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

چکیده

این پیشنهاد یک سیستم تولید انرژی هیبریدی باد-خورشید بر اساس فناوری کنترل پیشرفته را مطرح می‌کند که به منظور برطرف کردن نیازهای انرژی در مناطق دورافتاده و سناریوهای کاربردی خاص به صورت مؤثر و اقتصادی طراحی شده است. هسته اصلی سیستم یک سیستم کنترل هوشمند با مرکزیت میکروپروسسور ATmega16 است. این سیستم تعقیب نقطه قدرت ماکسیمم (MPPT) برای هر دو نوع انرژی باد و خورشید را انجام می‌دهد و الگوریتم بهینه‌ای را که ترکیبی از کنترل PID و فازی است، برای مدیریت دقیق و موثر شارژ/دشارژ عنصر کلیدی یعنی باتری به کار می‌برد. در نتیجه، به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد کارایی کلی تولید برق، عمر باتری را افزایش می‌دهد و مطمئنیت و اقتصادی بودن تأمین انرژی را تضمین می‌کند.

۱. زمینه و اهمیت پروژه

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

۲. طراحی کلی سیستم

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

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

۳. فناوری کنترل اصلی: مدیریت هوشمند باتری

1. انتخاب و مبانی باتری:
• نوع: این راه‌حل باتری‌های سربی بدون نگهداری را انتخاب می‌کند که فناوری آن‌ها پیشرفته و هزینه‌ای کم است و برای سیستم‌های هیبرید باد-خورشید مقیاس کوچک مناسب است.
• اصول کار: شارژ و دشارژ باتری عملاً فرآیندهای تبدیل انرژی الکتریکی به شیمیایی و برعکس هستند. اما 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 مدل ریاضی دقیق از شیء کنترل (باتری) متکی هستند. باتری یک سیستم غیرخطی و متغیر با زمان است که پارامترهای آن (مقاومت داخلی، چگالی الکترولیت و غیره) با دمای محیط و وضعیت استفاده به طور پویا تغییر می‌کنند و ایجاد یک مدل دقیق دشوار است. این منجر به چالش‌های تنظیم پارامترهای PID سنتی، عدم انطباق و عملکرد کنترلی نامطلوب می‌شود.
• استفاده از روش کنترل پیشرفته: این راه‌حل یک استراتژی کنترل ترکیبی فازی-PID را به کار می‌برد که مزایای هر دو را ترکیب می‌کند:
• مزیت کنترل فازی: نیازی به مدل ریاضی دقیق از شیء کنترل ندارد، می‌تواند اطلاعات ورودی نادقیق را مدیریت کند، انطباق قوی با تغییرات پارامترهای باتری دارد و می‌تواند دانش متخصص را در برگیرد.
• مزیت کنترل PID: می‌تواند کنترل با دقت بالا و خطای حالت ماندگار صفر را وقتی که انحراف سیستم کوچک است انجام دهد.
• فرآیند کار کنترل‌کننده: سیستم به طور مداوم تفاوت e(t) بین ولتاژ تنظیم شده باتری و ولتاژ واقعی آن را می‌اندازد. وقتی انحراف e(t) بزرگ است، کنترل فازی غالب است تا پاسخ سریعی داشته باشد. وقتی e(t) در محدوده معینی کاهش یابد، به طور هموار به کنترل PID برای تنظیم دقیق تغییر می‌کند. در نهایت، سیگنال خروجی u(t) تنظیم می‌شود تا دیوتی سیکل MOSFET را کنترل کند و بهینه‌سازی پویای جریان شارژ را انجام دهد.

۴. خلاصه راه‌حل و چشم‌انداز

• کارایی کنترل: سیستم کنترل تولید برق هیبرید باد-خورشید طراحی شده در این راه‌حل با استفاده از الگوریتم کنترل فازی-PID ترکیبی هوشمند، مدیریت بهینه شارژ/دشارژ باتری را موفقیت‌آمیز انجام می‌دهد. این نه تنها باتری را به طور مؤثر محافظت می‌کند و طول عمر آن را افزایش می‌دهد بلکه با MPPT کارایی جمع‌آوری انرژی باد و خورشید را افزایش می‌دهد و در نتیجه کارایی کلی سیستم تولید برق را بهبود می‌بخشد.
• اعتبارسنجی تجربی: نتایج تجربی نشان می‌دهند که طراحی کنترل‌کننده صحیح و قابل اجرا است، به طور ایمن و مطمئن عمل می‌کند و عملکرد پاسخ دینامیکی خوب و دقت حالت ماندگار را نشان می‌دهد.
• چشم‌انداز کاربرد: این راه‌حل تولید برق هیبرید باد-خورشید یکپارچه با فناوری مدیریت هوشمند باتری به ویژه برای سناریوها مانند مناطق دورافتاده بدون پوشش شبکه، جزایر، مراتع و ایستگاه‌های ارتباطی مناسب است. این راه‌حل مزایای اقتصادی و اجتماعی قابل توجهی دارد و چشم‌انداز کاربردی گسترده‌ای دارد.