Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, penambahbaikan dalam kecekapan sistem pam air fotovoltaik (PVWPS) telah menarik minat yang besar di kalangan penyelidik, kerana operasi mereka adalah berdasarkan pengeluaran tenaga elektrik bersih. Dalam kertas ini, pendekatan berasaskan pengawal logik kabur baharu dibangunkan untuk PVWPS aplikasi yang menggabungkan teknik pengecilan kerugian yang digunakan pada motor aruhan (IM). Kawalan yang dicadangkan memilih magnitud fluks optimum dengan meminimumkan kerugian IM. Selain itu, kaedah pemerhatian gangguan langkah pembolehubah juga diperkenalkan. Kesesuaian kawalan yang dicadangkan diiktiraf oleh mengurangkan arus sinki;oleh itu, kerugian motor diminimumkan dan kecekapan dipertingkatkan. Strategi kawalan yang dicadangkan dibandingkan dengan kaedah tanpa pengurangan kerugian. Keputusan perbandingan menggambarkan keberkesanan kaedah yang dicadangkan, yang berdasarkan kepada pengurangan kerugian dalam halaju elektrik, arus yang diserap, mengalir air, dan mengembangkan fluks.Ujian pemproses dalam gelung (PIL) dilakukan sebagai ujian eksperimen bagi kaedah yang dicadangkan. Ia termasuk pelaksanaan kod C yang dijana pada papan penemuan STM32F4. Keputusan yang diperoleh daripada tertanam papan adalah serupa dengan hasil simulasi berangka.
Tenaga boleh diperbaharui, terutamanyasuriateknologi fotovoltaik, boleh menjadi alternatif yang lebih bersih kepada bahan api fosil dalam sistem pengepaman air1,2.Sistem pam fotovoltaik telah mendapat perhatian yang besar di kawasan terpencil tanpa bekalan elektrik3,4.
Pelbagai enjin digunakan dalam aplikasi pengepaman PV. Peringkat utama PVWPS adalah berdasarkan motor DC. Motor ini mudah dikawal dan dilaksanakan, tetapi ia memerlukan penyelenggaraan yang kerap kerana kehadiran anotasi dan berus5. Untuk mengatasi kekurangan ini, tanpa berus. motor magnet kekal diperkenalkan, yang dicirikan oleh tanpa berus, kecekapan tinggi dan kebolehpercayaan6.Berbanding dengan motor lain, PVWPS berasaskan IM mempunyai prestasi yang lebih baik kerana motor ini boleh dipercayai, kos rendah, bebas penyelenggaraan dan menawarkan lebih banyak kemungkinan untuk strategi kawalan7 .Teknik Indirect Field Oriented Control (IFOC) dan kaedah Direct Torque Control (DTC) biasa digunakan8.
IFOC telah dibangunkan oleh Blaschke dan Hasse dan membenarkan menukar kelajuan IM dalam julat yang luas9,10. Arus stator dibahagikan kepada dua bahagian, satu menjana fluks magnet dan satu lagi menjana tork dengan menukar kepada sistem koordinat dq. Ini membolehkan kawalan bebas fluks dan tork di bawah keadaan mantap dan keadaan dinamik.Paksi (d) diselaraskan dengan vektor ruang fluks rotor, yang melibatkan komponen paksi q vektor ruang fluks rotor sentiasa sifar.FOC memberikan tindak balas yang baik dan lebih pantas11 ,12, walau bagaimanapun, kaedah ini adalah kompleks dan tertakluk kepada variasi parameter13.Untuk mengatasi kelemahan ini, Takashi dan Noguchi14 memperkenalkan DTC, yang mempunyai prestasi dinamik yang tinggi dan teguh serta kurang sensitif terhadap perubahan parameter.Dalam DTC, tork elektromagnet dan fluks stator dikawal dengan menolak fluks pemegun dan tork daripada anggaran yang sepadan. Hasilnya dimasukkan ke dalam pembanding histerisis untuk menjana vektor voltan yang sesuai untuk dikawalkedua-dua fluks stator dan tork.
