Az elmúlt években a fotovoltaikus vízszivattyús rendszerek (PVWPS) hatékonyságának javítása nagy érdeklődést váltott ki a kutatók körében, mivel működésük tiszta elektromos energia termelésen alapul. Ebben a cikkben egy új, fuzzy logic vezérlőn alapuló megközelítést fejlesztettek ki a PVWPS számára. Az indukciós motorokra (IM) alkalmazott veszteségminimalizálási technikákat magában foglaló alkalmazások. A javasolt vezérlés az IM veszteségek minimalizálásával választja ki az optimális fluxus nagyságát. Ezen túlmenően bevezetik a változó lépésű perturbáció megfigyelési módszert is. A javasolt vezérlés alkalmasságát elismeri a mosogató áramának csökkentése;így a motor veszteségei minimalizálódnak és a hatékonyság javul. A javasolt szabályozási stratégiát a veszteségminimalizálás nélküli módszerekkel hasonlítják össze. Az összehasonlítási eredmények szemléltetik a javasolt módszer hatékonyságát, amely az elektromos sebesség, az elnyelt áram és az áramlási veszteségek minimalizálásán alapul. víz, és a fluxus fejlesztése.A javasolt módszer kísérleti tesztjeként egy processzor-in-the-loop (PIL) tesztet végeznek.Ez magában foglalja a generált C kód megvalósítását az STM32F4 felfedezőkártyán.A beágyazott tábla hasonló a numerikus szimuláció eredményeihez.
Megújuló energia, különösennap-fotovoltaikus technológia, tisztább alternatívája lehet a fosszilis tüzelőanyagoknak a vízszivattyús rendszerekben1,2.A fotovoltaikus szivattyúrendszerek jelentős figyelmet kaptak a távoli, áram nélküli területeken3,4.
Különféle motorokat használnak a fotovoltaikus szivattyúzási alkalmazásokban.A PVWPS elsődleges szakasza egyenáramú motorokon alapul.Ezek a motorok könnyen vezérelhetők és kivitelezhetők, de rendszeres karbantartást igényelnek a jegyzetek és kefék jelenléte miatt5.A hiányosság kiküszöbölése érdekében kefe nélküli állandó mágneses motorok kerültek bevezetésre, amelyeket kefe nélküli, nagy hatásfok és megbízhatóság jellemez6. Más motorokhoz képest az IM-alapú PVWPS jobb teljesítményt nyújt, mivel ez a motor megbízható, olcsó, karbantartást nem igényel, és több lehetőséget kínál a szabályozási stratégiákra7. .Általánosak az Indirekt Field Oriented Control (IFOC) technikák és a Direct Torque Control (DTC) módszerek8.
Az IFOC-t Blaschke és Hasse fejlesztette ki, és lehetővé teszi az IM-sebesség széles tartományban történő megváltoztatását9,10. Az állórész árama két részre oszlik, az egyik a mágneses fluxust, a másik pedig a nyomatékot állítja elő a dq koordináta-rendszerbe való konvertálással. a fluxus és a nyomaték független szabályozása állandósult állapotban és dinamikus körülmények között. A (d) tengely a forgórész fluxustérvektorához van igazítva, ami azt jelenti, hogy a forgórész fluxustérvektorának q tengelyű komponense mindig nulla. A FOC jó és gyorsabb választ ad11 ,12 azonban ez a módszer összetett, és a paraméterek változhatnak13.E hiányosságok kiküszöbölése érdekében Takashi és Noguchi14 bemutatta a DTC-t, amely nagy dinamikus teljesítménnyel rendelkezik, robusztus és kevésbé érzékeny a paraméterek változásaira. A DTC-ben az elektromágneses nyomaték és az állórész fluxusa az állórész fluxusának és a nyomatéknak a megfelelő becslésekből való kivonásával vezérelhetők. Az eredményt egy hiszterézis-komparátorba táplálják a megfelelő feszültségvektor létrehozásához a vezérléshezállórész fluxusa és nyomatéka egyaránt.
Ennek a szabályozási stratégiának a fő kellemetlensége a nagy nyomaték és fluxus ingadozása, amely az állórész fluxusára és az elektromágneses nyomatékszabályozásra szolgáló hiszterézis szabályozók használatából adódik15,42. Többszintű konvertereket használnak a hullámosság minimalizálására, de a hatékonyságot csökkenti a tápkapcsolók száma16. Számos szerző használt térvektor modulációt (SWM)17, csúszó módú vezérlést (SMC)18, amelyek erőteljes technikák, de nemkívánatos vibrációs hatásoktól szenvednek19. Sok kutató használt mesterséges intelligencia technikákat a vezérlők teljesítményének javítására, köztük (1) neurális hálózatok, egy vezérlési stratégia, amelynek megvalósításához nagy sebességű processzorok szükségesek20, és (2) genetikai algoritmusok21.
