Во последниве години, подобрувањата во ефикасноста на фотоволтаичните системи за пумпање вода (PVWPS) привлекоа голем интерес кај истражувачите, бидејќи нивната работа се заснова на производство на чиста електрична енергија. Во овој труд, нов пристап базиран на контролори за нејасна логика е развиен за PVWPS апликации кои вклучуваат техники за минимизирање загуби применети на асинхрони мотори (IM). Предложената контрола ја избира оптималната големина на флукс со минимизирање на загубите на IM. Покрај тоа, воведен е и методот на набљудување на пертурбации со променлив чекор. Соодветноста на предложената контрола е препознаена со намалување на струјата на мијалникот;затоа, загубите на моторот се минимизираат и ефикасноста се подобрува. Предложената контролна стратегија се споредува со методи без минимизирање загуби. Резултатите од споредбата ја илустрираат ефикасноста на предложениот метод, кој се заснова на минимизирање на загубите во електричната брзина, апсорбираната струја, протокот вода, и развој на флукс. Процесор-во-јамката (PIL) тест се изведува како експериментален тест на предложениот метод. Вклучува имплементација на генерираниот C код на таблата за откривање STM32F4. Резултатите добиени од вградените таблата се слични на резултатите од нумеричката симулација.
Обновливите извори на енергија, особеносоларнифотоволтаичната технологија, може да биде почиста алтернатива на фосилните горива во системите за пумпање вода1,2. Фотоволтаичните пумпни системи добија значително внимание во оддалечените области без електрична енергија3,4.
Различни мотори се користат во апликациите за пумпање на PV. Примарната фаза на PVWPS се заснова на мотори со еднонасочна струја. Овие мотори се лесни за контрола и имплементација, но тие бараат редовно одржување поради присуството на анотатори и четки5. За да се надмине овој недостаток, без четки Беа воведени мотори со постојан магнет, кои се карактеризираат со без четкички, висока ефикасност и доверливост6. Во споредба со другите мотори, PVWPS базиран на IM има подобри перформанси бидејќи овој мотор е сигурен, евтин, не бара одржување и нуди повеќе можности за контролни стратегии7 .Најчесто се користат техниките за индиректна контрола ориентирана кон поле (IFOC) и методите за директна контрола на вртежниот момент (DTC)8.
IFOC е развиен од Blaschke и Hasse и овозможува менување на брзината на IM во широк опсег9,10. Струјата на статорот е поделена на два дела, едниот го генерира магнетниот тек, а другиот генерира вртежен момент со конвертирање во координатен систем dq. Ова овозможува независна контрола на флуксот и вртежниот момент при стабилна состојба и динамички услови. Оската (d) е усогласена со векторот на просторот на роторот флукс, кој вклучува q-оската компонента на векторот на просторот на роторот флукс секогаш да биде нула. FOC обезбедува добар и побрз одговор11 ,12, сепак, овој метод е сложен и подложен на варијации на параметрите13. За да се надминат овие недостатоци, Такаши и Ногучи14 воведоа DTC, кој има високи динамички перформанси и е робустен и помалку чувствителен на промените на параметрите. Во DTC, електромагнетниот вртежен момент и флуксот на статорот се контролираат со одземање на флуксот на статорот и вртежниот момент од соодветните проценки.и флукс на статорот и вртежен момент.
Главната непријатност на оваа контролна стратегија се големите флуктуации на вртежниот момент и флуксот поради употребата на регулатори за хистерезис за регулација на статорскиот флукс и електромагнетниот вртежен момент15,42. Конверторите на повеќе нивоа се користат за да се минимизира бранувањето, но ефикасноста се намалува за бројот на прекинувачи за напојување16. Неколку автори користеле просторна векторска модулација (SWM)17, контрола на режим на лизгање (SMC)18, кои се моќни техники, но страдаат од несакани ефекти на нервоза19. Многу истражувачи користеле техники на вештачка интелигенција за да ги подобрат перформансите на контролорот, меѓу нив, (1) нервниот мрежи, контролна стратегија која бара процесори со голема брзина за да се имплементираат20 и (2) генетски алгоритми21.
