In onlangse jare het verbeterings in die doeltreffendheid van fotovoltaïese waterpompstelsels (PVWPS) groot belangstelling onder navorsers gelok, aangesien hul werking gebaseer is op skoon elektriese energieproduksie.In hierdie vraestel word 'n nuwe fuzzy logic kontroleerder-gebaseerde benadering vir PVWPS ontwikkel toepassings wat verliesminimeringstegnieke insluit wat toegepas word op induksiemotors (IM). Die voorgestelde beheer kies die optimale vloedgrootte deur IM verliese te minimaliseer.Daarbenewens word die veranderlike-stap versteuringswaarnemingsmetode ook bekendgestel.Die geskiktheid van die voorgestelde beheer word erken deur vermindering van die sinkstroom;daarom word motorverliese geminimaliseer en doeltreffendheid verbeter.Die voorgestelde beheerstrategie word vergelyk met metodes sonder verliesminimering.Die vergelykingsresultate illustreer die doeltreffendheid van die voorgestelde metode, wat gebaseer is op die minimalisering van verliese in elektriese snelheid, geabsorbeerde stroom, vloei water, en ontwikkelende vloed. 'n Verwerker-in-die-lus (PIL) toets word uitgevoer as 'n eksperimentele toets van die voorgestelde metode. Dit sluit die implementering van die gegenereerde C-kode op die STM32F4-ontdekkingsbord in. Die resultate verkry uit die ingebedde metode bord is soortgelyk aan die numeriese simulasie resultate.
Veral hernubare energiesonkragfotovoltaïese tegnologie, kan 'n skoner alternatief vir fossielbrandstowwe in waterpompstelsels wees1,2. Fotovoltaïese pompstelsels het aansienlike aandag gekry in afgeleë gebiede sonder elektrisiteit3,4.
Verskeie enjins word in PV-pomptoepassings gebruik. Die primêre stadium van PVWPS is gebaseer op GS-motors. Hierdie motors is maklik om te beheer en te implementeer, maar hulle benodig gereelde instandhouding as gevolg van die teenwoordigheid van die annoteerders en borsels.5. Om hierdie tekortkoming te oorkom, is borselloos permanente magneetmotors is bekendgestel, wat gekenmerk word deur borsellose, hoë doeltreffendheid en betroubaarheid6. In vergelyking met ander motors het IM-gebaseerde PVWPS beter werkverrigting omdat hierdie motor betroubaar, laekoste, onderhoudsvry is, en meer moontlikhede vir beheerstrategieë bied7 .Indirekte veldgeoriënteerde beheer (IFOC) tegnieke en direkte wringkragbeheer (DTC) metodes word algemeen gebruik8.
IFOC is ontwikkel deur Blaschke en Hasse en laat toe om die IM-spoed oor 'n wye reeks te verander9,10. Die statorstroom word in twee dele verdeel, een genereer die magnetiese vloed en die ander genereer die wringkrag deur om te skakel na die dq-koördinaatstelsel. onafhanklike beheer van vloed en wringkrag onder bestendige toestand en dinamiese toestande.As (d) is in lyn met die rotor vloed ruimte vektor, wat behels dat die q-as komponent van die rotor vloed ruimte vektor altyd nul is.FOC verskaf 'n goeie en vinniger reaksie11 ,12 hierdie metode is egter kompleks en onderhewig aan parametervariasies13.Om hierdie tekortkominge te oorkom, het Takashi en Noguchi14 DTC bekendgestel, wat hoë dinamiese werkverrigting het en robuust en minder sensitief is vir parameterveranderings.In DTC is die elektromagnetiese wringkrag en statorvloed word beheer deur die statorvloed en wringkrag van die ooreenstemmende skattings af te trek. Die resultaat word in 'n histerese-vergelyker ingevoer om die toepaslike spanningsvektor te genereer om te beheerbeide stator vloed en wringkrag.
