Zlepšení účinnosti fotovoltaických vodních čerpacích systémů (PVWPS) vyvolalo v posledních letech mezi výzkumníky velký zájem, protože jejich provoz je založen na čisté výrobě elektrické energie. V tomto článku je vyvinut nový přístup založený na fuzzy logice pro PVWPS. aplikace, které zahrnují techniky minimalizace ztrát aplikované na indukční motory (IM). Navrhované řízení vybírá optimální velikost toku minimalizací ztrát IM. Kromě toho je také zavedena metoda pozorování poruch s proměnným krokem. Vhodnost navrhovaného řízení je rozpoznána snížení klesajícího proudu;proto se minimalizují ztráty motoru a zlepšuje se účinnost.Navržená strategie řízení je porovnána s metodami bez minimalizace ztrát.Výsledky srovnání ilustrují účinnost navržené metody, která je založena na minimalizaci ztrát elektrické rychlosti, absorbovaného proudu, protékajícího voda a vývojový tok. Jako experimentální test navrhované metody se provádí test procesoru ve smyčce (PIL). Zahrnuje implementaci vygenerovaného kódu C na vyhledávací desce STM32F4. Výsledky získané z vestavěných desky jsou podobné výsledkům numerické simulace.
Zejména obnovitelná energieslunečnífotovoltaická technologie může být čistší alternativou k fosilním palivům ve vodních čerpacích systémech1,2. Fotovoltaickým čerpacím systémům byla věnována značná pozornost v odlehlých oblastech bez elektřiny3,4.
V aplikacích PV čerpání se používají různé motory. Primární stupeň PVWPS je založen na stejnosměrných motorech. Tyto motory se snadno ovládají a implementují, ale vyžadují pravidelnou údržbu kvůli přítomnosti anotátorů a kartáčů5. K překonání tohoto nedostatku je použit bezkomutátorový byly představeny motory s permanentními magnety, které se vyznačují bezkomutátorovou, vysokou účinností a spolehlivostí6. Ve srovnání s jinými motory má PVWPS na bázi IM lepší výkon, protože tento motor je spolehlivý, levný, bezúdržbový a nabízí více možností pro strategie řízení7 Běžně se používají techniky nepřímého řízení orientovaného polem (IFOC) a metody přímého řízení točivého momentu (DTC)8.
IFOC vyvinuli Blaschke a Hasse a umožňuje měnit rychlost IM v širokém rozsahu9,10. Proud statoru je rozdělen na dvě části, jedna generuje magnetický tok a druhá generuje točivý moment převodem na dq souřadnicový systém. nezávislé řízení toku a točivého momentu v ustáleném stavu a dynamických podmínkách. Osa (d) je vyrovnána s prostorovým vektorem toku rotoru, což znamená, že složka prostorového vektoru toku rotoru na ose q je vždy nulová.FOC poskytuje dobrou a rychlejší odezvu11 ,12, nicméně tato metoda je složitá a podléhá změnám parametrů13. K překonání těchto nedostatků zavedli Takashi a Noguchi14 kód DTC, který má vysoký dynamický výkon a je robustní a méně citlivý na změny parametrů. jsou řízeny odečtením toku statoru a točivého momentu od odpovídajících odhadů. Výsledek je přiváděn do komparátoru hystereze, aby se vygeneroval vhodný vektor napětí pro řízeníjak tok statoru, tak točivý moment.
Hlavní nevýhodou této strategie řízení je velké kolísání točivého momentu a toku v důsledku použití regulátorů hystereze toku statoru a elektromagnetické regulace točivého momentu15,42. Pro minimalizaci zvlnění se používají víceúrovňové měniče, ale účinnost je snížena počtem výkonových spínačů16. Několik autorů použilo prostorovou vektorovou modulaci (SWM)17, klouzavý režim řízení (SMC)18, což jsou výkonné techniky, ale trpí nežádoucími efekty jitteringu19. Mnoho výzkumníků používá techniky umělé inteligence ke zlepšení výkonu ovladače, mezi nimi (1) neurální sítě, strategie řízení, která vyžaduje implementaci vysokorychlostních procesorů20, a (2) genetické algoritmy21.
Fuzzy řízení je robustní, vhodné pro nelineární řídicí strategie a nevyžaduje znalost přesného modelu. Zahrnuje použití bloků fuzzy logiky namísto hysteretických regulátorů a tabulek pro výběr spínačů ke snížení zvlnění toku a točivého momentu. Stojí za zmínku, že Kódy DTC založené na FLC poskytují lepší výkon22, ale nestačí k maximalizaci účinnosti motoru, takže jsou nutné techniky optimalizace řídicí smyčky.
Ve většině předchozích studií autoři zvolili jako referenční tok konstantní tok, ale tato volba reference nepředstavuje optimální praxi.
Vysoce výkonné a vysoce účinné motorové pohony vyžadují rychlou a přesnou rychlostní odezvu. Na druhou stranu u některých operací nemusí být řízení optimální, takže účinnost pohonného systému nelze optimalizovat. Lepšího výkonu lze dosáhnout použitím proměnná reference toku během provozu systému.
Mnoho autorů navrhlo vyhledávací řadič (SC), který minimalizuje ztráty za různých podmínek zatížení (jako např. in27), aby se zlepšila účinnost motoru. Tato technika spočívá v měření a minimalizaci vstupního výkonu pomocí iterativní reference proudu v ose d nebo toku statoru. Tato metoda však zavádí zvlnění točivého momentu v důsledku oscilací přítomných v toku vzduchové mezery a implementace této metody je časově a výpočetně náročná. Optimalizace roje částic se také používá ke zlepšení účinnosti28, ale tato technika může uvíznou v lokálních minimech, což vede ke špatnému výběru řídicích parametrů29.
V tomto článku je navržena technika související s FDTC pro výběr optimálního magnetického toku snížením ztrát motoru. Tato kombinace zajišťuje schopnost využívat optimální úroveň toku v každém provozním bodě, čímž se zvyšuje účinnost navrhovaného fotovoltaického systému čerpání vody. Proto se zdá být velmi vhodný pro aplikace fotovoltaického čerpání vody.
Dále je prováděn test procesoru ve smyčce navržené metody pomocí desky STM32F4 jako experimentální ověření. Hlavními výhodami tohoto jádra jsou jednoduchost implementace, nízká cena a není potřeba vyvíjet složité programy 30 . , převodní deska USB-UART FT232RL je spojena s STM32F4, což zaručuje externí komunikační rozhraní pro vytvoření virtuálního sériového portu (COM port) na počítači. Tato metoda umožňuje přenos dat vysokou přenosovou rychlostí.
Výkon FVE pomocí navržené techniky je porovnán s FV systémy bez minimalizace ztrát za různých provozních podmínek. Získané výsledky ukazují, že navrhovaný systém fotovoltaického vodního čerpadla je lepší v minimalizaci statorových proudů a ztrát mědi, optimalizaci toku a čerpání vody.
Zbytek článku je strukturován následovně: Modelování navrhovaného systému je uvedeno v části „Modelování fotovoltaických systémů“. V části „Strategie řízení studovaného systému“, FDTC, je navržená strategie řízení a technika MPPT. podrobně popsány. Zjištění jsou diskutována v části „Výsledky simulace“. V části „Testování PIL s deskou STM32F4 discovery board“ je popsáno testování procesoru ve smyčce. Závěry tohoto článku jsou uvedeny v části „ část Závěry“.
Obrázek 1 ukazuje navrhovanou konfiguraci systému pro samostatný FV systém čerpání vody.Systém se skládá z odstředivého čerpadla na bázi IM, fotovoltaického pole, dvou výkonových konvertorů [převodník zesílení a střídač zdroje napětí (VSI)]. V této části , je prezentováno modelování studovaného systému fotovoltaického čerpání vody.
Tento článek přejímá jednodiodový modelslunečnífotovoltaické články. Charakteristiky FV článku jsou označeny 31, 32 a 33.
