지능형 풍력-태양광 하이브리드 시스템과 퍼지-PID 제어를 통한 향상된 배터리 관리 및 MPPT

요약

이 제안서는 고급 제어 기술을 기반으로 한 풍력-태양광 하이브리드 발전 시스템을 제시하며, 이는 원격 지역 및 특수 응용 분야의 전력 수요를 효율적이고 경제적으로 해결하는 것을 목표로 합니다. 시스템의 핵심은 ATmega16 마이크로프로세서를 중심으로 하는 지능형 제어 시스템에 있습니다. 이 시스템은 풍력과 태양광 에너지 모두에 대해 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking, MPPT)를 수행하고, PID와 퍼지 제어를 결합한 최적화된 알고리즘을 사용하여 주요 구성 요소인 배터리의 정확하고 효율적인 충전/방전 관리를 수행합니다. 결과적으로 전체 발전 효율이 크게 향상되고, 배터리 수명이 연장되며, 전력 공급의 신뢰성과 비용 효율성이 보장됩니다.

I. 프로젝트 배경 및 중요성

1. 에너지 상황: 전 세계적으로 전통적인 화석 연료가 점점 고갈되고 있어 에너지 안보와 지속 가능한 발전에 심각한 도전을 제기하고 있습니다. 바람과 태양광과 같은 깨끗하고 재생 가능한 새로운 에너지원을 적극적으로 개발하고 활용하는 것은 현재의 에너지와 환경 문제를 해결하기 위한 전략적 우선 과제가 되었습니다.
2. 시스템 가치: 풍력-태양광 하이브리드 시스템은 시간과 지리적 측면에서 바람과 태양광 에너지의 자연적인 상호 보완적 특성을 최대한 활용하여 단일 소스 발전의 불규칙성을 극복합니다. 이는 구조적으로 합리적이고 운영 비용이 낮은 독립형 전력 공급 솔루션으로, 전력망이 미치지 않는 또는 약한 전력망을 가진 원격 지역의 주거, 통신 기지국, 기상 모니터링 기지 등에 대한 에너지 공급 문제를 효과적으로 해결합니다.
3. 핵심 구성 요소의 중요성: 배터리는 시스템의 에너지 저장 장치로서, 바람이나 햇빛이 없는 기간 동안 부하에 대한 연속적인 전력 공급을 보장하는 데 필수적입니다. 그 비용은 전체 발전 시스템의 중요한 부분을 차지합니다. 따라서 배터리 충전 효율을 향상시키고, 충전/방전 전략을 최적화하여 배터리 수명을 연장하는 것은 시스템의 수명 주기 비용을 줄이고 운영 신뢰성을 향상시키는 데 중요합니다.

II. 전체 시스템 설계

1. 시스템 핵심 목표:
• 에너지 캡처 최적화: 풍력 터빈과 광전지 패널에서 발생하는 전기에 대해 최적의 제어를 수행하여 최대 효율을 달성하고, 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking, MPPT)을 통해 자연 자원을 최대한 활용합니다.
• 에너지 저장 시스템 관리: 배터리 충전 및 방전 과정을 지능적으로 관리하여 과충전 및 과방전을 방지하고, 배터리를 효과적으로 보호하며, 배터리 충전 효율과 수명을 크게 향상시킵니다.
2. 시스템 하드웨어 아키텍처:

이 시스템은 중앙 제어 CPU에 의해 조정되는 세 가지 주요 기능 모듈로 구성되어 완전한 지능형 제어 시스템을 형성합니다.

III. 핵심 제어 기술: 지능형 배터리 관리

1. 배터리 선택 및 기본 사항:
• 유형: 이 솔루션은 기술적으로 성숙하고 저렴한 유지 관리가 필요 없는 밀폐형鉛酸电池的选择和基本事项：
• 类型：该解决方案选择了技术成熟、成本低廉的免维护铅酸电池，适用于小型风光互补系统。
• 工作原理：电池充放电本质上是电能与化学能相互转换的过程。然而，由于电极极化等现象，能量转换效率无法达到100%。
2. 控制挑战和优化策略：
• 传统控制的缺点：经典的PID控制方法严重依赖于被控对象（电池）的精确数学模型。电池是一个非线性时变系统，其参数（内阻、电解质密度等）会随着环境温度和使用状态动态变化，难以建立精确的模型。这导致传统PID参数调整困难，适应性差，控制性能不佳。
• 采用的先进控制方法：该解决方案采用了模糊-PID复合控制策略，结合了两者的优点：
• 模糊控制的优点：不需要被控对象的精确数学模型，可以处理不精确的输入信息，对电池参数的变化具有很强的适应性，并可以融入专家知识。
• PID控制的优点：当系统偏差较小时，可以实现高精度、零稳态误差控制。
• 控制器工作流程：系统不断监测电池设定电压与其实际电压之间的差异e(t)。当偏差e(t)较大时，模糊控制主导快速响应。当e(t)减小到一定范围内时，平滑切换到PID控制进行微调。最终，输出信号u(t)被调整以控制MOSFET的占空比，实现充电电流的动态优化。

IV. 解决方案总结与展望

• 控制效果：该解决方案设计的风光互补发电控制系统通过互补智能模糊-PID控制算法成功实现了最优的电池充放电管理。这不仅有效地保护了电池并延长了其使用寿命，还通过MPPT提高了风能和太阳能的捕获效率，从而提高了整个发电系统的综合效率。
• 实验验证：实验结果表明，该控制器设计正确可行，运行安全可靠，表现出良好的动态响应性能和稳态精度。
• 应用前景：这种集成智能电池管理技术的风光互补发电解决方案特别适用于无电网覆盖的偏远地区、岛屿、牧场和通信基站等场景，具有显著的经济和社会效益，应用前景广阔。

