Sistem Hibrid Angin-Surya Pintar dengan Kawalan Fuzzy-PID untuk Pengurusan Bateri yang Ditingkatkan dan MPPT

Ringkasan

Cadangan ini memperkenalkan sistem penjanaan kuasa hibrid angin-solar berdasarkan teknologi kawalan canggih, bertujuan untuk menangani keperluan kuasa di kawasan terpencil dan situasi aplikasi khas secara efisien dan ekonomi. Inti sistem ini terletak pada sistem kawalan pintar yang berpusat pada mikropemproses ATmega16. Sistem ini melakukan Penjejakan Titik Kuasa Maksimum (MPPT) untuk kedua-dua tenaga angin dan solar serta menggunakan algoritma yang dioptimumkan menggabungkan PID dan kawalan kabur untuk pengurusan pengecasan/pengosongan yang tepat dan efisien bagi komponen utama - bateri. Oleh itu, ia meningkatkan dengan signifikan kecekapan penjanaan kuasa secara keseluruhan, memanjangkan jangka hayat bateri, dan memastikan kebolehpercayaan bekalan kuasa dan kos-efisiensi.

I. Latar Belakang Projek dan Kepentingan

1. Konteks Tenaga: Secara global, bahan api fosil tradisional semakin habis, menyebabkan cabaran serius terhadap keselamatan tenaga dan pembangunan lestari. Mengembangkan dan menggunakan sumber tenaga baru yang bersih dan boleh diperbaharui seperti tenaga angin dan solar telah menjadi prioriti strategik untuk menyelesaikan isu-isu tenaga dan alam sekitar semasa.
2. Nilai Sistem: Sistem hibrid angin-solar sepenuhnya memanfaatkan ciri-ciri pelengkap semula jadi tenaga angin dan solar dari segi masa dan geografi (contohnya, sinaran matahari yang kuat pada siang hari, angin yang mungkin lebih kuat pada malam), mengatasi ketidakselanjaran penjanaan kuasa sumber tunggal. Ia adalah penyelesaian bekalan kuasa bebas yang struktur rasional, kos operasi rendah, yang menyelesaikan masalah bekalan tenaga untuk kemudahan seperti tempat tinggal, stesen pangkalan komunikasi, dan stesen pemantauan meteorologi di kawasan terpencil yang tidak dibekalkan atau lemah dibekalkan dengan elektrik.
3. Kepentingan Komponen Utama: Bateri, sebagai unit penyimpanan tenaga sistem, sangat penting untuk memastikan bekalan kuasa yang berterusan kepada beban semasa tiada angin atau sinaran matahari. Kosnya merupakan bahagian yang signifikan daripada seluruh sistem penjanaan kuasa. Oleh itu, meningkatkan kecekapan pengecasan bateri dan mengoptimumkan strategi pengecasan/pengosongannya untuk memanjangkan jangka hidupnya adalah penting untuk mengurangkan kos siklus hidup sistem dan meningkatkan kebolehpercayaan operasi.

II. Reka Bentuk Sistem Keseluruhan

1. Mata Pelajaran Utama Sistem:
• Pengoptimuman Penangkapan Tenaga: Lakukan kawalan optimum untuk kecekapan maksimum pada elektrik yang dihasilkan oleh turbin angin dan panel fotovoltaik, mencapai Penjejakan Titik Kuasa Maksimum (MPPT) untuk memanfaatkan sumber alam secara penuh.
• Pengurusan Sistem Penyimpanan Tenaga: Kelola proses pengecasan dan pengosongan bateri secara pintar, mencegah pengecasan berlebihan dan pengosongan berlebihan, melindungi bateri secara efektif, dan meningkatkan kecekapan pengecasan dan jangka hidupnya secara signifikan.
2. Struktur Perkakasan Sistem:

Sistem ini terdiri daripada tiga modul fungsional utama, dikendalikan oleh CPU kawalan pusat untuk membentuk sistem kawalan pintar yang lengkap.

