Poslednjih godina, poboljšanja efikasnosti fotonaponskih sistema za pumpanje vode (PVWPS) privukla su veliko interesovanje među istraživačima, jer se njihov rad zasniva na proizvodnji čiste električne energije. aplikacije koje uključuju tehnike minimizacije gubitaka primijenjene na asinhrone motore (IM). Predložena kontrola odabire optimalnu veličinu fluksa minimiziranjem IM gubitaka. Osim toga, uvedena je i metoda promatranja perturbacije promjenjivog koraka. Pogodnost predložene kontrole prepoznaje se po smanjenje struje ponora;stoga su gubici motora minimizirani i efikasnost je poboljšana. Predložena strategija upravljanja je upoređena sa metodama bez minimizacije gubitaka. Rezultati poređenja ilustruju efikasnost predložene metode koja se zasniva na minimiziranju gubitaka u električnoj brzini, apsorbovanoj struji, tečenju vodu, i razvojni tok. Procesor-in-the-loop (PIL) test je izveden kao eksperimentalni test predložene metode. Obuhvaća implementaciju generiranog C koda na STM32F4 ploči za otkrivanje. Rezultati dobiveni iz ugrađene ploče su slični rezultatima numeričke simulacije.
Obnovljiva energija, posebnosolarnofotonaponska tehnologija, može biti čistija alternativa fosilnim gorivima u sistemima za pumpanje vode1,2. Fotonaponski pumpni sistemi su dobili značajnu pažnju u udaljenim područjima bez električne energije3,4.
Različiti motori se koriste u PV pumpnim aplikacijama. Primarna faza PVWPS je bazirana na DC motorima. Ovi motori su jednostavni za kontrolu i implementaciju, ali zahtijevaju redovno održavanje zbog prisustva anotatora i četkica5. Da bi se ovaj nedostatak prevazišao, bez četkica Uvedeni su motori sa trajnim magnetom, koji se odlikuju bez četkica, visoka efikasnost i pouzdanost6. U poređenju sa drugim motorima, PVWPS baziran na IM ima bolje performanse jer je ovaj motor pouzdan, jeftin, ne zahteva održavanje i nudi više mogućnosti za strategije upravljanja7 .Uobičajeno se koriste tehnike indirektne kontrole orijentirane na polje (IFOC) i metode direktne kontrole momenta (DTC)8.
IFOC su razvili Blaschke i Hasse i omogućava promjenu IM brzine u širokom rasponu9,10. Struja statora je podijeljena na dva dijela, jedan generiše magnetni fluks, a drugi stvara moment pretvaranjem u dq koordinatni sistem. To omogućava nezavisna kontrola fluksa i momenta u stacionarnom stanju i dinamičkim uslovima. Osa (d) je poravnata sa vektorom prostora fluksa rotora, što uključuje komponentu q-ose vektora prostora fluksa rotora koja je uvek nula. FOC obezbeđuje dobar i brži odziv11 ,12, međutim, ova metoda je složena i podložna varijacijama parametara13. Da bi prevazišli ove nedostatke, Takashi i Noguchi14 uveli su DTC, koji ima visoke dinamičke performanse i robustan je i manje osjetljiv na promjene parametara. U DTC-u, elektromagnetski moment i tok statora se kontrolišu oduzimanjem fluksa statora i momenta od odgovarajućih procjena. Rezultat se unosi u histerezni komparator kako bi se generirao odgovarajući vektor napona za kontrolui fluks i obrtni moment statora.
Glavna nepogodnost ove strategije upravljanja su velike fluktuacije momenta i fluksa zbog upotrebe regulatora histereze za regulaciju fluksa statora i elektromagnetnog momenta15,42. Višeslojni pretvarači se koriste za minimiziranje talasanja, ali efikasnost je smanjena brojem prekidača napajanja16. Nekoliko autora je koristilo modulaciju vektora svemira (SWM)17, kontrolu kliznog režima (SMC)18, koje su moćne tehnike, ali pate od neželjenih efekata podrhtavanja19. Mnogi istraživači su koristili tehnike umjetne inteligencije da poboljšaju performanse kontrolera, među njima, (1) neuronske mreže, kontrolnu strategiju za koju su potrebni procesori velike brzine za implementaciju20, i (2) genetski algoritmi21.
