Son yıllarda fotovoltaik su pompalama sistemlerinin (PVWPS) verimliliğindeki gelişmeler, çalışmaları temiz elektrik enerjisi üretimine dayandığından araştırmacılar arasında büyük ilgi görmüştür. Asenkron motorlara (IM) uygulanan kayıp minimizasyon tekniklerini içeren uygulamalar. Önerilen kontrol, IM kayıplarını en aza indirerek optimal akı büyüklüğünü seçer. Ayrıca, değişken adımlı bozulma gözlem yöntemi de tanıtılmıştır. Önerilen kontrolün uygunluğu, lavabo akımının azaltılması;bu nedenle, motor kayıpları en aza indirilir ve verimlilik artırılır. Önerilen kontrol stratejisi, kayıp minimizasyonu olmayan yöntemlerle karşılaştırılır. Karşılaştırma sonuçları, elektrik hızı, emilen akım, akıştaki kayıpların minimizasyonuna dayanan önerilen yöntemin etkinliğini gösterir. su ve gelişen akı.Önerilen yöntemin deneysel testi olarak bir döngü içi işlemci (PIL) testi gerçekleştirilir. Oluşturulan C kodunun STM32F4 keşif kartı üzerinde uygulanmasını içerir.Gömülü bilgisayardan elde edilen sonuçlar kurulu sayısal simülasyon sonuçlarına benzer.
Yenilenebilir enerji, özelliklegüneşfotovoltaik teknolojisi, su pompalama sistemlerinde fosil yakıtlara daha temiz bir alternatif olabilir1,2.Fotovoltaik pompalama sistemleri, elektriğin olmadığı uzak bölgelerde büyük ilgi görmüştür3,4.
PV pompalama uygulamalarında çeşitli motorlar kullanılmaktadır. PVWPS'nin birincil aşaması DC motorlara dayanmaktadır. Bu motorların kontrolü ve uygulanması kolaydır, ancak ek açıklamaların ve fırçaların varlığı nedeniyle düzenli bakım gerektirirler5. Bu eksikliğin üstesinden gelmek için, fırçasız fırçasız, yüksek verimlilik ve güvenilirlik ile karakterize edilen sabit mıknatıslı motorlar piyasaya sürüldü6. Diğer motorlarla karşılaştırıldığında, IM tabanlı PVWPS daha iyi performansa sahiptir çünkü bu motor güvenilir, düşük maliyetli, bakım gerektirmez ve kontrol stratejileri için daha fazla olanak sunar7 .Dolaylı Alana Yönelik Kontrol (IFOC) teknikleri ve Doğrudan Tork Kontrolü (DTC) yöntemleri yaygın olarak kullanılır8.
IFOC, Blaschke ve Hasse tarafından geliştirilmiştir ve geniş bir aralıkta IM hızının değiştirilmesine olanak tanır9,10. Stator akımı, biri manyetik akıyı diğeri dq koordinat sistemine dönüştürerek torku üreten iki kısma ayrılır. sabit durum ve dinamik koşullar altında akı ve torkun bağımsız kontrolü. Eksen (d), rotor akı uzay vektörünün q ekseni bileşeninin her zaman sıfır olmasını içeren rotor akı uzay vektörü ile hizalanır. FOC iyi ve daha hızlı bir yanıt sağlar11 ,12, ancak, bu yöntem karmaşıktır ve parametre değişikliklerine tabidir13. Bu eksikliklerin üstesinden gelmek için Takashi ve Noguchi14, yüksek dinamik performansa sahip, sağlam ve parametre değişikliklerine daha az duyarlı olan DTC'yi tanıttı. DTC'de elektromanyetik tork ve stator akısı karşılık gelen tahminlerden stator akı ve torku çıkarılarak kontrol edilir. Sonuç, kontrol edilecek uygun voltaj vektörünü üretmek için bir histerezis karşılaştırıcısına beslenir.hem stator akısı hem de tork.
