Hệ thống lai gió-mặt trời thông minh với điều khiển Fuzzy-PID để tăng cường quản lý pin và MPPT

Tóm tắt​

Đề xuất này trình bày một hệ thống phát điện lai gió-năng lượng mặt trời dựa trên công nghệ điều khiển tiên tiến, nhằm giải quyết hiệu quả và kinh tế nhu cầu điện cho các khu vực xa xôi và các kịch bản ứng dụng đặc biệt. Lõi của hệ thống nằm ở một hệ thống điều khiển thông minh tập trung vào vi xử lý ATmega16. Hệ thống này thực hiện theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) cho cả năng lượng gió và năng lượng mặt trời và sử dụng thuật toán tối ưu kết hợp PID và điều khiển mờ để quản lý sạc/xả chính xác và hiệu quả cho thành phần quan trọng - pin. Do đó, nó tăng đáng kể hiệu suất tổng thể của việc phát điện, kéo dài tuổi thọ pin và đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả chi phí của nguồn điện.

​I. Bối cảnh Dự án và Ý nghĩa​

1. ​Bối cảnh Năng lượng:​​ Toàn cầu, nhiên liệu hóa thạch truyền thống ngày càng cạn kiệt, đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với an ninh năng lượng và phát triển bền vững. Phát triển mạnh mẽ và sử dụng các nguồn năng lượng mới sạch, tái tạo như gió và năng lượng mặt trời đã trở thành ưu tiên chiến lược để giải quyết các vấn đề năng lượng và môi trường hiện nay.
2. ​Giá trị của Hệ thống:​​ Hệ thống lai gió-năng lượng mặt trời tận dụng triệt để tính chất bổ sung tự nhiên của năng lượng gió và năng lượng mặt trời về thời gian và địa lý (ví dụ: ánh sáng mặt trời mạnh trong ngày, có thể gió mạnh hơn vào ban đêm), khắc phục được sự gián đoạn của việc phát điện từ nguồn đơn lẻ. Đây là một giải pháp cung cấp điện độc lập có cấu trúc hợp lý, chi phí vận hành thấp, giải quyết hiệu quả vấn đề cung cấp năng lượng cho các cơ sở như sinh hoạt dân cư, trạm cơ sở thông tin liên lạc, và trạm giám sát khí tượng tại các khu vực xa xôi chưa có điện hoặc điện yếu.
3. ​Tầm quan trọng của Các Thành phần Chính:​​ Pin, đóng vai trò là đơn vị lưu trữ năng lượng, rất quan trọng để đảm bảo cung cấp điện liên tục cho tải trong các khoảng thời gian không có gió hoặc ánh sáng mặt trời. Chi phí của nó chiếm một tỷ lệ đáng kể trong toàn bộ hệ thống phát điện. Do đó, cải thiện hiệu suất sạc pin và tối ưu hóa chiến lược sạc/xả của nó để kéo dài tuổi thọ là rất quan trọng để giảm chi phí vòng đời của hệ thống và nâng cao độ tin cậy vận hành.

​II. Thiết kế Tổng thể của Hệ thống​

1. ​Mục tiêu Chính của Hệ thống:​​
• ​Tối ưu Hóa Thu Nhập Năng lượng:​​ Thực hiện điều khiển tối ưu để đạt hiệu suất cao nhất trên điện năng do tua bin gió và tấm pin mặt trời tạo ra, đạt được theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) để tận dụng triệt để tài nguyên thiên nhiên.
• ​Quản lý Hệ thống Lưu trữ Năng lượng:​​ Quản lý thông minh quá trình sạc và xả pin, ngăn chặn tình trạng sạc quá mức và xả quá mức, bảo vệ hiệu quả pin, và cải thiện đáng kể hiệu suất sạc và tuổi thọ của pin.
2. ​Kết cấu Phần cứng của Hệ thống:​​

Hệ thống bao gồm ba mô-đun chức năng chính, được điều phối bởi CPU điều khiển trung tâm để hình thành một hệ thống điều khiển thông minh hoàn chỉnh.

