Viime vuosina aurinkosähkövesipumppujärjestelmien (PVWPS) tehokkuuden parantaminen on herättänyt suurta kiinnostusta tutkijoiden keskuudessa, koska niiden toiminta perustuu puhtaaseen sähköenergian tuotantoon. Tässä artikkelissa kehitetään PVWPS:lle uusi fuzzy logic controller -pohjainen lähestymistapa. sovellukset, jotka sisältävät oikosulkumoottoreissa (IM) sovellettavia häviön minimointitekniikoita. Ehdotettu ohjaus valitsee optimaalisen vuon suuruuden minimoimalla IM-häviöt. Lisäksi otetaan käyttöön myös muuttuvavaiheinen häiriöhavaintomenetelmä. Ehdotetun ohjauksen sopivuuden tunnistaa altaan virran vähentäminen;siksi moottorihäviöt minimoidaan ja hyötysuhde paranee.Ehdotettua ohjausstrategiaa verrataan menetelmiin, joissa ei ole häviön minimointia. Vertailutulokset havainnollistavat ehdotetun menetelmän tehokkuutta, joka perustuu sähkön nopeuden, absorboidun virran, virtauksen häviöiden minimoimiseen. vesi ja vuon kehittäminen. Ehdotetun menetelmän kokeellisena testinä suoritetaan prosessori-in-the-loop (PIL) -testi.Se sisältää generoidun C-koodin toteutuksen STM32F4-etsintälevylle.Tulokset, jotka on saatu sulautetusta menetelmästä aluksella ovat samanlaisia kuin numeerisen simulaation tulokset.
Uusiutuva energia varsinkinaurinko-aurinkosähkötekniikka, voi olla puhtaampi vaihtoehto fossiilisille polttoaineille veden pumppausjärjestelmissä1,2.Aurinkosähköiset pumppausjärjestelmät ovat saaneet huomattavaa huomiota syrjäisillä alueilla, joilla ei ole sähköä3,4.
PV-pumppusovelluksissa käytetään erilaisia moottoreita. PVWPS:n ensisijainen vaihe perustuu tasavirtamoottoreihin.Näitä moottoreita on helppo ohjata ja toteuttaa, mutta ne vaativat säännöllistä huoltoa merkintöjen ja harjojen vuoksi5.Tämän puutteen poistamiseksi harjattomia kestomagneettimoottorit esiteltiin, joille on ominaista harjattomat, korkea hyötysuhde ja luotettavuus6. Muihin moottoreihin verrattuna IM-pohjainen PVWPS on suorituskykyisempi, koska tämä moottori on luotettava, edullinen, huoltovapaa ja tarjoaa enemmän mahdollisuuksia ohjausstrategioihin7 .Epäsuora kenttäsuuntautunut ohjaus (IFOC) ja suora momenttiohjaus (DTC) ovat yleisesti käytössä8.
IFOC:n ovat kehittäneet Blaschke ja Hasse, ja se mahdollistaa IM-nopeuden muuttamisen laajalla alueella9,10. Staattorivirta on jaettu kahteen osaan, joista toinen tuottaa magneettivuon ja toinen vääntömomentin muuntamalla dq-koordinaatistoon. riippumaton vuon ja vääntömomentin säätö vakaassa tilassa ja dynaamisissa olosuhteissa. Akseli (d) on kohdistettu roottorin vuotilavektorin kanssa, mikä tarkoittaa, että roottorin vuotilavektorin q-akselikomponentti on aina nolla. FOC tarjoaa hyvän ja nopeamman vasteen11 ,12, tämä menetelmä on kuitenkin monimutkainen ja altis parametrien vaihteluille13.Näiden puutteiden voittamiseksi Takashi ja Noguchi14 esittelivät DTC:n, jolla on korkea dynaaminen suorituskyky ja joka on kestävä ja vähemmän herkkä parametrien muutoksille.DTC:ssä sähkömagneettinen vääntömomentti ja staattorivuo ohjataan vähentämällä staattorin vuo ja vääntömomentti vastaavista arvioista. Tulos syötetään hystereesikomparaattoriin sopivan jännitevektorin luomiseksi ohjattavaksisekä staattorin vuo että vääntömomentti.
