Isang Intelligent na Sistema ng Hybrid na Hangin-Arkila na may Fuzzy-PID Control para sa Enhanced na Battery Management at MPPT

Abstract

Inihahandog ng propusyon na ito ang isang sistema ng pag-generate ng hybrid na lakas ng hangin at araw batay sa napakalaking teknolohiya ng kontrol, na may layuning mabisa at ekonomiko na tugunan ang mga pangangailangan ng lakas para sa mga malalayong lugar at espesyal na sitwasyon. Ang pundamental ng sistema ay nasa isang intelligent control system na nakatuon sa ATmega16 microprocessor. Ginagamit ng sistemang ito ang Maximum Power Point Tracking (MPPT) para sa parehong lakas ng hangin at araw, at gumagamit ng optimized algorithm na naglalaman ng PID at fuzzy control para sa maingat at epektibong pamamahala sa pag-charge/discharge ng pangunahing komponente - ang baterya. Dahil dito, ito'y lubhang pinapataas ang kabuuang epekto ng pag-generate ng lakas, pinaaasahan ang buhay ng baterya, at sinisigurado ang reliabilidad at cost-effectiveness ng supply ng lakas.

I. Background at Significance ng Proyekto

1. Kontekstong Enerhiya: Sa buong mundo, ang mga tradisyonal na fossil fuels ay patuloy na nawawala, na nagbibigay ng matinding hamon sa seguridad ng enerhiya at sustainable development. Ang masiglang pag-unlad at paggamit ng malinis at renewable na bagong mapagkukunan ng enerhiya tulad ng lakas ng hangin at araw ay naging isang strategic priority para sa pagtugon sa kasalukuyang enerhiya at environmental issues.
2. Halaga ng Sistema: Ang sistema ng hybrid na lakas ng hangin at araw ay ganap na nagtataglay ng natural na komplementaryong katangian ng lakas ng hangin at araw sa aspeto ng oras at heograpiya (halimbawa, malakas na sikat ng araw sa araw, potensyal na mas malakas na hangin sa gabi), na nag-oovercome sa intermittency ng single-source power generation. Ito ay isang struktural na makatarungan, mababang operating-cost na independent power supply solution, na epektibong nagreresolba ng mga problema sa supply ng enerhiya para sa mga pasilidad tulad ng residential living, communication base stations, at meteorological monitoring stations sa mga hindi electrified o mahinang electrified na malalayong lugar.
3. Importansya ng Pangunahing Komponente: Ang baterya, na nagsisilbing energy storage unit ng sistema, ay kritikal para sa pag-siguro ng patuloy na supply ng lakas sa load sa panahon ng walang hangin o sikat ng araw. Ang halaga nito ay bumubuo ng isang significant na bahagi ng buong sistema ng pag-generate ng lakas. Kaya, ang pag-improve ng battery charging efficiency at pag-optimize ng charge/discharge strategies upang palawakin ang serbisyo niya ay mahalaga para sa pagbawas ng lifecycle cost ng sistema at pagtaas ng operational reliability.

II. Kabuuang Disenyo ng Sistema

1. Pangunahing Layunin ng Sistema:
• Optimization ng Energy Capture: Gumaganap ng optimal na kontrol para sa maximum na epekto sa electricity na inililikha ng wind turbine at photovoltaic panels, na nagpapakilala ng Maximum Power Point Tracking (MPPT) upang ganap na gamitin ang natural resources.
• Pamamahala ng Energy Storage System: Intelligent na pamamahala ng proseso ng pag-charge at pag-discharge ng baterya, na nagbabawas ng overcharging at over-discharging, na epektibong nagprotekta sa baterya, at lubhang nagpapataas ng kanyang charging efficiency at service life.
2. Hardware Architecture ng Sistema:

Ang sistema ay binubuo ng tatlong pangunahing functional modules, na koordinado ng isang central control CPU upang mabuo ang isang buong intelligent control system.

III. Core Control Technology: Intelligent Battery Management

1. Paggili at Basics ng Baterya:
• Uri: Ang solusyon na ito ay nagpili ng maintenance-free lead-acid batteries, na technologically mature at mababa ang presyo, na angkop para sa small-scale wind-solar hybrid systems.
• Prinsipyo ng Paggana: Ang pag-charge at pag-discharge ng baterya ay proseso ng conversion ng electrical energy sa chemical energy at vice versa. Gayunpaman, dahil sa mga phenomena tulad ng electrode polarization, ang epekto ng conversion ng enerhiya ay hindi maaaring umabot sa 100%.
2. Mga Hamon sa Kontrol at Optimization Strategy:
• Kahinaan ng Traditional Control: Ang classic PID control methods ay malaking umaasa sa accurate mathematical model ng controlled object (ang baterya). Ang baterya ay isang nonlinear, time-varying system na kung saan ang mga parameter (internal resistance, electrolyte density, etc.) ay nagbabago dinamically sa temperature ng kapaligiran at estado ng paggamit, na nagbibigay ng kahirapan sa pag-establish ng precise model. Ito'y nagdudulot ng mga hamon sa pag-tune ng traditional PID parameters, mahinang adaptability, at suboptimal control performance.
• Adopted Advanced Control Method: Ang solusyon na ito ay gumagamit ng Fuzzy-PID composite control strategy, na nagsasama ng mga advantage ng pareho:
• Advantage ng Fuzzy Control: Hindi nangangailangan ng exact mathematical model ng controlled object, kaya handlin ng imprecise input information, nagpapakita ng malakas na adaptability sa mga pagbabago ng mga parameter ng baterya, at maaaring mag-include ng expert knowledge.
• Advantage ng PID Control: Kaya mag-achieve ng high-precision, zero steady-state error control kapag ang deviation ng sistema ay maliit.
• Workflow ng Controller: Ang sistema ay patuloy na nagsasala ng difference e(t) sa pagitan ng set voltage at actual voltage ng baterya. Kapag ang deviation e(t) ay malaki, ang fuzzy control ang dominant para sa mabilis na tugon. Kapag ang e(t) ay bumaba sa loob ng isang tiyak na range, ito ay smooth na nagsaswitch sa PID control para sa fine-tuning. Sa huli, ang output signal u(t) ay inaadjust upang kontrolin ang duty cycle ng MOSFET, na nag-aachieve ng dynamic optimization ng charging current.

IV. Buod ng Solusyon at Prospects

• Epektibong Kontrol: Ang disenyo ng wind-solar hybrid power generation control system sa solusyon na ito ay matagumpay na nag-achieve ng optimal na battery charge/discharge management sa pamamagitan ng complementary intelligent Fuzzy-PID control algorithm. Ito ay hindi lamang epektibong nagprotekta sa baterya at pinalawig ang kanyang serbisyo, kundi nagpataas rin ng capture efficiency ng lakas ng hangin at araw sa pamamagitan ng MPPT, na nagpapataas ng comprehensive efficiency ng buong sistema ng pag-generate ng lakas.
• Experimental Verification: Ang mga resulta ng eksperimento ay nagpapakita na ang controller ay tama at feasible na idisenyo, ligtas at reliable sa operasyon, at nagpapakita ng magandang dynamic response performance at steady-state accuracy.
• Application Prospects: Ang integrated wind-solar hybrid power generation solution na may intelligent battery management technology na ito ay partikular na angkop para sa mga sitwasyon tulad ng mga malalayong lugar na walang grid coverage, islands, pastures, at communication base stations. Ito ay nagbibigay ng significant economic at social benefits at may malawak na application prospects.