Die vernaamste ongerief van hierdie beheerstrategie is die groot wringkrag- en vloedskommelings as gevolg van die gebruik van histeresereguleerders vir statorvloed en elektromagnetiese wringkragregulering15,42. Veelvlakomsetters word gebruik om rimpeling te minimaliseer, maar doeltreffendheid word verminder deur die aantal kragskakelaars16. Verskeie skrywers het ruimtevektormodulasie (SWM)17, glymodusbeheer (SMC)18 gebruik, wat kragtige tegnieke is, maar ly aan ongewenste trillingseffekte19. Baie navorsers het kunsmatige intelligensietegnieke gebruik om beheerderprestasie te verbeter, onder andere, (1) neurale netwerke, 'n beheerstrategie wat hoëspoedverwerkers vereis om te implementeer20, en (2) genetiese algoritmes21.
Fuzzy beheer is robuust, geskik vir nie-lineêre beheerstrategieë, en vereis nie kennis van die presiese model nie. Dit sluit die gebruik van fuzzy logic blokke in in plaas van histeretiese beheerders en skakelaar seleksie tabelle om vloed en wringkrag rimpeling te verminder. Dit is die moeite werd om daarop te wys dat FLC-gebaseerde DTC's bied beter werkverrigting22, maar nie genoeg om die doeltreffendheid van die enjin te maksimeer nie, so beheerlusoptimeringstegnieke word vereis.
In die meeste vorige studies het die skrywers konstante vloed as die verwysingsvloed gekies, maar hierdie keuse van verwysing verteenwoordig nie optimale praktyk nie.
Hoë-werkverrigting, hoë doeltreffendheid motoraandrywings vereis vinnige en akkurate spoedreaksie. Aan die ander kant, vir sommige bedrywighede, is die beheer dalk nie optimaal nie, dus kan die doeltreffendheid van die dryfstelsel nie geoptimaliseer word nie. Beter werkverrigting kan verkry word deur gebruik te maak van 'n veranderlike vloedverwysing tydens stelselwerking.
Baie skrywers het 'n soekbeheerder (SC) voorgestel wat verliese onder verskillende lastoestande (soos in27) minimaliseer om die doeltreffendheid van die enjin te verbeter. Die tegniek bestaan uit die meet en minimalisering van die insetkrag deur iteratiewe d-as stroomverwysing of statorvloed verwysing.Hierdie metode stel egter wringkragrimpeling in as gevolg van ossillasies teenwoordig in die lugspleet-vloed, en die implementering van hierdie metode is tydrowend en rekenaarmatig hulpbron-intensief.Partikelswermoptimering word ook gebruik om doeltreffendheid te verbeter28, maar hierdie tegniek kan vashaak in plaaslike minima, wat lei tot swak keuse van beheerparameters29.
In hierdie vraestel word 'n tegniek wat verband hou met FDTC voorgestel om die optimale magnetiese vloed te kies deur motorverliese te verminder. Hierdie kombinasie verseker die vermoë om die optimale vloedvlak by elke bedryfspunt te gebruik en sodoende die doeltreffendheid van die voorgestelde fotovoltaïese waterpompstelsel te verhoog. Daarom blyk dit baie gerieflik te wees vir fotovoltaïese waterpomptoepassings.
Verder word 'n verwerker-in-die-lus-toets van die voorgestelde metode uitgevoer met behulp van die STM32F4-bord as 'n eksperimentele validering. Die belangrikste voordele van hierdie kern is eenvoud van implementering, lae koste en geen behoefte om komplekse programme te ontwikkel 30 .Boonop , word die FT232RL USB-UART-omskakelingsbord geassosieer met die STM32F4, wat 'n eksterne kommunikasie-koppelvlak waarborg om 'n virtuele seriële poort (COM-poort) op die rekenaar te vestig. Hierdie metode laat toe dat data teen hoë baudtempo versend word.
