एक इंटेलिजेंट वायु-सौर हाइब्रिड सिस्टम फजी-पीआईडी नियंत्रण के साथ बैटरी प्रबंधन और एमपीपीटी में सुधार के लिए

सारांश

यह प्रस्ताव उन्नत नियंत्रण प्रौद्योगिकी आधारित एक वायु-सौर संयुक्त विद्युत उत्पादन प्रणाली का प्रस्ताव करता है, जिसका उद्देश्य दूरस्थ क्षेत्रों और विशेष अनुप्रयोगों के बिजली की आवश्यकताओं को कुशल और आर्थिक रूप से पूरा करना है। प्रणाली का मुख्य भाग एक ATmega16 माइक्रोप्रोसेसर केंद्रित एक बुद्धिमत्ता नियंत्रण प्रणाली है। यह प्रणाली वायु और सौर ऊर्जा दोनों के लिए अधिकतम शक्ति बिंदु प्रतिक्षेप (MPPT) का निर्वाह करती है और PID और फजी नियंत्रण के संयोजित एक अनुकूलित एल्गोरिथ्म का उपयोग करके बैटरी के लिए टीके और कुशल चार्जिंग/डिस्चार्जिंग प्रबंधन करती है। इसके परिणामस्वरूप, यह समग्र विद्युत उत्पादन की दक्षता में महत्वपूर्ण रूप से वृद्धि करती है, बैटरी की लंबाई बढ़ाती है और बिजली की आपूर्ति की विश्वसनीयता और लागत-अभिकृतता को सुनिश्चित करती है।

I. परियोजना का पृष्ठभूमि और महत्व

1. ऊर्जा का संदर्भ: विश्व स्तर पर, पारंपरिक ईंधन के आपूर्ति ग्रंथियाँ तेजी से खत्म हो रही हैं, जो ऊर्जा सुरक्षा और टिकाऊ विकास के लिए गंभीर चुनौतियाँ उत्पन्न कर रही हैं। वायु और सौर ऊर्जा जैसे शुद्ध, नवीकरणीय नए ऊर्जा स्रोतों का विकास और उपयोग करना वर्तमान ऊर्जा और पर्यावरण समस्याओं को हल करने के लिए एक रणनीतिक प्राथमिकता बन गई है।
2. प्रणाली का मूल्य: वायु-सौर संयुक्त प्रणाली वायु और सौर ऊर्जा की प्राकृतिक पूरक विशेषताओं (जैसे, दिन के दौरान मजबूत सूर्य की रोशनी, रात के दौरान शक्तिशाली हवाएं) का पूरा लाभ उठाती है, और एकल स्रोत विद्युत उत्पादन की अनियमितता को दूर करती है। यह एक संरचनात्मक रूप से तर्कसंगत, कम संचालन लागत वाला स्वतंत्र विद्युत आपूर्ति समाधान है, जो अनेलेक्ट्रिफाइड या कम विद्युतीकृत दूरस्थ क्षेत्रों में आवासीय जीवन, संचार बेस स्टेशन, और मौसम निगरानी स्टेशन जैसी सुविधाओं के लिए ऊर्जा आपूर्ति समस्याओं को प्रभावी रूप से हल करता है।
3. मुख्य घटकों का महत्व: बैटरी, प्रणाली का ऊर्जा संचय इकाई के रूप में कार्य करती है, जो वायु या सूर्य की रोशनी के अभाव में लोड को निरंतर विद्युत आपूर्ति सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है। इसकी लागत पूरे विद्युत उत्पादन प्रणाली के एक महत्वपूर्ण हिस्से का निर्माण करती है। इसलिए, बैटरी चार्जिंग दक्षता में सुधार और इसके चार्जिंग/डिस्चार्जिंग रणनीतियों का अनुकूलन करके इसकी सेवा अवधि को बढ़ाना प्रणाली की जीवन चक्र लागत को कम करने और संचालन विश्वसनीयता में सुधार करने के लिए आवश्यक है।

II. समग्र प्रणाली डिजाइन

1. प्रणाली के मुख्य उद्देश्य:
• ऊर्जा पकड़ अनुकूलन: वायु टर्बाइन और फोटोवोल्टेलिक पैनल द्वारा उत्पन्न विद्युत पर अधिकतम दक्षता के लिए ऑप्टिमल नियंत्रण करें, अधिकतम शक्ति बिंदु प्रतिक्षेप (MPPT) को प्राप्त करके प्राकृतिक संसाधनों का पूरा लाभ उठाएं।
• ऊर्जा संचय प्रणाली प्रबंधन: बैटरी के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया को बुद्धिमत्ता से प्रबंधित करें, ओवरचार्जिंग और ओवरडिस्चार्जिंग से बचें, बैटरी की प्रभावी रक्षा करें, और इसकी चार्जिंग दक्षता और सेवा अवधि में महत्वपूर्ण सुधार करें।
2. प्रणाली की हार्डवेयर आर्किटेक्चर:

प्रणाली तीन मुख्य कार्यात्मक मॉड्यूलों से गठित है, जो केंद्रीय नियंत्रण CPU द्वारा समन्वित होकर एक पूर्ण बुद्धिमत्ता नियंत्रण प्रणाली बनाते हैं।