K provedení adaptace se používá zesilovací měnič. Vztah mezi vstupním a výstupním napětím DC-DC měniče je dán rovnicí 34 níže:
Matematický model IM lze popsat v referenční soustavě (α,β) následujícími rovnicemi 5,40:
Kde \(l_{s }\),\(l_{r}\): indukčnost statoru a rotoru, M: vzájemná indukčnost, \(R_{s }\), \(I_{s }\): odpor statoru a Proud statoru, \(R_{r}\), \(I_{r }\): odpor rotoru a proud rotoru, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): tok statoru a stator napětí , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): tok rotoru a napětí rotoru.
Zátěžový moment odstředivého čerpadla úměrný druhé mocnině rychlosti IM lze určit:
Řízení navrhovaného systému vodního čerpadla je rozděleno do tří samostatných podsekcí. První část se zabývá technologií MPPT. Druhá část se zabývá řízením IM na základě přímého řízení točivého momentu regulátoru fuzzy logiky. Dále oddíl III popisuje techniku související s DTC založený na FLC, který umožňuje stanovení referenčních toků.
V této práci se pro sledování bodu maximálního výkonu používá technika P&O s proměnným krokem. Vyznačuje se rychlým sledováním a nízkou oscilací (obrázek 2)37,38,39.
Hlavní myšlenkou DTC je přímé řízení toku a točivého momentu stroje, ale použití regulátorů hystereze pro elektromagnetickou regulaci točivého momentu a statorového toku vede k vysokému točivému momentu a zvlnění toku. Proto je zavedena technika rozmazání, aby se zlepšil Metoda DTC (obr. 7) a FLC může vyvinout dostatečné vektorové stavy invertoru.
V tomto kroku se vstup transformuje na fuzzy proměnné prostřednictvím funkcí příslušnosti (MF) a lingvistických termínů.
Tři funkce příslušnosti pro první vstup (εφ) jsou záporné (N), kladné (P) a nulové (Z), jak je znázorněno na obrázku 3.
Pět funkcí členství pro druhý vstup (\(\varepsilon\)Tem) je Negative Large (NL), Negative Small (NS) Nula (Z) Positive Small (PS) a Positive Large (PL), jak je znázorněno na obrázku 4.
Trajektorie toku statoru se skládá z 12 sektorů, ve kterých je fuzzy množina reprezentována rovnoramennou trojúhelníkovou funkcí příslušnosti, jak je znázorněno na obrázku 5.
Tabulka 1 seskupuje 180 fuzzy pravidel, která používají funkce vstupní příslušnosti k výběru vhodných stavů přepínače.
Inferenční metoda se provádí pomocí Mamdaniho techniky. Váhový faktor (\(\alpha_{i}\)) i-tého pravidla je dán vztahem:
kde\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Hodnota členství magnetického toku, krouticího momentu a chyby úhlu toku statoru.
Obrázek 6 znázorňuje ostré hodnoty získané z fuzzy hodnot pomocí maximální metody navržené rovnicí (20).
Zvýšením účinnosti motoru lze zvýšit průtok, což zase zvýší denní čerpání vody (obrázek 7). Účelem následující techniky je spojit strategii založenou na minimalizaci ztrát s metodou přímého řízení točivého momentu.
Je dobře známo, že hodnota magnetického toku je důležitá pro účinnost motoru. Vysoké hodnoty toku vedou ke zvýšeným ztrátám železa a také magnetickému nasycení obvodu. Naopak nízké úrovně toku mají za následek vysoké ztráty Joule.
Snížení ztrát v IM tedy přímo souvisí s volbou úrovně toku.
Navržená metoda je založena na modelování Jouleových ztrát spojených s proudem protékajícím statorovými vinutími ve stroji. Spočívá v úpravě hodnoty rotorového toku na optimální hodnotu, čímž se minimalizují ztráty motoru pro zvýšení účinnosti. Jouleovy ztráty lze vyjádřit následovně (bez ohledu na ztráty jádra):
Elektromagnetický točivý moment\(C_{em}\) a rotorový tok\(\phi_{r}\) jsou vypočteny v dq souřadnicovém systému jako:
Elektromagnetický točivý moment\(C_{em}\) a tok rotoru\(\phi_{r}\) jsou vypočteny v odkazu (d,q) jako:
řešením rovnice.(30) můžeme najít optimální statorový proud, který zajišťuje optimální tok rotoru a minimální ztráty:
Byly provedeny různé simulace pomocí softwaru MATLAB/Simulink k vyhodnocení robustnosti a výkonu navrhované techniky. Zkoumaný systém se skládá z osmi 230W panelů CSUN 235-60P (tabulka 2) zapojených do série. Odstředivé čerpadlo je poháněno IM a jeho charakteristické parametry jsou uvedeny v tabulce 3. Komponenty FV čerpacího systému jsou uvedeny v tabulce 4.
