ระบบไฮบริดพลังงานลม-แสงอาทิตย์อัจฉริยะพร้อมการควบคุม Fuzzy-PID สำหรับการจัดการแบตเตอรี่ที่ดีขึ้นและการควบคุมจุดกำลังสูงสุด

บทคัดย่อ

ข้อเสนอแนะนี้นำเสนอระบบการผลิตพลังงานไฮบริดลม-แสงอาทิตย์ที่อาศัยเทคโนโลยีควบคุมขั้นสูง เพื่อแก้ไขปัญหาความต้องการใช้ไฟฟ้าในพื้นที่ไกลและสถานการณ์การใช้งานพิเศษได้อย่างมีประสิทธิภาพและประหยัด หัวใจสำคัญของระบบอยู่ที่ระบบควบคุมอัจฉริยะที่มีศูนย์กลางเป็นไมโครโปรเซสเซอร์ ATmega16 ซึ่งระบบดังกล่าวทำหน้าที่ติดตามจุดกำลังสูงสุด (MPPT) สำหรับทั้งพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ และใช้อัลกอริทึมที่รวมระหว่าง PID และการควบคุมแบบคลุมเครือเพื่อการจัดการการชาร์จ/ปล่อยประจุของแบตเตอรี่ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักได้อย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพ ดังนั้น ระบบดังกล่าวจะเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตพลังงานโดยรวม ยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ และรับประกันความเชื่อถือในการจ่ายไฟฟ้าและการประหยัดต้นทุน

​I. พื้นหลังและความสำคัญของโครงการ​

1. ​บริบทพลังงาน:​​ ทั่วโลก การขาดแคลนเชื้อเพลิงฟอสซิลแบบดั้งเดิมกำลังสร้างความท้าทายอย่างมากต่อความมั่นคงทางพลังงานและการพัฒนาอย่างยั่งยืน การพัฒนาและใช้พลังงานสะอาดและหมุนเวียนใหม่ เช่น ลมและแสงอาทิตย์ ได้กลายเป็นความสำคัญเชิงยุทธศาสตร์ในการแก้ไขปัญหาพลังงานและสิ่งแวดล้อมในปัจจุบัน
2. ​คุณค่าของระบบ:​​ ระบบไฮบริดลม-แสงอาทิตย์ใช้ประโยชน์จากลักษณะธรรมชาติที่เสริมกันของพลังงานลมและแสงอาทิตย์ในเรื่องเวลาและภูมิศาสตร์ (เช่น มีแสงแดดแรงในตอนกลางวัน อาจมีลมแรงในตอนกลางคืน) ทำให้สามารถเอาชนะปัญหาการผลิตพลังงานจากแหล่งเดียวที่ไม่สม่ำเสมอ ระบบเป็นโซลูชันการจ่ายไฟฟ้าที่มีโครงสร้างเหมาะสม ต้นทุนการดำเนินงานต่ำ และสามารถแก้ไขปัญหาการจ่ายพลังงานให้กับสิ่งอำนวยความสะดวก เช่น ที่อยู่อาศัย ฐานสถานีสื่อสาร และสถานีตรวจวัดสภาพอากาศ ในพื้นที่ที่ไม่มีไฟฟ้าหรือมีไฟฟ้าน้อย
3. ​ความสำคัญของส่วนประกอบหลัก:​​ แบตเตอรี่ซึ่งทำหน้าที่เป็นหน่วยเก็บพลังงานของระบบ เป็นสิ่งสำคัญในการรับรองการจ่ายไฟฟ้าต่อเนื่องไปยังโหลดในช่วงที่ไม่มีลมหรือแสงอาทิตย์ ต้นทุนของแบตเตอรี่มีสัดส่วนสำคัญในระบบการผลิตพลังงานทั้งหมด ดังนั้น การปรับปรุงประสิทธิภาพการชาร์จแบตเตอรี่และปรับปรุงกลยุทธ์การชาร์จ/ปล่อยประจุเพื่อยืดอายุการใช้งานเป็นสิ่งจำเป็นในการลดต้นทุนตลอดวงจรชีวิตของระบบและเพิ่มความเชื่อถือในการดำเนินงาน

​II. การออกแบบระบบโดยรวม​

1. ​เป้าหมายหลักของระบบ:​​
• ​การปรับปรุงการจับพลังงาน:​​ ทำการควบคุมที่เหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพสูงสุดในการผลิตไฟฟ้าจากกังหันลมและแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ทำ MPPT เพื่อใช้ประโยชน์จากทรัพยากรธรรมชาติอย่างเต็มที่
• ​การจัดการระบบเก็บพลังงาน:​​ จัดการกระบวนการชาร์จและปล่อยประจุของแบตเตอรี่อย่างอัจฉริยะ ป้องกันการชาร์จเกินและปล่อยประจุเกิน ปกป้องแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ และเพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จและอายุการใช้งานอย่างมาก
2. ​สถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ของระบบ:​​

ระบบประกอบด้วยโมดูลการทำงานหลักสามโมดูล ทำงานร่วมกันภายใต้ CPU ควบคุมกลางเพื่อสร้างระบบควบคุมอัจฉริยะที่สมบูรณ์

