In de afgelopen jaren hebben verbeteringen in de efficiëntie van fotovoltaïsche waterpompsystemen (PVWPS) grote belangstelling gewekt bij onderzoekers, aangezien hun werking is gebaseerd op de productie van schone elektrische energie. In dit artikel wordt een nieuwe, op fuzzy logic controller gebaseerde benadering ontwikkeld voor PVWPS toepassingen die verliesminimalisatietechnieken omvatten die worden toegepast op inductiemotoren (IM). De voorgestelde regeling selecteert de optimale fluxgrootte door IM-verliezen te minimaliseren. Daarnaast wordt ook de variabele-stap-perturbatie-observatiemethode geïntroduceerd. De geschiktheid van de voorgestelde regeling wordt erkend door het verminderen van de zinkstroom;daarom worden motorverliezen geminimaliseerd en wordt de efficiëntie verbeterd. De voorgestelde regelstrategie wordt vergeleken met methoden zonder verliesminimalisatie. De vergelijkingsresultaten illustreren de effectiviteit van de voorgestelde methode, die is gebaseerd op het minimaliseren van verliezen in elektrische snelheid, geabsorbeerde stroom, stromen water en het ontwikkelen van flux. Een processor-in-the-loop (PIL) -test wordt uitgevoerd als een experimentele test van de voorgestelde methode. Het omvat de implementatie van de gegenereerde C-code op het STM32F4-ontdekkingsbord. De resultaten verkregen uit de ingebedde board zijn vergelijkbaar met de numerieke simulatieresultaten.
Hernieuwbare energie, in het bijzonderzonne-fotovoltaïsche technologie kan een schoner alternatief zijn voor fossiele brandstoffen in waterpompsystemen1,2.Fotovoltaïsche pompsystemen hebben veel aandacht gekregen in afgelegen gebieden zonder elektriciteit3,4.
Verschillende motoren worden gebruikt in PV-pomptoepassingen. De primaire fase van PVWPS is gebaseerd op gelijkstroommotoren. Deze motoren zijn eenvoudig te bedienen en te implementeren, maar ze vereisen regelmatig onderhoud vanwege de aanwezigheid van annotators en borstels 5. Om deze tekortkoming te verhelpen, er werden permanentmagneetmotoren geïntroduceerd, die worden gekenmerkt door borstelloos, hoog rendement en betrouwbaarheid6.Vergeleken met andere motoren heeft IM-gebaseerde PVWPS betere prestaties omdat deze motor betrouwbaar, goedkoop, onderhoudsvrij is en meer mogelijkheden biedt voor besturingsstrategieën7 .Indirect Field Oriented Control (IFOC)-technieken en Direct Torque Control (DTC)-methoden worden vaak gebruikt8.
IFOC is ontwikkeld door Blaschke en Hasse en maakt het mogelijk om de IM-snelheid over een breed bereik te wijzigen9,10. De statorstroom is verdeeld in twee delen, de ene genereert de magnetische flux en de andere genereert het koppel door deze om te zetten in het dq-coördinatensysteem. onafhankelijke regeling van flux en koppel onder stabiele en dynamische omstandigheden. As (d) is uitgelijnd met de rotorfluxruimtevector, waarbij de q-ascomponent van de rotorfluxruimtevector altijd nul is.FOC zorgt voor een goede en snellere respons11 ,12, deze methode is echter complex en onderhevig aan parametervariaties13. Om deze tekortkomingen te verhelpen, hebben Takashi en Noguchi14 DTC geïntroduceerd, die hoge dynamische prestaties heeft en robuust is en minder gevoelig voor parameterveranderingen. In DTC worden het elektromagnetische koppel en de statorflux worden geregeld door de statorflux en het koppel af te trekken van de overeenkomstige schattingen. Het resultaat wordt ingevoerd in een hysteresiscomparator om de juiste spanningsvector te genereren om te regelenzowel statorflux als koppel.
Het grootste nadeel van deze regelstrategie zijn de grote koppel- en fluxfluctuaties als gevolg van het gebruik van hysteresisregelaars voor statorflux en elektromagnetische koppelregeling15,42. Omzetters met meerdere niveaus worden gebruikt om de rimpel te minimaliseren, maar de efficiëntie wordt verminderd door het aantal stroomschakelaars16. Verschillende auteurs hebben ruimtevectormodulatie (SWM)17, glijdende modusbesturing (SMC)18 gebruikt, wat krachtige technieken zijn maar last hebben van ongewenste jittereffecten19. Veel onderzoekers hebben kunstmatige-intelligentietechnieken gebruikt om de prestaties van de controller te verbeteren, waaronder (1) neurale netwerken, een controlestrategie die snelle processors vereist om te implementeren20, en (2) genetische algoritmen21.
