מערכת היברידית חכמה של רוח-שמש עם בקרת Fuzzy-PID לשיפור ניהול הסוללה ואופטימיזציה מקסימלית של כוח

תקציר

ההצעה מציגה מערכת ייצור חשמל היברידית של רוח-שמש המבוססת על טכנולוגיה מתקדמת של בקרה, במטרה להתמודד באופן יעיל וכלכלי לצרכי החשמל באזורים מרוחקים ובסצנאריות שימוש מיוחדות. ליבה של המערכת היא מערכת בקרה חכמה המרכזת סביב מעבד ATmega16. המערכת מבצעת מעקב אחר נקודת הספק המקסימלית (MPPT) עבור אנרגיית הרוח והשמש ומפעילה אלגוריתם אופטימלי שמשלב בקרה PID ובקרה עמומה לבקרה מדוייקת ויעילה של טעינה/פריקה של הרכיב העיקרי - הסוללה. כתוצאה מכך, היא מגבירה באופן משמעותי את יעילות הייצור הכוללת של החשמל, מאריכה את תוחלת החיים של הסוללה ומבטיחה אמינות ויעילות כלכלית בהספקת החשמל.

א. רקע פרויקטeutifkanan ומשמעות

1. הקשר אנרגטי: ברחבי העולם, משאבים מסורתיים כמו דלק מאובנים מתכחדים במהירות, מה שהופך לאתגר חמור לביטחון האנרגיה והתפתחות בר קיימא. פיתוח ואימוץ נמרץ של מקורות אנרגיה נקיים ומחודשים כמו אנרגיית הרוח והשמש הפכו לאסטרטגיה עיקרית לפתרון בעיות האנרגיה והסביבה הנוכחיות.
2. ערך המערכת: מערכת ההיבריד של רוח-שמש מנצלת לחלוטין את התכונות המשלים של אנרגיית הרוח והשמש מבחינת זמן וגאוגרפיה (לדוגמה, אור שמש חזק במהלך היום, רוחות חזקות יותר אפשריות בלילה), ומגיעה מעל לאי-רציפות בייצור חשמל ממקור יחיד. זהו פתרון אספקת חשמל עצמאי בעל מבנה הגיוני, עלויות תפעול נמוכות, המפתיע בצורה יעילה את בעיות האספקה של אנרגיה עבור מתקנים כגון מגורים, תחנות תקשורת ותחנות מעקב מטאורולוגי באזורים מרוחקים ללא חשמל או עם חשמל חלש.
3. חשיבות הרכיבים העיקריים: הסוללה, שמילאה תפקיד כיחידה אחסון אנרגיה, היא קריטית להבטיח אספקת חשמל מתמידה ל עומס במהלך תקופות ללא רוח או שמש. עלותה מהווה חלק משמעותי מכלל מערכת הייצור של החשמל. לכן, שיפור יעילות טעינת הסוללה והאופטימיזציה של אסטרטגיית הטעינה/הפריקה שלה כדי להאריך את תוחלת החיים שלה הם חיוניים להפחתת עלויות מחזור החיים של המערכת ולהגברת אמינות הפעילות.

ב. תכנון כללי של המערכת

1. מטרות עיקריות של המערכת:
• אופטימיזציה של תפיסת אנרגיה: ביצוע בקרה אופטימלית ליישום יעילות מקסימלית על החשמל שנוצר על ידי טורבינת הרוח ותאים פוטו-וולטאיים, תוך ביצוע MPPT לשימוש מלא במשאבים הטבעיים.
• ניהול מערכת אחסון אנרגיה: ניהול חכם של תהליך טעינת והפריקת הסוללה, למנוע טעינה יתר ופריקה יתר, הגנה יעילה על הסוללה ושיפור משמעותי של יעילות הטעינה ותוחלת החיים שלה.
2. אדריכלות חומרה של המערכת:

המערכת מורכבת משלושה מודולים פונקציונליים ראשיים, שמתואמים על ידי CPU בקרה מרכזי כדי ליצור מערכת בקרה חכמה שלמה.