Нејасната контрола е робусна, погодна за нелинеарни контролни стратегии и не бара познавање на точниот модел. Вклучува употреба на блокови за нејасна логика наместо хистерични контролери и табели за избор на прекинувачи за да се намали бранувањето на флуксот и вртежниот момент. Вреди да се истакне дека DTC-овите базирани на FLC обезбедуваат подобри перформанси22, но не доволно за да се максимизира ефикасноста на моторот, па затоа се потребни техники за оптимизација на контролната јамка.
Во повеќето претходни студии, авторите избраа постојан флукс како референтен флукс, но овој избор на референца не претставува оптимална практика.
Моторните погони со високи перформанси и висока ефикасност бараат брз и прецизен одговор на брзината. Од друга страна, за некои операции, контролата можеби не е оптимална, така што ефикасноста на погонскиот систем не може да се оптимизира.Подобри перформанси може да се добијат со користење референца со променлив флукс за време на работата на системот.
Многу автори предложија контролер за пребарување (SC) кој ги минимизира загубите при различни услови на оптоварување (како во 27) за да ја подобри ефикасноста на моторот. Техниката се состои од мерење и минимизирање на влезната моќност со повторувачка референца на струјата на оската d или флукс на статорот референца.Меѓутоа, овој метод воведува бранување на вртежниот момент поради осцилациите присутни во флуксот на воздушниот јаз, а имплементацијата на овој метод одзема време и пресметува со ресурси. Оптимизацијата на ројот честички исто така се користи за подобрување на ефикасноста28, но оваа техника може да се заглавуваат во локалните минимуми, што доведува до лош избор на контролните параметри29.
Во овој труд, се предлага техника поврзана со FDTC за избор на оптимален магнетен флукс со намалување на загубите на моторот. Оваа комбинација обезбедува можност за користење на оптималното ниво на флукс во секоја работна точка, со што се зголемува ефикасноста на предложениот фотоволтаичен систем за пумпање вода. Затоа, се чини дека е многу погодно за апликации за фотоволтаично пумпање вода.
Понатаму, се врши процесор-во-јамка тест на предложениот метод со користење на плочата STM32F4 како експериментална валидација. Главните предности на ова јадро се едноставноста на имплементацијата, ниската цена и нема потреба од развој на сложени програми 30 . , таблата за конверзија FT232RL USB-UART е поврзана со STM32F4, кој гарантира надворешен комуникациски интерфејс со цел да се воспостави виртуелна сериска порта (COM порта) на компјутерот. Овој метод овозможува пренос на податоци со високи стапки на бауд.
Перформансите на PVWPS со помош на предложената техника се споредуваат со PV системи без минимизирање на загубите при различни работни услови. Добиените резултати покажуваат дека предложениот систем за фотоволтаична пумпа за вода е подобар во минимизирање на загубите на струја и бакар на статорот, оптимизирање на флукс и пумпање вода.
Остатокот од трудот е структуриран на следниов начин: Моделирањето на предложениот систем е дадено во делот „Моделирање на фотоволтаични системи“. детално опишани. Наодите се дискутирани во делот „Резултати од симулација“. Во делот „ПИЛ тестирање со таблата за откривање STM32F4“, е опишано тестирањето на процесорот во јамката. Заклучоците од овој труд се претставени во „ Заклучоци“ дел.
Слика 1 ја прикажува предложената конфигурација на системот за самостоен PV систем за пумпање вода. Системот се состои од центрифугална пумпа базирана на IM, фотоволтаична низа, два конвертори на моќност [конвертор за засилување и инвертер на извор на напон (VSI)]. Во овој дел , претставено е моделирањето на проучуваниот фотоволтаичен систем за пумпање вода.
Овој труд го усвојува моделот со една диода насоларнифотоволтаични ќелии. Карактеристиките на PV ќелиите се означени со 31, 32 и 33.