Fuzzy-regeling is robuust, geschikt voor niet-lineaire regelstrategieën en vereist geen kennis van het exacte model. Het omvat het gebruik van fuzzy logic-blokken in plaats van hysteretische controllers en schakelaarselectietabellen om flux en koppelrimpel te verminderen. Het is de moeite waard om erop te wijzen dat Op FLC gebaseerde DTC's bieden betere prestaties22, maar niet genoeg om de efficiëntie van de motor te maximaliseren, dus technieken voor optimalisatie van de regelkring zijn vereist.
In de meeste eerdere studies kozen de auteurs constante flux als referentieflux, maar deze referentiekeuze vertegenwoordigt geen optimale praktijk.
Krachtige, zeer efficiënte motoraandrijvingen vereisen een snelle en nauwkeurige snelheidsrespons. Aan de andere kant kan voor sommige bewerkingen de besturing niet optimaal zijn, zodat de efficiëntie van het aandrijfsysteem niet kan worden geoptimaliseerd. Betere prestaties kunnen worden verkregen door gebruik te maken van een variabele fluxreferentie tijdens systeemwerking.
Veel auteurs hebben een zoekcontroller (SC) voorgesteld die verliezen onder verschillende belastingsomstandigheden (zoals in27) minimaliseert om de efficiëntie van de motor te verbeteren. De techniek bestaat uit het meten en minimaliseren van het ingangsvermogen door iteratieve stroomreferentie op de d-as of statorflux referentie. Deze methode introduceert echter een koppelrimpel als gevolg van oscillaties die aanwezig zijn in de luchtspleetflux, en de implementatie van deze methode is tijdrovend en rekenintensief veel middelen. Deeltjeszwermoptimalisatie wordt ook gebruikt om de efficiëntie te verbeteren28, maar deze techniek vast komen te zitten in lokale minima, wat leidt tot een slechte selectie van controleparameters29.
In dit artikel wordt een aan FDTC gerelateerde techniek voorgesteld om de optimale magnetische flux te selecteren door motorverliezen te verminderen. Deze combinatie zorgt ervoor dat het optimale fluxniveau op elk bedrijfspunt kan worden gebruikt, waardoor de efficiëntie van het voorgestelde fotovoltaïsche waterpompsysteem wordt verhoogd. Daarom lijkt het erg handig te zijn voor fotovoltaïsche waterpomptoepassingen.
Verder wordt een processor-in-the-loop-test van de voorgestelde methode uitgevoerd met behulp van het STM32F4-bord als experimentele validatie. De belangrijkste voordelen van deze kern zijn eenvoud van implementatie, lage kosten en het niet nodig hebben van complexe programma's 30 . FT232RL USB-UART-conversiekaart is gekoppeld aan de STM32F4, die een externe communicatie-interface garandeert om een virtuele seriële poort (COM-poort) op de computer tot stand te brengen. Met deze methode kunnen gegevens worden verzonden met hoge baudsnelheden.
De prestaties van PVWPS met behulp van de voorgestelde techniek worden vergeleken met PV-systemen zonder verliesminimalisatie onder verschillende bedrijfsomstandigheden. De verkregen resultaten tonen aan dat het voorgestelde fotovoltaïsche waterpompsysteem beter is in het minimaliseren van statorstroom- en koperverliezen, het optimaliseren van de flux en het verpompen van water.
De rest van het document is als volgt gestructureerd: De modellering van het voorgestelde systeem wordt gegeven in de sectie "Modeling van fotovoltaïsche systemen". In de sectie "Besturingsstrategie van het bestudeerde systeem", worden FDTC, de voorgestelde regelstrategie en MPPT-techniek in detail beschreven. De bevindingen worden besproken in het gedeelte "Simulatieresultaten". In het gedeelte "PIL-testen met het STM32F4-ontdekkingsbord" worden processor-in-the-loop-testen beschreven. Conclusies” sectie.
Afbeelding 1 toont de voorgestelde systeemconfiguratie voor een stand-alone PV-waterpompsysteem. Het systeem bestaat uit een IM-gebaseerde centrifugaalpomp, een fotovoltaïsche array, twee stroomomvormers [boostconverter en spanningsbronomvormer (VSI)]. In deze sectie , wordt de modellering van het bestudeerde fotovoltaïsche waterpompsysteem gepresenteerd.
