Posljednjih godina, poboljšanja u učinkovitosti fotonaponskih vodocrpnih sustava (PVWPS) privukla su veliko zanimanje među istraživačima, budući da se njihov rad temelji na čistoj proizvodnji električne energije. U ovom radu razvijen je novi pristup baziran na neizrazitoj logici za PVWPS. primjene koje uključuju tehnike minimiziranja gubitaka primijenjene na asinkrone motore (IM). Predloženo upravljanje odabire optimalnu veličinu toka minimiziranjem gubitaka IM. Osim toga, uvedena je i metoda promatranja poremećaja s promjenjivim koracima. Prikladnost predloženog upravljanja prepoznaje smanjenje struje ponora;stoga su gubici motora minimizirani i učinkovitost je poboljšana. Predložena strategija upravljanja uspoređena je s metodama bez minimizacije gubitaka. Rezultati usporedbe ilustriraju učinkovitost predložene metode koja se temelji na minimiziranju gubitaka električne brzine, apsorbirane struje, protoka vodu i razvoj fluksa. Test procesora u petlji (PIL) provodi se kao eksperimentalni test predložene metode. Uključuje implementaciju generiranog C koda na ploči za otkrivanje STM32F4. Rezultati dobiveni iz ugrađenog ploča slični su rezultatima numeričke simulacije.
Osobito obnovljivi izvori energijesolarnifotonaponska tehnologija, može biti čišća alternativa fosilnim gorivima u sustavima crpljenja vode1,2. Sustavi fotonaponskog crpljenja dobili su značajnu pozornost u udaljenim područjima bez električne energije3,4.
Različiti motori koriste se u aplikacijama PV pumpanja. Primarni stupanj PVWPS-a temelji se na istosmjernim motorima. Ovim se motorima lako upravlja i implementira, ali zahtijevaju redovito održavanje zbog prisutnosti anotatora i četkica5. Da bi se prevladao ovaj nedostatak, bez četkica uvedeni su motori s permanentnim magnetima, koji se odlikuju visokom učinkovitošću i pouzdanošću bez četkica6. U usporedbi s drugim motorima, PVWPS temeljen na IM-u ima bolje performanse jer je ovaj motor pouzdan, jeftin, ne zahtijeva održavanje i nudi više mogućnosti za strategije upravljanja7 .Uobičajeno se koriste tehnike neizravne kontrole usmjerene na polje (IFOC) i metode izravne kontrole momenta (DTC)8.
IFOC su razvili Blaschke i Hasse i omogućuje promjenu IM brzine u širokom rasponu9,10. Struja statora podijeljena je u dva dijela, jedan generira magnetski tok, a drugi generira moment pretvaranjem u dq koordinatni sustav. To omogućuje neovisna kontrola toka i momenta u stacionarnim i dinamičkim uvjetima. Os (d) je poravnata s prostornim vektorom toka rotora, što uključuje komponentu osi q vektora prostora toka rotora koja je uvijek nula. FOC pruža dobar i brži odziv11 ,12, međutim, ova je metoda složena i podložna varijacijama parametara13. Kako bi prevladali te nedostatke, Takashi i Noguchi14 predstavili su DTC, koji ima visoku dinamičku izvedbu te je robustan i manje osjetljiv na promjene parametara. U DTC-u, elektromagnetski moment i tok statora kontroliraju se oduzimanjem statorskog toka i zakretnog momenta od odgovarajućih procjena. Rezultat se unosi u komparator histereze kako bi se generirao odgovarajući vektor napona za kontrolui tok statora i moment.
Glavna nepogodnost ove strategije upravljanja su velike fluktuacije zakretnog momenta i toka zbog upotrebe regulatora histereze za statorski tok i elektromagnetsku regulaciju zakretnog momenta15,42. Višerazinski pretvarači koriste se za minimiziranje valovitosti, ali učinkovitost je smanjena brojem prekidača snage16. Nekoliko autora koristilo je prostornu vektorsku modulaciju (SWM)17, upravljanje kliznim načinom rada (SMC)18, koje su moćne tehnike, ali pate od neželjenih učinaka podrhtavanja19. Mnogi su istraživači koristili tehnike umjetne inteligencije za poboljšanje performansi kontrolera, među njima, (1) neuronske mreže, strategiju kontrole koja zahtijeva brze procesore za implementaciju20, i (2) genetske algoritme21.
