Un Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltaico Intelixente con Control Fuzzy-PID para un Manejo Melorado da Batería e MPPT

Resumo

Esta proposta presenta un sistema de xeración híbrida eólica-solar baseado en tecnoloxía de control avanzada, co obxectivo de abordar de xeito eficiente e económico as necesidades enerxéticas de zonas remotas e escenarios de aplicación especial. O núcleo do sistema reside nun sistema de control inteligente centrado nun microprocesador ATmega16. Este sistema realiza o seguimento do punto de máxima potencia (MPPT) tanto para a enerxía eólica como para a solar, e emprega un algoritmo optimizado que combina PID e control difuso para unha xestión precisa e eficiente da carga/descarga do compoñente clave, a batería. Como resultado, aumenta significativamente a eficiencia global de xeración de enerxía, prorroga a vida útil da batería e asegura a fiabilidade e a rentabilidade do suministro de enerxía.

I. Contexto e Significado do Proxecto

1. Contexto Enerxético: A nivel mundial, os combustibles fósiles tradicionais están cada vez máis agotados, polo que supón un desafío serio para a seguridade enerxética e o desenvolvemento sostible. O desenvolvemento e utilización vigorosos de novas fontes de enerxía limpias e renovables, como a eólica e a solar, converteuse nunha prioridade estratégica para resolver os problemas actuais de enerxía e medio ambiente.
2. Valor do Sistema: O sistema híbrido eólico-solar aproveita plenamente as características complementarias naturais da enerxía eólica e solar en termos de tempo e xeoografía (por exemplo, luz solar forte durante o día, posiblemente vientos máis fortes de noite), superando a intermitencia da xeración de enerxía dunha única fonte. É unha solución de fornecemento de enerxía autónoma con unha estrutura racional e baixo custo de operación, que resolve eficazmente os problemas de abastecemento de enerxía para instalacións como vivendas, estacións de comunicación e estacións de monitorización meteorolóxica en zonas remotas non electrificadas ou débilmente electrificadas.
3. Importancia dos Compoñentes Núcleo: A batería, que actúa como unidade de almacenamento de enerxía do sistema, é crucial para garantir un suministro continuo de enerxía á carga durante períodos sen vento ou sol. O seu custo constitúe unha parte significativa do sistema de xeración de enerxía en seu conxunto. Polo tanto, mellorar a eficiencia da carga da batería e optimizar as súas estratexias de carga/descarga para prorrogar a súa vida útil son vitais para reducir o custo de ciclo de vida do sistema e mellorar a fiabilidade operativa.

II. Diseño Global do Sistema

1. Obxectivos Núcleo do Sistema:
• Optimización da Captura de Enerxía: Realizar un control óptimo para maximizar a eficiencia da electricidade xerada polos aerxeneradores e os paneis fotovoltaicos, logrando o seguimento do punto de máxima potencia (MPPT) para aproveitar ao máximo os recursos naturais.
• Xestión do Sistema de Almacenamento de Enerxía: Xestionar intelixentemente o proceso de carga e descarga da batería, evitando a sobrecarga e a sobredescarga, protexendo eficazmente a batería e mellorando significativamente a súa eficiencia de carga e a súa vida útil.
2. Arquitectura de Hardware do Sistema:

O sistema consta de tres módulos funcionais principais, coordinados por un CPU de control central para formar un sistema de control intelixente completo.

III. Tecnoloxía de Control Núcleo: Xestión Intelixente da Batería

1. Selección e Básicos da Batería:
• Tipo: Esta solución selecciona baterías de chumbo-ácido libres de mantemento, que son tecnicamente maduras e de baixo custo, adecuadas para sistemas híbridos eólico-solar de pequena escala.
• Principio de Funcionamento: A carga e descarga da batería son esencialmente procesos de conversión de enerxía eléctrica a química e viceversa. No entanto, debido a fenómenos como a polarización do electrodo, a eficiencia de conversión de enerxía non pode alcanzar o 100%.
2. Desafíos de Control e Estratexia de Optimización:
• Defectos do Control Tradicional: Os métodos clásicos de control PID dependen fortemente dun modelo matemático preciso do obxecto controlado (a batería). A batería é un sistema non lineal e variante no tempo, cuxos parámetros (resistencia interna, densidade do electrolito, etc.) cambian dinamicamente coa temperatura ambiental e o estado de uso, facendo difícil establecer un modelo preciso. Isto leva a dificultades na sintonización dos parámetros PID tradicionais, pobre adaptabilidade e rendemento de control subóptimo.
• Método de Control Avanzado Adoptado: Esta solución emprega unha estratexia de control composto Fuzzy-PID, combinando as vantaxes de ambos:
• Vantaxe do Control Difuso: Non require un modelo matemático exacto do obxecto controlado, pode manexar información de entrada imprecisa, exhibe unha forte adaptabilidade aos cambios nos parámetros da batería e pode incorporar coñecementos expertos.
• Vantaxe do Control PID: Pode lograr un control de alta precisión, con erro estacionario nulo, cando a desviación do sistema é pequena.
• Fluxo de Traballo do Controlador: O sistema monitoriza continuamente a diferenza e(t) entre a tensión fixada da batería e a súa tensión real. Cando a desviación e(t) é grande, o control difuso domina para unha resposta rápida. Cando e(t) diminúe dentro dun certo rango, transiciónase suavemente ao control PID para un afinamento fino. Finalmente, o sinal de saída u(t) axústase para controlar o ciclo de traballo do MOSFET, logrando unha optimización dinámica da corrente de carga.

IV. Resumo da Solución e Perspectivas

• Eficacia do Control: O sistema de control de xeración híbrida eólico-solar deseñado nesta solución logra unha xestión óptima da carga/descarga da batería a través do algoritmo de control intelixente Fuzzy-PID complementario. Isto non só protexe eficazmente a batería e prorroga a súa vida útil, senón que tamén mellora a eficiencia de captura da enerxía eólica e solar a través do MPPT, mellorando así a eficiencia global do sistema de xeración de enerxía.
• Verificación Experimental: Os resultados experimentais mostran que o controlador está deseñado correctamente e de xeito factible, opera de xeito seguro e fiable, e exibe un bo rendemento de resposta dinámica e precisión estacionaria.
• Perspectivas de Aplicación: Esta solución integrada de xeración híbrida eólico-solar con tecnoloxía de xestión intelixente da batería é particularmente adecuada para escenarios como zonas remotas sen cobertura de rede, illas, pastizais e estacións de comunicación. Ofrece beneficios económicos e sociais significativos e ten amplias perspectivas de aplicación.