Dit document neemt het model met één diode over van:zonne-fotovoltaïsche cellen. De kenmerken van de PV-cel worden aangegeven met 31, 32 en 33.
Om de aanpassing uit te voeren, wordt een boost-converter gebruikt. De relatie tussen de ingangs- en uitgangsspanningen van de DC-DC-converter wordt gegeven door vergelijking 34 hieronder:
Het wiskundige model van IM kan worden beschreven in het referentiekader (α,β) door de volgende vergelijkingen 5,40:
Waar \(l_{s }\),\(l_{r}\): stator- en rotorinductantie, M: wederzijdse inductantie, \(R_{s }\), \(I_{s }\): statorweerstand en stator Stroom, \(R_{r}\), \(I_{r }\): rotorweerstand en rotorstroom, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): statorflux en stator spanning , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rotorflux en rotorspanning.
Het belastingskoppel van de centrifugaalpomp evenredig met het kwadraat van het IM-toerental kan worden bepaald door:
De besturing van het voorgestelde waterpompsysteem is onderverdeeld in drie afzonderlijke subsecties. Het eerste deel gaat over MPPT-technologie. Het tweede deel gaat over het aansturen van de IM op basis van de directe koppelregeling van de fuzzy logic-controller. Verder beschrijft sectie III een techniek die verband houdt met Op FLC gebaseerde DTC waarmee referentiefluxen kunnen worden bepaald.
In dit werk wordt een P&O-techniek met variabele stappen gebruikt om het maximale vermogenspunt te volgen. Het wordt gekenmerkt door snelle tracking en lage oscillatie (Figuur 2)37,38,39.
Het belangrijkste idee van DTC is om de flux en het koppel van de machine direct te regelen, maar het gebruik van hysteresisregelaars voor elektromagnetische koppel- en statorfluxregeling resulteert in een hoog koppel en fluxrimpel. Daarom wordt een vervagingstechniek geïntroduceerd om de DTC-methode (Fig. 7), en de FLC kan voldoende invertervectorstatussen ontwikkelen.
In deze stap wordt de invoer omgezet in vage variabelen via lidmaatschapsfuncties (MF) en taalkundige termen.
De drie lidmaatschapsfuncties voor de eerste invoer (εφ) zijn negatief (N), positief (P) en nul (Z), zoals weergegeven in figuur 3.
De vijf lidmaatschapsfuncties voor de tweede invoer (\(\varepsilon\)Tem) zijn Negatief Groot (NL) Negatief Klein (NS) Nul (Z) Positief Klein (PS) en Positief Groot (PL), zoals weergegeven in figuur 4.
Het statorfluxtraject bestaat uit 12 sectoren, waarin de vage verzameling wordt weergegeven door een gelijkbenige driehoekige lidmaatschapsfunctie, zoals weergegeven in figuur 5.
Tabel 1 groepeert 180 fuzzy-regels die de invoerlidmaatschapsfuncties gebruiken om de juiste schakelstatussen te selecteren.
De inferentiemethode wordt uitgevoerd met behulp van Mamdani's techniek. De gewichtsfactor (\(\alpha_{i}\)) van de i-de regel wordt gegeven door:
waar\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Lidmaatschapswaarde van magnetische flux, koppel en statorfluxhoekfout.
Figuur 6 illustreert de scherpe waarden die zijn verkregen uit de vage waarden met behulp van de maximale methode voorgesteld door vergelijking (20).
Door het motorrendement te verhogen, kan het debiet worden verhoogd, wat op zijn beurt het dagelijkse waterpompen verhoogt (Figuur 7). Het doel van de volgende techniek is om een op verliesminimalisatie gebaseerde strategie te associëren met een directe koppelregelingsmethode.
Het is bekend dat de waarde van de magnetische flux belangrijk is voor de efficiëntie van de motor. Hoge fluxwaarden leiden tot verhoogde ijzerverliezen en tot magnetische verzadiging van het circuit. Omgekeerd resulteren lage fluxniveaus in hoge Joule-verliezen.
Daarom is de vermindering van verliezen in IM direct gerelateerd aan de keuze van het fluxniveau.