• 배터리 유형: 이 솔루션은 기술적으로 성숙하고 저렴한 유지 관리가 필요 없는 밀폐형鉛酸电池的选择和基本事项：

• 类型：该解决方案选择了技术成熟、成本低廉的免维护铅酸电池，适用于小型风光互补系统。
• 工作原理：电池充放电本质上是电能与化学能相互转换的过程。然而，由于电极极化等现象，能量转换效率无法达到100%。

• 传统控制的缺点：经典的PID控制方法严重依赖于被控对象（电池）的精确数学模型。电池是一个非线性时变系统，其参数（内阻、电解质密度等）会随着环境温度和使用状态动态变化，难以建立精确的模型。这导致传统PID参数调整困难，适应性差，控制性能不佳。
• 采用的先进控制方法：该解决方案采用了模糊-PID复合控制策略，结合了两者的优点：
• 模糊控制的优点：不需要被控对象的精确数学模型，可以处理不精确的输入信息，对电池参数的变化具有很强的适应性，并可以融入专家知识。
• PID控制的优点：当系统偏差较小时，可以实现高精度、零稳态误差控制。
• 控制器工作流程：系统不断监测电池设定电压与其实际电压之间的差异e(t)。当偏差e(t)较大时，模糊控制主导快速响应。当e(t)减小到一定范围内时，平滑切换到PID控制进行微调。最终，输出信号u(t)被调整以控制MOSFET的占空比，实现充电电流的动态优化。

IV. 解决方案总结与展望

• 控制效果：该解决方案设计的风光互补发电控制系统通过互补智能模糊-PID控制算法成功实现了最优的电池充放电管理。这不仅有效地保护了电池并延长了其使用寿命，还通过MPPT提高了风能和太阳能的捕获效率，从而提高了整个发电系统的综合效率。
• 实验验证：实验结果表明，该控制器设计正确可行，运行安全可靠，表现出良好的动态响应性能和稳态精度。
• 应用前景：这种集成智能电池管理技术的风光互补发电解决方案特别适用于无电网覆盖的偏远地区、岛屿、牧场和通信基站等场景，具有显著的经济和社会效益，应用前景广阔。

• 배터리 유형: 이 솔루션은 기술적으로 성숙하고 저렴한 유지 관리가 필요 없는 밀폐형 산성 축전지를 선택했습니다. 이는 소규모 풍력-태양광 하이브리드 시스템에 적합합니다.
• 작동 원리: 배터리 충전 및 방전은 본질적으로 전기 에너지와 화학 에너지 간의 변환 과정입니다. 그러나 전극 극화 등의 현상으로 인해 에너지 변환 효율이 100%에 도달하지 못합니다.

• 전통적인 제어의 단점: 고전적인 PID 제어 방법은 제어 대상(배터리)의 정확한 수학적 모델에 크게 의존합니다. 배터리는 비선형 시변 시스템이며, 내부 저항, 전해질 밀도 등의 파라미터가 환경 온도와 사용 상태에 따라 동적으로 변화합니다. 이를 정확히 모델링하기 어렵기 때문에, 전통적인 PID 파라미터 조정이 어려우며, 적응성이 떨어지고 제어 성능이 좋지 않습니다.
• 채택된 고급 제어 방법: 이 솔루션은 퍼지-PID 복합 제어 전략을 사용하여 두 방법의 장점을 결합합니다.
  • 퍼지 제어의 장점: 제어 대상의 정확한 수학적 모델이 필요하지 않으며, 부정확한 입력 정보를 처리할 수 있으며, 배터리 파라미터의 변화에 강한 적응성을 가지고 있고, 전문가 지식을 통합할 수 있습니다.
  • PID 제어의 장점: 시스템 오차가 작을 때 고정밀, 영 정상 상태 오차 제어를 달성할 수 있습니다.
• 제어기 작업 흐름: 시스템은 배터리의 설정 전압과 실제 전압 간의 차이 e(t)를 지속적으로 모니터링합니다. e(t)가 클 때는 빠른 반응을 위해 퍼지 제어가 주도합니다. e(t)가 특정 범위 내로 감소하면 PID 제어로 부드럽게 전환하여 미세 조정을 수행합니다. 궁극적으로 출력 신호 u(t)를 조정하여 MOSFET의 듀티 사이클을 제어하여 충전 전류의 동적 최적화를 달성합니다.

IV. 솔루션 요약 및 전망

• 제어 효과: 이 솔루션에서 설계된 풍력-태양광 하이브리드 발전 제어 시스템은 상호 보완적인 지능형 퍼지-PID 제어 알고리즘을 통해 최적의 배터리 충전/방전 관리를 성공적으로 달성하였습니다. 이는 배터리를 효과적으로 보호하고 수명을 연장하며, MPPT를 통해 풍력과 태양광 에너지의 포집 효율을 향상시켜 전체 발전 시스템의 종합 효율을 향상시킵니다.
• 실험 검증: 실험 결과, 제어기는 올바르고 가능하게 설계되었으며, 안전하고 신뢰성 있게 작동하며, 우수한 동적 응답 성능과 정상 상태 정확도를 나타냈습니다.
• 응용 전망: 이 지능형 배터리 관리 기술을 통합한 풍력-태양광 하이브리드 발전 솔루션은 전력망이 미치지 않는 원격 지역, 섬, 목장, 통신 기지국 등의 시나리오에 특히 적합하며, 상당한 경제적 및 사회적 이익을 제공하며, 넓은 응용 전망을 가지고 있습니다.