سیستم هیبریدی هوشمند باد-آفتاب با کنترل فازی-PID برای مدیریت بهبود یافته باتری و MPPT

چکیده

این پیشنهاد یک سیستم تولید برق هیبریدی باد-آفتاب بر اساس فناوری کنترل پیشرفته را مطرح می‌کند که به منظور پاسخگویی مؤثر و اقتصادی به نیازهای انرژی در مناطق دورافتاده و سناریوهای کاربردی خاص طراحی شده است. قلب این سیستم یک سیستم کنترل هوشمند با مرکزیت میکروپروسسور ATmega16 است. این سیستم تعقیب نقطه قدرت بیشینه (MPPT) را برای هر دو منبع انرژی باد و آفتاب انجام می‌دهد و از الگوریتم بهینه‌سازی ترکیبی PID و کنترل فازی برای مدیریت دقیق و کارآمد شارژ/دشارژ عنصر کلیدی، یعنی باتری، استفاده می‌کند. بنابراین، این سیستم به طور قابل توجهی کارایی کلی تولید برق را افزایش می‌دهد، عمر باتری را افزایش می‌دهد و قابلیت اطمینان و اقتصادی تأمین برق را تضمین می‌کند.

۱. زمینه پروژه و اهمیت آن

1. زمینه انرژی: در سطح جهانی، سوخت‌های فسیلی سنتی به تدریج کاهش می‌یابند که چالش‌های جدی برای امنیت انرژی و توسعه پایدار ایجاد می‌کند. توسعه و استفاده فعال از منابع انرژی تمیز و تجدیدپذیر مانند باد و آفتاب به یک اولویت استراتژیک برای حل مشکلات فعلی انرژی و محیطی تبدیل شده است.
2. ارزش سیستم: سیستم هیبریدی باد-آفتاب به طور کامل از ویژگی‌های مکمل طبیعی باد و آفتاب در زمان و مکان (مثلاً نور خورشید قوی در روز، ممکن است باد قوی‌تر در شب) استفاده می‌کند و مشکل متناوب بودن تولید انرژی از یک منبع را غلبه می‌کند. این یک راه‌حل تأمین برق مستقل با ساختار منطقی و هزینه عملیاتی کم است که به طور موثر مشکلات تأمین انرژی برای تسهیلات مانند زندگی مسکونی، ایستگاه‌های ارتباطی و ایستگاه‌های مشاهده آب‌وهوایی در مناطق بدون برق یا با برق ضعیف را حل می‌کند.
3. اهمیت عناصر کلیدی: باتری به عنوان واحد ذخیره‌سازی انرژی سیستم، برای تضمین تأمین برق مداوم به بار در دوره‌هایی که باد یا آفتاب وجود ندارد، حیاتی است. هزینه آن بخش قابل توجهی از کل سیستم تولید برق را تشکیل می‌دهد. بنابراین، بهبود کارایی شارژ باتری و بهینه‌سازی استراتژی‌های شارژ/دشارژ آن برای افزایش طول عمر آن برای کاهش هزینه‌های چرخه حیات سیستم و افزایش قابلیت اطمینان عملیاتی حیاتی است.

۲. طراحی کلی سیستم

1. اهداف کلی سیستم:
• بهینه‌سازی گرفتن انرژی: کنترل بهینه برای کارایی بیشینه روی برق تولید شده توسط توربین بادی و پانل‌های فتوولتائیک انجام می‌شود و تعقیب نقطه قدرت بیشینه (MPPT) برای بهره‌برداری کامل از منابع طبیعی صورت می‌گیرد.
• مدیریت سیستم ذخیره‌سازی انرژی: فرآیند شارژ و دشارژ باتری به صورت هوشمند مدیریت می‌شود، از شارژ و دشارژ بیش از حد جلوگیری می‌کند، به طور مؤثر باتری را محافظت می‌کند و به طور قابل توجهی کارایی شارژ و طول عمر آن را افزایش می‌دهد.
2. معماری سخت‌افزاری سیستم:

سیستم از سه ماژول عملکردی اصلی تشکیل شده است که توسط CPU کنترل مرکزی هماهنگ می‌شوند تا یک سیستم کنترل هوشمند کامل را تشکیل دهند.