A fuzzy vezérlés robusztus, nemlineáris vezérlési stratégiákhoz alkalmas, és nem igényli a pontos modell ismeretét. Magában foglalja a fuzzy logikai blokkok használatát hiszteretikus vezérlők és kapcsolókiválasztó táblázatok helyett a fluxus és a nyomaték hullámzásának csökkentésére. Érdemes kiemelni, hogy Az FLC-alapú diagnosztikai hibakódok jobb teljesítményt nyújtanak22, de nem elegendőek a motor hatékonyságának maximalizálásához, ezért vezérlőhurok-optimalizálási technikákra van szükség.
A legtöbb korábbi tanulmányban a szerzők az állandó fluxust választották referencia fluxusnak, de ez a referencia-választás nem képviseli az optimális gyakorlatot.
A nagy teljesítményű, nagy hatásfokú motorhajtások gyors és pontos fordulatszám-reakciót igényelnek. Másrészt előfordulhat, hogy egyes műveleteknél a vezérlés nem optimális, így a hajtásrendszer hatékonysága nem optimalizálható. Jobb teljesítmény érhető el változó fluxus referencia a rendszer működése során.
Sok szerző javasolt egy keresővezérlőt (SC), amely minimalizálja a veszteségeket különböző terhelési körülmények között (például in27), hogy javítsa a motor hatékonyságát. A technika a bemeneti teljesítmény méréséből és minimalizálásából áll iteratív d-tengely áramreferenciával vagy állórész fluxusával. referencia.Ez a módszer azonban nyomaték hullámzást vezet be a légrés fluxusban jelenlévő oszcillációk miatt, és ennek a módszernek a megvalósítása idő- és számítási erőforrás-igényes.A részecskerajok optimalizálását is használják a hatékonyság javítására28, de ez a technika elakad a helyi minimumokban, ami a szabályozási paraméterek rossz kiválasztásához vezet29.
Ebben a cikkben az FDTC-hez kapcsolódó technikát javasolunk az optimális mágneses fluxus kiválasztására a motorveszteségek csökkentésével. Ez a kombináció biztosítja az optimális fluxusszint alkalmazását minden egyes működési ponton, ezáltal növelve a javasolt fotovoltaikus vízszivattyús rendszer hatékonyságát. Ezért nagyon kényelmesnek tűnik a fotovoltaikus vízszivattyúzási alkalmazásokhoz.
Ezen túlmenően a javasolt módszer processzor-in-the-loop tesztjét az STM32F4 kártyával kísérleti validálásként hajtják végre. Ennek a magnak a fő előnye a megvalósítás egyszerűsége, az alacsony költség, és nincs szükség bonyolult programok fejlesztésére 30 . , az FT232RL USB-UART átalakító kártya az STM32F4-hez van társítva, amely külső kommunikációs interfészt garantál a virtuális soros port (COM port) létrehozásához a számítógépen. Ez a módszer lehetővé teszi az adatok nagy adatátviteli sebességgel történő továbbítását.
A javasolt technikát alkalmazó PVWPS teljesítményét a veszteségminimalizálás nélküli fotovoltaikus rendszerekkel hasonlítják össze különböző üzemi körülmények között. A kapott eredmények azt mutatják, hogy a javasolt fotovoltaikus vízszivattyú-rendszer jobban képes minimalizálni az állórész áram- és rézveszteségét, optimalizálni a fluxust és a vízszivattyúzást.
A cikk további része a következőképpen épül fel: A javasolt rendszer modellezését a „Fotovoltaikus rendszerek modellezése” fejezet tartalmazza. A „A vizsgált rendszer szabályozási stratégiája” részben az FDTC, a javasolt szabályozási stratégia és az MPPT technika található. Az eredményeket a „Szimulációs eredmények” szakasz tárgyalja. A „PIL-tesztelés az STM32F4 felfedezőkártyával” szakaszban a processzor hurokban történő tesztelése található. A cikk következtetéseit a „ Következtetések” szakaszban.
Az 1. ábra az önálló fotovoltaikus vízszivattyúrendszer javasolt rendszerkonfigurációját mutatja. A rendszer egy IM-alapú centrifugálszivattyúból, egy fotovoltaikus tömbből és két teljesítmény-átalakítóból [fokozó konverterből és feszültségforrás-inverterből (VSI)] áll. , bemutatjuk a vizsgált fotovoltaikus vízszivattyús rendszer modellezését.