​III. เทคโนโลยีควบคุมหลัก: การจัดการแบตเตอรี่อัจฉริยะ​

1. ​การเลือกและพื้นฐานของแบตเตอรี่:​​
• ​ประเภท:​​ โซลูชันนี้เลือกใช้แบตเตอรี่ตะกั่วกรดไร้การบำรุงรักษา ซึ่งมีเทคโนโลยีที่สุกงอมและมีต้นทุนต่ำ เหมาะสำหรับระบบไฮบริดลม-แสงอาทิตย์ขนาดเล็ก
• ​หลักการทำงาน:​​ การชาร์จและปล่อยประจุแบตเตอรี่เป็นกระบวนการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมีและกลับกัน แต่เนื่องจากปรากฏการณ์การขั้วของอิเล็กโทรด ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไม่สามารถถึง 100%
2. ​ความท้าทายในการควบคุมและการปรับปรุงกลยุทธ์:​​
• ​ข้อเสียของการควบคุมแบบดั้งเดิม:​​ วิธีการควบคุม PID แบบดั้งเดิมพึ่งพาโมเดลทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำของวัตถุที่ควบคุม (แบตเตอรี่) แบตเตอรี่เป็นระบบไม่เชิงเส้นและเปลี่ยนแปลงตามเวลา ซึ่งพารามิเตอร์ (ความต้านทานภายใน ความหนาแน่นของสารละลายไฟฟ้า ฯลฯ) เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมและสถานะการใช้งาน ทำให้ยากต่อการสร้างโมเดลที่แม่นยำ นำไปสู่ความท้าทายในการปรับค่า PID แบบดั้งเดิม ความสามารถในการปรับตัวต่ำ และประสิทธิภาพการควบคุมไม่ดี
• ​วิธีการควบคุมขั้นสูงที่นำมาใช้:​​ โซลูชันนี้ใช้วิธีการควบคุมผสมระหว่าง Fuzzy-PID ที่รวมข้อดีของทั้งสอง:
• ​ข้อดีของการควบคุมแบบคลุมเครือ:​​ ไม่ต้องการโมเดลทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำของวัตถุที่ควบคุม สามารถจัดการข้อมูลที่ไม่แม่นยำ มีความสามารถในการปรับตัวสูงต่อการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของแบตเตอรี่ และสามารถนำความรู้ของผู้เชี่ยวชาญมาใช้ได้
• ​ข้อดีของการควบคุม PID:​​ สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำและไม่มีความคลาดเคลื่อนคงที่เมื่อความคลาดเคลื่อนของระบบเล็ก
• ​กระบวนการทำงานของตัวควบคุม:​​ ระบบตรวจสอบความแตกต่าง e(t) ระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดและแรงดันไฟฟ้าจริงของแบตเตอรี่ เมื่อความคลาดเคลื่อน e(t) สูง การควบคุมแบบคลุมเครือจะเป็นหลักในการตอบสนองอย่างรวดเร็ว เมื่อ e(t) ลดลงอยู่ในช่วงที่กำหนด จะเปลี่ยนไปใช้การควบคุม PID สำหรับการปรับละเอียด ท้ายที่สุด сигналเอาต์พุต u(t) จะถูกปรับเพื่อควบคุมค่าดิวตี้ไซเคิลของ MOSFET ทำให้การปรับปรุงกระแสชาร์จได้อย่างไดนามิก

​IV. สรุปโซลูชันและความคาดหวัง​

• ​ประสิทธิภาพการควบคุม:​​ ระบบควบคุมการผลิตพลังงานไฮบริดลม-แสงอาทิตย์ที่ออกแบบในโซลูชันนี้ประสบความสำเร็จในการจัดการการชาร์จ/ปล่อยประจุของแบตเตอรี่อย่างเหมาะสมผ่านอัลกอริทึมควบคุม Fuzzy-PID ที่เสริมกัน ไม่เพียงแต่สามารถปกป้องแบตเตอรี่และยืดอายุการใช้งานเท่านั้น แต่ยังเพิ่มประสิทธิภาพการจับพลังงานลมและแสงอาทิตย์ผ่าน MPPT ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบการผลิตพลังงาน
• ​การตรวจสอบทดลอง:​​ ผลการทดลองแสดงว่าตัวควบคุมถูกออกแบบอย่างถูกต้องและเป็นไปได้ ทำงานอย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้ และมีประสิทธิภาพการตอบสนองไดนามิกและความแม่นยำในภาวะคงที่ที่ดี
• ​แนวโน้มการใช้งาน:​​ โซลูชันการผลิตพลังงานไฮบริดลม-แสงอาทิตย์ที่รวมเทคโนโลยีการจัดการแบตเตอรี่อัจฉริยะนี้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับสถานการณ์ เช่น พื้นที่ไกลที่ไม่มีสายไฟฟ้า เกาะ ทุ่งหญ้า และฐานสถานีสื่อสาร โซลูชันนี้มีประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสังคมอย่างมาก และมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวาง