I de senere år har forbedringer i effektiviteten af fotovoltaiske vandpumpesystemer (PVWPS) tiltrukket sig stor interesse blandt forskere, da deres drift er baseret på ren elektrisk energiproduktion. I dette papir udvikles en ny fuzzy logic controller-baseret tilgang til PVWPS applikationer, der inkorporerer tabsminimeringsteknikker, der anvendes til induktionsmotorer (IM). Den foreslåede kontrol vælger den optimale fluxstørrelse ved at minimere IM-tab.Derudover introduceres den variable-trin perturbationsobservationsmetode. Egnetheden af den foreslåede kontrol anerkendes af reduktion af vaskestrømmen;derfor minimeres motortab, og effektiviteten forbedres. Den foreslåede kontrolstrategi sammenlignes med metoder uden tabsminimering. Sammenligningsresultaterne illustrerer effektiviteten af den foreslåede metode, som er baseret på minimering af tab i elektrisk hastighed, absorberet strøm, strømning vand, og udvikling af flux.En processor-in-the-loop (PIL)-test udføres som en eksperimentel test af den foreslåede metode.Den omfatter implementeringen af den genererede C-kode på STM32F4-opdagelseskortet. Resultaterne opnået fra den indlejrede bord ligner de numeriske simuleringsresultater.
Især vedvarende energisolenergisolcelleteknologi, kan være et renere alternativ til fossile brændstoffer i vandpumpesystemer1,2. Fotovoltaiske pumpesystemer har fået betydelig opmærksomhed i fjerntliggende områder uden elektricitet3,4.
Forskellige motorer bruges i PV-pumpeapplikationer. Den primære fase af PVWPS er baseret på DC-motorer. Disse motorer er nemme at kontrollere og implementere, men de kræver regelmæssig vedligeholdelse på grund af tilstedeværelsen af annotatorer og børster5. For at overvinde denne mangel, børsteløs permanentmagnetmotorer blev introduceret, som er kendetegnet ved børsteløs, høj effektivitet og pålidelighed6. Sammenlignet med andre motorer har IM-baseret PVWPS bedre ydeevne, fordi denne motor er pålidelig, lavpris, vedligeholdelsesfri og giver flere muligheder for kontrolstrategier7 .Indirect Field Oriented Control (IFOC) teknikker og Direct Torque Control (DTC) metoder er almindeligt anvendt8.
IFOC er udviklet af Blaschke og Hasse og gør det muligt at ændre IM-hastigheden over et bredt område 9,10. Statorstrømmen er opdelt i to dele, den ene genererer den magnetiske flux og den anden genererer drejningsmomentet ved at konvertere til dq-koordinatsystemet. uafhængig kontrol af flux og drejningsmoment under steady state og dynamiske forhold. Akse (d) er rettet ind efter rotorfluxrumvektoren, hvilket indebærer, at q-aksekomponenten af rotorfluxrumsvektoren altid er nul.FOC giver en god og hurtigere respons11 ,12, men denne metode er kompleks og underlagt parametervariationer13.For at overvinde disse mangler introducerede Takashi og Noguchi14 DTC, som har høj dynamisk ydeevne og er robust og mindre følsom over for parameterændringer.I DTC er det elektromagnetiske drejningsmoment og statorflux styres ved at trække statorfluxen og drejningsmomentet fra de tilsvarende estimater. Resultatet føres ind i en hysteresekomparator for at generere den passende spændingsvektor til styringbåde statorflux og moment.
Den største ulempe ved denne kontrolstrategi er de store drejningsmoment- og fluxudsving på grund af brugen af hystereseregulatorer til statorflux og elektromagnetisk drejningsmomentregulering15,42.Multilevel-konvertere bruges til at minimere ripple, men effektiviteten reduceres med antallet af strømafbrydere16. Adskillige forfattere har brugt rumvektormodulation (SWM)17, sliding mode control (SMC)18, som er kraftfulde teknikker, men lider af uønskede rystende effekter19. Mange forskere har brugt kunstig intelligens-teknikker til at forbedre controllerens ydeevne, blandt dem (1) neurale netværk, en kontrolstrategi, der kræver højhastighedsprocessorer at implementere20, og (2) genetiske algoritmer21.
