Ein intelligentes Wind-Solar-Hybridsystem mit Fuzzy-PID-Steuerung zur verbesserten Batteriemanagement und MPPT

Zusammenfassung​

Dieser Vorschlag präsentiert ein Wind-Solar-Hybridkraftwerkssystem basierend auf fortschrittlicher Steuerungstechnologie, das darauf abzielt, die Strombedürfnisse in abgelegenen Gebieten und speziellen Anwendungsszenarien effizient und wirtschaftlich zu erfüllen. Der Kern des Systems liegt in einem intelligenten Steuerungssystem, das um einen ATmega16-Mikroprozessor herum zentriert ist. Dieses System führt Maximum Power Point Tracking (MPPT) sowohl für Wind- als auch Solarenergie durch und verwendet einen optimierten Algorithmus, der PID- und Fuzzy-Steuerung kombiniert, für eine präzise und effiziente Lade-/Entladeverwaltung des Schlüsselkomponenten – der Batterie. Dadurch wird die Gesamtleistungseffizienz erheblich verbessert, die Batterielebensdauer verlängert und die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Stromversorgung gewährleistet.

​I. Projektbackground und Bedeutung​

1. ​Energiekontext:​​ Weltweit werden fossile Brennstoffe zunehmend knapp, was ernsthafte Herausforderungen für die Energiensicherheit und nachhaltige Entwicklung darstellt. Die energische Entwicklung und Nutzung sauberer, erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie ist zu einer strategischen Priorität geworden, um aktuelle Energie- und Umweltprobleme zu lösen.
2. ​Systemwert:​​ Das Wind-Solar-Hybridsystem nutzt die natürlichen komplementären Eigenschaften von Wind- und Solarenergie hinsichtlich Zeit und Geografie (z.B. starkes Sonnenlicht während des Tages, potenziell stärkerer Wind in der Nacht) vollständig aus, überwindet die Intermittenz der Einzelquelle-Energieerzeugung. Es ist eine strukturell rationale, niedrig betriebskostenintensive unabhängige Stromversorgungslösung, die die Energieversorgungsprobleme für Einrichtungen wie Wohngebiete, Kommunikationsbasisstationen und meteorologische Überwachungsstationen in nicht oder schwach elektrifizierten abgelegenen Gebieten effektiv löst.
3. ​Bedeutung der Kernkomponenten:​​ Die Batterie, die als Energiespeichereinheit des Systems dient, ist entscheidend, um eine kontinuierliche Stromversorgung für die Last während Zeiten ohne Wind oder Sonnenschein sicherzustellen. Ihre Kosten machen einen bedeutenden Teil des gesamten Erzeugungssystems aus. Daher ist die Verbesserung der Ladewirkungsgrad der Batterie und die Optimierung ihrer Lade-/Entlade-Strategien zur Verlängerung ihrer Dienstlebensdauer entscheidend, um die Lebenszykluskosten des Systems zu reduzieren und die Betriebssicherheit zu erhöhen.

​II. Gesamtsystemdesign​

1. ​Kernziele des Systems:​​
• ​Optimierung der Energiegewinnung:​​ Durchführen einer optimalen Steuerung für maximale Effizienz des von Windturbinen und Photovoltaik-Paneelen erzeugten Stroms, um Maximum Power Point Tracking (MPPT) zu erreichen und die natürlichen Ressourcen vollständig zu nutzen.
• ​Verwaltung des Energiespeichersystems:​​ Intelligente Verwaltung des Batterielade- und -entladevorgangs, Verhinderung von Überladung und -entladung, effektiver Schutz der Batterie und erhebliche Verbesserung der Ladeeffizienz und -dienstlebensdauer.
2. ​Systemhardwarearchitektur:​​

Das System besteht aus drei Hauptfunktionsmodulen, die durch eine zentrale Steuerung CPU koordiniert werden, um ein vollständiges intelligentes Steuerungssystem zu bilden.

​III. Kernsteuerungstechnologie: Intelligente Batteriemanagement​

1. ​Batteriewahl und Grundlagen:​​
• ​Typ:​​ Diese Lösung wählt wartungsfreie Blei-Säure-Batterien, die technologisch reif und kostengünstig sind und sich für kleine Wind-Solar-Hybridsysteme eignen.
• ​Funktionsprinzip:​​ Das Laden und Entladen der Batterie sind im Wesentlichen Prozesse, die elektrische Energie in chemische Energie und umgekehrt umwandeln. Aufgrund von Phänomenen wie Elektrodenpolarisation kann die Energieumwandlungseffizienz jedoch nicht 100% erreichen.
2. ​Steuerungsherausforderungen und Optimierungsstrategie:​​
• ​Nachteile der traditionellen Steuerung:​​ Klassische PID-Steuerungsmethoden verlassen sich stark auf ein genaues mathematisches Modell des gesteuerten Objekts (der Batterie). Die Batterie ist ein nichtlineares, zeitvariierendes System, dessen Parameter (Innenspannung, Elektrolytdichte usw.) dynamisch mit der Umgebungstemperatur und dem Nutzungszustand variieren, was es schwierig macht, ein präzises Modell zu erstellen. Dies führt zu Herausforderungen bei der Justierung der traditionellen PID-Parameter, schlechter Anpassungsfähigkeit und suboptimaler Steuerleistung.
• ​Angewandte fortschrittliche Steuerungsmethode:​​ Diese Lösung verwendet eine Fuzzy-PID-Kompositsteuerungsstrategie, die die Vorteile beider kombiniert:
• ​Vorteil der Fuzzy-Steuerung:​​ Erfordert kein exaktes mathematisches Modell des gesteuerten Objekts, kann ungenaue Eingabeinformationen verarbeiten, zeigt starke Anpassungsfähigkeit an Veränderungen der Batterieparameter und kann Expertenwissen integrieren.
• ​Vorteil der PID-Steuerung:​​ Kann hochpräzise, null-stationäre Fehlersteuerung erzielen, wenn die Systemabweichung klein ist.
• ​Arbeitsablauf des Reglers:​​ Das System überwacht ständig die Differenz e(t) zwischen der eingestellten Spannung der Batterie und ihrer tatsächlichen Spannung. Wenn die Abweichung e(t) groß ist, dominiert die Fuzzy-Steuerung für eine schnelle Reaktion. Wenn e(t) innerhalb eines bestimmten Bereichs abnimmt, wechselt es nahtlos zur PID-Steuerung für Feinjustierungen. Letztendlich wird das Ausgangssignal u(t) angepasst, um den Duty Cycle des MOSFETs zu steuern und eine dynamische Optimierung des Ladestroms zu erreichen.

​IV. Lösungszusammenfassung und Aussichten​

• ​Steuerungseffektivität:​​ Das in dieser Lösung entworfene Wind-Solar-Hybridkraftwerkssteuerungssystem erreicht erfolgreich eine optimale Batterielade-/Entladeverwaltung durch den komplementären intelligenten Fuzzy-PID-Steuerungsalgorithmus. Dies schützt die Batterie effektiv und verlängert ihre Dienstlebensdauer, verbessert außerdem die Erfassungseffizienz von Wind- und Solarenergie durch MPPT und steigert somit die Gesamtleistungseffizienz des gesamten Erzeugungssystems.
• ​Experimentelle Verifizierung:​​ Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Regler korrekt und machbar konzipiert ist, sicher und zuverlässig arbeitet und eine gute dynamische Antwortleistung und stationäre Genauigkeit aufweist.
• ​Anwendungsaussichten:​​ Diese integrierte Wind-Solar-Hybridkraftwerkslösung mit intelligenter Batteriemanagementtechnologie eignet sich besonders für Szenarien wie abgelegene Gebiete ohne Netzabdeckung, Inseln, Weiden und Kommunikationsbasisstationen. Sie bietet erhebliche wirtschaftliche und soziale Vorteile und hat breite Anwendungsaussichten.