบดั้งเดิมมักใช้การเบรกแบบต้านทาน (โหลดจำลอง) เพื่อกระจายพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินเป็นความร้อนเพื่อป้องกันการชาร์จแบตเตอรี่เกิน ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานอย่างมาก
• อายุการใช้งานแบตเตอรี่สั้น: เนื่องจากการจับพลังงานไม่เพียงพอและกลไกป้องกันการชาร์จเกินไม่สมบูรณ์ แบตเตอรี่มักอยู่ในสถานะชาร์จน้อยหรือชาร์จเกิน ทำให้อายุการใช้งานวงจรชาร์จลดลงอย่างมากและเพิ่มค่าบำรุงรักษา
• ความแม่นยำในการควบคุมต่ำและความเสถียรไม่ดี: ระบบส่วนใหญ่ใช้กลยุทธ์การควบคุมที่ง่าย ขาดการควบคุมแรงดันและกระแสอย่างแม่นยำ ทำให้คุณภาพไฟฟ้าไม่เสถียร ในการรับประกันการทำงานของโหลดที่เชื่อถือได้ มักต้องใช้อุปกรณ์การผลิตและเก็บพลังงานที่มีขนาดใหญ่ ทำให้เพิ่มการลงทุนเริ่มต้น

2. ส่วนประกอบหลักของโซลูชัน

ระบบประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก 11 รายการที่ทำงานร่วมกันเพื่อสร้างเครือข่ายการจับ พลังงาน การเก็บ และการกระจายพลังงานที่อัจฉริยะและมีประสิทธิภาพ

3. ข้อได้เปรียบทางเทคนิคหลัก

3.1 คอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบบัค-บูสต์ที่มีช่วงแรงดันขาเข้ากว้าง

• เทคโนโลยีหลัก: ทั้งคอนเวอร์เตอร์พลังงานลมและแสงอาทิตย์ใช้โทโพโลยี DC/DC แบบบัค-บูสต์
• ปัญหาที่แก้ไข: แก้ไขข้อจำกัดของแรงดันของคอนเวอร์เตอร์บัคแบบดั้งเดิม
• แรงดันขาเข้าต่ำ (โหมดบูสต์): เมื่อความเร็วลมต่ำกว่าค่ากำหนด (rpm < ω₀) หรือแสงไม่เพียงพอ และแรงดันที่สร้างขึ้นต่ำกว่าแรงดันแบตเตอรี่ คอนเวอร์เตอร์จะทำงานในโหมดบูสต์เพื่อเพิ่มแรงดันสำหรับการชาร์จ
• แรงดันขาเข้าสูง (โหมดบัค): เมื่อมีพลังงานจากลมหรือแสงอาทิตย์มากและแรงดันที่สร้างขึ้นสูงกว่าแรงดันแบตเตอรี่ คอนเวอร์เตอร์จะเปลี่ยนไปเป็นโหมดบัคสำหรับการชาร์จ
• แผนการดำเนินการสองแผน:
• คอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบบัค-บูสต์แบบเรียงซ้อน: ใช้สวิตช์พลังงาน 2 ตัวสำหรับการควบคุมบูสต์และบัคแยกกัน; ให้ความแม่นยำสูง เหมาะสำหรับสถานการณ์ประสิทธิภาพสูง
• คอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบบัค-บูสต์พื้นฐาน: ใช้สวิตช์พลังงาน 1 ตัวที่ควบคุมโดย PWM duty cycle แบบเดียว (<50% บัค, >50% บูสต์); โครงสร้างง่าย ต้นทุนต่ำ

3.2 การควบคุมแบบขนานอินเทอร์เลฟ (นวัตกรรมหลัก)

• หลักการทางเทคนิค: ตัวควบคุมดิจิทัลดาวน์ PWM สัญญาณสำหรับคอนเวอร์เตอร์ DC/DC ที่ขนานกัน 2 ตัว โดยมีเฟสเปลี่ยนไป 180 องศา แตกต่างจากการทำงานขนานแบบเดียวกัน
• ผลทางเทคนิค:
• ลดแรงดันริปลิ่ง: แรงดันริปลิ่งที่ออกมายกเลิกกัน ลดค่าสูงสุด-ต่ำสุดของแรงดันริปลิ่งทั้งหมดอย่างมาก มอบไฟฟ้ากระแสตรงที่สะอาดและเสถียรให้กับโหลด
• ความถี่สองเท่า ลดการสูญเสีย: ความถี่ริปลิ่งของแรงดันที่ออกมามีความถี่สองเท่าของคอนเวอร์เตอร์เดี่ยว อนุญาตให้ใช้ความถี่สวิตช์ต่ำเพื่อตอบสนองความต้องการริปลิ่ง ทำให้ลดการสูญเสียการสวิตช์และเพิ่มประสิทธิภาพระบบโดยรวม

