Inteligentni hibridni sustav vjetar-sunčevo s fuzzy-PID upravljanjem za poboljšano upravljanje baterijama i MPPT

Sažetak

Ova propozicija predstavlja hibridni sustav proizvodnje struje na osnovu vjetra i sunca temeljen na naprednoj tehnologiji upravljanja, s ciljem učinkovitog i ekonomičnog rješavanja potreba za energijom u udaljenim područjima i posebnim primjenama. Srce sustava leži u inteligentnom sustavu upravljanja s fokusom na mikroprocesor ATmega16. Taj sustav obavlja praćenje točke maksimalne snage (MPPT) za vjetar i sunčevo zračenje te koristi optimizirani algoritam kombiniran PID i neizrazito upravljanje za precizno i učinkovito upravljanje punjenjem/ispustanjem ključne komponente - baterije. Time se značajno povećava ukupna učinkovitost proizvodnje energije, produžuje životni vijek baterije i osigurava pouzdanost i ekonomičnost opskrbe strujom.

I. Pozadina projekta i značaj

1. Energetski kontekst: Globalno, tradicionalni fosilni goriva sve više se iscrpljuju, stvarajući ozbiljne izazove energetskoj sigurnosti i održivom razvoju. Intenzivno razvijanje i korištenje čistih, obnovljivih novih izvora energije poput vjetra i sunca postalo je strategijski prioritet u rješavanju trenutnih energetskih i okolišnih problema.
2. Vrijednost sustava: Hibridni sustav vjetar-sunce u potpunosti iskorištava prirodne komplementarne karakteristike vjetra i sunčeve energije u smislu vremena i geografije (npr., jako sunčano svjetlo tijekom dana, potencijalno jači vjetar noću), premažući intermitenciju jednosmjernog proizvodnje energije. To je strukturno racionalno, niskokosto rješenje neovisne opskrbe strujom, koje učinkovito rješava probleme opskrbe energijom za objekte poput stanovanja, baznih stanica za komunikacije i meteoroloških nadzornih stanica u neelektrificiranim ili slabo elektrificiranim udaljenim područjima.
3. Značaj ključnih komponenti: Baterija, koja služi kao spremnik energije sustava, ključna je za osiguravanje neprekidne opskrbe strujom opterećenja tijekom razdoblja bez vjetra ili sunca. Njezina je cijena značajan dio cijelog sustava proizvodnje energije. Stoga, poboljšanje učinkovitosti punjenja baterije i optimizacija njihovih strategija punjenja/ispustanja za produženje njenog vijeka trajanja ključno je za smanjenje troškova životnog vijeka sustava i poboljšanje operativne pouzdanosti.

II. Opće dizajnersko rješenje sustava

1. Ključni ciljevi sustava:
• Optimizacija hvatanja energije: Obavljajte optimalnu kontrolu za maksimalnu učinkovitost na struju generiranu vjetroturbinom i fotovoltačnim panelima, ostvarujući praćenje točke maksimalne snage (MPPT) kako bi se u potpunosti iskoristili prirodni resursi.
• Upravljanje sustavom skladistišta energije: Inteligentno upravljajte procesom punjenja i ispustanja baterije, sprečavajući pretjerano punjenje i ispustanje, učinkovito štiti bateriju i značajno poboljšava njezinu učinkovitost punjenja i vijek trajanja.
2. Hardverska arhitektura sustava:

Sustav se sastoji od tri glavna funkcionalna modula, koordinirana središnjim CPU-om za upravljanjem, formirajući kompletni inteligentni sustav upravljanja.

III. Ključna kontrolna tehnologija: Inteligentno upravljanje baterijama

1. Odabir i osnove baterija:
• Tip: Ovo rješenje odabire bezodržive olovne baterije, koje su tehnološki zrele i niske cijene, prikladne za male hibridne sustave vjetra i sunca.
• Način rada: Punjenje i ispustanje baterije su u suštini procesi pretvorbe električne energije u kemijsku energiju i obrnuto. Međutim, zbog pojava poput polarnosti elektroda, učinkovitost pretvorbe energije ne može doseći 100%.
2. Izazovi u upravljanju i strategija optimizacije:
• Nedostaci tradicionalnog upravljanja: Klasične metode upravljanja PID-om teško se oslanjaju na točan matematički model kontroliranog objekta (baterije). Baterija je nelinearan, vremenski promjenjivi sustav čiji parametri (unutrašnji otpor, gustoća elektrolita itd.) dinamički se mijenjaju s temperaturom okoliša i stanjem korištenja, što čini teškim postavljanje točnog modela. To dovodi do izazova u podešavanju tradicionalnih PID parametara, loše prilagodljivosti i podoptimalne performanse upravljanja.
• Adoptirana napredna metoda upravljanja: Ovo rješenje koristi složenu strategiju Fuzzy-PID upravljanja, kombinirajući prednosti obje:
• Prednost neizrazitog upravljanja: Ne zahtijeva točan matematički model kontroliranog objekta, može obrađivati neprecizne ulazne informacije, pokazuje snažnu prilagodljivost promjenama parametara baterije i može inkorporirati znanje stručnjaka.
• Prednost PID upravljanja: Može postići visoku preciznost, nultu pogrešku u stanju stabilnosti kada je odstupanje sustava malo.
• Tijek rada kontrolera: Sustav kontinuirano nadgleda razliku e(t) između postavljene i stvarne napetosti baterije. Kada je odstupanje e(t) veliko, dominira neizrazito upravljanje za brzu reakciju. Kada e(t) smanji unutar određenog raspona, gladko se prelazi na PID upravljanje za fino podešavanje. Na kraju, izlazni signal u(t) se prilagođava za kontrolu faktora ciklusa snage MOSFET-a, postizajući dinamičku optimizaciju struje punjenja.

IV. Sažetak rješenja i perspektive

• Učinkovitost upravljanja: Kontrolni sustav hibridne proizvodnje struje na osnovi vjetra i sunca dizajniran u ovom rješenju uspješno postiže optimalno upravljanje punjenjem/ispustanjem baterije putem komplementarnog inteligentnog Fuzzy-PID algoritma upravljanja. Time se ne samo učinkovito štiti baterija i produžuje njen vijek trajanja, već se također povećava učinkovitost hvatanja vjetra i sunčeve energije putem MPPT, čime se poboljšava ukupna učinkovitost cijelog sustava proizvodnje energije.
• Eksperimentalna verifikacija: Eksperimentalni rezultati pokazuju da je kontroler točno i fezibilno dizajniran, radi sigurno i pouzdano, te pokazuje dobru dinamičku performansu i točnost u stanju stabilnosti.
• Perspektive primjene: Ovo integrirano rješenje hibridne proizvodnje struje na osnovi vjetra i sunca s tehnologijom inteligentnog upravljanja baterijama posebno je prikladno za scenarije poput udaljenih područja bez pokrivenosti mreže, otoka, pašnjaka i baznih stanica za komunikacije. Nudi značajne ekonomske i društvene prednosti i ima široke mogućnosti primjene.