De siste årene har forbedringer i effektiviteten til fotovoltaiske vannpumpesystemer (PVWPS) vakt stor interesse blant forskere, ettersom driften deres er basert på ren elektrisk energiproduksjon. I denne artikkelen er en ny fuzzy logic-kontrollerbasert tilnærming utviklet for PVWPS applikasjoner som inkorporerer tapsminimeringsteknikker brukt på induksjonsmotorer (IM). Den foreslåtte kontrollen velger den optimale fluksstørrelsen ved å minimere IM-tapene.I tillegg introduseres også observasjonsmetoden med variabelt trinn perturbasjon. Egnetheten til den foreslåtte kontrollen anerkjennes av redusere synkestrømmen;derfor minimeres motortapene og effektiviteten forbedres. Den foreslåtte kontrollstrategien sammenlignes med metoder uten tapsminimering. Sammenligningsresultatene illustrerer effektiviteten til den foreslåtte metoden, som er basert på minimering av tap i elektrisk hastighet, absorbert strøm, flytende vann, og utvikling av fluks.En prosessor-in-the-loop (PIL)-test utføres som en eksperimentell test av den foreslåtte metoden.Den inkluderer implementering av den genererte C-koden på STM32F4-oppdagelseskortet.Resultatene oppnådd fra den innebygde bord er lik de numeriske simuleringsresultatene.
Spesielt fornybar energisolenergisolcelleteknologi, kan være et renere alternativ til fossilt brensel i vannpumpesystemer1,2. Fotovoltaiske pumpesystemer har fått betydelig oppmerksomhet i avsidesliggende områder uten strøm3,4.
Ulike motorer brukes i PV-pumpeapplikasjoner. Det primære stadiet av PVWPS er basert på likestrømsmotorer. Disse motorene er enkle å kontrollere og implementere, men de krever regelmessig vedlikehold på grunn av tilstedeværelsen av annotatorer og børster5. For å overvinne denne mangelen, børsteløs permanentmagnetmotorer ble introdusert, som er preget av børsteløs, høy effektivitet og pålitelighet6. Sammenlignet med andre motorer har IM-baserte PVWPS bedre ytelse fordi denne motoren er pålitelig, rimelig, vedlikeholdsfri og gir flere muligheter for kontrollstrategier7 .Indirect Field Oriented Control (IFOC)-teknikker og Direct Torque Control-metoder (DTC) er ofte brukt8.
IFOC ble utviklet av Blaschke og Hasse og gjør det mulig å endre IM-hastigheten over et bredt område 9,10. Statorstrømmen er delt i to deler, den ene genererer den magnetiske fluksen og den andre genererer dreiemomentet ved å konvertere til dq-koordinatsystemet. Dette tillater uavhengig kontroll av fluks og dreiemoment under stabil tilstand og dynamiske forhold.Akse (d) er på linje med rotorfluksromvektoren, som innebærer at q-aksekomponenten til rotorfluksromvektoren alltid er null.FOC gir en god og raskere respons11 ,12, men denne metoden er kompleks og gjenstand for parametervariasjoner13.For å overvinne disse manglene introduserte Takashi og Noguchi14 DTC, som har høy dynamisk ytelse og er robust og mindre følsom for parameterendringer.I DTC er det elektromagnetiske dreiemomentet og statorfluksen kontrolleres ved å trekke statorfluksen og dreiemomentet fra de tilsvarende estimatene. Resultatet mates inn i en hysteresekomparator for å generere den passende spenningsvektoren for å kontrollerebåde statorfluks og dreiemoment.
Den største ulempen med denne kontrollstrategien er de store dreiemoment- og fluktuasjonene på grunn av bruk av hystereseregulatorer for statorfluks og elektromagnetisk dreiemomentregulering15,42.Flernivåomformere brukes for å minimere rippel, men effektiviteten reduseres med antall strømbrytere16. Flere forfattere har brukt romvektormodulasjon (SWM)17, glidemoduskontroll (SMC)18, som er kraftige teknikker, men lider av uønskede rystende effekter19. Mange forskere har brukt kunstig intelligens-teknikker for å forbedre kontrollereytelsen, blant annet (1) nevrale effekter. nettverk, en kontrollstrategi som krever høyhastighetsprosessorer for å implementere20, og (2) genetiske algoritmer21.