Fuzzy kontrola je robusna, pogodna za strategije nelinearne regulacije i ne zahtijeva poznavanje tačnog modela. Uključuje upotrebu neizrazitih logičkih blokova umjesto histereznih regulatora i tabela za odabir prekidača kako bi se smanjila valovitost fluksa i momenta. Vrijedi istaći da DTC zasnovani na FLC-u pružaju bolje performanse22, ali nedovoljno da se maksimizira efikasnost motora, pa su potrebne tehnike optimizacije kontrolne petlje.
U većini prethodnih studija, autori su odabrali konstantni fluks kao referentni fluks, ali ovaj izbor reference ne predstavlja optimalnu praksu.
Motorni pogoni visokih performansi i visoke efikasnosti zahtijevaju brz i precizan odziv brzine. S druge strane, za neke operacije kontrola možda neće biti optimalna, pa se efikasnost pogonskog sistema ne može optimizirati. Bolje performanse se mogu postići korištenjem varijabilnu referencu fluksa tokom rada sistema.
Mnogi autori su predložili kontroler pretraživanja (SC) koji minimizira gubitke pod različitim uvjetima opterećenja (kao što je u27) kako bi poboljšali efikasnost motora. Tehnika se sastoji od mjerenja i minimiziranja ulazne snage iterativnom referentnom strujom na d-osi ili fluksom statora referenca.Međutim, ova metoda uvodi talasanje momenta zbog oscilacija prisutnih u fluksu zračnog raspora, a implementacija ove metode je dugotrajna i računski intenzivna. Optimizacija roja čestica se također koristi za poboljšanje efikasnosti28, ali ova tehnika može zaglavi u lokalnim minimumima, što dovodi do lošeg odabira kontrolnih parametara29.
U ovom radu je predložena tehnika vezana za FDTC za odabir optimalnog magnetnog fluksa smanjenjem gubitaka motora. Ova kombinacija osigurava mogućnost korištenja optimalnog nivoa fluksa u svakoj radnoj tački, čime se povećava efikasnost predloženog fotonaponskog sistema za pumpanje vode. Stoga se čini vrlo pogodnim za primjene fotonaponskih pumpi vode.
Nadalje, test procesora u petlji predložene metode je izveden korištenjem ploče STM32F4 kao eksperimentalne validacije. Glavne prednosti ovog jezgra su jednostavnost implementacije, niska cijena i nema potrebe za razvojem složenih programa 30 .Osim toga , FT232RL USB-UART ploča za konverziju je povezana sa STM32F4, što garantuje eksterni komunikacioni interfejs kako bi se uspostavio virtuelni serijski port (COM port) na računaru. Ova metoda omogućava prenos podataka pri visokim brzinama prenosa.
Performanse PVWPS-a primenom predložene tehnike su upoređene sa PV sistemima bez minimizacije gubitaka u različitim radnim uslovima. Dobijeni rezultati pokazuju da je predloženi sistem fotonaponskih pumpi za vodu bolji u minimiziranju struje statora i gubitaka bakra, optimizaciji fluksa i pumpanja vode.
Ostatak rada je strukturiran na sljedeći način: Modeliranje predloženog sistema je dato u dijelu „Modeliranje fotonaponskih sistema“. U dijelu „Strategija upravljanja proučavanim sistemom“, FDTC, predložena strategija upravljanja i MPPT tehnika su dati detaljno opisano. Nalazi se razmatraju u odjeljku “Rezultati simulacije”. U odjeljku “PIL testiranje sa STM32F4 pločom za otkrivanje” opisano je testiranje procesora u petlji. Zaključci ovog rada su predstavljeni u “ Zaključci”.
Slika 1 prikazuje predloženu konfiguraciju sistema za samostalni PV sistem za pumpanje vode. Sistem se sastoji od centrifugalne pumpe bazirane na IM, fotonaponskog niza, dva pretvarača snage [pojačani pretvarač i inverter izvora napona (VSI)]. U ovom odeljku , prikazano je modeliranje proučavanog fotonaponskog sistema za pumpanje vode.
Ovaj rad usvaja model sa jednom diodomsolarnofotonaponske ćelije. Karakteristike PV ćelije su označene sa 31, 32 i 33.
