スマート風光複合システムとファジィ-PID制御によるバッテリ管理の強化と最大電力点追従

要約

この提案では、高度な制御技術に基づく風力・太陽光ハイブリッド発電システムを紹介し、遠隔地や特殊な用途の電力需要を効率的かつ経済的に満たすことを目指しています。システムの核心は、ATmega16マイクロプロセッサを中心としたインテリジェント制御システムです。このシステムは風力と太陽光エネルギーの最大電力点追跡（MPPT）を行い、PIDとファジィ制御を組み合わせた最適化アルゴリズムを使用して、主要部品であるバッテリーの充放電管理を正確かつ効率的に行います。これにより、全体的な発電効率が大幅に向上し、バッテリーの寿命が延び、電力供給の信頼性とコスト効率が確保されます。

I. プロジェクトの背景と意義

1. エネルギーの文脈：世界中で従来の化石燃料が枯渇しており、エネルギー安全保障と持続可能な開発に深刻な課題をもたらしています。風力や太陽光などのクリーンで再生可能な新エネルギーを積極的に開発および利用することは、現在のエネルギーと環境問題を解決するための戦略的優先事項となっています。
2. システムの価値：風力・太陽光ハイブリッドシステムは、時間と地理的に自然の補完特性を活用します（例えば、日中の強い日光、夜間の強い風）。単一源発電の間欠性を克服し、構造的に合理的で運転コストが低い独立した電力供給ソリューションであり、未電化または弱電化地域の住宅、通信基地局、気象観測所などの施設のエネルギー供給問題を効果的に解決します。
3. 主要部品の重要性：バッテリーはシステムのエネルギーストレージユニットとして、風や日光がない期間でも負荷への連続的な電力供給を確保するために不可欠です。そのコストは全体の発電システムの重要な部分を占めています。そのため、バッテリーの充電効率を改善し、充放電戦略を最適化して寿命を延ばすことは、システムのライフサイクルコストを削減し、運用の信頼性を高める上で重要です。

II. システム全体の設計

1. システムの主要目標：
• エネルギー収集の最適化：風力タービンと太陽光パネルによって生成された電力を最大効率で最適制御し、最大電力点追跡（MPPT）を達成して自然資源を最大限に活用します。
• エネルギーストレージシステムの管理：バッテリーの充放電プロセスをインテリジェントに管理し、過充電や過放電を防ぎ、バッテリーを効果的に保護し、充電効率と寿命を大幅に向上させます。
2. システムハードウェアアーキテクチャ：

システムは3つの主要機能モジュールから構成され、中央制御CPUによって調整されて完全なインテリジェント制御システムを形成します。

III. 核心制御技術：インテリジェントバッテリーマネージメント

1. バッテリーの選択と基本：
• タイプ：このソリューションでは、メンテナンスフリーの鉛蓄電池を選択しています。これは技術的に成熟しており、低コストで、小規模の風力・太陽光ハイブリッドシステムに適しています。
• 動作原理：バッテリーの充電と放電は本質的に電気エネルギーを化学エネルギーに変換し、逆に変換する過程です。しかし、極板の極性化などの現象により、エネルギー変換効率は100%にはなりません。
2. 制御の課題と最適化戦略：
• 伝統的な制御の欠点：古典的なPID制御法は、制御対象（バッテリー）の正確な数学モデルに大きく依存します。バッテリーは非線形かつ時変のシステムであり、内部抵抗、電解液密度などのパラメータは環境温度や使用状態に応じて動的に変化します。そのため、正確なモデルを確立するのが困難であり、伝統的なPIDパラメータの調整が難しく、適応性が低く、制御性能が劣ります。
• 採用された高度な制御法：このソリューションでは、ファジィ-PID複合制御戦略を採用しています。それぞれの利点を組み合わせています。
• ファジィ制御の利点：制御対象の正確な数学モデルを必要とせず、不正確な入力情報に対処でき、バッテリーパラメータの変化に対して強力な適応性を持ち、専門家の知識を取り入れることができます。
• PID制御の利点：システム偏差が小さい場合、高精度でゼロの定常誤差を持つ制御を達成できます。
• コントローラーのワークフロー：システムは、バッテリーの設定電圧と実際の電圧の差e(t)を継続的に監視します。偏差e(t)が大きい場合、ファジィ制御が主導し、迅速な反応を行います。e(t)が一定範囲内に減少すると、滑らかにPID制御に切り替えて微調整を行います。最終的には、出力信号u(t)を調整してMOSFETのデューティサイクルを制御し、充電電流の動的最適化を達成します。

IV. ソリューションの概要と展望

• 制御の有効性：このソリューションで設計された風力・太陽光ハイブリッド発電制御システムは、補完的なインテリジェントファジィ-PID制御アルゴリズムを通じて、バッテリーの充放電管理を最適化することに成功しました。これにより、バッテリーを効果的に保護し、寿命を延ばすだけでなく、MPPTを通じて風力と太陽光エネルギーの収集効率を向上させ、全体的な発電システムの総合効率を向上させます。
• 実験的検証：実験結果は、コントローラーが正しく実現可能に設計され、安全かつ信頼性高く動作し、良好な動的応答性能と定常精度を示すことを示しています。
• アプリケーションの展望：このインテリジェントバッテリーマネージメント技術を備えた統合風力・太陽光ハイブリッド発電ソリューションは、特に電力網カバレッジのない遠隔地、島嶼、牧草地、通信基地局などのシナリオに適しています。大きな経済的および社会的利益があり、広い応用可能性があります。