Kesulitan utama strategi kawalan ini ialah tork dan turun naik fluks yang besar disebabkan oleh penggunaan pengawal selia histeresis untuk fluks stator dan peraturan tork elektromagnet15,42.Penukar berbilang aras digunakan untuk meminimumkan riak, tetapi kecekapan dikurangkan dengan bilangan suis kuasa16. Beberapa pengarang telah menggunakan modulasi vektor ruang (SWM)17, kawalan mod gelongsor (SMC)18, yang merupakan teknik yang berkuasa tetapi mengalami kesan kegelisahan yang tidak diingini19. Ramai penyelidik telah menggunakan teknik kecerdasan buatan untuk meningkatkan prestasi pengawal, antaranya, (1) saraf rangkaian, strategi kawalan yang memerlukan pemproses berkelajuan tinggi untuk melaksanakan20, dan (2) algoritma genetik21.
Kawalan kabur adalah teguh, sesuai untuk strategi kawalan tak linear, dan tidak memerlukan pengetahuan tentang model yang tepat. Ia termasuk penggunaan blok logik kabur dan bukannya pengawal histeretik dan jadual pemilihan suis untuk mengurangkan riak fluks dan tork. Perlu dinyatakan bahawa DTC berasaskan FLC memberikan prestasi yang lebih baik22, tetapi tidak mencukupi untuk memaksimumkan kecekapan enjin, jadi teknik pengoptimuman gelung kawalan diperlukan.
Dalam kebanyakan kajian terdahulu, penulis memilih fluks malar sebagai fluks rujukan, tetapi pilihan rujukan ini tidak mewakili amalan optimum.
Pemacu motor berprestasi tinggi dan berkecekapan tinggi memerlukan tindak balas kelajuan yang pantas dan tepat. Sebaliknya, untuk sesetengah operasi, kawalan mungkin tidak optimum, jadi kecekapan sistem pemacu tidak dapat dioptimumkan. Prestasi yang lebih baik boleh diperoleh dengan menggunakan rujukan fluks berubah semasa operasi sistem.
Ramai pengarang telah mencadangkan pengawal carian (SC) yang meminimumkan kerugian di bawah keadaan beban yang berbeza (seperti dalam27) untuk meningkatkan kecekapan enjin. Teknik ini terdiri daripada mengukur dan meminimumkan kuasa input dengan rujukan arus paksi-d berulang atau fluks stator. rujukan.Walau bagaimanapun, kaedah ini memperkenalkan riak tork disebabkan oleh ayunan yang terdapat dalam fluks jurang udara, dan pelaksanaan kaedah ini memakan masa dan intensif sumber secara pengiraan.Pengoptimuman kawanan zarah juga digunakan untuk meningkatkan kecekapan28, tetapi teknik ini boleh terperangkap dalam minima tempatan, membawa kepada pemilihan parameter kawalan yang lemah29.
Dalam kertas kerja ini, teknik yang berkaitan dengan FDTC dicadangkan untuk memilih fluks magnet optimum dengan mengurangkan kehilangan motor. Gabungan ini memastikan keupayaan untuk menggunakan tahap fluks optimum pada setiap titik operasi, dengan itu meningkatkan kecekapan sistem pengepaman air fotovoltaik yang dicadangkan. Oleh itu, ia kelihatan sangat mudah untuk aplikasi pam air fotovoltaik.
Tambahan pula, ujian pemproses-dalam-gelung kaedah yang dicadangkan dilakukan menggunakan papan STM32F4 sebagai pengesahan eksperimen. Kelebihan utama teras ini ialah kesederhanaan pelaksanaan, kos rendah dan tidak perlu membangunkan program yang kompleks 30 .Selain itu , papan penukaran USB-UART FT232RL dikaitkan dengan STM32F4, yang menjamin antara muka komunikasi luaran untuk mewujudkan port bersiri maya (port COM) pada komputer. Kaedah ini membolehkan data dihantar pada kadar baud yang tinggi.
