Inteligentni hibridni sistem vetrne-solske energije z neizrazitim-PID nadzorom za izboljšano upravljanje baterij in MPPT

Povzetek​

Ta predlog predstavlja hibridni sistem za proizvodnjo električne energije iz vjetra in sončne energije, temelječ na naprednih tehnologijah nadzora, z namenom učinkovite in ekonomične rešitve potreb po energiji v oddaljenih območjih in posebnih uporabnih scenarijih. Srce sistema je inteligentni sistem nadzora, ki se osredotoča na mikroprocesor ATmega16. Ta sistem izvaja sledenje maksimalnemu točki moči (MPPT) za oba vira energije in uporablja optimizirani algoritem, ki kombinira PID in neodločno krmiljenje za natančno in učinkovito upravljanje nabiranja/raznabiranja ključne komponente - baterije. Tako znatno poveča celotno učinkovitost proizvodnje energije, podaljša življenjsko dobo baterije in zagotavlja zanesljivost in ekonomičnost oskrbe s strujom.

​I. Ozadje projekta in njegova pomen​

1. ​Energetska kontekst:​​ Po vsem svetu so tradicionalni fosilni gorivi vse bolj isčrpani, kar predstavlja resne izzive za energetsko varnost in trajnostni razvoj. Uspešno razvijanje in uporaba čistih, obnovljivih virov energije, kot sta vetrna in sončna energija, postala je strategična prednost pri reševanju trenutnih energetskih in okoljskih izzivov.
2. ​Vrednost sistema:​​ Hibridni sistem vetrne in sončne energije v celoti izkorišča naravne komplementarne lastnosti teh virov glede na čas in geografijo (npr. močno sončno svetlobo med danom, možno močnejše vetre nočju), premosti intermitentnost enosmernega proizvodnje energije. To je strukturno razumno, nizko-operacijsko stroškovno rešitev samostojne oskrbe s strujom, ki učinkovito rešuje probleme z oskrbo s strujom za objekte, kot so stanovanjska naselja, komunikacijske bazne staje in meteorološke nadzorne staje v neelektrificiranih ali šibko elektrificiranih oddaljenih območjih.
3. ​Pomen ključnih komponent:​​ Baterija, ki deluje kot enota za shranjevanje energije v sistemu, je ključna za zagotavljanje zvezne oskrbe s strujom za optogo med obdobji brez vetra ali sončnega svetla. Njeni stroški predstavljajo velik del celotnega sistema proizvodnje energije. Zato je izboljšanje učinkovitosti nabiranja baterije in optimizacija strategij nabiranja/raznabiranja za podaljšanje življenjske dobe ključno za zmanjšanje stroškov življenjskega cikla sistema in povečanje operativne zanesljivosti.

​II. Splošni načrt sistema​

1. ​Osnovni cilji sistema:​​
• ​Optimizacija zajemanja energije:​​ Izvedba optimalnega nadzora za največjo učinkovitost električne energije, ki jo proizvodi vetrna turbine in fotovoltaične panele, dosego sledenja maksimalnemu točki moči (MPPT) za popolno uporabo naravnih virov.
• ​Upravljanje sistema za shranjevanje energije:​​ Inteligentno upravljanje procesa nabiranja in raznabiranja baterije, preprečevanje prekomernega nabiranja in raznabiranja, učinkovita zaščita baterije in znatno izboljšanje učinkovitosti nabiranja in življenjske dobe.
2. ​Strojna arhitektura sistema:​​

Sistem se sestoji iz treh glavnih funkcionalnih modulov, ki jih koordinira centralni nadzorni CPU, da tvori popoln inteligentni sistem nadzora.

​III. Osnovna tehnologija nadzora: Inteligentno upravljanje baterij​

1. ​Izbira in osnovi baterij:​​
• ​Vrsta:​​ Ta rešitev izbere vzdrževane olobo-baterije, ki so tehnološko zrele in nizko stroškovne, primerne za mala hibridna sistema vetrne in sončne energije.
• ​Načelo delovanja:​​ Nabiranje in raznabiranje baterij so bistveno procesi pretvorbe električne energije v kemično energijo in obratno. Vendar zaradi pojavov, kot je polarizacija elektrod, učinkovitost pretvorbe energije ne more doseči 100%.
2. ​Nazadnjevalnice nadzora in strategija optimizacije:​​
• ​Nedostatki klasičnega nadzora:​​ Klasični metode PID nadzora se tesno navezujejo na natančen matematični model nadzorovanega objekta (baterije). Baterija je nelinearni, časovno spremenljiv sistem, katerega parametri (notranji upor, gostota elektrolita itd.) dinamično spremeni z okoljsko temperaturo in stanjem uporabe, kar težko omogoča vzpostavitev natančnega modela. To vodi do izzivov pri prilagajanju parametrov klasičnega PID-ja, slabe prilagodljivosti in podobnim izvršilom nadzora.
• ​Uporabljena napredna metoda nadzora:​​ Ta rešitev uporablja Fuzzy-PID kombinirano strategijo nadzora, ki združuje prednosti obeh:
• ​Prednost neodločnega nadzora:​​ Ne zahteva natančnega matematičnega modela nadzorovanega objekta, lahko obdeluje natančne informacije, kaže močno prilagodljivost spremembam parametrov baterije in lahko vključuje strokovno znanje.
• ​Prednost PID nadzora:​​ Lahko doseže visoko natančen, ničelnega statičnega odstopanja nadzor, ko je odstopanje sistema majhno.
• ​Delovanje nadzornika:​​ Sistem stalno spremlja razliko e(t) med nastavljeno in dejansko napetostjo baterije. Ko je odstopanje e(t) veliko, prevladuje neodločni nadzor za hitro odziv. Ko e(t) zmanjša znotraj določenega obsega, gladko preide na PID nadzor za fino prilagajanje. Končno, izhodni signal u(t) je prilagojen za nadzor dolžine impulza MOSFET-a, dosego dinamične optimizacije toka nabiranja.

​IV. Povzetek rešitve in perspektive​

• ​Učinkovitost nadzora:​​ Kontrolni sistem hibridne proizvodnje električne energije iz vetrne in sončne energije, dizajniran v tej rešitvi, uspešno doseže optimalno upravljanje nabiranja/raznabiranja baterije preko komplementarnega inteligentnega Fuzzy-PID algoritma nadzora. To ne le učinkovito zaščiti baterijo in podaljša njeno življenjsko dobo, ampak tudi poveča učinkovitost zajemanja vetrne in sončne energije preko MPPT, s tem poveča celotno učinkovitost sistema proizvodnje energije.
• ​Eksperimentalna preverjanja:​​ Eksperimentalni rezultati kažejo, da je nadzornik pravilno in izvedljivo dizajniran, deluje varno in zanesljivo ter ima dobro dinamično odzivno zmogljivost in statično natančnost.
• ​Perspektive uporabe:​​ Ta integrirana rešitev hibridne proizvodnje električne energije iz vetrne in sončne energije s tehnologijo inteligentnega upravljanja baterij je posebno primerna za scene, kot so oddaljena območja brez mrežnega pokritja, otoki, pašnikarska območja in komunikacijske bazne staje. Prinaša značilne gospodarske in družbene koristi in ima široko perspektivo uporabe.