Un Sistema Híbrido Eólico-Solar Intelixente con Control Fuzzy-PID para un Manejo Melorado da Batería e MPPT

Resumo​

Esta proposta presenta un sistema de xeración híbrida eólica-fotovoltaica baseado en tecnoloxía de control avanzada, co obxectivo de abordar de xeito eficiente e económico as necesidades enerxéticas de zonas remotas e escenarios de aplicación especiais. O núcleo do sistema reside nun sistema de control inteligente centrado nun microprocesador ATmega16. Este sistema realiza o seguimento do punto de máxima potencia (MPPT) tanto para a enerxía eólica como para a fotovoltaica e emprega un algoritmo optimizado que combina o control PID e o difuso para unha xestión precisa e eficiente da carga/descarga do compoñente clave, a batería. Como resultado, melórase significativamente a eficiencia global de xeración de enerxía, prolongase a vida útil da batería e asegúrase a fiabilidade e a rentabilidade do suministro eléctrico.

​I. Antecedentes e Significado do Proxecto​

1. ​Contexto Enerxético:​​ A nivel global, os combustibles fósiles tradicionais están cada vez máis agotados, lo que supón un desafío grave para a seguridade enerxética e o desenvolvemento sostenible. Desenvolver e utilizar activamente novas fontes de enerxía limpias e renovables, como a eólica e a solar, converteuse nunha prioridade estratégica para resolver os actuais problemas enerxéticos e ambientais.
2. ​Valor do Sistema:​​ O sistema híbrido eólico-solar aproveita plenamente as características complementarias naturais da enerxía eólica e solar en termos de tempo e xeografía (por exemplo, luz solar forte durante o día, posiblemente vientos máis fortes pola noite), superando a intermitencia da xeración de enerxía dunha única fonte. É unha solución de suministro de enerxía autónoma con unha estructura racional e baixos custos de operación, que resolve eficazmente os problemas de abastecemento enerxético para instalacións como vivendas, estacións de comunicación e estacións de monitorización meteorolóxica en zonas remotas non electrificadas ou débilmente electrificadas.
3. ​Importancia dos Compoñentes Clave:​​ A batería, que actúa como unidade de almacenamento de enerxía do sistema, é crucial para garantir un suministro continuo de enerxía á carga durante períodos sen vento ou sol. O seu custo representa unha parte significativa de todo o sistema de xeración de enerxía. Polo tanto, mellorar a eficiencia da carga da batería e optimizar as estratexias de carga/descarga para alargar a súa vida útil son vitais para reducir o custo do ciclo de vida do sistema e aumentar a fiabilidade operativa.

​II. Diseño Xeral do Sistema​

1. ​Obxectivos Principais do Sistema:​​
• ​Optimización da Captura de Enerxía:​​ Realizar un control óptimo para maximizar a eficiencia da electricidade xerada polo aerxenerador e os paneles fotovoltaicos, logrando o seguimento do punto de máxima potencia (MPPT) para aproveitar ao máximo os recursos naturais.
• ​Xestión do Sistema de Almacenamento de Enerxía:​​ Xestionar de forma intelixente o proceso de carga e descarga da batería, evitando a sobrecarga e a descarga excesiva, protexendo eficazmente a batería e mellorando significativamente a súa eficiencia de carga e a súa vida útil.
2. ​Arquitectura de Hardware do Sistema:​​

O sistema consta de tres módulos funcionais principais, coordinados por un CPU de control central para formar un sistema de control intelixente completo.

​III. Tecnoloxía de Control Central: Xestión Intelixente da Batería​

1. ​Selección e Bases da Batería:​​
• ​Tipo:​​ Esta solución selecciona baterías de chumbo-ácido libres de manutención, que son tecnicamente maduras e de baixo custo, adecuadas para sistemas híbridos eólico-solares de pequena escala.
• ​Principio de Funcionamento:​​ A carga y descarga da batería son esencialmente procesos de conversión de enerxía eléctrica a química e viceversa. No entanto, debido a fenómenos como a polarización do electrodo, a eficiencia de conversión de enerxía non pode alcanzar o 100%.
2. ​Desafíos de Control e Estratexia de Optimización:​​
• ​Inconvenientes do Control Tradicional:​​ Os métodos de control PID clásicos dependen fortemente dun modelo matemático preciso do obxecto controlado (a batería). A batería é un sistema non lineal e variante no tempo, cuxos parámetros (resistencia interna, densidade do electrolito, etc.) cambian dinamicamente coa temperatura ambiental e o estado de uso, dificultando a establecemento dun modelo preciso. Isto leva a desafíos na sintonización dos parámetros PID tradicionais, pobre adaptabilidade e rendemento de control subóptimo.
• ​Método de Control Avanzado Adoptado:​​ Esta solución emprega unha estratexia de control composto Fuzzy-PID, combinando as vantaxes de ambos:
• ​Vantaxe do Control Difuso:​​ Non require un modelo matemático exacto do obxecto controlado, pode manejar información de entrada imprecisa, ten unha forte adaptabilidade aos cambios nos parámetros da batería e pode incorporar coñecementos expertos.
• ​Vantaxe do Control PID:​​ Pode lograr un control de alta precisión, con erro estático nulo, cando a desviación do sistema é pequena.
• ​Fluxo de Traballo do Controlador:​​ O sistema monitoriza continuamente a diferenza e(t) entre a tensión fixada da batería e a súa tensión real. Cando a desviación e(t) é grande, o control difuso domina para unha resposta rápida. Cando e(t) disminúe dentro dun certo rango, transiciónase suavemente ao control PID para un afinamento. Finalmente, o sinal de saída u(t) axusta para controlar o ciclo de traballo do MOSFET, logrando unha optimización dinámica da corrente de carga.

​IV. Resumo da Solución e Perspectivas​

• ​Eficacia do Control:​​ O sistema de control de xeración híbrida eólico-solar deseñado nesta solución logra unha xestión óptima da carga/descarga da batería a través do algoritmo de control inteligente Fuzzy-PID complementario. Isto non só protece eficazmente a batería e prolonga a súa vida útil, senón que tamén mellora a eficiencia de captura da enerxía eólica e solar a través do MPPT, mellorando así a eficiencia global do sistema de xeración de enerxía.
• ​Verificación Experimental:​​ Os resultados experimentais mostran que o controlador está deseñado correctamente e de xeito factible, opera de xeito seguro e fiable, e exhibe un bom rendemento de resposta dinámica e precisión en estado estable.
• ​Perspectivas de Aplicación:​​ Esta solución integrada de xeración híbrida eólico-solar con tecnoloxía de xestión intelixente da batería é particularmente adecuada para escenarios como zonas remotas sen cobertura de rede, illas, pastizales e estacións de comunicación. Ofrece beneficios económicos e sociais significativos e ten amplias perspectivas de aplicación.