Розумна гібридна система вітрово-сонячної енергетики з фаззі-PID керуванням для покращеного управління акумуляторами та MPPT

Абстракт

Цей проект пропонує гібридну систему виробництва електроенергії на основі вітрової та сонячної енергії, яка базується на передовій технології керування, з метою ефективного та економічного задоволення потреб у електроенергії для віддалених районів та спеціальних сценаріїв застосування. Серцевиною системи є інтелектуальна система керування, центральним елементом якої є мікропроцесор ATmega16. Ця система виконує Maximum Power Point Tracking (MPPT) для вітрової та сонячної енергії та використовує оптимізований алгоритм, що поєднує PID-та нечітке керування, для точного та ефективного управління заряджанням/розряджанням ключового компонента — акумулятора. В результаті це значно підвищує загальну ефективність виробництва електроенергії, продовжує термін служби акумулятора та забезпечує надійність та економічність поставок електроенергії.

I. Фон проекту та його значущість

1. Енергетичний контекст: Усього світу запаси традиційних видів палива поступово виснажуються, що створює серйозні проблеми для енергетичної безпеки та сталого розвитку. Активне розвиток та використання чистих, відновлюваних джерел енергії, таких як вітро- та сонячна енергія, стало стратегічним пріоритетом для вирішення поточних енергетичних та екологічних проблем.
2. Цінність системи: Гібридна вітро-сонячна система повністю використовує природні взаємодоповнюючі характеристики вітрової та сонячної енергії з точки зору часу та географії (наприклад, сильне сонячне світло вдень, можливо, більш сильні вітри вночі), подолуючи непостійність виробництва електроенергії з одного джерела. Це структурно раціональне, низькозатратне рішення для автономного забезпечення електроенергією, що ефективно вирішує проблеми енергозабезпечення для об'єктів, таких як житлові будівлі, базові станції зв'язку та метеорологічні станції, у невідповідних або слабо електрифікованих віддалених районах.
3. Важливість ключових компонентів: Акумулятор, який є елементом зберігання енергії системи, є важливим для забезпечення постійного живлення навантаження під час періодів без вітру або сонячного світла. Його вартість становить значну частину від загальної системи виробництва електроенергії. Тому покращення ефективності заряджання акумулятора та оптимізація стратегій зарядження/розрядження для продовження строку його служби є важливими для зменшення вартості циклу життя системи та підвищення надійності роботи.

II. Загальний дизайн системи

1. Основні цілі системи:
• Оптимізація захоплення енергії: Виконання оптимального керування для максимального КПД електроенергії, виробленої вітровим генератором та фотovoltaic панелями, досягнення Maximum Power Point Tracking (MPPT) для повного використання природних ресурсів.
• Управління системою зберігання енергії: Інтелектуальне управління процесом заряджання та розряджання акумулятора, запобігання перевантаження та надмірного розрядження, ефективна захиста акумулятора, значне підвищення ефективності заряджання та строку його служби.
2. Апаратна архітектура системи:

Система складається з трьох основних функціональних модулів, координованих центральним контролером CPU, що формують повну інтелектуальну систему керування.

III. Основна технологія керування: Інтелектуальне управління акумулятором

1. Вибір акумулятора та основи:
• Тип: Це рішення вибирає безпідтримкові свинцево-кислотні акумулятори, які є технологічно зрілими та недорогими, придатними для маломасштабних вітро-сонячних гібридних систем.
• Принцип роботи: Зарядження та розрядження акумулятора є процесами перетворення електроенергії на хімічну та навпаки. Однак, через явища, такі як поляризація електродів, ефективність перетворення енергії не може досягти 100%.
2. Виклики керування та стратегія оптимізації:
• Недоліки традиційного керування: Класичні методи PID-керування сильно залежать від точного математичного моделювання об'єкта керування (акумулятора). Акумулятор є нелінійною, змінною в часі системою, параметри якої (внутрішнє опор, густина електроліту тощо) динамічно змінюються зі зміною температури оточення та стану використання, що робить складним створення точного моделювання. Це призводить до проблем з налаштуванням традиційних параметрів PID, низької адаптивності та підприємства керування.
• Застосована передова методика керування: Це рішення використовує комбіновану стратегію Fuzzy-PID, поєднуючи переваги обох:
• Перевага нечіткого керування: Не вимагає точного математичного моделювання об'єкта керування, може обробляти неточні вхідні дані, має сильну адаптивність до змін параметрів акумулятора та може враховувати експертні знання.
• Перевага PID-керування: Може досягти високої точності, нульову статичну помилку керування, коли відхилення системи невелике.
• Робочий процес контролера: Система постійно моніторить різницю e(t) між заданим напругом акумулятора та фактичним напругом. Коли відхилення e(t) велике, домінує нечітке керування для швидкої реакції. Коли e(t) зменшується до певного діапазону, плавно перехід до PID-керування для точних налаштувань. В кінцевому підсумку, вихідний сигнал u(t) налаштовується для керування коефіцієнтом заповнення MOSFET, досягаючи динамічної оптимізації струму зарядження.

IV. Підсумок рішення та перспективи

• Ефективність керування: Проектовану систему керування вітро-сонячною гібридною системою виробництва електроенергії успішно досягає оптимального управління зарядженням/розрядженням акумулятора через інтелектуальний комбінований алгоритм Fuzzy-PID. Це не тільки ефективно захищає акумулятор та продовжує його строк служби, але також підвищує ефективність захоплення вітрової та сонячної енергії за допомогою MPPT, що підвищує загальну ефективність всієї системи виробництва електроенергії.
• Експериментальна перевірка: Експериментальні результати показують, що контролер правильно та практично спроектований, працює безпечно та надійно, демонструючи гарну динамічну відповідь та статичну точність.
• Перспективи застосування: Це інтегроване рішення вітро-сонячної гібридної системи виробництва електроенергії з інтелектуальною технологією управління акумулятором особливо придатне для сценаріїв, таких як віддалені райони без мережевого покриття, острови, пастбища та базові станції зв'язку. Воно надає значні економічні та соціальні переваги та має широкі перспективи застосування.