За да се изврши адаптацијата, се користи засилувач конвертор. Врската помеѓу влезните и излезните напони на DC-DC конверторот е дадена со Равенката 34 подолу:
Математичкиот модел на IM може да се опише во референтната рамка (α, β) со следните равенки 5,40:
Каде \(l_{s }\),\(l_{r}\): индуктивност на статорот и роторот, M: меѓусебна индуктивност, \(R_{s }\), \(I_{s }\): отпорност на статорот и Струја на статорот, \(R_{r}\), \(I_{r }\): отпорност на роторот и струја на роторот, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): флукс на статорот и статор напон , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): флукс на роторот и напон на роторот.
Вртежниот момент на оптоварување на центрифугалната пумпа пропорционален на квадратот на брзината на IM може да се определи со:
Контролата на предложениот систем за пумпа за вода е поделена на три различни подсекции. Првиот дел се занимава со технологијата MPPT. Вториот дел се занимава со возење на IM врз основа на директната контрола на вртежниот момент на контролорот за нејасна логика. Понатаму, Дел III опишува техника поврзана со DTC базиран на FLC кој овозможува определување на референтни текови.
Во оваа работа, се користи техника P&O со променлив чекор за следење на максималната точка на моќност. Се карактеризира со брзо следење и ниски осцилации (Слика 2)37,38,39.
Главната идеја на DTC е директно да се контролира флуксот и вртежниот момент на машината, но употребата на регулатори за хистерезис за електромагнетен вртежен момент и регулација на статорот флукс резултира со висок вртежен момент и бранување на флуксот. Затоа, се воведува техника на заматување за подобрување на DTC метод (сл. 7), а FLC може да развие доволно векторски состојби на инвертерот.
Во овој чекор, влезот се трансформира во нејасни променливи преку функциите за членство (MF) и лингвистичките термини.
Трите функции за членство за првиот влез (εφ) се негативни (N), позитивни (P) и нула (Z), како што е прикажано на слика 3.
Петте функции за членство за вториот влез (\(\varepsilon\)Tem) се Negative Large (NL) Negative Small (NS) Zero (Z) Positive Small (PS) и Positive Large (PL), како што е прикажано на слика 4.
Траекторијата на статорот флукс се состои од 12 сектори, во кои нејасното множество е претставено со рамнокрак триаголен членски функција, како што е прикажано на Слика 5.
Табела 1 групира 180 нејасни правила кои ги користат функциите за членство за влез за да изберат соодветни состојби на прекинувачот.
Методот на заклучување се изведува со помош на техниката на Мамдани. Факторот на тежина (\(\alpha_{i}\)) на i-тото правило е даден со:
каде\(\mu Ai \лево ( {e\varphi } \десно)\),\(\mu Bi\left( {eT} \десно) ,\) \(\mu Ci\лево( \theta \десно) \) : Вредност на членството на грешка на аголот на магнетниот тек, вртежниот момент и статорот.
Слика 6 ги илустрира острите вредности добиени од нејасните вредности користејќи го максималниот метод предложен од равенството (20).
Со зголемување на ефикасноста на моторот, брзината на проток може да се зголеми, што пак го зголемува дневното пумпање на водата (Слика 7). Целта на следната техника е да се поврзе стратегијата заснована на минимизирање загуби со методот на директна контрола на вртежниот момент.
Добро е познато дека вредноста на магнетниот флукс е важна за ефикасноста на моторот. Високите вредности на флукс доведуваат до зголемени загуби на железо, како и магнетна заситеност на колото. Спротивно на тоа, ниските нивоа на флукс резултираат со високи загуби на џули.
Затоа, намалувањето на загубите во IM е директно поврзано со изборот на нивото на флукс.
Предложениот метод се заснова на моделирање на загубите на џули поврзани со струјата што тече низ намотките на статорот во машината. Се состои од прилагодување на вредноста на флуксот на роторот до оптимална вредност, со што се минимизираат загубите на моторот за да се зголеми ефикасноста. може да се изрази на следниов начин (игнорирање на основни загуби):
Електромагнетниот вртежен момент\(C_{em}\) и флуксот на роторот\(\phi_{r}\) се пресметуваат во координатниот систем dq како:
Електромагнетниот вртежен момент\(C_{em}\) и флуксот на роторот\(\phi_{r}\) се пресметуваат во референцата (d,q) како:
со решавање на равенката.(30), можеме да ја најдеме оптималната струја на статорот која обезбедува оптимален тек на роторот и минимални загуби:
Беа изведени различни симулации со користење на софтверот MATLAB/Simulink за да се оцени робусноста и перформансите на предложената техника. Испитуваниот систем се состои од осум панели CSUN 235-60P од 230 W (Табела 2) поврзани во серија. Центрифугалната пумпа е управувана од IM, и неговите карактеристични параметри се прикажани во Табела 3. Компонентите на PV системот за пумпање се прикажани во Табела 4.