V této části je fotovoltaický vodní čerpací systém využívající FDTC s referencí konstantního toku porovnán s navrhovaným systémem založeným na optimálním toku (FDTCO) za stejných provozních podmínek. Výkon obou fotovoltaických systémů byl testován s ohledem na následující scénáře:
Tato část představuje navrhovaný spouštěcí stav systému čerpadla na základě intenzity slunečního záření 1000 W/m2. Obrázek 8e ilustruje odezvu elektrické rychlosti. Ve srovnání s FDTC poskytuje navrhovaná technika lepší dobu náběhu a dosahuje ustáleného stavu při 1,04 s, as FDTC, dosažení ustáleného stavu za 1,93 s. Obrázek 8f ukazuje čerpání dvou regulačních strategií. Je vidět, že FDTCO zvyšuje čerpané množství, což vysvětluje zlepšení energie přeměněné IM.Obrázky 8g a 8h představují odebíraný statorový proud. Startovací proud pomocí FDTC je 20 A, zatímco navrhovaná řídicí strategie navrhuje startovací proud 10 A, což snižuje ztráty Joule.Obrázky 8i a 8j ukazují vyvinutý statorový tok. PVPWS pracuje při konstantním referenčním toku 1,2 Wb, zatímco v navrhované metodě je referenční tok 1 A, což se podílí na zlepšení účinnosti fotovoltaického systému.
(A)Slunečnízáření (b) Odběr energie (c) Pracovní cyklus (d) Napětí stejnosměrné sběrnice (e) Otáčky rotoru (f) Čerpání vody (g) Fázový proud statoru pro FDTC (h) Fázový proud statoru pro FDTCO (i) Odezva toku pomocí FLC (j) Odezva toku pomocí FDTCO (k) Trajektorie toku statoru pomocí FDTC (l) Trajektorie toku statoru pomocí FDTCO.
Theslunečnízáření se pohybovalo od 1000 do 700 W/m2 za 3 sekundy a poté do 500 W/m2 za 6 sekund (obr. 8a). Obrázek 8b ukazuje odpovídající fotovoltaický výkon pro 1000 W/m2, 700 W/m2 a 500 W/m2 .Obrázky 8c a 8d znázorňují pracovní cyklus a napětí stejnosměrného meziobvodu. Obrázek 8e ilustruje elektrickou rychlost IM a můžeme si všimnout, že navrhovaná technika má lepší rychlost a dobu odezvy ve srovnání s fotovoltaickým systémem založeným na FDTC. Obrázek 8f ukazuje čerpání vody pro různé úrovně ozáření získané pomocí FDTC a FDTCO. S FDTCO lze dosáhnout většího čerpání než s FDTC.Obrázky 8g a 8h znázorňují simulované odezvy proudu pomocí metody FDTC a navržené strategie řízení. Pomocí navrhované kontrolní techniky , proudová amplituda je minimalizována, což znamená menší ztráty mědi, čímž se zvyšuje účinnost systému. Vysoké spouštěcí proudy proto mohou vést ke snížení výkonu stroje. Obrázek 8j ukazuje vývoj odezvy toku za účelem výběruoptimální tok pro zajištění minimalizace ztrát, proto navrhovaná technika ilustruje její výkon.Na rozdíl od obrázku 8i je tok konstantní, což nepředstavuje optimální provoz.Obrázky 8k a 8l ukazují vývoj trajektorie toku statoru. 8l znázorňuje optimální vývoj toku a vysvětluje hlavní myšlenku navrhované strategie řízení.