Bu kontrol stratejisinin ana sakıncası, stator akısı ve elektromanyetik tork regülasyonu için histerezis regülatörlerinin kullanılmasından kaynaklanan büyük tork ve akı dalgalanmalarıdır15,42. Dalgalanmayı en aza indirmek için çok seviyeli dönüştürücüler kullanılır, ancak güç anahtarlarının sayısı16 ile verimlilik azalır. Bazı yazarlar, güçlü teknikler olan ancak istenmeyen titreşim etkilerinden muzdarip olan uzay vektör modülasyonu (SWM)17, kayan mod kontrolü (SMC)18 kullanmıştır19.Birçok araştırmacı, denetleyici performansını iyileştirmek için yapay zeka tekniklerini kullanmıştır. ağlar, uygulamak için yüksek hızlı işlemciler gerektiren bir kontrol stratejisi20 ve (2) genetik algoritmalar21.
Bulanık kontrol sağlamdır, doğrusal olmayan kontrol stratejileri için uygundur ve kesin model bilgisi gerektirmez. Akı ve tork dalgalanmasını azaltmak için histeretik kontrolörler ve anahtar seçim tabloları yerine bulanık mantık bloklarının kullanımını içerir. FLC tabanlı DTC'ler daha iyi performans sağlar22, ancak motorun verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için yeterli değildir, bu nedenle kontrol döngüsü optimizasyon teknikleri gereklidir.
Önceki çalışmaların çoğunda, yazarlar referans akı olarak sabit akı seçmiştir, ancak bu referans seçimi optimal uygulamayı temsil etmemektedir.
Yüksek performanslı, yüksek verimli motor sürücüleri, hızlı ve doğru hız yanıtı gerektirir. Öte yandan, bazı işlemler için kontrol optimal olmayabilir, bu nedenle sürücü sisteminin verimliliği optimize edilemez. Kullanılarak daha iyi performans elde edilebilir. sistem çalışması sırasında değişken bir akı referansı.
Birçok yazar, motorun verimliliğini artırmak için farklı yük koşulları altında (in27 gibi) kayıpları en aza indiren bir arama denetleyicisi (SC) önermiştir. Teknik, yinelemeli d ekseni akım referansı veya stator akısı ile giriş gücünün ölçülmesi ve en aza indirilmesinden oluşur. Bununla birlikte, bu yöntem hava boşluğu akışında mevcut salınımlardan kaynaklanan tork dalgalanmasını ortaya çıkarır ve bu yöntemin uygulanması zaman alıcıdır ve hesaplama açısından yoğun kaynak gerektirir. Partikül sürü optimizasyonu da verimliliği artırmak için kullanılır28, ancak bu teknik yerel minimumda takılıp kontrol parametrelerinin kötü seçilmesine yol açar29.
Bu bildiride, motor kayıplarını azaltarak optimal manyetik akıyı seçmek için FDTC ile ilgili bir teknik önerilmiştir. Bu kombinasyon, her çalışma noktasında optimal akı seviyesini kullanma kabiliyetini sağlar, böylece önerilen fotovoltaik su pompalama sisteminin verimini arttırır. Bu nedenle fotovoltaik su pompalama uygulamaları için çok uygun görünmektedir.
Ayrıca, önerilen yöntemin döngü içi işlemci testi, deneysel doğrulama olarak STM32F4 kartı kullanılarak gerçekleştirilir. Bu çekirdeğin ana avantajları, uygulama kolaylığı, düşük maliyet ve karmaşık programlar geliştirmeye gerek olmamasıdır 30. Ayrıca FT232RL USB-UART dönüştürme kartı, bilgisayarda sanal bir seri bağlantı noktası (COM bağlantı noktası) oluşturmak için harici bir iletişim arabirimini garanti eden STM32F4 ile ilişkilidir. Bu yöntem, verilerin yüksek baud hızlarında iletilmesine izin verir.
