Et intelligent vind-sol hybrid system med fuzzy-PID styring for forbedret batterihantering og MPPT

Sammendrag​

Dette forslaget presenterer et hybrid strømproduksjonssystem basert på vind- og solenergi, som bruker avansert kontrollteknologi for å effektivt og økonomisk dekke energibehovet i fjerne områder og spesielle anvendelsesscenarier. Kjernen i systemet er et intelligent kontrollsystem senteret rundt en ATmega16-mikroprosessor. Dette systemet utfører maksimal effektsporing (MPPT) for både vind- og solenergi, og bruker en optimalisert algoritme som kombinerer PID- og fuzzy-kontroll for nøyaktig og effektiv lading/avlasting av den viktigste komponenten – batteriet. Dette øker betydelig den totale effekten av strømproduksjon, forlenger batteriets levetid og sikrer pålitelighet og kostnadseffektivitet i strømforsyningen.

​I. Prosjektbakgrunn og betydning​

1. ​Energitilstand:​​ Globalt sett blir tradisjonelle fossile brensler stadig mer uttømt, noe som stiller alvorlige utfordringer for energisikkerhet og bærekraftig utvikling. Å utvikle og bruke rene, fornybare energikilder som vind- og solenergi har blitt en strategisk prioritet for å løse gjeldende energi- og miljøproblemer.
2. ​Systemets verdi:​​ Vind-sol-hybridsystemet utnytter fullstendig de naturlige komplementære egenskapene til vind- og solenergi i tid og geografi (f.eks. sterk sollys under dagtid, potensielt sterkere vind om natten), overvinner ujevnheten i enkeltekilde strømproduksjon. Det er en strukturelt fornuftig, lavdriftskostnad selvstendig strømforsyning-løsning, som effektivt løser energiforsyningsproblemer for anlegg som boliger, kommunikasjonstårn og meteorologiske overvåkningsstasjoner i uregistrerte eller svakt elektrifiserte fjerne områder.
3. ​Betydningen av kjernekomponenter:​​ Batteriet, som fungerer som systemets energilager, er viktig for å sikre kontinuerlig strømforsyning til lasten under perioder uten vind eller sollys. Dets kostnad utgjør en betydelig del av hele strømproduksjonssystemet. Derfor er det viktig å forbedre batteriladnings-effektiviteten og optimalisere ladings-/avlastingsstrategier for å forlenge tjenestetiden, noe som er essensielt for å redusere systemets livssykluskostnader og forbedre driftsrelativitet.

​II. Helhetlig systemdesign​

1. ​Hovedmål for systemet:​​
• ​Optimalisering av energifanging:​​ Utfør optimal kontroll for maksimal effektivitet på strømmen generert av vindturbinen og fotovoltaiske paneler, oppnå maksimal effektsporing (MPPT) for å utnytte naturlige ressurser fullt ut.
• ​Administrasjon av energilagringssystem:​​ Forvalt intelligente batteriladings- og avlastingsprosesser, unngå overladning og overavlasting, beskytt batteriet effektivt, og forbedre betydelig ladings-effektiviteten og tjenestetiden.
2. ​Systemets hardvararkitektur:​​

Systemet består av tre hovedfunksjonelle moduler, koordinert av en sentral kontroll-CPU for å danne et komplett intelligent kontrollsystem.

​III. Kjernekontrollteknologi: Intelligent batterihåndtering​

1. ​Batterivalg og grunnleggende:​​
• ​Type:​​ Denne løsningen velger vedlikeholdsfrigjorte blysyre-batterier, som er teknologisk modne og lavkostnads, egnet for små skala vind-sol-hybrid systemer.
• ​Arbeidsprinsipp:​​ Batterilading og -avlasting er i grunnen prosesser for konvertering av elektrisk energi til kjemisk energi og vice versa. Imidlertid, på grunn av fenomener som elektrod polarisering, kan energikonverteringseffektiviteten ikke nå 100%.
2. ​Kontrollutfordringer og optimaliseringsstrategi:​​
• ​Ned sider av tradisjonell kontroll:​​ Klassiske PID-kontrollmetoder er sterkt avhengig av en nøyaktig matematisk modell av kontrollobjektet (batteriet). Batteriet er et ikkelineært, tidsvarierende system der parametre (interne motstand, elektrolytt tetthet, etc.) endres dynamisk med miljøtemperatur og bruksstatus, noe som gjør det vanskelig å etablere en nøyaktig modell. Dette fører til utfordringer i innstilling av tradisjonelle PID-parametre, dårlig tilpasningsevne, og suboptimale kontrollresultater.
• ​Innvendig avansert kontrollmetode:​​ Denne løsningen bruker en Fuzzy-PID-sammensatt kontrollstrategi, som kombinerer fordeler av begge:
• ​Fordel av fuzzy kontroll:​​ Krever ikke en eksakt matematisk modell av kontrollobjektet, kan håndtere upresise inndata, viser sterk tilpasningsevne til endringer i batteriparametre, og kan inkorporere ekspert kunnskap.
• ​Fordel av PID kontroll:​​ Kan oppnå høy presisjon, null stabiltilstand feil kontroll når systemavviket er liten.
• ​Kontrollerarbeidsflyt:​​ Systemet overvåker kontinuerlig forskjellen e(t) mellom batteriets satt spenning og dets faktiske spenning. Når avviket e(t) er stort, dominerer fuzzy kontroll for rask respons. Når e(t) minsker innen en viss rekkevidde, bytter det jevnt over til PID kontroll for finjustering. Til slutt, justeres utdatasignalet u(t) for å kontrollere MOSFETs arbeidsgrad, for å oppnå dynamisk optimalisering av ladestrømmen.

​IV. Løsningsoppsummering og perspektiver​

• ​Kontrolleffektivitet:​​ Vind-sol-hybrid strømproduksjonskontrollsystemet designet i denne løsningen oppnår vellykket optimal batteriladings/avlastings forvaltning gjennom den komplementære intelligente Fuzzy-PID kontrollalgoritmen. Dette beskytter ikke bare batteriet effektivt og forlenger tjenestetiden, men forbedrer også fanget effektiviteten av vind- og solenergi gjennom MPPT, noe som forbedrer den totale effektiviteten av hele strømproduksjonssystemet.
• ​Eksperimentell verifisering:​​ Eksperimentelle resultater viser at kontrolleren er korrekt og mulig designet, opererer trygt og pålitelig, og viser god dynamisk respons ytelse og stabiltilstand nøyaktighet.
• ​Anvendelsesperspektiver:​​ Denne integrerte vind-sol-hybrid strømproduksjonsløsningen med intelligent batterihåndteringsteknologi er spesielt egnet for scenarier som fjerne områder uten nettdekning, øyer, beitesletter og kommunikasjonstårn. Den gir betydelige økonomiske og sosiale fordele og har bred anvendelsesutsikt.