Za izvođenje adaptacije koristi se pojačivač. Odnos između ulaznog i izlaznog napona DC-DC pretvarača je dat jednadžbom 34 ispod:
Matematički model IM može se opisati u referentnom okviru (α,β) sljedećim jednadžbama 5,40:
Gdje \(l_{s }\),\(l_{r}\): induktivnost statora i rotora, M: međusobna induktivnost, \(R_{s }\), \(I_{s }\): otpor statora i Struja statora, \(R_{r}\), \(I_{r }\): otpor rotora i struja rotora, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): fluks statora i stator napon , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): fluks rotora i napon rotora.
Moment opterećenja centrifugalne pumpe proporcionalan kvadratu IM brzine može se odrediti prema:
Upravljanje predloženim sistemom pumpe za vodu podijeljeno je u tri različita pododjeljka. Prvi dio se bavi MPPT tehnologijom. Drugi dio se bavi upravljanjem IM-a na osnovu direktne kontrole momenta fuzzy logic kontrolera. Nadalje, odjeljak III opisuje tehniku koja se odnosi na DTC zasnovan na FLC-u koji omogućava određivanje referentnih tokova.
U ovom radu je korišćena P&O tehnika promenljivog koraka za praćenje tačke maksimalne snage. Karakteriše je brzo praćenje i niske oscilacije (Slika 2)37,38,39.
Glavna ideja DTC-a je da direktno kontroliše tok i obrtni moment mašine, ali upotreba regulatora histereze za regulaciju elektromagnetnog momenta i fluksa statora rezultira visokim obrtnim momentom i talasanjem fluksa. Zbog toga je uvedena tehnika zamućenja kako bi se poboljšala DTC metodom (slika 7), a FLC može razviti dovoljna stanja vektora pretvarača.
U ovom koraku, ulaz se transformiše u fuzzy varijable kroz funkcije članstva (MF) i lingvističke termine.
Tri funkcije pripadnosti za prvi ulaz (εφ) su negativne (N), pozitivne (P) i nula (Z), kao što je prikazano na slici 3.
Pet funkcija pripadnosti za drugi ulaz (\(\varepsilon\)Tem) su negativna velika (NL), negativna mala (NS), nula (Z), pozitivna mala (PS) i pozitivna velika (PL), kao što je prikazano na slici 4.
Putanja fluksa statora sastoji se od 12 sektora, u kojima je rasplinuti skup predstavljen jednakokračnom trouglastom funkcijom pripadnosti, kao što je prikazano na slici 5.
Tabela 1 grupiše 180 fuzzy pravila koja koriste ulazne funkcije članstva za odabir odgovarajućih stanja prekidača.
Metoda zaključivanja se izvodi korištenjem Mamdanijeve tehnike. Faktor težine (\(\alpha_{i}\)) i-tog pravila je dat kao:
gdje\(\mu Ai \left( {e\varphi } \desno)\),\(\mu Bi\left( {eT} \desno) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Vrijednost pripadnosti magnetnog fluksa, momenta i greške kuta fluksa statora.
Slika 6 ilustruje oštre vrijednosti dobijene iz nejasnih vrijednosti korištenjem metode maksimuma predložene u jednačini (20).
Povećanjem efikasnosti motora, brzina protoka se može povećati, što zauzvrat povećava dnevno pumpanje vode (slika 7). Svrha sljedeće tehnike je da poveže strategiju zasnovanu na minimiziranju gubitaka s metodom direktne kontrole momenta.
Dobro je poznato da je vrijednost magnetskog fluksa važna za efikasnost motora. Visoke vrijednosti fluksa dovode do povećanih gubitaka gvožđa kao i magnetskog zasićenja kola. Suprotno tome, niski nivoi fluksa rezultiraju visokim gubicima u džulima.
Stoga je smanjenje gubitaka u IM direktno povezano sa izborom nivoa fluksa.