Prestasi PVWPS menggunakan teknik yang dicadangkan dibandingkan dengan sistem PV tanpa pengurangan kerugian di bawah keadaan operasi yang berbeza. Keputusan yang diperolehi menunjukkan bahawa sistem pam air fotovoltaik yang dicadangkan adalah lebih baik dalam meminimumkan kehilangan arus pemegun dan kuprum, mengoptimumkan fluks dan mengepam air.
Selebihnya kertas kerja distrukturkan seperti berikut: Pemodelan sistem yang dicadangkan diberikan dalam bahagian "Pemodelan Sistem Fotovoltaik". Dalam bahagian "Strategi kawalan sistem yang dikaji", FDTC, strategi kawalan yang dicadangkan dan teknik MPPT adalah diterangkan secara terperinci. Penemuan dibincangkan dalam bahagian "Hasil Simulasi". Dalam bahagian "Ujian PIL dengan papan penemuan STM32F4", ujian pemproses dalam gelung diterangkan. Kesimpulan kertas kerja ini dibentangkan dalam " bahagian Kesimpulan”.
Rajah 1 menunjukkan konfigurasi sistem yang dicadangkan untuk sistem pam air PV yang berdiri sendiri. Sistem ini terdiri daripada pam empar berasaskan IM, tatasusunan fotovoltaik, dua penukar kuasa [penukar rangsangan dan penyongsang sumber voltan (VSI)]. Dalam bahagian ini , pemodelan sistem pam air fotovoltaik yang dikaji dibentangkan.
Kertas ini mengguna pakai model diod tunggal bagisuriasel fotovoltaik.Ciri-ciri sel PV dilambangkan dengan 31, 32, dan 33.
Untuk melakukan penyesuaian, penukar rangsangan digunakan. Hubungan antara voltan input dan output penukar DC-DC diberikan oleh Persamaan 34 di bawah:
Model matematik IM boleh diterangkan dalam kerangka rujukan (α,β) dengan persamaan 5,40 berikut:
Di mana \(l_{s }\),\(l_{r}\): pemegun dan kearuhan pemutar, M: kearuhan bersama, \(R_{s }\), \(I_{s }\): rintangan pemegun dan Arus pemegun, \(R_{r}\), \(I_{r }\): rintangan pemutar dan arus pemutar, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): fluks pemegun dan pemegun voltan , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): fluks pemutar dan voltan pemutar.
Tork beban pam emparan berkadar dengan kuasa dua kelajuan IM boleh ditentukan dengan:
Kawalan sistem pam air yang dicadangkan dibahagikan kepada tiga subseksyen yang berbeza. Bahagian pertama berkaitan dengan teknologi MPPT. Bahagian kedua berkaitan dengan memacu IM berdasarkan kawalan tork terus pengawal logik kabur. Tambahan pula, Bahagian III menerangkan teknik yang berkaitan dengan DTC berasaskan FLC yang membenarkan penentuan fluks rujukan.
Dalam kerja ini, teknik P&O langkah berubah-ubah digunakan untuk menjejak titik kuasa maksimum. Ia dicirikan oleh pengesanan pantas dan ayunan rendah (Rajah 2)37,38,39.
Idea utama DTC adalah untuk mengawal secara langsung fluks dan tork mesin, tetapi penggunaan pengawal selia histeresis untuk tork elektromagnet dan peraturan fluks stator menghasilkan tork dan riak fluks yang tinggi. Oleh itu, teknik kabur diperkenalkan untuk meningkatkan Kaedah DTC (Rajah 7), dan FLC boleh membangunkan keadaan vektor penyongsang yang mencukupi.
Dalam langkah ini, input diubah menjadi pembolehubah kabur melalui fungsi keahlian (MF) dan istilah linguistik.
Tiga fungsi keahlian untuk input pertama (εφ) ialah negatif (N), positif (P), dan sifar (Z), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.
Lima fungsi keahlian untuk input kedua (\(\varepsilon\)Tem) ialah Negatif Besar (NL) Negatif Kecil (NS) Sifar (Z) Positif Kecil (PS) dan Positif Besar (PL), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
Trajektori fluks stator terdiri daripada 12 sektor, di mana set kabur diwakili oleh fungsi keahlian segi tiga sama kaki, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.