Önerilen tekniği kullanan PVWPS'nin performansı, farklı çalışma koşulları altında kayıp minimizasyonu olmayan PV sistemleri ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, önerilen fotovoltaik su pompası sisteminin stator akımını ve bakır kayıplarını en aza indirmede, akıyı optimize etmede ve suyu pompalamada daha iyi olduğunu göstermektedir.
Makalenin geri kalanı şu şekilde yapılandırılmıştır: Önerilen sistemin modellemesi “Fotovoltaik Sistemlerin Modellenmesi” bölümünde verilmiştir. “Çalışılan sistemin kontrol stratejisi” bölümünde, FDTC, önerilen kontrol stratejisi ve MPPT tekniği verilmiştir. ayrıntılı olarak açıklanmıştır.Bulgular "Simülasyon Sonuçları" bölümünde tartışılmıştır. "STM32F4 keşif panosu ile PIL testi" bölümünde, döngü içi işlemci testi açıklanmaktadır. Bu makalenin sonuçları " Sonuçlar” bölümü.
Şekil 1, bağımsız bir PV su pompalama sistemi için önerilen sistem konfigürasyonunu göstermektedir. Sistem, IM tabanlı bir santrifüj pompa, bir fotovoltaik dizi, iki güç dönüştürücüsünden [boost dönüştürücü ve voltaj kaynağı inverteri (VSI)] oluşur. Bu bölümde , üzerinde çalışılan fotovoltaik su pompalama sisteminin modellemesi sunulmuştur.
Bu makale, tek diyot modelini benimser.güneşfotovoltaik hücreler. PV hücresinin özellikleri 31, 32 ve 33 ile gösterilir.
Adaptasyonu gerçekleştirmek için bir yükseltici dönüştürücü kullanılır. DC-DC dönüştürücünün giriş ve çıkış voltajları arasındaki ilişki aşağıda Denklem 34 ile verilmiştir:
IM'nin matematiksel modeli, referans çerçevesinde (α,β) aşağıdaki denklemler 5,40 ile tanımlanabilir:
Burada \(l_{s }\),\(l_{r}\): stator ve rotor endüktansı, M: karşılıklı endüktans, \(R_{s }\), \(I_{s }\): stator direnci ve stator Akımı, \(R_{r}\), \(I_{r }\): rotor direnci ve rotor akımı, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): stator akısı ve stator voltaj , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rotor akısı ve rotor voltajı.
IM hızının karesiyle orantılı santrifüj pompa yük torku şu şekilde belirlenebilir:
Önerilen su pompası sisteminin kontrolü üç ayrı alt bölüme ayrılmıştır. İlk bölüm MPPT teknolojisi ile ilgilidir. İkinci bölüm, bulanık mantık denetleyicisinin doğrudan tork kontrolüne dayalı olarak IM'nin çalıştırılması ile ilgilidir. Ayrıca, Bölüm III, aşağıdakilerle ilgili bir tekniği açıklamaktadır. Referans akılarının belirlenmesine izin veren FLC tabanlı DTC.
Bu çalışmada, maksimum güç noktasını izlemek için değişken adımlı bir P&O tekniği kullanılmıştır. Hızlı izleme ve düşük salınım ile karakterizedir (Şekil 2)37,38,39.
DTC'nin ana fikri, makinenin akısını ve torkunu doğrudan kontrol etmektir, ancak elektromanyetik tork ve stator akı regülasyonu için histerezis regülatörlerinin kullanılması, yüksek tork ve akı dalgalanması ile sonuçlanır. DTC yöntemi (Şekil 7) ve FLC, yeterli evirici vektör durumları geliştirebilir.
Bu adımda girdi, üyelik fonksiyonları (MF) ve dilsel terimler aracılığıyla bulanık değişkenlere dönüştürülür.
Şekil 3'te gösterildiği gibi, ilk giriş (εφ) için üç üyelik fonksiyonu negatif (N), pozitif (P) ve sıfırdır (Z).