Fuzzy-kontroll er robust, egnet for ikke-lineære kontrollstrategier, og krever ikke kunnskap om den eksakte modellen. Den inkluderer bruk av fuzzy logikkblokker i stedet for hysteretiske kontrollere og brytervalgtabeller for å redusere fluks og dreiemomentrippel. Det er verdt å påpeke at FLC-baserte DTC-er gir bedre ytelse22, men ikke nok til å maksimere effektiviteten til motoren, så kontrollsløyfeoptimaliseringsteknikker er påkrevd.
I de fleste tidligere studier har forfatterne valgt konstant fluks som referansefluks, men dette referansevalget representerer ikke optimal praksis.
Høyytelses, høyeffektive motordrifter krever rask og nøyaktig hastighetsrespons. På den annen side, for noen operasjoner, kan det hende at kontrollen ikke er optimal, så effektiviteten til drivsystemet kan ikke optimaliseres. Bedre ytelse kan oppnås ved å bruke en variabel fluksreferanse under systemdrift.
Mange forfattere har foreslått en søkekontroller (SC) som minimerer tap under forskjellige belastningsforhold (som f.eks. in27) for å forbedre effektiviteten til motoren. Teknikken består i å måle og minimere inngangseffekten ved hjelp av iterativ d-aksestrømreferanse eller statorfluks referanse. Denne metoden introduserer imidlertid dreiemomentrippel på grunn av svingninger tilstede i luftgap-fluksen, og implementeringen av denne metoden er tidkrevende og beregningsmessig ressurskrevende. Partikkelsvermoptimalisering brukes også for å forbedre effektiviteten28, men denne teknikken kan blir sittende fast i lokale minima, noe som fører til dårlig valg av kontrollparametere29.
I denne artikkelen foreslås en teknikk relatert til FDTC for å velge den optimale magnetiske fluksen ved å redusere motortapene. Denne kombinasjonen sikrer muligheten til å bruke det optimale fluksnivået ved hvert driftspunkt, og øker dermed effektiviteten til det foreslåtte fotovoltaiske vannpumpesystemet. Derfor ser det ut til å være veldig praktisk for fotovoltaiske vannpumpingsapplikasjoner.
Videre utføres en prosessor-i-løkken-test av den foreslåtte metoden ved å bruke STM32F4-kortet som en eksperimentell validering. Hovedfordelene med denne kjernen er enkel implementering, lave kostnader og ingen behov for å utvikle komplekse programmer 30 .I tillegg FT232RL USB-UART-konverteringskortet er assosiert med STM32F4, som garanterer et eksternt kommunikasjonsgrensesnitt for å etablere en virtuell seriell port (COM-port) på datamaskinen. Denne metoden gjør det mulig å overføre data med høye overføringshastigheter.
Ytelsen til PVWPS ved bruk av den foreslåtte teknikken sammenlignes med PV-systemer uten tapsminimering under forskjellige driftsforhold. De oppnådde resultatene viser at det foreslåtte fotovoltaiske vannpumpesystemet er bedre til å minimere statorstrøm og kobbertap, optimalisere fluks og pumpe vann.
Resten av artikkelen er strukturert som følger: Modelleringen av det foreslåtte systemet er gitt i avsnittet "Modellering av fotovoltaiske systemer". I avsnittet "Kontrollstrategi for det studerte systemet", FDTC, er den foreslåtte kontrollstrategien og MPPT-teknikken. beskrevet i detalj. Funnene er diskutert i delen "Simuleringsresultater". I delen "PIL-testing med STM32F4-oppdagelseskortet" er prosessor-i-løkken-testing beskrevet. Konklusjonene i denne artikkelen presenteres i " Konklusjoner»-delen.
Figur 1 viser den foreslåtte systemkonfigurasjonen for et frittstående PV-vannpumpesystem. Systemet består av en IM-basert sentrifugalpumpe, et solcelleanlegg, to strømomformere [boost-omformer og spenningskildeomformer (VSI)]. I denne delen , presenteres modelleringen av det studerte fotovoltaiske vannpumpesystemet.