Tämän ohjausstrategian suurin haitta on suuret vääntömomentin ja vuon vaihtelut, jotka johtuvat hystereesisäätimien käytöstä staattorivuon ja sähkömagneettisen vääntömomentin säätelyyn15,42. Monitasomuuntimia käytetään aaltoilun minimoimiseen, mutta tehokkuutta heikentää virtakytkimien määrä16. Useat kirjoittajat ovat käyttäneet avaruusvektorimodulaatiota (SWM)17, liukumoodiohjausta (SMC)18, jotka ovat tehokkaita tekniikoita, mutta kärsivät ei-toivotuista tärinävaikutuksista19. Monet tutkijat ovat käyttäneet tekoälytekniikoita ohjaimen suorituskyvyn parantamiseen, muun muassa (1) hermostoa. verkot, ohjausstrategia, jonka toteuttaminen edellyttää nopeita prosessoreita20, ja (2) geneettisiä algoritmeja21.
Sumea ohjaus on vankka, sopii epälineaarisiin ohjausstrategioihin, eikä se vaadi tarkan mallin tuntemusta. Se sisältää sumeiden logiikkalohkojen käytön hystereettisten säätimien ja kytkimien valintataulukoiden sijaan vuon ja momentin aaltoilun vähentämiseksi. On syytä huomauttaa, että FLC-pohjaiset DTC:t tarjoavat paremman suorituskyvyn22, mutta eivät tarpeeksi maksimoimaan moottorin hyötysuhteen, joten ohjaussilmukan optimointitekniikkaa tarvitaan.
Useimmissa aiemmissa tutkimuksissa kirjoittajat valitsivat vakiovuon referenssivuoksi, mutta tämä referenssivalinta ei edusta optimaalista käytäntöä.
Suorituskykyiset ja tehokkaat moottorikäytöt vaativat nopean ja tarkan nopeusvasteen. Toisaalta joissakin toiminnoissa ohjaus ei ehkä ole optimaalinen, joten käyttöjärjestelmän tehokkuutta ei voida optimoida. Parempi suorituskyky voidaan saavuttaa käyttämällä muuttuva vuoviittaus järjestelmän toiminnan aikana.
Monet kirjoittajat ovat ehdottaneet hakuohjainta (SC), joka minimoi häviöt erilaisissa kuormitusolosuhteissa (kuten in27) moottorin tehokkuuden parantamiseksi. Tekniikka koostuu syöttötehon mittaamisesta ja minimoimisesta iteratiivisella d-akselin virtareferenssillä tai staattorivuolla. viite.Tämä menetelmä kuitenkin aiheuttaa vääntömomentin aaltoilua ilmavälivuon värähtelyjen vuoksi, ja tämän menetelmän toteuttaminen on aikaa vievää ja laskennallisesti resursseja.Hartikkeliparven optimointia käytetään myös tehokkuuden parantamiseen28, mutta tämä tekniikka voi juuttua paikallisiin minimiin, mikä johtaa huonoon ohjausparametrien valintaan29.
Tässä artikkelissa ehdotetaan FDTC:hen liittyvää tekniikkaa optimaalisen magneettivuon valitsemiseksi vähentämällä moottorihäviöitä. Tämä yhdistelmä varmistaa kyvyn käyttää optimaalista vuotasoa kussakin toimintapisteessä, mikä lisää ehdotetun aurinkosähköveden pumppausjärjestelmän tehokkuutta. Siksi se näyttää olevan erittäin kätevä aurinkosähköisissä veden pumppaussovelluksissa.
Lisäksi ehdotetun menetelmän prosessori-in-the-loop -testi suoritetaan käyttämällä STM32F4-korttia kokeellisena validointina. Tämän ytimen tärkeimmät edut ovat toteutuksen yksinkertaisuus, alhaiset kustannukset ja se, ettei tarvitse kehittää monimutkaisia ohjelmia 30 . FT232RL USB-UART -muunnoskortti on liitetty STM32F4:ään, joka takaa ulkoisen tiedonsiirtoliitännän virtuaalisen sarjaportin (COM-portin) muodostamiseksi tietokoneeseen. Tämä menetelmä mahdollistaa tietojen siirron suurilla siirtonopeuksilla.
PVWPS:n suorituskykyä ehdotetulla tekniikalla verrataan aurinkosähköjärjestelmiin ilman häviön minimoimista erilaisissa käyttöolosuhteissa. Saadut tulokset osoittavat, että ehdotettu aurinkosähkövesipumppujärjestelmä on parempi minimoida staattorin virran ja kuparihäviöt, optimoida virtauksen ja pumppaa vettä.
Loput artikkelista on strukturoitu seuraavasti: Ehdotetun järjestelmän mallinnus on esitetty osiossa "Modeling of Photovoltaic Systems". Kohdassa "Tutkitun järjestelmän ohjausstrategia", FDTC, ehdotettu ohjausstrategia ja MPPT-tekniikka on esitetty. Havaintoja käsitellään osiossa "Simulaatiotulokset". "PIL-testaus STM32F4-etsintälevyllä" -osiossa kuvataan prosessori-in-the-loop -testaus. Tämän asiakirjan päätelmät on esitetty " Johtopäätökset" -osio.
Kuvassa 1 on esitetty ehdotettu järjestelmäkokoonpano itsenäistä aurinkosähkövesipumppujärjestelmää varten. Järjestelmä koostuu IM-pohjaisesta keskipakopumpusta, aurinkosähköjärjestelmästä, kahdesta tehomuuntimesta [tehostinmuunnin ja jännitelähdeinvertteri (VSI)]. Tässä osiossa , esitellään tutkitun aurinkosähkövesipumppujärjestelmän mallinnus.
Tässä asiakirjassa käytetään yksidiodimalliaaurinko-aurinkokenno. PV-kennon ominaisuudet on merkitty numeroilla 31, 32 ja 33.
Adaptoinnin suorittamiseen käytetään tehostusmuunninta. DC-DC-muuntimen tulo- ja lähtöjännitteiden välinen suhde saadaan alla olevasta yhtälöstä 34:
IM:n matemaattista mallia voidaan kuvata vertailukehyksessä (α,β) seuraavilla yhtälöillä 5,40:
Missä \(l_{s }\),\(l_{r}\): staattorin ja roottorin induktanssi, M: keskinäinen induktanssi, \(R_{s }\), \(I_{s }\): staattorin resistanssi ja staattorin virta, \(R_{r}\), \(I_{r }\): roottorin vastus ja roottorin virta, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): staattorivuo ja staattori jännite , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): roottorin vuo ja roottorin jännite.
Keskipakopumpun kuorman vääntömomentti, joka on verrannollinen IM-nopeuden neliöön, voidaan määrittää seuraavasti:
Ehdotetun vesipumppujärjestelmän ohjaus on jaettu kolmeen erilliseen alaosioon. Ensimmäinen osa käsittelee MPPT-tekniikkaa. Toinen osa käsittelee IM:n ohjaamista sumean logiikan ohjaimen suoran vääntömomentin ohjauksen perusteella. Lisäksi jaksossa III kuvataan tekniikkaa, joka liittyy FLC-pohjainen DTC, jonka avulla voidaan määrittää vertailuvuot.
Tässä työssä käytetään vaihtelevan askeleen P&O-tekniikkaa maksimitehopisteen seuraamiseen. Sille on ominaista nopea seuranta ja alhainen värähtely (kuva 2)37,38,39.
DTC:n pääideana on ohjata suoraan koneen vuota ja vääntömomenttia, mutta hystereesisäätimien käyttö sähkömagneettista vääntömomenttia ja staattorivuon säätelyä varten johtaa korkeaan vääntömomenttiin ja vuon aaltoiluun. DTC-menetelmällä (kuva 7), ja FLC voi kehittää riittävät invertterivektoritilat.
Tässä vaiheessa syöte muunnetaan sumeiksi muuttujiksi jäsenfunktioiden (MF) ja kielellisten termien avulla.
Ensimmäisen syötteen (εφ) kolme jäsenyysfunktiota ovat negatiiviset (N), positiiviset (P) ja nolla (Z), kuten kuvassa 3 näkyy.