Predložena metoda se zasniva na modeliranju džule gubitaka povezanih sa strujom koja teče kroz namotaje statora u mašini. Sastoji se od podešavanja vrednosti fluksa rotora na optimalnu vrednost, čime se minimiziraju gubici motora radi povećanja efikasnosti. može se izraziti na sljedeći način (zanemarujući gubitke u jezgri):
Elektromagnetski moment\(C_{em}\) i fluks rotora\(\phi_{r}\) se izračunavaju u dq koordinatnom sistemu kao:
Elektromagnetski moment\(C_{em}\) i fluks rotora\(\phi_{r}\) se izračunavaju u referenci (d,q) kao:
rješavanjem jednadžbe.(30) možemo pronaći optimalnu struju statora koja osigurava optimalan tok rotora i minimalne gubitke:
Različite simulacije su izvedene korišćenjem MATLAB/Simulink softvera za procenu robusnosti i performansi predložene tehnike. Istraženi sistem se sastoji od osam 230 W CSUN 235-60P panela (Tabela 2) povezanih u seriju. Centrifugalnu pumpu pokreće IM, a njegovi karakteristični parametri su prikazani u tabeli 3. Komponente fotonaponskog pumpnog sistema su prikazane u tabeli 4.
U ovom odeljku, fotonaponski sistem za pumpanje vode koji koristi FDTC sa konstantnom referencom fluksa upoređuje se sa predloženim sistemom zasnovanim na optimalnom fluksu (FDTCO) pod istim radnim uslovima. Performanse oba fotonaponska sistema su testirane razmatranjem sledećih scenarija:
Ovaj odeljak predstavlja predloženo startno stanje sistema pumpe zasnovano na stopi insolacije od 1000 W/m2. Slika 8e ilustruje odziv električne brzine. U poređenju sa FDTC, predložena tehnika obezbeđuje bolje vreme porasta, dostižući stabilno stanje na 1,04 s, a sa FDTC, dostizanje stabilnog stanja na 1,93 s. Slika 8f prikazuje pumpanje dvije kontrolne strategije. Može se vidjeti da FDTCO povećava količinu pumpanja, što objašnjava poboljšanje energije koju pretvara IM. Slike 8g i 8h predstavljaju izvučenu struju statora. Startna struja pomoću FDTC je 20 A, dok predložena strategija upravljanja predlaže startnu struju od 10 A, što smanjuje džulove gubitke. Slike 8i i 8j prikazuju razvijeni fluks statora. FDTC zasnovan na PVPWS radi pri konstantnom referentnom fluksu od 1,2 Wb, dok je u predloženoj metodi referentni fluks 1 A, što je uključeno u poboljšanje efikasnosti fotonaponskog sistema.
(a)Solarnozračenje (b) Ekstrakcija snage (c) Radni ciklus (d) DC napon sabirnice (e) Brzina rotora (f) Pumpa voda (g) Fazna struja statora za FDTC (h) Fazna struja statora za FDTCO (i) Fluksni odziv pomoću FLC (j) Odziv fluksa pomoću FDTCO (k) Putanja fluksa statora koristeći FDTC (l) Putanja fluksa statora koristeći FDTCO.
Thesolarnozračenje je variralo od 1000 do 700 W/m2 za 3 sekunde, a zatim do 500 W/m2 za 6 sekundi (slika 8a). Na slici 8b prikazana je odgovarajuća fotonaponska snaga za 1000 W/m2, 700 W/m2 i 500 W/m2 .Slike 8c i 8d ilustruju radni ciklus i napon istosmjerne veze, respektivno. Slika 8e ilustruje električnu brzinu IM, i možemo primijetiti da predložena tehnika ima bolju brzinu i vrijeme odziva u poređenju sa fotonaponskim sistemom baziranim na FDTC. Slika 8f prikazuje pumpanje vode za različite nivoe ozračenosti dobijene korišćenjem FDTC i FDTCO. Više pumpanja se može postići sa FDTCO nego sa FDTC. Slike 8g i 8h ilustruju simulirane strujne odgovore koristeći FDTC metodu i predloženu strategiju upravljanja. Koristeći predloženu tehniku upravljanja , amplituda struje je minimizirana, što znači manje gubitke bakra, čime se povećava efikasnost sistema. Stoga, velike startne struje mogu dovesti do smanjenih performansi mašine. Slika 8j prikazuje evoluciju odziva fluksa kako bi se izabralaoptimalan fluks kako bi se osiguralo da su gubici minimizirani, stoga predložena tehnika ilustruje njene performanse. Za razliku od slike 8i, fluks je konstantan, što ne predstavlja optimalan rad. Slike 8k i 8l prikazuju evoluciju putanje fluksa statora. 8l ilustruje optimalni razvoj toka i objašnjava glavnu ideju predložene strategije upravljanja.
