Un sistema híbrid d'energia eòlica i solar intel·ligent amb control Fuzzy-PID per a una millor gestió de bateries i MPPT

Resum

Aquesta proposta presenta un sistema de generació d'energia híbrid eòlico-fotovoltaic basat en tecnologia de control avançada, amb l'objectiu d'atendre de manera eficient i econòmica les necessitats energètiques de zones remotes i escenaris d'aplicació especials. El nucli del sistema es troba en un sistema de control intel·ligent centrat en un microprocessador ATmega16. Aquest sistema realitza el seguiment del punt de màxima potència (MPPT) tant per a l'energia eòlica com per a la fotovoltaica i utilitza un algoritme optimitzat que combina el control PID i el control difús per a una gestió de càrrega/descàrrega precisa i eficient del component clau, la bateria. Això incrementa significativament l'eficiència global de la generació d'energia, allarga la vida útil de la bateria i assegura la fiabilitat i l'eficiència econòmica del subministrament d'energia.

I. Context i importància del projecte

1. Context energètic: A nivell global, els combustibles fòssils tradicionals s'estan esgotant ràpidament, posant greus reptes a la seguretat energètica i al desenvolupament sostenible. El desenvolupament i l'ús intensius d'energies renovables i limpes com l'eòlica i la fotovoltaica han esdevingut una prioritat estratègica per resoldre els problemes actuals d'energia i medi ambient.
2. Valor del sistema: El sistema híbrid eòlico-fotovoltaic aprovecha plenament les característiques complementàries naturals de l'energia eòlica i solar en termes de temps i geografia (per exemple, llum solar forta durant el dia, possiblement vents més forts a la nit), superant la intermitència de la generació d'energia d'una sola font. És una solució de subministrament d'energia autònoma estructuralment raonable i de baix cost operatiu, que resol eficientment els problemes d'abastament energètic per a instal·lacions com residències, estacions de base de comunicacions i estacions de monitorització meteorològica en zones no electrificades o feblement electrificades.
3. Importància dels components clau: La bateria, que serveix com a unitat d'emmagatzematge d'energia, és crucial per assegurar el subministrament continu d'energia a la càrrega en períodes sense vent ni llum solar. El seu cost constitueix una part significativa del sistema de generació d'energia. Per tant, millorar l'eficiència de càrrega de la bateria i optimitzar les seves estratègies de càrrega/descàrrega per allargar-ne la vida útil són vitals per reduir el cost cíclic del sistema i augmentar la fiabilitat operativa.

II. Disseny general del sistema

1. Objectius principals del sistema:
• Optimització de la captació d'energia: Realitzar un control òptim per a una màxima eficiència de l'electricitat generada pel aerogenerador i els panells fotovoltaics, assolint el seguiment del punt de màxima potència (MPPT) per aprofitar plenament els recursos naturals.
• Gestió del sistema d'emmagatzematge d'energia: Gestionar intel·ligentment el procés de càrrega i descàrrega de la bateria, prevenir la sobrecàrrega i la sobredescàrrega, protegir efectivament la bateria i millorar significativament la seva eficiència de càrrega i la seva vida útil.
2. Arquitectura de maquinari del sistema:

El sistema consta de tres mòduls funcionals principals, coordinats per un CPU de control central per formar un sistema de control intel·ligent complet.

III. Tecnologia de control central: Gestió intel·ligent de la bateria

1. Selecció i conceptes bàsics de la bateria:
• Tipus: Aquesta solució selecciona bateries d'àcid-plom sense manteniment, que són tecnològicament madures i de baix cost, adequades per a sistemes híbrids eòlico-fotovoltaics de petita escala.
• Principi de funcionament: La càrrega i descàrrega de la bateria són essencialment processos de conversió d'energia elèctrica a química i viceversa. No obstant això, degut a fenòmens com la polarització de l'electrode, l'eficiència de conversió d'energia no pot arribar al 100%.
2. Reptes de control i estratègia d'optimització:
• Inconvenients del control tradicional: Els mètodes de control PID clàssics depenen molt d'un model matemàtic precís de l'objecte controlat (la bateria). La bateria és un sistema no lineal i variant en el temps, els seus paràmetres (resistència interna, densitat de l'electrolit, etc.) canvien dinàmicament amb la temperatura ambiental i l'estat d'ús, fent difícil establir un model precís. Això porta a reptes en la regulació dels paràmetres PID tradicionals, una baixa adaptabilitat i un rendiment de control subòptim.
• Mètode de control avançat adoptat: Aquesta solució utilitza una estratègia de control compost Fuzzy-PID, combinant les avantatges de tots dos:
• Avantatge del control difús: No requereix un model matemàtic exacte de l'objecte controlat, pot gestionar informació d'entrada imprecisa, mostra una forta adaptabilitat als canvis en els paràmetres de la bateria i pot incorporar coneixement expert.
• Avantatge del control PID: Pot assolir un control de precisió elevada, amb zero error estacionari, quan la desviació del sistema és petita.
• Flux de treball del controlador: El sistema monitoritza continuament la diferència e(t) entre el voltatge fixat de la bateria i el seu voltatge real. Quan la desviació e(t) és gran, el control difús domina per una resposta ràpida. Quan e(t) disminueix dins d'un rang determinat, es passa suavement al control PID per a una regulació fina. Finalment, la senyal de sortida u(t) s'ajusta per controlar el cicle de treball del MOSFET, assolint una optimització dinàmica de la corrent de càrrega.

IV. Resum de la solució i perspectives

• Efectivitat del control: El sistema de control de generació d'energia híbrid eòlico-fotovoltaic dissenyat en aquesta solució assolix amb èxit una gestió òptima de la càrrega/descàrrega de la bateria mitjançant l'algoritme de control intel·ligent Fuzzy-PID complementari. Això no només protegeix eficientment la bateria i allarga la seva vida útil, sinó que també millora l'eficiència de captació d'energia eòlica i solar a través del MPPT, millorant així l'eficiència global del sistema de generació d'energia.
• Verificació experimental: Els resultats experimentals mostren que el controlador està dissenyat correctament i de manera factible, opera de manera segura i fiable, i exhibeix un bon rendiment de resposta dinàmica i precisió estacionària.
• Perspectives d'aplicació: Aquesta solució integrada de generació d'energia híbrid eòlico-fotovoltaica amb tecnologia de gestió intel·ligent de la bateria és particularment adequada per a escenaris com zones remotes sense cobertura de xarxa, illes, pastures i estacions de base de comunicacions. Ofereix beneficis econòmics i socials significatius i té àmplies perspectives d'aplicació.