Fuzzy-styring er robust, velegnet til ikke-lineære kontrolstrategier og kræver ikke kendskab til den nøjagtige model.Den omfatter brugen af fuzzy logikblokke i stedet for hysteretiske controllere og switch-udvælgelsestabeller for at reducere flux og drejningsmoment-rippel. Det er værd at påpege, at FLC-baserede DTC'er giver bedre ydeevne22, men ikke nok til at maksimere motorens effektivitet, så styringsløkkeoptimeringsteknikker er påkrævet.
I de fleste tidligere undersøgelser har forfatterne valgt konstant flux som referenceflux, men dette valg af reference repræsenterer ikke optimal praksis.
Højtydende, højeffektive motordrev kræver hurtig og nøjagtig hastighedsrespons. På den anden side er styringen til nogle operationer muligvis ikke optimal, så effektiviteten af drivsystemet kan ikke optimeres. Bedre ydeevne kan opnås ved at bruge en variabel fluxreference under systemdrift.
Mange forfattere har foreslået en søgecontroller (SC), der minimerer tab under forskellige belastningsforhold (såsom in27) for at forbedre effektiviteten af motoren. Teknikken består i at måle og minimere inputeffekten ved iterativ d-akse strømreference eller statorflux reference.Denne metode introducerer dog drejningsmomentrippel på grund af svingninger til stede i luftgab-fluxen, og implementeringen af denne metode er tidskrævende og beregningsmæssigt ressourcekrævende.Partikelsværmoptimering bruges også til at forbedre effektiviteten28, men denne teknik kan sidde fast i lokale minima, hvilket fører til dårligt valg af kontrolparametre29.
I dette papir foreslås en teknik relateret til FDTC til at vælge den optimale magnetiske flux ved at reducere motortab. Denne kombination sikrer muligheden for at bruge det optimale fluxniveau ved hvert driftspunkt, og derved øge effektiviteten af det foreslåede fotovoltaiske vandpumpesystem. Derfor ser det ud til at være meget praktisk til fotovoltaiske vandpumpningsapplikationer.
Desuden udføres en processor-in-the-loop-test af den foreslåede metode ved hjælp af STM32F4-kortet som en eksperimentel validering.De vigtigste fordele ved denne kerne er enkel implementering, lave omkostninger og ingen grund til at udvikle komplekse programmer 30 . FT232RL USB-UART-konverteringskortet er forbundet med STM32F4, som garanterer en ekstern kommunikationsgrænseflade for at etablere en virtuel seriel port (COM-port) på computeren. Denne metode gør det muligt at transmittere data ved høje baud-hastigheder.
Ydeevnen af PVWPS ved hjælp af den foreslåede teknik sammenlignes med PV-systemer uden tabsminimering under forskellige driftsforhold. De opnåede resultater viser, at det foreslåede fotovoltaiske vandpumpesystem er bedre til at minimere statorstrøm og kobbertab, optimere flux og pumpe vand.
Resten af papiret er struktureret som følger: Modelleringen af det foreslåede system er givet i afsnittet "Modellering af fotovoltaiske systemer". I afsnittet "Kontrolstrategi for det undersøgte system", FDTC, er den foreslåede kontrolstrategi og MPPT-teknik. beskrevet i detaljer. Resultaterne er diskuteret i afsnittet "Simuleringsresultater". I afsnittet "PIL-test med STM32F4-opdagelseskortet" beskrives processor-i-løkken-testning. Konklusionerne af dette papir præsenteres i " Konklusioner” afsnit.
Figur 1 viser den foreslåede systemkonfiguration for et selvstændigt PV-vandpumpesystem. Systemet består af en IM-baseret centrifugalpumpe, et fotovoltaisk array, to strømomformere [boost-konverter og spændingskildeinverter (VSI)]. I dette afsnit , præsenteres modelleringen af det undersøgte fotovoltaiske vandpumpesystem.
Dette papir vedtager single-diode modellen afsolenergifotovoltaiske celler. PV-cellens egenskaber er angivet med 31, 32 og 33.
