V zadnjih letih so izboljšave učinkovitosti fotonapetostnih vodnih črpalnih sistemov (PVWPS) pritegnile veliko zanimanja med raziskovalci, saj njihovo delovanje temelji na proizvodnji čiste električne energije. V tem prispevku je za PVWPS razvit nov pristop, ki temelji na krmilniku mehke logike. aplikacije, ki vključujejo tehnike minimiziranja izgub, ki se uporabljajo za indukcijske motorje (IM). Predlagano krmiljenje izbere optimalno velikost pretoka z zmanjšanjem izgub IM. Poleg tega je uvedena tudi metoda opazovanja motenj s spremenljivim korakom. Primernost predlaganega krmiljenja priznava zmanjšanje ponornega toka;zato so izgube motorja minimizirane in učinkovitost je izboljšana. Predlagano strategijo krmiljenja primerjamo z metodami brez minimizacije izgub. Rezultati primerjave ponazarjajo učinkovitost predlagane metode, ki temelji na minimiziranju izgub električne hitrosti, absorbiranega toka, pretoka voda in razvijanje toka. Test procesorja v zanki (PIL) se izvede kot eksperimentalni preizkus predlagane metode. Vključuje implementacijo ustvarjene kode C na plošči za odkrivanje STM32F4. Rezultati, dobljeni iz vgrajenega so podobni rezultatom numerične simulacije.
Predvsem obnovljivi viri energijesončnafotonapetostna tehnologija je lahko čistejša alternativa fosilnim gorivom v črpalnih sistemih za vodo1,2. Fotovoltaični črpalni sistemi so bili deležni precejšnje pozornosti na oddaljenih območjih brez elektrike3,4.
V PV črpalnih aplikacijah se uporabljajo različni motorji. Primarna stopnja PVWPS temelji na motorjih na enosmerni tok. Te motorje je enostavno krmiliti in uporabljati, vendar zahtevajo redno vzdrževanje zaradi prisotnosti opomb in ščetk5. Da bi odpravili to pomanjkljivost, brezkrtačni uvedeni so bili motorji s trajnimi magneti, za katere je značilna brezkrtačna, visoka učinkovitost in zanesljivost6. V primerjavi z drugimi motorji ima PVWPS na osnovi IM boljšo zmogljivost, ker je ta motor zanesljiv, poceni, ne zahteva vzdrževanja in ponuja več možnosti za krmilne strategije7 Običajno se uporabljajo tehnike posrednega krmiljenja, usmerjenega na polje (IFOC) in metode neposrednega nadzora navora (DTC)8.
IFOC sta razvila Blaschke in Hasse in omogoča spreminjanje hitrosti IM v širokem razponu9,10. Statorski tok je razdeljen na dva dela, eden ustvarja magnetni pretok, drugi pa navor s pretvorbo v koordinatni sistem dq. To omogoča neodvisen nadzor pretoka in navora v stabilnem stanju in dinamičnih pogojih. Os (d) je poravnana z vektorjem prostora pretoka rotorja, kar vključuje komponento osi q vektorja prostora pretoka rotorja, ki je vedno enaka nič. FOC zagotavlja dober in hitrejši odziv11 ,12 pa je ta metoda zapletena in podvržena variacijam parametrov13. Da bi odpravila te pomanjkljivosti, sta Takashi in Noguchi14 predstavila DTC, ki ima visoko dinamično zmogljivost ter je robusten in manj občutljiv na spremembe parametrov. V DTC sta elektromagnetni navor in statorski tok se krmilijo tako, da se od ustreznih ocen odšteje statorski tok in navor. Rezultat se vnese v histerezni primerjalnik, da se ustvari ustrezen vektor napetosti za nadzorstatorski tok in navor.
Glavna nevšečnost te strategije krmiljenja so velika nihanja navora in pretoka zaradi uporabe histereznih regulatorjev za statorski pretok in regulacijo elektromagnetnega navora15,42. Večnivojski pretvorniki se uporabljajo za zmanjšanje valovanja, vendar je učinkovitost zmanjšana zaradi števila močnostnih stikal16. Več avtorjev je uporabilo vesoljsko vektorsko modulacijo (SWM)17, krmiljenje drsnega načina (SMC)18, ki sta močni tehniki, vendar trpita zaradi nezaželenih učinkov tresenja19. Mnogi raziskovalci so uporabili tehnike umetne inteligence za izboljšanje delovanja krmilnika, med njimi (1) nevronske omrežij, nadzorna strategija, ki zahteva visokohitrostne procesorje za izvajanje20, in (2) genetski algoritmi21.