İkinci giriş (\(\varepsilon\)Tem) için beş üyelik işlevi, Şekil 4'te gösterildiği gibi Negatif Büyük (NL) Negatif Küçük (NS) Sıfır (Z) Pozitif Küçük (PS) ve Pozitif Büyük (PL) şeklindedir.
Stator akı yörüngesi, Şekil 5'te gösterildiği gibi, bulanık kümenin bir ikizkenar üçgen üyelik fonksiyonu ile temsil edildiği 12 sektörden oluşur.
Tablo 1, uygun anahtar durumlarını seçmek için giriş üyelik fonksiyonlarını kullanan 180 bulanık kuralı gruplandırır.
Çıkarım yöntemi Mamdani'nin tekniği kullanılarak gerçekleştirilir. i-inci kuralın ağırlık faktörü (\(\alpha_{i}\)) şu şekilde verilir:
nerede\(\mu Ai \left( {e\varphi } \sağ)\),\(\mu Bi\left( {eT} \sağ) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \sağ) \) : Manyetik akı, tork ve stator akı açısı hatasının üyelik değeri.
Şekil 6, Denklem(20) tarafından önerilen maksimum yöntem kullanılarak bulanık değerlerden elde edilen keskin değerleri göstermektedir.
Motor verimi artırılarak akış hızı artırılabilir, bu da günlük su pompalanmasını artırır (Şekil 7). Aşağıdaki tekniğin amacı, kayıp minimizasyonuna dayalı bir stratejiyi doğrudan tork kontrol yöntemiyle ilişkilendirmektir.
Manyetik akı değerinin motorun verimi için önemli olduğu iyi bilinmektedir.
Bu nedenle, IM'deki kayıpların azaltılması, doğrudan akı seviyesi seçimi ile ilgilidir.
Önerilen yöntem, makinedeki stator sargılarından geçen akımla ilişkili Joule kayıplarının modellenmesine dayanmaktadır. Rotor akı değerinin optimum bir değere ayarlanması ve böylece verimliliği artırmak için motor kayıplarının en aza indirilmesinden oluşur. Joule kayıpları aşağıdaki gibi ifade edilebilir (çekirdek kayıpları göz ardı edilir):
Elektromanyetik tork\(C_{em}\) ve rotor akısı\(\phi_{r}\) dq koordinat sisteminde şu şekilde hesaplanır:
Elektromanyetik tork\(C_{em}\) ve rotor akısı\(\phi_{r}\) (d,q) referansında şu şekilde hesaplanır:
(30) denklemini çözerek, optimal rotor akısını ve minimum kayıpları sağlayan optimal stator akımını bulabiliriz:
Önerilen tekniğin sağlamlığını ve performansını değerlendirmek için MATLAB/Simulink yazılımı kullanılarak farklı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. İncelenen sistem, seri olarak bağlanmış sekiz adet 230 W CSUN 235-60P panelinden (Tablo 2) oluşmaktadır. Santrifüj pompa IM tarafından çalıştırılır ve karakteristik parametreleri Tablo 3'te gösterilmektedir. PV pompalama sisteminin bileşenleri Tablo 4'te gösterilmektedir.
