Ein intelligentes Wind-Solar-Hybrid-System mit Fuzzy-PID-Steuerung zur verbesserten Batteriemanagement und MPPT

Zusammenfassung​

Dieser Vorschlag präsentiert ein Wind-Solar-Hybridkraftwerkssystem basierend auf fortschrittlicher Steuerungstechnologie, das darauf abzielt, die Strombedürfnisse in entlegenen Gebieten und speziellen Anwendungsszenarien effizient und wirtschaftlich zu erfüllen. Der Kern des Systems liegt in einem intelligenten Steuerungssystem, das um einen ATmega16-Mikroprozessor herum zentriert ist. Dieses System führt eine Maximum-Power-Point-Tracking (MPPT) sowohl für Wind- als auch für Solarenergie durch und verwendet einen optimierten Algorithmus, der PID- und Fuzzy-Steuerung kombiniert, um eine präzise und effiziente Lade- und Entladespeicherung des Schlüsselkomponenten – der Batterie – zu gewährleisten. Dadurch wird die Gesamtleistungseffizienz erheblich verbessert, die Batterielebensdauer verlängert und die Versorgungssicherheit sowie Kosteneffizienz gewährleistet.

​I. Projekt-Hintergrund und Bedeutung​

1. ​Energetischer Kontext:​​ Weltweit werden traditionelle fossile Brennstoffe zunehmend knapp, was ernsthafte Herausforderungen für die Energieversorgungssicherheit und nachhaltige Entwicklung darstellt. Die energische Entwicklung und Nutzung sauberer, erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie ist zur Lösung der aktuellen Energie- und Umweltprobleme zu einer strategischen Priorität geworden.
2. ​Systemwert:​​ Das Wind-Solar-Hybridsystem nutzt die natürlichen komplementären Eigenschaften von Wind- und Solarenergie hinsichtlich Zeit und Geografie (z.B. starkes Sonnenlicht am Tag, möglicherweise stärkere Winde in der Nacht) vollständig aus, überwindet so die Unregelmäßigkeiten der Einzelenergieerzeugung. Es ist eine strukturell vernünftige, niedrig betriebskostenintensive unabhängige Stromversorgungslösung, die die Energieversorgungsprobleme für Anlagen wie Wohngebiete, Kommunikationsbasisstationen und meteorologische Überwachungsstationen in nicht oder schwach elektrifizierten entlegenen Gebieten effektiv löst.
3. ​Wichtigkeit der Kernkomponenten:​​ Die Batterie, die als Energiespeichereinheit des Systems dient, ist entscheidend, um während Zeiten ohne Wind oder Sonnenschein eine kontinuierliche Stromversorgung für die Last zu gewährleisten. Ihre Kosten machen einen erheblichen Teil des gesamten Kraftwerksystems aus. Daher ist es entscheidend, die Ladewirkungsgrad der Batterie zu verbessern und ihre Lade- und Entladesstrategien zu optimieren, um ihre Lebensdauer zu verlängern, um die Lebenszykluskosten des Systems zu reduzieren und die Betriebssicherheit zu erhöhen.

​II. Gesamt-Systemdesign​

1. ​Kernziele des Systems:​​
• ​Energiefangoptimierung:​​ Durchführen einer optimalen Steuerung für maximale Effizienz des von der Windturbine und den Photovoltaikmodulen erzeugten Stroms, Erreichen der Maximum-Power-Point-Tracking (MPPT), um die natürlichen Ressourcen vollständig zu nutzen.
• ​Energiespeichersystem-Management:​​ Intelligentes Management des Lade- und Entladeprozesses der Batterie, Verhinderung von Überladung und Überentladung, wirksamer Schutz der Batterie und erhebliche Verbesserung ihrer Ladeeffizienz und -lebensdauer.
2. ​Hardware-Architektur des Systems:​​

Das System besteht aus drei Hauptfunktionsmodulen, die durch eine zentrale Steuer-CPU koordiniert werden, um ein vollständiges intelligentes Steuerungssystem zu bilden.

