Akıllı Rüzgar-Güneş Hibrit Sistemi Fuzzy-PID Kontrol ile Geliştirilmiş Batarya Yönetimi ve MPPT için

Özet​

Bu öneri, gelişmiş kontrol teknolojisine dayalı bir rüzgar-güneş hibrit güç üretim sistemini sunmaktadır ve uzak bölgelerin ve özel kullanım senaryolarının enerji ihtiyaçlarını etkili ve ekonomik bir şekilde karşılamayı amaçlamaktadır. Sistemin temelinde, ATmega16 mikroişlemcisi merkezli bir akıllı kontrol sistemi yer almaktadır. Bu sistem, hem rüzgar hem de güneş enerjisi için Maksimum Güç Noktası Takibini (MPPT) gerçekleştirir ve pilin kilit bileşeni olan pilin hassas ve etkin şarj/boşaltma yönetimini PID ve bulanık kontrol kombinasyonu kullanarak optimize eder. Sonuç olarak, bu, toplam güç üretim verimliliğini önemli ölçüde artırır, pil ömrünü uzatır ve güç tedariki güvenilirliğini ve maliyet etkinliğini sağlar.

​I. Proje Arka Planı ve Önemi​

1. ​Enerji Bağlamı:​​ Küresel olarak, geleneksel kömür tabanlı yakıtlar giderek tükenmektedir, bu da enerji güvenliği ve sürdürülebilir gelişmeye ciddi zorluklar getirmektedir. Rüzgar ve güneş gibi temiz, yenilenebilir yeni enerji kaynaklarının büyük çapta geliştirilmesi ve kullanılması, mevcut enerji ve çevresel sorunların çözümünde stratejik bir önceliğe dönüşmüştür.
2. ​Sistem Değeri:​​ Rüzgar-güneş hibrit sistemi, rüzgar ve güneş enerjisinin zaman ve coğrafya açısından doğal tamamlayıcı özelliklerini (örneğin, gündüz güçlü güneş ışığı, gece potansiyel olarak daha güçlü rüzgarlar) tam olarak kullanır, tek kaynaklı güç üretiminin kesintisizliği sorununu aşar. Yapısal olarak makul, düşük işletme maliyetli bağımsız bir güç tedarik çözümüdür, elektriklenmemiş veya zayıf elektriklenmiş uzak bölgelerde konut yaşamı, iletişim baz istasyonları ve meteorolojik izleme istasyonları gibi tesislerin enerji tedarik sorunlarını etkili bir şekilde çözerek.
3. ​Kilit Bileşenlerin Önemi:​​ Pil, sistemin enerji depolama birimi olarak görev yapar ve rüzgar veya güneş olmadığı dönemlerde yükü sürekli güç ile çalışır hale getirmek için kritik öneme sahiptir. Maliyeti, tüm güç üretim sisteminin önemli bir kısmını oluşturur. Bu nedenle, pillerin şarj verimliliğini artırmak ve onların şarj/boşaltma stratejilerini optimize etmek, onların hizmet ömrünü uzatarak sistemin yaşam döngüsü maliyetini azaltmak ve işletme güvenilirliğini artırmak için hayati önem taşımaktadır.

​II. Genel Sistem Tasarımı​

1. ​Sistem Çekirdek Hedefleri:​​
• ​Enerji Yakalama Optimizasyonu:​​ Rüzgar türbininden ve fotovoltaik panellerden üretilen elektriğin maksimum verimlilik için en iyi kontrolünü gerçekleştirmek, Maksimum Güç Noktası Takibini (MPPT) gerçekleştirerek doğal kaynakları tamamen kullanmak.
• ​Enerji Depolama Sistemi Yönetimi:​​ Pil şarj ve boşaltma sürecini akıllıca yönetmek, aşırı şarj ve aşırı boşalmayı önlemek, pili etkili bir şekilde korumak ve onun şarj verimliliğini ve hizmet ömrünü önemli ölçüde artırmak.
2. ​Sistem Donanım Mimarisini:​​

Sistem, merkezi kontrol CPU tarafından koordine edilen üç ana işlevsel modülün oluşumuyla tam bir akıllı kontrol sistemi oluşturur.