Mehko krmiljenje je robustno, primerno za strategije nelinearnega krmiljenja in ne zahteva poznavanja natančnega modela. Vključuje uporabo blokov mehke logike namesto histerezičnih krmilnikov in tabel za izbiro stikal za zmanjšanje toka in valovanja navora. Treba je poudariti, da DTC-ji, ki temeljijo na FLC, zagotavljajo boljšo zmogljivost22, vendar ne dovolj za povečanje učinkovitosti motorja, zato so potrebne tehnike optimizacije krmilne zanke.
V večini prejšnjih študij so avtorji izbrali konstantni tok kot referenčni tok, vendar ta izbira referenčnega toka ne predstavlja optimalne prakse.
Visokozmogljivi motorni pogoni z visokim izkoristkom zahtevajo hiter in natančen odziv hitrosti. Po drugi strani pa za nekatere operacije krmiljenje morda ni optimalno, zato učinkovitosti pogonskega sistema ni mogoče optimizirati. Boljšo zmogljivost je mogoče doseči z uporabo referenca spremenljivega toka med delovanjem sistema.
Številni avtorji so predlagali krmilnik iskanja (SC), ki zmanjšuje izgube pri različnih pogojih obremenitve (kot je in27), da bi izboljšali učinkovitost motorja. Tehnika je sestavljena iz merjenja in minimiziranja vhodne moči s ponavljajočim referenčnim tokom na d-osi ali statorskim pretokom Vendar pa ta metoda uvaja valovanje navora zaradi nihanj, ki so prisotne v toku zračne reže, izvajanje te metode pa je zamudno in zahteva veliko računskih virov. Optimizacija roja delcev se uporablja tudi za izboljšanje učinkovitosti28, vendar lahko ta tehnika se zataknejo v lokalnih minimumih, kar vodi v slabo izbiro kontrolnih parametrov29.
V tem prispevku je predlagana tehnika, povezana s FDTC, za izbiro optimalnega magnetnega pretoka z zmanjšanjem izgub motorja. Ta kombinacija zagotavlja možnost uporabe optimalne ravni pretoka na vsaki delovni točki, s čimer se poveča učinkovitost predlaganega fotovoltaičnega sistema črpanja vode. Zato se zdi zelo primeren za fotovoltaične aplikacije črpanja vode.
Poleg tega se izvede preizkus predlagane metode s procesorjem v zanki z uporabo plošče STM32F4 kot poskusna validacija. Glavne prednosti tega jedra so preprostost izvedbe, nizki stroški in ni potrebe po razvoju kompleksnih programov 30. Poleg tega , je pretvorniška plošča FT232RL USB-UART povezana s STM32F4, ki zagotavlja zunanji komunikacijski vmesnik za vzpostavitev virtualnih serijskih vrat (COM port) na računalniku. Ta metoda omogoča prenos podatkov pri visokih hitrostih prenosa.
Zmogljivost PVWPS z uporabo predlagane tehnike primerjamo s fotonapetostnimi sistemi brez minimizacije izgub pri različnih delovnih pogojih. Dobljeni rezultati kažejo, da je predlagani sistem fotonapetostne vodne črpalke boljši pri minimiziranju statorskega toka in izgub bakra, optimizaciji pretoka in črpanju vode.
Preostali del prispevka je strukturiran na naslednji način: Modeliranje predlaganega sistema je podano v razdelku »Modeliranje fotonapetostnih sistemov«. V razdelku »Strategija krmiljenja proučevanega sistema« sta FDTC predlagana strategija krmiljenja in tehnika MPPT. podrobno opisano. Ugotovitve so obravnavane v razdelku »Rezultati simulacije«. V razdelku »Testiranje PIL s ploščo za odkrivanje STM32F4« je opisano testiranje procesorja v zanki. Zaključki tega dokumenta so predstavljeni v » Zaključki.
Slika 1 prikazuje predlagano konfiguracijo sistema za samostojni PV črpalni sistem za vodo. Sistem je sestavljen iz centrifugalne črpalke na osnovi IM, fotonapetostnega niza, dveh pretvornikov moči [ojačevalni pretvornik in pretvornik napetostnega vira (VSI)]. V tem razdelku , je predstavljeno modeliranje proučevanega fotovoltaičnega vodnega črpalnega sistema.
Ta članek sprejme model z eno diodosončnafotovoltaične celice. Karakteristike PV celice so označene z 31, 32 in 33.
