지능형 풍력-태양광 하이브리드 시스템 및 퍼지-PID 제어를 통한 향상된 배터리 관리와 MPPT

요약

이 제안서는 고급 제어 기술을 기반으로 하는 풍력-태양광 하이브리드 발전 시스템을 제시하며, 이는 원격 지역 및 특수 응용 시나리오의 전력 수요를 효율적이고 경제적으로 해결하는 것을 목표로 합니다. 시스템의 핵심은 ATmega16 마이크로프로세서를 중심으로 하는 지능형 제어 시스템에 있습니다. 이 시스템은 풍력과 태양광 에너지 모두에 대해 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking, MPPT)을 수행하고, PID와 퍼지 제어를 결합한 최적화된 알고리즘을 사용하여 주요 구성 요소인 배터리의 정확하고 효율적인 충전/방전 관리를 수행합니다. 결과적으로 전체 발전 효율을 크게 향상시키고 배터리 수명을 연장하며 전력 공급의 신뢰성과 비용 효율성을 보장합니다.

I. 프로젝트 배경 및 중요성

1. 에너지 상황: 전 세계적으로 전통적인 화석 연료가 점점 고갈되고 있어 에너지 안보와 지속 가능한 발전에 심각한 도전을 제기하고 있습니다. 풍력과 태양광 발전과 같은 깨끗하고 재생 가능한 신에너지의 개발과 활용은 현재의 에너지와 환경 문제를 해결하기 위한 전략적 우선순위가 되었습니다.
2. 시스템 가치: 풍력-태양광 하이브리드 시스템은 시간과 지리적 측면에서 풍력과 태양광 에너지의 자연적 보완적 특성을 최대한 활용하여(예: 낮에는 강한 햇빛, 밤에는 더 강한 바람), 단일 소스 발전의 불규칙성을 극복합니다. 이는 구조적으로 합리적이고 운영 비용이 낮은 독립형 전력 공급 솔루션으로, 통신 기지국, 기상 모니터링 스테이션 등 미전기화 또는 약전기화된 원격 지역의 주거 생활, 시설의 에너지 공급 문제를 효과적으로 해결합니다.
3. 핵심 구성 요소의 중요성: 배터리는 시스템의 에너지 저장 장치로서 풍력이나 햇빛이 없는 동안 부하에 대한 연속적인 전력 공급을 보장하는 데 필수적입니다. 그 비용은 전체 발전 시스템의 상당 부분을 차지합니다. 따라서 배터리 충전 효율을 향상시키고 충전/방전 전략을 최적화하여 서비스 수명을 연장하는 것은 시스템의 수명주기 비용을 줄이고 운영 신뢰성을 향상시키는 데 중요합니다.

II. 전체 시스템 설계

1. 시스템 핵심 목표:
• 에너지 캡처 최적화: 풍력 터빈과 광전지 패널에서 발생하는 전기에 대해 최대 효율을 달성하기 위한 최적의 제어를 수행하여 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking, MPPT)을 통해 자연 자원을 최대한 활용합니다.
• 에너지 저장 시스템 관리: 배터리 충전 및 방전 과정을 지능적으로 관리하여 과충전 및 과방전을 방지하고 배터리를 효과적으로 보호하며, 배터리의 충전 효율과 서비스 수명을 크게 향상시킵니다.
2. 시스템 하드웨어 아키텍처:

시스템은 중앙 제어 CPU에 의해 조정되는 세 가지 주요 기능 모듈로 구성되어 완전한 지능형 제어 시스템을 형성합니다.

III. 핵심 제어 기술: 지능형 배터리 관리

1. 배터리 선택 및 기본 사항:
• 유형: 이 솔루션은 기술적으로 성숙하고 저렴한 유지 보수 필요 없는 리드-산 배터리를 선택합니다. 이는 소규모 풍력-태양광 하이브리드 시스템에 적합합니다.
• 작동 원리: 배터리 충전 및 방전은 본질적으로 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환하는 과정입니다. 그러나 전극 극화 현상 등으로 인해 에너지 변환 효율이 100%에 도달하지 않습니다.
2. 제어 과제 및 최적화 전략:
• 전통적인 제어의 단점: 고전적인 PID 제어 방법은 제어 대상(배터리)의 정확한 수학적 모델에 크게 의존합니다. 배터리는 비선형적이고 시간에 따라 변화하는 시스템이며, 내부 저항, 전해질 밀도 등의 매개변수는 환경 온도와 사용 상태에 따라 동적으로 변경됩니다. 이를 통해 정확한 모델을 작성하는 것이 어렵고, 전통적인 PID 매개변수 조정이 어려워 적응성이 떨어지고 제어 성능이 좋지 않습니다.
• 채택된 고급 제어 방법: 이 솔루션은 퍼지-PID 복합 제어 전략을 사용하여 두 가지의 장점을 결합합니다:
• 퍼지 제어의 장점: 제어 대상의 정확한 수학적 모델이 필요 없으며, 불확실한 입력 정보를 처리할 수 있으며, 배터리 매개변수의 변화에 강한 적응성을 보이고 전문가 지식을 포함할 수 있습니다.
• PID 제어의 장점: 시스템 편차가 작을 때 정밀하고 잔차 오차가 없는 제어를 달성할 수 있습니다.
• 컨트롤러 작업 흐름: 시스템은 배터리의 설정 전압과 실제 전압 간의 차이 e(t)를 지속적으로 모니터링합니다. 편차 e(t)가 클 때는 빠른 응답을 위해 퍼지 제어가 주도하고, e(t)가 일정 범위 내로 감소하면 PID 제어로 부드럽게 전환하여 미세 조정을 수행합니다. 궁극적으로 출력 신호 u(t)를 조정하여 MOSFET의 듀티 사이클을 제어하여 충전 전류의 동적 최적화를 달성합니다.

IV. 솔루션 요약 및 전망

• 제어 효과: 이 솔루션에서 설계된 풍력-태양광 하이브리드 발전 제어 시스템은 보완적인 지능형 퍼지-PID 제어 알고리즘을 통해 배터리 충전/방전 관리를 최적으로 달성하였습니다. 이는 배터리를 효과적으로 보호하고 서비스 수명을 연장하며, MPPT를 통해 풍력과 태양광 에너지의 캡처 효율을 향상시키고, 전체 발전 시스템의 종합 효율을 향상시킵니다.
• 실험 검증: 실험 결과, 컨트롤러는 올바르고 가능하게 설계되었으며 안전하고 신뢰하게 작동하며, 좋은 동적 응답 성능과 정상 상태 정확도를 보여줍니다.
• 응용 전망: 이 지능형 배터리 관리 기술을 갖춘 통합 풍력-태양광 하이브리드 발전 솔루션은 그리드 커버리지가 없는 원격 지역, 섬, 목장, 통신 기지국과 같은 시나리오에 특히 적합합니다. 이는 중요한 경제적 및 사회적 이익을 제공하며 넓은 적용 가능성을 가지고 있습니다.