سیستم هیبریدی هوشمند باد-آفتاب با کنترل فازی-PID برای مدیریت بهبود یافته باتری و MPPT

چکیده​

این پیشنهاد یک سیستم تولید انرژی هیبریدی باد-آفتاب مبتنی بر فناوری کنترل پیشرفته را ارائه می‌دهد که به منظور پاسخگویی به نیازهای انرژی در مناطق دورافتاده و سناریوهای کاربردی خاص، به طور موثر و اقتصادی عمل می‌کند. هسته سیستم در یک سیستم کنترل هوشمند متمرکز بر میکروپروسسور ATmega16 قرار دارد. این سیستم تعقیب نقطه قدرت ماکسیمم (MPPT) برای هر دو نوع انرژی باد و آفتاب انجام می‌دهد و از الگوریتم بهینه‌سازی ترکیبی PID و کنترل فازی برای مدیریت دقیق و کارآمد شارژ/دشارژ مؤلفه کلیدی - باتری - استفاده می‌کند. بنابراین، این سیستم به طور قابل توجهی کارایی کلی تولید انرژی را افزایش می‌دهد، عمر باتری را افزایش می‌دهد و مطمئنیت و اقتصادی بودن تأمین انرژی را تضمین می‌کند.

​۱. زمینه پروژه و اهمیت آن​

1. ​زمینه انرژی:​​ در سطح جهانی، سوخت‌های فسیلی سنتی به طور فزاینده‌ای کاهش می‌یابند که چالش‌های جدی برای امنیت انرژی و توسعه پایدار ایجاد می‌کند. توسعه و استفاده فعال از منابع انرژی تمیز و تجدیدپذیر مانند باد و آفتاب به عنوان اولویت استراتژیک برای حل مشکلات انرژی و محیطی فعلی درآمده است.
2. ​ارزش سیستم:​​ سیستم هیبریدی باد-آفتاب به طور کامل از ویژگی‌های مکمل طبیعی انرژی باد و آفتاب در زمان و مکان (مثلاً نور قوی در روز و باد قوی در شب) استفاده می‌کند و با این کار می‌تواند متغیر بودن تولید انرژی از یک منبع واحد را غلبه کند. این یک راه‌حل تأمین انرژی مستقل با ساختار منطقی و هزینه عملیاتی کم است که به طور موثر مشکلات تأمین انرژی برای تأسیساتی مانند زندگی مسکونی، ایستگاه‌های ارتباطی و ایستگاه‌های پیش‌بینی هواشناسی در مناطق بدون برق یا با برق ضعیف را حل می‌کند.
3. ​اهمیت مؤلفه‌های کلیدی:​​ باتری به عنوان واحد ذخیره‌سازی انرژی سیستم، برای تأمین پیوسته انرژی به بار در دوره‌هایی که باد یا آفتاب وجود ندارد، حیاتی است. هزینه آن بخش قابل توجهی از کل سیستم تولید انرژی را تشکیل می‌دهد. بنابراین، بهبود کارایی شارژ باتری و بهینه‌سازی استراتژی‌های شارژ/دشارژ آن برای افزایش طول عمر آن برای کاهش هزینه‌های چرخه عمر سیستم و افزایش قابلیت اعتماد عملیاتی بسیار مهم است.

​۲. طراحی کلی سیستم​

1. ​اهداف کلی سیستم:​​
• ​بهینه‌سازی جذب انرژی:​​ کنترل بهینه برای کارایی ماکسیمم روی برق تولید شده توسط توربین بادی و پانل‌های فتوولتائیک انجام می‌شود و تعقیب نقطه قدرت ماکسیمم (MPPT) انجام می‌شود تا منابع طبیعی به طور کامل استفاده شوند.
• ​مدیریت سیستم ذخیره‌سازی انرژی:​​ فرآیند شارژ و دشارژ باتری به صورت هوشمند مدیریت می‌شود، از شارژ و دشارژ بیش از حد جلوگیری می‌شود، باتری به طور موثر محافظت می‌شود و کارایی شارژ و طول عمر آن به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.
2. ​معماری سخت‌افزاری سیستم:​​

سیستم از سه ماژول عملکردی اصلی تشکیل شده است که توسط یک CPU کنترل مرکزی هماهنگ شده و یک سیستم کنترل هوشمند کامل را تشکیل می‌دهند.