Denne artikkelen tar i bruk enkeltdiodemodellensolenergisolcelleceller. Egenskapene til PV-cellen er merket med 31, 32 og 33.
For å utføre tilpasningen brukes en boost-omformer. Forholdet mellom inngangs- og utgangsspenningene til DC-DC-omformeren er gitt av ligning 34 nedenfor:
Den matematiske modellen av IM kan beskrives i referanserammen (α,β) med følgende ligninger 5,40:
Hvor \(l_{s }\),\(l_{r}\): stator- og rotorinduktans, M: gjensidig induktans, \(R_{s }\), \(I_{s }\): statormotstand og statorstrøm, \(R_{r}\), \(I_{r}\): rotormotstand og rotorstrøm, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): statorfluks og stator spenning , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rotorfluks og rotorspenning.
Sentrifugalpumpens belastningsmoment proporsjonalt med kvadratet på IM-hastigheten kan bestemmes av:
Styringen av det foreslåtte vannpumpesystemet er delt inn i tre distinkte underseksjoner. Den første delen omhandler MPPT-teknologi. Den andre delen omhandler kjøring av IM basert på fuzzy logic-kontrollerens direkte dreiemomentkontroll. Videre beskriver del III en teknikk knyttet til FLC-basert DTC som tillater bestemmelse av referanseflukser.
I dette arbeidet brukes en P&O-teknikk med variabelt trinn for å spore det maksimale kraftpunktet. Den er preget av rask sporing og lav oscillasjon (Figur 2)37,38,39.
Hovedideen til DTC er å direkte kontrollere fluksen og dreiemomentet til maskinen, men bruken av hystereseregulatorer for elektromagnetisk dreiemoment og statorfluksregulering resulterer i høyt dreiemoment og fluksrippel. Derfor introduseres en uskarphetteknikk for å forbedre DTC-metoden (fig. 7), og FLC kan utvikle tilstrekkelige invertervektortilstander.
I dette trinnet transformeres inndataene til uklare variabler gjennom medlemsfunksjoner (MF) og språklige termer.
De tre medlemskapsfunksjonene for den første inngangen (εφ) er negativ (N), positiv (P) og null (Z), som vist i figur 3.
De fem medlemskapsfunksjonene for den andre inngangen (\(\varepsilon\)Tem) er Negativ Stor (NL) Negativ Liten (NS) Null (Z) Positiv Liten (PS) og Positiv Stor (PL), som vist i figur 4.
Statorfluksbanen består av 12 sektorer, der det uklare settet er representert av en likebenet trekantet medlemsfunksjon, som vist i figur 5.
Tabell 1 grupperer 180 uklare regler som bruker inngangsmedlemskapsfunksjonene til å velge passende brytertilstander.
Inferensmetoden utføres ved hjelp av Mamdanis teknikk. Vektfaktoren (\(\alpha_{i}\)) til den i-te regelen er gitt av:
hvor\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Medlemskapsverdi for magnetisk fluks, dreiemoment og statorfluksvinkelfeil.
Figur 6 illustrerer de skarpe verdiene oppnådd fra de uklare verdiene ved bruk av maksimumsmetoden foreslått av lign.(20).
Ved å øke motoreffektiviteten kan strømningshastigheten økes, noe som igjen øker den daglige vannpumpingen (Figur 7). Hensikten med følgende teknikk er å assosiere en tapsminimeringsbasert strategi med en direkte dreiemomentkontrollmetode.
Det er velkjent at verdien av den magnetiske fluksen er viktig for effektiviteten til motoren. Høye fluksverdier fører til økte jerntap samt magnetisk metning av kretsen. Omvendt gir lave fluksnivåer høye Joule-tap.
Derfor er reduksjonen av tap i IM direkte relatert til valg av fluksnivå.