Ez a cikk az egydiódás modellt alkalmazzanap-fotovoltaikus cellák.A PV cella jellemzőit 31, 32 és 33 jelöli.
Az adaptáció végrehajtásához egy boost konvertert használnak. A DC-DC konverter bemeneti és kimeneti feszültségei közötti kapcsolatot az alábbi 34. egyenlet adja meg:
Az IM matematikai modellje a referenciakeretben (α,β) a következő 5,40 egyenletekkel írható le:
Ahol \(l_{s }\),\(l_{r}\): állórész és forgórész induktivitása, M: kölcsönös induktivitás, \(R_{s }\), \(I_{s }\): állórész ellenállása és állórész áram, \(R_{r}\), \(I_{r }\): forgórész ellenállása és forgórész árama, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): állórész fluxusa és állórész feszültség , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): a rotor fluxusa és a rotor feszültsége.
Az IM fordulatszám négyzetével arányos centrifugálszivattyú terhelési nyomatéka a következőképpen határozható meg:
A javasolt vízszivattyú-rendszer vezérlése három különálló alszakaszra oszlik. Az első rész az MPPT technológiával foglalkozik. A második rész az IM vezetésével foglalkozik a fuzzy logikai vezérlő közvetlen nyomatékszabályozása alapján. Továbbá a III. FLC-alapú DTC, amely lehetővé teszi a referencia fluxusok meghatározását.
Ebben a munkában változó lépésű P&O technikát alkalmazunk a maximális teljesítménypont követésére. Gyors követés és alacsony oszcilláció jellemzi (2. ábra)37,38,39.
A DTC fő ötlete a gép fluxusának és nyomatékának közvetlen szabályozása, de az elektromágneses nyomaték és az állórész fluxus szabályozására szolgáló hiszterézis szabályozók használata nagy nyomatékot és fluxus hullámzást eredményez. Ezért egy elmosódási technikát vezetnek be a DTC módszerrel (7. ábra), és az FLC elegendő invertervektor állapotot tud kialakítani.
Ebben a lépésben a bemenet fuzzy változókká alakul át tagsági függvények (MF) és nyelvi kifejezések segítségével.
Az első bemenet (εφ) három tagsági függvénye negatív (N), pozitív (P) és nulla (Z), amint az a 3. ábrán látható.
A második bemenet (\(\varepsilon\)Tem) öt tagsági függvénye a negatív nagy (NL), a negatív kicsi (NS), a nulla (Z), a pozitív kicsi (PS) és a pozitív nagy (PL), amint az a 4. ábrán látható.
Az állórész fluxuspályája 12 szektorból áll, amelyekben a fuzzy halmazt egy egyenlő szárú háromszög tagsági függvény reprezentálja, amint az 5. ábrán látható.
Az 1. táblázat 180 fuzzy szabályt csoportosít, amelyek a bemeneti tagsági függvényeket használják a megfelelő kapcsolóállapotok kiválasztásához.
A következtetési módszert Mamdani technikájával hajtjuk végre. Az i-edik szabály súlytényezője (\(\alpha_{i}\)) a következőképpen adódik:
ahol\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : A mágneses fluxus tagsági értéke, a nyomaték és az állórész fluxusszög hibája.
A 6. ábra szemlélteti a fuzzy értékekből kapott éles értékeket a (20) egyenlet által javasolt maximum módszerrel.
A motor hatásfokának növelésével az áramlási sebesség növelhető, ami viszont növeli a napi vízszivattyúzást (7. ábra). Az alábbi technika célja a veszteségminimalizáláson alapuló stratégia és a közvetlen nyomatékszabályozási módszer összekapcsolása.
Köztudott, hogy a mágneses fluxus értéke fontos a motor hatékonysága szempontjából. A nagy fluxusértékek megnövekedett vasveszteséghez, valamint az áramkör mágneses telítettségéhez vezetnek. Ezzel szemben az alacsony fluxusszint nagy Joule-veszteséget eredményez.
Ezért az IM veszteségek csökkentése közvetlenül összefügg a fluxusszint megválasztásával.