Die werkverrigting van PVWPS wat die voorgestelde tegniek gebruik, word vergelyk met PV-stelsels sonder verliesminimisering onder verskillende bedryfstoestande. Die verkrygde resultate toon dat die voorgestelde fotovoltaïese waterpompstelsel beter is om statorstroom en koperverliese te minimaliseer, vloed te optimaliseer en water te pomp.
Die res van die vraestel is soos volg gestruktureer: Die modellering van die voorgestelde stelsel word in die afdeling "Modellering van fotovoltaïese stelsels" gegee. In die afdeling "Beheerstrategie van die bestudeerde stelsel", FDTC, word die voorgestelde beheerstrategie en MPPT-tegniek breedvoerig beskryf.Die bevindinge word in die "Simulasieresultate"-afdeling bespreek. In die "PIL-toetsing met die STM32F4-ontdekkingsbord"-afdeling word verwerker-in-die-lus-toetsing beskryf. Die gevolgtrekkings van hierdie vraestel word in die " Gevolgtrekkings” afdeling.
Figuur 1 toon die voorgestelde stelselkonfigurasie vir 'n alleenstaande PV-waterpompstelsel. Die stelsel bestaan uit 'n IM-gebaseerde sentrifugale pomp, 'n fotovoltaïese skikking, twee kragomsetters [versterker-omskakelaar en spanningsbron-omskakelaar (VSI)]. In hierdie afdeling , word die modellering van die bestudeerde fotovoltaïese waterpompstelsel aangebied.
Hierdie vraestel neem die enkel-diode model vansonkragfotovoltaïese selle.Die kenmerke van die FV-sel word met 31, 32 en 33 aangedui.
Om die aanpassing uit te voer, word 'n hupstootomsetter gebruik. Die verhouding tussen die inset- en uitsetspannings van die GS-GS-omsetter word deur Vergelyking 34 hieronder gegee:
Die wiskundige model van IM kan in die verwysingsraamwerk (α,β) beskryf word deur die volgende vergelykings 5,40:
Waar \(l_{s }\),\(l_{r}\): stator- en rotorinduktansie, M: wedersydse induktansie, \(R_{s }\), \(I_{s }\): statorweerstand en statorstroom, \(R_{r}\), \(I_{r}\): rotorweerstand en rotorstroom, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): statorvloed en stator spanning , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rotorvloed en rotorspanning.
Die sentrifugale pomp las wringkrag eweredig aan die kwadraat van die IM spoed kan bepaal word deur:
Die beheer van die voorgestelde waterpompstelsel word in drie afsonderlike onderafdelings verdeel.Die eerste deel handel oor MPPT-tegnologie.Die tweede deel handel oor die bestuur van die IM gebaseer op die fuzzy logic-beheerder se direkte wringkragbeheer.Verder beskryf Afdeling III 'n tegniek wat verband hou met FLC-gebaseerde DTC wat die bepaling van verwysingsvloede toelaat.
In hierdie werk word 'n veranderlike-stap P&O-tegniek gebruik om die maksimum kragpunt na te spoor. Dit word gekenmerk deur vinnige opsporing en lae ossillasie (Figuur 2)37,38,39.
Die hoofgedagte van DTC is om die vloed en wringkrag van die masjien direk te beheer, maar die gebruik van histerese-reguleerders vir elektromagnetiese wringkrag en statorvloedregulering lei tot hoë wringkrag en vloedrimpeling. Daarom word 'n vervaagtegniek ingestel om die DTC-metode (Fig. 7), en die FLC kan voldoende omsettervektortoestande ontwikkel.
In hierdie stap word die insette omskep in fuzzy veranderlikes deur lidmaatskapfunksies (MF) en linguistiese terme.
Die drie lidmaatskapfunksies vir die eerste inset (εφ) is negatief (N), positief (P) en nul (Z), soos in Figuur 3 getoon.
