Sistem Hibrid Angin-Surya Cerdas dengan Kontrol Fuzzy-PID untuk Manajemen Baterai yang Ditingkatkan dan MPPT

Abstrak

Proposal ini mempresentasikan sistem pembangkit listrik hibrid angin-matahari berbasis teknologi kontrol canggih, bertujuan untuk secara efisien dan ekonomis menangani kebutuhan energi di daerah terpencil dan skenario aplikasi khusus. Inti dari sistem ini terletak pada sistem kontrol cerdas yang berpusat pada mikroprosesor ATmega16. Sistem ini melakukan Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT) untuk energi angin dan matahari serta menggunakan algoritma yang dioptimalkan dengan menggabungkan kontrol PID dan fuzzy untuk manajemen pengisian/pengosongan baterai yang tepat dan efisien. Dengan demikian, hal ini secara signifikan meningkatkan efisiensi pembangkitan listrik secara keseluruhan, memperpanjang umur baterai, dan menjamin keandalan pasokan listrik serta efisiensi biaya.

I. Latar Belakang dan Kepentingan Proyek

1. Konteks Energi: Secara global, bahan bakar fosil tradisional semakin terkuras, menimbulkan tantangan serius terhadap keamanan energi dan pembangunan berkelanjutan. Mengembangkan dan memanfaatkan sumber energi baru yang bersih dan terbarukan seperti angin dan matahari telah menjadi prioritas strategis untuk menyelesaikan masalah energi dan lingkungan saat ini.
2. Nilai Sistem: Sistem hibrid angin-matahari memanfaatkan sepenuhnya karakteristik komplementer alami energi angin dan matahari dalam hal waktu dan geografi (misalnya, sinar matahari yang kuat siang hari, potensial angin yang lebih kencang malam hari), mengatasi ketidakpastian pembangkitan energi dari satu sumber. Ini adalah solusi pasokan listrik independen yang strukturnya rasional, dengan biaya operasional rendah, yang secara efektif menyelesaikan masalah pasokan energi untuk fasilitas seperti hunian, stasiun pangkalan komunikasi, dan stasiun pemantauan meteorologi di daerah terpencil yang tidak atau kurang teraliri listrik.
3. Kepentingan Komponen Inti: Baterai, yang berfungsi sebagai unit penyimpanan energi sistem, sangat penting untuk memastikan pasokan listrik yang berkelanjutan ke beban selama periode tanpa angin atau sinar matahari. Biaya baterai merupakan bagian signifikan dari seluruh sistem pembangkit listrik. Oleh karena itu, meningkatkan efisiensi pengisian baterai dan mengoptimalkan strategi pengisian/pengosongan untuk memperpanjang umur layanannya sangat vital untuk mengurangi biaya siklus hidup sistem dan meningkatkan keandalan operasional.

II. Desain Sistem Keseluruhan

1. Tujuan Inti Sistem:
• Optimisasi Penangkapan Energi: Melakukan kontrol optimal untuk efisiensi maksimal pada listrik yang dihasilkan oleh turbin angin dan panel fotovoltaik, mencapai Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT) untuk memanfaatkan sumber daya alam secara penuh.
• Manajemen Sistem Penyimpanan Energi: Mengelola proses pengisian dan pengosongan baterai secara cerdas, mencegah overcharging dan over-discharging, melindungi baterai secara efektif, dan secara signifikan meningkatkan efisiensi pengisian dan umur layanan baterai.
2. Arsitektur Perangkat Keras Sistem:

Sistem terdiri dari tiga modul fungsional utama, yang diselaraskan oleh CPU kontrol pusat untuk membentuk sistem kontrol cerdas yang lengkap.

III. Teknologi Kontrol Inti: Manajemen Baterai Cerdas

1. Pemilihan dan Dasar-dasar Baterai:
• Jenis: Solusi ini memilih baterai timbal-asam bebas perawatan, yang teknologinya sudah matang dan biayanya rendah, cocok untuk sistem hibrid angin-matahari skala kecil.
• Prinsip Kerja: Pengisian dan pengosongan baterai pada dasarnya adalah proses konversi energi listrik ke energi kimia dan sebaliknya. Namun, karena fenomena seperti polarisasi elektroda, efisiensi konversi energi tidak dapat mencapai 100%.
2. Tantangan Kontrol dan Strategi Optimasi:
• Kelemahan Kontrol Tradisional: Metode kontrol PID klasik sangat bergantung pada model matematika yang akurat dari objek yang dikendalikan (baterai). Baterai adalah sistem non-linear, berubah-ubah seiring waktu, di mana parameternya (resistansi internal, kepadatan elektrolit, dll.) berubah secara dinamis dengan suhu lingkungan dan keadaan penggunaan, sehingga sulit untuk membuat model yang akurat. Hal ini menyebabkan tantangan dalam penyetelan parameter PID tradisional, adaptabilitas yang buruk, dan kinerja kontrol yang kurang optimal.
• Metode Kontrol Canggih yang Diadopsi: Solusi ini menggunakan strategi kontrol komposit Fuzzy-PID, menggabungkan kelebihan keduanya:
• Kelebihan Kontrol Fuzzy: Tidak memerlukan model matematika yang tepat dari objek yang dikendalikan, dapat menangani informasi input yang tidak pasti, memiliki adaptabilitas yang kuat terhadap perubahan parameter baterai, dan dapat mengintegrasikan pengetahuan ahli.
• Kelebihan Kontrol PID: Dapat mencapai kontrol dengan presisi tinggi, tanpa kesalahan steady-state ketika deviasi sistem kecil.
• Alur Kerja Kontroler: Sistem terus-menerus memantau perbedaan e(t) antara tegangan set baterai dan tegangan aktualnya. Ketika deviasi e(t) besar, kontrol fuzzy mendominasi untuk respons cepat. Ketika e(t) berkurang dalam jangkauan tertentu, secara mulus beralih ke kontrol PID untuk penyetelan halus. Akhirnya, sinyal keluaran u(t) disesuaikan untuk mengendalikan siklus tugas MOSFET, mencapai optimasi dinamis arus pengisian.

IV. Ringkasan Solusi dan Prospek

• Kefektifan Kontrol: Sistem kontrol pembangkit listrik hibrid angin-matahari yang dirancang dalam solusi ini berhasil mencapai manajemen pengisian/pengosongan baterai yang optimal melalui algoritma kontrol Fuzzy-PID yang saling melengkapi. Ini tidak hanya melindungi baterai secara efektif dan memperpanjang umur layanannya, tetapi juga meningkatkan efisiensi penangkapan energi angin dan matahari melalui MPPT, sehingga meningkatkan efisiensi keseluruhan sistem pembangkit listrik.
• Verifikasi Eksperimental: Hasil eksperimen menunjukkan bahwa kontroler dirancang dengan benar dan dapat dilaksanakan, beroperasi dengan aman dan andal, serta menunjukkan kinerja respons dinamis dan akurasi steady-state yang baik.
• Prospek Aplikasi: Solusi pembangkit listrik hibrid angin-matahari terintegrasi dengan teknologi manajemen baterai cerdas ini sangat cocok untuk skenario seperti daerah terpencil tanpa cakupan jaringan, pulau, padang rumput, dan stasiun pangkalan komunikasi. Solusi ini menawarkan manfaat ekonomi dan sosial yang signifikan dan memiliki prospek aplikasi yang luas.