Een intelligente wind-zonne energie hybride systeem met fuzzy-PID regeling voor verbeterd batterijbeheer en MPPT

Samenvatting

Dit voorstel presenteert een wind-zonne energie hybride opwekkingssysteem gebaseerd op geavanceerde controletechnologie, met als doel de energiebehoeften van afgelegen gebieden en specifieke toepassingsscenario's efficiënt en kosteneffectief te beantwoorden. Het kernpunt van het systeem ligt in een intelligent controlesysteem gecentreerd rond een ATmega16-microprocessor. Dit systeem voert Maximum Power Point Tracking (MPPT) uit voor zowel wind- als zonne-energie en maakt gebruik van een geoptimaliseerd algoritme dat PID- en fuzzy-controle combineert voor nauwkeurig en efficiënt opladen/ontladen van het belangrijkste component - de accu. Hierdoor wordt de totale energieopwekkings-efficiëntie aanzienlijk verbeterd, de levensduur van de accu verlengd en de betrouwbaarheid en kosteneffectiviteit van de energievoorziening gewaarborgd.

I. Projectachtergrond en Belangrijkheid

1. Energiecontext: Wereldwijd worden traditionele fossiele brandstoffen steeds meer uitgeput, wat ernstige uitdagingen stelt aan de energiezekerheid en duurzame ontwikkeling. Het krachtig ontwikkelen en benutten van schone, hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie is een strategische prioriteit geworden voor het oplossen van huidige energie- en milieuproblemen.
2. Systeemwaarde: Het wind-zonne hybridesysteem maakt volledig gebruik van de natuurlijke complementaire kenmerken van wind- en zonne-energie qua tijdsaspecten en geografie (bijvoorbeeld sterke zonlicht overdag, mogelijk sterkere winden 's nachts), waardoor de onderbrekingen van energieopwekking uit één bron worden overwonnen. Het is een structureel rationele, laag-operatiekosten onafhankelijke energievoorzieningsoplossing die effectief de energievoorzieningsproblemen oplost voor faciliteiten zoals woonhuizen, communicatiebasisstations en meteorologische monitoringstations in niet-geëlektrificeerde of zwak geëlektrificeerde afgelegen gebieden.
3. Belangrijkheid van Kerncomponenten: De accu, die fungeert als het energieopslagsysteem, is cruciaal om een continue energievoorziening te garanderen tijdens periodes zonder wind of zonlicht. De kosten ervan vormen een aanzienlijk deel van het gehele energieopwekkingsysteem. Daarom is het verbeteren van de accuopladefficiëntie en het optimaliseren van de oplaad/ontlaadstrategieën om de levensduur te verlengen, essentieel voor het verlagen van de levenscycluskosten van het systeem en het verbeteren van de operationele betrouwbaarheid.

II. Algemene Systeemontwerp

1. Kernobjectieven van het Systeem:
• Energieopvang Optimalisatie: Voer optimale controle uit voor maximale efficiëntie van de elektriciteit die door de windturbine en fotovoltaïsche panelen wordt opgewekt, waarbij Maximum Power Point Tracking (MPPT) wordt toegepast om de natuurlijke hulpbronnen optimaal te benutten.
• Energieopslagsysteem Management: Beheer intelligent het opladen en ontladen van de accu, voorkom overladen en overontladen, beschermt de accu effectief en verbetert aanzienlijk de oplaadefficiëntie en levensduur.
2. Systeem Hardware Architectuur:

Het systeem bestaat uit drie hoofdfunctiemodules, gecoördineerd door een centrale controle CPU om een compleet intelligent controlesysteem te vormen.

III. Kern Controle Technologie: Intelligent Accu Management

1. Accu Selectie en Basisprincipes:
• Type: Deze oplossing kiest voor onderhoudsvrije lood-accula, die technologisch volwassen en goedkoop zijn, geschikt voor kleine schaal wind-zonne hybridesystemen.
• Werkingsprincipe: Opladen en ontladen van de accu zijn wezenlijk processen van conversie van elektrische energie naar chemische energie en vice versa. Echter, vanwege verschijnselen zoals elektrode polarisatie, kan de energieconversie-efficiëntie niet 100% bereiken.
2. Controle Uitdagingen en Optimalisatie Strategie:
• Nadelen van Traditionele Controle: Klassieke PID-controlemethoden hangen zwaar af van een nauwkeurig wiskundig model van het gecontroleerde object (de accu). De accu is een niet-lineair, tijdsvarieerend systeem waarvan de parameters (interne weerstand, elektrolyt dichtheid, etc.) dynamisch veranderen met de omgevingstemperatuur en gebruikstoestand, waardoor het moeilijk is een precies model op te stellen. Dit leidt tot uitdagingen bij het afstellen van traditionele PID-parameters, slechte aanpassingsvermogen en suboptimale controleprestaties.
• Toegewende Geavanceerde Controle Methode: Deze oplossing maakt gebruik van een Fuzzy-PID-composite controlestrategie, die de voordelen van beide combineert:
• Voordelen van Fuzzy Controle: Vereist geen exact wiskundig model van het gecontroleerde object, kan onnauwkeurige invoerinformatie verwerken, heeft een sterk aanpassingsvermogen aan veranderingen in accuparameters en kan expertkennis integreren.
• Voordelen van PID Controle: Kan hoog precisie, nul-stationaire foutcontrole bereiken wanneer de systeemafwijking klein is.
• Controller Werkstroom: Het systeem monitort continu het verschil e(t) tussen de ingestelde spanning en de werkelijke spanning van de accu. Wanneer de afwijking e(t) groot is, domineert de fuzzy-controle voor een snelle reactie. Wanneer e(t) binnen een bepaald bereik afneemt, schakelt het soepel over naar PID-controle voor fijnafstelling. Uiteindelijk wordt het uitvoersignaal u(t) aangepast om de duty cycle van de MOSFET te controleren, waarmee dynamische optimalisatie van de oplaadstroom wordt bereikt.

IV. Oplossing Samenvatting en Vooruitzichten

• Controle Effectiviteit: Het wind-zonne hybride energieopwekkingssysteem dat in deze oplossing is ontworpen, slaagt erin optimale accu oplaad/ontlaad management te realiseren door middel van de complementaire intelligente Fuzzy-PID controlealgoritme. Dit beschermt de accu effectief, verlengt de levensduur en verhoogt de opvangefficiëntie van wind- en zonne-energie via MPPT, waardoor de totale efficiëntie van het hele energieopwekkingsysteem wordt verbeterd.
• Experimentele Verificatie: Experimentele resultaten tonen aan dat de controller correct en haalbaar is ontworpen, veilig en betrouwbaar functioneert en goede dynamische responsprestaties en stationaire nauwkeurigheid vertoont.
• Toepassingsvooruitzichten: Deze geïntegreerde wind-zonne hybride energieopwekkingssolutie met intelligente accubeheertechnologie is bijzonder geschikt voor scenario's zoals afgelegen gebieden zonder netwerkdekking, eilanden, weilanden en communicatiebasisstations. Het biedt aanzienlijke economische en sociale voordelen en heeft brede toepassingsperspectieven.