​III. Çekirdek Kontrol Teknolojisi: Akıllı Pil Yönetimi​

1. ​Pil Seçimi ve Temelleri:​​
• ​Tür:​​ Bu çözüm, teknolojik olarak olgun ve düşük maliyetli bakım gerektirmeyen kurşun asit pillerini seçmiştir, küçük ölçekli rüzgar-güneş hibrit sistemleri için uygun olan.
• ​Çalışma Prensibi:​​ Pil şarj ve boşaltma, esas olarak elektrik enerjisini kimyasal enerjiye ve bunun tersine dönüştürme süreçleridir. Ancak, elektrot polarizasyonu gibi olgular nedeniyle, enerji dönüştürme verimliliği %100'e ulaşamaz.
2. ​Kontrol Zorlukları ve Optimizasyon Stratejisi:​​
• ​Geleneksel Kontrolün Dezavantajları:​​ Klasik PID kontrol yöntemleri, kontrol edilen nesnenin (pil) doğru matematiksel modeline ağır bir şekilde bağımlıdır. Pil, parametreleri (iç direnç, elektrolit yoğunluğu vb.) çevre sıcaklığı ve kullanım durumuyla dinamik olarak değişen doğrusal olmayan, zamanla değişen bir sistemdir, bu da doğru bir model oluşturmaya zorluk çıkartır. Bu, geleneksel PID parametrelerinin ayarlanmasını, adaptif özelliğin zayıflığını ve alt optimum kontrol performansını beraberinde getirir.
• ​Kabul Edilen Gelişmiş Kontrol Yöntemi:​​ Bu çözüm, her ikisinin avantajlarını birleştiren Bulanık-PID bileşik kontrol stratejisini kullanır:
• ​Bulanık Kontrolün Avantajı:​​ Kontrol edilen nesnenin tam matematiksel modeline ihtiyaç duymaz, net olmayan giriş bilgileri ile başa çıkabilir, pil parametrelerindeki değişimlere güçlü adapte kabiliyete sahip ve uzman bilgisini dahil edebilir.
• ​PID Kontrolün Avantajı:​​ Sistem sapması küçük olduğunda, yüksek hassasiyetli, sıfır durağan hata kontrolü sağlayabilir.
• ​Kontrolör İş Akışı:​​ Sistem, pilin belirlenen gerilimi ile gerçek gerilimi arasındaki farkı e(t) sürekli olarak izler. Sapma e(t) büyük olduğunda, hızlı tepki için bulanık kontrol hakim olur. E(t) belirli bir aralık içinde azaldığında, ince ayar için PID kontrole düzgün bir şekilde geçiş yapılır. Sonuç olarak, çıkış sinyali u(t)調整为：

  ​控制器工作流程：​系统持续监控电池设定电压与其实际电压之间的差异e(t)。当偏差e(t)较大时，模糊控制主导以实现快速响应。当e(t)减小到一定范围内时，平滑切换到PID控制进行微调。最终，输出信号u(t)被调整以控制MOSFET的占空比，从而实现充电电流的动态优化。

​IV. 解决方案总结与展望​

• ​控制效果：​本解决方案设计的风光互补发电控制系统通过互补智能模糊-PID控制算法成功实现了最优的电池充放电管理。这不仅有效保护了电池并延长了其使用寿命，还通过MPPT提高了风能和太阳能的捕获效率，从而提高了整个发电系统的综合效率。
• ​实验验证：​实验结果表明，该控制器设计正确可行，运行安全可靠，具有良好的动态响应性能和稳态精度。
• ​应用前景：​这种集成智能电池管理技术的风光互补发电解决方案特别适用于无电网覆盖的偏远地区、岛屿、牧场和通信基站等场景，具有显著的经济和社会效益，并且具有广泛的应用前景。

​IV. Çözüm Özeti ve Gelecek Beklentileri​

• ​Kontrol Etkinliği:​​ Bu çözümde tasarlanan rüzgar-güneş hibrit güç üretim kontrol sistemi, tamamlayıcı akıllı Bulanık-PID kontrol algoritması aracılığıyla pil şarj/boşaltma yönetimini başarıyla en üst düzeye çıkarır. Bu, pilin etkili bir şekilde korunmasını, hizmet ömrünün uzatılmasını sağlar ve aynı zamanda MPPT aracılığıyla rüzgar ve güneş enerjisinin yakalama verimliliğini artırarak, tüm güç üretim sisteminin kapsamlı verimliliğini iyileştirir.
• ​Deneysel Doğrulama:​​ Deneysel sonuçlar, kontrolörün doğru ve uygulanabilir bir şekilde tasarlandığını, güvenli ve güvenilir bir şekilde işlemesi, iyi bir dinamik yanıt performansına ve durağan doğruluğa sahip olduğunu göstermiştir.
• ​Uygulama Beklentileri:​​ Akıllı pil yönetimi teknolojisini entegre eden bu rüzgar-güneş hibrit güç üretimi çözümü, özellikle elektrik ağı kapsamı dışında kalan uzak bölgeler, adalar, otlayan alanlar ve iletişim baz istasyonları gibi senaryolar için uygundur. Anlamlı ekonomik ve sosyal faydalar sunar ve geniş uygulama beklentilerine sahiptir.