Во овој дел, фотоволтаичен систем за пумпање вода што користи FDTC со референца на постојан флукс е спореден со предложениот систем заснован на оптимален флукс (FDTCO) под исти работни услови. Перформансите на двата фотонапонски системи беа тестирани со разгледување на следните сценарија:
Овој дел ја прикажува предложената состојба на стартување на системот на пумпата врз основа на стапка на инсолација од 1000 W/m2. Слика 8e го илустрира одговорот на електричната брзина. Во споредба со FDTC, предложената техника обезбедува подобро време на кревање, достигнувајќи стабилна состојба на 1,04 s, и со FDTC, достигнувајќи стабилна состојба на 1,93 s. Слика 8f го прикажува пумпањето на двете контролни стратегии. Може да се види дека FDTCO ја зголемува количината на пумпање, што го објаснува подобрувањето на енергијата конвертирана од IM. Слика 8g и 8h ја претставуваат нацртаната струја на статорот. Струјата на стартување со помош на FDTC е 20 А, додека предложената контролна стратегија сугерира струја на стартување од 10 А, што ги намалува загубите на Џули. Сликите 8i и 8j го покажуваат развиениот флукс на статорот. Базиран на FDTC PVPWS работи со постојан референтен флукс од 1,2 Wb, додека во предложениот метод, референтниот флукс е 1 А, што е вклучено во подобрување на ефикасноста на фотоволтаичниот систем.
(а)Соларнизрачење (б) Екстракција на моќност (в) Работен циклус (г) DC напон на магистралата (д) Брзина на роторот (ѓ) Вода за пумпање (g) Струја на фаза на статорот за FDTC (ж) Струја на фаза на статорот за FDTCO (i) Одговор на флукс користејќи FLC (ѕ) Одговор на флукс користејќи FDTCO (k) Траекторија на флукс на статорот користејќи FDTC (l) Траекторија на флукс на статорот користејќи FDTCO.
Насоларнизрачењето варира од 1000 до 700 W/m2 за 3 секунди, а потоа до 500 W/m2 за 6 секунди (сл. 8а). Слика 8б ја прикажува соодветната фотоволтаична моќност за 1000 W/m2, 700 W/m2 и 500 W/m2 Слика 8c и 8d го илустрираат работниот циклус и напонот на DC врската, соодветно. Слика 8e ја илустрира електричната брзина на IM, и можеме да забележиме дека предложената техника има подобра брзина и време на одговор во споредба со фотоволтаичниот систем базиран на FDTC. Слика 8f покажува пумпање вода за различни нивоа на зрачење добиени со FDTC и FDTCO. Повеќе пумпање може да се постигне со FDTCO отколку со FDTC. Сликите 8g и 8h ги илустрираат симулираните тековни одговори користејќи го методот FDTC и предложената контролна стратегија. Со користење на предложената контролна техника , амплитудата на струјата е минимизирана, што значи помали загуби на бакар, со што се зголемува ефикасноста на системот. Затоа, високите струи на стартување може да доведат до намалени перформанси на машината. Слика 8j ја покажува еволуцијата на одговорот на флуксот со цел да се избереоптимален флукс за да се осигури дека загубите се минимизираат, затоа, предложената техника ги илустрира нејзините перформанси. За разлика од Слика 8i, флуксот е константен, што не претставува оптимална работа. Сликите 8k и 8l ја прикажуваат еволуцијата на траекторијата на флуксот на статорот. Слика 8l го илустрира оптималниот развој на флуксот и ја објаснува главната идеја на предложената стратегија за контрола.
