Een intelligente wind-zonne-gecombineerd systeem met fuzzy-PID-regeling voor verbeterd batterijbeheer en MPPT

Samenvatting

Dit voorstel presenteert een wind-zonne-energie hybride opwekkingssysteem gebaseerd op geavanceerde regeltechnologie, met als doel de energiebehoeften van afgelegen gebieden en speciale toepassingsscenario's efficiënt en kosteneffectief te beantwoorden. Het kernpunt van het systeem is een intelligent regelsysteem dat gericht is rond een ATmega16-microprocessor. Dit systeem voert Maximum Power Point Tracking (MPPT) uit voor zowel wind- als zonne-energie en maakt gebruik van een geoptimaliseerd algoritme dat PID- en fuzzy-regeling combineert voor nauwkeurig en efficiënt opladen/ontladen van het belangrijkste component - de accu. Hierdoor wordt de totale opwekkingsrendement aanzienlijk verbeterd, de levensduur van de accu verlengd en de betrouwbaarheid en kosteneffectiviteit van de stroomvoorziening gewaarborgd.

I. Projectachtergrond en Betekenis

1. Energiecontext: Wereldwijd worden traditionele fossiele brandstoffen steeds meer uitgeput, wat ernstige uitdagingen vormt voor energiezekerheid en duurzame ontwikkeling. Het krachtig ontwikkelen en gebruiken van schone, hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie is een strategische prioriteit geworden om huidige energie- en milieu-problemen op te lossen.
2. Systeemwaarde: Het wind-zonne-energie hybridesysteem maakt optimaal gebruik van de natuurlijke complementaire eigenschappen van wind- en zonne-energie in termen van tijdsaspecten en geografie (bijvoorbeeld sterke zonlicht overdag, mogelijk sterkere wind 's nachts), waardoor de onderbrekingen van enkele energiebronnen worden overwonnen. Het is een structureel verstandige, laag-operatiekosten onafhankelijke energievoorzieningsoplossing die effectief de energievoorzieningsproblemen oplost voor faciliteiten zoals woonruimten, communicatiebasisstations en meteorologische monitoringstations in niet-gelectrificeerde of zwak geëlektrificeerde afgelegen gebieden.
3. Belang van kerncomponenten: De accu, die fungeert als het energieopslagsysteem, is cruciaal voor het continu stroom leveren aan de belasting tijdens periodes zonder wind of zonlicht. De kosten ervan vormen een aanzienlijk deel van het hele opwekkingsysteem. Daarom is het verbeteren van de acculadingsefficiëntie en optimaliseren van de lading/ontladingstrategieën om de levensduur te verlengen, essentieel voor het verminderen van de levenscycluskosten van het systeem en het verbeteren van de operationele betrouwbaarheid.

II. Algehele Systeemontwerp

1. Kernobjectieven van het systeem:
• Energieopvangoptimalisatie: Voer optimale regeling uit voor maximale efficiëntie van de elektriciteit die door de windturbine en fotovoltaïsche panelen wordt opgewekt, bereik Maximum Power Point Tracking (MPPT) om de natuurlijke hulpbronnen volledig te benutten.
• Energieopslagsysteembeheer: Intelligent beheren van het accuoplading- en -ontladingproces, voorkomen van overbelasting en overontlading, effectieve bescherming van de accu en aanzienlijke verbetering van de oplaadefficiëntie en levensduur.
2. Systeemhardwarearchitectuur:

Het systeem bestaat uit drie hoofdfunctiemodules, gecoördineerd door een centrale controle-CPU om een compleet intelligent regelsysteem te vormen.

III. Kernregeltechnologie: Intelligent Accubeheer

1. Accukeuze en basisprincipes:
• Type: Deze oplossing selecteert onderhoudsvrije lood-accula, die technologisch volwassen en goedkoop zijn, geschikt voor kleine schaal wind-zonne-energie hybridesystemen.
• Werking: Opladen en ontladen van de accu zijn in wezen processen van omzetten van elektrische energie naar chemische energie en vice versa. Echter, vanwege verschijnselen zoals elektrodepolarisatie, kan de energieconversie-efficiëntie niet 100% bereiken.
2. Regeluitdagingen en optimalisatiestrategie:
• Nadelen van traditionele regeling: Klassieke PID-regelmethode is sterk afhankelijk van een nauwkeurig wiskundig model van het geregelde object (de accu). De accu is een niet-lineair, tijdsvariabel systeem waarvan de parameters (interne weerstand, elektrolytendichtheid, etc.) dynamisch veranderen met de omgevingstemperatuur en gebruikstoestand, waardoor het moeilijk is om een precies model op te stellen. Dit leidt tot problemen bij het instellen van traditionele PID-parameters, slechte aanpassingsvermogen en suboptimale regelprestaties.
• Gebruikte geavanceerde regelmethode: Deze oplossing maakt gebruik van een Fuzzy-PID-composite regelstrategie, die de voordelen van beide combineert:
• Voordelen van Fuzzy-regeling: Vereist geen exact wiskundig model van het geregelde object, kan onnauwkeurige invoerinformatie verwerken, toont sterk aanpassingsvermogen aan veranderingen in de accuparameters en kan expertkennis integreren.
• Voordelen van PID-regeling: Kan hoogprecisie, nul-steady-state foutregeling bereiken wanneer de systeemafwijking klein is.
• Controllerworkflow: Het systeem monitort continu het verschil e(t) tussen de ingestelde spanning van de accu en de werkelijke spanning. Wanneer de afwijking e(t) groot is, domineert de fuzzy-regeling voor een snelle respons. Wanneer e(t) binnen een bepaald bereik afneemt, schakelt het soepel over naar PID-regeling voor fijnafstelling. Uiteindelijk wordt het uitvoersignaal u(t) aangepast om de duty cycle van de MOSFET te regelen, waardoor er dynamische optimalisatie van de oplaadstroom wordt bereikt.

IV. Oplossingsoverzicht en Toekomstperspectieven

• Regelresultaten: Het wind-zonne-energie hybride opwekkingssysteem dat in deze oplossing is ontworpen, slaagt erin optimale accuoplaad/ontlaadbeheer te bereiken door middel van de complementaire intelligente Fuzzy-PID-regelalgoritme. Dit beschermt de accu effectief, verlengt de levensduur ervan, verhoogt de opvangefficiëntie van wind- en zonne-energie via MPPT, en verbetert daarmee de algehele efficiëntie van het hele opwekkingsysteem.
• Experimentele verificatie: Experimentele resultaten tonen aan dat de controller correct en haalbaar is ontworpen, veilig en betrouwbaar functioneert, en goede dynamische responsprestaties en steady-state nauwkeurigheid vertoont.
• Toepassingsperspectieven: Deze geïntegreerde wind-zonne-energie hybride opwekkingssamenstelling met intelligente accubeheertechnologie is bijzonder geschikt voor scenario's zoals afgelegen gebieden zonder netwerkdekking, eilanden, weilanden en communicatiebasisstations. Het biedt aanzienlijke economische en sociale voordelen en heeft brede toepassingsperspectieven.