Yn 'e ôfrûne jierren hawwe ferbetteringen yn' e effisjinsje fan fotovoltaïske wetterpompsystemen (PVWPS) grutte belangstelling lutsen ûnder ûndersikers, om't har operaasje basearre is op skjinne elektryske enerzjyproduksje. applikaasjes dy't omfiemet ferlies minimization techniken tapast op induction motors (IM). De foarstelde kontrôle selektearret de optimale flux grutte troch minimalisearjen IM ferliezen. Dêrneist, de fariabele-stap fersteuring observaasje metoade wurdt ek ynfierd. De geskiktheid fan de foarstelde kontrôle wurdt erkend troch ferminderjen fan de sinkstream;dêrom, motor ferliezen wurde minimalisearre en effisjinsje wurdt ferbettere. De foarstelde kontrôle strategy wurdt fergelike mei metoaden sûnder ferlies minimization. De ferliking resultaten yllustrearje de effektiviteit fan de foarstelde metoade, dat is basearre op it minimalisearjen fan ferliezen yn elektryske snelheid, geabsorbeerd stroom, streamend wetter, en it ûntwikkeljen fan flux.A processor-in-the-loop (PIL) test wurdt útfierd as in eksperimintele test fan de foarstelde metoade.It omfettet de ymplemintaasje fan de oanmakke C koade op de STM32F4 ûntdekking board. De resultaten krigen út de ynbêde board binne fergelykber mei de numerike simulaasje resultaten.
Duorsume enerzjy, benammensinnefotovoltaïske technology, kin in skjinner alternatyf wêze foar fossile brânstoffen yn wetterpompsystemen1,2.Fotovoltaïske pompsystemen hawwe in soad omtinken krigen yn ôfstângebieten sûnder elektrisiteit3,4.
Ferskate motoren wurde brûkt yn PV-pompapplikaasjes. De primêre poadium fan PVWPS is basearre op DC-motoren. Dizze motors binne maklik te kontrolearjen en te ymplementearjen, mar se fereaskje regelmjittich ûnderhâld troch de oanwêzigens fan 'e annotators en borstels5. Om dizze tekoart te oerwinnen, borstelleas permaninte magneet motors waarden yntrodusearre, dy't wurde karakterisearre troch brushless, hege effisjinsje en betrouberens6. Ferlike mei oare motors, IM-basearre PVWPS hat bettere prestaasjes omdat dizze motor is betrouber, lege kosten, ûnderhâld-frij, en biedt mear mooglikheden foar kontrôle strategyen7 .Indirect Field Oriented Control (IFOC) techniken en Direct Torque Control (DTC) metoaden wurde faak brûkt8.
IFOC waard ûntwikkele troch Blaschke en Hasse en makket it mooglik om te feroarjen de IM snelheid oer in breed berik ûnôfhinklike kontrôle fan flux en koppel ûnder steady state en dynamyske omstannichheden.Axis (d) wurdt ôfstimd mei de rotor flux romte vector, dat giet it om de q-as komponint fan de rotor flux romte vector is altyd nul.FOC soarget foar in goede en flugger respons11 ,12, lykwols, dizze metoade is kompleks en ûnder foarbehâld fan parameter fariaasjes13.Om dizze tekoarten te oerwinnen, Takashi en Noguchi14 yntrodusearre DTC, dat hat hege dynamyske prestaasjes en is robúst en minder gefoelich foar parameter feroarings.In DTC, de elektromagnetyske koppel en stator flux wurde regele troch it subtrahearjen fan de statorflux en koppel fan 'e oerienkommende skatten.sawol stator flux en koppel.
De wichtichste oerlêst fan dizze kontrôle strategy is de grutte koppel en flux fluktuaasjes troch it brûken fan hysteresis tafersjochhâlders foar stator flux en elektromagnetyske koppel regeljouwing15,42. Multilevel converters wurde brûkt om minimalisearje rimpel, mar effisjinsje wurdt fermindere troch it oantal macht switches16. Ferskate auteurs hawwe romtevektormodulaasje (SWM)17, sliding-moduskontrôle (SMC)18, dy't krêftige techniken binne, mar lije fan net-winske jitterjende effekten19.In protte ûndersikers hawwe keunstmjittige yntelliginsjetechniken brûkt om kontrôleprestaasjes te ferbetterjen, ûnder harren, (1) neural netwurken, in kontrôle strategy dy't fereasket hege-snelheid Prozessoren te ymplemintearjen20, en (2) genetyske algoritmen21.
