Viimastel aastatel on teadlaste seas suurt huvi äratanud fotogalvaaniliste veepumpamissüsteemide (PVWPS) tõhususe parandamine, kuna nende töö põhineb puhtal elektrienergia tootmisel. Käesolevas artiklis töötatakse välja uus hägusloogika kontrolleril põhinev lähenemine PVWPS-i jaoks. rakendused, mis hõlmavad asünkroonmootoritele (IM) rakendatavaid kadude minimeerimise tehnikaid. Kavandatav juhtseade valib optimaalse voo suuruse, minimeerides IM-kadusid. Lisaks võetakse kasutusele ka muutuva sammuga häiringute jälgimise meetod. Kavandatava juhtseadme sobivust tunnistab valamu voolu vähendamine;seetõttu on mootorikaod viidud miinimumini ja tõhusus paranenud. Kavandatavat juhtimisstrateegiat võrreldakse kadude minimeerimiseta meetoditega. Võrdlustulemused illustreerivad pakutud meetodi efektiivsust, mis põhineb elektrilise kiiruse, neelduva voolu, voolu kadude minimeerimisel. vesi ja voo arendamine.Protsessor-in-the-loop (PIL) test viiakse läbi pakutud meetodi eksperimentaalse testina.See hõlmab genereeritud C-koodi rakendamist STM32F4 avastusplaadil.Tulemused, mis on saadud manustatud tahvel on sarnased numbrilise simulatsiooni tulemustega.
Eriti taastuvenergiapäikeseenergiafotogalvaaniline tehnoloogia, võib olla puhtam alternatiiv fossiilkütustele veepumbasüsteemides1,2.Fotogalvaanilised pumpamissüsteemid on pälvinud märkimisväärset tähelepanu äärealadel, kus puudub elekter3,4.
PV-pumpamise rakendustes kasutatakse erinevaid mootoreid.PVWPS-i esmane etapp põhineb alalisvoolumootoritel.Neid mootoreid on lihtne juhtida ja rakendada, kuid need vajavad regulaarset hooldust annotaatorite ja harjade olemasolu tõttu5.Selle puuduse ületamiseks kasutage harjadeta kasutusele võeti püsimagnetmootorid, mida iseloomustab harjadeta, kõrge kasutegur ja töökindlus6. Võrreldes teiste mootoritega on IM-põhisel PVWPS-il parem jõudlus, kuna see mootor on töökindel, odav, hooldusvaba ja pakub rohkem võimalusi juhtimisstrateegiate jaoks7 .Tavaliselt kasutatakse kaudse väljale orienteeritud juhtimise (IFOC) tehnikaid ja otsese pöördemomendi juhtimise (DTC) meetodeid8.
IFOC on välja töötatud Blaschke ja Hasse poolt ning see võimaldab muuta IM-i kiirust laias vahemikus9,10.Staatori vool on jagatud kaheks osaks, millest üks genereerib magnetvoo ja teine pöördemomenti, teisendades dq koordinaatsüsteemi. voo ja pöördemomendi sõltumatu juhtimine püsiseisundis ja dünaamilistes tingimustes. Telg (d) on joondatud rootori voo ruumivektoriga, mis tähendab, et rootori voo ruumivektori q-telje komponent on alati null. FOC annab hea ja kiirema vastuse11 ,12, kuid see meetod on keeruline ja parameetrite kõikumine13.Nende puuduste ületamiseks võtsid Takashi ja Noguchi14 kasutusele DTC, millel on kõrge dünaamiline jõudlus ja mis on vastupidav ning parameetrite muutuste suhtes vähem tundlik.DTC-s on elektromagnetiline pöördemoment ja staatori voog juhitakse, lahutades vastavatest hinnangutest staatori voo ja pöördemomendi. Tulemus sisestatakse hüstereesi komparaatorisse, et genereerida juhtimiseks sobiv pingevektornii staatori voog kui ka pöördemoment.
Selle juhtimisstrateegia peamiseks ebamugavuseks on suured pöördemomendi ja voo kõikumised, mis on tingitud hüstereesiregulaatorite kasutamisest staatori voo ja elektromagnetilise pöördemomendi reguleerimiseks15,42. Pulsatsiooni minimeerimiseks kasutatakse mitmetasandilisi muundureid, kuid tõhusust vähendab toitelülitite arv16. Mitmed autorid on kasutanud ruumivektori modulatsiooni (SWM)17, libisemisrežiimi juhtimist (SMC)18, mis on võimsad tehnikad, kuid kannatavad soovimatute värinaefektide käes19. Paljud teadlased on kontrolleri jõudluse parandamiseks kasutanud tehisintellekti tehnikaid, sealhulgas (1) närvisüsteemi. võrgud, juhtimisstrateegia, mille rakendamiseks on vaja kiireid protsessoreid20, ja (2) geneetilised algoritmid21.