For at udføre tilpasningen bruges en boost-konverter. Forholdet mellem indgangs- og udgangsspændingerne på DC-DC-konverteren er givet af ligning 34 nedenfor:
Den matematiske model af IM kan beskrives i referencerammen (α,β) ved følgende ligninger 5,40:
Hvor \(l_{s }\),\(l_{r}\): stator- og rotorinduktans, M: gensidig induktans, \(R_{s }\), \(I_{s }\): statormodstand og statorstrøm, \(R_{r}\), \(I_{r}\): rotormodstand og rotorstrøm, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): statorflux og stator spænding , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rotorflux og rotorspænding.
Centrifugalpumpens belastningsmoment proportionalt med kvadratet af IM-hastigheden kan bestemmes ved:
Styringen af det foreslåede vandpumpesystem er opdelt i tre adskilte underafsnit. Den første del omhandler MPPT-teknologi. Anden del omhandler styring af IM baseret på fuzzy logic controllerens direkte drejningsmomentstyring. Ydermere beskriver afsnit III en teknik relateret til bl.a. FLC-baseret DTC, der tillader bestemmelse af referencefluxer.
I dette arbejde bruges en P&O-teknik med variabel trin til at spore det maksimale effektpunkt. Den er karakteriseret ved hurtig sporing og lav oscillation (Figur 2)37,38,39.
Hovedidéen med DTC er at styre maskinens flux og drejningsmoment direkte, men brugen af hystereseregulatorer til elektromagnetisk drejningsmoment og statorfluxregulering resulterer i højt drejningsmoment og flux-rippel. Derfor introduceres en sløringsteknik for at forbedre DTC-metoden (fig. 7), og FLC kan udvikle tilstrækkelige inverter-vektortilstande.
I dette trin transformeres inputtet til fuzzy variabler gennem medlemsfunktioner (MF) og sproglige termer.
De tre medlemsfunktioner for det første input (εφ) er negativ (N), positiv (P) og nul (Z), som vist i figur 3.
De fem medlemsfunktioner for det andet input (\(\varepsilon\)Tem) er Negativ Stor (NL) Negativ Lille (NS) Nul (Z) Positiv Lille (PS) og Positiv Stor (PL), som vist i figur 4.
Statorfluxbanen består af 12 sektorer, hvor fuzzy-sættet er repræsenteret af en ligebenet trekantet medlemsfunktion, som vist i figur 5.
Tabel 1 grupperer 180 uklare regler, der bruger input-medlemskabsfunktionerne til at vælge passende switch-tilstande.
Inferensmetoden udføres ved hjælp af Mamdanis teknik. Vægtfaktoren (\(\alpha_{i}\)) af den i-te regel er givet ved:
hvor\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Medlemskabsværdi af magnetisk flux, drejningsmoment og statorfluxvinkelfejl.
Figur 6 illustrerer de skarpe værdier opnået fra de uklare værdier ved hjælp af den maksimale metode foreslået af ligning(20).
Ved at øge motoreffektiviteten kan strømningshastigheden øges, hvilket igen øger den daglige vandpumpning (Figur 7). Formålet med den følgende teknik er at forbinde en tabsminimeringsbaseret strategi med en metode til direkte momentstyring.
Det er velkendt, at værdien af den magnetiske flux er vigtig for motorens effektivitet. Høje fluxværdier fører til øgede jerntab samt magnetisk mætning af kredsløbet. Omvendt resulterer lave fluxniveauer i høje Joule-tab.
Derfor er reduktionen af tab i IM direkte relateret til valget af fluxniveau.
