Улучшенное управление мощностью в гибридных системах хранения энергии, интегрированных с PV, с использованием нечеткого 2DOF-PI управления, оптимизированного алгоритмом гиппопотама

Более умная солнечная энергия для повседневного использования

По мере того как всё больше домов, деревень и устройств переходят на солнечную энергию, остаётся одна упорная проблема: солнце светит нестабильно, тогда как наши лампы, холодильники и электроника ожидают плавного и надёжного электроснабжения. В этой работе рассматривается более продуманный способ распределения солнечной энергии и накопителей, чтобы напряжение оставалось стабильным, аккумуляторы служили дольше, а чистая электроэнергия становилась более практичной для автономных домов и небольших сетей постоянного тока (DC).

Почему солнечной системе нужна вспомогательная команда

Солнечные панели чистые и становящиеся всё более доступными, но их выход постоянно меняется из‑за облачности, времени суток и погоды. Традиционно для сглаживания разрывов между переменным солнечным выходом и постоянным потреблением использовали только аккумуляторы. Однако просить аккумулятор одновременно покрывать долгосрочные потребности и каждое малейшее быстрое колебание мощности — всё равно что использовать грузовой поезд для работы гоночного автомобиля: это работает, но быстро изнашивает аккумулятор и приводит к потерям энергии. Для решения этой проблемы инженеры сочетают аккумуляторы с суперконденсаторами — устройствами, которые могут заряжаться и разряжаться почти мгновенно, но хранят меньше энергии в целом. Аккумулятор выступает в роли медленного, глубокого резерва, а суперконденсатор поглощает быстрые всплески нагрузки, создавая более долговечную и эффективную систему хранения.

Как собрана гибридная солнечная система

Исследование сосредоточено на автономной DC‑микросети, питаемой солнечными панелями и поддерживаемой гибридной системой накопления энергии, совмещающей батарейный блок и банк суперконденсаторов. Все эти элементы подключены к центральной шине постоянного тока, которая питает DC‑нагрузку, например дом или небольшое здание. Каждое устройство хранения имеет свой двунаправленный электронный преобразователь, позволяющий как принимать энергию при избыточной солнечной генерации, так и отдавать её при падении освещённости или всплесках потребления. Такая «активная» схема означает, что аккумулятор и суперконденсатор можно контролировать независимо, а не пассивно связывать вместе, что даёт системе управления тонкий контроль над распределением задач и временем их выполнения.

Мозг, вдохновлённый правилами и поведением животных

В основе системы — интеллектуальный контроллер, который решает, как распределять нагрузку между аккумулятором и суперконденсатором, поддерживая при этом стабильное напряжение шины DC. Авторы комбинируют две идеи. Во-первых, они используют нечеткую логику — правилоподобный подход, имитирующий человеческое рассуждение с выражениями типа «если ошибка напряжения мала, но быстро меняется, корректируйте осторожно». Во-вторых, применённая структура пропорционально‑интегрального регулятора с двумя степенями свободы (2DOF‑PI) позволяет отдельно настраивать следование заданному уровню напряжения и подавление возмущений, например резких изменений нагрузки. Для тонкой подстройки всех этих параметров они используют современный поисковый метод — алгоритм оптимизации гиппопотама, вдохновлённый тем, как гиппопотамы передвигаются, защищаются и отступают в группах. Этот оптимизатор перебирает множество возможных настроек контроллера, чтобы найти те, которые лучше всего сбалансируют точность, скорость и устойчивость.

Проверка нового управления

Исследователи тестируют свой подход в детализированных компьютерных моделях с использованием MATLAB/Simulink. Они подвергают систему четырём сложным сценариям: быстро меняющаяся инсоляция, внезапные увеличения нагрузки, внезапные уменьшения нагрузки и сочетание изменяющегося солнца и меняющегося спроса. Они сравнивают свой нечеткий 2DOF‑PI контроллер с тремя альтернативами: обычным PI‑регулятором и двумя конструкциями fuzzy‑PI, настроенными более старыми методами оптимизации. Во всех случаях новый контроллер держит напряжение шины DC ближе к целевому значению, уменьшает величину временных всплесков мощности как минимум на 15 процентов и сокращает время установления системы как минимум на 10 процентов. Аккумулятор защищён от резких скачков, потому что быстрые изменения перенаправляются на суперконденсатор, лучше приспособленный для их обработки. Это означает меньшее напряжение на аккумулятор и, в реальной эксплуатации, потенциально более долгий срок службы.

Что это значит для пользователей чистой энергии

Проще говоря, предлагаемая стратегия управления делает небольшую солнечную систему более похожей на стабильный, надёжный источник энергии, даже когда солнце и нагрузка ведут себя непредсказуемо. Координируя работу аккумулятора и суперконденсатора с помощью умного управляющего «мозга», система выдаёт более ровную мощность, эффективнее использует накопленную энергию и снижает износ дорогих батарейных блоков. Хотя результаты получены в симуляциях и требуют подтверждения на аппаратных испытаниях, работа указывает на возможность создания более надёжных и долговечных солнечных микросетей для домов, отдалённых сообществ, зарядки электромобилей и других автономных применений, помогая превращать переменчивое солнце в действительно надёжную электроэнергию.

Цитирование: Kotb, H., Khairalla, A.G., ElRefaie, H.B. et al. Enhanced power management in PV-Integrated hybrid energy storage systems using fuzzy 2DOF-PI control optimized by hippopotamus algorithm. Sci Rep 16, 9200 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40106-4

Ключевые слова: солнечная микросеть, гибридное хранение энергии, аккумулятор суперконденсатор, нечеткое управление, управление возобновляемой энергией