Hägujuhtimine on vastupidav, sobib mittelineaarsete juhtimisstrateegiate jaoks ega nõua täpse mudeli tundmist. See hõlmab hägusate loogikaplokkide kasutamist hüstereetiliste kontrollerite ja lülitite valikutabelite asemel, et vähendada voo ja pöördemomendi pulsatsiooni. Tasub märkida, et FLC-põhised DTC-d tagavad parema jõudluse22, kuid mitte piisavalt mootori efektiivsuse maksimeerimiseks, seetõttu on vaja juhtimisahela optimeerimise tehnikaid.
Enamikes varasemates uuringutes valisid autorid võrdlusvooluks konstantse voo, kuid see võrdlusallika valik ei esinda optimaalset praktikat.
Suure jõudlusega ja tõhusad mootoriajamid nõuavad kiiret ja täpset kiirusreageerimist.Teisest küljest ei pruugi juhtimine teatud toimingute puhul olla optimaalne, mistõttu ei saa ajamisüsteemi tõhusust optimeerida. Parema jõudluse saab saavutada muutuva voo viide süsteemi töö ajal.
Paljud autorid on pakkunud välja otsingukontrolleri (SC), mis minimeerib kadusid erinevatel koormustingimustel (nt in27), et parandada mootori efektiivsust. See meetod seisneb sisendvõimsuse mõõtmises ja minimeerimises iteratiivse d-telje voolu tugiväärtuse või staatori voo abil. viide.Kuid see meetod toob kaasa pöördemomendi pulsatsiooni õhuvahe voos esinevate võnkumiste tõttu ning selle meetodi rakendamine on aeganõudev ja arvutuslikult ressursimahukas.Tõhususe parandamiseks kasutatakse ka osakeste sülemi optimeerimist28, kuid see tehnika võib takerduda kohalikesse miinimumidesse, mis põhjustab juhtimisparameetrite halva valiku29.
Selles artiklis pakutakse välja FDTC-ga seotud tehnika optimaalse magnetvoo valimiseks, vähendades mootorikadusid. See kombinatsioon tagab võimaluse kasutada optimaalset voo taset igas tööpunktis, suurendades seeläbi kavandatava fotogalvaanilise veepumbasüsteemi efektiivsust. Seetõttu tundub see fotogalvaanilise veepumpamise jaoks väga mugav olevat.
Lisaks teostatakse pakutud meetodi tsüklisisese protsessori test, kasutades STM32F4 plaati eksperimentaalse valideerimisena. Selle tuuma peamised eelised on rakendamise lihtsus, madal hind ja keerukate programmide väljatöötamise puudumine 30 . , on FT232RL USB-UART teisendusplaat seotud STM32F4-ga, mis tagab välise sideliidese, et luua arvutis virtuaalne jadaport (COM-port). See meetod võimaldab andmeid edastada suure andmeedastuskiirusega.
Kavandatava tehnikaga PVWPS-i jõudlust võrreldakse PV-süsteemidega ilma kadude minimeerimiseta erinevates töötingimustes. Saadud tulemused näitavad, et kavandatav fotogalvaaniline veepumbasüsteem on parem staatori voolu- ja vasekadude minimeerimisel, voolu optimeerimisel ja vee pumpamisel.
Ülejäänud artikkel on üles ehitatud järgmiselt: Kavandatava süsteemi modelleerimine on toodud jaotises "Photogalvaaniliste süsteemide modelleerimine". Jaotises "Uuritava süsteemi juhtimisstrateegia" on FDTC, pakutud juhtimisstrateegia ja MPPT tehnika. Neid tulemusi käsitletakse jaotises "Simulatsioonitulemused". Jaotises "PIL-i testimine STM32F4 avastusplaadiga" kirjeldatakse tsüklisisese protsessori testimist. Selle töö järeldused on esitatud jaotises " Järeldused” osa.
Joonisel 1 on kujutatud eraldiseisva fotoelektrilise veepumbasüsteemi kavandatud konfiguratsioon.Süsteem koosneb IM-põhisest tsentrifugaalpumbast, fotogalvaanilisest massiivist, kahest võimsusmuundurist [võimendusmuundur ja pingeallika inverter (VSI)].Selles jaotises , esitatakse uuritud fotogalvaanilise veepumpamissüsteemi modelleerimine.
See artikkel võtab kasutusele ühe dioodi mudelipäikeseenergiafotogalvaanilised elemendid. PV-elemendi omadused on tähistatud numbritega 31, 32 ja 33.
