基于模糊逻辑的混合太阳能-电池-电网系统负载均衡控制器设计与仿真评估

《Scientific Reports》：Fuzzy logic based hybrid load balancing for solar–grid supply with tiered load shedding: a simulation study

　　

摘要

将太阳能逆变器、电池与公共电网结合的混合式安装系统在乌干达日益普遍，但它们通常由基于阈值的自动转换开关（ATS）管理，这些开关忽略了太阳能的可用性、电网质量和负荷的关键性。本文提出了基于多输入模糊逻辑的混合负载均衡控制器的设计、建模及基于仿真的评估。该框架通过 Mamdani 型模糊推理系统融合四个输入（太阳能输出、电池荷电状态（SOC）、电网状态和负荷需求），产生两个协调的输出：电源优先信号和分层负荷削减信号，涵盖三个负荷类别（关键、灵活和非必要）。本研究完全基于仿真。系统在 Python 中以一分钟分辨率实现，针对一个具有代表性的 24 小时合成场景进行了测试，该场景包含两次电网中断、一次电压骤降和由云层引起的太阳能波动，并与传统的基于阈值的转换开关、具有关键负荷优先级的 ATS 以及基于精确规则的分层控制器进行了基准比较；此外，还进行了七个压力测试案例和 100 次蒙特卡洛评估。在主要场景中，模糊控制器维持了 100% 的关键负荷可用性，而基线系统仅为 91.9%，后者经历了 67 分钟的完全停电；将太阳能利用率从 47.1% 提升至 100%；将电网能源消耗从 13.43 千瓦时降至 7.95 千瓦时（40.8%）；并将电源切换事件从四次减少到两次。这些收益来自于有意限制所有非必要负荷和 4.6% 的灵活负荷，因此并非纯粹的能效提升：总未服务能源从 1.84 千瓦时增加至 3.18 千瓦时，尽管关键性加权可靠性指数仍有利于模糊控制器（96.4% 对 92.6%）。更广泛的测试确认了相对于阈值基线的太阳能利用率和电网能源优势，但显示在压力条件下，具有简单关键负荷优先级的 ATS 至少能同等保护关键负荷，确定了规则库调优为主要需求。结果支持基于仿真的概念验证。在实时嵌入式演示中，控制器和工厂模型在树莓派 5 上运行，并配有外部触摸显示屏，使用模拟输入，复现了仿真行为；使用实时传感器和继电器的测试以及现场验证仍属于未来工作。