​۳. فناوری کنترل کلیدی: مدیریت هوشمند باتری​

1. ​انتخاب و مبانی باتری:​​
• ​نوع:​​ این راه‌حل از باتری‌های سربی بدون نگهداری استفاده می‌کند که فناوری آن‌ها پیشرفته و کم‌هزینه است و برای سیستم‌های هیبریدی باد-آفتاب در مقیاس کوچک مناسب است.
• ​اصل کار:​​ شارژ و دشارژ باتری به طور اساسی فرآیند تبدیل انرژی الکتریکی به شیمیایی و بالعکس است. با این حال، به دلیل پدیده‌هایی مانند قطبی‌سازی الکترود، کارایی تبدیل انرژی نمی‌تواند به ۱۰۰٪ برسد.
2. ​چالش‌های کنترل و استراتژی بهینه‌سازی:​​
• ​نقایص کنترل سنتی:​​ روش‌های کنترل PID کلاسیک به طور قابل توجهی به یک مدل ریاضی دقیق از شیء کنترل (باتری) وابسته هستند. باتری یک سیستم غیرخطی و متغیر با زمان است که پارامترهای آن (مقاومت داخلی، چگالی الکترولیت و غیره) به طور پویا با دمای محیط و وضعیت استفاده تغییر می‌کنند و ایجاد یک مدل دقیق دشوار است. این منجر به چالش‌های تنظیم پارامترهای PID سنتی، تطبیق‌پذیری ضعیف و عملکرد کنترلی زیر بهینه می‌شود.
• ​روش کنترل پیشرفته مورد استفاده:​​ این راه‌حل از استراتژی کنترل ترکیبی Fuzzy-PID استفاده می‌کند که مزایای هر دو را ترکیب می‌کند:
• ​مزیت کنترل فازی:​​ نیاز به یک مدل ریاضی دقیق از شیء کنترل ندارد، می‌تواند اطلاعات ورودی نادقیق را مدیریت کند، تطبیق‌پذیری قوی با تغییرات پارامترهای باتری دارد و می‌تواند دانش متخصص را در خود جای دهد.
• ​مزیت کنترل PID:​​ می‌تواند کنترل با دقت بالا و خطای ثابت صفر را وقتی که انحراف سیستم کوچک است، انجام دهد.
• ​فرآیند کار کنترل‌کننده:​​ سیستم به طور مداوم اختلاف e(t) بین ولتاژ تنظیم شده باتری و ولتاژ واقعی آن را مانیتور می‌کند. وقتی که انحراف e(t) زیاد است، کنترل فازی برای واکنش سریع غالب است. وقتی e(t) در یک محدوده خاص کاهش می‌یابد، به صورت هموار به کنترل PID برای تنظیم دقیق تغییر می‌کند. در نهایت، سیگنال خروجی u(t) تنظیم می‌شود تا دامنه وظیفه MOSFET را کنترل کند و بهینه‌سازی دینامیکی جریان شارژ را انجام دهد.

​۴. خلاصه راه‌حل و آینده​

• ​کارایی کنترل:​​ سیستم کنترل تولید انرژی هیبریدی باد-آفتاب طراحی شده در این راه‌حل با استفاده از الگوریتم کنترل هوشمند ترکیبی Fuzzy-PID، مدیریت بهینه شارژ/دشارژ باتری را با موفقیت انجام می‌دهد. این نه تنها باتری را به طور موثر محافظت می‌کند و طول عمر آن را افزایش می‌دهد، بلکه با MPPT کارایی جذب انرژی باد و آفتاب را نیز افزایش می‌دهد و بنابراین کارایی کلی سیستم تولید انرژی را بهبود می‌بخشد.
• ​اعتبارسنجی تجربی:​​ نتایج تجربی نشان می‌دهد که کنترل‌کننده به درستی و به صورت امکان‌پذیر طراحی شده است، به طور ایمن و قابل اعتماد عمل می‌کند و عملکرد پاسخ دینامیکی خوب و دقت حالت ماندگار را دارد.
• ​آینده کاربردی:​​ این راه‌حل تولید انرژی هیبریدی باد-آفتاب یکپارچه با فناوری مدیریت هوشمند باتری برای سناریوها مانند مناطق دورافتاده بدون پوشش شبکه، جزایر، مرتع‌ها و ایستگاه‌های ارتباطی بسیار مناسب است. این راه‌حل مزایای اقتصادی و اجتماعی قابل توجهی دارد و آینده کاربردی گسترده‌ای دارد.