Kohandamise teostamiseks kasutatakse võimendusmuundurit. Alalis-alalisvoolu muunduri sisend- ja väljundpinge vaheline seos on toodud valemiga 34 allpool:
IM matemaatilist mudelit saab võrdlusraamis (α,β) kirjeldada järgmiste võrranditega 5,40:
Kus \(l_{s }\),\(l_{r}\): staatori ja rootori induktiivsus, M: vastastikune induktiivsus, \(R_{s }\), \(I_{s }\): staatori takistus ja staatori vool, \(R_{r}\), \(I_{r }\): rootori takistus ja rootori vool, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): staatori voog ja staator pinge , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rootori voog ja rootori pinge.
Tsentrifugaalpumba koormuse pöördemomenti, mis on võrdeline IM-i kiiruse ruuduga, saab määrata järgmiselt:
Kavandatava veepumbasüsteemi juhtimine on jagatud kolme erinevasse alajaotisse.Esimene osa käsitleb MPPT-tehnoloogiat.Teine osa käsitleb IM-i juhtimist hägusloogika kontrolleri otsesel pöördemomendi juhtimisel.Lisaks kirjeldatakse III jaotises tehnikat, mis on seotud FLC-põhine DTC, mis võimaldab määrata võrdlusvooge.
Selles töös kasutatakse maksimaalse võimsuspunkti jälgimiseks muutuva sammuga P&O tehnikat. Seda iseloomustab kiire jälgimine ja madal võnkumine (joonis 2)37,38,39.
DTC põhiidee on juhtida otse masina voogu ja pöördemomenti, kuid hüstereesiregulaatorite kasutamine elektromagnetilise pöördemomendi ja staatori voo reguleerimiseks põhjustab suurt pöördemomenti ja voo pulsatsiooni. Seetõttu võetakse kasutusele hägustamise tehnika, et parandada DTC meetod (joonis 7) ja FLC suudab välja töötada piisavad inverteri vektori olekud.
Selles etapis teisendatakse sisend hägusteks muutujateks liikmelisuse funktsioonide (MF) ja keeleliste terminite kaudu.
Esimese sisendi (εφ) kolm liikmelisuse funktsiooni on negatiivsed (N), positiivsed (P) ja null (Z), nagu on näidatud joonisel 3.
Teise sisendi (\(\varepsilon\)Tem) viis liikmesusfunktsiooni on negatiivne suur (NL), negatiivne väike (NS), null (Z), positiivne väike (PS) ja positiivne suur (PL), nagu on näidatud joonisel 4.
Staatori voo trajektoor koosneb 12 sektorist, milles hägune hulk on esindatud võrdhaarse kolmnurkse liikmelisuse funktsiooniga, nagu on näidatud joonisel 5.
Tabelis 1 on rühmitatud 180 ähmast reeglit, mis kasutavad sisendi liikmelisuse funktsioone sobivate lülitiolekute valimiseks.
Järeldusmeetod viiakse läbi Mamdani tehnikaga. I-nda reegli kaalutegur (\(\alpha_{i}\)) saadakse järgmiselt:
kus\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Magnetvoo liikmelisuse väärtus, pöördemoment ja staatori voo nurga viga.
Joonis 6 illustreerib hägustest väärtustest saadud teravaid väärtusi võrrandis (20) pakutud maksimummeetodil.
Suurendades mootori efektiivsust, saab suurendada voolukiirust, mis omakorda suurendab igapäevast veepumpamist (joonis 7). Järgmise tehnika eesmärk on siduda kadude minimeerimisel põhinev strateegia otsese pöördemomendi juhtimise meetodiga.
On hästi teada, et magnetvoo väärtus on mootori efektiivsuse seisukohalt oluline. Suured voo väärtused põhjustavad raua kadude suurenemist ja vooluringi magnetilist küllastumist. Vastupidi, madalad vootasemed põhjustavad suuri džauli kadusid.
Seetõttu on kadude vähendamine IM-is otseselt seotud voo taseme valikuga.
