Intelligens szél-napegységes rendszer Fuzzy-PID vezérléssel az akkumulátorkezelés és a MPPT javítására

Kivonat​

Ez a javaslat egy szélsolar hibrid energia termelő rendszert mutat be, amely fejlett irányítási technológián alapul, és célja a távoli területek és speciális alkalmazási esetek hatékony és gazdaságos energiaellátásának biztosítása. A rendszer központja egy intelligens irányítási rendszer, amely egy ATmega16 mikroprocesszor köré épül. Ez a rendszer végzi a Maximum Power Point Tracking (MPPT) funkciót mind a szél-, mind a napelemlős energia esetében, és optimalizált algoritmust használ PID és fuzzy-irányítás kombinációjával a kulcsfontosságú összetevő – az akkumulátor – pontos és hatékony töltési/eltöltési kezelésére. Így jelentősen növeli az általános energia termelési hatékonyságot, meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, és biztosítja az energiaellátás megbízhatóságát és költséghatékonyságát.

​I. Projekt háttér és jelentősége​

1. ​Energia kontextus:​​ A világszerte fokozódó hagyományos foszilis üzemanyagok kiürülése súlyos kihívást jelent az energiabiztonságra és fenntartható fejlődésre nézve. A tiszta, megújuló új energiaforrások, mint például a szél- és napelemlős energia, intenzív fejlesztése és felhasználása stratégiai prioritás lett a jelenlegi energia- és környezeti problémák megoldására.
2. ​Rendszer értéke:​​ A szélsolar hibrid rendszer teljesen kihasználja a szél- és napelemlős energia természeti komplementer jellemzőit időben és térben (pl. napközben erős napsugárzás, éjszaka pedig potenciálisan erősebb szél), legyőzve az egy forrásból származó energia termelés intermitencia jelenségét. Ez egy szerkezetileg racionális, alacsony üzemeltetési költségű önálló energiaellátási megoldás, amely hatékonyan megoldja az un-electrified vagy gyenge elektrifikált távoli területeken található lakótelepek, kommunikációs bázisállomások és meteorológiai figyelőállomások energiaellátási problémáit.
3. ​Kulcsfontosságú összetevők fontossága:​​ Az akkumulátor, mint a rendszer energiatároló egysége, létfontosságú az energia folyamatos ellátásának biztosításához a terhelésnek olyan időszakokban, amikor nincs szél vagy napsugárzás. Az árképe jelentősen befolyásolja az egész energia termelő rendszer költségeit. Ezért az akkumulátor töltési hatékonyságának javítása és a töltési/eltöltési stratégiák optimalizálása, hogy meghosszabbítsuk az élettartamát, lényeges a rendszer életciklus költségeinek csökkentéséhez és a működési megbízhatóság növeléséhez.

​II. Általános rendszertervezés​

1. ​Rendszer központi célok:​​
• ​Energia beszerzés optimalizálása:​​ Végezzen optimális irányítást a szélmalom és a fotovoltaikus panelek által előállított elektromos energia maximális hatékonyságán, elérve a Maximum Power Point Tracking (MPPT)-t, hogy teljes mértékben kihasználja a természeti erőforrásokat.
• ​Energia tároló rendszer kezelése:​​ Intelligensen kezelje az akkumulátor töltési és eltöltési folyamatát, megelőzve a túltöltést és túlzott eltöltést, hatékonyan védelme az akkumulátort, és jelentősen javítva a töltési hatékonyságát és élettartamát.
2. ​Rendszer hardver architektúrája:​​

A rendszer három fő funkcionális modulból áll, amelyek egy központi irányító CPU koordinálásával alkotják a teljes intelligens irányítási rendszert.

​III. Központi irányítási technológia: Intelligens akkumulátor kezelés​

1. ​Akkumulátor kiválasztása és alapvető ismeretek:​​
• ​Típus:​​ Ez a megoldás karbantartásmentes ólom-acid akkumulátort választ, amely technológiai szempontból fejlett és olcsó, alkalmas a kis léptékű szélsolar hibrid rendszerekre.
• ​Működési elv:​​ Az akkumulátor töltése és eltöltése alapján az elektromos energia konvertálódik kémiai energiává, és fordítva. Azonban az elektrod polarizáció miatt az energia konverziós hatékonyság nem tud 100%-ot elérni.
2. ​Irányítási kihívások és optimalizálási stratégia:​​
• ​Hagyományos irányítás hátrányai:​​ A klasszikus PID-irányítási módszerek nagy mértékben függnek a kontrollált objektum (az akkumulátor) pontos matematikai modelljétől. Az akkumulátor egy nemlineáris, időben változó rendszer, amely paraméterei (belső ellenállás, elektrolit sűrűség stb.) dinamikusan változnak a környezeti hőmérséklettel és használati állapotokkal, ami nehézséget jelent a pontos modell kialakításában. Ez vezet a hagyományos PID-paraméterek beállításának kihívásaihoz, rossz alkalmazkodáshoz és alacsony irányítási teljesítményhez.
• ​Bevezetett fejlett irányítási módszer:​​ Ez a megoldás Fuzzy-PID összetett irányítási stratégiát alkalmaz, amely kombinálja mindkét előnyeit:
• ​Fuzzy-irányítás előnye:​​ Nem igényel pontos matematikai modellt a kontrollált objektumról, képes kezelni a pontatlannak tekinthető bemeneti információkat, erős alkalmazkodó képességgel az akkumulátor paramétereinek változásaihoz, és beillesztheti a szakértői ismereteket.
• ​PID-irányítás előnye:​​ Magas pontosságú, nulla állapot-hiba irányítást tud elérni, amikor a rendszer eltérése kicsi.
• ​Irányító működési folyamat:​​ A rendszer folyamatosan figyeli az akkumulátor beállított feszültsége és a valós feszültség közötti különbséget e(t). Amikor a különbség e(t) nagy, a fuzzy-irányítás dominál, gyors reakció érdekében. Amikor e(t) csökken egy adott tartományba, simán átkapcsol a PID-irányításra a finomhangolás érdekében. Végül az u(t) kimeneti jel beállítása a MOSFET időarányának irányítására, a töltési áram dinamikus optimalizálása érdekében.

​IV. Megoldás összefoglalása és kilátások​

• ​Irányítási hatékonyság:​​ A szélsolar hibrid energia termelő irányítási rendszer, amelyet ez a megoldás tervez, sikeresen eléri az akkumulátor töltési/eltöltési kezelés optimalizált menedzsmentjét a komplementer intelligens Fuzzy-PID irányítási algoritmus révén. Ez nem csak hatékonyan védi az akkumulátort és meghosszabbítja az élettartamát, de a MPPT segítségével javítja a szél- és napelemlős energia beszerzési hatékonyságát is, így növelve az egész energia termelő rendszer általános hatékonyságát.
• ​Kísérleti ellenőrzés:​​ A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy az irányító helyesen és megfelelően van tervezve, biztonságosan és megbízhatóan működik, és jó dinamikus válasz teljesítményt és állapot-hibát mutat.
• ​Alkalmazási kilátások:​​ Ez az integrált szélsolar hibrid energia termelő megoldás intelligens akkumulátor kezelési technológiával különösen alkalmas olyan helyzetekre, mint a távoli területek, szigetek, pastók és kommunikációs bázisállomások, ahol nincs hálózati fedettség. Ez jelentős gazdasági és társadalmi előnyöket kínál, és széles alkalmazási kilátásokkal rendelkezik.