De voorgestelde methode is gebaseerd op de modellering van de Joule-verliezen die samenhangen met de stroom die door de statorwikkelingen in de machine vloeit. Het bestaat uit het aanpassen van de waarde van de rotorflux tot een optimale waarde, waardoor motorverliezen worden geminimaliseerd om de efficiëntie te verhogen. Joule-verliezen kan als volgt worden uitgedrukt (kernverliezen negeren):
Het elektromagnetische koppel\(C_{em}\) en rotorflux\(\phi_{r}\) worden berekend in het dq-coördinatensysteem als:
Het elektromagnetische koppel\(C_{em}\) en rotorflux\(\phi_{r}\) worden berekend in referentie (d,q) als:
door de vergelijking (30) op te lossen, kunnen we de optimale statorstroom vinden die zorgt voor een optimale rotorflux en minimale verliezen:
Er zijn verschillende simulaties uitgevoerd met behulp van MATLAB/Simulink-software om de robuustheid en prestaties van de voorgestelde techniek te evalueren. Het onderzochte systeem bestaat uit acht 230 W CSUN 235-60P-panelen (tabel 2) die in serie zijn geschakeld. De centrifugaalpomp wordt aangedreven door IM en de karakteristieke parameters worden weergegeven in tabel 3. De componenten van het PV-pompsysteem worden weergegeven in tabel 4.
In deze sectie wordt een fotovoltaïsch waterpompsysteem met FDTC met een constante fluxreferentie vergeleken met een voorgesteld systeem op basis van optimale flux (FDTCO) onder dezelfde bedrijfsomstandigheden. De prestaties van beide fotovoltaïsche systemen werden getest door rekening te houden met de volgende scenario's:
In dit gedeelte wordt de voorgestelde opstartstatus van het pompsysteem gepresenteerd op basis van een instralingssnelheid van 1000 W/m2. Afbeelding 8e illustreert de elektrische snelheidsrespons. In vergelijking met FDTC biedt de voorgestelde techniek een betere stijgtijd en bereikt een stabiele toestand op 1,04 s, en met FDTC, een stabiele toestand bereikend op 1,93 s. Afbeelding 8f toont het pompen van de twee regelstrategieën. Het is te zien dat de FDTCO de pomphoeveelheid verhoogt, wat de verbetering in de energie die door de IM wordt omgezet, verklaart. Figuren 8g en 8h vertegenwoordigen de getrokken statorstroom. De opstartstroom met behulp van de FDTC is 20 A, terwijl de voorgestelde regelstrategie een opstartstroom van 10 A suggereert, wat Joule-verliezen vermindert. Figuren 8i en 8j tonen de ontwikkelde statorflux. De op FDTC gebaseerde PVPWS werkt met een constante referentieflux van 1,2 Wb, terwijl in de voorgestelde methode de referentieflux 1 A is, wat betrokken is bij het verbeteren van de efficiëntie van het fotovoltaïsche systeem.
(a)Zonnestraling (b) Stroomafname (c) Inschakelduur (d) DC-busspanning (e) Rotorsnelheid (f) Pompend water (g) Statorfasestroom voor FDTC (h) Statorfasestroom voor FDTCO (i) Fluxrespons met FLC (j) Fluxrespons met behulp van FDTCO (k) Statorfluxtraject met behulp van FDTC (l) Statorfluxtraject met FDTCO.
Dezonne-straling varieerde van 1000 tot 700 W/m2 na 3 seconden en vervolgens tot 500 W/m2 na 6 seconden (Fig. 8a). Figuur 8b toont het overeenkomstige fotovoltaïsche vermogen voor 1000 W/m2, 700 W/m2 en 500 W/m2 Figuren 8c en 8d illustreren respectievelijk de duty cycle en DC-linkspanning. Figuur 8e illustreert de elektrische snelheid van IM, en we kunnen opmerken dat de voorgestelde techniek een betere snelheid en responstijd heeft in vergelijking met het op FDTC gebaseerde fotovoltaïsche systeem. toont het pompen van water voor verschillende bestralingsniveaus verkregen met FDTC en FDTCO. Met FDTCO kan meer worden gepompt dan met FDTC. Figuren 8g en 8h illustreren de gesimuleerde stroomreacties met behulp van de FDTC-methode en de voorgestelde regelstrategie. Door de voorgestelde regeltechniek te gebruiken , wordt de stroomamplitude geminimaliseerd, wat minder koperverliezen betekent, waardoor de systeemefficiëntie wordt verhoogd. Daarom kunnen hoge opstartstromen leiden tot verminderde machineprestaties. Afbeelding 8j toont de evolutie van de fluxrespons om deoptimale flux om ervoor te zorgen dat verliezen worden geminimaliseerd, daarom illustreert de voorgestelde techniek de prestaties ervan. In tegenstelling tot figuur 8i is de flux constant, wat geen optimale werking vertegenwoordigt. Figuren 8k en 8l tonen de evolutie van het statorfluxtraject. 8l illustreert de optimale fluxontwikkeling en legt het hoofdidee van de voorgestelde regelstrategie uit.
