Inteligentni hibridni sistem za vetro-sončno energijo z Fuzzy-PID nadzorom za izboljšano upravljanje baterij in MPPT

Povzetek​

Ta predlog predstavlja hibridni sistem za proizvodnjo električne energije iz vetrne in sončne energije, temelječ na naprednih tehnologijah nadzora, s ciljem učinkovite in ekonomične rešitve potreb po energiji v oddaljenih območjih in posebnih uporabnih scenarijih. Srce sistema je inteligentni nadzorni sistem, ki temelji na mikroprocesorju ATmega16. Ta sistem izvaja sledenje maksimalnemu točkovanju moči (MPPT) za vetrno in sončno energijo ter uporablja optimizirani algoritem, ki kombinira PID in neodločno nadzor, za natančno in učinkovito upravljanje polnenja/razpolnenja ključnega komponenta – baterije. Tako znatno poveča skupno učinkovitost proizvodnje energije, podaljša življenjski čas baterije in zagotavlja zanesljivost in ekonomičnost oskrbe z energijo.

​I. Ozadje projekta in njegova pomena​

1. ​Energetsko ozadje:​​ Po vsem svetu se tradicionalni fosilni goriva vse bolj izčrpavajo, kar postavlja resne izzive za energetsko varnost in trajnostni razvoj. Energično razvijanje in uporaba čistih, obnovljivih virov energije, kot sta vetar in sončna energija, postajata strategična prioriteta za reševanje trenutnih energetskih in okoljskih izzivov.
2. ​Vrednost sistema:​​ Hibridni sistem vetra in sonca v celoti izkorišča naravne komplementarne značilnosti vetra in sončne energije glede na čas in geografijo (npr., močno sončno svetlobo med danom, možno močnejše vetrove nočjo), premosti intermitentnost enojne virov proizvodnje energije. Gre za strukturno smiselno, nizkooperacijsko rešitev samostojne oskrbe z energijo, ki učinkovito rešuje probleme oskrbe z energijo za objekte, kot so stanovanjska življenja, komunikacijske bazne postaje in meteorološke nadzorne postaje v neelektrificiranih ali šibko elektrificiranih oddaljenih območjih.
3. ​Pomen ključnih komponent:​​ Baterija, ki deluje kot enota za shranjevanje energije v sistemu, je ključna za zagotavljanje neprekinjene oskrbe z energijo za optico med obdobji, ko ni vetra ali sončnega svetloba. Njen strošek predstavlja velik del celotnega sistema proizvodnje energije. Zato je izboljšanje učinkovitosti polnenja baterije in optimizacija strategij polnenja/razpolnenja za podaljšanje njenega življenjskega časa ključno za zmanjšanje celotnih stroškov življenjskega cikla sistema in izboljšanje operativne zanesljivosti.

​II. Splošni načrt sistema​

1. ​Glavni cilji sistema:​​
• ​Optimizacija zajemanja energije:​​ Izvajanje optimalnega nadzora za največjo učinkovitost pri proizvodnji električne energije s vetrom in fotovoltaičnimi paneli, dosego sledenja maksimalnemu točkovanju moči (MPPT) za popolno uporabo naravnih virov.
• ​Upravljanje sistema za shranjevanje energije:​​ Inteligentno upravljanje procesa polnenja in razpolnenja baterije, preprečevanje prekomernega polnenja in razpolnenja, učinkovita zaščita baterije in znatno izboljšanje učinkovitosti polnenja in življenjskega časa baterije.
2. ​Strojni načrt sistema:​​

Sistem se sestoji iz treh glavnih funkcionalnih modulov, ki jih koordinira centralni nadzorni CPU, da tvori kompleten inteligentni nadzorni sistem.

​III. Ključna nadzorna tehnologija: Inteligentno upravljanje baterij​

1. ​Izbira in osnovni pojmi o baterijah:​​
• ​Vrsta:​​ Ta rešitev izbere vzdrževalne svombojne olovinske baterije, ki so tehnološko zrele in nizko stroskovne, primerne za majhne hibridne sisteme vetra in sonca.
• ​Načelo delovanja:​​ Polnenje in razpolnjenje baterije sta v bistvu procesa pretvorbe električne energije v kemijsko energijo in obratno. Vendar zaradi pojavov, kot je polarizacija elektrod, učinkovitost pretvorbe energije ne more doseči 100%.
2. ​Nadzorne izzive in strategija optimizacije:​​
• ​Nedostatki tradicionalnega nadzora:​​ Klasični metodi PID nadzora zelo odvisni so od natančnega matematičnega modela nadziranega objekta (baterije). Baterija je nelinearni, časovno variabilni sistem, katerega parametri (notranji upor, gostota elektrolita itd.) se dinamično spreminjajo z okoljsko temperaturo in stanjem uporabe, kar težko omogoča vzpostavitev natančnega modela. To vodi do izzivov pri prilagajanju tradicionalnih parametrov PID, slabe prilagodljivosti in podobnega nadzora.
• ​Uporabljeni napredni nadzorni metod:​​ Ta rešitev uporablja Fuzzy-PID kompozitni nadzorni pristop, ki kombinira prednosti obeh:
• ​Prednost neodločnega nadzora:​​ Ne zahteva natančnega matematičnega modela nadziranega objekta, lahko obdeluje neprecizne vhodne informacije, kaže močno prilagodljivost spremembam parametrov baterije in lahko vključuje strokovno znanje.
• ​Prednost PID nadzora:​​ Lahko doseže visoko natančen, z ničelnim statičnim odstopanjem, kadar je odstopanje sistema majhno.
• ​Gibanje nadzornika:​​ Sistem stalno spremlja razliko e(t) med nastavljenim in dejanskim napetostjo baterije. Ko je odstopanje e(t) veliko, dominira neodločni nadzor za hitro odziv. Ko e(t) pada znotraj določenega obsega, gladko preide na PID nadzor za fina prilagajanje. Končno, izhodni signal u(t) se prilagodi za nadzor dolžine impulza MOSFET-a, doseže dinamično optimizacijo toka polnjenja.

​IV. Povzetek rešitve in perspektive​

• ​Učinkovitost nadzora:​​ Kontrolni sistem hibridne proizvodnje energije iz vetra in sonca, zasnovan v tej rešitvi, uspešno doseže optimalno upravljanje polnjenja/razpolnjenja baterije preko komplementarnega inteligentnega Fuzzy-PID nadzornega algoritma. To ne le učinkovito zaščiti baterijo in podaljša njen življenjski čas, ampak tudi izboljša učinkovitost zajemanja vetrne in sončne energije preko MPPT, s tem pa tudi skupno učinkovitost celega sistema proizvodnje energije.
• ​Eksperimentalna preverjanja:​​ Eksperimentalni rezultati kažejo, da je nadzornik pravilno in izvedljivo zasnovan, varno in zanesljivo deluje, ter ima dobro dinamično odzivno zmogljivost in statično natančnost.
• ​Perspektive uporabe:​​ Ta integrirana rešitev hibridne proizvodnje energije iz vetra in sonca z inteligentno tehnologijo upravljanja baterij je posebej primerna za scenarije, kot so oddaljena območja brez pokritosti omrežja, otoki, pašnikarska območja in komunikacijske bazne postaje. Prinaša značilne gospodarske in družbene koristi in ima široke možnosti uporabe.