Et intelligent vind-sol hybrid system med fuzzy-PID kontrol for forbedret batteriadministration og MPPT

Resumé

Dette forslag præsenterer et vind-sol hybrid strømproduktionssystem baseret på avanceret kontrolteknologi, med det formål at effektivt og økonomisk imødekomme strømbehovene i fjerne områder og specielle anvendelsesscenarier. Kernen i systemet ligger i et intelligent kontrolesystem, der har en ATmega16 mikroprocesseur som centrum. Dette system udfører Maksimal Effekt Kontrol (MPPT) for både vind- og solenergi og anvender en optimeret algoritme, der kombinerer PID- og fuzzy-kontrol til præcis og effektiv opladning/afladningsstyring af den vigtigste komponent - batteriet. Dermed forbedres den samlede strømproduktionsvirksomhed betydeligt, batteriets levetid forlænges, og strømforsyrelsens pålidelighed og kostnadseffektivitet sikres.

I. Projektbaggrund og Betydning

1. Energitilstand: Globalt set er traditionelle fossile brændstoffer stadig mere udtømt, hvilket stiller alvorlige udfordringer for energisikkerhed og bæredygtig udvikling. Det er blevet en strategisk prioritet at iværksætte og udnytte rene, vedvarende nye energikilder som vind- og solenergi for at løse de nuværende energi- og miljøproblemer.
2. Systemets Værdi: Vind-sol hybridsystemet udnytter fuldt ud de naturlige komplementære egenskaber af vind- og solenergi i tidsmæssig og geografisk henseende (fx stærkt sollys om dagen, potentielt stærkere vind om natten), overvinder usammenhængenheden i enkeltkilde-strømproduktion. Det er en strukturelt rationel, lav-driftsomkostnings selvstændig strømforsyning, der effektivt løser energiforsyningsproblemer for faciliteter som boliger, kommunikationsbaser, og meteorologiske overvågningsstationer i ikke- eller svagt elektrificerede fjerne områder.
3. Betydningen af Kernekomponenter: Batteriet, der fungerer som systemets energilager, er afgørende for at sikre fortsat strømforsyning til belastningen under perioder uden vind eller sollys. Dets omkostninger udgør en betydelig del af hele strømproduktionssystemet. Derfor er forbedring af batterioladningseffektiviteten og optimering af dets opladnings/afladningsstrategier for at forlænge dets levetid afgørende for at reducere systemets livscyklusomkostninger og forbedre driftsfiabiliteten.

II. Samlet Systemdesign

1. Systems Kernemål:
• Energioptagelse Optimering: Udfør optimal kontrol for maksimal effektivitet på strømmen, der genereres af vindturbinen og fotovoltaiske paneler, opnår Maksimal Effekt Kontrol (MPPT) for at fuldt ud udnytte naturressourcerne.
• Energilager Systems Management: Intelligent styring af batteriets opladnings- og aflagningsproces, forebygger overladning og overafladning, effektiv beskyttelse af batteriet, og betydelig forbedring af dets opladningseffektivitet og levetid.
2. Systemets Hardwaresarkitektur:

Systemet består af tre hovedfunktionelle moduler, koordineret af en central kontrol-CPU, for at danne et komplekst intelligent kontrolesystem.

III. Kernekontrolteknologi: Intelligent Batteristyring

1. Batterivalg og Grundlæggende:
• Type: Denne løsning vælger vedligeholdelsesfrie bly-syre akkumulatorer, der er teknologisk modne og lavprisede, egnet til småskala vind-sol hybridsystemer.
• Arbejdsgang: Batterioladning og -afladning er i grundlæggende termer processer, der konverterer elektrisk energi til kemisk energi og vice versa. Imidlertid når energikonverteringen ikke 100% pga. fænomener som elektrod-polarisering.
2. Kontroludfordringer og Optimeringsstrategi:
• Ulemper ved Traditionel Kontrol: Klassiske PID-kontrolmetoder er stærkt afhængige af en præcis matematisk model af det kontrollerede objekt (batteriet). Batteriet er et ikkelineært, tidsvariabelt system, hvis parametre (intern resistance, elektrolyt-tæthed osv.) ændrer sig dynamisk med miljøtemperatur og brugsstatus, gør det svært at etablere en præcis model. Dette fører til udfordringer i justering af traditionelle PID-parametre, dårlig tilpasningsevne, og suboptimale kontrolresultater.
• Anvendt Avanceret Kontrolmetode: Denne løsning anvender en Fuzzy-PID sammensat kontrolstrategi, der kombinerer fordelene ved begge:
• Fordele ved Fuzzy-Kontrol: Kræver ikke en præcis matematisk model af det kontrollerede objekt, kan håndtere upræcise inputoplysninger, viser stærk tilpasningsevne til ændringer i batteriparametre, og kan integrere ekspertviden.
• Fordele ved PID-Kontrol: Kan opnå højpræcis, nul steady-state fejlkontrol, når systemafvigelsen er lille.
• Kontroller Workflow: Systemet overvåger konstant forskellen e(t) mellem batteriets sætspænding og dens faktiske spænding. Når afvigelsen e(t) er stor, dominerer fuzzy-kontrol for hurtig respons. Når e(t) falder inden for en bestemt grænse, skifter det suavt over til PID-kontrol for finjustering. Til sidst justeres outputsignal u(t) for at kontrollere MOSFET's duty cycle, opnår dynamisk optimering af opladningsstrømmen.

IV. Løsningsoversigt og Udsmid

• Kontroleffektivitet: Vind-sol hybride strømproduktion kontrolsystemet, der er designet i denne løsning, opnår succesfuldt optimal batterioladning/afladningsstyring gennem den komplementære intelligente Fuzzy-PID kontrolalgoritme. Dette beskytter ikke kun batteriet effektivt og forlænger dets levetid, men forbedrer også vind- og solenergi capture-effektivitet gennem MPPT, hvilket forbedrer det samlede effektivitet af hele strømproduktionssystemet.
• Eksperimentel Verifikation: Eksperimentelle resultater viser, at kontrolleren er korrekt og muligt designet, fungerer sikkert og pålideligt, og viser god dynamisk respons og steady-state præcision.
• Anvendelsesudsigter: Denne integrerede vind-sol hybride strømproduktion løsning med intelligent batteristyringsteknologi er især velegnet til scenarier som fjerne områder uden nettet dækning, øer, pasturer, og kommunikationsbaser. Den giver betydelige økonomiske og sociale fordele og har bred anvendelsesudsigt.