Inteligentní hybridní systém větrná-slněčná s fuzzy-PID řízením pro vylepšené správu baterií a MPPT

Abstrakt

Tento návrh představuje hybridní větrně-slněční systém pro výrobu elektrické energie založený na pokročilých ovládacích technologiích, jehož cílem je efektivní a ekonomické řešení potřeb energetiky v odlehlých oblastech a speciálních aplikacích. Jádro systému tvoří inteligentní ovládací systém s mikroprocesorem ATmega16. Tento systém provádí sledování bodu maximálního výkonu (MPPT) jak pro větrnou, tak i slněční energii a používá optimalizovaný algoritmus kombinující PID a fuzzy kontrolu pro přesné a efektivní správu nabíjení a vybíjení klíčové komponenty – baterie. Díky tomu se značně zvyšuje celková efektivita výroby elektrické energie, prodlužuje životnost baterie a zajišťuje spolehlivost a ekonomickou efektivitu dodávky energie.

I. Pozadí projektu a význam

1. Energetický kontext: Globálně dochází k stále většímu vyčerpání tradičních fosilních paliv, což představuje vážné výzvy pro energetickou bezpečnost a udržitelný rozvoj. Intenzivní rozvoj a využívání čistých, obnovitelných zdrojů energie, jako jsou větrná a slněční energie, se stalo strategickou prioritou pro řešení současných energetických a environmentálních problémů.
2. Hodnota systému: Hybridní větrně-slněční systém plně využívá přirozené doplňkové charakteristiky větrné a slněční energie v časovém a geografickém rozměru (např. silné slunce během dne, potenciálně silnější větry v noci), překonává intermitentnost jednozdrojové výroby energie. Je to strukturálně racionální, nízkoprovozní samostatná energetická dodávka, která efektivně řeší problémy s dodávkou energie zařízením, jako jsou byty, komunikační stanice a meteorologické monitorovací stanice v neelektrifikovaných nebo slabě elektrifikovaných odlehlých oblastech.
3. Význam klíčových komponent: Baterie, která slouží jako úložiště energie systému, je klíčová pro zajištění nepřetržité dodávky energie do zátěže v dobách, kdy není větrná nebo slněční energie. Její cena představuje významnou část nákladů na celý systém pro výrobu energie. Proto je zlepšení efektivity nabíjení baterie a optimalizace strategií nabíjení a vybíjení pro prodloužení její životnosti klíčové pro snížení nákladů na životní cyklus systému a zlepšení provozní spolehlivosti.

II. Celkový návrh systému

1. Klíčové cíle systému:
• Optimalizace zachycení energie: Provádět optimální řízení pro maximalizaci efektivity elektřiny vygenerované větrným turbínem a fotovoltaickými panely, dosahovat sledování bodu maximálního výkonu (MPPT) pro plné využití přírodních zdrojů.
• Správa systému úložiště energie: Inteligentně spravovat proces nabíjení a vybíjení baterie, zabránit přetížení a převytížení, efektivně chránit baterii a značně zlepšit její efektivitu nabíjení a životnost.
2. Hardwarová architektura systému:

Systém se skládá ze tří hlavních funkčních modulů, které koordinuje centrální ovládací CPU, aby tvořily kompletní inteligentní ovládací systém.

III. Klíčová ovládací technologie: Inteligentní správa baterií

1. Výběr baterií a základy:
• Typ: Toto řešení využívá údržbové baterie s olověnými destičkami, které jsou technologicky zralé a levné, vhodné pro malé měřítko hybridních větrně-slněčních systémů.
• Princip fungování: Nabíjení a vybíjení baterie jsou v podstatě procesy převodu elektrické energie na chemickou a naopak. Vzhledem k fenoménům, jako je polarizace elektrod, však nelze dosáhnout 100% účinnosti převodu energie.
2. Výzvy v řízení a optimalizační strategie:
• Nedostatky tradičního řízení: Klasické metody PID řízení závisí na přesném matematickém modelu ovládaného objektu (baterie). Baterie je nelineární, časově proměnný systém, jehož parametry (vnitřní odpor, hustota elektrolytu atd.) se dynamicky mění s teplotou prostředí a stavem použití, což ztěžuje vytvoření přesného modelu. To vedou k obtížím při ladění tradičních parametrů PID, špatné adaptabilitě a nedostatečné kvalitě řízení.
• Použitá pokročilá metoda řízení: Toto řešení využívá kompoziční strategii Fuzzy-PID, která kombinuje výhody obou:
• Výhoda fuzzy řízení: Nevyžaduje přesný matematický model ovládaného objektu, může zpracovávat nepřesné vstupní informace, má silnou adaptabilitu k změnám parametrů baterie a může integrovat expertní znalosti.
• Výhoda PID řízení: Může dosáhnout vysoké přesnosti a nulové stacionární chyby, když je odchylka systému malá.
• Průběh práce ovladače: Systém neustále monitoruje rozdíl e(t) mezi nastaveným napětím baterie a skutečným napětím. Pokud je odchylka e(t) velká, dominuje fuzzy řízení pro rychlou reakci. Když se e(t) sníží do určitého rozsahu, hladce přepíná na PID řízení pro jemnou úpravu. Nakonec se výstupní signál u(t) upraví pro řízení poměru pulsní šířky MOSFETu, dosažení dynamické optimalizace nabíjecího proudu.

IV. Shrnutí řešení a perspektivy

• Účinnost řízení: Navržený hybridní větrně-slněční systém pro výrobu elektrické energie úspěšně dosahuje optimální správy nabíjení a vybíjení baterie prostřednictvím inteligentního Fuzzy-PID řízení. To nejen efektivně chrání baterii a prodlužuje její životnost, ale také zvyšuje efektivitu zachycení větrné a slněční energie prostřednictvím MPPT, což zlepšuje celkovou efektivitu celého systému pro výrobu energie.
• Experimentální ověření: Experimentální výsledky ukazují, že ovladač je správně a prakticky navržen, pracuje bezpečně a spolehlivě a má dobré dynamické odezvy a stacionární přesnost.
• Perspektivy využití: Toto integrované řešení hybridní větrně-slněční výroby energie s technologií inteligentní správy baterií je zejména vhodné pro scénáře, jako jsou odlehlé oblasti bez přístupu k síti, ostrovy, pastviny a komunikační stanice. Nabízí významné ekonomické a sociální výhody a má široké možnosti využití.