Die vyf lidmaatskapfunksies vir die tweede inset (\(\varepsilon\)Tem) is Negatief Groot (NL) Negatief Klein (NS) Zero (Z) Positief Klein (PS) en Positief Groot (PL), soos getoon in Figuur 4.
Die statorvloedbaan bestaan uit 12 sektore, waarin die fuzzy stel verteenwoordig word deur 'n gelykbenige driehoekige lidmaatskapfunksie, soos in Figuur 5 getoon.
Tabel 1 groepeer 180 fuzzy reëls wat die insetlidmaatskapfunksies gebruik om toepaslike skakeltoestande te kies.
Die afleidingsmetode word uitgevoer met behulp van Mamdani se tegniek. Die gewigsfaktor (\(\alpha_{i}\)) van die i-de reël word gegee deur:
waar\(\mu Ai \left( {e\varphi} \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Lidmaatskapwaarde van magnetiese vloed, wringkrag en stator vloed hoek fout.
Figuur 6 illustreer die skerp waardes verkry uit die fuzzy waardes met behulp van die maksimum metode voorgestel deur Vgl.(20).
Deur die motordoeltreffendheid te verhoog, kan die vloeitempo verhoog word, wat weer die daaglikse waterpomp verhoog (Figuur 7). Die doel van die volgende tegniek is om 'n verliesminimeringsgebaseerde strategie met 'n direkte wringkragbeheermetode te assosieer.
Dit is welbekend dat die waarde van die magnetiese vloed belangrik is vir die doeltreffendheid van die motor. Hoë vloedwaardes lei tot verhoogde ysterverliese sowel as magnetiese versadiging van die stroombaan. Omgekeerd lei lae vloedvlakke tot hoë Joule-verliese.
Daarom is die vermindering van verliese in IM direk verwant aan die keuse van vloedvlak.
Die voorgestelde metode is gebaseer op die modellering van die Joule-verliese wat geassosieer word met die stroom wat deur die statorwikkelings in die masjien vloei. Dit bestaan uit die aanpassing van die waarde van die rotorvloed na 'n optimum waarde, om sodoende motorverliese te minimaliseer om doeltreffendheid te verhoog. Joule-verliese kan soos volg uitgedruk word (ignoreer kernverliese):
Die elektromagnetiese wringkrag\(C_{em}\) en rotorvloed\(\phi_{r}\) word in die dq-koördinaatstelsel bereken as:
Die elektromagnetiese wringkrag\(C_{em}\) en rotorvloed\(\phi_{r}\) word in verwysing (d,q) bereken as:
deur die vergelyking op te los.(30), kan ons die optimale statorstroom vind wat optimale rotorvloed en minimale verliese verseker:
Verskillende simulasies is uitgevoer met behulp van MATLAB/Simulink sagteware om die robuustheid en werkverrigting van die voorgestelde tegniek te evalueer. Die ondersoekde stelsel bestaan uit agt 230 W CSUN 235-60P panele (Tabel 2) wat in serie gekoppel is. Die sentrifugale pomp word aangedryf deur IM, en sy kenmerkende parameters word in Tabel 3 getoon. Die komponente van die FV-pompstelsel word in Tabel 4 getoon.
In hierdie afdeling word 'n fotovoltaïese waterpompstelsel wat FDTC gebruik met 'n konstante vloedverwysing vergelyk met 'n voorgestelde stelsel gebaseer op optimale vloed (FDTCO) onder dieselfde bedryfstoestande. Die werkverrigting van beide fotovoltaïese stelsels is getoets deur die volgende scenario's te oorweeg:
Hierdie afdeling bied die voorgestelde aanskakeltoestand van die pompstelsel aan, gebaseer op 'n insolasietempo van 1000 W/m2. Figuur 8e illustreer die elektriese snelheidsreaksie. In vergelyking met FDTC bied die voorgestelde tegniek 'n beter stygtyd en bereik bestendige toestand by 1.04 s, en met FDTC, bestendige toestand te bereik by 1.93 s.Figuur 8f toon die pomp van die twee beheerstrategieë.Daar kan gesien word dat die FDTCO die pomphoeveelheid verhoog, wat die verbetering in die energie wat deur die IM omgeskakel word verklaar.Figure 8g en 8h verteenwoordig die getrekte statorstroom. Die aanskakelstroom wat die FDTC gebruik, is 20 A, terwyl die voorgestelde beheerstrategie 'n aanskakelstroom van 10 A voorstel, wat Joule-verliese verminder. Figure 8i en 8j toon die ontwikkelde statorvloed. Die FDTC-gebaseerde PVPWS werk teen 'n konstante verwysingsvloed van 1.2 Wb, terwyl in die voorgestelde metode, die verwysingsvloed 1 A is, wat betrokke is by die verbetering van die doeltreffendheid van die fotovoltaïese stelsel.
(a)Sonkragbestraling (b) Kragonttrekking (c) Werksiklus (d) GS-busspanning (e) Rotorspoed (f) Pompwater (g) Statorfasestroom vir FDTC (h) Statorfasestroom vir FDTCO (i) Fluksreaksie met behulp van FLC (j) Flux response using FDTCO (k) Stator vloed trajek wat FDTC gebruik (l) Stator vloed trajek wat FDTCO gebruik.
Diesonkragbestraling het gewissel van 1000 tot 700 W/m2 op 3 sekondes en dan na 500 W/m2 op 6 sekondes (Fig. 8a). Figuur 8b toon die ooreenstemmende fotovoltaïese drywing vir 1000 W/m2, 700 W/m2 en 500 W/m2 .Figure 8c en 8d illustreer die dienssiklus en GS-skakelspanning onderskeidelik.Figuur 8e illustreer die elektriese spoed van IM, en ons kan oplet dat die voorgestelde tegniek beter spoed en reaksietyd het in vergelyking met die FDTC-gebaseerde fotovoltaïese stelsel.Figuur 8f toon die waterpomp vir verskillende bestralingsvlakke wat verkry is met FDTC en FDTCO.Meer pomp kan met FDTCO bereik word as met FDTC.Figure 8g en 8h illustreer die gesimuleerde stroomreaksies deur die FDTC-metode en die voorgestelde beheerstrategie te gebruik.Deur die voorgestelde beheertegniek te gebruik. , word die stroomamplitude geminimaliseer, wat minder koperverliese beteken, en sodoende stelseldoeltreffendheid verhoog.Daarom kan hoë aansitstrome tot verminderde masjienwerkverrigting lei.Figuur 8j toon die evolusie van die vloedreaksie ten einde dieoptimale vloed om te verseker dat verliese tot die minimum beperk word, daarom illustreer die voorgestelde tegniek die werkverrigting daarvan. In teenstelling met Figuur 8i, is die vloed konstant, wat nie optimale werking verteenwoordig nie. Figure 8k en 8l toon die evolusie van die stator vloed trajek. 8l illustreer die optimale vloedontwikkeling en verduidelik die hoofgedagte van die voorgestelde beheerstrategie.
