V posledných rokoch prilákali výskumníci veľký záujem o zlepšenie účinnosti fotovoltaických vodných čerpacích systémov (PVWPS), pretože ich prevádzka je založená na čistej výrobe elektrickej energie. V tomto článku je pre PVWPS vyvinutý nový prístup založený na fuzzy logike. aplikácie, ktoré zahŕňajú techniky minimalizácie strát aplikované na indukčné motory (IM).Navrhované riadenie vyberá optimálnu veľkosť toku minimalizáciou strát IM.Okrem toho je tiež zavedená metóda pozorovania porúch s premenlivým krokom. Vhodnosť navrhovaného riadenia je uznaná zníženie prúdu umývadla;preto sa minimalizujú straty motora a zlepšuje sa účinnosť.Navrhnutá stratégia riadenia sa porovnáva s metódami bez minimalizácie strát.Výsledky porovnania ilustrujú účinnosť navrhovanej metódy, ktorá je založená na minimalizácii strát elektrickej rýchlosti, absorbovaného prúdu, pretekajúceho vody a vývojového toku.Ako experimentálny test navrhovanej metódy sa vykonáva test PIL (procesor-in-the-loop).Zahŕňa implementáciu vygenerovaného kódu C na objaviteľskej doske STM32F4.Výsledky získané z vloženého doska sú podobné výsledkom numerickej simulácie.
Najmä obnoviteľná energiasolárnefotovoltaická technológia môže byť čistejšou alternatívou k fosílnym palivám vo vodných čerpacích systémoch1,2. Fotovoltaickým čerpacím systémom sa venuje značná pozornosť v odľahlých oblastiach bez elektriny3,4.
V čerpacích aplikáciách PV sa používajú rôzne motory. Primárny stupeň PVWPS je založený na jednosmerných motoroch. Tieto motory sa ľahko ovládajú a implementujú, ale vyžadujú si pravidelnú údržbu kvôli prítomnosti anotátorov a kief5. Na prekonanie tohto nedostatku sú bezkartáčové boli predstavené motory s permanentnými magnetmi, ktoré sa vyznačujú bezkomutátorovou, vysokou účinnosťou a spoľahlivosťou6. V porovnaní s inými motormi má PVWPS na báze IM lepší výkon, pretože tento motor je spoľahlivý, lacný, bezúdržbový a ponúka viac možností pre stratégie riadenia7 Bežne sa používajú techniky nepriameho riadenia orientovaného na pole (IFOC) a metódy priameho riadenia krútiaceho momentu (DTC)8.
IFOC vyvinuli Blaschke a Hasse a umožňuje meniť rýchlosť IM v širokom rozsahu9,10. Prúd statora je rozdelený na dve časti, jedna generuje magnetický tok a druhá generuje krútiaci moment prevodom na dq súradnicový systém. nezávislé riadenie toku a krútiaceho momentu v ustálenom stave a dynamických podmienkach. Os (d) je zarovnaná s priestorovým vektorom toku rotora, čo znamená, že zložka priestorového vektora toku rotora na osi q je vždy nulová. FOC poskytuje dobrú a rýchlejšiu odozvu11 ,12, avšak táto metóda je zložitá a podlieha zmenám parametrov13. Na prekonanie týchto nedostatkov zaviedli Takashi a Noguchi14 DTC, ktorý má vysoký dynamický výkon a je robustný a menej citlivý na zmeny parametrov. V DTC sa elektromagnetický krútiaci moment a tok statora sú riadené odčítaním toku statora a krútiaceho momentu od zodpovedajúcich odhadov. Výsledok sa privádza do komparátora hysterézie, aby sa vygeneroval vhodný vektor napätia na riadeniestatorový tok aj krútiaci moment.
Hlavnou nevýhodou tejto stratégie riadenia sú veľké výkyvy krútiaceho momentu a toku v dôsledku použitia hysteréznych regulátorov toku statora a elektromagnetickej regulácie krútiaceho momentu15,42. Na minimalizáciu zvlnenia sa používajú viacúrovňové meniče, ale účinnosť je znížená počtom výkonových spínačov16. Viacerí autori použili vesmírnu vektorovú moduláciu (SWM)17, riadenie posuvného režimu (SMC)18, čo sú výkonné techniky, ktoré však trpia nežiaducimi efektmi chvenia19. Mnohí výskumníci použili techniky umelej inteligencie na zlepšenie výkonu ovládačov, medzi nimi (1) neurónové sietí, riadiacej stratégie, ktorá si vyžaduje implementáciu vysokorýchlostných procesorov20, a (2) genetických algoritmov21.