ג. טכנולוגיית בקרה עיקרית: ניהול סוללה חכם

1. בחירת סוללה וה Tessentials:
• סוג: הפתרון הזה בוחר בסוללות עופרת חסרות תחזוקה, שהם טכנולוגית בשלות וברמות נמוכות, המתאימות למערכות היברידיות קטנות של רוח-שמש.
• עקרון פעולה: טעינת והפריקת הסוללה הן למעשה תהליכים של המרה של אנרגיה חשמלית לאנרגיה כימית ולהיפך. אך עקב תופעות כמו פולריזציה של אלקטרודה, יעילות ההמרה לא יכולה להגיע ל-100%.
2. אתגרי הבקרה ואסטרטגיית אופטימיזציה:
• חסרונות של הבקרה המסורתית: שיטות בקרה PID קלאסיות מתבססות מאוד על מודל מתמטי מדויק של הנושא הנשלט (הסוללה). הסוללה היא מערכת לא ליניארית משתנה בזמן שפרמטריה (התנגדות פנימית, צפיפות חומצה וכו ') משתנים באופן דינאמי עם טמפרטורת הסביבה וסטטוס השימוש, מה שהופך קשה לקבוע מודל מדויק. זה מוביל לאתגרים באופטימיזציה של פרמטרי PID מסורתיים, התאמה לקויה וביצועי בקרה לא אופטימליים.
• שיטת הבקרה המתקדמת המאמצת: הפתרון הזה משתמש באסטרטגיית בקרה מרובדת Fuzzy-PID, שמקבלת את היתרונות של שתיהן:
• יתרון של הבקרה עמומה: לא דורש מודל מתמטי מדויק של הנושא הנשלט, יכול להתמודד עם מידע קלט לא מדויק, מראה התאמה חזקה לשינויים בפרמטרי הסוללה ויכול לשלב ידע מומחה.
• יתרון של הבקרה PID: יכול להשיג בקרה מדויקת, ללא שגיאות מצב יציב כאשר סטיית המערכת קטנה.
• תהליך עבודה של המבקר: המערכת מפקחת באופן מתמיד על ההבדל e(t) בין מתח הסוללה המוגדר למתח האמיתי שלה. כאשר הסטייה e(t) גדולה, הבקרה עמומה מובילה לתגובה מהירה. כאשר e(t) יורד בתוך טווח מסוים, הוא עובר חלקית לבקרה PID עבור תקינים. בסופו של דבר, האות הפלט u(t) מתואם כדי לשלוט במחזור הפעולה של MOSFET, כדי להשיג אופטימיזציה דינמית של זרם הטעינה.

ד. תקציר הפתרון והראיות

• יעילות הבקרה: מערכת הבקרה של ייצור חשמל היברידית של רוח-שמש המתוכנת בתשובה זו מצליחה להשיג ניהול טעינה/פריקה אופטימלי של הסוללה באמצעות אלגוריתם בקרה חכם Fuzzy-PID משלים. זה מגן בצורה יעילה על הסוללה ומאריך את תוחלת החיים שלה, אבל גם מגביר את יעילות תפיסת אנרגיית הרוח והשמש באמצעות MPPT, כך שמשפר את יעילות הייצור הכוללת של המערכת.
• הוכחה ניסיונית: תוצאות הניסויים מראות שהבקר מתוכנן נכון וניתן ליישום, פועל בטיחותי ואמינות, ומציג ביצועים טובים של תגובה דינמית ודיוק מצב יציב.
• הבטחות יישום: פתרון ייצור חשמל היברידית של רוח-שמש אינטגרלי עם טכנולוגיית ניהול סוללה חכם זה מתאים במיוחד לסצנאריות כמו אזורי מרחק ללא כיסוי רשת, איים, מרעה, ותחנות תקשורת. זה מציע תועלת כלכלית וחברתית משמעותית ויש לו תחומי יישום רחבים.