Inteligentni hibridni sistem sa sunčevom i vetrovom energijom sa Fuzzy-PID kontrolom za poboljšano upravljanje baterijama i MPPT

Sažetak​

Ovaj predlog predstavlja hibridni sistem proizvodnje struje od vjetra i sunca temeljen na naprednoj tehnologiji kontrole, s ciljem efikasne i ekonomične obrade potreba za strujom u udaljenim područjima i posebnim primjenama. Srž sistema je inteligentni kontrolni sistem zasnovan na mikroprocesoru ATmega16. Ovaj sistem obavljaje praćenje maksimalne točke snage (MPPT) za oba izvora energije, vjetar i sunce, i koristi optimizirani algoritam koji kombinira PID i fazi kontrolu za preciznu i učinkovitu upravljanje punjenjem/iskoristvenjem ključnog komponenta - baterije. Time se značajno povećava ukupna učinkovitost proizvodnje struje, produžuje vijek trajanja baterije i osigurava pouzdanost i ekonomičnost opskrbe strujom.

​I. Pozadina projekta i značaj​

1. ​Energetski kontekst:​​ Globalno, tradicionalni fosilni goriva sve više nestaju, stvarajući ozbiljne izazove energetskoj sigurnosti i održivom razvoju. Energijom iz vjetra i sunca postaje strategijski prioritet za rješavanje trenutnih energetskih i ekoloških problema.
2. ​Vrijednost sistema:​​ Hibridni sustav vjetar-sunce iskorištava prirodne komplementarne karakteristike vjetra i sunca u pogledu vremenskih i geografskih aspekata (npr. jaki suncokret tokom dana, možda jači vjetar noću), premađujući intermitenciju jedinstvene izvore proizvodnje struje. To je strukturno racionalno, nisko-operativno troškovno rješenje nezavisne opskrbe strujom, koje učinkovito rješava probleme opskrbe strujom za objekte poput stanovanja, baznih stanica za komunikaciju i meteoroloških nadzornih stanica u neelektrificiranim ili slabo elektrificiranim udaljenim područjima.
3. ​Značaj ključnih komponenti:​​ Baterija, koja služi kao spremnik energije, bitna je za osiguranje neprekidne opskrbe strujom opterećenja tijekom razdoblja bez vjetra ili sunca. Njena cijena čini značajan dio cijelog sustava proizvodnje struje. Stoga, poboljšanje učinkovitosti punjenja baterije i optimizacija njihovih strategija punjenja/iskoristvenja za produženje vijeka trajanja su ključni za smanjenje troškova životnog vijeka sustava i poboljšanje operativne pouzdanosti.

​II. Opći dizajn sustava​

1. ​Ključni ciljevi sustava:​​
• ​Optimizacija hvatanja energije:​​ Obavljajte optimalnu kontrolu za maksimalnu učinkovitost na struju generiranu vetrogeneratorom i fotovoltaičnim panelima, ostvarujući praćenje maksimalne točke snage (MPPT) kako bi se iskoristili prirodni resursi.
• ​Upravljanje sustavom za pohranu energije:​​ Inteligentno upravljajte procesom punjenja i iskoristvenja baterije, sprečavajući prekomjerno punjenje i iskoristvenje, učinkovito štitite bateriju i značajno poboljšavate učinkovitost punjenja i vijek trajanja.
2. ​Hardverska arhitektura sustava:​​

Sustav se sastoji od tri glavna funkcionalna modula, koordinirana s centralnim kontrolnim CPU-om kako bi se formirao kompletni inteligentni kontrolni sustav.

​III. Ključna kontrolna tehnologija: Inteligentno upravljanje baterijama​

1. ​Izbor i osnove baterija:​​
• ​Tip:​​ Ovo rješenje bira održavane loze-vodikove baterije, koje su tehnološki zrele i niske troškove, prikladne za male hibridne sustave vjetra i sunca.
• ​Način rada:​​ Punjenje i iskoristvenje baterije su u suštini procesi pretvorbe električne energije u kemijsku energiju i obrnuto. Međutim, zbog pojava poput polarizacije elektrode, učinkovitost pretvorbe energije ne može dosegnuti 100%.
2. ​Izazovi u kontroli i strategija optimizacije:​​
• ​Nedostaci tradicionalne kontrole:​​ Klasične metode PID kontrole značajno se oslanjaju na točan matematički model kontroliranog objekta (baterija). Baterija je nelinearni, vremenski varijabilni sustav čiji parametri (unutrašnji otpor, gustoća elektrolita itd.) dinamički se mijenjaju s temperaturom okruženja i stanjem upotrebe, što čini teškim postavljanje točnog modela. To dovodi do izazova u podešavanju tradicionalnih PID parametara, loše prilagodljivosti i suboptimalne performanse kontrole.
• ​Adoptirana napredna metoda kontrole:​​ Ovo rješenje koristi Fuzzy-PID složenu strategiju kontrole, kombinirajući prednosti oboje:
• ​Prednost Fuzzy kontrole:​​ Ne zahtijeva točan matematički model kontroliranog objekta, može obraditi neprecizne ulazne informacije, pokazuje snažnu prilagodljivost promjenama parametara baterije i može uključiti znanje stručnjaka.
• ​Prednost PID kontrole:​​ Može postići visoku preciznost, nultu statičku grešku kontrole kada je odstupanje sustava malo.
• ​Tok rada kontrolera:​​ Sustav kontinuirano nadgleda razliku e(t) između postavljene i stvarne napetosti baterije. Kada je odstupanje e(t) veliko, dominira fuzzy kontrola za brzu reakciju. Kada e(t) smanji unutar određenog opsega, gladko se prelazi na PID kontrolu za fino podešavanje. Konačno, izlazni signal u(t) se prilagođava za kontrolu faktora radnog ciklusa MOSFET-a, postizajući dinamičku optimizaciju struje punjenja.

​IV. Sažetak rješenja i perspektive​

• ​Učinkovitost kontrole:​​ Kontrolni sustav hibridne proizvodnje struje od vjetra i sunca dizajniran u ovom rješenju uspješno postiže optimalno upravljanje punjenjem/iskoristvenjem baterije kroz komplementaran inteligentni Fuzzy-PID algoritam kontrole. To ne samo učinkovito štiti bateriju i produžuje njen vijek trajanja, već i poboljšava učinkovitost hvatanja vjetra i sunca putem MPPT, time poboljšavajući ukupnu učinkovitost cijelog sustava proizvodnje struje.
• ​Eksperimentalna verifikacija:​​ Eksperimentalni rezultati pokazuju da je kontroler ispravno i fezibilno dizajniran, radi sigurno i pouzdano, i pokazuje dobru dinamičku reakcijsku performansu i statičku preciznost.
• ​Perspektive primjene:​​ Ovo integrirano rješenje hibridne proizvodnje struje od vjetra i sunca s inteligentnom tehnologijom upravljanja baterijama posebno je prikladno za scenarije poput udaljenih područja bez mrežnog pokrivača, ostrva, pašnjaka i baznih stanica za komunikaciju. Nudi značajne ekonomske i društvene prednosti i ima široke perspektive primjene.