Náhlá změna vslunečníbylo aplikováno záření, počínaje ozářením 1000 W/m2 a po 1,5 s prudce klesajícím na 500 W/m2 (obr. 9a). W/m2.Obrázky 9c a 9d znázorňují pracovní cyklus a napětí stejnosměrného meziobvodu, v tomto pořadí. Jak je vidět z obrázku 9e, navrhovaná metoda poskytuje lepší dobu odezvy. Obrázek 9f ukazuje čerpání vody získané pro dvě strategie řízení. s FDTCO bylo vyšší než s FDTC, čerpání 0,01 m3/s při ozáření 1000 W/m2 ve srovnání s 0,009 m3/s s FDTC;dále, když bylo ozáření 500 W At/m2, FDTCO čerpalo 0,0079 m3/s, zatímco FDTC čerpalo 0,0077 m3/s.Obrázky 9g a 9h.Popisuje aktuální odezvu simulovanou pomocí metody FDTC a navrhovanou strategii řízení.Můžeme poznamenat, že navrhovaná strategie řízení ukazuje, že amplituda proudu je snížena při náhlých změnách ozáření, což vede ke snížení ztrát mědi. Obrázek 9j ukazuje vývoj odezvy toku za účelem výběru optimálního toku, aby se zajistilo, že ztráty jsou minimalizovány, proto navrhovaná technika ilustruje jeho výkon s tokem 1 Wb a ozářením 1 000 W/m2, zatímco tok je 0,83 Wb a ozáření je 500 W/m2. Na rozdíl od obr. 9i je tok konstantní 1,2 Wb, což není představují optimální funkci.Obrázky 9k a 9l znázorňují vývoj trajektorie toku statoru.Obrázek 9l ilustruje vývoj optimálního toku a vysvětluje hlavní myšlenku navrhované strategie řízení a vylepšení navrhovaného čerpacího systému.
(A)Slunečnízáření (b) Odebíraný výkon (c) Pracovní cyklus (d) Napětí stejnosměrné sběrnice (e) Otáčky rotoru (f) Průtok vody (g) Fázový proud statoru pro FDTC (h) Fázový proud statoru pro FDTCO (i) ) Odezva toku pomocí FLC (j) Odezva toku pomocí FDTCO (k) Trajektorie toku statoru pomocí FDTC (l) Trajektorie toku statoru pomocí FDTCO.
Srovnávací analýza těchto dvou technologií z hlediska hodnoty toku, amplitudy proudu a čerpání je uvedena v tabulce 5, která ukazuje, že PVWPS založená na navržené technologii poskytuje vysoký výkon se zvýšeným čerpacím průtokem a minimalizací amplitudového proudu a ztrát, což je způsobeno k optimálnímu výběru tavidla.
Pro ověření a otestování navržené strategie řízení se provádí test PIL založený na desce STM32F4. Zahrnuje generování kódu, který se nahraje a spustí na vestavěné desce. Deska obsahuje 32bitový mikrokontrolér s 1 MB Flash, 168 MHz taktovací frekvence, jednotka s plovoucí desetinnou čárkou, instrukce DSP, 192 KB SRAM. Během tohoto testu byl v řídicím systému vytvořen vyvinutý blok PIL obsahující vygenerovaný kód založený na hardwarové desce STM32F4 a zaveden do softwaru Simulink. Testy PIL pro konfiguraci pomocí desky STM32F4 jsou znázorněny na obrázku 10.
Kosimulační PIL testování pomocí STM32F4 lze použít jako nízkonákladovou techniku k ověření navrhované techniky. V tomto článku je optimalizovaný modul, který poskytuje nejlepší referenční tok, implementován v STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Ten se provádí souběžně se Simulinkem a vyměňuje si informace během společné simulace pomocí navržené metody PVWPS. Obrázek 12 ilustruje implementaci subsystému optimalizační technologie v STM32F4.
V této kosimulaci je zobrazena pouze navrhovaná technika optimálního referenčního toku, protože je to hlavní řídicí proměnná pro tuto práci demonstrující řídicí chování fotovoltaického systému čerpání vody.
Čas odeslání: 15. dubna 2022