Den foreslåede metode er baseret på modellering af Joule-tabene forbundet med strømmen, der flyder gennem statorviklingerne i maskinen. Den består i at justere værdien af rotorfluxen til en optimal værdi og derved minimere motortab for at øge effektiviteten. Joule-tab kan udtrykkes som følger (ignorerer kernetab):
Det elektromagnetiske drejningsmoment\(C_{em}\) og rotorflux\(\phi_{r}\) beregnes i dq-koordinatsystemet som:
Det elektromagnetiske drejningsmoment\(C_{em}\) og rotorflux\(\phi_{r}\) beregnes i reference (d,q) som:
ved at løse ligningen.(30), kan vi finde den optimale statorstrøm, der sikrer optimal rotorflux og minimale tab:
Forskellige simuleringer blev udført ved hjælp af MATLAB/Simulink software til at evaluere robustheden og ydeevnen af den foreslåede teknik. Det undersøgte system består af otte 230 W CSUN 235-60P paneler (tabel 2) forbundet i serie. Centrifugalpumpen drives af IM, og dets karakteristiske parametre er vist i tabel 3. Komponenterne i PV-pumpesystemet er vist i tabel 4.
I dette afsnit sammenlignes et fotovoltaisk vandpumpesystem, der anvender FDTC med en konstant fluxreference, med et foreslået system baseret på optimal flux (FDTCO) under de samme driftsbetingelser. Ydeevnen af begge fotovoltaiske systemer blev testet ved at overveje følgende scenarier:
Dette afsnit præsenterer den foreslåede opstartstilstand for pumpesystemet baseret på en isolationshastighed på 1000 W/m2. Figur 8e illustrerer den elektriske hastighedsreaktion. Sammenlignet med FDTC giver den foreslåede teknik en bedre stigetid og når stabil tilstand ved 1,04 s, og med FDTC, når steady state ved 1,93 s. Figur 8f viser pumpningen af de to kontrolstrategier. Det kan ses, at FDTCO øger pumpemængden, hvilket forklarer forbedringen i energien omdannet af IM.Figur 8g og 8h repræsenterer den tegnede statorstrøm. Opstartsstrømmen ved hjælp af FDTC er 20 A, mens den foreslåede styrestrategi foreslår en startstrøm på 10 A, hvilket reducerer Joule-tab. Figur 8i og 8j viser den udviklede statorflux. Den FDTC-baserede PVPWS opererer med en konstant referenceflux på 1,2 Wb, mens referencefluxen i den foreslåede metode er 1 A, hvilket er med til at forbedre solcelleanlæggets effektivitet.
(en)Solarstråling (b) Strømudtræk (c) Driftscyklus (d) DC-busspænding (e) Rotorhastighed (f) Pumpevand (g) Statorfasestrøm for FDTC (h) Statorfasestrøm for FDTCO (i) Fluxrespons ved hjælp af FLC (j) Fluxrespons ved hjælp af FDTCO (k) Statorfluxbane ved hjælp af FDTC (l) Statorfluxbane ved brug af FDTCO.
Detsolenergistråling varierede fra 1000 til 700 W/m2 ved 3 sekunder og derefter til 500 W/m2 ved 6 sekunder (fig. 8a). Figur 8b viser den tilsvarende solcelleeffekt for 1000 W/m2, 700 W/m2 og 500 W/m2 .Figur 8c og 8d illustrerer henholdsvis duty cycle og DC link-spænding.Figur 8e illustrerer den elektriske hastighed af IM, og vi kan bemærke, at den foreslåede teknik har bedre hastighed og responstid sammenlignet med det FDTC-baserede solcellesystem.Figur 8f viser vandpumpningen for forskellige irradiansniveauer opnået ved hjælp af FDTC og FDTCO. Mere pumpning kan opnås med FDTCO end med FDTC. Figur 8g og 8h illustrerer de simulerede strømreaktioner ved hjælp af FDTC-metoden og den foreslåede kontrolstrategi. Ved at bruge den foreslåede kontrolteknik , er strømamplituden minimeret, hvilket betyder færre kobbertab, hvilket øger systemets effektivitet. Derfor kan høje opstartsstrømme føre til reduceret maskinydelse. Figur 8j viser udviklingen af fluxresponsen for at vælgeoptimal flux for at sikre, at tab minimeres, derfor illustrerer den foreslåede teknik dens ydeevne.I modsætning til figur 8i er fluxen konstant, hvilket ikke repræsenterer optimal drift.Figur 8k og 8l viser udviklingen af statorfluxbanen.Figur 8l illustrerer den optimale fluxudvikling og forklarer hovedideen i den foreslåede kontrolstrategi.
