Ett intelligentsystem för vind-solhybrid med Fuzzy-PID-styrning för förbättrad batterihantering och MPPT

Sammanfattning

Denna förslag presenterar ett vind-sol hybrid elsystem baserat på avancerad styrteknik, med målet att effektivt och ekonomiskt tillgodose energibehoven i avlägsna områden och särskilda tillämpningsområden. Kärnan i systemet ligger i ett intelligensstyrande system centrerat kring en ATmega16-mikroprocessor. Detta system utför Maximum Power Point Tracking (MPPT) för både vind- och solenergi och använder en optimerad algoritm som kombinerar PID- och suddig styrning för precist och effektivt laddning/avlastningshantering av den viktigaste komponenten - batteriet. Därför ökar det betydligt den totala elförsörjningseffektiviteten, förlänger batteriets livslängd och säkerställer tillförlitlighet och kostnadseffektivitet i elförsörjningen.

I. Projektbakgrund och betydelse

1. Energiinriktning: Globalt sett är de traditionella fossila bränslena alltmer uttömda, vilket ger allvarliga utmaningar för energisäkerhet och hållbar utveckling. Att intensivt utveckla och använda rena, förnybara energikällor som vind- och solkraft har blivit en strategisk prioritet för att lösa aktuella energi- och miljöproblem.
2. Systemets värde: Vind-sol hybridsystemet utnyttjar fullt ut den naturliga kompletterande karaktären hos vind- och solenergi i termer av tidsmässigt och geografiskt (t.ex. stark solljus under dagen, potentiellt starkare vindar natten), övervinner intermittensen av enskild källa elförsörjning. Det är en strukturellt rationell, lågdriftskostnad oberoende elförsörjningslösning, som effektivt löser energiförsörjningsproblemen för anläggningar som boende, kommunikationsstationer och meteorologiska övervakningsstationer i områden utan eller med svag elektrifiering.
3. Betydelsen av kärnkomponenter: Batteriet, som fungerar som systemets energilagringsenhet, är avgörande för att säkerställa kontinuerlig elförsörjning till belastningen under perioder utan vind eller solljus. Dess kostnad utgör en betydande del av hela elförsörjningssystemet. Därför är det viktigt att förbättra batteriladdningseffektiviteten och optimera dess ladd/avlastningsstrategier för att förlänga dess tjänsteliv, vilket är avgörande för att minska systemets livscykelkostnad och öka driftsäkerheten.

II. Övergripande systemdesign

1. Systemets kärnmål:
• Energinsamlingsoptimering: Utför optimal styrning för maximal effektivitet på el som genereras av vindturbin och fotovoltaiska paneler, uppnår Maximum Power Point Tracking (MPPT) för att fullt utnyttja naturresurser.
• Energilagringsystemshantering: Hanterar intelligenta batteriladdning och avlastningsprocesser, förhindrar överladdning och överavlastning, skyddar effektivt batteriet och förbättrar betydligt dess laddningseffektivitet och tjänsteliv.
2. Systemets maskinvaraarkitektur:

Systemet består av tre huvudfunktionsmoduler, samordnade av en central styruCPU för att forma ett komplett intelligensstyrande system.

III. Kärnstyrteknik: Intelligensbatterihantering

1. Batterival och grunder:
• Typ: Denna lösning väljer underhållsfria blysyrbatterier, som är tekniskt mogna och lågprisade, lämpliga för småskaliga vind-sol hybridsystem.
• Arbetsprincip: Batteriladdning och avlastning är i grund och botten processer för att konvertera elektrisk energi till kemisk energi och vice versa. På grund av fenomen som elektrodpolering kan energiomvandlingsverkningsgraden dock inte nå 100%.
2. Styrningsutmaningar och optimeringsstrategi:
• Nackdelar med traditionell styrning: Klassiska PID-styrmetoder beror tungt på en exakt matematisk modell av det styrda objektet (batteriet). Batteriet är ett icke-linjärt, tidsvarierande system vars parametrar (intern motstånd, elektrolyt densitet, etc.) ändras dynamiskt med miljötemperatur och användningsstatus, vilket gör det svårt att etablera en exakt modell. Det leder till utmaningar i att ställa in traditionella PID-parametrar, dålig anpassningsförmåga och suboptimal styrningsprestanda.
• Tillämpad avancerad styrmetod: Denna lösning använder en Fuzzy-PID sammansatt styrstrategi, som kombinerar fördelarna med båda:
• Fördel med suddig styrning: Kräver inte en exakt matematisk modell av det styrda objektet, kan hantera osäker indatainformation, visar stark anpassningsförmåga till förändringar i batteriparametrar, och kan integrera expertkunskap.
• Fördel med PID-styrning: Kan uppnå högprecision, noll stillaståendefelstyrning när systemavvikelsen är liten.
• Regulatorarbetsflöde: Systemet övervakar kontinuerligt skillnaden e(t) mellan batteriets inställda spänning och dess faktiska spänning. När avvikelsen e(t) är stor dominerar suddig styrning för en snabb respons. När e(t) minskar inom ett visst intervall växlar det smidigt till PID-styrning för finjustering. Slutligen justeras utgångssignalen u(t) för att styra strömmosfetens duty-cykel, vilket uppnår dynamisk optimering av laddningsströmmen.

IV. Löstillsammansfattning och framtidsutsikter

• Styrningseffektivitet: Vind-sol hybrid elförsörjningsstyrsystemet som utformats i denna lösning lyckas framgångsrikt uppnå optimal batteriladdning/avlastningshantering genom den kompletterande intelligenta Fuzzy-PID-styrningsalgoritmen. Detta skyddar effektivt batteriet och förlänger dess tjänsteliv, men förbättrar också fångstverkningsgraden av vind- och solenergi genom MPPT, vilket därmed förbättrar den totala effektiviteten av hela elförsörjningssystemet.
• Experimentell verifiering: Experimentella resultat visar att regulatorn är korrekt och möjligt designad, opererar säkert och pålitligt, och visar god dynamisk responsprestanda och stillastående noggrannhet.
• Tillämpningsutsikter: Denna integrerade vind-sol hybrid elförsörjningslösning med intelligensbatterihanteringsteknik är särskilt lämplig för scenarier som avlägsna områden utan nät, öar, betesmarker och kommunikationsstationer. Den erbjuder betydande ekonomiska och sociala fördelar och har breda tillämpningsutsikter.