Et intelligent vind-sol hybrid system med fuzzy-PID styring for forbedret batterihantering og MPPT

Sammendrag​

Dette forslaget presenterer et hybrid kraftproduksjonssystem basert på vind- og solenergi, som bygger på avansert kontrollteknologi, med mål om å effektivt og økonomisk tilfredsstille kraftbehovet i fjerne områder og spesielle anvendelsesscenarier. Kjernen i systemet er et intelligent kontrollsystem sentrert rundt en ATmega16-mikroprosessor. Dette systemet utfører maksimal strømproduksjonspunktsføring (MPPT) for både vind- og solenergi, og bruker en optimalisert algoritme som kombinerer PID- og fuzzykontroll for nøyaktig og effektiv lading/avlading av den viktigste komponenten – batteriet. Dette fører til en betydelig forbedring av den totale kraftproduksjonseffektiviteten, utvider batteriets levetid og sikrer kraftleveringens pålitelighet og kostnadseffektivitet.

​I. Prosjektkontekst og betydning​

1. ​Energitilstand:​​ Globalt sett blir tradisjonelle fossile brensler stadig mer uttømt, noe som stiller alvorlige utfordringer for energisikkerhet og bærekraftig utvikling. Å utvikle og bruke rene, fornybare energikilder som vind- og solenergi har blitt en strategisk prioritet for å løse de nåværende energi- og miljøutfordringene.
2. ​Systemets verdi:​​ Vind-sol-hybridsystemet utnytter fullt ut de naturlige komplementære egenskapene til vind- og solenergi i tidsmessig og geografisk henseende (f.eks. sterk sollys om dagen, potensielt sterkere vind om natten), overvinner uforutseeligheten ved enkeltkilde kraftproduksjon. Det er en strukturelt rasjonell, lavdriftskostnads selvstendig kraftforsyningsløsning, som effektivt løser energiforsyningsproblemer for anlegg som boliger, kommunikasjonsbaser, og meteorologiske overvåkingsstasjoner i ikke-elektrifiserte eller svakt elektrifiserte fjerne områder.
3. ​Viktigheten av kjernekomponenter:​​ Batteriet, som fungerer som systemets energilager, er avgjørende for å sikre kontinuerlig strømforsyning til belastningen under perioder uten vind eller sollys. Dets kostnad utgjør en betydelig andel av det hele kraftproduksjonssystemet. Derfor er det viktig å forbedre batteriladingseffektiviteten og optimere ladnings-/avladingstrategier for å utvide dets levetid, noe som er aksjesentrales for å redusere systemets livslengde kostnader og forbedre driftsfiabiliteten.

​II. Helhetlig systemdesign​

1. ​Hovedmål for systemet:​​
• ​Optimal energihenting:​​ Utfør optimal kontroll for maksimal effektivitet på strømmen generert av vindturbinen og fotovoltaiske paneler, gjennom Maksimal Strømproduksjon Sporingspunkt (MPPT) for å utnytte naturlige ressurser fullt ut.
• ​Forvaltning av energilagringssystem:​​ Forvalt intelligente batteriladings- og avladingsprosesser, unngå overladning og overavladning, beskytt batteriet effektivt, og forbedre signifikant dens ladings-effektivitet og levetid.
2. ​Systemets hardvararkitektur:​​

Systemet består av tre hovedfunksjonelle moduler, koordinert av en sentral kontroll-CPU for å danne et komplett intelligent kontrollsystem.

​III. Kjernekontrollteknologi: Intelligent batteriforvaltning​

1. ​Batterivalg og grunnleggende prinsipper:​​
• ​Type:​​ Denne løsningen velger vedlikeholdsfree blysyrebatterier, som er teknologisk modne og lavkostnads, egnet for småskala vind-sol-hybridsystemer.
• ​Arbeidsprinsipp:​​ Batterilading og -avlading er i grunnen prosesser for konvertering av elektrisk energi til kjemisk energi og motsatt. På grunn av fenomener som elektrodpolarisering, kan energikonverteringseffektiviteten imidlertid ikke nå 100%.
2. ​Kontrollutfordringer og optimaliseringsstrategi:​​
• ​Ulemper med tradisjonell kontroll:​​ Klassiske PID-kontrollmetoder er sterkt avhengige av en nøyaktig matematisk modell av det kontrollerede objektet (batteriet). Batteriet er et ikkelineært, tidvariabelt system hvis parametre (internt motstand, elektrolyttetthet, etc.) endres dynamisk med miljøtemperatur og bruksstatus, noe som gjør det vanskelig å etablere en nøyaktig modell. Dette fører til utfordringer i tuning av tradisjonelle PID-parametre, dårlig tilpasningsevne, og suboptimal kontrollytelse.
• ​Innfridt avansert kontrollmetode:​​ Denne løsningen benytter en Fuzzy-PID sammensatt kontrollstrategi, som kombinerer fordeler av begge:
• ​Fordel med fuzzykontroll:​​ Krever ikke en eksakt matematisk modell av det kontrollerede objektet, kan håndtere upresise innføringsinformasjon, viser sterk tilpasningsevne til endringer i batteriparametre, og kan integrere ekspertkunnskap.
• ​Fordel med PID-kontroll:​​ Kan oppnå høy presisjon, null stabiltilstand feilkontroll når systemavviket er lite.
• ​Arbeidsflyt for kontrolleren:​​ Systemet overvåker kontinuerlig forskjellen e(t) mellom batteriets satt spenning og dets faktiske spenning. Når avviket e(t) er stort, dominerer fuzzykontroll for rask respons. Når e(t) minsker innen en gitt rekkevidde, skifter det glatt over til PID-kontroll for finjustering. Til slutt justeres utdata signal u(t) for å kontrollere MOSFETs tidsandel, for å oppnå dynamisk optimalisering av ladestrømmen.

​IV. Løsningsoppsummering og perspektiver​

• ​Kontrolleffektivitet:​​ Vind-sol-hybrid kraftproduksjonkontrollsystemet designet i denne løsningen klarer å oppnå optimal batteriladings/avladingforvaltning gjennom den komplementære intelligente Fuzzy-PID-kontrollalgoritmen. Dette beskytter ikke bare batteriet effektivt og utvider dets levetid, men forbedrer også fangsteffektiviteten av vind- og solenergi gjennom MPPT, noe som forbedrer den totale effektiviteten av hele kraftproduksjonssystemet.
• ​Eksperimentell verifisering:​​ Eksperimentelle resultater viser at kontrolleren er korrekt og realistisk designet, opererer sikkert og pålitelig, og viser god dynamisk responsytelse og stabiltilstand presisjon.
• ​Anvendelsesperspektiver:​​ Denne integrerte vind-sol-hybrid kraftproduksjonsløsningen med intelligent batteriforvaltnings-teknologi er spesielt velegnet for scenarier som fjerne områder uten nettdekning, øyer, beitesletter, og kommunikasjonsbaser. Den gir betydelige økonomiske og samfunnsmessige fordele og har bred anvendelsesmuligheter.