Jadual 1 mengumpulkan 180 peraturan kabur yang menggunakan fungsi keahlian input untuk memilih keadaan suis yang sesuai.
Kaedah inferens dilakukan menggunakan teknik Mamdani. Faktor berat (\(\alpha_{i}\)) peraturan ke-i diberikan oleh:
di mana\(\mu Ai \kiri( {e\varphi } \kanan)\),\(\mu Bi\kiri( {eT} \kanan) ,\) \(\mu Ci\kiri( \theta \kanan) \): Nilai keahlian fluks magnet, tork dan ralat sudut fluks pemegun.
Rajah 6 menggambarkan nilai tajam yang diperoleh daripada nilai kabur menggunakan kaedah maksimum yang dicadangkan oleh Pers.(20).
Dengan meningkatkan kecekapan motor, kadar aliran boleh ditingkatkan, yang seterusnya meningkatkan pengepaman air harian (Rajah 7). Tujuan teknik berikut adalah untuk mengaitkan strategi berasaskan pengurangan kerugian dengan kaedah kawalan tork langsung.
Adalah diketahui umum bahawa nilai fluks magnet adalah penting untuk kecekapan motor. Nilai fluks yang tinggi membawa kepada peningkatan kehilangan besi serta ketepuan magnet litar. Sebaliknya, tahap fluks yang rendah mengakibatkan kehilangan Joule yang tinggi.
Oleh itu, pengurangan kerugian dalam IM secara langsung berkaitan dengan pilihan tahap fluks.
Kaedah yang dicadangkan adalah berdasarkan pemodelan kerugian Joule yang berkaitan dengan arus yang mengalir melalui belitan stator dalam mesin. Ia terdiri daripada melaraskan nilai fluks pemutar kepada nilai optimum, dengan itu meminimumkan kerugian motor untuk meningkatkan kecekapan. Kerugian Joule boleh dinyatakan seperti berikut (mengabaikan kerugian teras):
Tork elektromagnet\(C_{em}\) dan fluks rotor\(\phi_{r}\) dikira dalam sistem koordinat dq sebagai:
Tork elektromagnet\(C_{em}\) dan fluks rotor\(\phi_{r}\) dikira dalam rujukan (d,q) sebagai:
dengan menyelesaikan persamaan.(30), kita boleh mencari arus pemegun optimum yang memastikan fluks pemutar optimum dan kerugian minimum:
Simulasi yang berbeza telah dilakukan menggunakan perisian MATLAB/Simulink untuk menilai kekukuhan dan prestasi teknik yang dicadangkan. Sistem yang disiasat terdiri daripada lapan panel 230 W CSUN 235-60P (Jadual 2) yang disambungkan secara bersiri. Pam emparan didorong oleh IM, dan parameter cirinya ditunjukkan dalam Jadual 3. Komponen sistem pam PV ditunjukkan dalam Jadual 4.
Dalam bahagian ini, sistem pengepaman air fotovoltaik menggunakan FDTC dengan rujukan fluks malar dibandingkan dengan sistem yang dicadangkan berdasarkan fluks optimum (FDTCO) di bawah keadaan pengendalian yang sama. Prestasi kedua-dua sistem fotovoltaik telah diuji dengan mengambil kira senario berikut:
Bahagian ini membentangkan keadaan permulaan sistem pam yang dicadangkan berdasarkan kadar insolasi 1000 W/m2. Rajah 8e menggambarkan tindak balas halaju elektrik. Berbanding dengan FDTC, teknik yang dicadangkan menyediakan masa naik yang lebih baik, mencapai keadaan mantap pada 1.04 s, dan dengan FDTC, mencapai keadaan mantap pada 1.93 s.Rajah 8f menunjukkan pengepaman dua strategi kawalan. Dapat dilihat bahawa FDTCO meningkatkan jumlah pam, yang menerangkan peningkatan dalam tenaga yang ditukarkan oleh IM.Rajah 8g dan 8h mewakili arus pemegun yang dilukis. Arus permulaan menggunakan FDTC ialah 20 A, manakala strategi kawalan yang dicadangkan mencadangkan arus permulaan 10 A, yang mengurangkan kehilangan Joule. Rajah 8i dan 8j menunjukkan fluks pemegun yang dibangunkan. Berasaskan FDTC PVPWS beroperasi pada fluks rujukan malar 1.2 Wb, manakala dalam kaedah yang dicadangkan, fluks rujukan ialah 1 A, yang terlibat dalam meningkatkan kecekapan sistem fotovoltaik.