Bu bölümde, sabit akı referanslı FDTC kullanan bir fotovoltaik su pompalama sistemi, aynı çalışma koşullarında optimal akıya (FDTCO) dayalı önerilen bir sistemle karşılaştırılır. Her iki fotovoltaik sistemin performansı aşağıdaki senaryolar dikkate alınarak test edilmiştir:
Bu bölüm, 1000 W/m2'lik bir güneşlenme oranına dayalı olarak pompa sisteminin önerilen başlatma durumunu sunar. Şekil 8e, elektriksel hız yanıtını gösterir. FDTC ile karşılaştırıldığında, önerilen teknik, 1.04'te sabit duruma ulaşarak daha iyi bir yükselme süresi sağlar. s ve FDTC ile, 1.93 s'de sabit duruma ulaşıyor. Şekil 8f, iki kontrol stratejisinin pompalanmasını göstermektedir. FDTCO'nun pompalama miktarını arttırdığı görülebilir, bu da IM tarafından dönüştürülen enerjideki iyileşmeyi açıklar. ve 8h, çekilen stator akımını temsil eder. FDTC'yi kullanan başlangıç akımı 20 A'dır, önerilen kontrol stratejisi ise Joule kayıplarını azaltan 10 A'lık bir başlangıç akımını önerir. Şekil 8i ve 8j, geliştirilen stator akısını gösterir. FDTC tabanlı PVPWS, 1,2 Wb'lik sabit bir referans akısında çalışır, önerilen yöntemde ise referans akı, fotovoltaik sistemin verimliliğini artırmaya dahil olan 1 A'dır.
(a)Güneşradyasyon (b) Güç çıkarma (c) Görev döngüsü (d) DC bara voltajı (e) Rotor hızı (f) Pompalama suyu (g) FDTC için stator fazı akımı (h) FDTCO için stator fazı akımı (i) FLC kullanarak akı yanıtı (j) FDTCO kullanılarak akı yanıtı (k) FDTC kullanılarak stator akı yörüngesi (l) FDTCO kullanılarak stator akı yörüngesi.
bugüneşradyasyon 3 saniyede 1000 ila 700 W/m2 ve ardından 6 saniyede 500 W/m2'ye değişti (Şekil 8a). Şekil 8b, 1000 W/m2, 700 W/m2 ve 500 W/m2 için karşılık gelen fotovoltaik gücü gösterir. .Şekil 8c ve 8d sırasıyla görev döngüsünü ve DC bağlantı voltajını göstermektedir. Şekil 8e IM'nin elektrik hızını göstermektedir ve önerilen tekniğin FDTC tabanlı fotovoltaik sisteme kıyasla daha iyi hız ve tepki süresine sahip olduğunu görebiliriz. Şekil 8f FDTC ve FDTCO kullanılarak elde edilen farklı ışınım seviyeleri için su pompalamasını gösterir. FDTCO ile FDTC'ye göre daha fazla pompalama yapılabilir. Şekil 8g ve 8h, FDTC yöntemi ve önerilen kontrol stratejisi kullanılarak simüle edilmiş akım yanıtlarını göstermektedir. Önerilen kontrol tekniğini kullanarak , akım genliği en aza indirilir, bu da daha az bakır kaybı anlamına gelir, böylece sistem verimliliği artar. Bu nedenle, yüksek başlatma akımları, makine performansının düşmesine neden olabilir.kayıpların en aza indirilmesini sağlamak için optimal akı, bu nedenle, önerilen teknik performansını göstermektedir. Şekil 8i'nin aksine, akı sabittir ve bu optimum çalışmayı temsil etmez. Şekil 8k ve 8l, stator akı yörüngesinin gelişimini göstermektedir. 8l, optimal akı gelişimini gösterir ve önerilen kontrol stratejisinin ana fikrini açıklar.