Toisen syötteen (\(\varepsilon\)Tem) viisi jäsenyysfunktiota ovat Negative Large (NL) Negative Small (NS), Zero (Z) Positive Small (PS) ja Positive Large (PL), kuten kuvassa 4 näkyy.
Staattorivuon liikerata koostuu 12 sektorista, joissa sumeaa joukkoa edustaa tasakylkinen kolmiojäsenyysfunktio, kuten kuvassa 5 on esitetty.
Taulukko 1 ryhmittelee 180 sumeaa sääntöä, jotka käyttävät tulojäsenyystoimintoja sopivien kytkintilojen valitsemiseen.
Päätösmenetelmä suoritetaan Mamdanin tekniikalla. I:nnen säännön painokerroin (\(\alpha_{i}\)) saadaan seuraavasti:
missä\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Magneettivuon, vääntömomentin ja staattorivuon kulmavirheen jäsenarvo.
Kuvassa 6 on havainnollistettu sumeista arvoista saatuja teräviä arvoja yhtälön (20) ehdottamalla maksimimenetelmällä.
Nostamalla moottorin hyötysuhdetta voidaan lisätä virtausnopeutta, mikä puolestaan lisää päivittäistä veden pumppausta (kuva 7). Seuraavan tekniikan tarkoituksena on liittää häviön minimointiin perustuva strategia suoran vääntömomentin ohjausmenetelmään.
Tiedetään hyvin, että magneettivuon arvo on tärkeä moottorin tehokkuuden kannalta. Suuret vuoarvot johtavat lisääntyneisiin rautahäviöihin sekä piirin magneettiseen kyllästymiseen. Toisaalta alhaiset vuotasot johtavat suuriin Joule-häviöihin.
Siksi IM:n häviöiden vähentäminen liittyy suoraan vuotason valintaan.
Ehdotettu menetelmä perustuu koneen staattorikäämien kautta kulkevaan virtaan liittyvien Joule-häviöiden mallintamiseen.Se koostuu roottorivuon arvon säätämisestä optimiarvoon, jolloin moottorihäviöt minimoidaan tehokkuuden lisäämiseksi.Joule-häviöt voidaan ilmaista seuraavasti (ydinhäviöt huomioimatta):
Sähkömagneettinen vääntömomentti\(C_{em}\) ja roottorin vuo\(\phi_{r}\) lasketaan dq-koordinaatistossa seuraavasti:
Sähkömagneettinen vääntömomentti\(C_{em}\) ja roottorin vuo\(\phi_{r}\) lasketaan viitteestä (d,q) seuraavasti:
ratkaisemalla yhtälön.(30), voimme löytää optimaalisen staattorivirran, joka varmistaa optimaalisen roottorivuon ja minimaaliset häviöt:
Erilaisia simulaatioita suoritettiin MATLAB/Simulink-ohjelmistolla ehdotetun tekniikan kestävyyden ja suorituskyvyn arvioimiseksi. Tutkittu järjestelmä koostuu kahdeksasta sarjaan kytketystä 230 W CSUN 235-60P -paneelista (taulukko 2). Keskipakopumppua käyttää IM, ja sen ominaisparametrit on esitetty taulukossa 3. PV-pumppujärjestelmän komponentit on esitetty taulukossa 4.