​III. Công nghệ Điều khiển Chính: Quản lý Pin Thông minh​

1. ​Lựa chọn và Cơ bản về Pin:​​
• ​Loại:​​ Giải pháp này chọn pin chì axit miễn bảo dưỡng, kỹ thuật đã chín muỗm và giá rẻ, phù hợp cho các hệ thống lai gió-năng lượng mặt trời quy mô nhỏ.
• ​Nguyên tắc Làm việc:​​ Quá trình sạc và xả pin thực chất là quá trình chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa học và ngược lại. Tuy nhiên, do hiện tượng phân cực điện cực, hiệu suất chuyển đổi năng lượng không thể đạt 100%.
2. ​Thách thức Điều khiển và Chiến lược Tối ưu:​​
• ​Nhược điểm của Điều khiển Truyền thống:​​ Phương pháp điều khiển PID cổ điển phụ thuộc nặng nề vào mô hình toán học chính xác của đối tượng được điều khiển (pin). Pin là hệ thống phi tuyến, thay đổi theo thời gian, các tham số (điện trở nội, mật độ điện giải, v.v.) thay đổi động với nhiệt độ môi trường và trạng thái sử dụng, khiến việc thiết lập mô hình chính xác trở nên khó khăn. Điều này dẫn đến thách thức trong việc điều chỉnh các tham số PID truyền thống, khả năng thích ứng kém, và hiệu suất điều khiển không tối ưu.
• ​Phương pháp Điều khiển Tiên tiến Được áp dụng:​​ Giải pháp này sử dụng chiến lược điều khiển tổng hợp Fuzzy-PID, kết hợp lợi ích của cả hai:
• ​Lợi ích của Điều khiển Mờ:​​ Không yêu cầu mô hình toán học chính xác của đối tượng được điều khiển, có thể xử lý thông tin đầu vào không chính xác, có khả năng thích ứng mạnh mẽ với sự thay đổi các tham số pin, và có thể kết hợp kiến thức chuyên gia.
• ​Lợi ích của Điều khiển PID:​​ Có thể đạt được điều khiển chính xác, không sai số ổn định khi sai số hệ thống nhỏ.
• ​Quy trình Làm việc của Bộ điều khiển:​​ Hệ thống liên tục theo dõi sự khác biệt e(t) giữa điện áp đặt của pin và điện áp thực tế. Khi sai số e(t) lớn, điều khiển mờ chiếm ưu thế để phản ứng nhanh. Khi e(t) giảm xuống trong một phạm vi nhất định, nó chuyển mượt mà sang điều khiển PID để tinh chỉnh. Cuối cùng, tín hiệu đầu ra u(t) được điều chỉnh để kiểm soát chu kỳ làm việc của MOSFET, đạt được tối ưu hóa động của dòng sạc.

​IV. Tóm tắt Giải pháp và Triển vọng​

• ​Hiệu quả Điều khiển:​​ Hệ thống điều khiển phát điện lai gió-năng lượng mặt trời được thiết kế trong giải pháp này thành công đạt được quản lý sạc/xả pin tối ưu thông qua thuật toán điều khiển thông minh Fuzzy-PID bổ sung. Điều này không chỉ bảo vệ hiệu quả pin và kéo dài tuổi thọ của nó, mà còn tăng cường hiệu suất thu năng lượng gió và năng lượng mặt trời thông qua MPPT, do đó cải thiện hiệu suất tổng thể của toàn bộ hệ thống phát điện.
• ​Xác minh Thí nghiệm:​​ Kết quả thí nghiệm cho thấy bộ điều khiển được thiết kế đúng và khả thi, hoạt động an toàn và đáng tin cậy, và có hiệu suất đáp ứng động tốt và độ chính xác ổn định.
• ​Triển vọng Ứng dụng:​​ Giải pháp phát điện lai gió-năng lượng mặt trời tích hợp với công nghệ quản lý pin thông minh này đặc biệt phù hợp cho các kịch bản như các khu vực xa xôi không có lưới điện, đảo, đồng cỏ, và trạm cơ sở thông tin liên lạc. Nó mang lại lợi ích kinh tế và xã hội đáng kể và có triển vọng ứng dụng rộng rãi.