A javasolt módszer a gép állórész-tekercsein átfolyó áramhoz kapcsolódó Joule-veszteségek modellezésén alapul. A forgórész fluxusának értékét optimális értékre állítják, ezáltal minimalizálják a motor veszteségeit a hatékonyság növelése érdekében.Joule-veszteségek a következőképpen fejezhető ki (a magveszteségek figyelmen kívül hagyásával):
Az elektromágneses nyomatékot\(C_{em}\) és a rotor fluxusát\(\phi_{r}\) a dq koordinátarendszerben a következőképpen számítjuk ki:
Az elektromágneses nyomatékot\(C_{em}\) és a rotor fluxusát\(\phi_{r}\) a (d,q) referencia alapján számítjuk ki:
a (30) egyenlet megoldásával megtalálhatjuk az optimális állórészáramot, amely biztosítja az optimális forgórész fluxust és minimális veszteségeket:
Különféle szimulációkat végeztek MATLAB/Simulink szoftverrel a javasolt technika robusztusságának és teljesítményének értékelésére. A vizsgált rendszer nyolc sorba kapcsolt 230 W-os CSUN 235-60P panelből áll (2. táblázat). A centrifugálszivattyút az IM hajtja, és jellemző paramétereit a 3. táblázat tartalmazza.A fotovoltaikus szivattyúrendszer alkatrészeit a 4. táblázat tartalmazza.
Ebben a részben egy állandó fluxus-referenciával működő FDTC-t használó fotovoltaikus vízszivattyú rendszert hasonlítunk össze egy javasolt rendszerrel, amely az optimális fluxuson (FDTCO) alapul, azonos működési feltételek mellett. Mindkét fotovoltaikus rendszer teljesítményét a következő forgatókönyvek figyelembevételével teszteltük:
Ez a rész a szivattyúrendszer javasolt indítási állapotát mutatja be 1000 W/m2 besugárzási sebesség alapján. A 8e. ábra az elektromos sebességreakciót szemlélteti. Az FDTC-vel összehasonlítva a javasolt technika jobb felfutási időt biztosít, és az állandósult állapotot 1,04-nél éri el. s, és FDTC-vel 1,93 s-nál eléri az állandósult állapotot. A 8f. ábra a két szabályozási stratégia szivattyúzását mutatja. Látható, hogy az FDTCO növeli a szivattyúzás mennyiségét, ami megmagyarázza az IM által átalakított energia javulását. 8g. és 8h a felvett állórészáramot jelenti. Az FDTC-t használó indítási áram 20 A, míg a javasolt szabályozási stratégia 10 A indítási áramot javasol, ami csökkenti a Joule-veszteségeket. A 8i és 8j ábra a kialakult állórész fluxust mutatja. Az FDTC-alapú A PVPWS állandó 1,2 Wb referencia fluxus mellett működik, míg a javasolt módszerben a referencia fluxus 1 A, ami a fotovoltaikus rendszer hatékonyságának javításában játszik szerepet.
(a)Napsugárzás (b) Áramlevétel (c) Üzemi ciklus (d) Egyenáramú buszfeszültség (e) Rotor fordulatszáma (f) Vízszivattyúzás (g) Állórész fázisáram az FDTC-hez (h) Állórész fázisáram az FDTCO-hoz (i) Fluxus válasz FLC-vel (j) Fluxusválasz FDTCO használatával (k) Állórész fluxuspályája FDTC használatával (l) Állórész fluxuspályája FDTCO használatával.
Aznap-a sugárzás 1000 és 700 W/m2 között változott 3 másodperc alatt, majd 500 W/m2-re 6 másodperc alatt (8a. ábra). A 8b. ábra a megfelelő fotovoltaikus teljesítményt mutatja 1000 W/m2, 700 W/m2 és 500 W/m2 esetén .A 8c. és 8d. ábra a munkaciklust és az egyenáramú kör feszültségét szemlélteti. A 8e. ábra az IM elektromos sebességét mutatja, és észrevehetjük, hogy a javasolt technika jobb sebességgel és válaszidővel rendelkezik, mint az FDTC-alapú fotovoltaikus rendszer. 8f ábra a vízszivattyúzást mutatja az FDTC és FDTCO használatával kapott különböző besugárzási szintek esetén. Több szivattyúzás érhető el az FDTCO-val, mint az FDTC-vel. A 8g és 8h ábra az FDTC módszerrel és a javasolt szabályozási stratégiával szimulált áramválaszokat szemlélteti. A javasolt szabályozási technikával , az áram amplitúdója minimálisra csökken, ami kisebb rézveszteséget jelent, ezáltal növeli a rendszer hatékonyságát. Ezért a nagy indítási áramok csökkenthetik a gép teljesítményét. A 8j ábra a fluxusválasz alakulását mutatja aoptimális fluxus a veszteségek minimalizálása érdekében, ezért a javasolt technika bemutatja annak teljesítményét.A 8i. ábrával ellentétben a fluxus állandó, ami nem jelenti az optimális működést. A 8k és 8l ábra az állórész fluxuspályájának alakulását mutatja. A 8l szemlélteti az optimális fluxusfejlesztést és elmagyarázza a javasolt szabályozási stratégia fő gondolatát.