Neizrazita kontrola je robusna, prikladna za nelinearne strategije upravljanja i ne zahtijeva poznavanje točnog modela. Uključuje upotrebu neizrazitih logičkih blokova umjesto histereznih regulatora i tablica odabira prekidača za smanjenje fluksa i valovitosti momenta. Vrijedno je istaknuti da DTC-ovi koji se temelje na FLC-u daju bolje performanse22, ali nedovoljno za maksimiziranje učinkovitosti motora, pa su potrebne tehnike optimizacije kontrolne petlje.
U većini prethodnih studija autori su odabrali konstantni tok kao referentni tok, ali ovaj izbor reference ne predstavlja optimalnu praksu.
Visokoučinkoviti motorni pogoni visoke učinkovitosti zahtijevaju brz i točan odziv brzine. S druge strane, za neke operacije upravljanje možda neće biti optimalno, pa se učinkovitost pogonskog sustava ne može optimizirati. Bolji učinak može se postići korištenjem promjenjiva referenca toka tijekom rada sustava.
Mnogi su autori predložili kontroler pretraživanja (SC) koji minimizira gubitke pod različitim uvjetima opterećenja (kao što je in27) kako bi se poboljšala učinkovitost motora. Tehnika se sastoji od mjerenja i minimiziranja ulazne snage iterativnom referentnom strujom d-osi ili tokom statora Međutim, ova metoda uvodi valovitost zakretnog momenta zbog oscilacija prisutnih u protoku zračnog raspora, a implementacija ove metode zahtijeva puno vremena i računalnih resursa. Optimizacija roja čestica također se koristi za poboljšanje učinkovitosti28, ali ova tehnika može zapeti u lokalnim minimumima, što dovodi do lošeg odabira kontrolnih parametara29.
U ovom radu predložena je tehnika povezana s FDTC za odabir optimalnog magnetskog toka smanjenjem gubitaka motora. Ova kombinacija osigurava mogućnost korištenja optimalne razine toka u svakoj radnoj točki, čime se povećava učinkovitost predloženog fotonaponskog sustava crpljenja vode. Stoga se čini vrlo prikladnim za fotonaponske aplikacije crpljenja vode.
Nadalje, test procesora u petlji predložene metode provodi se korištenjem ploče STM32F4 kao eksperimentalne provjere valjanosti. Glavne prednosti ove jezgre su jednostavnost implementacije, niska cijena i nema potrebe za razvojem složenih programa 30. Dodatno , FT232RL USB-UART pretvorbena ploča povezana je sa STM32F4, što jamči vanjsko komunikacijsko sučelje kako bi se uspostavio virtualni serijski port (COM port) na računalu. Ova metoda omogućuje prijenos podataka pri visokim brzinama prijenosa podataka.
Performanse PVWPS-a koji koriste predloženu tehniku uspoređuju se s fotonaponskim sustavima bez minimizacije gubitaka u različitim radnim uvjetima. Dobiveni rezultati pokazuju da je predloženi sustav fotonaponske pumpe za vodu bolji u minimiziranju struje statora i gubitaka bakra, optimiziranju fluksa i pumpanju vode.
Ostatak rada je strukturiran na sljedeći način: Modeliranje predloženog sustava dano je u odjeljku “Modeliranje fotonaponskih sustava”. U odjeljku “Strategija upravljanja proučavanim sustavom”, FDTC, predložena strategija upravljanja i MPPT tehnika su detaljno opisano. Nalazi se raspravljaju u odjeljku "Rezultati simulacije". U odjeljku "PIL testiranje s pločom za otkrivanje STM32F4" opisano je testiranje procesora u petlji. Zaključci ovog rada prikazani su u " odjeljak Zaključci”.
Slika 1 prikazuje predloženu konfiguraciju sustava za samostalni PV sustav crpljenja vode. Sustav se sastoji od centrifugalne pumpe temeljene na IM-u, fotonaponskog niza, dva pretvarača snage [pretvarač pojačanja i pretvarač izvora napona (VSI)]. U ovom odjeljku , prikazano je modeliranje proučavanog fotonaponskog vodocrpnog sustava.
Ovaj rad usvaja jednodiodni modelsolarnifotonaponske ćelije. Karakteristike PV ćelije označene su s 31, 32 i 33.