Fuzzy kontrôle is robúst, geskikt foar net-lineêre kontrôle strategyen, en fereasket gjin kennis fan de krekte model.It omfiemet it brûken fan fuzzy logyske blokken ynstee fan hysteretic controllers en switch seleksje tabellen te ferminderjen flux en koppel ripple.It is de muoite wurdich opskriuwen dat FLC-basearre DTC's jouwe bettere prestaasjes22, mar net genôch om de effisjinsje fan 'e motor te maksimalisearjen, sadat techniken foar optimalisearjen fan kontrôleslûs nedich binne.
Yn 'e measte eardere stúdzjes hawwe de auteurs konstante flux keazen as de referinsjeflux, mar dizze kar fan referinsje fertsjintwurdiget gjin optimale praktyk.
High-performance, hege-effisjinsje motor driuwfearren fereaskje flugge en krekte snelheid antwurd. Oan 'e oare kant, foar guon operaasjes, de kontrôle kin net optimaal, sadat de effisjinsje fan it drive systeem kin net optimalisearre. in fariabele flux referinsje tidens systeem operaasje.
In protte auteurs hawwe in sykkontrôler (SC) foarsteld dy't ferlies minimearret ûnder ferskate loadbetingsten (lykas in27) om de effisjinsje fan 'e motor te ferbetterjen. referinsje. Dizze metoade yntroduseart lykwols koppelrimpel troch oscillaasjes oanwêzich yn 'e loft-gap flux, en de ymplemintaasje fan dizze metoade is tiidslinend en berekkene boarne-yntinsyf. Dieltsje swermoptimisaasje wurdt ek brûkt om effisjinsje te ferbetterjen28, mar dizze technyk kin fêst te sitten yn lokale minima, wat liedt ta minne seleksje fan kontrôleparameters29.
Yn dit papier wurdt in technyk yn ferbân mei FDTC foarsteld om de optimale magnetyske flux te selektearjen troch it ferminderjen fan motorferlies. Dizze kombinaasje soarget foar de mooglikheid om it optimale fluxnivo op elke operearjende punt te brûken, wêrtroch de effisjinsje fan it foarstelde fotovoltaïske wetterpompsysteem te ferheegjen. Dêrom liket it heul handich te wêzen foar applikaasjes foar fotovoltaïske wetterpompen.
Fierder wurdt in prosessor-yn-de-loop-test fan 'e foarstelde metoade útfierd mei it STM32F4-boerd as in eksperimintele falidaasje.De wichtichste foardielen fan dizze kearn binne ienfâld fan ymplemintaasje, lege kosten en gjin needsaak om komplekse programma's te ûntwikkeljen 30 .Dêrneist , It FT232RL USB-UART-konverzjeboerd is ferbûn mei de STM32F4, dy't in eksterne kommunikaasje-ynterface garandearret om in firtuele seriële poarte (COM-poarte) op 'e kompjûter te fêstigjen.
De prestaasjes fan PVWPS mei help fan de foarstelde technyk wurdt fergelike mei PV systemen sûnder ferlies minimization ûnder ferskillende operearjende betingsten.De krigen resultaten litte sjen dat it foarstelde fotovoltaïsche wetter pomp systeem is better yn it minimalisearjen fan stator hjoeddeistige en koper ferliezen, optimalisearjen fan flux en pompen wetter.
De rest fan it papier is as folget strukturearre: De modellering fan it foarstelde systeem wurdt jûn yn 'e seksje "Modellering fan fotovoltaïske systemen".Yn 'e seksje "Kontrôlestrategy fan it studearre systeem", FDTC, de foarstelde kontrôlestrategy en MPPT-technyk binne yn detail beskreaun. De befinings wurde besprutsen yn 'e seksje "Simulaasjeresultaten". Yn 'e seksje "PIL-testen mei it STM32F4-ûntdekkingsboerd" wurdt prosessor-yn-de-loop testen beskreaun. De konklúzjes fan dit papier wurde presintearre yn 'e " Konklúzjes” seksje.
Figure 1 toant de foarstelde systeem konfiguraasje foar in stand-alone PV wetter pumping system.It systeem bestiet út in IM-basearre centrifugal pomp, in fotovoltaïsche array, twa macht converters [boost converter en spanning boarne INVERTER (VSI)]. Yn dizze paragraaf , de modellering fan it studearre fotovoltaïske wetterpompsysteem wurdt presintearre.
Dit papier oannimt de single-diode model fansinnefotovoltaïsche sellen.De skaaimerken fan de PV-sel wurde oanjûn mei 31, 32, en 33.