Tässä osiossa aurinkosähköistä vedenpumppujärjestelmää, jossa käytetään FDTC:tä vakiovirtareferenssillä, verrataan ehdotettuun järjestelmään, joka perustuu optimaaliseen vuotoon (FDTCO) samoissa käyttöolosuhteissa. Molempien aurinkosähköjärjestelmien suorituskykyä testattiin ottamalla huomioon seuraavat skenaariot:
Tässä osiossa esitetään pumppujärjestelmän ehdotettu käynnistystila, joka perustuu 1000 W/m2:n insolaatiotehoon. Kuva 8e havainnollistaa sähköistä nopeusvastetta. FDTC:hen verrattuna ehdotettu tekniikka tarjoaa paremman nousuajan ja saavuttaa vakaan tilan 1,04:ssä. s, ja FDTC:llä saavuttaen vakaan tilan 1,93 s:ssa. Kuva 8f esittää kahden ohjausstrategian pumppauksen. Voidaan nähdä, että FDTCO lisää pumppausmäärää, mikä selittää IM:n muuntaman energian paranemisen. Kuvat 8g ja 8h edustavat vedettyä staattorivirtaa. FDTC:tä käyttävä käynnistysvirta on 20 A, kun taas ehdotettu ohjausstrategia ehdottaa 10 A:n käynnistysvirtaa, mikä vähentää Joule-häviöitä. Kuvat 8i ja 8j esittävät kehittyneen staattorin vuon. FDTC-pohjainen PVPWS toimii vakiona 1,2 Wb:n referenssivirralla, kun taas ehdotetussa menetelmässä referenssivirta on 1 A, mikä vaikuttaa aurinkosähköjärjestelmän tehokkuuden parantamiseen.
(a)Aurinkosäteily (b) Tehonpoisto (c) Toimintajakso (d) Tasavirtaväylän jännite (e) Roottorin nopeus (f) Pumppausvesi (g) Staattorin vaihevirta FDTC:lle (h) Staattorin vaihevirta FDTCO:lle (i) Vuon vaste FLC:tä käyttäen (j) Vuon vaste FDTCO:ta käytettäessä (k) Staattorivuon liikerata FDTC:tä käyttäen (l) Staattorin vuorata FDTCO:ta käyttämällä.
Theaurinko-säteily vaihteli välillä 1000 - 700 W/m2 3 sekunnissa ja sitten 500 W/m2 6 sekunnissa (kuva 8a). Kuvassa 8b näkyy vastaava aurinkosähköteho 1000 W/m2, 700 W/m2 ja 500 W/m2 .Kuvat 8c ja 8d esittävät käyttöjaksoa ja tasavirtapiirin jännitettä. Kuva 8e esittää IM:n sähköistä nopeutta, ja voimme huomata, että ehdotetulla tekniikalla on parempi nopeus ja vasteaika verrattuna FDTC-pohjaiseen aurinkosähköjärjestelmään. Kuva 8f näyttää veden pumppauksen FDTC:llä ja FDTCO:lla saaduilla eri säteilytasoilla. FDTCO:lla voidaan saavuttaa enemmän pumppausta kuin FDTC:llä. Kuvat 8g ja 8h esittävät simuloituja virtavasteita käyttämällä FDTC-menetelmää ja ehdotettua ohjausstrategiaa.Käyttämällä ehdotettua ohjaustekniikkaa , virran amplitudi on minimoitu, mikä tarkoittaa vähemmän kuparihäviöitä, mikä lisää järjestelmän tehokkuutta. Siksi suuret käynnistysvirrat voivat heikentää koneen suorituskykyä. Kuvassa 8j on esitetty vuovasteen kehitys, jotta voidaan valitaoptimaalinen vuo sen varmistamiseksi, että häviöt minimoidaan, siksi ehdotettu tekniikka havainnollistaa sen suorituskykyä. Toisin kuin kuvassa 8i, vuo on vakio, mikä ei edusta optimaalista toimintaa. Kuvat 8k ja 8l esittävät staattorin vuoradan kehitystä. 8l kuvaa optimaalista vuon kehitystä ja selittää ehdotetun ohjausstrategian pääidean.