3.3 โหมดการชาร์จสามขั้นตอนอัจฉริยะ

ตัวควบคุมดิจิทัลดาวน์ปรับกลยุทธ์การชาร์จตามสถานะการชาร์จ (SOC) ของแบตเตอรี่ เพื่อให้ได้สมดุลระหว่างประสิทธิภาพและความปลอดภัย:

3.4 การควบคุมอัจฉริยะแบบดิจิทัลเต็มรูปแบบ

ศูนย์กลางบน MCU หรือ DSP ประสิทธิภาพสูง ระบบรวบรวมข้อมูลแรงดันและกระแสแบบเรียลไทม์จากกังหันลม แผงเซลล์แสงอาทิตย์ และแบตเตอรี่ ใช้อัลกอริธึมฝังตัว:

• คำนวณ MPPT แบบเรียลไทม์เพื่อให้แน่ใจว่าการจับพลังงานเป็นไปอย่างเหมาะสม
• ตัดสินใจและเปลี่ยนโหมดการชาร์จอย่างอัจฉริยะ
• สร้างสัญญาณ PWM อย่างแม่นยำเพื่อดริฟคอนเวอร์เตอร์และดำเนินการควบคุมแบบอินเทอร์เลฟ

4. ประโยชน์และความยืดหยุ่น

4.1 ประโยชน์ทางเทคนิคหลัก

1. การใช้ทรัพยากรที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก: ช่วงแรงดันขาเข้าที่กว้างทำให้ระบบสามารถจับพลังงานระดับต่ำ (เช่น ลมอ่อน แสงอ่อนในตอนเช้าหรือเย็น) ที่ระบบแบบดั้งเดิมไม่สามารถจับได้ ทำให้ช่วงการใช้พลังงานจากลมและแสงอาทิตย์กว้างขึ้นอย่างมาก
2. ประสิทธิภาพระบบที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก: อัลกอริธึม MPPT ทำให้ยูนิตการผลิตทำงานที่จุดกำลังสูงสุด ร่วมกับการลดการสูญเสียจากเทคโนโลยีอินเทอร์เลฟ ประสิทธิภาพพลังงานโดยรวมของระบบสูงกว่าโซลูชันแบบดั้งเดิมอย่างมาก
3. อายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก: อัลกอริธึมการชาร์จสามขั้นตอนอัจฉริยะป้องกันการชาร์จเกินและชาร์จน้อยอย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้อายุการใช้งานวงจรชาร์จเพิ่มขึ้นกว่า 50% และลดค่าบำรุงรักษาและการเปลี่ยนแบตเตอรี่อย่างมาก
4. ลดต้นทุนระบบโดยรวม: ความเสถียรในการจ่ายไฟที่เพิ่มขึ้นทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ขนาดการผลิตและเก็บพลังงานที่ใหญ่เกินไปเพื่อรับประกันความน่าเชื่อถือ ลดการลงทุนเริ่มต้น
5. คุณภาพไฟฟ้าที่สูง: เทคโนโลยีอินเทอร์เลฟมอบแรงดันริปลิ่งต่ำและเสถียร ปกป้องโหลดที่ไวต่อแรงดันและปรับปรุงคุณภาพการจ่ายไฟ

4.2 แผนการขยายความจุที่ยืดหยุ่น

ระบบนำเสนอความสามารถในการขยายความจุที่ยืดหยุ่นตามความต้องการ:

• การขยายที่ระดับส่วนประกอบ: ขาเข้าของคอนเวอร์เตอร์ DC/DC สองตัวสามารถเชื่อมต่อขนานกับแผงเซลล์แสงอาทิตย์หรือกังหันลมเดียวกัน ตัวควบคุมดิจิทัลให้การควบคุมอินเทอร์เลฟที่รวมกัน ทำให้กำลังสูงสุดของแหล่งพลังงานนั้น (แสงอาทิตย์หรือลม) เพิ่มเป็นสองเท่า
• การขยายที่ระดับระบบ: ยูนิตการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์และลมที่ขยายสามารถเชื่อมต่อขนานบนบัส DC เพื่อจ่ายไฟให้กับแบตเตอรี่และโหลดที่ใหญ่ขึ้น ตัวควบคุมทั้งหมดเชื่อมต่อกันผ่านอินเทอร์เฟซการสื่อสาร (เช่น CAN bus) สำหรับการตรวจสอบและจัดการแบบรวมศูนย์