Za izvedbo prilagoditve se uporabi ojačevalni pretvornik. Razmerje med vhodno in izhodno napetostjo pretvornika DC-DC je podano z enačbo 34 spodaj:
Matematični model IM je mogoče opisati v referenčnem okviru (α,β) z naslednjima enačbama 5,40:
Kjer \(l_{s }\),\(l_{r}\): induktivnost statorja in rotorja, M: medsebojna induktivnost, \(R_{s }\), \(I_{s }\): upornost statorja in tok statorja, \(R_{r}\), \(I_{r }\): upor rotorja in tok rotorja, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): statorski tok in stator napetost , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): tok rotorja in napetost rotorja.
Navor obremenitve centrifugalne črpalke, ki je sorazmeren s kvadratom vrtilne frekvence IM, se lahko določi z:
Krmiljenje predlaganega sistema vodne črpalke je razdeljeno na tri različne pododdelke. Prvi del obravnava tehnologijo MPPT. Drugi del obravnava pogon IM na podlagi neposrednega krmiljenja navora krmilnika mehke logike. Poleg tega razdelek III opisuje tehniko, povezano z DTC na osnovi FLC, ki omogoča določanje referenčnih fluksov.
V tem delu je za sledenje največji točki moči uporabljena tehnika P&O s spremenljivim korakom. Zanj je značilno hitro sledenje in nizko nihanje (slika 2)37,38,39.
Glavna ideja DTC je neposreden nadzor pretoka in navora stroja, vendar uporaba regulatorjev histereze za regulacijo elektromagnetnega navora in statorskega pretoka povzroči visok navor in valovanje toka. Zato je uvedena tehnika zamegljevanja za izboljšanje Metoda DTC (slika 7), FLC pa lahko razvije zadostna vektorska stanja pretvornika.
V tem koraku se vhod pretvori v mehke spremenljivke s pomočjo članskih funkcij (MF) in jezikovnih izrazov.
Tri funkcije pripadnosti za prvi vhod (εφ) so negativna (N), pozitivna (P) in nič (Z), kot je prikazano na sliki 3.
Pet funkcij članstva za drugi vhod (\(\varepsilon\)Tem) je negativno veliko (NL), negativno majhno (NS), nič (Z), pozitivno majhno (PS) in pozitivno veliko (PL), kot je prikazano na sliki 4.
Trajektorija statorskega toka je sestavljena iz 12 sektorjev, v katerih je mehka množica predstavljena z enakokrako trikotno funkcijo pripadnosti, kot je prikazano na sliki 5.
Tabela 1 združuje 180 mehkih pravil, ki uporabljajo vhodne članske funkcije za izbiro ustreznih stanj stikala.
Metoda sklepanja se izvede z Mamdanijevo tehniko. Faktor teže (\(\alpha_{i}\)) i-tega pravila je podan z:
kjer\(\mu Ai \levo( {e\varphi } \desno)\),\(\mu Bi\levo( {eT} \desno) ,\) \(\mu Ci\levo( \theta \desno) \) : Vrednost članstva magnetnega pretoka, navora in napake kota pretoka statorja.
Slika 6 prikazuje ostre vrednosti, dobljene iz mehkih vrednosti z uporabo metode maksimuma, predlagane z enačbo (20).
S povečanjem učinkovitosti motorja je mogoče povečati pretok, kar posledično poveča dnevno črpanje vode (slika 7). Namen naslednje tehnike je povezati strategijo, ki temelji na zmanjšanju izgube, z metodo neposrednega nadzora navora.
Dobro je znano, da je vrednost magnetnega pretoka pomembna za učinkovitost motorja. Visoke vrednosti pretoka vodijo do povečanih izgub železa in tudi magnetne nasičenosti vezja. Nasprotno pa nizke ravni pretoka povzročijo velike izgube Joulov.
Zato je zmanjšanje izgub v IM neposredno povezano z izbiro ravni pretoka.