III. Teknologi Kawalan Utama: Pengurusan Bateri Pintar

1. Pilihan dan Asas Bateri:
• Jenis: Penyelesaian ini memilih bateri timbal-asid tanpa penyelenggaraan, yang matang teknologi dan berharga rendah, sesuai untuk sistem hibrid angin-solar skala kecil.
• Prinsip Kerja: Pengecasan dan pengosongan bateri pada dasarnya adalah proses menukar tenaga elektrik kepada tenaga kimia dan sebaliknya. Walau bagaimanapun, kerana fenomena seperti polarisasi elektrod, kecekapan pemindahan tenaga tidak dapat mencapai 100%.
2. Cabarannya dan Strategi Pengoptimuman:
• Kelemahan Kawalan Tradisional: Kaedah kawalan PID klasik sangat bergantung pada model matematik yang tepat objek yang dikawal (bateri). Bateri adalah sistem bukan linear, berubah-ubah dengan waktu, di mana parameter (rintangan dalaman, ketumpatan elektrolit, dll.) berubah secara dinamik dengan suhu persekitaran dan keadaan penggunaan, menjadikan sukar untuk menubuhkan model yang tepat. Ini menyebabkan cabaran dalam penyetelan parameter PID tradisional, adaptabiliti yang lemah, dan prestasi kawalan yang kurang optimal.
• Kaedah Kawalan Canggih yang Digunakan: Penyelesaian ini menggunakan strategi kawalan gabungan Fuzzy-PID, menggabungkan kelebihan kedua-duanya:
• Kelebihan Kawalan Kabur: Tidak memerlukan model matematik yang tepat objek yang dikawal, boleh menangani maklumat input yang tidak tepat, menunjukkan adaptabiliti yang kuat terhadap perubahan parameter bateri, dan boleh menggabungkan pengetahuan pakar.
• Kelebihan Kawalan PID: Dapat mencapai kawalan tinggi-kepresisan, ralat keadaan tetap sifar apabila sisihan sistem kecil.
• Aliran Kerja Pengawal: Sistem secara berterusan memantau perbezaan e(t) antara voltan set bateri dan voltan sebenarnya. Apabila sisihan e(t) besar, kawalan kabur mendominasi untuk respons cepat. Apabila e(t) berkurang dalam julat tertentu, ia beralih dengan lancar ke kawalan PID untuk penyesuaian halus. Akhirnya, isyarat keluar u(t) disesuaikan untuk mengawal kitaran duti MOSFET, mencapai pengoptimuman dinamik arus pengecasan.

IV. Ringkasan Penyelesaian dan Prospek

• Kekuatan Kawalan: Sistem kawalan penjanaan kuasa hibrid angin-solar yang direka dalam penyelesaian ini berjaya mencapai pengurusan pengecasan/pengosongan bateri yang optimum melalui algoritma kawalan Fuzzy-PID pintar yang saling melengkapi. Ini tidak hanya melindungi bateri secara efektif dan memanjangkan jangka hidupnya, tetapi juga meningkatkan kecekapan tangkapan tenaga angin dan solar melalui MPPT, dengan demikian meningkatkan kecekapan keseluruhan sistem penjanaan kuasa.
• Pengesahan Eksperimen: Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa pengawal direka dengan betul dan layak, beroperasi dengan selamat dan boleh dipercayai, dan menunjukkan prestasi respons dinamik dan kepresisan keadaan tetap yang baik.
• Prospek Aplikasi: Penyelesaian penjanaan kuasa hibrid angin-solar terpadu dengan teknologi pengurusan bateri pintar ini sangat sesuai untuk skenario seperti kawasan terpencil tanpa liputan grid, pulau, padang rumput, dan stesen pangkalan komunikasi. Ia memberikan manfaat ekonomi dan sosial yang signifikan dan memiliki prospek aplikasi yang luas.