En pludselig ændring isolenergistråling blev påført, begyndende med en irradians på 1000 W/m2 og brat faldende til 500 W/m2 efter 1,5 s (fig. 9a). Figur 9b viser den solcelleeffekt, der udvindes fra solcellepanelerne, svarende til 1000 W/m2 og 500 W/m2. Figur 9c og 9d illustrerer henholdsvis duty cycle og DC link-spænding. Som det kan ses af figur 9e, giver den foreslåede metode en bedre responstid. Figur 9f viser vandpumpningen opnået for de to styrestrategier. Pumping med FDTCO var højere end med FDTC, pumpning 0,01 m3/s ved 1000 W/m2 irradians sammenlignet med 0,009 m3/s med FDTC;desuden, når irradiansen var 500 W At /m2, pumpede FDTCO 0,0079 m3/s, mens FDTC pumpede 0,0077 m3/s. Figur 9g og 9h. Beskriver den aktuelle respons simuleret ved hjælp af FDTC-metoden og den foreslåede kontrolstrategi. Vi kan bemærke, at den foreslåede kontrolstrategi viser, at den aktuelle amplitude reduceres under pludselige irradiansændringer, hvilket resulterer i reducerede kobbertab. Figur 9j viser udviklingen af fluxresponsen for at vælge den optimale flux for at sikre, at tabene minimeres, derfor er den foreslåede teknik illustrerer dens ydeevne med en flux på 1Wb og en irradians på 1000 W/m2, mens fluxen er 0,83Wb og irradiansen er 500 W/m2. I modsætning til fig. 9i er fluxen konstant på 1,2 Wb, hvilket ikke gør det repræsentere optimal funktion.Figur 9k og 9l viser udviklingen af statorfluxbanen.Figur 9l illustrerer den optimale fluxudvikling og forklarer hovedideen i den foreslåede kontrolstrategi og forbedringen af det foreslåede pumpesystem.
(en)Solarstråling (b) Udvundet effekt (c) Driftscyklus (d) DC-busspænding (e) Rotorhastighed (f) Vandflow (g) Statorfasestrøm for FDTC (h) Statorfasestrøm for FDTCO (i) ) Fluxrespons vha. FLC (j) Fluxrespons ved hjælp af FDTCO (k) Statorfluxbane ved hjælp af FDTC (l) Statorfluxbane ved hjælp af FDTCO.
En sammenlignende analyse af de to teknologier med hensyn til fluxværdi, strømamplitude og pumpning er vist i tabel 5, som viser, at PVWPS baseret på den foreslåede teknologi giver høj ydeevne med øget pumpeflow og minimeret amplitudestrøm og tab, hvilket skyldes til optimalt fluxvalg.
For at verificere og teste den foreslåede kontrolstrategi udføres en PIL-test baseret på STM32F4-kortet. Den inkluderer genereringskode, der vil blive indlæst og køre på det indlejrede kort. Kortet indeholder en 32-bit mikrocontroller med 1 MB Flash, 168 MHz klokfrekvens, flydende komma-enhed, DSP-instruktioner, 192 KB SRAM.Under denne test blev der oprettet en udviklet PIL-blok i kontrolsystemet indeholdende den genererede kode baseret på STM32F4-opdagelseshardwarekortet og introduceret i Simulink-softwaren.Trinnene til at tillade PIL-test, der skal konfigureres ved hjælp af STM32F4-kortet, er vist i figur 10.
Co-simulering PIL-test ved hjælp af STM32F4 kan bruges som en billig teknik til at verificere den foreslåede teknik. I dette papir er det optimerede modul, der giver den bedste referenceflux, implementeret i STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Sidstnævnte udføres samtidig med Simulink og udveksler information under co-simulering ved hjælp af den foreslåede PVWPS-metode. Figur 12 illustrerer implementeringen af optimeringsteknologi-undersystemet i STM32F4.
Kun den foreslåede optimale referencefluxteknik er vist i denne co-simulering, da den er den vigtigste kontrolvariabel for dette arbejde, der demonstrerer styreadfærden for et fotovoltaisk vandpumpesystem.
Indlægstid: 15-apr-2022
