Inteligentni hibridni sustav vjetar-sunčevo s fuzzy-PID upravljanjem za poboljšano upravljanje baterijama i MPPT

Sažetak

Ova propozicija predstavlja hibridni sustav proizvodnje struje na osnovu vjetra i sunca temeljen na naprednoj tehnologiji upravljanja, s ciljem učinkovitog i ekonomskog rješavanja potreba za energijom u udaljenim područjima i posebnim primjenama. Srce sustava leži u inteligentnom sustavu upravljanja s fokusom na mikroprocesor ATmega16. Taj sustav obavlja praćenje točke maksimalne snage (MPPT) za oba izvora energije, vjetar i sunce, te koristi optimizirani algoritam koji kombinira PID i neizrazito upravljanje za precizno i učinkovito upravljanje punjenjem/isključivanjem ključnog komponenta - baterije. Tako se značajno povećava ukupna učinkovitost proizvodnje energije, produžuje životnost baterije i osigurava pouzdanost i ekonomičnost opskrbom strujom.

I. Pozadina projekta i značaj

1. Energetski kontekst: Globalno, tradicionalni fosilni goriva sve više se iscrpljuju, stvarajući ozbiljne izazove za energetska sigurnost i održivi razvoj. Buđenje i korištenje čistih i obnovljivih izvora energije, poput vjetra i sunca, postalo je strategijski prioritet u rješavanju trenutnih energetskih i okolišnih problema.
2. Vrijednost sustava: Hibridni sustav vjetra i sunca u potpunosti iskorištava prirodne komplementarne karakteristike vjetra i sunca u pogledu vremena i geografije (npr., jako sunčanje tijekom dana, potencijalno jači vjetar noću), premažući intermitenciju jednosmjernog proizvodnje energije. To je strukturno racionalno, niskokosto rješenje za samostojeću opskrbu strujom, koje učinkovito rješava probleme opskrbe energijom za objekte poput stanovanja, baznih stanica za komunikacije i meteoroloških nadzornih stanica u neelektrificiranim ili slabo elektrificiranim udaljenim područjima.
3. Značaj ključnih komponenti: Baterija, kao spremnik energije sustava, ključna je za osiguranje neprekidne opskrbe strujom opterećenja tijekom razdoblja bez vjetra ili sunca. Njezina cijena čini značajan dio cijelog sustava proizvodnje energije. Stoga, poboljšanje učinkovitosti punjenja baterije i optimizacija strategija punjenja/isključivanja za produženje njenog vremena trajanja su vitalni za smanjenje troškova ciklusa života sustava i poboljšanje operativne pouzdanosti.

II. Opće dizajniranje sustava

1. Glavni ciljevi sustava:
• Optimizacija uhvata energije: Obaviti optimalno upravljanje za najveću učinkovitost na struju proizvedenu od vjetroeletromotora i fotovoltačnih panela, postižući praćenje točke maksimalne snage (MPPT) kako bi se u potpunosti iskoristili prirodni resursi.
• Upravljanje sustavom pohrane energije: Inteligentno upravljati procesom punjenja i isključivanja baterije, sprečiti prepunjenje i preisključivanje, učinkovito štititi bateriju i značajno poboljšati učinkovitost punjenja i vremena trajanja baterije.
2. Hardverska arhitektura sustava:

Sustav se sastoji od tri glavna funkcionalna modula, koordinirana centralnim CPU-om za formiranje kompletnog inteligentnog sustava upravljanja.

III. Ključna kontrolna tehnologija: Inteligentno upravljanje baterijama

1. Odabir baterije i osnove:
• Vrsta: Ovo rješenje odabire bezodržive olovne kiseline baterije, koje su tehnološki dovršene i niske cijene, prikladne za male hibridne sustave vjetra i sunca.
• Način rada: Punjenje i isključivanje baterije su u biti procesi pretvorbe električne energije u kemijsku i obratno. Međutim, zbog pojava poput polarizacije elektroda, učinkovitost pretvorbe energije ne može dosegnuti 100%.
2. Izazovi u upravljanju i strategija optimizacije:
• Nedostaci tradicionalnog upravljanja: Klasične metode upravljanja PID-u teško se oslanjaju na točan matematički model kontroliranog objekta (baterija). Baterija je nelinearni, vremenski varijabilni sustav čiji parametri (unutrašnji otpor, gustoća elektrolita itd.) dinamički se mijenjaju s temperaturom okruženja i stanjem korištenja, čime je teško uspostaviti točan model. To dovodi do izazova u podešavanju tradicionalnih PID parametara, loše prilagodljivosti i podoptimalne performanse upravljanja.
• Prihvaćena napredna metoda upravljanja: Ovo rješenje koristi Fuzzy-PID složeno upravljanje, kombinirajući prednosti obojih:
• Prednost Fuzzy upravljanja: Ne zahtijeva točan matematički model kontroliranog objekta, može obraditi neprecizne ulazne informacije, pokazuje snažnu prilagodljivost promjenama parametara baterije i može uključiti znanje stručnjaka.
• Prednost PID upravljanja: Može postići visoku preciznost, nultu statičku grešku upravljanja kada je odstupanje sustava mali.
• Tijek rada kontrolera: Sustav stalno nadgleda razliku e(t) između postavljene i stvarne napetosti baterije. Kada je odstupanje e(t) veliko, dominira fuzzy upravljanje za brzu reakciju. Kada e(t) pada unutar određenog opsega, gladko se prelazi na PID upravljanje za fino podešavanje. Konačno, izlazni signal u(t) se prilagođava za kontrolu faktora iskorištavanja MOSFET-a, postižući dinamičku optimizaciju struje punjenja.

IV. Sažetak rješenja i perspektive

• Učinkovitost upravljanja: Kontrolni sustav hibridne proizvodnje struje od vjetra i sunca dizajniran u ovom rješenju uspješno postiže optimalno upravljanje punjenjem/isključivanjem baterije putem komplementarnog inteligentnog Fuzzy-PID algoritma upravljanja. Time se ne samo učinkovito štiti baterija i produžuje njezino vrijeme trajanja, već i poboljšava učinkovitost uhvata energije vjetra i sunca putem MPPT, čime se unapređuje ukupna učinkovitost cijelog sustava proizvodnje energije.
• Eksperimentalna verifikacija: Eksperimentalni rezultati pokazuju da je kontroler točno i moguće dizajniran, radi sigurno i pouzdano, te pokazuje dobru dinamičku performansu i statičku preciznost.
• Perspektive primjene: Ovo integrirano rješenje hibridne proizvodnje struje od vjetra i sunca s inteligentnom tehnologijom upravljanja baterijama posebno je prikladno za scenarije poput udaljenih područja bez mrežne pokrivenosti, otoka, pašnjaka i baznih stanica za komunikacije. Pruža značajne ekonomske i društvene koristi i ima široke perspektive primjene.