۳. فناوری کنترل اصلی: مدیریت هوشمند باتری

1. انتخاب و مبانی باتری:
• نوع: این راه‌حل باتری‌های سربی بدون نگهداری را انتخاب می‌کند که فناوری آنها رسیده و هزینه پایینی دارند و برای سیستم‌های هیبریدی باد-آفتاب مقیاس کوچک مناسب هستند.
• اصول کار: شارژ و دشارژ باتری به طور اساسی فرآیندهای تبدیل انرژی الکتریکی به شیمیایی و برعکس هستند. اما به دلیل پدیده‌هایی مانند قطبی‌سازی الکترود، کارایی تبدیل انرژی نمی‌تواند به ۱۰۰٪ برسد.
2. چالش‌های کنترل و استراتژی بهینه‌سازی:
• نقایص کنترل سنتی: روش‌های کنترل PID کلاسیک به مدل ریاضی دقیق از شیء کنترل (باتری) متکی هستند. باتری یک سیستم غیرخطی و متغیر با زمان است که پارامترهای آن (مقاومت داخلی، چگالی الکترولیت و غیره) با دمای محیط و وضعیت استفاده به طور پویا تغییر می‌کنند و ایجاد یک مدل دقیق دشوار است. این امر به چالش‌های تنظیم پارامترهای PID سنتی، تطبیق‌پذیری ضعیف و عملکرد کنترلی زیر بهینه می‌انجامد.
• استفاده از روش کنترل پیشرفته: این راه‌حل از استراتژی کنترل ترکیبی فازی-PID استفاده می‌کند که مزایای هر دو را ترکیب می‌کند:
• مزیت کنترل فازی: نیازی به مدل ریاضی دقیق از شیء کنترل ندارد، می‌تواند اطلاعات ورودی نادقیق را مدیریت کند، تطبیق‌پذیری قوی با تغییرات پارامترهای باتری دارد و می‌تواند دانش متخصص را در خود جای دهد.
• مزیت کنترل PID: می‌تواند کنترل با دقت بالا و خطای حالت ماندگار صفر را وقتی که انحراف سیستم کوچک است، انجام دهد.
• فرآیند کار کنترل‌کننده: سیستم به طور مداوم تفاوت e(t) بین ولتاژ تنظیم شده باتری و ولتاژ واقعی آن را مانیتور می‌کند. وقتی که انحراف e(t) بزرگ است، کنترل فازی برای واکنش سریع غالب است. وقتی e(t) در محدوده معینی کاهش می‌یابد، به طور هموار به کنترل PID برای تنظیم دقیق تغییر می‌کند. در نهایت، سیگنال خروجی u(t) تنظیم می‌شود تا چرخه وظیفه MOSFET را کنترل کند و بهینه‌سازی پویای جریان شارژ را انجام دهد.

۴. خلاصه راه‌حل و آینده

• کارایی کنترل: سیستم کنترل تولید برق هیبریدی باد-آفتاب طراحی شده در این راه‌حل با استفاده از الگوریتم کنترل ترکیبی هوشمند فازی-PID به طور موفقیت‌آمیز مدیریت بهینه شارژ/دشارژ باتری را انجام می‌دهد. این نه تنها به طور مؤثر باتری را محافظت می‌کند و طول عمر آن را افزایش می‌دهد، بلکه از طریق MPPT کارایی گرفتن انرژی باد و آفتاب را افزایش می‌دهد و بنابراین کارایی کلی سیستم تولید برق را بهبود می‌بخشد.
• اعتبارسنجی آزمایشی: نتایج آزمایشی نشان می‌دهد که کنترل‌کننده به درستی و به صورت عملی طراحی شده، به طور ایمن و قابل اعتماد عمل می‌کند و عملکرد پاسخ پویای خوب و دقت حالت ماندگار را دارد.
• آینده کاربرد: این راه‌حل یکپارچه تولید برق هیبریدی باد-آفتاب با فناوری مدیریت هوشمند باتری به ویژه برای سناریوهایی مانند مناطق دورافتاده بدون پوشش شبکه، جزایر، مرتع‌ها و ایستگاه‌های ارتباطی مناسب است. این راه‌حل مزایای اقتصادی و اجتماعی قابل توجهی دارد و آینده کاربردی گسترده‌ای دارد.