'n Skielike verandering insonkragbestraling is toegepas, wat begin met 'n bestraling van 1000 W/m2 en skielik afneem tot 500 W/m2 na 1,5 s (Fig. 9a). Figuur 9b toon die fotovoltaïese krag wat uit die fotovoltaïese panele onttrek word, wat ooreenstem met 1000 W/m2 en 500 W/m2.Figure 9c en 9d illustreer onderskeidelik die dienssiklus en GS-skakelspanning.Soos gesien kan word uit Fig. 9e, verskaf die voorgestelde metode beter reaksietyd.Figuur 9f toon die waterpomp wat vir die twee beheerstrategieë verkry is.Pomping met FDTCO was hoër as met FDTC, pomp 0.01 m3/s teen 1000 W/m2 bestraling in vergelyking met 0.009 m3/s met FDTC;verder, toe bestraling 500 W At /m2 was, het FDTCO 0,0079 m3/s gepomp, terwyl FDTC 0,0077 m3/s gepomp het. Figure 9g en 9h. Beskryf die huidige reaksie gesimuleer met behulp van die FDTC metode en die voorgestelde beheerstrategie.Ons kan daarop let dat die voorgestelde beheerstrategie toon dat die huidige amplitude verminder word onder abrupte bestralingsveranderinge, wat lei tot verminderde koperverliese. Figuur 9j toon die evolusie van die vloedreaksie ten einde die optimale vloed te kies om te verseker dat verliese geminimaliseer word, daarom, die voorgestelde tegniek illustreer sy werkverrigting met 'n vloed van 1Wb en 'n bestraling van 1000 W/m2, terwyl Die vloed 0.83Wb is en die bestraling 500 W/m2. In teenstelling met Fig. 9i, is die vloed konstant op 1.2 Wb, wat nie verteenwoordig optimale funksie. Figure 9k en 9l toon die evolusie van die stator vloed trajek. Figuur 9l illustreer die optimale vloed ontwikkeling en verduidelik die hoofgedagte van die voorgestelde beheerstrategie en die verbetering van die voorgestelde pompstelsel.
(a)Sonkragstraling (b) Onttrek krag (c) Werksiklus (d) DC bus spanning (e) Rotor spoed (f) Watervloei (g) Stator fase stroom vir FDTC (h) Stator fase stroom vir FDTCO (i) ) Flux respons met behulp van FLC (j) Fluksreaksie deur gebruik te maak van FDTCO (k) Stator vloed trajek wat FDTC gebruik (l) Stator vloed trajek wat FDTCO gebruik.
'n Vergelykende ontleding van die twee tegnologieë in terme van vloedwaarde, stroomamplitude en pomp word in Tabel 5 getoon, wat toon dat die PVWPS gebaseer op die voorgestelde tegnologie hoë werkverrigting bied met verhoogde pompvloei en geminimaliseerde amplitudestroom en verliese, wat te wyte is aan tot optimale vloedkeuse.
Om die voorgestelde beheerstrategie te verifieer en te toets, word 'n PIL-toets uitgevoer gebaseer op die STM32F4-bord. Dit sluit in generering van kode wat op die ingebedde bord gelaai en uitgevoer sal word. Die bord bevat 'n 32-bis mikrobeheerder met 1 MB Flash, 168 MHz klokfrekwensie, swaaipunteenheid, DSP-instruksies, 192 KB SRAM. Tydens hierdie toets is 'n ontwikkelde PIL-blok in die beheerstelsel geskep wat die gegenereerde kode bevat gebaseer op die STM32F4-ontdekking hardewarebord en in die Simulink-sagteware bekendgestel. Die stappe om toe te laat PIL-toetse wat met die STM32F4-bord gekonfigureer moet word, word in Figuur 10 getoon.
Ko-simulasie PIL-toetsing met behulp van STM32F4 kan as 'n laekoste-tegniek gebruik word om die voorgestelde tegniek te verifieer. In hierdie vraestel word die geoptimaliseerde module wat die beste verwysingsvloed verskaf, in die STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4) geïmplementeer.
Laasgenoemde word gelyktydig met Simulink uitgevoer en ruil inligting uit tydens ko-simulasie deur gebruik te maak van die voorgestelde PVWPS-metode.Figuur 12 illustreer die implementering van die optimeringstegnologie-substelsel in STM32F4.
Slegs die voorgestelde optimale verwysingsvloedtegniek word in hierdie ko-simulasie getoon, aangesien dit die hoofbeheerveranderlike is vir hierdie werk wat die beheergedrag van 'n fotovoltaïese waterpompstelsel demonstreer.
Postyd: 15-Apr-2022
