Последњих година, побољшања ефикасности фотонапонских система за пумпање воде (ПВВПС) привукла су велико интересовање међу истраживачима, јер се њихов рад заснива на производњи чисте електричне енергије. У овом раду је развијен нови приступ заснован на фуззи логиц контролеру за ПВВПС. апликације које укључују технике минимизације губитака примењене на асинхроне моторе (ИМ). Предложена контрола бира оптималну величину флукса минимизирањем ИМ губитака. Поред тога, уведена је и метода посматрања пертурбације променљивог корака. Погодност предложене контроле се препознаје по смањење струје умиваоника;стога су губици мотора минимизирани и ефикасност је побољшана. Предложена стратегија управљања је упоређена са методама без минимизације губитака. Резултати поређења илуструју ефикасност предложене методе, која се заснива на минимизирању губитака у електричној брзини, апсорбованој струји, протоку. воду и развојни флукс. Тест процесора у петљи (ПИЛ) је изведен као експериментални тест предложене методе. Обухвата имплементацију генерисаног Ц кода на СТМ32Ф4 плочи за откривање. Резултати добијени из уграђеног табли су слични резултатима нумеричке симулације.
Обновљива енергија, посебносоларнифотонапонска технологија, може бити чистија алтернатива фосилним горивима у системима за пумпање воде1,2. Фотонапонски пумпни системи су добили значајну пажњу у удаљеним областима без струје3,4.
Различити мотори се користе у ПВ пумпним апликацијама. Примарна фаза ПВВПС је заснована на ДЦ моторима. Ови мотори су лаки за контролу и имплементацију, али им је потребно редовно одржавање због присуства анотатора и четкица5. Да би се овај недостатак превазишао, без четкица Уведени су мотори са трајним магнетом, који се одликују без четкица, висока ефикасност и поузданост6. У поређењу са другим моторима, ПВВПС заснован на ИМ има боље перформансе јер је овај мотор поуздан, јефтин, не захтева одржавање и нуди више могућности за стратегије управљања7 .Уобичајено се користе технике индиректне контроле оријентисане на поље (ИФОЦ) и методе директне контроле обртног момента (ДТЦ)8.
ИФОЦ су развили Бласцхке и Хассе и омогућава промену ИМ брзине у широком опсегу9,10. Струја статора је подељена на два дела, један генерише магнетни флукс, а други генерише обртни момент претварањем у дк координатни систем. Ово омогућава независна контрола флукса и обртног момента у стабилном стању и динамичким условима. Оса (д) је поравната са вектором простора флукса ротора, што укључује компоненту к-осе вектора простора флукса ротора која је увек нула. ФОЦ обезбеђује добар и бржи одзив11 ,12, међутим, овај метод је сложен и подложан варијацијама параметара13. Да би превазишли ове недостатке, Такасхи и Ногуцхи14 су увели ДТЦ, који има високе динамичке перформансе и робустан је и мање осетљив на промене параметара. У ДТЦ-у, електромагнетни обртни момент и флукс статора се контролишу одузимањем флукса и обртног момента статора од одговарајућих процена. Резултат се уноси у компаратор хистерезе да би се генерисао одговарајући вектор напона за контролуи флукс статора и обртни момент.
Главна непогодност ове стратегије управљања су велике флуктуације обртног момента и флукса због употребе регулатора хистерезе за регулацију флукса статора и електромагнетног момента15,42. Вишестепени претварачи се користе за минимизирање таласања, али ефикасност је смањена бројем прекидача напајања16. Неколико аутора је користило модулацију вектора свемира (СВМ)17, контролу клизног режима (СМЦ)18, које су моћне технике, али пате од нежељених ефеката подрхтавања19. Многи истраживачи су користили технике вештачке интелигенције да би побољшали перформансе контролера, међу њима, мреже, контролну стратегију која захтева процесоре велике брзине за имплементацију20 и (2) генетске алгоритме21.
Фази контрола је робусна, погодна за стратегије нелинеарне контроле и не захтева познавање тачног модела. Укључује употребу расплинутих логичких блокова уместо хистерезних контролера и табела за избор прекидача за смањење таласа флукса и обртног момента. Вреди истаћи да ДТЦ засновани на ФЛЦ-у обезбеђују боље перформансе22, али недовољно да максимизирају ефикасност мотора, тако да су потребне технике оптимизације контролне петље.
У већини претходних студија, аутори су изабрали константни флукс као референтни флукс, али овај избор референце не представља оптималну праксу.