Den foreslåtte metoden er basert på modellering av Joule-tapene knyttet til strømmen som flyter gjennom statorviklingene i maskinen. Den består i å justere verdien av rotorfluksen til en optimal verdi, og dermed minimere motortap for å øke effektiviteten. Joule-tap kan uttrykkes som følger (ignorerer kjernetap):
Det elektromagnetiske dreiemomentet\(C_{em}\) og rotorfluksen\(\phi_{r}\) beregnes i dq-koordinatsystemet som:
Det elektromagnetiske dreiemomentet\(C_{em}\) og rotorfluksen\(\phi_{r}\) beregnes i referanse (d,q) som:
ved å løse ligningen.(30), kan vi finne den optimale statorstrømmen som sikrer optimal rotorfluks og minimale tap:
Ulike simuleringer ble utført ved bruk av MATLAB/Simulink-programvare for å evaluere robustheten og ytelsen til den foreslåtte teknikken. Det undersøkte systemet består av åtte 230 W CSUN 235-60P paneler (tabell 2) koblet i serie. Sentrifugalpumpen er drevet av IM, og dens karakteristiske parametere er vist i tabell 3. Komponentene til PV-pumpesystemet er vist i tabell 4.
I denne delen sammenlignes et fotovoltaisk vannpumpesystem som bruker FDTC med konstant fluksreferanse med et foreslått system basert på optimal fluks (FDTCO) under de samme driftsforholdene. Ytelsen til begge fotovoltaiske systemene ble testet ved å vurdere følgende scenarier:
Denne delen presenterer den foreslåtte oppstartstilstanden til pumpesystemet basert på en isolasjonshastighet på 1000 W/m2. Figur 8e illustrerer den elektriske hastighetsresponsen. Sammenlignet med FDTC gir den foreslåtte teknikken en bedre stigetid, og når stabil tilstand ved 1,04 s, og med FDTC, når steady state ved 1,93 s. Figur 8f viser pumpingen av de to kontrollstrategiene. Det kan sees at FDTCO øker pumpemengden, noe som forklarer forbedringen i energien konvertert av IM.Figurene 8g og 8h representerer den tegnede statorstrømmen. Oppstartsstrømmen ved bruk av FDTC er 20 A, mens den foreslåtte kontrollstrategien foreslår en oppstartsstrøm på 10 A, som reduserer Joule-tap. Figurene 8i og 8j viser den utviklede statorfluksen. Den FDTC-baserte PVPWS opererer med en konstant referansefluks på 1,2 Wb, mens i den foreslåtte metoden er referansefluksen 1 A, som er involvert i å forbedre effektiviteten til solcelleanlegget.
(en)Solarstråling (b) Strømuttak (c) Driftssyklus (d) DC-bussspenning (e) Rotorhastighet (f) Pumpevann (g) Statorfasestrøm for FDTC (h) Statorfasestrøm for FDTCO (i) Fluksrespons ved bruk av FLC (j) Fluksrespons ved bruk av FDTCO (k) Statorfluksbane ved bruk av FDTC (l) Statorfluksbane ved bruk av FDTCO.
Desolenergistråling varierte fra 1000 til 700 W/m2 ved 3 sekunder og deretter til 500 W/m2 ved 6 sekunder (fig. 8a). Figur 8b viser tilsvarende solcelleeffekt for 1000 W/m2, 700 W/m2 og 500 W/m2 .Figur 8c og 8d illustrerer henholdsvis driftssyklus og DC-linkspenning.Figur 8e illustrerer den elektriske hastigheten til IM, og vi kan legge merke til at den foreslåtte teknikken har bedre hastighet og responstid sammenlignet med det FDTC-baserte solcellesystemet.Figur 8f viser vannpumpingen for forskjellige irradiansnivåer oppnådd ved bruk av FDTC og FDTCO. Mer pumping kan oppnås med FDTCO enn med FDTC. Figurene 8g og 8h illustrerer de simulerte strømresponsene ved bruk av FDTC-metoden og den foreslåtte kontrollstrategien. Ved å bruke den foreslåtte kontrollteknikken , er strømamplituden minimert, noe som betyr mindre kobbertap, og øker dermed systemeffektiviteten. Derfor kan høye oppstartsstrømmer føre til redusert maskinytelse.Figur 8j viser utviklingen av fluksresponsen for å velgeoptimal fluks for å sikre at tap minimeres, derfor illustrerer den foreslåtte teknikken ytelsen. I motsetning til figur 8i er fluksen konstant, noe som ikke representerer optimal drift. Figurene 8k og 8l viser utviklingen av statorfluksbanen.Figur 8l illustrerer den optimale fluksutviklingen og forklarer hovedideen til den foreslåtte kontrollstrategien.
