Inteligentny system hybrydowy wiatr-słońce z kontrolą Fuzzy-PID do usprawnienia zarządzania bateriami i MPPPT

Streszczenie

Ten projekt przedstawia system hybrydowej produkcji energii z wiatru i słońca oparty na zaawansowanej technologii sterowania, mający na celu efektywne i ekonomiczne zaspokajanie potrzeb energetycznych odległych obszarów i specjalistycznych scenariuszy zastosowań. Kluczem do systemu jest inteligentny system sterowania oparty na mikroprocesorze ATmega16. Ten system wykonuje śledzenie maksymalnego punktu mocy (MPPT) zarówno dla energii wiatrowej, jak i słonecznej, wykorzystując zoptymalizowany algorytm łączący PID i rozmyte sterowanie do precyzyjnego i efektywnego zarządzania ładowaniem/rozładzaniem kluczowego elementu – baterii. W rezultacie znacznie zwiększa to całkowitą efektywność generacji energii, przedłuża żywotność baterii oraz zapewnia niezawodność i koszt skuteczności dostawy energii.

I. Tło projektu i jego znaczenie

1. Kontekst energetyczny: Na całym świecie tradycyjne paliwa kopalne są coraz bardziej wyczerpywane, co stwarza poważne wyzwania dla bezpieczeństwa energetycznego i zrównoważonego rozwoju. Energeticzne rozwijanie i wykorzystywanie czystych, odnawialnych źródeł energii, takich jak energia wiatru i słoneczna, stało się strategicznym priorytetem w rozwiązywaniu obecnych problemów energetycznych i środowiskowych.
2. Wartość systemu: System hybrydowy wiatr-słońce pełni korzysta z naturalnych komplementarnych cech energii wiatrowej i słonecznej pod względem czasu i geografii (np. mocne światło słoneczne w ciągu dnia, potencjalnie silniejsze wiatry w nocy), pokonując niestabilność generacji z jednego źródła. Jest to strukturalnie racjonalne, o niskich kosztach operacyjnych rozwiązanie samodzielnej dostawy energii, które skutecznie rozwiązuje problemy z dostawą energii dla obiektów takich jak domy mieszkalne, stacje bazowe komunikacyjne i stacje monitoringu meteorologicznego w nieelektryfikowanych lub słabo elektryfikowanych odległych rejonach.
3. Znaczenie kluczowych komponentów: Bateria, działająca jako jednostka magazynująca energię systemu, jest kluczowa dla zapewnienia ciągłej dostawy energii do obciążenia w okresach bez wiatru lub światła słonecznego. Jej koszt stanowi istotną część całego systemu produkcyjnego energii. Dlatego poprawa efektywności ładowania baterii i optymalizacja strategii jej ładowania/rozładzania, aby przedłużyć jej okres użytkowania, jest kluczowa dla zmniejszenia kosztów cyklu życia systemu i wzrostu niezawodności działania.

II. Ogólne zaprojektowanie systemu

1. Główne cele systemu:
• Optymalizacja przechwytywania energii: Wykonaj optymalne sterowanie dla maksymalnej efektywności energii generowanej przez turbinę wiatrową i panele fotowoltaiczne, osiągając śledzenie maksymalnego punktu mocy (MPPT), aby w pełni wykorzystać zasoby naturalne.
• Zarządzanie systemem magazynowania energii: Inteligentnie zarządza procesem ładowania i rozładzania baterii, zapobiegając przeladowaniu i przeciążeniu, skutecznie chroniąc baterię, a także znacznie poprawiając jej efektywność ładowania i okres użytkowania.
2. Aparatura sprzętowa systemu:

System składa się z trzech głównych modułów funkcjonalnych, skoordynowanych przez centralny procesor sterujący, tworząc kompleksowy inteligentny system sterowania.

III. Podstawowa technologia sterowania: inteligentne zarządzanie baterią

1. Wybór i podstawy baterii:
• Typ: Ta propozycja wybiera bezobsługowe baterie ołowiowe-kwasowe, które są technologicznie dojrzałe i tanie, odpowiednie dla małych systemów hybrydowych wiatr-słońce.
• Zasada działania: Ładowanie i rozładzanie baterii są zasadniczo procesami przekształcania energii elektrycznej w chemiczną i na odwrót. Jednak ze względu na zjawiska, takie jak polaryzacja elektrod, wydajność przekształcania energii nie może osiągnąć 100%.
2. Wyzwania sterowania i strategia optymalizacji:
• Wady tradycyjnego sterowania: Klasyczne metody sterowania PID ciężko polegają na dokładnym modelu matematycznym obiektu sterowanego (baterii). Bateria jest nieliniowym, zmiennym w czasie systemem, którego parametry (opór wewnętrzny, gęstość elektrolitu itp.) dynamicznie zmieniają się w zależności od temperatury otoczenia i stanu użytkowania, co utrudnia ustalenie dokładnego modelu. To prowadzi do trudności w dostosowywaniu parametrów PID, słabej adaptacji i podatności na niewłaściwe sterowanie.
• Adoptowana zaawansowana metoda sterowania: Ta propozycja wykorzystuje złożoną strategię sterowania Fuzzy-PID, łączącą zalety obu:
• Zaleta sterowania rozmytego: Nie wymaga dokładnego modelu matematycznego obiektu sterowanego, może obsługiwać nieprecyzyjne informacje wejściowe, wykazuje silną adaptację do zmian parametrów baterii i może uwzględniać wiedzę ekspertów.
• Zaleta sterowania PID: Może osiągnąć wysoką precyzję, sterowanie bez błędu ustalonego stanu, gdy odchylenie systemu jest małe.
• Przepływ pracy kontrolera: System ciągle monitoruje różnicę e(t) między ustawionym napięciem baterii a jej rzeczywistym napięciem. Gdy odchylenie e(t) jest duże, dominuje sterowanie rozmyte, umożliwiające szybką reakcję. Gdy e(t) spada w określonym zakresie, płynnie przełącza się na sterowanie PID do drobnych dostosowań. Ostatecznie sygnał wyjściowy u(t) jest dostosowywany, aby kontrolować współczynnik wypełnienia MOSFET, osiągając dynamiczną optymalizację prądu ładowania.

IV. Podsumowanie rozwiązania i perspektywy

• Skuteczność sterowania: Projektowany system kontroli hybrydowej produkcji energii z wiatru i słońca w tym rozwiązaniu pomyślnie osiąga optymalne zarządzanie ładowaniem/rozładzaniem baterii dzięki inteligentnemu złożonemu algorytmowi sterowania Fuzzy-PID. To nie tylko skutecznie chroni baterię i przedłuża jej okres użytkowania, ale również poprawia efektywność przechwytywania energii wiatrowej i słonecznej za pomocą MPPT, zwiększając tym samym ogólną efektywność całego systemu produkcyjnego energii.
• Weryfikacja eksperymentalna: Wyniki eksperymentów pokazują, że projekt kontrolera jest prawidłowy i wykonalny, działa bezpiecznie i niezawodnie, a także wykazuje dobrą dynamikę reakcji i dokładność w stanie ustalonym.
• Perspektywy zastosowania: To zintegrowane rozwiązanie hybrydowej produkcji energii z wiatru i słońca z technologią inteligentnego zarządzania baterią jest szczególnie odpowiednie dla scenariuszy, takich jak odległe rejon bez dostępu do sieci, wyspy, pastwiska i stacje bazowe komunikacyjne. Ofiaruje znaczne korzyści ekonomiczne i społeczne, a także szerokie perspektywy zastosowania.