(a)suriasinaran (b) Pengekstrakan kuasa (c) Kitaran tugas (d) Voltan bas DC (e) Kelajuan pemutar (f) Mengepam air (g) Arus fasa pemegun untuk FDTC (h) Arus fasa pemegun untuk FDTCO (i) Tindak balas fluks menggunakan FLC (j) Tindak balas fluks menggunakan FDTCO (k) Trajektori fluks stator menggunakan FDTC (l) Trajektori fluks stator menggunakan FDTCO.
Thesuriasinaran berbeza dari 1000 hingga 700 W/m2 pada 3 saat dan kemudian kepada 500 W/m2 pada 6 saat (Rajah 8a). Rajah 8b menunjukkan kuasa fotovoltaik yang sepadan untuk 1000 W/m2, 700 W/m2 dan 500 W/m2 .Rajah 8c dan 8d masing-masing menggambarkan kitaran tugas dan voltan pautan DC. Rajah 8e menggambarkan kelajuan elektrik IM, dan kita dapat perhatikan bahawa teknik yang dicadangkan mempunyai kelajuan dan masa tindak balas yang lebih baik berbanding sistem fotovoltaik berasaskan FDTC. Rajah 8f menunjukkan pengepaman air untuk tahap penyinaran berbeza yang diperoleh menggunakan FDTC dan FDTCO. Lebih banyak pengepaman boleh dicapai dengan FDTCO berbanding dengan FDTC. Rajah 8g dan 8j menggambarkan tindak balas semasa simulasi menggunakan kaedah FDTC dan strategi kawalan yang dicadangkan. Dengan menggunakan teknik kawalan yang dicadangkan , amplitud semasa diminimumkan, yang bermaksud kehilangan tembaga yang kurang, sekali gus meningkatkan kecekapan sistem. Oleh itu, arus permulaan yang tinggi boleh menyebabkan prestasi mesin berkurangan. Rajah 8j menunjukkan evolusi tindak balas fluks untuk memilihfluks optimum untuk memastikan kerugian diminimumkan, oleh itu, teknik yang dicadangkan menggambarkan prestasinya. Berbeza dengan Rajah 8i, fluks adalah malar, yang tidak mewakili operasi optimum. Rajah 8k dan 8l menunjukkan evolusi trajektori fluks stator. Rajah 8l menggambarkan pembangunan fluks optimum dan menerangkan idea utama strategi kawalan yang dicadangkan.