Iznenadna promjena usolarnoprimijenjeno je zračenje, počevši od zračenja od 1000 W/m2 i naglo opadajući na 500 W/m2 nakon 1,5 s (slika 9a). Slika 9b prikazuje fotonaponsku snagu ekstrahovanu iz fotonaponskih panela, koja odgovara 1000 W/m2 i 500 W/m2.Slike 9c i 9d ilustruju radni ciklus i napon istosmjerne veze, respektivno. Kao što se može vidjeti sa slike 9e, predložena metoda daje bolje vrijeme odziva. Slika 9f prikazuje pumpanje vode dobijeno za dvije strategije upravljanja. sa FDTCO je bio veći nego sa FDTC, pumpanje 0,01 m3/s pri 1000 W/m2 ozračenosti u poređenju sa 0,009 m3/s sa FDTC;nadalje, kada je ozračenost iznosila 500 W At/m2, FDTCO je pumpao 0,0079 m3/s, dok je FDTC pumpao 0,0077 m3/s. Slike 9g i 9h. Opisuju trenutni odgovor simuliran korištenjem FDTC metode i predloženu strategiju upravljanja. Možemo primijetiti da predložena strategija upravljanja pokazuje da se amplituda struje smanjuje pod naglim promjenama zračenja, što rezultira smanjenim gubicima bakra. Slika 9j prikazuje evoluciju odziva fluksa kako bi se izabrao optimalni fluks kako bi se osiguralo da su gubici minimizirani, stoga je predložena tehnika ilustruje njegove performanse sa fluksom od 1Wb i zračenjem od 1000 W/m2, dok je fluks 0,83Wb i ozračenost 500 W/m2. Za razliku od slike 9i, fluks je konstantan na 1,2 Wb, što nije predstavljaju optimalnu funkciju. Slike 9k i 9l prikazuju evoluciju putanje statorskog fluksa. Slika 9l ilustruje razvoj optimalnog fluksa i objašnjava glavnu ideju predložene strategije upravljanja i poboljšanja predloženog pumpnog sistema.
(a)Solarnozračenje (b) Izvučena snaga (c) Radni ciklus (d) DC napon sabirnice (e) Brzina rotora (f) Protok vode (g) Fazna struja statora za FDTC (h) Fazna struja statora za FDTCO (i) ) Odziv fluksa koristeći FLC (j) Odziv fluksa pomoću FDTCO (k) Putanja statorskog fluksa koristeći FDTC (l) Putanja fluksa statora koristeći FDTCO.
Komparativna analiza dvije tehnologije u smislu vrijednosti fluksa, amplitude struje i crpljenja prikazana je u Tabeli 5, koja pokazuje da PVWPS baziran na predloženoj tehnologiji pruža visoke performanse uz povećan protok pumpanja i minimizirane amplitudne struje i gubitke, što je posljedica do optimalnog odabira fluksa.
Za verifikaciju i testiranje predložene strategije upravljanja, PIL test se izvodi na osnovu ploče STM32F4. Uključuje generisanje koda koji će biti učitan i pokrenut na ugrađenoj ploči. Ploča sadrži 32-bitni mikrokontroler sa 1 MB Flash, 168 MHz frekvencija takta, jedinica s pomičnim zarezom, DSP instrukcije, 192 KB SRAM. Tokom ovog testa, razvijeni PIL blok je kreiran u kontrolnom sistemu koji sadrži generirani kod baziran na hardverskoj ploči STM32F4 i uveden u softver Simulink. Koraci koji omogućavaju PIL testovi koji se konfigurišu pomoću STM32F4 ploče prikazani su na slici 10.
Kosimulaciono PIL testiranje pomoću STM32F4 može se koristiti kao jeftina tehnika za verifikaciju predložene tehnike. U ovom radu, optimizovani modul koji obezbeđuje najbolji referentni fluks implementiran je u STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Potonji se izvršava istovremeno sa Simulinkom i razmjenjuje informacije tokom kosimulacije koristeći predloženu PVWPS metodu. Slika 12 ilustruje implementaciju podsistema optimizacijske tehnologije u STM32F4.
U ovoj kosimulaciji prikazana je samo predložena tehnika optimalnog referentnog fluksa, jer je to glavna kontrolna varijabla za ovaj rad koja demonstrira kontrolno ponašanje fotonaponskog sistema za pumpanje vode.
Vrijeme objave: Apr-15-2022