Predlagana metoda temelji na modeliranju izgub Joulov, povezanih s tokom, ki teče skozi navitja statorja v stroju. Sestoji iz prilagajanja vrednosti fluksa rotorja na optimalno vrednost, s čimer se zmanjšajo izgube motorja za povečanje učinkovitosti. Izgube Joulov se lahko izrazi kot sledi (brez upoštevanja izgub v jedru):
Elektromagnetni navor\(C_{em}\) in rotorski tok\(\phi_{r}\) se izračunata v koordinatnem sistemu dq kot:
Elektromagnetni navor\(C_{em}\) in rotorski tok\(\phi_{r}\) sta izračunana v referenci (d,q) kot:
z rešitvijo enačbe (30) najdemo optimalen statorski tok, ki zagotavlja optimalen pretok rotorja in minimalne izgube:
Različne simulacije so bile izvedene z uporabo programske opreme MATLAB/Simulink za ovrednotenje robustnosti in učinkovitosti predlagane tehnike. Preiskovani sistem je sestavljen iz osmih 230 W plošč CSUN 235-60P (tabela 2), povezanih zaporedno. Centrifugalno črpalko poganja IM in njegovi značilni parametri so prikazani v tabeli 3. Komponente PV črpalnega sistema so prikazane v tabeli 4.
V tem razdelku se fotonapetostni vodni črpalni sistem, ki uporablja FDTC s konstantnim referenčnim pretokom, primerja s predlaganim sistemom, ki temelji na optimalnem pretoku (FDTCO) pri enakih delovnih pogojih. Delovanje obeh fotonapetostnih sistemov je bilo preizkušeno z upoštevanjem naslednjih scenarijev:
V tem razdelku je predstavljeno predlagano zagonsko stanje sistema črpalke na podlagi stopnje insolacije 1000 W/m2. Slika 8e prikazuje odziv električne hitrosti. V primerjavi s FDTC predlagana tehnika zagotavlja boljši čas vzpona in doseže stabilno stanje pri 1,04 s in s FDTC, ki doseže stabilno stanje pri 1,93 s. Slika 8f prikazuje črpanje obeh strategij krmiljenja. Vidimo lahko, da FDTCO poveča količino črpanja, kar pojasnjuje izboljšanje energije, ki jo pretvori IM. Slike 8g in 8h predstavljata vlečeni tok statorja. Zagonski tok z uporabo FDTC je 20 A, medtem ko predlagana strategija krmiljenja predlaga zagonski tok 10 A, kar zmanjša Joulove izgube. Sliki 8i in 8j prikazujeta razvit statorski tok. PVPWS deluje pri konstantnem referenčnem toku 1,2 Wb, pri predlagani metodi pa je referenčni tok 1 A, kar sodeluje pri izboljšanju učinkovitosti fotovoltaičnega sistema.
(a)sončnasevanje (b) Odvzem moči (c) Delovni cikel (d) Napetost enosmernega vodila (e) Hitrost rotorja (f) Črpanje vode (g) Fazni tok statorja za FDTC (h) Fazni tok statorja za FDTCO (i) Odziv toka z uporabo FLC (j) Odziv toka z uporabo FDTCO (k) Trajektorija statorskega toka z uporabo FDTC (l) Trajektorija statorskega toka z uporabo FDTCO.
Thesončnasevanje se je spreminjalo od 1000 do 700 W/m2 v 3 sekundah in nato do 500 W/m2 v 6 sekundah (slika 8a). Slika 8b prikazuje ustrezno fotovoltaično moč za 1000 W/m2, 700 W/m2 in 500 W/m2 .Sliki 8c in 8d prikazujeta delovni cikel oziroma napetost enosmernega vmesnega toka. Slika 8e prikazuje električno hitrost IM in lahko opazimo, da ima predlagana tehnika boljšo hitrost in odzivni čas v primerjavi s fotovoltaičnim sistemom, ki temelji na FDTC. Slika 8f prikazuje črpanje vode za različne stopnje obsevanosti, pridobljene z uporabo FDTC in FDTCO. Več črpanja je mogoče doseči s FDTCO kot s FDTC. Sliki 8g in 8h prikazujeta simulirane trenutne odzive z uporabo metode FDTC in predlagane strategije nadzora. Z uporabo predlagane tehnike nadzora , je trenutna amplituda minimizirana, kar pomeni manjše izgube bakra, s čimer se poveča učinkovitost sistema. Zato lahko visoki zagonski tokovi vodijo do zmanjšane zmogljivosti stroja. Slika 8j prikazuje razvoj odziva toka za izbirooptimalni pretok, da se zagotovi čim manjše izgube, zato predlagana tehnika ponazarja njeno delovanje. V nasprotju s sliko 8i je pretok konstanten, kar ne predstavlja optimalnega delovanja. Sliki 8k in 8l prikazujeta razvoj trajektorije pretoka statorja. Slika 8l ponazarja optimalen razvoj toka in pojasnjuje glavno idejo predlagane strategije nadzora.
