Inteligentny system hybrydowy wiatr-słoneczny z kontrolą Fuzzy-PID do usprawnionego zarządzania baterią i MPPT

Streszczenie

Niniejsza propozycja przedstawia system hybrydowej generacji energii z wiatru i słońca oparty na zaawansowanych technologiach sterowania, mający na celu efektywne i ekonomiczne rozwiązanie potrzeb energetycznych odległych obszarów i specjalnych scenariuszy zastosowań. Jądro systemu stanowi inteligentny system sterujący oparty na mikroprocesorze ATmega16. Ten system wykonuje śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT) zarówno dla energii wiatrowej, jak i słonecznej, wykorzystując zoptymalizowany algorytm łączący sterowanie PID i rozmyte do precyzyjnego i efektywnego zarządzania ładowaniem i rozładowywaniem kluczowego komponentu – baterii. W rezultacie znacznie zwiększa to ogólną efektywność generacji energii, przedłuża żywotność baterii i zapewnia niezawodność i kosztowo-efektywność dostawy energii.

I. Tło projektu i jego znaczenie

1. Kontekst energetyczny: Na całym świecie tradycyjne paliwa kopalne są coraz bardziej wyczerpywane, co stwarza poważne wyzwania dla bezpieczeństwa energetycznego i zrównoważonego rozwoju. Energiczne rozwijanie i wykorzystanie czystych, odnawialnych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna, stało się strategicznym priorytetem w rozwiązywaniu obecnych problemów energetycznych i środowiskowych.
2. Wartość systemu: System hybrydowy wiatr-słońce w pełni wykorzystuje naturalne uzupełniające się cechy energii wiatrowej i słonecznej pod względem czasu i geografii (np. silne światło dziennie, potencjalnie silniejsze wiatry w nocy), pokonując niestabilność generacji energii z jednego źródła. Jest to strukturalnie racjonalne, o niskich kosztach eksploatacji, samodzielne rozwiązanie zasilania, skutecznie rozwiązujące problemy z dostawami energii dla obiektów takich jak mieszkania, stacje bazowe telekomunikacyjne i stacje monitorowania meteorologicznego w odległych obszarach bez zasilania lub słabego zasilania.
3. Znaczenie kluczowych komponentów: Bateria, jako jednostka magazynująca energię systemu, jest kluczowa dla zapewnienia ciągłej dostawy energii do obciążenia w okresach braku wiatru lub światła słonecznego. Jej koszt stanowi istotną część całego systemu generacji energii. Dlatego poprawa efektywności ładowania baterii i optymalizacja strategii ładowania i rozładowywania, aby przedłużyć jej żywotność, są kluczowe dla zmniejszenia kosztów cyklu życia systemu i zwiększenia niezawodności operacyjnej.

II. Ogólny projekt systemu

1. Główne cele systemu:
• Optymalizacja przechwytywania energii: Wykonaj optymalne sterowanie dla maksymalnej efektywności energii produkowanej przez turbinę wiatrową i panele fotowoltaiczne, osiągając śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT), aby w pełni wykorzystać zasoby naturalne.
• Zarządzanie systemem magazynowania energii: Inteligentne zarządzanie procesem ładowania i rozładowywania baterii, zapobieganie nadmiernemu ładowaniu i rozładowywaniu, skuteczne ochrona baterii i znaczne zwiększenie jej efektywności ładowania i żywotności.
2. Aparatura sprzętowa systemu:

System składa się z trzech głównych modułów funkcjonalnych, które są koordynowane przez centralny CPU sterujący, tworząc kompleksowy inteligentny system sterujący.

III. Kluczowe technologie sterowania: Inteligentne zarządzanie baterią

1. Wybór i podstawy baterii:
• Typ: Ta rozwiązań wybiera bezobsługowe baterie ołowiane-kwasowe, które są technologicznie dojrzałe i tanie, odpowiednie dla małych systemów hybrydowych wiatr-słońce.
• Zasada działania: Ładowanie i rozładowywanie baterii są zasadniczo procesami przekształcania energii elektrycznej w chemiczną i na odwrót. Jednak ze względu na zjawiska, takie jak polaryzacja elektrod, efektywność przekształcania energii nie może osiągnąć 100%.
2. Wyzwania sterowania i strategia optymalizacji:
• Wady tradycyjnego sterowania: Klasyczne metody sterowania PID mocno polegają na dokładnym modelu matematycznym obiektu sterowanego (baterii). Bateria jest nieliniowym, zmiennym w czasie systemem, którego parametry (opór wewnętrzny, gęstość elektrolitu itp.) dynamicznie zmieniają się w zależności od temperatury otoczenia i stanu użytkowania, co utrudnia ustalenie precyzyjnego modelu. To prowadzi do trudności w strojeniu parametrów PID, niskiej adaptacyjności i podważonej wydajności sterowania.
• Przejęta zaawansowana metoda sterowania: Ta rozwiązań stosuje strategię złożoną sterowania rozmytego-PID, łączącą zalety obu:
• Zaleta sterowania rozmytego: Nie wymaga dokładnego modelu matematycznego obiektu sterowanego, może obsługiwać nieprecyzyjne informacje wejściowe, ma silną adaptacyjność do zmian parametrów baterii i może uwzględniać wiedzę ekspertów.
• Zaleta sterowania PID: Może osiągnąć wysokoprzecinkowe, zerowe sterowanie bez błędu ustalonego stanu, gdy odchylenie systemu jest małe.
• Przebieg pracy kontrolera: System ciągle monitoruje różnicę e(t) między ustawionym napięciem baterii a jej rzeczywistym napięciem. Gdy odchylenie e(t) jest duże, sterowanie rozmyte dominuje dla szybkiej reakcji. Gdy e(t) maleje do określonego zakresu, płynnie przełącza się na sterowanie PID do drobnych korekt. Ostatecznie sygnał wyjściowy u(t) jest dostosowywany, aby kontrolować współczynnik cyklu pracy MOSFET, osiągając dynamiczną optymalizację prądu ładowania.

IV. Podsumowanie rozwiązania i perspektywy

• Skuteczność sterowania: Zaprojektowany w tym rozwiązaniu system sterowania hybrydowej generacji energii z wiatru i słońca pomyślnie osiąga optymalne zarządzanie ładowaniem i rozładowywaniem baterii dzięki inteligentnemu złożonemu algorytmowi sterowania rozmytym-PID. To nie tylko skutecznie chroni baterię i przedłuża jej żywotność, ale również zwiększa efektywność przechwytywania energii wiatrowej i słonecznej poprzez MPPT, co z kolei zwiększa ogólną efektywność całego systemu generacji energii.
• Weryfikacja eksperymentalna: Wyniki eksperymentów pokazują, że kontroler został prawidłowo i realistycznie zaprojektowany, działa bezpiecznie i niezawodnie, a także wykazuje dobrą dynamikę odpowiedzi i dokładność stanu ustalonego.
• Perspektywy zastosowania: Ta integracyjna hybrydowa technologia generacji energii z wiatru i słońca z inteligentnym zarządzaniem baterią jest szczególnie odpowiednia dla scenariuszy, takich jak odległe obszary bez dostępu do sieci, wyspy, pastwiska i stacje bazowe komunikacyjne. Ofiaruje znaczne korzyści ekonomiczne i społeczne oraz szerokie perspektywy zastosowania.