Ett intelligents vind-sol hybrid-system med Fuzzy-PID-styrning för förbättrad batterihantering och MPPT

Sammanfattning

Denna förslag presenterar ett vind-sol hybrid elsystem baserat på avancerad styrteknik, med målet att effektivt och ekonomiskt tillgodose energibehoven i avlägsna områden och speciella tillämpningsområden. Kärnan i systemet ligger i ett intelligent styrsystem centrerat kring en ATmega16-mikroprocessor. Detta system utför Maximum Power Point Tracking (MPPT) för både vind- och solenergi och använder en optimerad algoritm som kombinerar PID- och fuzzy-styrning för precist och effektivt laddning/avladdningshantering av den viktigaste komponenten – batteriet. Detta förbättrar betydligt det totala elproduktionsutbytet, förlänger batteriets livslängd och säkerställer elavgifternas tillförlitlighet och kostnadseffektivitet.

I. Projektbakgrund och betydelse

1. Energitryck: Globalt sett är traditionella fossila bränslen alltmer uttömda, vilket ger allvarliga utmaningar för energisäkerhet och hållbar utveckling. Att aktivt utveckla och använda rena, förnybara energikällor som vind- och solkraft har blivit en strategisk prioritet för att lösa de nuvarande energi- och miljöfrågorna.
2. Systemets värde: Vind-sol hybridsystemet utnyttjar fullt ut de naturliga kompletterande egenskaperna hos vind- och solenergi i tidsmässigt och geografiskt avseende (till exempel stark solsken under dagen, potentiellt starkare vindar natten), övervinna den intermittenta karaktären av enskild energikälla. Det är en strukturellt välgrundad, lågdriftskostnadslösning för oberoende elförsörjning, som effektivt löser energiförsörjningsproblem för anläggningar som bostäder, kommunikationsbasstationer och meteorologiska övervakningsstationer i obelestrade eller svagt belestrade avlägsna områden.
3. Betydelsen av kärnkomponenter: Batteriet, som fungerar som systemets energilagringsenhet, är avgörande för att säkerställa kontinuerlig elförsörjning till belastningen under perioder utan vind eller solsken. Dess kostnad utgör en betydande andel av hela elproduktionssystemet. Därför är det viktigt att förbättra batteriets laddningsverkningsgrad och optimera dess ladd/avladdningsstrategier för att förlänga dess tjänsteliv, vilket är avgörande för att minska systemets livscykelkostnader och förbättra driftsäkerheten.

II. Övergripande systemdesign

1. Systemets kärnmål:
• Energifångstoptimering: Utför optimal styrning för maximal effektivitet på elektriciteten som genereras av vindturbinen och fotovoltaiska paneler, uppnår Maximum Power Point Tracking (MPPT) för att fullt utnyttja naturresurserna.
• Hantering av energilagringsystem: Hantera intelligently batteriets ladd- och avladdningsprocess, förhindra överladdning och överavladdning, skydda effektivt batteriet och förbättra betydligt dess laddningsverkningsgrad och tjänsteliv.
2. Systemets maskinvarkonstruktion:

Systemet består av tre huvudfunktionsmoduler, samordnade av en central styrenhet CPU för att bilda ett komplett intelligents styrsystem.

III. Kärnstyrteknik: Intelligent batterihantering

1. Batterival och grundläggande:
• Typ: Denna lösning väljer underhållsfria blysyreackumulatorer, som är tekniskt mogna och lågprisade, lämpliga för småskaliga vind-sol hybridsystem.
• Arbetsprincip: Batteriladdning och -avladdning är i grunden processer för konvertering av elektrisk energi till kemisk energi och vice versa. På grund av fenomen som elektrodpolarisering kan energikonverteringsverkningsgraden dock inte nå 100%.
2. Styrutmaningar och optimeringsstrategi:
• Nackdelar med traditionell styrning: Klassiska PID-styrmetoder beror tungt på en exakt matematisk modell av det reglerade objektet (batteriet). Batteriet är ett icke-linjärt, tidsvarierande system vars parametrar (internt motstånd, elektrolytens densitet, etc.) ändras dynamiskt med miljötemperatur och användningsstatus, vilket gör det svårt att etablera en exakt modell. Detta leder till utmaningar vid inställning av traditionella PID-parametrar, dålig anpassningsförmåga och underoptimal styrprestanda.
• Tillämpad avancerad styrmetod: Denna lösning använder en Fuzzy-PID-sammansatt styrstrategi, som kombinerar fördelarna med båda:
• Fördel med fuzzy-styrning: Kräver inte en exakt matematisk modell av det reglerade objektet, kan hantera osäkert indata, visar stark anpassningsförmåga till batteriparametersförändringar och kan integrera expertkunskap.
• Fördel med PID-styrning: Kan uppnå högprecision, noll stillastående felstyrning när systemavvikelsen är liten.
• Reglers arbetsflöde: Systemet övervakar kontinuerligt skillnaden e(t) mellan batteriets satta spänning och dess faktiska spänning. När avvikelsen e(t) är stor dominerar fuzzy-styrning för snabb respons. När e(t) minskar inom ett visst intervall växlar det smidigt till PID-styrning för finjustering. Slutligen justeras utsignale u(t) för att styra MOSFET:s duty-cycle, vilket uppnår dynamisk optimering av laddströmmen.

IV. Lösningssammanfattning och framtidsutsikter

• Styreffektivitet: Vind-sol hybridelgenereringsstyrsystemet som designats i denna lösning lyckas framgångsrikt uppnå optimal batteriladd/avladdningshantering genom den kompletterande intelligenta Fuzzy-PID-styrningsalgoritmen. Detta skyddar effektivt batteriet, förlänger dess tjänsteliv, och förbättrar fångstverkningsgraden av vind- och solenergi genom MPPT, vilket förbättrar det totala produktionsutbytet för hela elgenereringssystemet.
• Experimentell verifiering: Experimentella resultat visar att styrenheten är korrekt och genomförbart designad, fungerar säkert och tillförlitligt, och visar god dynamisk responsprestanda och stillastående noggrannhet.
• Tillämpningsutsikter: Denna integrerade vind-sol hybridelgenereringslösning med intelligent batterihanteringsteknik är särskilt lämplig för scenarier som obelestrade avlägsna områden, öar, betesmarker och kommunikationsbasstationer. Den erbjuder betydande ekonomiska och sociala fördelar och har breda tillämpningsutsikter.