Nenadna sprememba vsončnauporabljeno je bilo sevanje, ki se je začelo z obsevanjem 1000 W/m2 in se po 1,5 s nenadoma zmanjšalo na 500 W/m2 (slika 9a). Slika 9b prikazuje fotovoltaično moč, pridobljeno iz fotonapetostnih plošč, ki ustreza 1000 W/m2 in 500 W/m2. Sliki 9c in 9d prikazujeta delovni cikel oziroma napetost vmesnega tokokroga. Kot je razvidno iz slike 9e, predlagana metoda zagotavlja boljši odzivni čas. Slika 9f prikazuje črpanje vode, pridobljeno za obe strategiji krmiljenja. Črpanje pri FDTCO je bil višji kot pri FDTC, črpanje 0,01 m3/s pri obsevanju 1000 W/m2 v primerjavi z 0,009 m3/s pri FDTC;poleg tega, ko je bilo obsevanje 500 W At /m2, je FDTCO črpal 0,0079 m3/s, medtem ko je FDTC črpal 0,0077 m3/s. Sliki 9g in 9h. Opisuje trenutni odziv, simuliran z metodo FDTC in predlagano strategijo nadzora. Opazimo lahko, da predlagana strategija nadzora kaže, da se trenutna amplituda zmanjša pri nenadnih spremembah obsevanosti, kar ima za posledico zmanjšane izgube bakra. Slika 9j prikazuje razvoj odziva pretoka, da se izbere optimalen pretok, da se zagotovi zmanjšanje izgub, zato je predlagana tehnika ponazarja njegovo delovanje s tokom 1 Wb in obsevanjem 1000 W/m2, medtem ko je tok 0,83 Wb in obsevanje 500 W/m2. V nasprotju s sliko 9i je tok konstanten pri 1,2 Wb, kar ne predstavljajo optimalno funkcijo. Sliki 9k in 9l prikazujeta razvoj trajektorije statorskega pretoka. Slika 9l ponazarja razvoj optimalnega pretoka in pojasnjuje glavno idejo predlagane strategije krmiljenja in izboljšanje predlaganega črpalnega sistema.
(a)sončnasevanje (b) Odvzeta moč (c) Delovni cikel (d) Napetost enosmernega vodila (e) Hitrost rotorja (f) Pretok vode (g) Fazni tok statorja za FDTC (h) Fazni tok statorja za FDTCO (i) ) Odziv pretoka z uporabo FLC (j) Odziv toka z uporabo FDTCO (k) Trajektorija statorskega toka z uporabo FDTC (l) Trajektorija statorskega toka z uporabo FDTCO.
Primerjalna analiza obeh tehnologij z vidika vrednosti pretoka, amplitude toka in črpanja je prikazana v tabeli 5, iz katere je razvidno, da PVWPS na podlagi predlagane tehnologije zagotavlja visoko zmogljivost s povečanim pretokom črpanja in minimiziranim amplitudnim tokom in izgubami, kar je posledica za optimalno izbiro toka.
Za preverjanje in testiranje predlagane strategije nadzora se na plošči STM32F4 izvede test PIL. Vključuje generiranje kode, ki bo naložena in zagnana na vgrajeni plošči. Plošča vsebuje 32-bitni mikrokrmilnik z 1 MB Flash, 168 MHz urna frekvenca, enota s plavajočo vejico, navodila DSP, 192 KB SRAM. Med tem preskusom je bil v nadzornem sistemu ustvarjen razvit blok PIL, ki vsebuje ustvarjeno kodo, ki temelji na plošči strojne opreme za odkrivanje STM32F4 in je bila uvedena v programsko opremo Simulink. Koraki, ki omogočajo Preizkusi PIL, ki jih je treba konfigurirati s ploščo STM32F4, so prikazani na sliki 10.
Sosimulacijsko testiranje PIL z uporabo STM32F4 se lahko uporabi kot poceni tehnika za preverjanje predlagane tehnike. V tem dokumentu je optimiziran modul, ki zagotavlja najboljši referenčni tok, implementiran v ploščo STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Slednji se izvaja sočasno s Simulinkom in izmenjuje informacije med sosimulacijo z uporabo predlagane metode PVWPS. Slika 12 prikazuje implementacijo podsistema optimizacijske tehnologije v STM32F4.
V tej kosimulaciji je prikazana samo predlagana tehnika optimalnega referenčnega pretoka, saj je glavna kontrolna spremenljivka za to delo, ki prikazuje krmilno vedenje fotonapetostnega vodnega črpalnega sistema.
Čas objave: 15. aprila 2022
