Интеллектуальная гибридная система ветро-солнечного типа с управлением Fuzzy-PID для улучшенного управления аккумуляторами и МППТ

Аннотация​

Данное предложение представляет собой гибридную ветро-солнечную систему генерации электроэнергии на основе передовых технологий управления, направленную на эффективное и экономичное удовлетворение потребностей в электроэнергии удаленных районов и специфических сценариев применения. Сердце системы - это интеллектуальная система управления, основанная на микропроцессоре ATmega16. Эта система выполняет отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для ветра и солнечной энергии и использует оптимизированный алгоритм, сочетающий PID и нечеткое управление, для точного и эффективного управления зарядкой/разрядкой ключевого компонента - аккумулятора. В результате значительно повышается общая эффективность генерации электроэнергии, продлевается срок службы аккумулятора и обеспечивается надежность и экономическая эффективность электроснабжения.

​I. Фон проекта и его значимость​

1. ​Энергетический контекст:​​ В глобальном масштабе традиционные ископаемые виды топлива все больше истощаются, что создает серьезные вызовы для энергетической безопасности и устойчивого развития. Активное развитие и использование чистых, возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, стало стратегическим приоритетом для решения текущих энергетических и экологических проблем.
2. ​Ценность системы:​​ Гибридная ветро-солнечная система полностью использует естественные комплементарные характеристики ветра и солнечной энергии по времени и географии (например, сильное солнечное излучение днем, потенциально более сильные ветры ночью), преодолевая непостоянство генерации электроэнергии из одного источника. Это структурно рациональное, низкозатратное автономное решение для электроснабжения, эффективно решающее проблемы энергоснабжения объектов, таких как жилые дома, базовые станции связи и метеорологические станции в неэлектрифицированных или слабоэлектрифицированных удаленных районах.
3. ​Важность ключевых компонентов:​​ Аккумулятор, являющийся блоком хранения энергии системы, играет ключевую роль в обеспечении непрерывного электроснабжения нагрузки в периоды без ветра или солнечного света. Его стоимость составляет значительную часть всей системы генерации электроэнергии. Поэтому повышение эффективности зарядки аккумулятора и оптимизация стратегий зарядки/разрядки для продления его срока службы являются важными для снижения затрат на жизненный цикл системы и повышения эксплуатационной надежности.

​II. Общая концепция системы​

1. ​Основные цели системы:​​
• ​Оптимизация захвата энергии:​​ Выполнение оптимального управления для достижения максимальной эффективности генерируемой ветрогенераторами и фотоэлектрическими панелями электроэнергии, достигая отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) для полного использования природных ресурсов.
• ​Управление системой хранения энергии:​​ Интеллектуальное управление процессом зарядки и разрядки аккумулятора, предотвращение перезарядки и переразрядки, эффективная защита аккумулятора и значительное повышение его эффективности зарядки и срока службы.
2. ​Аппаратная архитектура системы:​​

Система состоит из трех основных функциональных модулей, координируемых центральным контроллером CPU, образуя полную интеллектуальную систему управления.

​III. Основная технология управления: интеллектуальное управление аккумулятором​

1. ​Выбор и основы аккумулятора:​​
• ​Тип:​​ Данное решение выбирает обслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые технически зрелы и недороги, подходят для маломасштабных ветро-солнечных гибридных систем.
• ​Принцип работы:​​ Зарядка и разрядка аккумулятора в сущности представляют собой процессы преобразования электрической энергии в химическую и обратно. Однако, из-за явлений, таких как поляризация электродов, эффективность преобразования энергии не может достичь 100%.
2. ​Проблемы управления и стратегия оптимизации:​​
• ​Недостатки традиционного управления:​​ Классические методы управления PID сильно зависят от точной математической модели управляемого объекта (аккумулятора). Аккумулятор является нелинейной, временно изменяющейся системой, параметры которой (внутреннее сопротивление, плотность электролита и т.д.) динамически меняются в зависимости от температуры окружающей среды и состояния использования, что делает трудным создание точной модели. Это приводит к проблемам настройки традиционных параметров PID, низкой адаптивности и подавленной производительности управления.
• ​Применяемый передовой метод управления:​​ Данное решение использует комбинированную стратегию управления Fuzzy-PID, объединяющую преимущества обоих:
• ​Преимущество нечеткого управления:​​ Не требует точной математической модели управляемого объекта, может обрабатывать неточную входную информацию, демонстрирует высокую адаптивность к изменениям параметров аккумулятора и может включать экспертные знания.
• ​Преимущество управления PID:​​ Может достичь высокоточного, нулевого статического отклонения управления, когда отклонение системы мало.
• ​Процесс работы контроллера:​​ Система постоянно мониторит разницу e(t) между заданным напряжением аккумулятора и его фактическим напряжением. Когда отклонение e(t) велико, доминирует нечеткое управление для быстрого отклика. Когда e(t) уменьшается в определенном диапазоне, происходит плавный переход к управлению PID для точной настройки. В конечном итоге, выходной сигнал u(t) корректируется для управления соотношением заполнения MOSFET, достигая динамической оптимизации тока зарядки.

​IV. Резюме решения и перспективы​

• ​Эффективность управления:​​ Разработанная в данном решении система управления гибридной ветро-солнечной генерацией электроэнергии успешно достигает оптимального управления зарядкой/разрядкой аккумулятора через интеллектуальный комбинированный алгоритм управления Fuzzy-PID. Это не только эффективно защищает аккумулятор и продлевает его срок службы, но также повышает эффективность захвата ветра и солнечной энергии через MPPT, тем самым улучшая общую эффективность всей системы генерации электроэнергии.
• ​Экспериментальная проверка:​​ Экспериментальные результаты показывают, что контроллер правильно и осуществимо спроектирован, работает безопасно и надежно, демонстрирует хорошую динамическую реакцию и статическую точность.
• ​Перспективы применения:​​ Этот интегрированный гибридный ветро-солнечный генератор электроэнергии с технологией интеллектуального управления аккумулятором особенно подходит для сценариев, таких как удаленные районы без охвата сетью, острова, пастбища и базовые станции связи. Он предлагает значительные экономические и социальные выгоды и имеет широкие перспективы применения.