Een plotselinge verandering inzonne-straling werd toegepast, beginnend met een bestralingssterkte van 1000 W/m2 en abrupt afnemend tot 500 W/m2 na 1,5 s (Fig. 9a). W/m2. Figuren 9c en 9d illustreren respectievelijk de duty-cycle en de DC-tussenkringspanning. Zoals te zien is in figuur 9e, biedt de voorgestelde methode een betere responstijd. Figuur 9f toont het pompen van water verkregen voor de twee regelstrategieën. Pompen met FDTCO was hoger dan met FDTC, verpompen van 0,01 m3/s bij 1000 W/m2 instraling vergeleken met 0,009 m3/s met FDTC;bovendien, wanneer de bestraling 500 W was bij /m2, pompte FDTCO 0,0079 m3/s, terwijl FDTC 0,0077 m3/s pompte. Figuren 9g en 9h.Beschrijft de huidige respons gesimuleerd met behulp van de FDTC-methode en de voorgestelde regelstrategie. We kunnen opmerken dat de voorgestelde regelstrategie laat zien dat de stroomamplitude wordt verminderd bij abrupte veranderingen in de bestraling, wat resulteert in verminderde koperverliezen. Figuur 9j toont de evolutie van de fluxrespons om de optimale flux te kiezen om ervoor te zorgen dat verliezen worden geminimaliseerd, daarom is de voorgestelde techniek illustreert zijn prestaties met een flux van 1 Wb en een instraling van 1000 W/m2, terwijl de flux 0,83 Wb is en de instraling 500 W/m2 is. In tegenstelling tot Fig. 9i is de flux constant op 1,2 Wb, wat niet het geval is vertegenwoordigen een optimale functie. Figuren 9k en 9l tonen de evolutie van het statorfluxtraject. Figuur 9l illustreert de optimale fluxontwikkeling en verklaart het hoofdidee van de voorgestelde regelstrategie en de verbetering van het voorgestelde pompsysteem.
(a)Zonnestraling (b) Onttrokken vermogen (c) Inschakelduur (d) DC-busspanning (e) Rotorsnelheid (f) Waterstroom (g) Statorfasestroom voor FDTC (h) Statorfasestroom voor FDTCO (i) ) Fluxrespons met FLC (j) Fluxrespons met FDTCO (k) Statorfluxtraject met FDTC (l) Statorfluxtraject met FDTCO.
Een vergelijkende analyse van de twee technologieën in termen van fluxwaarde, stroomamplitude en pompen wordt weergegeven in Tabel 5, waaruit blijkt dat de PVWPS op basis van de voorgestelde technologie hoge prestaties levert met een verhoogde pompstroom en minimale amplitudestroom en -verliezen, wat te wijten is aan tot een optimale fluxselectie.
Om de voorgestelde besturingsstrategie te verifiëren en te testen, wordt een PIL-test uitgevoerd op basis van het STM32F4-bord. Het bevat het genereren van code die wordt geladen en uitgevoerd op het ingebedde bord. Het bord bevat een 32-bits microcontroller met 1 MB Flash, 168 MHz klokfrequentie, drijvende-komma-eenheid, DSP-instructies, 192 KB SRAM. Tijdens deze test werd een ontwikkeld PIL-blok in het besturingssysteem gemaakt met de gegenereerde code op basis van het STM32F4-ontdekkingshardwarebord en geïntroduceerd in de Simulink-software. De stappen om toe te staan PIL-tests die moeten worden geconfigureerd met behulp van de STM32F4-kaart, worden weergegeven in afbeelding 10.
Co-simulatie PIL-tests met STM32F4 kunnen worden gebruikt als een goedkope techniek om de voorgestelde techniek te verifiëren. In dit artikel wordt de geoptimaliseerde module die de beste referentiestroom biedt geïmplementeerd in de STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Dit laatste wordt gelijktijdig met Simulink uitgevoerd en wisselt informatie uit tijdens co-simulatie met behulp van de voorgestelde PVWPS-methode. Afbeelding 12 illustreert de implementatie van het optimalisatietechnologie-subsysteem in STM32F4.
Alleen de voorgestelde optimale referentiefluxtechniek wordt in deze co-simulatie getoond, aangezien dit de belangrijkste regelvariabele is voor dit werk dat het regelgedrag van een fotovoltaïsch waterpompsysteem aantoont.
Posttijd: 15 april-2022