En plutselig endring isolenergistråling ble påført, startet med en irradians på 1000 W/m2 og avtok brått til 500 W/m2 etter 1,5 s (fig. 9a). Figur 9b viser solcelleeffekten hentet fra solcellepanelene, tilsvarende 1000 W/m2 og 500 W/m2. Figurene 9c og 9d illustrerer henholdsvis driftssyklusen og DC-linkspenningen. Som det fremgår av figur 9e gir den foreslåtte metoden bedre responstid. Figur 9f viser vannpumpingen oppnådd for de to kontrollstrategiene. Pumping med FDTCO var høyere enn med FDTC, pumping 0,01 m3/s ved 1000 W/m2 irradians sammenlignet med 0,009 m3/s med FDTC;videre, når irradiansen var 500 W At /m2, pumpet FDTCO 0,0079 m3/s, mens FDTC pumpet 0,0077 m3/s.Figur 9g og 9h.Beskriver gjeldende respons simulert ved hjelp av FDTC-metoden og den foreslåtte kontrollstrategien.Vi kan merke at den foreslåtte kontrollstrategien viser at strømamplituden reduseres under brå bestrålingsendringer, noe som resulterer i reduserte kobbertap. Figur 9j viser utviklingen av fluksresponsen for å velge den optimale fluksen for å sikre at tapene minimeres, derfor er den foreslåtte teknikken illustrerer ytelsen med en fluks på 1Wb og en irradians på 1000 W/m2, mens fluksen er 0,83Wb og irradiansen er 500 W/m2. I motsetning til fig. 9i er fluksen konstant på 1,2 Wb, noe som ikke gjør det representerer optimal funksjon. Figurene 9k og 9l viser utviklingen av statorfluksbanen. Figur 9l illustrerer den optimale fluksutviklingen og forklarer hovedideen til den foreslåtte kontrollstrategien og forbedringen av det foreslåtte pumpesystemet.
(en)Solarstråling (b) Utvunnet effekt (c) Driftssyklus (d) DC-busspenning (e) Rotorhastighet (f) Vannstrøm (g) Statorfasestrøm for FDTC (h) Statorfasestrøm for FDTCO (i) ) Fluksrespons vha. FLC (j) Fluksrespons ved bruk av FDTCO (k) Statorfluksbane ved bruk av FDTC (l) Statorfluksbane ved bruk av FDTCO.
En komparativ analyse av de to teknologiene når det gjelder fluksverdi, strømamplitude og pumping er vist i tabell 5, som viser at PVWPS basert på den foreslåtte teknologien gir høy ytelse med økt pumpestrøm og minimert amplitudestrøm og tap, som skyldes til optimalt fluksvalg.
For å verifisere og teste den foreslåtte kontrollstrategien, utføres en PIL-test basert på STM32F4-kortet. Den inkluderer genereringskode som skal lastes og kjøres på det innebygde kortet. Brettet inneholder en 32-bits mikrokontroller med 1 MB Flash, 168 MHz klokkefrekvens, flyttallsenhet, DSP-instruksjoner, 192 KB SRAM. Under denne testen ble det opprettet en utviklet PIL-blokk i kontrollsystemet som inneholder den genererte koden basert på STM32F4-oppdagelsesmaskinvarekortet og introdusert i Simulink-programvaren. Trinnene for å tillate PIL-tester som skal konfigureres med STM32F4-kortet er vist i figur 10.
Co-simulering PIL-testing ved bruk av STM32F4 kan brukes som en rimelig teknikk for å verifisere den foreslåtte teknikken. I denne artikkelen er den optimaliserte modulen som gir den beste referansefluksen implementert i STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Sistnevnte utføres samtidig med Simulink og utveksler informasjon under samsimulering ved bruk av den foreslåtte PVWPS-metoden. Figur 12 illustrerer implementeringen av optimaliseringsteknologi-undersystemet i STM32F4.
Bare den foreslåtte optimale referansefluksteknikken er vist i denne samsimuleringen, siden den er hovedkontrollvariabelen for dette arbeidet som demonstrerer kontrolloppførselen til et fotovoltaisk vannpumpesystem.
Innleggstid: 15. april 2022
