Inteligentni hibridni vetro-suncani sistem sa Fuzzy-PID kontrolom za poboljšano upravljanje baterijama i MPPT

Apstrakt

Ovaj predlog predstavlja hibridni sistem proizvodnje struje od vjetra i sunca temeljen na naprednoj tehnologiji kontrole, s ciljem efikasne i ekonomične obrade potreba za energijom u udaljenim područjima i specifičnim primjenama. Srž sistema je inteligentni kontrolni sistem centriran oko mikroprocesora ATmega16. Ovaj sistem vrši praćenje točke maksimalne snage (MPPT) za oba izvora energije - vjetar i sunce, a koristi optimizirani algoritam kombiniran PID i neizrazito kontrolom za preciznu i učinkovitu upravljanje punjenjem/iskoristvenjem ključnog komponenta - baterije. Time se značajno povećava ukupna učinkovitost proizvodnje energije, produžuje životni vijek baterije i osigurava pouzdanost i ekonomičnost opskrbu strujom.

I. Pozadina projekta i značaj

1. Energetski kontekst: Globalno, tradicionalni fosilni goriva sve više nestaju, stvarajući ozbiljne izazove energetskoj sigurnosti i održivom razvoju. Usmjereno razvijanje i korištenje čistih, obnovljivih izvora energije poput vjetra i sunca postalo je strategijski prioritet u rješavanju sadašnjih energetskih i okolišnih problema.
2. Vrijednost sistema: Hibridni sistem vjetar-sunce iskorištava prirodne komplementarne karakteristike vjetra i sunca u pogledu vremena i geografije (npr., jako suncanje tijekom dana, potencijalno jači vjetar noću), premažući intermitenciju jednosmjernog proizvodnje energije. To je strukturno racionalno, nisko-operativno troškovno rješenje nezavisne opskrbe strujom, koje učinkovito rješava probleme opskrbe energijom za objekte kao što su stanovanja, bazne stanice za komunikacije i meteorološke nadgledne stanice u područjima bez ili slabo elektrificiranim.
3. Značaj ključnih komponenti: Baterija, koja služi kao spremnik energije, ključna je za osiguranje neprekidne opskrbe strujom opterećenja tijekom perioda bez vjetra ili sunca. Njena cijena čini značajan dio cijelega sustava proizvodnje energije. Stoga, poboljšanje učinkovitosti punjenja baterije i optimizacija strategija punjenja/iskoristvenja za produženje njenog životnog vijeka ključno je za smanjenje troškova ciklusa života sustava i poboljšanje operativne pouzdanosti.

II. Opće dizajniranje sustava

1. Glavni ciljevi sustava:
• Optimizacija hvatanja energije: Izvršiti optimalnu kontrolu za maksimalnu učinkovitost na struju generiranu vjetro-turbina i fotovoltačnim panelima, ostvarujući praćenje točke maksimalne snage (MPPT) kako bi se iskoristile prirodne resurse.
• Upravljanje sustavom skladištenja energije: Inteligentno upravljati procesom punjenja i iskoristvenja baterije, sprječavajući preopterećenje i pretjerano iskoristvenje, učinkovito štiti bateriju i značajno poboljšava učinkovitost punjenja i životni vijek baterije.
2. Hardverska arhitektura sustava:

Sustav se sastoji od tri glavna funkcionalna modula, koordinirana centralnim kontrolnim CPU-om kako bi formirao kompletni inteligentni kontrolni sustav.

III. Ključna kontrolna tehnologija: Inteligentno upravljanje baterijama

1. Odabir baterije i osnove:
• Tip: Ovo rješenje odabire održavane baterije od svinčane kiseline, koje su tehnološki zrele i niske cijene, prikladne za male hibridne sustave vjetar-sunce.
• Način rada: Punjenje i iskoristvenje baterije su u suštini procesi pretvorbe električne energije u kemijsku energiju i obrnuto. Međutim, zbog pojava poput polarizacije elektroda, učinkovitost pretvorbe energije ne može dosegnuti 100%.
2. Kontrolni izazovi i strategija optimizacije:
• Nedostaci tradicionalne kontrole: Klasične metode PID kontrole značajno se oslanjaju na točan matematički model kontroliranog objekta (baterija). Baterija je nelinearan, vremenski varijabilan sustav čiji parametri (unutrašnji otpor, gustoća elektrolita itd.) dinamički se mijenjaju s temperaturom okruženja i stanjem korištenja, čime je teško postaviti točan model. To dovodi do izazova u podešavanju tradicionalnih PID parametara, loše prilagodljivosti i suboptimalne performanse kontrole.
• Primijenjena napredna kontrolna metoda: Ovo rješenje koristi Fuzzy-PID kompozitnu strategiju kontrole, kombinirajući prednosti oba:
• Prednost Fuzzy kontrole: Ne zahtijeva točan matematički model kontroliranog objekta, može obrađivati neprecizne ulazne informacije, pokazuje snažnu prilagodljivost promjenama parametara baterije i može uključiti znanje stručnjaka.
• Prednost PID kontrole: Može postići visoku preciznost, nultu statičku grešku kontrole kada je odstupanje sustava malo.
• Tok rada kontrolera: Sustav neprestano nadgleda razliku e(t) između postavljene i stvarne napetosti baterije. Kada je odstupanje e(t) veliko, dominantna je fuzzy kontrola za brzu reakciju. Kada e(t) pada unutar određenog raspona, gladko se prelazi na PID kontrolu za fino podešavanje. Konačno, izlazni signal u(t) se prilagođava za kontrolu dužinske razine MOSFET-a, ostvarujući dinamičku optimizaciju struje punjenja.

IV. Sažetak rješenja i perspektive

• Učinkovitost kontrole: Kontrolni sustav hibridne proizvodnje struje od vjetra i sunca dizajniran u ovom rješenju uspješno postiže optimalno upravljanje punjenjem/iskoristvenjem baterije kroz komplementarni inteligentni Fuzzy-PID algoritam kontrole. To ne samo da učinkovito štiti bateriju i produžuje njen životni vijek, već i poboljšava učinkovitost hvatanja vjetra i sunca putem MPPT, time poboljšavajući ukupnu učinkovitost cijelog sustava proizvodnje energije.
• Eksperimentalna verifikacija: Eksperimentalni rezultati pokazuju da je kontroler ispravno i moguće dizajniran, radi sigurno i pouzdano, te pokazuje dobru dinamičku performansu i statičku preciznost.
• Perspektive primjene: Ovo integrirano rješenje hibridne proizvodnje struje od vjetra i sunca s inteligentnom tehnologijom upravljanja baterijama posebno je prikladno za scenarije poput udaljenih područja bez mreže, otoka, pašnjaka i baznih stanica za komunikacije. Nudi značajne ekonomske i društvene prednosti i ima široke perspektive primjene.