Kavandatav meetod põhineb masinas staatori mähiste kaudu voolava vooluga seotud džauli kadude modelleerimisel.See seisneb rootori voo väärtuse reguleerimises optimaalsele väärtusele, minimeerides seeläbi mootorikadusid, et suurendada tõhusust.Joule'i kaod võib väljendada järgmiselt (tuumikkadusid arvestamata):
Elektromagnetiline pöördemoment\(C_{em}\) ja rootori voog\(\phi_{r}\) arvutatakse dq koordinaatsüsteemis järgmiselt:
Elektromagnetiline pöördemoment\(C_{em}\) ja rootori voog\(\phi_{r}\) arvutatakse võrdlusalusena (d,q) järgmiselt:
lahendades võrrandi.(30), leiame optimaalse staatorivoolu, mis tagab optimaalse rootori voo ja minimaalsed kaod:
Tarkvara MATLAB/Simulink abil viidi läbi erinevad simulatsioonid, et hinnata pakutud tehnika töökindlust ja jõudlust. Uuritav süsteem koosneb kaheksast järjestikku ühendatud 230 W CSUN 235-60P paneelist (tabel 2). Tsentrifugaalpumpa käitab IM ja selle iseloomulikud parameetrid on toodud tabelis 3. PV pumpamissüsteemi komponendid on toodud tabelis 4.
Selles jaotises võrreldakse fotogalvaanilist veepumpamissüsteemi, mis kasutab FDTC-d koos konstantse voo võrdlusega, pakutud süsteemiga, mis põhineb optimaalsel voolul (FDTCO) samades töötingimustes. Mõlema fotogalvaanilise süsteemi jõudlust testiti järgmiste stsenaariumide alusel:
Selles jaotises esitatakse pumbasüsteemi kavandatud käivitusolek, mis põhineb insolatsioonikiirusel 1000 W/m2.Joonis 8e illustreerib elektrilise kiiruse reaktsiooni. Võrreldes FDTC-ga tagab pakutud tehnika parema tõusuaja, saavutades püsioleku 1,04 juures. s ja FDTC-ga, jõudes püsiolekusse 1,93 s juures.Joonis 8f näitab kahe juhtimisstrateegia pumpamist. On näha, et FDTCO suurendab pumpamise kogust, mis seletab IM-i poolt muundatud energia paranemist.Joonis 8g ja 8h tähistavad tõmmatud staatori voolu.FDTC-d kasutav käivitusvool on 20 A, samas kui pakutud juhtimisstrateegia soovitab käivitusvooluks 10 A, mis vähendab Joule'i kadusid.Joonistel 8i ja 8j on näidatud arenenud staatori voog.FDTC-põhine PVPWS töötab konstantse võrdlusvooga 1,2 Wb, samas kui pakutud meetodi puhul on võrdlusvoogu 1 A, mis on seotud fotogalvaanilise süsteemi efektiivsuse parandamisega.
(a)Päikeseenergiakiirgus (b) Toite eraldamine (c) Töötsükkel (d) Alalisvoolu siini pinge (e) Rootori kiirus (f) Vee pumpamine (g) Staatori faasivool FDTC jaoks (h) Staatori faasivool FDTCO jaoks (i) Voo reaktsioon FLC-ga (j) Voo reaktsioon FDTCO-ga (k) Staatori voo trajektoor FDTC-ga (l) Staatori voo trajektoor FDTCO-ga.
Thepäikeseenergiakiirgus varieerus 1000-700 W/m2 3 sekundiga ja seejärel 500 W/m2 6 sekundiga (joonis 8a).Joonis 8b näitab vastavat fotogalvaanilist võimsust 1000 W/m2, 700 W/m2 ja 500 W/m2 korral .Joonised 8c ja 8d illustreerivad vastavalt töötsüklit ja alalisvoolu lüli pinget.Joonis 8e illustreerib IM elektrilist kiirust ja võime märgata, et pakutud tehnikal on FDTC-põhise fotogalvaanilise süsteemiga võrreldes parem kiirus ja reaktsiooniaeg.Joonis 8f näitab vee pumpamist erinevatel kiirgustiheduse tasemetel, mis on saadud FDTC ja FDTCO abil.FDTCO-ga on võimalik saavutada rohkem pumpamist kui FDTC-ga.Joonised 8g ja 8h illustreerivad simuleeritud voolureaktsioone, kasutades FDTC meetodit ja pakutud juhtimisstrateegiat.Kasutades pakutud juhtimistehnikat , on voolu amplituud minimaalne, mis tähendab vähem vase kadusid, suurendades seega süsteemi tõhusust. Seetõttu võivad suured käivitusvoolud põhjustada masina jõudluse vähenemist.Joonis 8j näitab voo reaktsiooni arengut, et validaoptimaalne voog, et tagada kadude minimeerimine, seetõttu illustreerib pakutud tehnika selle toimivust.Erinevalt joonisele 8i on voog konstantne, mis ei näita optimaalset talitlust.Joonised 8k ja 8l näitavad staatori voo trajektoori arengut.Joonis 8l illustreerib optimaalset voo arengut ja selgitab kavandatava juhtimisstrateegia peamist ideed.