Моторни погони високих перформанси и високе ефикасности захтевају брз и прецизан одзив брзине. С друге стране, за неке операције контрола можда није оптимална, тако да се ефикасност погонског система не може оптимизовати. Боље перформансе се могу постићи коришћењем променљива референца флукса током рада система.
Многи аутори су предложили контролер претраге (СЦ) који минимизира губитке под различитим условима оптерећења (као што је у27) како би побољшали ефикасност мотора. Техника се састоји од мерења и минимизирања улазне снаге итеративном референтном струјом на д-оси или флуксом статора референца.Међутим, ова метода уводи таласање обртног момента због осцилација присутних у флуксу ваздушног зазора, а имплементација ове методе је дуготрајна и рачунски интензивна. Оптимизација роја честица се такође користи за побољшање ефикасности28, али ова техника може заглави се у локалним минимумима, што доводи до лошег избора контролних параметара29.
У овом раду је предложена техника везана за ФДТЦ за избор оптималног магнетног флукса смањењем губитака мотора. Ова комбинација обезбеђује могућност коришћења оптималног нивоа флукса у свакој радној тачки, чиме се повећава ефикасност предложеног фотонапонског система за пумпање воде. Стога се чини да је веома згодно за апликације за фотонапонско пумпање воде.
Даље, тест процесора у петљи предложеног метода је изведен коришћењем плоче СТМ32Ф4 као експерименталне валидације. Главне предности овог језгра су једноставност имплементације, ниска цена и нема потребе за развојем сложених програма 30 .Осим тога , ФТ232РЛ УСБ-УАРТ плоча за конверзију је повезана са СТМ32Ф4, што гарантује спољни комуникациони интерфејс како би се успоставио виртуелни серијски порт (ЦОМ порт) на рачунару. Овај метод омогућава пренос података при високим брзинама преноса.
Перформансе ПВВПС применом предложене технике су упоређене са ПВ системима без минимизације губитака у различитим условима рада. Добијени резултати показују да је предложени систем фотонапонских пумпи за воду бољи у минимизирању струје статора и губитака бакра, оптимизацији флукса и пумпања воде.
Остатак рада је структуриран на следећи начин: Моделирање предложеног система је дато у одељку „Моделирање фотонапонских система“. У делу „Стратегија управљања проучаваним системом“, ФДТЦ, предложена стратегија управљања и МППТ техника су дати детаљно описано. Налази се разматрају у одељку „Резултати симулације“. У одељку „ПИЛ тестирање са СТМ32Ф4 плочом за откривање“ описано је тестирање процесора у петљи. Закључци овог рада су представљени у „ Закључци”.
Слика 1 приказује предложену конфигурацију система за самостални фотонапонски систем за пумпање воде. Систем се састоји од центрифугалне пумпе засноване на ИМ, фотонапонског низа, два претварача снаге [појачавајући претварач и претварач извора напона (ВСИ)]. У овом одељку , приказано је моделирање проучаваног фотонапонског система за пумпање воде.
Овај рад усваја модел са једном диодомсоларнифотонапонске ћелије. Карактеристике ПВ ћелије су означене са 31, 32 и 33.
Да би се извршила адаптација, користи се појачавајући претварач. Однос између улазног и излазног напона ДЦ-ДЦ претварача је дат једначином 34 у наставку:
Математички модел ИМ се може описати у референтном оквиру (α,β) следећим једначинама 5,40:
Где \(л_{с}\),\(л_{р}\): индуктивност статора и ротора, М: међусобна индуктивност, \(Р_{с }\), \(И_{с}\): отпор статора и струја статора, \(Р_{р}\), \(И_{р}\): отпор ротора и струја ротора, \(\пхи_{с}\), \(В_{с}\): флукс статора и статор напон , \(\пхи_{р}\), \(В_{р}\): флукс ротора и напон ротора.
Обртни момент оптерећења центрифугалне пумпе пропорционалан квадрату ИМ брзине може се одредити на следећи начин:
Управљање предложеним системом пумпе за воду подељено је у три одвојена пододељка. Први део се бави МППТ технологијом. Други део се бави управљањем ИМ заснованим на директној контроли обртног момента контролера фуззи логике. Даље, Одељак ИИИ описује технику која се односи на ДТЦ заснован на ФЛЦ-у који омогућава одређивање референтних флуксова.
У овом раду је коришћена П&О техника са променљивим кораком за праћење тачке максималне снаге. Карактерише је брзо праћење и ниске осцилације (Слика 2)37,38,39.