Om de oanpassing út te fieren, wurdt in boost-konverter brûkt.
It wiskundige model fan IM kin beskreaun wurde yn it referinsjeramt (α,β) troch de folgjende fergelikingen 5,40:
Wêr \(l_{s }\),\(l_{r}\): stator- en rotorinduktânsje, M: ûnderlinge induktânsje, \(R_{s }\), \(I_{s}\): statorresistinsje en statorstrom, \(R_{r}\), \(I_{r}\): rotorweerstand en rotorstroom, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): statorflux en stator spanning , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rotorflux en rotorspanning.
De sintrifugale pomp load koppel evenredich mei it kwadraat fan de IM snelheid kin wurde bepaald troch:
De kontrôle fan it foarstelde wetterpompsysteem is ferdield yn trije ûnderskate subseksjes. It earste diel giet oer MPPT technology. It twadde diel giet oer it riden fan de IM basearre op de direkte koppelkontrôle fan 'e fuzzy logika-controller. Fierder beskriuwt Seksje III in technyk yn ferbân mei FLC-basearre DTC wêrmei it fêststellen fan referinsje fluxes.
Yn dit wurk wurdt in fariabele-stap P & O-technyk brûkt om de maksimale krêftpunt te folgjen.
It haadidee fan DTC is om de flux en koppel fan 'e masine direkt te kontrolearjen, mar it brûken fan hysteresisregulators foar elektromagnetyske koppel en statorfluxregeling resultearret yn hege koppel en fluxrimpel. Dêrom wurdt in blurringtechnyk yntrodusearre om de DTC metoade (figuer 7), en de FLC kin ûntwikkelje genôch inverter vector steaten.
Yn dizze stap wurdt de ynfier omfoarme ta fuzzy fariabelen troch lidmaatskipsfunksjes (MF) en taalkundige termen.
De trije lidfunksjes foar de earste ynfier (εφ) binne negatyf (N), posityf (P), en nul (Z), lykas werjûn yn figuer 3.
De fiif lidmaatskipsfunksjes foar de twadde ynfier (\(\varepsilon\)Tem) binne Negatyf Grut (NL) Negatyf Lyts (NS) Nul (Z) Posityf Lyts (PS) en Posityf Grut (PL), lykas werjûn yn figuer 4.
It trajekt fan 'e statorflux bestiet út 12 sektoaren, wêryn't de fuzzy set wurdt fertsjintwurdige troch in isosceles trijehoekige lidmaatskipsfunksje, lykas werjûn yn figuer 5.
Tabel 1 groepen 180 fuzzy regels dy't brûke de ynfier lidmaatskip funksjes foar in selektearje passende switch steaten.
De konklúzjemetoade wurdt útfierd mei de technyk fan Mamdani. De gewichtsfaktor (\(\alpha_{i}\)) fan 'e i-de regel wurdt jûn troch:
wêr\(\mu Ai \left( {e\varphi} \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Lidmaatskip wearde fan magnetyske flux, koppel en stator flux hoek flater.
Ofbylding 6 yllustrearret de skerpe wearden krigen fan 'e fuzzy wearden mei de maksimale metoade foarsteld troch Eq.(20).
Troch it fergrutsjen fan de motor effisjinsje, kin de flow rate wurde ferhege, dy't op syn beurt fergruttet de deistige wetter pumping (figuer 7). It doel fan de folgjende technyk is te assosjearjen in ferlies minimization basearre strategy mei in direkte koppel kontrôle metoade.
It is goed bekend dat de wearde fan 'e magnetyske flux wichtich is foar de effisjinsje fan' e motor. Hege fluxwearden liede ta ferhege izerferlies en ek magnetyske sêding fan it circuit. Oarsom resultearje lege fluxnivo's yn hege Joule-ferlies.
Dêrom, de fermindering fan ferliezen yn IM is direkt ferbân mei de kar fan flux nivo.