Za izvođenje prilagodbe koristi se pojačalni pretvarač. Odnos između ulaznih i izlaznih napona DC-DC pretvarača dan je jednadžbom 34 u nastavku:
Matematički model IM-a može se opisati u referentnom okviru (α,β) sljedećim jednadžbama 5,40:
Gdje \(l_{s }\),\(l_{r}\): induktivitet statora i rotora, M: međusobni induktivitet, \(R_{s }\), \(I_{s }\): otpor statora i struja statora, \(R_{r}\), \(I_{r }\): otpor rotora i struja rotora, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): tok statora i stator napon , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): tok rotora i napon rotora.
Moment opterećenja centrifugalne pumpe proporcionalan kvadratu brzine IM može se odrediti prema:
Upravljanje predloženim sustavom pumpe za vodu podijeljeno je u tri različita pododjeljka. Prvi dio bavi se MPPT tehnologijom. Drugi dio bavi se pokretanjem IM-a na temelju izravne kontrole zakretnog momenta regulatora neizrazite logike. Nadalje, odjeljak III opisuje tehniku koja se odnosi na DTC temeljen na FLC-u koji omogućuje određivanje referentnih flukseva.
U ovom radu koristi se P&O tehnika promjenjivog koraka za praćenje maksimalne točke snage. Karakterizira je brzo praćenje i niske oscilacije (Slika 2)37,38,39.
Glavna ideja DTC-a je izravna kontrola toka i momenta stroja, ali uporaba regulatora histereze za regulaciju elektromagnetskog momenta i toka statora rezultira visokim momentom i valovitošću toka. Stoga je uvedena tehnika zamućivanja kako bi se poboljšala DTC metoda (slika 7), a FLC može razviti dovoljna vektorska stanja pretvarača.
U ovom koraku, ulaz se transformira u neizrazite varijable kroz funkcije pripadnosti (MF) i lingvističke termine.
Tri funkcije pripadnosti za prvi ulaz (εφ) su negativna (N), pozitivna (P) i nula (Z), kao što je prikazano na slici 3.
Pet funkcija pripadnosti za drugi ulaz (\(\varepsilon\)Tem) su Negativno veliko (NL), Negativno malo (NS) Nula (Z), Pozitivno malo (PS) i Pozitivno veliko (PL), kao što je prikazano na slici 4.
Putanja toka statora sastoji se od 12 sektora, u kojima je neizraziti skup predstavljen jednakokračnom trokutastom funkcijom pripadnosti, kao što je prikazano na slici 5.
Tablica 1 grupira 180 neizrazitih pravila koja koriste ulazne funkcije članstva za odabir odgovarajućih stanja prekidača.
Metoda zaključivanja izvodi se korištenjem Mamdanijeve tehnike. Faktor težine (\(\alpha_{i}\)) i-tog pravila dan je pomoću:
gdje\(\mu Ai \lijevo( {e\varphi } \desno)\),\(\mu Bi\lijevo( {eT} \desno) ,\) \(\mu Ci\lijevo( \theta \desno) \) : Vrijednost pripadnosti magnetskog toka, momenta i pogreške kuta toka statora.
Slika 6 ilustrira oštre vrijednosti dobivene iz neizrazitih vrijednosti korištenjem metode maksimuma predložene jednadžbom (20).
Povećanjem učinkovitosti motora, brzina protoka se može povećati, što zauzvrat povećava dnevno pumpanje vode (Slika 7). Svrha sljedeće tehnike je povezati strategiju temeljenu na smanjenju gubitaka s metodom izravne kontrole zakretnog momenta.
Dobro je poznato da je vrijednost magnetskog toka važna za učinkovitost motora. Visoke vrijednosti toka dovode do povećanih gubitaka željeza kao i magnetskog zasićenja kruga. Nasuprot tome, niske razine toka rezultiraju velikim Joule gubicima.
Stoga je smanjenje gubitaka u IM izravno povezano s izborom razine fluksa.
