Интеллектуальная гибридная система ветро-солнечного типа с управлением Fuzzy-PID для улучшенного управления аккумуляторами и МППТ

Аннотация

Данное предложение представляет собой гибридную систему ветро-солнечной генерации электроэнергии на основе передовых технологий управления, направленную на эффективное и экономичное удовлетворение потребностей в энергии удаленных районов и специфических сценариев применения. Сердцем системы является интеллектуальная система управления, основанная на микропроцессоре ATmega16. Эта система выполняет отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для ветровой и солнечной энергии и использует оптимизированный алгоритм, сочетающий PID и нечеткое управление, для точного и эффективного управления зарядом и разрядом ключевого компонента — аккумулятора. В результате значительно повышается общая эффективность генерации электроэнергии, увеличивается срок службы аккумулятора и обеспечивается надежность и экономичность энергоснабжения.

I. Фон проекта и его значимость

1. Энергетический контекст: В глобальном масштабе традиционные ископаемые виды топлива все больше истощаются, что создает серьезные вызовы для энергетической безопасности и устойчивого развития. Активное развитие и использование чистых, возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце, стали стратегическим приоритетом для решения текущих энергетических и экологических проблем.
2. Ценность системы: Гибридная ветро-солнечная система полностью использует естественные комплементарные характеристики ветра и солнца по времени и географии (например, сильное солнечное излучение днем, потенциально более сильные ветры ночью), преодолевая интермитентность одноисточниковой генерации. Это структурно рациональное, низкозатратное автономное решение энергоснабжения, эффективно решающее проблемы энергоснабжения для объектов, таких как жилые дома, базовые станции связи и метеорологические станции в неэлектрифицированных или слабоэлектрифицированных удаленных районах.
3. Важность ключевых компонентов: Аккумулятор, являющийся блоком хранения энергии системы, имеет решающее значение для обеспечения непрерывного энергоснабжения нагрузки в периоды безветренности или отсутствия солнечного света. Его стоимость составляет значительную часть всей системы генерации электроэнергии. Поэтому повышение эффективности заряда аккумулятора и оптимизация стратегий заряда и разряда для продления его срока службы являются важными для снижения жизненного цикла системы и повышения надежности эксплуатации.

II. Общая концепция системы

1. Основные цели системы:
• Оптимизация захвата энергии: Выполнять оптимальное управление для достижения максимальной эффективности электроэнергии, вырабатываемой ветрогенератором и фотогальваническими панелями, осуществляя отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для полного использования природных ресурсов.
• Управление системой хранения энергии: Интеллектуально управлять процессом заряда и разряда аккумулятора, предотвращая перезаряд и переразряд, эффективно защищая аккумулятор и значительно повышая его эффективность заряда и срок службы.
2. Аппаратная архитектура системы:

Система состоит из трех основных функциональных модулей, координируемых центральным контроллером CPU, образуя полноценную интеллектуальную систему управления.

III. Основная технология управления: Интеллектуальное управление аккумулятором

1. Выбор и основы аккумулятора:
• Тип: Данное решение выбирает герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы, которые технологически зрелы и имеют низкую стоимость, подходящие для маломасштабных ветро-солнечных гибридных систем.
• Принцип работы: Заряд и разряд аккумулятора представляют собой процессы преобразования электрической энергии в химическую и наоборот. Однако, из-за явлений, таких как поляризация электродов, эффективность преобразования энергии не может достичь 100%.
2. Проблемы управления и стратегия оптимизации:
• Недостатки традиционного управления: Классические методы управления PID сильно зависят от точной математической модели управляемого объекта (аккумулятора). Аккумулятор является нелинейной, временно изменяющейся системой, параметры которой (внутреннее сопротивление, плотность электролита и т.д.) динамически меняются с температурой окружающей среды и состоянием использования, что затрудняет создание точной модели. Это приводит к трудностям в настройке традиционных параметров PID, низкой адаптивности и подсредственной производительности управления.
• Использованный передовой метод управления: Данное решение использует комбинированную стратегию управления Fuzzy-PID, объединяющую преимущества обоих:
• Преимущество нечеткого управления: Не требует точной математической модели управляемого объекта, может обрабатывать неточные входные данные, демонстрирует высокую адаптивность к изменениям параметров аккумулятора и может включать экспертные знания.
• Преимущество управления PID: Может достичь высокоточного, с нулевой статической ошибкой управления, когда отклонение системы мало.
• Процесс работы контроллера: Система постоянно мониторит разницу e(t) между заданным напряжением аккумулятора и его фактическим напряжением. Когда отклонение e(t) велико, доминирует нечеткое управление для быстрого отклика. Когда e(t) уменьшается до определенного диапазона, происходит плавный переход к управлению PID для точной настройки. В конечном итоге, выходной сигнал u(t) корректируется для управления коэффициентом заполнения MOSFET, достигая динамической оптимизации тока заряда.

IV. Резюме решения и перспективы

• Эффективность управления: Разработанная в данном решении система управления гибридной ветро-солнечной генерацией электроэнергии успешно достигает оптимального управления зарядом и разрядом аккумулятора через комплементарный интеллектуальный алгоритм управления Fuzzy-PID. Это не только эффективно защищает аккумулятор и продлевает его срок службы, но и повышает эффективность захвата ветровой и солнечной энергии через MPPT, что в свою очередь улучшает общую эффективность всей системы генерации электроэнергии.
• Экспериментальная верификация: Экспериментальные результаты показывают, что контроллер правильно и осуществимо спроектирован, работает безопасно и надежно, демонстрирует хорошую динамическую реакцию и статическую точность.
• Перспективы применения: Этот интегрированный гибридный ветро-солнечный генератор с технологией интеллектуального управления аккумулятором особенно подходит для сценариев, таких как удаленные районы без сетевого покрытия, острова, пастбища и базовые станции связи. Он предлагает значительные экономические и социальные выгоды и имеет широкие перспективы применения.