De foarstelde metoade is basearre op it modelleren fan 'e Joule-ferlies dy't ferbûn binne mei de stroom dy't troch de statorwindingen yn' e masine streamt. kin as folget wurde útdrukt (kearnferlies negearje):
It elektromagnetyske koppel\(C_{em}\) en rotorflux\(\phi_{r}\) wurde yn it dq-koördinatesysteem berekkene as:
It elektromagnetyske koppel\(C_{em}\) en rotorflux\(\phi_{r}\) wurde berekkene yn referinsje (d,q) as:
troch it oplossen fan de fergeliking.(30), kinne wy fine de optimale stator stream dat soarget foar optimale rotor flux en minimale ferliezen:
Ferskillende simulaasjes waarden útfierd mei MATLAB / Simulink software te evaluearjen de robústiteit en prestaasjes fan de foarstelde technique.The ûndersocht systeem bestiet út acht 230 W CSUN 235-60P panielen (tabel 2) ferbûn yn series.The centrifugal pomp wurdt dreaun troch IM, en syn karakteristike parameters wurde werjûn yn Tabel 3. De komponinten fan it PV-pompsysteem binne werjûn yn Tabel 4.
Yn dizze seksje wurdt in fotovoltaïsk wetterpompsysteem mei FDTC mei in konstante fluxreferinsje fergelike mei in foarstelde systeem basearre op optimale flux (FDTCO) ûnder deselde bedriuwsbetingsten.
Dizze paragraaf presintearret de foarstelde start-up steat fan it pomp systeem basearre op in insolation taryf fan 1000 W / m2.Figure 8e yllustrearret de elektryske snelheid antwurd. Yn ferliking mei FDTC, de foarnommen technyk jout in bettere opkomst tiid, it berikken fan steady state op 1.04 s, en mei FDTC, it berikken fan steady state op 1,93 s.Figure 8f lit it pompen fan 'e twa kontrôlestrategyen sjen. It kin sjoen wurde dat de FDTCO it pompbedrach fergruttet, wat de ferbettering yn' e enerzjy omboud troch de IM ferklearret. Figuren 8g en 8h fertsjintwurdigje de lutsen statorstrom.De opstartstroom mei help fan de FDTC is 20 A, wylst de foarstelde kontrôlestrategy suggerearret in opstartstroom fan 10 A, wat ferminderet Joule-ferlies. Figuren 8i en 8j litte de ûntwikkele statorflux sjen. De FDTC-basearre PVPWS wurket op in konstante referinsjeflux fan 1,2 Wb, wylst yn 'e foarstelde metoade de referinsjeflux 1 A is, dy't belutsen is by it ferbetterjen fan de effisjinsje fan it fotovoltaïske systeem.
(in)Solarstrieling (b) Stromwinning (c) Duty cycle (d) DC-busspanning (e) Rotorsnelheid (f) Pompwetter (g) Statorfasestroom foar FDTC (h) Statorfasestroom foar FDTCO (i) Fluxrespons mei FLC (j) Flux antwurd mei help fan FDTCO (k) Stator flux trajekt mei help fan FDTC (l) Stator flux trajekt mei help fan FDTCO.
Desinnestrieling fariearre fan 1000 oant 700 W/m2 op 3 sekonden en dan nei 500 W/m2 op 6 sekonden (fig. 8a). Figuer 8b toant de oerienkommende fotovoltaïske krêft foar 1000 W/m2, 700 W/m2 en 500 W/m2 .Figuren 8c en 8d yllustrearje respektivelik de plicht syklus en DC link voltage.Figure 8e yllustrearret de elektryske snelheid fan IM, en wy kinne fernimme dat de foarnommen technyk hat better snelheid en antwurd tiid yn ferliking mei de FDTC-basearre fotovoltaïsche systeem.Figure 8f toant it wetter pompen foar ferskate irradiance nivo krigen mei FDTC en FDTCO.Mear pompen kin berikt wurde mei FDTCO dan mei FDTC.Figuren 8g en 8h yllustrearje de simulearre aktuele antwurden mei help fan de FDTC metoade en de foarstelde kontrôle strategy.By it brûken fan de foarstelde kontrôle technyk , De hjoeddeiske amplitude wurdt minimalisearre, wat betsjut minder koper ferliezen, dus tanimmende systeem effisjinsje.Dêrom kinne hege start-up streamingen liede ta redusearre masine prestaasjes.Figure 8j lit de evolúsje fan de flux antwurd om te selektearjenoptimale flux om te soargjen dat ferliezen wurde minimalisearre, dêrom, de foarstelde technyk yllustrearret syn prestaasjes. Yn tsjinstelling ta figuer 8i, de flux is konstant, dat net fertsjintwurdiget optimale operaasje. Figuren 8k en 8l litte de evolúsje fan de stator flux trajectory.Figure 8l yllustrearret de optimale fluxûntwikkeling en ferklearret it haadidee fan 'e foarstelde kontrôlestrategy.
