Un système hybride éolien-solaire intelligent avec contrôle Fuzzy-PID pour une gestion améliorée des batteries et MPPT

Résumé​

Cette proposition présente un système de génération d'énergie hybride éolienne-solaire basé sur une technologie de contrôle avancée, visant à répondre de manière efficace et économique aux besoins en énergie des zones reculées et des scénarios d'application spéciaux. Le cœur du système réside dans un système de contrôle intelligent centré autour d'un microprocesseur ATmega16. Ce système effectue le suivi du point de puissance maximale (MPPT) pour l'énergie éolienne et solaire, et utilise un algorithme optimisé combinant les contrôles PID et flou pour une gestion précise et efficace de la charge/décharge de l'élément clé - la batterie. Cela améliore considérablement l'efficacité globale de la production d'énergie, prolonge la durée de vie de la batterie et garantit la fiabilité et l'efficacité économique de l'alimentation en énergie.

​I. Contexte du projet et signification​

1. ​Contexte énergétique:​​ À l'échelle mondiale, les combustibles fossiles traditionnels s'épuisent de plus en plus, posant des défis sévères en termes de sécurité énergétique et de développement durable. Le développement vigoureux et l'utilisation d'énergies propres et renouvelables, comme l'énergie éolienne et solaire, sont devenus une priorité stratégique pour résoudre les problèmes actuels d'énergie et d'environnement.
2. ​Valeur du système:​​ Le système hybride éolien-solaire exploite pleinement les caractéristiques naturellement complémentaires de l'énergie éolienne et solaire en termes de timing et de géographie (par exemple, une forte luminosité pendant la journée, potentiellement des vents plus forts la nuit), surmontant ainsi l'intermittence de la production d'énergie à partir d'une seule source. Il s'agit d'une solution d'alimentation indépendante structurellement rationnelle et à faible coût d'exploitation, qui résout efficacement les problèmes d'approvisionnement en énergie pour des installations telles que l'habitat, les stations de base de communication et les stations de surveillance météorologique dans des zones non électrifiées ou faiblement électrifiées et reculées.
3. ​Importance des composants clés:​​ La batterie, servant d'unité de stockage d'énergie, est cruciale pour assurer une alimentation continue au charge pendant les périodes sans vent ni soleil. Son coût représente une part importante du système de production d'énergie. Par conséquent, améliorer l'efficacité de la charge de la batterie et optimiser ses stratégies de charge/décharge pour prolonger sa durée de vie sont essentiels pour réduire le coût total du cycle de vie du système et améliorer la fiabilité opérationnelle.

​II. Conception globale du système​

1. ​Objectifs principaux du système:​​
• ​Optimisation de la capture d'énergie:​​ Effectuer un contrôle optimal pour une efficacité maximale sur l'électricité générée par l'éolienne et les panneaux photovoltaïques, réalisant le suivi du point de puissance maximale (MPPT) pour tirer pleinement parti des ressources naturelles.
• ​Gestion du système de stockage d'énergie:​​ Gérer intelligemment le processus de charge et de décharge de la batterie, évitant la surcharge et la décharge excessive, protégeant efficacement la batterie et améliorant considérablement son efficacité de charge et sa durée de vie.
2. ​Architecture matérielle du système:​​

Le système se compose de trois modules fonctionnels principaux, coordonnés par un CPU de contrôle central pour former un système de contrôle intelligent complet.

​III. Technologie de contrôle centrale: Gestion intelligente de la batterie​

1. ​Sélection et bases de la batterie:​​
• ​Type:​​ Cette solution sélectionne des batteries plomb-acide sans entretien, technologiquement matures et à faible coût, adaptées aux petits systèmes hybrides éolien-solaire.
• ​Principe de fonctionnement:​​ La charge et la décharge de la batterie sont essentiellement des processus de conversion d'énergie électrique en énergie chimique et vice versa. Cependant, en raison de phénomènes tels que la polarisation des électrodes, l'efficacité de conversion d'énergie ne peut pas atteindre 100%.
2. ​Défis de contrôle et stratégie d'optimisation:​​
• ​Inconvénients du contrôle traditionnel:​​ Les méthodes de contrôle PID classiques dépendent fortement d'un modèle mathématique précis de l'objet contrôlé (la batterie). La batterie est un système non linéaire et variant dans le temps dont les paramètres (résistance interne, densité de l'électrolyte, etc.) changent dynamiquement avec la température ambiante et l'état d'utilisation, rendant difficile l'établissement d'un modèle précis. Cela conduit à des défis dans le réglage des paramètres PID traditionnels, une mauvaise adaptabilité et des performances de contrôle sous-optimales.
• ​Méthode de contrôle avancée adoptée:​​ Cette solution utilise une stratégie de contrôle composite Fuzzy-PID, combinant les avantages des deux:
• ​Avantage du contrôle flou:​​ Nécessite pas de modèle mathématique précis de l'objet contrôlé, peut gérer des informations d'entrée imprécises, présente une forte adaptabilité aux changements des paramètres de la batterie et peut intégrer des connaissances expertes.
• ​Avantage du contrôle PID:​​ Peut réaliser un contrôle de haute précision, sans erreur stationnaire, lorsque l'écart du système est petit.
• ​Fonctionnement du contrôleur:​​ Le système surveille continuellement la différence e(t) entre la tension de référence de la batterie et sa tension réelle. Lorsque l'écart e(t) est grand, le contrôle flou prédomine pour une réponse rapide. Lorsque e(t) diminue dans une certaine plage, il passe en douceur au contrôle PID pour un ajustement fin. Finalement, le signal de sortie u(t) est ajusté pour contrôler le rapport cyclique du MOSFET, réalisant une optimisation dynamique du courant de charge.

​IV. Résumé de la solution et perspectives​

• ​Efficacité du contrôle:​​ Le système de contrôle de génération d'énergie hybride éolienne-solaire conçu dans cette solution réussit à réaliser une gestion optimale de la charge/décharge de la batterie grâce à l'algorithme de contrôle intelligent Fuzzy-PID complémentaire. Cela protège efficacement la batterie, prolonge sa durée de vie et améliore l'efficacité de capture de l'énergie éolienne et solaire via le MPPT, améliorant ainsi l'efficacité globale du système de production d'énergie.
• ​Vérification expérimentale:​​ Les résultats expérimentaux montrent que le contrôleur est correctement et de manière faisable conçu, fonctionne en toute sécurité et fiabilité, et présente de bonnes performances de réponse dynamique et de précision en régime permanent.
• ​Perspectives d'application:​​ Cette solution intégrée de génération d'énergie hybride éolienne-solaire avec la technologie de gestion intelligente de la batterie est particulièrement adaptée à des scénarios tels que les zones reculées sans couverture de réseau, les îles, les pâturages et les stations de base de communication. Elle offre des avantages économiques et sociaux significatifs et a de vastes perspectives d'application.