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

چکیده​

این پیشنهاد یک سیستم تولید برق هیبریدی باد-خورشیدی بر اساس فناوری کنترل پیشرفته را مطرح می‌کند که هدف آن به طور موثر و اقتصادی برآوردن نیازهای انرژی مناطق دورافتاده و سناریوهای کاربردی خاص است. قلب این سیستم یک سیستم کنترل هوشمند با مرکزیت میکروپروسسور ATmega16 است. این سیستم تعقیب نقطه توان بیشینه (MPPT) برای هر دو منبع باد و خورشیدی را انجام می‌دهد و از الگوریتم بهینه شده ترکیبی PID و کنترل فازی برای مدیریت دقیق و کارآمد شارژ/دشارژ مؤلفه کلیدی - باتری - استفاده می‌کند. بنابراین، به طور قابل توجهی کارایی کلی تولید برق را افزایش می‌دهد، عمر باتری را افزایش می‌دهد و اطمینان و اقتصادی بودن تأمین برق را تضمین می‌کند.

​۱. زمینه پروژه و اهمیت آن​

1. ​زمینه انرژی:​​ در سطح جهانی، سوخت‌های فسیلی سنتی به طور فزاینده‌ای کاهش یافته‌اند که چالش‌های جدی برای امنیت انرژی و توسعه پایدار ایجاد می‌کند. توسعه و استفاده فعال از منابع انرژی تمیز و تجدیدپذیر مانند باد و خورشید به اولویت استراتژیک برای حل مشکلات فعلی انرژی و محیط زیست تبدیل شده است.
2. ​ارزش سیستم:​​ سیستم هیبریدی باد-خورشیدی به طور کامل از ویژگی‌های مکمل طبیعی انرژی باد و خورشیدی در زمان و مکان (مثلاً نور خورشید قوی در روز و باد قوی‌تر در شب) بهره می‌برد و مشکلات عدم پیوستگی تولید برق 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 تسهیلاتی مانند زندگی مسکونی، ایستگاه‌های ارتباطی و ایستگاه‌های پیش‌بینی هواشناسی در مناطق بدون برق یا با برق ضعیف را حل می‌کند.
3. ​اهمیت مؤلفه‌های کلیدی:​​ باتری به عنوان واحد ذخیره‌سازی انرژی سیستم، برای تأمین برق مداوم به بار در دوره‌های بدون باد یا نور خورشیدی 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 برای افزایش طول عمر آن برای کاهش هزینه‌های چرخه حیات سیستم و افزایش قابلیت اطمینان عملیاتی بسیار مهم است.

​۲. طراحی کلی سیستم​

1. ​اهداف کلی سیستم:​​
• ​بهینه‌سازی گرفتن انرژی:​​ اجرای کنترل بهینه برای کارایی بیشینه در برق تولید شده توسط توربین بادی و پانل‌های فتوولتائیک، با دستیابی به تعقیب نقطه توان بیشینه (MPPT) برای بهره‌برداری کامل از منابع طبیعی.
• ​مدیریت سیستم ذخیره‌سازی انرژی:​​ مدیریت هوشمند فرآیند شارژ و دشارژ باتری، جلوگیری از شارژ و دشارژ بیش از حد، محافظت مؤثر از باتری و به طور قابل توجهی بهبود کارایی شارژ و طول عمر آن.
2. ​معماری سخت‌افزاری سیستم:​​

سیستم شامل سه ماژول عملکردی اصلی است که توسط یک CPU کنترل مرکزی هماهنگ شده و یک سیستم کنترل هوشمند کامل را تشکیل می‌دهند.

​۳. فناوری کنترل اصلی: مدیریت هوشمند باتری​

1. ​انتخاب و مبانی باتری:​​
• ​نوع:​​ این راه‌حل باتری‌های سربی بدون نیاز به نگهداری را انتخاب می‌کند که فناوری آنها رسیده و کم‌هزینه است و برای سیستم‌های هیبریدی باد-خورشیدی مقیاس کوچک مناسب است.
• ​اصل کار:​​ شارژ و دشارژ باتری عملاً 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 طور قابل توجهی به مدل ریاضی دقیق از شیء کنترل‌شده (باتری) متکی است. باتری یک سیستم غیرخطی و متغیر با زمان است که پارامترهای آن (مقاومت داخلی، چگالی الکترولیت و غیره) به طور پویا با دمای محیط و وضعیت استفاده تغییر می‌کنند و ایجاد یک مدل دقیق دشوار است. این امر منجر به چالش‌های تنظیم پارامترهای PID سنتی، قابلیت تطبیق پایین و عملکرد کنترل ضعیف می‌شود.
• ​روش کنترل پیشرفته مورد استفاده:​​ این راه‌حل از استراتژی کنترل ترکیبی Fuzzy-PID استفاده می‌کند که مزایای هر دو را ترکیب می‌کند:
• ​مزیت کنترل فازی:​​ نیازی به مدل ریاضی دقیق شیء کنترل‌شده ندارد، می‌تواند اطلاعات ورودی ناقص را مدیریت کند، قابلیت تطبیق قوی به تغییرات پارامترهای باتری را دارد و می‌تواند دانش متخصص را ترکیب کند.
• ​مزیت کنترل PID:​​ می‌تواند کنترل با دقت بالا و خطای حالت مانا 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 مراقبت می‌کند. وقتی انحراف e(t) زیاد است، کنترل فازی برای پاسخ سریع غالب است. وقتی e(t) در محدوده خاصی کاهش یابد، به صورت هموار به کنترل PID برای تنظیم دقیق تغییر می‌کند. در نهایت، سیگنال خروجی u(t) تنظیم می‌شود تا دیوتی سیکل MOSFET را کنترل کند و بهینه‌سازی پویای جریان شارژ را انجام دهد.

​۴. خلاصه راه‌حل و چشم‌انداز آینده​

• ​کارایی کنترل:​​ سیستم کنترل تولید برق هیبریدی باد-خورشیدی طراحی شده در این راه‌حل با استفاده از الگوریتم کنترل ترکیبی هوشمند Fuzzy-PID به طور موفقیت‌آمیز مدیریت بهینه شارژ/دشارژ باتری را انجام می‌دهد. این نه تنها باتری را به طور مؤثر محافظت می‌کند و طول عمر آن را افزایش می‌دهد بلکه با استفاده از MPPT کارایی گرفتن انرژی باد و خورشید 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 امکان‌پذیر طراحی شده، ایمن و قابل اعتماد عمل می‌کند و عملکرد پاسخ دینامیکی خوب و دقت حالت مانا را دارد.
• ​چشم‌انداز کاربردی:​​ این راه‌حل تولید برق هیبریدی باد-خورشیدی یکپارچه 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 چشم‌انداز کاربردی گسترده‌ای دارد.