Интелектуална хибридна система за вятър-слънце с фази-PID контрол за подобряване на управлението на батерии и MPPT

Резюме​

Тази препоръка представя хибридна система за генериране на електроенергия, базирана на вятър и слънце, използваща напредналата контролна технология, с цел ефективно и икономично да отговори на нуждите от енергия в уединени области и специални приложения. Сърцевината на системата е интелигентна контролна система, центрирана около микропроцесора ATmega16. Тази система извършва следене на точката на максимална мощност (MPPT) както за вятъра, така и за слънчевата енергия, и използва оптимизиран алгоритъм, комбиниращ PID и нечеткия контрол, за прецизно и ефективно управление на зареждането/разряждането на ключовия компонент – батерията. По този начин значително се увеличава общата ефективност на генерирането на електроенергия, продължава се животът на батерията и се гарантира надеждността и икономичността на доставката на електроенергия.

​I. Фон и значимост на проекта​

1. ​Енергийни условия:​​ На глобално ниво, традиционните горивни ресурси се изчерпват все повече, което поставя сериозни предизвикателства пред енергийната сигурност и устойчивото развитие. Развитието и използването на чисти, възобновяеми нови енергийни ресурси като вятъра и слънчевата енергия са станали стратегически приоритети за решаване на текущите енергийни и екологични проблеми.
2. ​Стойност на системата:​​ Хибридната вятър-слънчева система в полза използва естествените допълващи се характеристики на вятъра и слънчевата енергия според времето и географското разпределение (например силна слънчева светлина през деня, потенциално по-силни ветрове през нощта), преодолявайки преразходността на едноизточниковата генерация на енергия. Това е структурно рационално, с ниски операционни разходи, решение за независимо електроосигуряване, което ефективно решава проблемите с доставката на енергия за обекти като жилищни зони, комуникационни базови станции и метеорологични наблюдателни станции в области без или с слабо електроосигуряване.
3. ​Значимост на основните компоненти:​​ Батерията, служеща като единица за съхранение на енергията в системата, е критична за осигуряване на непрекъсната доставка на енергия към потребителите по време, когато няма вятър или слънце. Разходите за нея представляват значителна част от цялата система за генериране на енергия. Поради това подобряването на ефективността на зареждането на батерията и оптимизирането на стратегиите за зареждане/разряждане, за да се увеличи жизненият й срок, са важни за намаляване на жизнените разходи на системата и за подобряване на операционната надеждност.

​II. Общ дизайнерски проект на системата​

1. ​Основни цели на системата:​​
• ​Оптимизация на улавянето на енергия:​​ Изпълнява оптимален контрол за максимална ефективност на електроенергията, генерирана от вятърната турбина и фотоелектричните панели, достигайки следене на точката на максимална мощност (MPPT), за да се използват напълно природните ресурси.
• ​Управление на системата за съхранение на енергия:​​ Интелектуално управлява процеса на зареждане и разряждане на батерията, предотвратява прекомерно зареждане и разряждане, ефективно защитава батерията и значително подобрява ефективността на зареждането и жизнения й срок.
2. ​Хардуерна архитектура на системата:​​

Системата се състои от три основни функционални модула, координирани от централен контролен CPU, за да се образува пълен интелигентен контролен систем.

​III. Основна контролна технология: Интелигентно управление на батерии​

1. ​Избор и основи на батерията:​​
• ​Тип:​​ Това решение избира безгрижни оловни-кисели батерии, които са технически зрели и евтини, подходящи за малки вятър-слънчеви хибридни системи.
• ​Принцип на работа:​​ Зареждането и разряждането на батерията са в основата процеси на преобразуване на електрическата енергия в химическа и обратно. Въпреки това, поради явления като поляризация на електродите, ефективността на преобразуването на енергията не може да достигне 100%.
2. ​Предизвикателства при контрола и стратегия за оптимизация:​​
• ​Недостатъци на традиционния контрол:​​ Класическите методи на PID контрол тежко се придържат към точна математическа модель на контролиран обект (батерията). Батерията е нелинейна, временно-променлива система, чиито параметри (вътрешно съпротивление, плътност на електролита и др.) се променят динамично с околната температура и състояние на използване, което затруднява установяването на точна модель. Това води до предизвикателства при настройката на традиционните параметри на PID, лоша адаптивност и подобрен контролен резултат.
• ​Използван метод на напреднал контрол:​​ Това решение използва композитна стратегия на Fuzzy-PID контрол, комбинирайки предимствата на двете:
• ​Преимущество на нечеткия контрол:​​ Не изисква точна математическа модель на контролиран обект, може да обработва неточна входна информация, има силна адаптивност към промените в параметрите на батерията и може да включи експертни знания.
• ​Преимущество на PID контрола:​​ Може да постигне високоточен, нулев стационарен грешков контрол, когато отклонението на системата е малко.
• ​Процес на работа на контролера:​​ Системата непрекъснато наблюдава разликата e(t) между зададеното напрежение на батерията и фактическото напрежение. Когато отклонението e(t) е голямо, доминира нечеткият контрол за бърз отговор. Когато e(t) намалява в определен диапазон, плавно се преминава към PID контрол за финна настройка. Накрая, изходният сигнал u(t) се коригира, за да се контролира цикълът на работата на MOSFET, постигайки динамична оптимизация на тока за зареждане.

​IV. Обобщение на решенията и перспективи​

• ​Ефективност на контрола:​​ Дизайнът на системата за контрол на генерирането на електроенергия, базиран на вятър и слънце, в това решение успешно постига оптимално управление на зареждането/разряждането на батерията чрез допълващия интелигентен Fuzzy-PID контролен алгоритъм. Това не само ефективно защитава батерията и удължава жизнения й срок, но и подобрява ефективността на улавянето на вятърна и слънчева енергия чрез MPPT, което води до подобряване на общата ефективност на цялата система за генериране на електроенергия.
• ​Експериментално потвърждение:​​ Експерименталните резултати показват, че контролерът е правилно и изпълнимо проектиран, работи безопасно и надеждно, и има добра динамична реакция и стационарна точност.
• ​Перспективи за приложение:​​ Това интегрирано решение за генериране на електроенергия, базирано на вятър и слънце, с интелигентна технология за управление на батерии, е особено подходящо за сценарии като уединени области без мрежово покритие, острови, пасища и комуникационни базови станции. То предлага значителни икономически и социални предимства и има широки перспективи за приложение.