Економічно Ефективне Гібридне Рішення для Вітрово-Сонячних Систем: Конвертер Buck-Boost та Інтелектуальне Зарядження Зменшують Вартість Системи

Абстракт

Цей рішення пропонує інноваційну високоефективну гібридну систему виробництва електроенергії на основі вітрової та сонячної енергії. Вирішуючи ключові недоліки існуючих технологій, такі як низька ефективність використання енергії, короткий термін служби акумуляторів та погана стабільність системи, система використовує повністю цифрові контролери бак-буст DC/DC, паралельну технологію з чергуванням та інтелектуальний алгоритм зарядження у три етапи. Це дозволяє вести трекінг максимальної точки потужності (MPPT) на ширшому діапазоні швидкостей вітру та сонячного освітлення, значно покращуючи ефективність захоплення енергії, ефективно продовжуючи термін служби акумуляторів та знижуючи загальні витрати на систему.

1. Вступ: Болі точки відомства та існуючі недоліки

Традиційні гібридні вітро-сонячні системи мають значні недоліки, що обмежують їх широке застосування та економічну ефективність:

• Вузький діапазон входячого напруги: Системи зазвичай використовують прості бак-конвертери, які можуть заряджати акумулятор лише коли напруга, генерована вітровим генератором або сонячними панелями, перевищує напругу акумулятора. У умовах слабкого вітру або слабкого світла генерована напруга недостатня, що призводить до втрат відновлюваної енергії.
• Значна втрата енергії: Коли вітро-сонячна енергія надлишкова, традиційні системи часто використовують резистивне гальмування (фіктивні навантаження) для розсіювання надлишкової електричної енергії у вигляді тепла, щоб запобігти перезарядженню акумулятора, що призводить до значних втрат енергії.
• Короткий термін служби акумуляторів: З-за вищевказаних недоліків захоплення енергії та неідеальних механізмів захисту від перезаряджання, акумулятори часто знаходяться у стані недоствірного зарядження або перезарядження, що сильно скорочує їх циклічний термін служби та збільшує витрати на обслуговування.
• Низька точність керування та погана стабільність: Більшість систем використовують прості стратегії керування, що не мають точного регулювання напруги та струму, що призводить до нестабільної якості електроенергії. Для забезпечення надійної роботи навантаження часто потрібне більш велике обладнання для генерації та зберігання, що збільшує початкові витрати.

2. Основні компоненти рішення

Ця система складається з 11 ключових компонентів, які співпрацюють, формуючи інтелектуальну, ефективну мережу захоплення, зберігання та розподілу енергії.

3. Основні технічні переваги

3.1 Бак-буст DC/DC конвертер з широким діапазоном входячої напруги

• Основна технологія: Обидва вітро-сонячні конвертери використовують топологію бак-буст DC/DC.
• Вирішена проблема: Подолано обмеження напруги традиційних бак-конвертерів.
• Низька входяча напруга (режим Boost): Коли швидкість вітру нижче номінального значення (об/хв < ω₀) або світло недостатнє, і генерована напруга нижче напруги акумулятора, конвертер автоматично переходить в режим Boost, щоб підвищити напругу для зарядження.
• Висока входяча напруга (режим Buck): Коли вітро-сонячні ресурси достатні, і генерована напруга перевищує напругу акумулятора, конвертер автоматично переключається в режим Buck для зарядження.
• Дві реалізаційні схеми:
• Каскадний бак-буст DC/DC: Використовує 2 силові ключі для окремого керування boost/buck; надає високу точність, придатний для високопродуктивних сценаріїв.
• Базовий бак-буст DC/DC: Використовує 1 силовий ключ, керований одним циклом PWM (<50% Buck, >50% Boost); простіша структура, нижча вартість.

3.2 Паралельне керування з чергуванням (ключова інновація)

• Технічний принцип: Цифровий контролер генерує PWM сигнали для двох паралельних DC/DC конвертерів з фазовою зміщенням на 180 градусів, на відміну від традиційного паралельного операціонування.
• Технічні ефекти:
• Зменшення рябі: Рябі виводу струму взаємно зникають, значно зменшуючи амплітуду загальної рябі струму, надаючи чистіший, більш стабільний пряму струму для навантаження.
• Подвоєна частота, зменшені втрати: Частота рябі загального виводу струму стає удвічі більшою за частоту комутації одного конвертера, що дозволяє використовувати нижчу частоту комутації для задоволення вимог до рябі, отже, зменшуючи втрати від комутації та підвищуючи загальну ефективність системи.

3.3 Інтелектуальний триетапний режим зарядження

Цифровий контролер динамічно змінює стратегію зарядження залежно від стану зарядження (SOC) акумулятора, досягаючи оптимального балансу між ефективністю та захистом:

3.4 Повністю цифрове інтелектуальне керування

На основі високопродуктивного MCU або DSP, система збирає реальні дані про напругу та струм від вітрового генератора, сонячних панелей та акумулятора. Використовуючи вбудовані алгоритми, вона:

• Виконує реальні обчислення MPPT, щоб забезпечити оптимальне захоплення енергії.
• Інтелектуально визначає та переключає режими зарядження.
• Точні генерує PWM сигнали для керування конвертерами та реалізації паралельного керування з чергуванням.

4. Переваги та масштабованість

4.1 Основні технічні переваги

1. Значно підвищена ефективність використання ресурсів: Широкий діапазон входячої напруги дозволяє системі використовувати низькорівневу енергію (наприклад, легкий вітер, слабке світло на світанку/захід сонця), яку традиційні системи не можуть захопити, значно розширяючи корисний діапазон вітро-сонячної енергії.
2. Значно підвищена ефективність системи: Алгоритм MPPT забезпечує операцію генеруючих одиниць в оптимальній точці потужності. Поєднуючи зі зменшенням втрат завдяки технології чергування, загальна енергетична ефективність системи значно перевищує традиційні рішення.
3. Значно продовжений термін служби акумулятора: Інтелектуальний триетапний алгоритм зарядження ефективно запобігає перезарядженню та глибокому розряду, збільшуючи циклічний термін служби акумулятора більше ніж на 50% та значно зменшуючи витрати на обслуговування та заміну.
4. Знижені загальні витрати на систему: Покращена стабільність живлення усуває потребу у перебільшенні капіталовкладень для надійності, зменшуючи початкові витрати.
5. Висока якість виводу потужності: Технологія чергування надає низьку рябі, високо стабільний вивід прямої струму, захищаючи чутливі навантаження та підвищуючи якість живлення.

4.2 Гнучка схема розширення ємності

Система надає відмінну масштабованість для гнучкого збільшення ємності відповідно до потреб:

• Розширення на рівні компонентів: Входи двох DC/DC конвертерів можна під'єднати паралельно до однієї сонячної панелі або вітрового генератора. Цифровий контролер надає єдине паралельне керування, подвоюючи пікову вивідну потужність для конкретного джерела (сонце або вітер).
• Розширення на рівні системи: Розширена сонячна та вітрова потужність підключається паралельно на DC шині, щоб легко живити більші банки акумуляторів та навантаження. Усі контрольні блоки з'єднуються через інтерфейси зв'язку (наприклад, CAN шина) для централізованого моніторингу та управління.