Інтелектуальна гібридна система вітрово-сонячної енергетики з керуванням Fuzzy-PID для покращеного управління акумуляторами та МПТТ

Абстракт​

Цей проект представляє гібридну систему виробництва електроенергії на основі сонячної та вітрової енергії, засновану на передовій технології керування, спрямовану на ефективне та економічне задоволення потреб у електроенергії для віддалених районів та спеціальних сценаріїв застосування. Серцевина системи полягає в інтелектуальній системі керування, яка базується на мікропроцесорі ATmega16. Ця система виконує Maximum Power Point Tracking (MPPT) для обох джерел енергії - вітрової та сонячної, а також використовує оптимізований алгоритм, що поєднує PID та нечітке керування, для точного та ефективного управління зарядкою/розрядкою ключового компонента - акумулятора. В результаті це значно підвищує загальну ефективність виробництва електроенергії, продовжує термін служби акумулятора та забезпечує надійність та економічність постачання електроенергії.

​I. Фон проекту та його значущість​

1. ​Енергетичний контекст:​​ На глобальному рівні запаси традиційних видів палива все більше виснажуються, що створює серйозні проблеми для енергетичної безпеки та сталого розвитку. Руйнівне розвиток та використання чистих, відновлюваних джерел енергії, таких як вітрова та сонячна, стало стратегічним пріоритетом для вирішення поточних енергетичних та екологічних проблем.
2. ​Цінність системи:​​ Гібридна система вітрово-сонячної енергії повністю використовує природні комплементарні характеристики вітрової та сонячної енергії в часовому та географічному відношенні (наприклад, сильне світло в денні години, можливо, сильніший вітер вночі), подолуючи періодичність виробництва електроенергії з одного джерела. Це структурно раціональне, низькооперативне рішення для автономного забезпечення електроенергією, що ефективно вирішує проблеми постачання енергії для об'єктів, таких як житлові будівлі, базові станції зв'язку та метеорологічні станції у невіддалених або слабо електрифікованих районах.
3. ​Вага ключових компонентів:​​ Акумулятор, що служить одиницею зберігання енергії системи, є важливим для забезпечення неперервного постачання електроенергії до навантаження під час періодів без вітру або сонячного світла. Його вартість становить значну частину всієї системи виробництва електроенергії. Тому, покращення ефективності зарядки акумулятора та оптимізація стратегій зарядки/розрядки для продовження строку служби є важливими для зменшення вартості циклу життя системи та підвищення надійності роботи.

​II. Загальний проект системи​

1. ​Основні цілі системи:​​
• ​Оптимізація захоплення енергії:​​ Виконання оптимального керування для максимального КПД електроенергії, виробленої вітровим генератором та фотоелементами, досягнення Maximum Power Point Tracking (MPPT) для повного використання природних ресурсів.
• ​Керування системою зберігання енергії:​​ Інтелектуальне управління процесом зарядки та розрядки акумулятора, запобігання перевантаження та перевипадку, ефективна захиста акумулятора, значне підвищення ефективності зарядки та строку служби.
2. ​Архітектура апаратного забезпечення системи:​​

Система складається з трьох основних функціональних модулів, координованих центральним контролером CPU, що формують повну інтелектуальну систему керування.

​III. Основна технологія керування: Інтелектуальне управління акумулятором​

1. ​Вибір та основи акумулятора:​​
• ​Тип:​​ Це рішення вибирає безпідтримкові свинцево-кислотні акумулятори, які мають зрілу технологію та низьку вартість, придатні для малих гібридних систем вітрово-сонячної енергії.
• ​Принцип роботи:​​ Процеси зарядки та розрядки акумулятора є суттєво процесами перетворення електричної енергії на хімічну та навпаки. Однак, через явища, такі як поляризація електродів, ефективність перетворення енергії не може досягти 100%.
2. ​Виклики керування та стратегія оптимізації:​​
• ​Недоліки традиційного керування:​​ Класичні методи керування PID сильно залежать від точного математичного моделювання об'єкта керування (акумулятора). Акумулятор є нелінійною, змінною в часі системою, параметри якої (внутрішнє опор, щільність електроліту тощо) динамічно змінюються зі зміною температури оточення та стану використання, що робить складним створення точного моделювання. Це призводить до проблем з налаштуванням традиційних параметрів PID, низької адаптивності та поганої якості керування.
• ​Застосований передовий метод керування:​​ Це рішення використовує комбіновану стратегію Fuzzy-PID, поєднуючи переваги обох:
• ​Перевага нечіткого керування:​​ Не вимагає точного математичного моделювання об'єкта керування, може обробляти неточні вхідні дані, демонструє сильну адаптивність до змін параметрів акумулятора та може враховувати знання експертів.
• ​Перевага керування PID:​​ Може досягти високої точності, нульову статичну помилку керування, коли відхилення системи невелике.
• ​Робочий процес контролера:​​ Система постійно моніторить різницю e(t) між заданою напругою акумулятора та фактичною напругою. Коли відхилення e(t) велике, домінує нечітке керування для швидкої реакції. Коли e(t) зменшується до певного діапазону, гладко переходять до керування PID для точного налаштування. В кінцевому підсумку, вихідний сигнал u(t) налаштовується для керування циклом роботи MOSFET, досягаючи динамічної оптимізації струму зарядки.

​IV. Підсумок рішення та перспективи​

• ​Ефективність керування:​​ Гібридна система виробництва електроенергії на основі вітрово-сонячної енергії, розроблена в цьому рішенні, успішно досягає оптимального управління зарядкою/розрядкою акумулятора за допомогою інтелектуального комбінованого алгоритму Fuzzy-PID. Це не тільки ефективно захищає акумулятор та продовжує його строк служби, але також підвищує ефективність захоплення вітрової та сонячної енергії за допомогою MPPT, що підвищує загальну ефективність всієї системи виробництва електроенергії.
• ​Експериментальна перевірка:​​ Експериментальні результати показують, що контролер правильно та практично спроектований, працює безпечно та надійно, демонструючи гарну динамічну відповідь та статичну точність.
• ​Перспективи застосування:​​ Це інтегроване рішення гібридної системи виробництва електроенергії на основі вітрово-сонячної енергії з технологією інтелектуального управління акумулятором особливо підходить для сценаріїв, таких як віддалені райони без мережевого покриття, острови, пастбища та базові станції зв'язку. Воно надає значні економічні та соціальні переваги та має широкі перспективи застосування.