​III. Kernsteuerungstechnologie: Intelligente Batteriemanagement​

1. ​Batteriewahl und Grundlagen:​​
• ​Typ:​​ Diese Lösung wählt wartungsfreie Blei-Säure-Batterien, die technologisch reif und kostengünstig sind und sich für kleine Wind-Solar-Hybridsysteme eignen.
• ​Arbeitsprinzip:​​ Das Laden und Entladen der Batterie sind im Wesentlichen Prozesse der Umwandlung von elektrischer in chemische Energie und umgekehrt. Aufgrund von Phänomenen wie Elektrodenpolarisation kann jedoch die Wirkungsgrad der Energieumwandlung nicht 100 % erreichen.
2. ​Steuerungsherausforderungen und Optimierungsstrategie:​​
• ​Nachteile der traditionellen Steuerung:​​ Klassische PID-Steuermethoden verlassen sich stark auf ein genaues mathematisches Modell des zu steuernden Objekts (der Batterie). Die Batterie ist ein nichtlineares, zeitvariantes System, dessen Parameter (Innenspannung, Elektrolytdichte usw.) sich dynamisch mit der Umgebungstemperatur und dem Nutzungszustand ändern, was es schwierig macht, ein genaues Modell zu erstellen. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Anpassung der traditionellen PID-Parameter, schlechter Anpassungsfähigkeit und mangelhafter Steuerleistung.
• ​Verwendete fortschrittliche Steuermethode:​​ Diese Lösung verwendet eine Fuzzy-PID-Kompositsteuerstrategie, die die Vorteile beider kombiniert:
• ​Vorteil der Fuzzy-Steuerung:​​ Erfordert kein exaktes mathematisches Modell des zu steuernden Objekts, kann ungenaue Eingangsdaten verarbeiten, zeigt starke Anpassungsfähigkeit an Veränderungen der Batterieparameter und kann Expertenwissen integrieren.
• ​Vorteil der PID-Steuerung:​​ Kann bei kleiner Systemabweichung eine hochpräzise, null-stationäre Fehlersteuerung erreichen.
• ​Arbeitsablauf des Reglers:​​ Das System überwacht kontinuierlich die Differenz e(t) zwischen der vorgegebenen Spannung der Batterie und der tatsächlichen Spannung. Wenn die Abweichung e(t) groß ist, dominiert die Fuzzy-Steuerung für eine schnelle Reaktion. Wenn e(t) innerhalb eines bestimmten Bereichs abnimmt, wechselt es nahtlos zur PID-Steuerung für Feinabstimmung. Letztendlich wird das Ausgangssignal u(t) angepasst, um das Tastverhältnis des Mosfets zu steuern und eine dynamische Optimierung des Ladestroms zu erreichen.

​IV. Lösungszusammenfassung und Zukunftsaussichten​

• ​Steuerungswirksamkeit:​​ Das in dieser Lösung entworfene Wind-Solar-Hybridkraftwerkssteuersystem erreicht erfolgreich durch den komplementären intelligenten Fuzzy-PID-Steueralgorithmus eine optimale Batterielade- und -entladespeicherung. Dies schützt die Batterie effektiv, verlängert ihre Lebensdauer und verbessert durch MPPT die Fangwirkungsgrad von Wind- und Solarenergie, was die Gesamtleistungseffizienz des gesamten Kraftwerksystems erhöht.
• ​Experimentelle Verifizierung:​​ Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Regler korrekt und machbar konzipiert ist, sicher und zuverlässig arbeitet und gute dynamische Antwortleistung und stationäre Genauigkeit aufweist.
• ​Anwendungsaussichten:​​ Diese integrierte Wind-Solar-Hybridkraftwerkslösung mit intelligenter Batteriemanagementtechnologie ist besonders für Szenarien geeignet, wie entlegene Gebiete ohne Netzabdeckung, Inseln, Weiden und Kommunikationsbasisstationen. Sie bietet erhebliche wirtschaftliche und soziale Vorteile und hat breite Anwendungsaussichten.