Predložena metoda temelji se na modeliranju Jouleovih gubitaka povezanih sa strujom koja teče kroz namote statora u stroju. Sastoji se od podešavanja vrijednosti toka rotora na optimalnu vrijednost, čime se minimaliziraju gubici motora radi povećanja učinkovitosti. Jouleovi gubici može se izraziti na sljedeći način (zanemarujući gubitke u jezgri):
Elektromagnetski moment\(C_{em}\) i tok rotora\(\phi_{r}\) izračunavaju se u dq koordinatnom sustavu kao:
Elektromagnetski moment\(C_{em}\) i tok rotora\(\phi_{r}\) izračunavaju se u referentnom (d,q) kao:
Rješavanjem jednadžbe.(30) možemo pronaći optimalnu struju statora koja osigurava optimalan tok rotora i minimalne gubitke:
Provedene su različite simulacije pomoću softvera MATLAB/Simulink za procjenu robusnosti i performansi predložene tehnike. Ispitivani sustav sastoji se od osam panela 230 W CSUN 235-60P (tablica 2) spojenih u seriju. Centrifugalnu pumpu pokreće IM, a njegovi karakteristični parametri prikazani su u tablici 3. Komponente PV pumpnog sustava prikazane su u tablici 4.
U ovom odjeljku, fotonaponski sustav crpljenja vode koji koristi FDTC s konstantnom referencom fluksa uspoređuje se s predloženim sustavom koji se temelji na optimalnom fluksu (FDTCO) pod istim radnim uvjetima. Performanse oba fotonaponska sustava testirane su razmatranjem sljedećih scenarija:
Ovaj odjeljak predstavlja predloženo početno stanje crpnog sustava na temelju stope insolacije od 1000 W/m2. Slika 8e ilustrira odziv električne brzine. U usporedbi s FDTC-om, predložena tehnika pruža bolje vrijeme porasta, dostižući stabilno stanje na 1,04 s, i s FDTC, dostižući stabilno stanje na 1,93 s. Slika 8f prikazuje pumpanje dviju strategija upravljanja. Može se vidjeti da FDTCO povećava količinu pumpanja, što objašnjava poboljšanje energije koju pretvara IM. Slike 8g i 8h predstavljaju povučenu struju statora. Struja pokretanja pomoću FDTC-a je 20 A, dok predložena strategija upravljanja predlaže struju pokretanja od 10 A, što smanjuje Jouleove gubitke. Slike 8i i 8j prikazuju razvijeni tok statora. PVPWS radi na konstantnom referentnom fluksu od 1,2 Wb, dok je u predloženoj metodi referentni fluks 1 A, što je uključeno u poboljšanje učinkovitosti fotonaponskog sustava.
(a)Solarnizračenje (b) Ekstrakcija snage (c) Radni ciklus (d) Napon istosmjerne sabirnice (e) Brzina rotora (f) Pumpa vode (g) Struja faze statora za FDTC (h) Struja faze statora za FDTCO (i) Odziv fluksa pomoću FLC (j) Odziv toka pomoću FDTCO (k) Putanja toka statora pomoću FDTC (l) Putanja toka statora pomoću FDTCO.
Thesolarnizračenje je variralo od 1000 do 700 W/m2 u 3 sekunde, a zatim na 500 W/m2 u 6 sekundi (Slika 8a). Slika 8b prikazuje odgovarajuću fotonaponsku snagu za 1000 W/m2, 700 W/m2 i 500 W/m2 .Slike 8c i 8d ilustriraju radni ciklus odnosno napon istosmjernog međukruga. Slika 8e ilustrira električnu brzinu IM-a, a možemo primijetiti da predložena tehnika ima bolju brzinu i vrijeme odziva u usporedbi s fotonaponskim sustavom temeljenim na FDTC-u. Slika 8f prikazuje pumpanje vode za različite razine zračenja dobivene korištenjem FDTC i FDTCO. Više pumpanja može se postići s FDTCO nego s FDTC. Slike 8g i 8h ilustriraju simulirane trenutne odgovore korištenjem FDTC metode i predložene strategije upravljanja. Korištenjem predložene tehnike upravljanja , amplituda struje je minimizirana, što znači manje gubitke bakra, čime se povećava učinkovitost sustava. Stoga, visoke struje pokretanja mogu dovesti do smanjenih performansi stroja. Slika 8j prikazuje evoluciju odziva toka kako bi se odabraooptimalni tok kako bi se osiguralo da su gubici minimizirani, stoga predložena tehnika ilustrira njegovu izvedbu. Za razliku od slike 8i, tok je konstantan, što ne predstavlja optimalan rad. Slike 8k i 8l prikazuju evoluciju putanje toka statora. Slika 8l ilustrira optimalni razvoj toka i objašnjava glavnu ideju predložene strategije upravljanja.