Ani bir değişiklikgüneş1000 W/m2'lik bir ışıma ile başlayan ve 1,5 saniye sonra aniden 500 W/m2'ye düşen radyasyon uygulandı (Şekil 9a). Şekil 9b, 1000 W/m2 ve 500'e karşılık gelen fotovoltaik panellerden çıkarılan fotovoltaik gücü göstermektedir W/m2.Şekil 9c ve 9d, sırasıyla görev döngüsünü ve DC bara voltajını göstermektedir.Şekil 9e'den görülebileceği gibi, önerilen yöntem daha iyi yanıt süresi sağlar.Şekil 9f, iki kontrol stratejisi için elde edilen su pompasını gösterir.Pompalama FDTCO ile, FDTC ile olandan daha yüksekti, 1000 W/m2 ışınımda 0,01 m3/s pompalama, FDTC ile 0,009 m3/sn'ye kıyasla;ayrıca, ışınım /m2'de 500 W olduğunda, FDTCO 0,0079 m3/s pompalarken, FDTC 0,0077 m3/s pompaladı. Şekil 9g ve 9h. FDTC yöntemi ve önerilen kontrol stratejisi kullanılarak simüle edilen mevcut yanıtı açıklar. önerilen kontrol stratejisi, ani ışınım değişiklikleri altında mevcut genliğin azaldığını ve bunun da bakır kayıplarının azalmasına neden olduğunu göstermektedir. Şekil 9j, kayıpların en aza indirilmesini sağlamak için optimal akıyı seçmek için akı tepkisinin gelişimini göstermektedir, dolayısıyla önerilen teknik 1Wb'lik bir akı ve 1000 W/m2'lik bir ışınım ile performansını gösterirken, akı 0,83Wb'dir ve ışınım 500 W/m2'dir.Şekil 9i'nin aksine, akı 1,2 Wb'de sabittir ve optimal fonksiyonu temsil eder. Şekil 9k ve 9l, stator akı yörüngesinin gelişimini gösterir. Şekil 9l, optimal akı gelişimini gösterir ve önerilen kontrol stratejisinin ana fikrini ve önerilen pompalama sisteminin iyileştirilmesini açıklar.
(a)Güneşradyasyon (b) Çıkarılan güç (c) Görev döngüsü (d) DC bara gerilimi (e) Rotor hızı (f) Su akışı (g) FDTC için stator fazı akımı (h) FDTCO için stator fazı akımı (i) ) FLC (j) FDTCO kullanarak akı yanıtı (k) FDTC kullanarak stator akı yörüngesi (l) FDTCO kullanarak stator akı yörüngesi.
Akı değeri, akım genliği ve pompalama açısından iki teknolojinin karşılaştırmalı bir analizi Tablo 5'te gösterilmektedir; bu, önerilen teknolojiye dayalı PVWPS'nin artan pompalama akışı ve minimum genlik akımı ve kaynaklanan kayıplarla yüksek performans sağladığını göstermektedir. optimal akı seçimine
Önerilen kontrol stratejisini doğrulamak ve test etmek için, STM32F4 kartına dayalı bir PIL testi gerçekleştirilir. Gömülü karta yüklenecek ve çalıştırılacak kodun üretilmesini içerir. Kart, 1 MB Flash, 168 MHz'lik bir 32-bit mikro denetleyici içerir. saat frekansı, kayan nokta birimi, DSP talimatları, 192 KB SRAM. Bu test sırasında, oluşturulan kodu içeren kontrol sisteminde STM32F4 keşif donanım kartına dayalı olarak geliştirilmiş bir PIL bloğu oluşturulmuş ve Simulink yazılımında tanıtılmıştır. STM32F4 kartı kullanılarak yapılandırılacak PIL testleri Şekil 10'da gösterilmektedir.
STM32F4 kullanılarak ortak simülasyon PIL testi, önerilen tekniği doğrulamak için düşük maliyetli bir teknik olarak kullanılabilir. Bu yazıda, en iyi referans akısını sağlayan optimize edilmiş modül, STMicroelectronics Discovery Board'da (STM32F4) uygulanmaktadır.
İkincisi, Simulink ile eşzamanlı olarak yürütülür ve önerilen PVWPS yöntemini kullanarak ortak simülasyon sırasında bilgi alışverişinde bulunur. Şekil 12, STM32F4'te optimizasyon teknolojisi alt sisteminin uygulamasını gösterir.
Bir fotovoltaik su pompalama sisteminin kontrol davranışını gösteren bu çalışma için ana kontrol değişkeni olduğundan, bu ortak simülasyonda sadece önerilen optimal referans akı tekniği gösterilmiştir.
Gönderim zamanı: Nisan-15-2022