Äkiline muutuspäikeseenergiarakendati kiirgust, alustades kiirgustihedusest 1000 W/m2 ja vähenedes järsult 500 W/m2 pärast 1,5 sekundit (joonis 9a). Joonisel 9b on näidatud fotogalvaanilistest paneelidest eraldatud fotogalvaaniline võimsus, mis vastab 1000 W/m2 ja 500 W/m2.Joonised 9c ja 9d illustreerivad vastavalt töötsüklit ja alalisvooluühenduse pinget. Nagu näha jooniselt 9e, tagab pakutud meetod parema reaktsiooniaja.Joonis 9f näitab kahe juhtimisstrateegia jaoks saadud vee pumpamist.Pumbamine FDTCO-ga oli kõrgem kui FDTC-ga, pumpades 0,01 m3/s kiirgustihedusega 1000 W/m2 võrreldes 0,009 m3/s FDTC-ga;Lisaks, kui kiirgustihedus oli 500 W At /m2, pumbas FDTCO 0,0079 m3/s, samas kui FDTC pumbas 0,0077 m3/s.Joonised 9g ja 9h.Kirjeldab FDTC-meetodil simuleeritud voolureaktsiooni ja pakutud juhtimisstrateegiat.Võime märkida, et pakutud juhtimisstrateegia näitab, et voolu amplituud väheneb järsu kiirgustiheduse muutumise korral, mille tulemuseks on vase kadude vähenemine.Joonis 9j näitab voo reaktsiooni arengut, et valida optimaalne voog, et tagada kadude minimeerimine, seetõttu on pakutud tehnika illustreerib selle toimivust vooga 1 Wb ja kiirgustihedusega 1000 W/m2, samas kui voog on 0,83 Wb ja kiirgustihedus 500 W/m2. Vastupidiselt joonisele 9i on voog konstantne 1,2 Wb, mis ei kujutavad optimaalset funktsiooni.Joonised 9k ja 9l näitavad staatori voo trajektoori arengut.Joonis 9l illustreerib optimaalset voo arengut ja selgitab kavandatava juhtimisstrateegia peamist ideed ja kavandatava pumpamissüsteemi täiustamist.
(a)Päikeseenergiakiirgus (b) Väljavõetud võimsus (c) Töötsükkel (d) alalisvoolu siini pinge (e) rootori kiirus (f) veevool (g) staatori faasivool FDTC jaoks (h) staatori faasivool FDTCO jaoks (i) ) voo reaktsioon kasutades FLC (j) Voo reaktsioon FDTCO abil (k) Staatori voo trajektoor FDTC abil (l) Staatori voo trajektoor FDTCO abil.
Kahe tehnoloogia võrdlev analüüs voo väärtuse, voolu amplituudi ja pumpamise osas on toodud tabelis 5, mis näitab, et pakutud tehnoloogial põhinev PVWPS tagab suure jõudluse suurema pumpamisvoolu ning minimeeritud amplituudivoolu ja kadude korral, mis on tingitud optimaalse voo valikuni.
Pakutud juhtimisstrateegia kontrollimiseks ja testimiseks tehakse STM32F4 plaadil põhinev PIL-test. See hõlmab koodi genereerimist, mis laaditakse ja käivitatakse manustatud plaadil. Tahvel sisaldab 32-bitist mikrokontrollerit 1 MB välguga, 168 MHz. taktsagedus, ujukomaühik, DSP juhised, 192 KB SRAM.Selle testi käigus loodi juhtimissüsteemis välja töötatud PIL-plokk, mis sisaldas STM32F4 avastusriistvaraplaadil põhinevat genereeritud koodi ja võeti kasutusele Simulinki tarkvaras. STM32F4 plaadi abil konfigureeritavad PIL-testid on näidatud joonisel 10.
Kaassimulatsiooni PIL-testi, kasutades STM32F4, saab kasutada odava tehnikana pakutud tehnika kontrollimiseks.Selles artiklis on optimeeritud moodul, mis pakub parimat võrdlusvoogu, rakendatud STMicroelectronics Discovery Boardis (STM32F4).
Viimast teostatakse samaaegselt Simulinkiga ja see vahetab teavet kaassimulatsiooni ajal, kasutades pakutud PVWPS meetodit. Joonis 12 illustreerib optimeerimistehnoloogia alamsüsteemi rakendamist STM32F4-s.
Selles kaassimulatsioonis on näidatud ainult kavandatud optimaalne võrdlusvoo tehnika, kuna see on selle töö peamine juhtmuutuja, mis näitab fotogalvaanilise veepumbasüsteemi juhtimiskäitumist.
Postitusaeg: 15. aprill 2022