Fuzzy riadenie je robustné, vhodné pre nelineárne riadiace stratégie a nevyžaduje znalosť presného modelu. Zahŕňa použitie blokov fuzzy logiky namiesto hysteretických regulátorov a tabuliek výberu prepínačov na zníženie zvlnenia toku a krútiaceho momentu. Stojí za zmienku, že DTC založené na FLC poskytujú lepší výkon22, ale nie dostatočný na maximalizáciu účinnosti motora, takže sú potrebné techniky optimalizácie regulačnej slučky.
Vo väčšine predchádzajúcich štúdií autori zvolili konštantný tok ako referenčný tok, ale tento výber referencie nepredstavuje optimálnu prax.
Vysokovýkonné, vysokoúčinné motorové pohony vyžadujú rýchlu a presnú odozvu rýchlosti. Na druhej strane, pre niektoré operácie nemusí byť riadenie optimálne, takže účinnosť pohonného systému sa nedá optimalizovať. Lepší výkon možno dosiahnuť použitím referencia premenlivého toku počas prevádzky systému.
Mnohí autori navrhli vyhľadávací ovládač (SC), ktorý minimalizuje straty pri rôznych podmienkach zaťaženia (ako napríklad in27), aby sa zlepšila účinnosť motora. Táto technika pozostáva z merania a minimalizácie vstupného výkonu pomocou iteratívnej referencie prúdu na osi d alebo toku statora. Táto metóda však zavádza zvlnenie krútiaceho momentu v dôsledku oscilácií prítomných v toku vzduchovej medzery a implementácia tejto metódy je časovo náročná a výpočtovo náročná. Optimalizácia roja častíc sa tiež používa na zlepšenie účinnosti28, ale táto technika môže uviaznu v lokálnych minimách, čo vedie k zlému výberu riadiacich parametrov29.
V tomto článku je navrhnutá technika súvisiaca s FDTC na výber optimálneho magnetického toku znížením strát motora. Táto kombinácia zaisťuje schopnosť využiť optimálnu úroveň toku v každom prevádzkovom bode, čím sa zvýši účinnosť navrhovaného systému fotovoltaického čerpania vody. Preto sa zdá byť veľmi vhodný pre aplikácie fotovoltaického čerpania vody.
Ďalej sa vykonáva test procesora v slučke navrhovanej metódy pomocou dosky STM32F4 ako experimentálne overenie. Hlavnými výhodami tohto jadra sú jednoduchosť implementácie, nízka cena a nie je potrebné vyvíjať zložité programy 30 . , je konverzná doska FT232RL USB-UART spojená s STM32F4, čo zaručuje externé komunikačné rozhranie na vytvorenie virtuálneho sériového portu (COM port) na počítači. Táto metóda umožňuje prenos dát vysokou prenosovou rýchlosťou.
Výkon PVWPS s použitím navrhovanej techniky je porovnávaný s FV systémami bez minimalizácie strát pri rôznych prevádzkových podmienkach. Získané výsledky ukazujú, že navrhovaný systém fotovoltaického vodného čerpadla je lepší v minimalizácii strát statorového prúdu a medi, optimalizácii toku a čerpaní vody.
Zvyšok príspevku je štruktúrovaný nasledovne: Modelovanie navrhovaného systému je uvedené v časti „Modelovanie fotovoltaických systémov“. V časti „Stratégia riadenia študovaného systému“, FDTC, je navrhovaná stratégia riadenia a technika MPPT. podrobne popísané. Zistenia sú diskutované v časti „Výsledky simulácie“. V časti „Testovanie PIL s objaviteľskou doskou STM32F4“ je opísané testovanie procesora v slučke. Závery tohto článku sú uvedené v časti „ Závery“.
Obrázok 1 zobrazuje navrhovanú konfiguráciu systému pre samostatný systém PV na čerpanie vody. Systém pozostáva z odstredivého čerpadla na báze IM, fotovoltaického poľa, dvoch meničov výkonu [zosilňovacieho konvertora a invertora zdroja napätia (VSI)]. V tejto časti , je prezentované modelovanie študovaného systému fotovoltaického čerpania vody.
Tento článok používa jednodiódový modelsolárnefotovoltaické články. Charakteristiky FV článku sú označené 31, 32 a 33.