Nagla promjena usolarniprimijenjeno je zračenje, počevši s zračenjem od 1000 W/m2 i naglo se smanjilo na 500 W/m2 nakon 1,5 s (Sl. 9a). Slika 9b prikazuje fotonaponsku snagu izvučenu iz fotonaponskih ploča, koja odgovara 1000 W/m2 i 500 W/m2. Slike 9c i 9d ilustriraju radni ciklus odnosno napon istosmjernog međukruga. Kao što se može vidjeti na slici 9e, predložena metoda osigurava bolje vrijeme odziva. Slika 9f prikazuje pumpanje vode dobiveno za dvije strategije upravljanja. Pumpanje s FDTCO bio veći nego s FDTC, pumpanje 0,01 m3/s pri zračenju od 1000 W/m2 u usporedbi s 0,009 m3/s s FDTC;nadalje, kada je zračenje bilo 500 W At /m2, FDTCO je pumpao 0,0079 m3/s, dok je FDTC pumpao 0,0077 m3/s. Slike 9g i 9h. Opisuju trenutni odziv simuliran korištenjem FDTC metode i predložene strategije upravljanja. Možemo primijetiti da predložena strategija upravljanja pokazuje da je amplituda struje smanjena pod naglim promjenama zračenja, što rezultira smanjenim gubicima bakra. Slika 9j prikazuje evoluciju odziva toka kako bi se odabrao optimalni tok kako bi se osiguralo da su gubici minimizirani, stoga je predložena tehnika ilustrira njegovu izvedbu s fluksom od 1Wb i zračenjem od 1000 W/m2, dok je fluks 0,83Wb, a zračenje 500 W/m2. Za razliku od slike 9i, fluks je konstantan na 1,2 Wb, što ne predstavljaju optimalnu funkciju. Slike 9k i 9l prikazuju evoluciju putanje toka statora. Slika 9l ilustrira razvoj optimalnog toka i objašnjava glavnu ideju predložene strategije upravljanja i poboljšanja predloženog sustava pumpanja.
(a)Solarnizračenje (b) Ekstrahirana snaga (c) Radni ciklus (d) Napon istosmjerne sabirnice (e) Brzina rotora (f) Protok vode (g) Struja faze statora za FDTC (h) Struja faze statora za FDTCO (i) ) Odziv fluksa pomoću FLC (j) Odziv toka pomoću FDTCO (k) Putanja toka statora pomoću FDTC (l) Putanja toka statora pomoću FDTCO.
Usporedna analiza dviju tehnologija u smislu vrijednosti toka, amplitude struje i pumpanja prikazana je u tablici 5, koja pokazuje da PVWPS temeljen na predloženoj tehnologiji pruža visoke performanse s povećanim protokom pumpanja i minimalnom amplitudom struje i gubitaka, što je zbog do optimalnog odabira fluksa.
Kako bi se provjerila i testirala predložena strategija upravljanja, provodi se PIL test temeljen na ploči STM32F4. Uključuje generiranje koda koji će se učitati i pokrenuti na ugrađenoj ploči. Ploča sadrži 32-bitni mikrokontroler s 1 MB Flash, 168 MHz taktna frekvencija, jedinica s pomičnim zarezom, DSP instrukcije, 192 KB SRAM. Tijekom ovog testa, razvijeni PIL blok je stvoren u upravljačkom sustavu koji sadrži generirani kod temeljen na hardverskoj ploči za otkrivanje STM32F4 i uveden u softver Simulink. Koraci koji omogućuju PIL testovi koji se konfiguriraju pomoću ploče STM32F4 prikazani su na slici 10.
Kosimulacijsko PIL testiranje pomoću STM32F4 može se koristiti kao jeftina tehnika za provjeru predložene tehnike. U ovom radu optimizirani modul koji pruža najbolji referentni tok implementiran je u STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Potonji se izvodi istovremeno sa Simulinkom i razmjenjuje informacije tijekom kosimulacije koristeći predloženu PVWPS metodu. Slika 12 ilustrira implementaciju podsustava optimizacijske tehnologije u STM32F4.
U ovoj kosimulaciji prikazana je samo predložena tehnika optimalnog referentnog toka, budući da je to glavna kontrolna varijabla za ovaj rad koji demonstrira kontrolno ponašanje fotonaponskog sustava crpljenja vode.
Vrijeme objave: 15. travnja 2022