III. मुख्य नियंत्रण प्रौद्योगिकी: बुद्धिमत्ता बैटरी प्रबंधन

1. बैटरी का चयन और बुनियादी सिद्धांत:
• प्रकार: यह समाधान निर्देशन रहित लेड-एसिड बैटरी का चयन करता है, जो प्रौद्योगिकी रूप से परिपक्व और कम लागत वाली है, छोटे स्तर की वायु-सौर संयुक्त प्रणालियों के लिए उपयुक्त है।
• कार्य सिद्धांत: बैटरी चार्जिंग और डिस्चार्जिंग मूल रूप से विद्युत ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में और इसके विपरीत रूपांतरित करने की प्रक्रियाएं हैं। हालांकि, इलेक्ट्रोड विधुतांतरण जैसी घटनाओं के कारण, ऊर्जा रूपांतरण दक्षता 100% तक नहीं पहुंच सकती है।
2. नियंत्रण की चुनौतियाँ और अनुकूलन रणनीति:
• पारंपरिक नियंत्रण की कमजोरियाँ: क्लासिक PID नियंत्रण विधियाँ नियंत्रित वस्तु (बैटरी) के एक सटीक गणितीय मॉडल पर भारी रूप से निर्भर करती हैं। बैटरी एक गैर-रैखिक, समय-परिवर्ती प्रणाली है जिसके पैरामीटर (आंतरिक प्रतिरोध, विद्युत तरल की घनत्व, आदि) पर्यावरणीय तापमान और उपयोग की स्थिति के साथ गतिशील रूप से बदलते हैं, जिससे एक सटीक मॉडल बनाना कठिन हो जाता है। इससे पारंपरिक PID पैरामीटरों को ट्यून करने में चुनौतियाँ, कम अनुकूलन और गैर-इष्टतम नियंत्रण प्रदर्शन उत्पन्न होता है।
• अपनाया गया उन्नत नियंत्रण विधि: यह समाधान फजी-PID संयुक्त नियंत्रण रणनीति का उपयोग करता है, जो दोनों के फायदों को संयोजित करता है:
• फजी नियंत्रण का फायदा: नियंत्रित वस्तु के एक सटीक गणितीय मॉडल की आवश्यकता नहीं होती, अस्पष्ट इनपुट जानकारी से निपट सकता है, बैटरी पैरामीटरों में बदलाव के लिए मजबूत अनुकूलन प्रदर्शित करता है, और विशेषज्ञ ज्ञान को शामिल कर सकता है।
• PID नियंत्रण का फायदा: जब प्रणाली का विचलन छोटा होता है, तो उच्च-दर्जा की नियंत्रण, शून्य स्थिर-राज्य त्रुटि नियंत्रण प्राप्त कर सकता है।
• नियंत्रक का कार्यप्रक्रिया: प्रणाली लगातार बैटरी के निर्धारित वोल्टेज और वास्तविक वोल्टेज के बीच के अंतर e(t) की निगरानी करती है। जब विचलन e(t) बड़ा होता है, तो फजी नियंत्रण तेजी से प्रतिक्रिया के लिए नियंत्रण ग्रहण करता है। जब e(t) एक निश्चित सीमा के भीतर घटता है, तो यह नियमित रूप से PID नियंत्रण में स्थिर रूप से स्विच हो जाता है और फाइन-ट्यूनिंग करता है। अंततः, आउटपुट सिग्नल u(t) को समायोजित किया जाता है जिससे MOSFET का ड्यूटी साइकल नियंत्रित होता है, चार्जिंग करंट का गतिशील अनुकूलन प्राप्त होता है।

IV. समाधान का सारांश और संभावनाएं

• नियंत्रण की प्रभावशीलता: इस समाधान में डिजाइन की गई वायु-सौर संयुक्त विद्युत उत्पादन नियंत्रण प्रणाली बैटरी के चार्जिंग/डिस्चार्जिंग प्रबंधन को फजी-PID नियंत्रण एल्गोरिथ्म के माध्यम से अनुकूलित रूप से प्राप्त करती है। यह न केवल बैटरी की प्रभावी रक्षा और इसकी सेवा अवधि को बढ़ाती है, बल्कि MPPT के माध्यम से वायु और सौर ऊर्जा की पकड़ दक्षता को भी बढ़ाती है, जिससे पूरे विद्युत उत्पादन प्रणाली की समग्र दक्षता में सुधार होता है।
• प्रयोगात्मक सत्यापन: प्रयोगात्मक परिणाम दर्शाते हैं कि नियंत्रक सही और व्यावहारिक रूप से डिजाइन किया गया है, सुरक्षित और विश्वसनीय रूप से काम करता है, और अच्छा गतिशील प्रतिक्रिया प्रदर्शन और स्थिर-राज्य सटीकता प्रदर्शित करता है।
• अनुप्रयोग की संभावनाएं: यह बुद्धिमत्ता बैटरी प्रबंधन प्रौद्योगिकी से लैस वायु-सौर संयुक्त विद्युत उत्पादन समाधान विशेष रूप से ग्रिड कवरेज के बिना दूरस्थ क्षेत्रों, द्वीप, चारागाह, और संचार बेस स्टेशन जैसी स्थितियों के लिए उपयुक्त है। यह महत्वपूर्ण आर्थिक और सामाजिक लाभ प्रदान करता है और व्यापक अनुप्रयोग की संभावनाएं हैं।