Na vykonanie adaptácie sa používa zosilňovací menič. Vzťah medzi vstupným a výstupným napätím meniča DC-DC je daný rovnicou 34 nižšie:
Matematický model IM možno opísať v referenčnom rámci (α,β) nasledujúcimi rovnicami 5,40:
Kde \(l_{s }\),\(l_{r}\): indukčnosť statora a rotora, M: vzájomná indukčnosť, \(R_{s }\), \(I_{s }\): odpor statora a prúd statora, \(R_{r}\), \(I_{r }\): odpor rotora a prúd rotora, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): tok statora a stator napätie , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): tok rotora a napätie rotora.
Záťažový moment odstredivého čerpadla úmerný druhej mocnine rýchlosti IM možno určiť:
Riadenie navrhovaného systému vodného čerpadla je rozdelené do troch samostatných podsekcií. Prvá časť sa zaoberá technológiou MPPT. Druhá časť sa zaoberá riadením IM na základe priameho riadenia krútiaceho momentu regulátora fuzzy logiky. Okrem toho časť III popisuje techniku týkajúcu sa DTC založený na FLC, ktorý umožňuje určenie referenčných tokov.
V tejto práci sa na sledovanie bodu maximálneho výkonu používa technika P&O s premenlivým krokom. Vyznačuje sa rýchlym sledovaním a nízkou osciláciou (obrázok 2)37,38,39.
Hlavnou myšlienkou DTC je priame riadenie toku a krútiaceho momentu stroja, ale použitie hysteréznych regulátorov pre elektromagnetickú reguláciu krútiaceho momentu a statorového toku má za následok vysoký krútiaci moment a zvlnenie toku. Preto sa zaviedla technika rozmazania na zlepšenie Metóda DTC (obr. 7) a FLC môže vyvinúť dostatočné stavy invertorového vektora.
V tomto kroku sa vstup transformuje na fuzzy premenné prostredníctvom funkcií príslušnosti (MF) a lingvistických pojmov.
Tri funkcie príslušnosti pre prvý vstup (εφ) sú záporné (N), kladné (P) a nula (Z), ako je znázornené na obrázku 3.
Päť funkcií členstva pre druhý vstup (\(\varepsilon\)Tem) je záporný veľký (NL), záporný malý (NS) nula (Z) pozitívny malý (PS) a pozitívny veľký (PL), ako je znázornené na obrázku 4.
Trajektória toku statora pozostáva z 12 sektorov, v ktorých je fuzzy množina reprezentovaná rovnoramennou trojuholníkovou funkciou príslušnosti, ako je znázornené na obrázku 5.
Tabuľka 1 zoskupuje 180 fuzzy pravidiel, ktoré používajú vstupné funkcie členstva na výber vhodných stavov prepínača.
Inferenčná metóda sa vykonáva pomocou Mamdaniho techniky. Faktor hmotnosti (\(\alpha_{i}\)) i-tého pravidla je daný vzťahom:
kde\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Hodnota členstva magnetického toku, krútiaceho momentu a chyby uhla toku statora.
Obrázok 6 znázorňuje ostré hodnoty získané z fuzzy hodnôt pomocou maximálnej metódy navrhovanej rovnicou (20).
Zvýšením účinnosti motora možno zvýšiť prietok, čo zase zvýši denné čerpanie vody (obrázok 7). Účelom nasledujúcej techniky je spojiť stratégiu založenú na minimalizácii strát s metódou priameho riadenia krútiaceho momentu.
Je dobre známe, že hodnota magnetického toku je dôležitá pre účinnosť motora. Vysoké hodnoty toku vedú k zvýšeným stratám železa, ako aj magnetickému nasýteniu obvodu. Naopak, nízke úrovne toku vedú k vysokým stratám Joule.
Preto zníženie strát v IM priamo súvisí s výberom úrovne toku.
Navrhovaná metóda je založená na modelovaní Jouleových strát spojených s prúdom pretekajúcim statorovými vinutiami v stroji. Pozostáva z úpravy hodnoty rotorového toku na optimálnu hodnotu, čím sa minimalizujú straty motora na zvýšenie účinnosti.Joulove straty možno vyjadriť nasledovne (ignorujúc straty jadra):
Elektromagnetický krútiaci moment\(C_{em}\) a rotorový tok\(\phi_{r}\) sú vypočítané v dq súradnicovom systéme ako:
Elektromagnetický krútiaci moment\(C_{em}\) a rotorový tok\(\phi_{r}\) sú vypočítané v referencii (d,q) ako:
vyriešením rovnice.(30) môžeme nájsť optimálny statorový prúd, ktorý zaisťuje optimálny rotorový tok a minimálne straty:
Boli vykonané rôzne simulácie pomocou softvéru MATLAB/Simulink na vyhodnotenie robustnosti a výkonu navrhovanej techniky. Skúmaný systém pozostáva z ôsmich 230 W panelov CSUN 235-60P (tabuľka 2) zapojených do série. Odstredivé čerpadlo je poháňané IM a jeho charakteristické parametre sú uvedené v tabuľke 3. Komponenty FV čerpacieho systému sú uvedené v tabuľke 4.