Hirtelen változásnap-sugárzást alkalmaztunk, 1000 W/m2-es besugárzással kezdve, majd 1,5 s után hirtelen 500 W/m2-re csökkentve (9a. ábra). A 9b. W/m2. A 9c. és 9d. ábra a munkaciklust és az egyenáramú kör feszültségét szemlélteti. Amint a 9e. ábrán látható, a javasolt módszer jobb válaszidőt biztosít. A 9f. ábra a két szabályozási stratégiához kapott vízszivattyúzást mutatja. FDTCO-val magasabb volt, mint FDTC-vel, 0,01 m3/s-ot szivattyúzva 1000 W/m2 besugárzás mellett, míg FDTC-vel 0,009 m3/s-ot;továbbá, amikor a besugárzási teljesítmény 500 W At /m2, az FDTCO 0,0079 m3/s-t, míg az FDTC 0,0077 m3/s-t. 9g és 9h ábra. Leírja az FDTC módszerrel szimulált aktuális választ és a javasolt szabályozási stratégiát. Megjegyezzük, hogy a javasolt szabályozási stratégia azt mutatja, hogy az áram amplitúdója csökken a hirtelen besugárzási változások hatására, ami csökkenti a rézveszteséget. A 9j. ábra a fluxusválasz alakulását mutatja az optimális fluxus kiválasztásához a veszteségek minimalizálása érdekében, ezért a javasolt technika teljesítményét 1 Wb fluxussal és 1000 W/m2 besugárzással szemlélteti, míg a fluxus 0,83 Wb és a besugárzás 500 W/m2. A 9i. ábrával ellentétben a fluxus állandó 1,2 Wb, ami nem A 9k. és 9l. ábra az állórész fluxuspályájának alakulását mutatja. A 9l. ábra szemlélteti az optimális fluxus alakulását, és elmagyarázza a javasolt szabályozási stratégia fő gondolatát és a javasolt szivattyúrendszer fejlesztését.
(a)Napsugárzás (b) Kivont teljesítmény (c) Üzemi ciklus (d) Egyenáramú busz feszültsége (e) Rotor fordulatszáma (f) Vízáramlás (g) Állórész fázisáram az FDTC-hez (h) Állórész fázisáram az FDTCO-hoz (i) ) Fluxus válasz FLC (j) Fluxusválasz FDTCO használatával (k) Állórész fluxuspályája FDTC használatával (l) Állórész fluxuspályája FDTCO használatával.
A két technológia összehasonlító elemzése a fluxusérték, az áramamplitúdó és a szivattyúzás szempontjából az 5. táblázatban látható, amely azt mutatja, hogy a javasolt technológián alapuló PVWPS nagy teljesítményt biztosít megnövekedett szivattyúzási áramlás mellett, minimális amplitúdójú árammal és veszteséggel, aminek oka az optimális fluxus kiválasztásához.
A javasolt vezérlési stratégia ellenőrzésére és tesztelésére egy PIL-tesztet hajtanak végre az STM32F4 kártyán. Ez magában foglalja a kód generálását, amely betöltődik és fut a beágyazott kártyán. Az alaplap 32 bites mikrokontrollert tartalmaz 1 MB Flash-el, 168 MHz-en. órajel frekvencia, lebegőpontos egység, DSP utasítások, 192 KB SRAM.A teszt során a vezérlőrendszerben egy fejlesztett PIL blokkot hoztak létre, amely az STM32F4 felderítő hardverlapon alapuló generált kódot tartalmazza, és bevezette a Simulink szoftverbe. Az STM32F4 kártyával konfigurálandó PIL-tesztek a 10. ábrán láthatók.
Az STM32F4 használatával végzett ko-szimulációs PIL-teszt alacsony költségű technikaként használható a javasolt technika ellenőrzésére. Ebben a cikkben a legjobb referencia-fluxust biztosító optimalizált modult az STMicroelectronics Discovery Board-ban (STM32F4) valósítják meg.
Ez utóbbi a Simulink-kel párhuzamosan fut, és információt cserél a koszimuláció során a javasolt PVWPS módszerrel. A 12. ábra az STM32F4 optimalizálási technológiai alrendszerének megvalósítását mutatja be.
Ebben a koszimulációban csak a javasolt optimális referencia fluxus technikát mutatjuk be, mivel ez a fő vezérlőváltozó ehhez a munkához, amely egy fotovoltaikus vízszivattyú rendszer szabályozási viselkedését mutatja be.
Feladás időpontja: 2022.04.15
