Inteligentní hybridní systém větrná-slněčná s fuzzy-PID řízením pro vylepšené správu baterií a MPPT

Abstrakt

Tento návrh prezentuje hybridní systém výroby elektrické energie z větru a slunce založený na pokročilé ovládací technologii, který má efektivně a ekonomicky řešit potřeby elektrické energie v odlehlých oblastech a speciálních aplikacích. Srdcem systému je inteligentní ovládací systém s mikroprocesorem ATmega16. Tento systém provádí sledování maximálního bodu výkonu (MPPT) pro větrnou i solární energii a používá optimalizovaný algoritmus kombinující PID a fuzzy kontrolu pro přesné a efektivní správu nabíjení a vybíjení klíčové komponenty – baterie. To značně zvyšuje celkovou efektivitu výroby energie, prodlužuje životnost baterie a zajišťuje spolehlivost a ekonomickou výhodnost dodávky energie.

I. Pozadí projektu a význam

1. Energetický kontext: Globálně se tradiční fosilní paliva stále více vyčerpávají, což představuje vážné výzvy pro energetickou bezpečnost a udržitelný rozvoj. Rozsáhlý rozvoj a využívání čistých, obnovitelných zdrojů energie, jako jsou větrná a sluneční, se stalo strategickou prioritou pro řešení současných energetických a environmentálních problémů.
2. Hodnota systému: Hybridní systém využívá přirozené doplňkové charakteristiky větrné a sluneční energie v časovém a geografickém ohledu (např. silné sluneční světlo během dne, potenciálně silnější větry v noci), překonává intermitenci jednozdrojové výroby energie. Je to strukturně racionální, nízkonákladové samostatné řešení dodávky energie, které efektivně řeší problémy s dodávkou energie zařízením, jako jsou byty, komunikační stanice a meteorologické stanice v neelektrifikovaných nebo slabě elektrifikovaných odlehlých oblastech.
3. Význam klíčových komponent: Baterie, která slouží jako úložiště energie systému, je klíčová pro zajištění nepřetržité dodávky energie na zátěž během období bez větru nebo slunečního světla. Její cena tvoří významnou část celého systému výroby energie. Proto je zlepšení efektivity nabíjení baterie a optimalizace jejích strategií nabíjení a vybíjení pro prodloužení životnosti klíčové pro snížení nákladů na životnost systému a zlepšení provozní spolehlivosti.

II. Celkový návrh systému

1. Klíčové cíle systému:
• Optimalizace zachycení energie: Provádět optimální řízení pro maximální efektivitu elektřiny vygenerované větrným turbínou a fotovoltaickými panely, dosahovat sledování maximálního bodu výkonu (MPPT) pro plné využití přírodních zdrojů.
• Správa systému úložiště energie: Inteligentně spravovat proces nabíjení a vybíjení baterie, zabránit přetížení a nadměrnému vybíjení, efektivně chránit baterii a značně zlepšit její efektivitu nabíjení a životnost.
2. Hardwarová architektura systému:

Systém se skládá ze tří hlavních funkčních modulů, které koordinuje centrální ovládací CPU, aby tvořily kompletní inteligentní ovládací systém.

III. Klíčová ovládací technologie: Inteligentní správa baterií

1. Výběr a základy baterií:
• Typ: Toto řešení vybírá údržbové baterie s olověnými destičkami, které jsou technologicky zralé a nízkonákladové, vhodné pro malé měřítko hybridních systémů větrných a slunečních.
• Princip fungování: Nabíjení a vybíjení baterie jsou v podstatě procesy převodu elektrické energie na chemickou a naopak. V důsledku jevů, jako je polarizace elektrod, však efektivita převodu energie nemůže dosáhnout 100 %.
2. Výzvy ovládání a optimalizační strategie:
• Nedostatky tradičního ovládání: Klasické metody PID ovládání se těžce opírají o přesný matematický model ovládaného objektu (baterie). Baterie je nelineární, časově proměnný systém, jehož parametry (vnitřní odpor, hustota elektrolitu atd.) se dynamicky mění s teplotou prostředí a stavem použití, což ztěžuje vytvoření přesného modelu. To vedlo k obtížím při ladění tradičních PID parametrů, špatné adaptabilitě a nedostatečné výkonosti ovládání.
• Použitá pokročilá metoda ovládání: Toto řešení používá kompoziční strategii Fuzzy-PID, která kombinuje výhody obou:
• Výhoda fuzzy ovládání: Nevyžaduje přesný matematický model ovládaného objektu, může zpracovávat nepřesné vstupní informace, ukazuje silnou adaptabilitu k změnám parametrů baterie a může zahrnovat expertní znalosti.
• Výhoda PID ovládání: Může dosáhnout vysokopřesného, nulového stacionárního chybového ovládání, když je odchylka systému malá.
• Průběh práce ovladače: Systém neustále sleduje rozdíl e(t) mezi nastaveným napětím baterie a skutečným napětím. Když je odchylka e(t) velká, dominuje fuzzy ovládání pro rychlou reakci. Když se e(t) sníží do určitého rozsahu, hladce přepne na PID ovládání pro jemné ladění. Nakonec se výstupní signál u(t) upraví pro řízení cyklu povinnosti MOSFET, což umožňuje dynamickou optimalizaci nabíjecího proudu.

IV. Shrnutí řešení a perspektivy

• Účinnost ovládání: Navržený hybridní systém výroby elektrické energie z větru a slunce v tomto řešení úspěšně dosahuje optimální správy nabíjení a vybíjení baterie prostřednictvím doplňkového inteligentního algoritmu Fuzzy-PID. To nejen efektivně chrání baterii a prodlužuje její životnost, ale také zvyšuje efektivitu zachycení větrné a sluneční energie prostřednictvím MPPT, což zlepšuje celkovou efektivitu celého systému výroby energie.
• Experimentální ověření: Experimentální výsledky ukazují, že ovladač je správně a proveditelně navržen, pracuje bezpečně a spolehlivě a ukazuje dobré dynamické odezvy a stacionární přesnost.
• Perspektivy aplikace: Toto integrované řešení hybridní výroby elektrické energie z větru a slunce s technologií inteligentní správy baterií je obzvláště vhodné pro scénáře, jako jsou odlehlé oblasti bez přístupu k síti, ostrovy, pastviny a komunikační stanice. Nabízí významné ekonomické a sociální výhody a má široké možnosti aplikace.