V tejto časti sa porovnáva fotovoltaický systém na čerpanie vody využívajúci FDTC s referenciou konštantného toku s navrhovaným systémom založeným na optimálnom toku (FDTCO) za rovnakých prevádzkových podmienok. Výkon oboch fotovoltaických systémov bol testovaný s ohľadom na nasledujúce scenáre:
Táto časť predstavuje navrhovaný štartovací stav čerpacieho systému na základe intenzity slnečného žiarenia 1000 W/m2. Obrázok 8e ilustruje odozvu elektrickej rýchlosti. V porovnaní s FDTC poskytuje navrhovaná technika lepší čas nábehu, pričom rovnovážny stav dosiahne pri 1,04 s, as FDTC, dosiahnutie ustáleného stavu za 1,93 s.Obrázok 8f znázorňuje čerpanie dvoch riadiacich stratégií. Je možné vidieť, že FDTCO zvyšuje čerpané množstvo, čo vysvetľuje zlepšenie energie premenenej IM.Obrázky 8g a 8h predstavujú odoberaný statorový prúd. Štartovací prúd pri použití FDTC je 20 A, zatiaľ čo navrhovaná stratégia riadenia navrhuje štartovací prúd 10 A, ktorý znižuje straty Joule.Obrázky 8i a 8j znázorňujú vyvinutý tok statora. PVPWS pracuje pri konštantnom referenčnom toku 1,2 Wb, pričom v navrhovanej metóde je referenčný tok 1 A, čo sa podieľa na zlepšovaní účinnosti fotovoltaického systému.
(a)Solárnežiarenie (b) Odber energie (c) Pracovný cyklus (d) Napätie jednosmernej zbernice (e) Otáčky rotora (f) Čerpanie vody (g) Fázový prúd statora pre FDTC (h) Fázový prúd statora pre FDTCO (i) Odozva toku pomocou FLC (j) Odozva toku pomocou FDTCO (k) Trajektória toku statora pomocou FDTC (l) Trajektória toku statora pomocou FDTCO.
Thesolárnežiarenie sa menilo od 1000 do 700 W/m2 za 3 sekundy a potom do 500 W/m2 za 6 sekúnd (obr. 8a). Obrázok 8b znázorňuje zodpovedajúci fotovoltaický výkon pre 1000 W/m2, 700 W/m2 a 500 W/m2 .Obrázky 8c a 8d znázorňujú pracovný cyklus a napätie medziobvodu. Obrázok 8e znázorňuje elektrickú rýchlosť IM a môžeme si všimnúť, že navrhovaná technika má lepšiu rýchlosť a čas odozvy v porovnaní s fotovoltaickým systémom na báze FDTC.Obrázok 8f ukazuje čerpanie vody pre rôzne úrovne ožiarenia získané pomocou FDTC a FDTCO. S FDTCO je možné dosiahnuť viac čerpania ako s FDTC. Obrázky 8g a 8h znázorňujú simulované odozvy prúdu pomocou metódy FDTC a navrhovanej riadiacej stratégie. Použitím navrhovanej riadiacej techniky amplitúda prúdu je minimalizovaná, čo znamená menšie straty medi, čím sa zvyšuje účinnosť systému. Vysoké spúšťacie prúdy preto môžu viesť k zníženiu výkonu stroja. Obrázok 8j znázorňuje vývoj odozvy toku, aby sa zvoliloptimálny tok, aby sa zabezpečilo, že straty sú minimalizované, preto navrhovaná technika ilustruje jej výkon. Na rozdiel od obrázku 8i je tok konštantný, čo nepredstavuje optimálnu prevádzku. Obrázky 8k a 8l znázorňujú vývoj trajektórie toku statora. 8l znázorňuje optimálny vývoj toku a vysvetľuje hlavnú myšlienku navrhovanej stratégie riadenia.
