Sistem Hibrid Angin-Surya Pintar dengan Kawalan Fuzzy-PID untuk Pengurusan Bateri yang Ditingkatkan dan MPPT

Ringkasan

Cadangan ini memperkenalkan sistem penjanaan kuasa hibrid angin-solar berdasarkan teknologi kawalan canggih, bertujuan untuk menangani keperluan kuasa di kawasan terpencil dan situasi aplikasi khas dengan cara yang efisien dan ekonomi. Inti sistem ini terletak pada sistem kawalan pintar yang berpusat pada mikropemproses ATmega16. Sistem ini melakukan Penjejakan Titik Kuasa Maksimum (MPPT) untuk kedua-dua tenaga angin dan solar, serta menggunakan algoritma yang dioptimumkan yang menggabungkan PID dan kawalan kabur untuk pengurusan cas/pengosongan bateri yang tepat dan efisien. Akibatnya, ia meningkatkan secara signifikan kecekapan penjanaan kuasa secara keseluruhan, memanjangkan jangka hayat bateri, dan memastikan kebolehpercayaan bekalan kuasa dan kos-efisiensi.

I. Latar Belakang Projek dan Kepentingannya

1. Konteks Tenaga: Secara global, bahan api fosil tradisional semakin habis, menyebabkan cabaran serius kepada keselamatan tenaga dan pembangunan lestari. Mengembangkan dan menggunakan sumber tenaga baru bersih seperti tenaga angin dan solar telah menjadi prioriti strategik untuk menyelesaikan isu-isu tenaga dan alam sekitar semasa.
2. Nilai Sistem: Sistem hibrid angin-solar sepenuhnya memanfaatkan ciri-ciri pelengkap semula jadi tenaga angin dan solar dari segi masa dan geografi (contohnya, cahaya matahari yang kuat pada siang hari, angin yang mungkin lebih kuat pada malam), mengatasi ketidakselanjaran penjanaan kuasa sumber tunggal. Ia adalah penyelesaian bekalan kuasa mandiri yang struktur rasional, kos operasi rendah, menyelesaikan masalah bekalan tenaga untuk fasiliti seperti perumahan, stesen pangkalan komunikasi, dan stesen pemantauan meteorologi di kawasan terpencil yang tidak atau lemah elektrifikasi.
3. Kepentingan Komponen Utama: Bateri, yang berfungsi sebagai unit penyimpanan tenaga sistem, sangat penting untuk memastikan bekalan kuasa yang berterusan kepada beban semasa tidak ada angin atau cahaya matahari. Kosnya merupakan bahagian yang signifikan daripada seluruh sistem penjanaan kuasa. Oleh itu, meningkatkan kecekapan cas bateri dan mengoptimumkan strategi cas/pengosongan untuk memanjangkan jangka hidupnya adalah penting untuk mengurangkan kos siklus hidup sistem dan meningkatkan kebolehpercayaan operasional.

II. Reka Bentuk Sistem Keseluruhan

1. Tujuan Utama Sistem:
• Optimisasi Penangkapan Tenaga: Lakukan kawalan optimum untuk kecekapan maksimum pada elektrik yang dihasilkan oleh turbin angin dan panel fotovoltaik, mencapai Penjejakan Titik Kuasa Maksimum (MPPT) untuk memanfaatkan sumber daya alam secara penuh.
• Pengurusan Sistem Penyimpanan Tenaga: Kelola proses cas dan pengosongan bateri secara pintar, mencegah overcharging dan over-discharging, melindungi bateri dengan efektif, dan meningkatkan kecekapan cas dan jangka hidupnya secara signifikan.
2. Struktur Perkakasan Sistem:

Sistem terdiri daripada tiga modul fungsional utama, dikendalikan oleh CPU pusat kawalan untuk membentuk sistem kawalan pintar lengkap.

III. Teknologi Kawalan Utama: Pengurusan Bateri Pintar

1. Pilihan dan Asas Bateri:
• Jenis: Penyelesaian ini memilih bateri timbal-asid bebas penyelenggaraan, yang matang dari segi teknologi dan berharga rendah, sesuai untuk sistem hibrid angin-solar skala kecil.
• Prinsip Kerja: Proses cas dan pengosongan bateri pada dasarnya adalah proses menukar tenaga elektrik kepada tenaga kimia dan sebaliknya. Namun, disebabkan fenomena seperti polarisasi elektrod, kecekapan penukaran tenaga tidak dapat mencapai 100%.
2. Cabarannya dalam Kawalan dan Strategi Optimum:
• Kelemahan Kawalan Tradisional: Kaedah kawalan PID klasik sangat bergantung pada model matematik yang tepat objek yang dikawal (bateri). Bateri adalah sistem bukan linear, berubah-ubah dengan waktu, di mana parameter (rintangan dalaman, ketumpatan elektrolit, dll.) berubah dinamik dengan suhu persekitaran dan keadaan penggunaan, membuatnya sukar untuk menubuhkan model yang tepat. Ini menyebabkan cabaran dalam penyetelan parameter PID tradisional, adaptabilitas yang lemah, dan prestasi kawalan yang kurang optimal.
• Kaedah Kawalan Canggih yang Digunakan: Penyelesaian ini menggunakan strategi kawalan gabungan Fuzzy-PID, menggabungkan kelebihan kedua-duanya:
• Kelebihan Kawalan Kabur: Tidak memerlukan model matematik yang tepat objek yang dikawal, boleh mengendalikan maklumat input yang tidak tepat, menunjukkan adaptabilitas yang kuat terhadap perubahan parameter bateri, dan boleh menggabungkan pengetahuan pakar.
• Kelebihan Kawalan PID: Dapat mencapai kawalan presisi tinggi, ralat keadaan tetap sifar apabila penyimpangan sistem kecil.
• Aliran Kerja Pengawal: Sistem secara berterusan memantau perbezaan e(t) antara voltan set bateri dan voltan sebenarnya. Apabila penyimpangan e(t) besar, kawalan kabur mendominasi untuk respons cepat. Apabila e(t) berkurang dalam lingkungan tertentu, ia beralih dengan lancar ke kawalan PID untuk penyesuaian halus. Akhirnya, isyarat keluaran u(t) disesuaikan untuk mengawal tempoh kerja MOSFET, mencapai pengoptimuman dinamik arus cas.

IV. Ringkasan Penyelesaian dan Prospek

• Kesan Kawalan: Sistem kawalan penjanaan kuasa hibrid angin-solar yang direka dalam penyelesaian ini berjaya mencapai pengurusan cas/pengosongan bateri yang optimum melalui algoritma kawalan Fuzzy-PID yang saling melengkap. Ini tidak hanya melindungi bateri dan memanjangkan jangka hidupnya, tetapi juga meningkatkan kecekapan tangkapan tenaga angin dan solar melalui MPPT, sehingga meningkatkan kecekapan keseluruhan sistem penjanaan kuasa.
• Pengesahan Eksperimen: Hasil eksperimen menunjukkan bahawa pengawal direka dengan betul dan layak, beroperasi dengan selamat dan boleh dipercayai, serta menunjukkan prestasi respons dinamik dan ketepatan keadaan tetap yang baik.
• Prospek Aplikasi: Penyelesaian penjanaan kuasa hibrid angin-solar yang terintegrasi dengan teknologi pengurusan bateri pintar ini sangat sesuai untuk skenario seperti kawasan terpencil tanpa liputan grid, pulau, padang rumput, dan stesen pangkalan komunikasi. Ia memberikan manfaat ekonomi dan sosial yang signifikan dan memiliki prospek aplikasi yang luas.