Äkillinen muutosaurinko-säteilyä käytettiin alkaen irradianssista 1000 W/m2 ja laskemalla äkillisesti arvoon 500 W/m2 1,5 sekunnin kuluttua (kuva 9a). Kuvassa 9b näkyy aurinkosähköpaneeleista otettu aurinkosähköteho, joka vastaa arvoja 1000 W/m2 ja 500 W/m2.Kuvat 9c ja 9d esittävät käyttöjaksoa ja tasavirtapiirin jännitettä, vastaavasti. Kuten kuvasta 9e voidaan nähdä, ehdotettu menetelmä tarjoaa paremman vasteajan. Kuvassa 9f on esitetty kahdelle ohjausstrategialle saatu veden pumppaus. Pumppaus FDTCO:lla oli korkeampi kuin FDTC:llä, pumppaamalla 0,01 m3/s 1000 W/m2 irradianssilla verrattuna 0,009 m3/s FDTC:llä;Lisäksi kun irradianssi oli 500 W At /m2, FDTCO pumppasi 0,0079 m3/s ja FDTC 0,0077 m3/s. Kuvat 9g ja 9h. Kuvaa FDTC-menetelmällä simuloitua virtavastetta ja ehdotettua ohjausstrategiaa. ehdotettu ohjausstrategia osoittaa, että virran amplitudi pienenee äkillisten säteilyvoimakkuuksien muutoksissa, mikä johtaa pienempiin kuparihäviöihin. Kuva 9j esittää vuovasteen kehitystä optimaalisen vuon valitsemiseksi sen varmistamiseksi, että häviöt minimoidaan, siksi ehdotettu tekniikka havainnollistaa sen suorituskykyä vuolla 1 Wb ja irradianssilla 1000 W/m2, kun taas vuo on 0,83 Wb ja irradianssi 500 W/m2. Toisin kuin kuvassa 9i, vuo on vakio 1,2 Wb, mikä ei edustavat optimaalista toimintaa. Kuvat 9k ja 9l esittävät staattorin virtausradan kehitystä. Kuva 9l havainnollistaa optimaalista vuon kehitystä ja selittää ehdotetun ohjausstrategian pääidean ja ehdotetun pumppujärjestelmän parantamisen.
(a)Aurinkosäteily (b) Poistoteho (c) Toimintajakso (d) Tasavirtaväylän jännite (e) Roottorin nopeus (f) Veden virtaus (g) Staattorin vaihevirta FDTC:lle (h) Staattorin vaihevirta FDTCO:lle (i) ) Vuon vaste käyttämällä FLC (j) Vuon vaste FDTCO:ta käytettäessä (k) Staattorivuon liikerata FDTC:tä käyttäen (l) Staattorin vuorata FDTCO:ta käyttämällä.
Kahden tekniikan vertaileva analyysi vuoarvon, virran amplitudin ja pumppauksen suhteen on esitetty taulukossa 5, joka osoittaa, että ehdotettuun tekniikkaan perustuva PVWPS tarjoaa korkean suorituskyvyn lisäämällä pumppausvirtausta ja minimoimalla amplitudivirran ja häviöt, mikä johtuu optimaaliseen vuonvalintaan.
Ehdotetun ohjausstrategian tarkistamiseksi ja testaamiseksi suoritetaan PIL-testi, joka perustuu STM32F4-korttiin. Se sisältää koodin luomisen, joka ladataan ja suoritetaan sulautetulla kortilla. Levy sisältää 32-bittisen mikro-ohjaimen, jossa on 1 Mt Flash, 168 MHz. kellotaajuus, liukulukuyksikkö, DSP-käskyt, 192 KB SRAM.Tämän testin aikana ohjausjärjestelmään luotiin kehitetty PIL-lohko, joka sisälsi generoidun koodin STM32F4-etsintälaitteistokortin perusteella ja otettiin käyttöön Simulink-ohjelmistossa. STM32F4-kortilla konfiguroitavat PIL-testit on esitetty kuvassa 10.
STM32F4:ää käyttävää yhteissimulaatiota PIL-testausta voidaan käyttää edullisena tekniikkana ehdotetun tekniikan tarkistamiseen. Tässä artikkelissa optimoitu moduuli, joka tarjoaa parhaan vertailuvuon, on toteutettu STMicroelectronics Discovery Boardissa (STM32F4).
Jälkimmäinen suoritetaan samanaikaisesti Simulinkin kanssa ja vaihtaa tietoja yhteissimuloinnin aikana ehdotetun PVWPS-menetelmän avulla. Kuva 12 havainnollistaa optimointiteknologian alijärjestelmän toteutusta STM32F4:ssä.
Tässä rinnakkaissimulaatiossa esitetään vain ehdotettu optimaalinen vertailuvuotekniikka, koska se on tämän työn tärkein ohjausmuuttuja, joka osoittaa aurinkosähköisen veden pumppujärjestelmän ohjauskäyttäytymisen.
Postitusaika: 15.4.2022