Ненадејна промена восоларнибеше применето зрачење, почнувајќи со зрачење од 1000 W/m2 и нагло намалување на 500 W/m2 по 1,5 s (сл. 9а). W/m2. Сликите 9c и 9d го илустрираат работниот циклус и напонот на еднонасочна врска. Како што може да се види од сл. 9e, предложениот метод обезбедува подобро време на одговор. Слика 9f го прикажува пумпањето на водата добиено за двете контролни стратегии. Пумпање со FDTCO беше повисок отколку со FDTC, пумпајќи 0,01 m3/s при 1000 W/m2 зрачење во споредба со 0,009 m3/s со FDTC;дополнително, кога зрачењето беше 500 W At /m2, FDTCO пумпаше 0,0079 m3/s, додека FDTC пумпаше 0,0077 m3/s. Слики 9g и 9h. Го опишува тековниот одговор симулиран со користење на методот FDTC и предложената контролна стратегија. Можеме да забележиме дека предложената контролна стратегија покажува дека тековната амплитуда се намалува при нагли промени на зрачењето, што резултира со намалени загуби на бакар. Слика 9j ја покажува еволуцијата на одговорот на флуксот со цел да се избере оптималниот флукс за да се осигура дека загубите се минимизираат, па затоа, предложената техника ги илустрира неговите перформанси со флукс од 1Wb и зрачење од 1000 W/m2, додека флуксот е 0,83 Wb и зрачењето е 500 W/m2. За разлика од сл. 9i, флуксот е константен на 1,2 Wb, што не претставуваат оптимална функција. Сликите 9k и 9l ја прикажуваат еволуцијата на траекторијата на флуксот на статорот. Слика 91 го илустрира оптималниот развој на флуксот и ја објаснува главната идеја на предложената стратегија за контрола и подобрувањето на предложениот систем за пумпање.
(а)Соларнизрачење (б) Извлечена моќност (в) Работен циклус (г) DC напон на магистралата (д) Брзина на роторот (ѓ) Проток на вода (g) Струја на фаза на статорот за FDTC (ж) Струја на фаза на статорот за FDTCO (i) ) Одговор на флукс користејќи FLC (j) Одговор на флукс користејќи FDTCO (k) Траекторија на флукс на статорот користејќи FDTC (l) Траекторија на флукс на статорот користејќи FDTCO.
Компаративна анализа на двете технологии во однос на вредноста на флуксот, амплитудата на струјата и пумпањето е прикажана во Табела 5, што покажува дека PVWPS врз основа на предложената технологија обезбедува високи перформанси со зголемен проток на пумпање и минимизирана амплитудна струја и загуби, што се должи до оптимален избор на флукс.
За да се потврди и тестира предложената контролна стратегија, се врши PIL тест врз основа на плочката STM32F4. Вклучува генерирање код што ќе се вчита и ќе се активира на вградената табла. Плочката содржи 32-битен микроконтролер со 1 MB Flash, 168 MHz фреквенција на часовник, единица со подвижна запирка, инструкции за DSP, 192 KB SRAM. За време на овој тест, развиен PIL блок беше создаден во контролниот систем кој го содржи генерираниот код базиран на хардверската плоча за откривање STM32F4 и воведен во софтверот Simulink. Чекорите за да се овозможи PIL тестовите што треба да се конфигурираат со помош на плочата STM32F4 се прикажани на Слика 10.
Ко-симулациско тестирање на PIL со користење на STM32F4 може да се користи како техника со ниска цена за да се потврди предложената техника. Во овој труд, оптимизираниот модул кој обезбедува најдобар референтен флукс е имплементиран во STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Вториот се извршува истовремено со Simulink и разменува информации за време на ко-симулација користејќи го предложениот метод PVWPS. Слика 12 ја илустрира имплементацијата на потсистемот за технологија за оптимизација во STM32F4.
Само предложената техника на оптимален референтен флукс е прикажана во оваа косимулација, бидејќи таа е главната контролна променлива за оваа работа што го демонстрира контролното однесување на фотоволтаичниот систем за пумпање вода.
Време на објавување: април-15-2022 година
