Sistem Hibrid Angin-Surya Cerdas dengan Kontrol Fuzzy-PID untuk Manajemen Baterai yang Ditingkatkan dan MPPT

Abstrak​

Proposal ini mempresentasikan sistem pembangkit listrik hibrid angin-matahari berbasis teknologi kontrol canggih, bertujuan untuk secara efisien dan ekonomis mengatasi kebutuhan energi di daerah terpencil dan skenario aplikasi khusus. Inti dari sistem ini terletak pada sistem kontrol cerdas yang berpusat pada mikroprosesor ATmega16. Sistem ini melakukan Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT) untuk energi angin dan matahari, serta menggunakan algoritma yang dioptimalkan dengan kombinasi PID dan kontrol fuzzy untuk manajemen pengisian/pengosongan baterai yang tepat dan efisien. Dengan demikian, hal ini secara signifikan meningkatkan efisiensi pembangkitan listrik secara keseluruhan, memperpanjang umur baterai, dan menjamin keandalan pasokan listrik serta efisiensi biaya.

​I. Latar Belakang dan Kepentingan Proyek​

1. ​Konteks Energi:​​ Secara global, sumber daya fosil tradisional semakin terkuras, menimbulkan tantangan serius bagi keamanan energi dan pembangunan berkelanjutan. Mengembangkan dan memanfaatkan sumber energi baru yang bersih dan dapat diperbaharui seperti angin dan matahari telah menjadi prioritas strategis untuk menyelesaikan masalah energi dan lingkungan saat ini.
2. ​Nilai Sistem:​​ Sistem hibrid angin-matahari sepenuhnya memanfaatkan karakteristik komplementer alami energi angin dan matahari dalam hal waktu dan geografi (misalnya, sinar matahari yang kuat siang hari, potensi angin yang lebih kuat di malam hari), mengatasi intermitensi pembangkitan listrik dari sumber tunggal. Ini adalah solusi pasokan listrik independen yang strukturnya rasional, dengan biaya operasional rendah, yang secara efektif menyelesaikan masalah pasokan energi untuk fasilitas seperti hunian, stasiun pangkalan komunikasi, dan stasiun pemantauan meteorologi di daerah terpencil yang tidak atau kurang memiliki listrik.
3. ​Kepentingan Komponen Inti:​​ Baterai, sebagai unit penyimpanan energi sistem, sangat penting untuk memastikan pasokan listrik yang terus menerus ke beban selama periode tanpa angin atau matahari. Biayanya merupakan bagian signifikan dari seluruh sistem pembangkit listrik. Oleh karena itu, meningkatkan efisiensi pengisian baterai dan mengoptimalkan strategi pengisian/pengosongan untuk memperpanjang umur layanan sangat penting untuk mengurangi biaya siklus hidup sistem dan meningkatkan keandalan operasional.

​II. Desain Sistem Keseluruhan​

1. ​Tujuan Inti Sistem:​​
• ​Optimasi Penangkapan Energi:​​ Melakukan kontrol optimal untuk efisiensi maksimum pada listrik yang dihasilkan oleh turbin angin dan panel fotovoltaik, mencapai Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT) untuk memanfaatkan sumber daya alam secara penuh.
• ​Manajemen Sistem Penyimpanan Energi:​​ Mengelola proses pengisian dan pengosongan baterai secara cerdas, mencegah overcharging dan over-discharging, melindungi baterai secara efektif, dan secara signifikan meningkatkan efisiensi pengisian dan umur layanan baterai.
2. ​Arsitektur Perangkat Keras Sistem:​​

Sistem terdiri dari tiga modul fungsional utama, yang dikoordinasikan oleh CPU kontrol pusat untuk membentuk sistem kontrol cerdas yang lengkap.

​III. Teknologi Kontrol Inti: Manajemen Baterai Cerdas​

1. ​Pemilihan dan Dasar Baterai:​​
• ​Jenis:​​ Solusi ini memilih baterai timbal-asam bebas perawatan, yang sudah matang secara teknologi dan murah, cocok untuk sistem hibrid angin-matahari skala kecil.
• ​Prinsip Kerja:​​ Pengisian dan pengosongan baterai pada dasarnya adalah proses konversi energi listrik menjadi energi kimia dan sebaliknya. Namun, karena fenomena seperti polarisasi elektroda, efisiensi konversi energi tidak bisa mencapai 100%.
2. ​Tantangan Kontrol dan Strategi Optimalisasi:​​
• ​Kelemahan Kontrol Tradisional:​​ Metode kontrol PID klasik sangat bergantung pada model matematika yang akurat dari objek yang dikendalikan (baterai). Baterai adalah sistem non-linier, bervariasi seiring waktu, di mana parameternya (resistansi internal, densitas elektrolit, dll.) berubah secara dinamis dengan suhu lingkungan dan kondisi penggunaan, sehingga sulit untuk membuat model yang tepat. Hal ini menyebabkan tantangan dalam penyetelan parameter PID tradisional, adaptabilitas yang buruk, dan kinerja kontrol yang suboptimal.
• ​Metode Kontrol Canggih yang Diadopsi:​​ Solusi ini menggunakan strategi kontrol komposit Fuzzy-PID, menggabungkan keuntungan dari kedua metode:
• ​Keuntungan Kontrol Fuzzy:​​ Tidak memerlukan model matematika yang tepat dari objek yang dikendalikan, dapat menangani informasi input yang tidak pasti, memiliki adaptabilitas yang kuat terhadap perubahan parameter baterai, dan dapat mengintegrasikan pengetahuan ahli.
• ​Keuntungan Kontrol PID:​​ Dapat mencapai kontrol presisi tinggi, tanpa kesalahan steady-state, ketika deviasi sistem kecil.
• ​Alur Kerja Kontroler:​​ Sistem terus-menerus memantau perbedaan e(t) antara tegangan set baterai dan tegangan aktualnya. Ketika deviasi e(t) besar, kontrol fuzzy mendominasi untuk respons cepat. Ketika e(t) berkurang dalam batas tertentu, transisi mulus ke kontrol PID untuk penyesuaian halus. Akhirnya, sinyal output u(t) disesuaikan untuk mengontrol duty cycle MOSFET, mencapai optimisasi dinamis arus pengisian.

​IV. Ringkasan Solusi dan Prospek​

• ​Keefektifan Kontrol:​​ Sistem kontrol pembangkit listrik hibrid angin-matahari yang dirancang dalam solusi ini berhasil mencapai manajemen pengisian/pengosongan baterai yang optimal melalui algoritma kontrol Fuzzy-PID yang komplementer. Ini tidak hanya melindungi baterai secara efektif dan memperpanjang umur layanannya, tetapi juga meningkatkan efisiensi penangkapan energi angin dan matahari melalui MPPT, sehingga meningkatkan efisiensi keseluruhan sistem pembangkit listrik.
• ​Verifikasi Eksperimental:​​ Hasil eksperimen menunjukkan bahwa kontroler dirancang dengan benar dan dapat dilaksanakan, beroperasi dengan aman dan andal, serta menunjukkan kinerja respons dinamis dan akurasi steady-state yang baik.
• ​Prospek Aplikasi:​​ Solusi pembangkit listrik hibrid angin-matahari terintegrasi dengan teknologi manajemen baterai cerdas ini sangat cocok untuk skenario seperti daerah terpencil tanpa jaringan listrik, pulau, padang rumput, dan stasiun pangkalan komunikasi. Solusi ini menawarkan manfaat ekonomi dan sosial yang signifikan dan memiliki prospek aplikasi yang luas.