Perubahan mendadak dalamsuriasinaran digunakan, bermula dengan sinaran 1000 W/m2 dan menurun secara mendadak kepada 500 W/m2 selepas 1.5 s (Rajah 9a). Rajah 9b menunjukkan kuasa fotovoltan yang diekstrak daripada panel fotovoltan, sepadan dengan 1000 W/m2 dan 500 W/m2.Rajah 9c dan 9d masing-masing menggambarkan kitaran tugas dan voltan pautan DC.Seperti yang dapat dilihat daripada Rajah 9e, kaedah yang dicadangkan menyediakan masa tindak balas yang lebih baik.Rajah 9f menunjukkan pengepaman air yang diperolehi untuk dua strategi kawalan.Mengepam dengan FDTCO adalah lebih tinggi berbanding dengan FDTC, mengepam 0.01 m3/s pada sinaran 1000 W/m2 berbanding 0.009 m3/s dengan FDTC;tambahan pula, apabila sinaran adalah 500 W Pada /m2, FDTCO mengepam 0.0079 m3/s, manakala FDTC mengepam 0.0077 m3/s. Rajah 9g dan 9h. Menerangkan tindak balas semasa yang disimulasikan menggunakan kaedah FDTC dan strategi kawalan yang dicadangkan. Kita boleh ambil perhatian bahawa strategi kawalan yang dicadangkan menunjukkan bahawa amplitud semasa dikurangkan di bawah perubahan sinaran mendadak, mengakibatkan kehilangan kuprum berkurangan. Rajah 9j menunjukkan evolusi tindak balas fluks untuk memilih fluks yang optimum untuk memastikan bahawa kerugian diminimumkan, oleh itu, teknik yang dicadangkan menggambarkan prestasinya dengan fluks 1Wb dan sinaran 1000 W/m2, manakala Fluks ialah 0.83Wb dan sinaran ialah 500 W/m2. Berbeza dengan Rajah 9i, fluks adalah malar pada 1.2 Wb, yang tidak mewakili fungsi optimum. Rajah 9k dan 9l menunjukkan evolusi trajektori fluks stator. Rajah 9l menggambarkan pembangunan fluks optimum dan menerangkan idea utama strategi kawalan yang dicadangkan dan penambahbaikan sistem pengepaman yang dicadangkan.
(a)suriasinaran (b) Kuasa yang diekstrak (c) Kitaran tugas (d) Voltan bas DC (e) Kelajuan pemutar (f) Aliran air (g) Arus fasa pemegun untuk FDTC (h) Arus fasa pemegun untuk FDTCO (i) ) Tindak balas fluks menggunakan FLC (j) Tindak balas fluks menggunakan FDTCO (k) Trajektori fluks stator menggunakan FDTC (l) Trajektori fluks stator menggunakan FDTCO.
Analisis perbandingan kedua-dua teknologi dari segi nilai fluks, amplitud arus dan pengepaman ditunjukkan dalam Jadual 5, yang menunjukkan bahawa PVWPS berdasarkan teknologi yang dicadangkan menyediakan prestasi tinggi dengan peningkatan aliran pengepaman dan arus dan kehilangan amplitud yang diminimumkan, yang disebabkan kepada pemilihan fluks yang optimum.
Untuk mengesahkan dan menguji strategi kawalan yang dicadangkan, ujian PIL dilakukan berdasarkan papan STM32F4. Ia termasuk kod penjanaan yang akan dimuatkan dan dijalankan pada papan terbenam. Papan tersebut mengandungi pengawal mikro 32-bit dengan 1 MB Flash, 168 MHz kekerapan jam, unit titik terapung, arahan DSP, 192 KB SRAM. Semasa ujian ini, blok PIL yang dibangunkan telah dicipta dalam sistem kawalan yang mengandungi kod yang dijana berdasarkan papan perkakasan penemuan STM32F4 dan diperkenalkan dalam perisian Simulink. Langkah-langkah untuk membenarkan Ujian PIL untuk dikonfigurasikan menggunakan papan STM32F4 ditunjukkan dalam Rajah 10.
Ujian PIL simulasi bersama menggunakan STM32F4 boleh digunakan sebagai teknik kos rendah untuk mengesahkan teknik yang dicadangkan. Dalam kertas kerja ini, modul yang dioptimumkan yang memberikan fluks rujukan terbaik dilaksanakan dalam Papan Penemuan STMicroelectronics (STM32F4).
Yang terakhir ini dilaksanakan serentak dengan Simulink dan bertukar-tukar maklumat semasa simulasi bersama menggunakan kaedah PVWPS yang dicadangkan. Rajah 12 menggambarkan pelaksanaan subsistem teknologi pengoptimuman dalam STM32F4.
Hanya teknik fluks rujukan optimum yang dicadangkan ditunjukkan dalam simulasi bersama ini, kerana ia merupakan pembolehubah kawalan utama untuk kerja ini yang menunjukkan kelakuan kawalan sistem pam air fotovoltaik.
Masa siaran: Apr-15-2022