Náhla zmena vsolárneaplikovalo sa žiarenie, počínajúc ožiarenosťou 1000 W/m2 a po 1,5 s náhle klesajúcou na 500 W/m2 (obr. 9a). Na obr. W/m2. Obrázky 9c a 9d znázorňujú pracovný cyklus a napätie medziobvodu. Ako je možné vidieť na obrázku 9e, navrhovaná metóda poskytuje lepší čas odozvy. Obrázok 9f zobrazuje čerpanie vody získané pre dve riadiace stratégie. s FDTCO bolo vyššie ako s FDTC, čerpanie 0,01 m3/s pri ožiarenosti 1000 W/m2 v porovnaní s 0,009 m3/s s FDTC;okrem toho, keď bola ožiarenosť 500 W At /m2, FDTCO prečerpalo 0,0079 m3/s, zatiaľ čo FDTC prečerpalo 0,0077 m3/s.Obrázky 9g a 9h. Opisuje aktuálnu odozvu simulovanú pomocou metódy FDTC a navrhovanú stratégiu riadenia. navrhovaná stratégia riadenia ukazuje, že súčasná amplitúda je znížená pri náhlych zmenách ožiarenia, čo vedie k zníženiu strát medi. Obrázok 9j ukazuje vývoj odozvy toku s cieľom vybrať optimálny tok, aby sa zabezpečilo, že straty budú minimalizované, preto navrhovaná technika ilustruje jeho výkon s tokom 1 Wb a ožiarenosťou 1 000 W/m2, pričom tok je 0,83 Wb a ožiarenosť je 500 W/m2. Na rozdiel od obr. 9i je tok konštantný na 1,2 Wb, čo nie je predstavujú optimálnu funkciu.Obrázky 9k a 9l znázorňujú vývoj trajektórie toku statora.Obrázok 9l znázorňuje optimálny vývoj toku a vysvetľuje hlavnú myšlienku navrhovanej stratégie riadenia a vylepšenia navrhovaného čerpacieho systému.
(a)Solárnežiarenia (b) Odobratý výkon (c) Pracovný cyklus (d) Napätie zbernice jednosmerného prúdu (e) Otáčky rotora (f) Prietok vody (g) Fázový prúd statora pre FDTC (h) Fázový prúd statora pre FDTCO (i) ) Odozva toku pomocou FLC (j) Odozva toku pomocou FDTCO (k) Trajektória toku statora pomocou FDTC (l) Trajektória toku statora pomocou FDTCO.
Porovnávacia analýza týchto dvoch technológií z hľadiska hodnoty toku, amplitúdy prúdu a čerpania je uvedená v tabuľke 5, ktorá ukazuje, že PVWPS založená na navrhovanej technológii poskytuje vysoký výkon so zvýšeným čerpacím prietokom a minimalizovanou amplitúdou prúdu a strát, čo je spôsobené k optimálnemu výberu taviva.
Na overenie a otestovanie navrhovanej stratégie riadenia sa vykoná test PIL založený na doske STM32F4. Zahŕňa generovanie kódu, ktorý sa načíta a spustí na vstavanej doske. Doska obsahuje 32-bitový mikrokontrolér s 1 MB Flash, 168 MHz hodinová frekvencia, jednotka s pohyblivou rádovou čiarkou, inštrukcie DSP, 192 KB SRAM. Počas tohto testu bol v riadiacom systéme vytvorený vyvinutý blok PIL obsahujúci vygenerovaný kód založený na hardvérovej doske STM32F4 a zavedený do softvéru Simulink. Testy PIL, ktoré sa majú nakonfigurovať pomocou dosky STM32F4, sú znázornené na obrázku 10.
Kosimulačné testovanie PIL pomocou STM32F4 sa môže použiť ako nízkonákladová technika na overenie navrhovanej techniky. V tomto článku je optimalizovaný modul, ktorý poskytuje najlepší referenčný tok, implementovaný v STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Ten sa vykonáva súbežne so Simulinkom a vymieňa si informácie počas kosimulácie pomocou navrhovanej metódy PVWPS. Obrázok 12 ilustruje implementáciu podsystému optimalizačnej technológie v STM32F4.
V tejto kosimulácii je zobrazená iba navrhovaná technika optimálneho referenčného toku, pretože ide o hlavnú riadiacu premennú pre túto prácu demonštrujúcu riadiace správanie fotovoltaického systému na čerpanie vody.
Čas odoslania: 15. apríla 2022