In hommels feroaring ynsinnestrieling waard tapast, begjinnend mei in útstrieling fan 1000 W/m2 en abrupt ôfnimmend nei 500 W/m2 nei 1,5 s (Fig. 9a). Figuer 9b toant de fotovoltaïske macht helle út de fotovoltaïske panielen, oerienkommende mei 1000 W/m2 en 500 W/m2.Figuren 9c en 9d yllustrearje respektivelik de duty cycle en DC-linkspanning.As kin sjoen wurde út Fig.. 9e, de foarstelde metoade jout bettere antwurd tiid.Figure 9f toant it wetter pompen krigen foar de twa kontrôle strategyen.Pumping mei FDTCO wie heger as mei FDTC, pumping 0,01 m3 / s by 1000 W / m2 irradiance ferlike mei 0,009 m3 / s mei FDTC;furthermore, doe't irradiance wie 500 W At / m2, FDTCO pompt 0,0079 m3 / s, wylst FDTC pompt 0,0077 m3 / s. Figures 9g en 9h. Beskriuwt de hjoeddeiske reaksje simulearre mei help fan de FDTC metoade en de foarnommen kontrôle strategy. de foarstelde kontrôle strategy lit sjen dat de hjoeddeiske amplitude wurdt fermindere ûnder abrupt irradiance feroarings, resultearret yn redusearre koper losses.Figure 9j lit de evolúsje fan de flux antwurd om te kiezen foar de optimale flux om te soargjen dat ferliezen wurde minimalisearre, dêrom, de foarstelde technyk yllustrearret syn prestaasjes mei in flux fan 1Wb en in irradiance fan 1000 W/m2, wylst De flux is 0,83Wb en de irradiance is 500 W/m2.Yn tsjinstelling ta Fig. fertsjintwurdigje optimale funksje.Figuren 9k en 9l toant de evolúsje fan de stator flux trajekt.Figure 9l yllustrearret de optimale flux ûntwikkeling en ferklearret it haad idee fan de foarstelde kontrôle strategy en de ferbettering fan de foarnommen pomp systeem.
(in)Solarstrieling (b) Untlutsen macht (c) Duty cycle (d) DC bus spanning (e) Rotor snelheid (f) Wetterstream (g) Stator faze stroom foar FDTC (h) Stator faze stroom foar FDTCO (i) ) Flux antwurd mei help fan FLC (j) Flux antwurd mei help fan FDTCO (k) Stator flux trajekt mei help fan FDTC (l) Stator flux trajekt mei help fan FDTCO.
In fergelykjende analyze fan de twa technologyen yn termen fan flux wearde, hjoeddeistige amplitude en pompen wurdt werjûn yn Tabel 5, dat lit sjen dat de PVWPS basearre op de foarstelde technology jout hege prestaasjes mei ferhege pompen flow en minimalisearre amplitude hjoeddeistige en ferliezen, dat is fanwege ta optimale flux seleksje.
Om de foarstelde kontrôlestrategy te ferifiearjen en te testen, wurdt in PIL-test útfierd op basis fan it STM32F4-board.It omfettet it generearjen fan koade dy't sil wurde laden en rinne op it ynbêde board. It bestjoer befettet in 32-bit mikrokontroller mei 1 MB Flash, 168 MHz klok frekwinsje, floating point unit, DSP ynstruksjes, 192 KB SRAM. Tidens dizze test, in ûntwikkele PIL blok waard makke yn de kontrôle systeem mei dêryn de oanmakke koade basearre op de STM32F4 ûntdekking hardware board en yntrodusearre yn de Simulink software. De stappen te tastean PIL-tests om te konfigurearjen mei it STM32F4-boerd wurde werjûn yn figuer 10.
Co-simulaasje PIL testen mei help fan STM32F4 kin brûkt wurde as in lege-kosten technyk te ferifiearjen de foarstelde technique.In dit papier, de optimalisearre module dat soarget foar de bêste referinsje flux wurdt útfierd yn de STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
De lêste wurdt tagelyk mei Simulink útfierd en wikselt ynformaasje út by ko-simulaasje mei de foarstelde PVWPS-metoade.Figure 12 yllustrearret de ymplemintaasje fan it subsysteem foar optimisaasjetechnology yn STM32F4.
Allinich de foarstelde optimale referinsjefluxtechnyk wurdt yn dizze ko-simulaasje toand, om't it de wichtichste kontrôlefariabele is foar dit wurk dat it kontrôlegedrach fan in fotovoltaïsk wetterpompsysteem oantoand.
Post tiid: Apr-15-2022