Главна идеја ДТЦ-а је да директно контролише флукс и обртни момент машине, али употреба регулатора хистерезе за регулацију електромагнетног момента и флукса статора резултира високим обртним моментом и таласањем флукса. Због тога је уведена техника замућења да би се побољшала ДТЦ методом (слика 7), а ФЛЦ може развити довољна стања вектора претварача.
У овом кораку, улаз се трансформише у расплинуте варијабле кроз функције чланства (МФ) и лингвистичке термине.
Три функције припадности за први улаз (εφ) су негативне (Н), позитивне (П) и нула (З), као што је приказано на слици 3.
Пет функција припадности за други улаз (\(\варепсилон\)Тем) су негативна велика (НЛ), негативна мала (НС), нула (З), позитивна мала (ПС) и позитивна велика (ПЛ), као што је приказано на слици 4.
Трајекторија флукса статора састоји се од 12 сектора, у којима је расплинути скуп представљен једнакокраком троугластом функцијом припадности, као што је приказано на слици 5.
Табела 1 групише 180 расплинутих правила која користе улазне функције чланства за избор одговарајућих стања прекидача.
Метод закључивања се изводи коришћењем Мамданијеве технике. Фактор тежине (\(\алпха_{и}\)) и-тог правила је дат као:
где\(\му Аи \лефт( {е\варпхи} \десно)\),\(\му Би\лефт( {еТ} \десно) ,\) \(\му Ци\лефт( \тхета \ригхт) \) : Вредност припадности магнетног флукса, обртног момента и грешке угла флукса статора.
Слика 6 илуструје оштре вредности добијене из нејасних вредности коришћењем максималног метода предложеног у једначини (20).
Повећањем ефикасности мотора, брзина протока се може повећати, што заузврат повећава дневно пумпање воде (Слика 7). Сврха следеће технике је да повеже стратегију засновану на минимализацији губитака са методом директног управљања обртним моментом.
Добро је познато да је вредност магнетног флукса важна за ефикасност мотора. Високе вредности флукса доводе до повећаних губитака гвожђа као и до магнетног засићења кола. Супротно томе, ниски нивои флукса резултирају великим губицима у џулу.
Стога је смањење губитака у ИМ директно повезано са избором нивоа флукса.
Предложени метод се заснива на моделовању џулове губитака повезаних са струјом која тече кроз намотаје статора у машини. Састоји се од подешавања вредности флукса ротора на оптималну вредност, чиме се минимизирају губици мотора ради повећања ефикасности. може се изразити на следећи начин (занемарујући губитке у језгру):
Електромагнетни обртни момент\(Ц_{ем}\) и флукс ротора\(\пхи_{р}\) се израчунавају у дк координатном систему као:
Електромагнетни обртни момент\(Ц_{ем}\) и флукс ротора\(\пхи_{р}\) се израчунавају у референци (д,к) као:
решавањем једначине.(30) можемо наћи оптималну струју статора која обезбеђује оптималан флукс ротора и минималне губитке:
Различите симулације су изведене коришћењем МАТЛАБ/Симулинк софтвера да би се проценила робусност и перформансе предложене технике. Истражени систем се састоји од осам 230 В ЦСУН 235-60П панела (Табела 2) повезаних у серију. Центрифугалну пумпу покреће ИМ, а његови карактеристични параметри су приказани у табели 3. Компоненте фотонапонског пумпног система су приказане у табели 4.
У овом одељку, фотонапонски систем за пумпање воде који користи ФДТЦ са константном референцом флукса упоређује се са предложеним системом заснованим на оптималном флуксу (ФДТЦО) под истим условима рада. Перформансе оба фотонапонска система су тестиране разматрањем следећих сценарија:
Овај одељак представља предложено стартно стање система пумпе засновано на стопи инсолације од 1000 В/м2. Слика 8е илуструје одзив електричне брзине. У поређењу са ФДТЦ, предложена техника обезбеђује боље време пораста, достижући стабилно стање на 1,04 с, а са ФДТЦ, достизање стабилног стања на 1,93 с. Слика 8ф приказује пумпање две контролне стратегије. Може се видети да ФДТЦО повећава количину пумпања, што објашњава побољшање енергије коју претвара ИМ. Слике 8г и 8х представљају извучену струју статора. Струја покретања помоћу ФДТЦ је 20 А, док предложена стратегија управљања предлаже струју покретања од 10 А, што смањује џулове губитке. Слике 8и и 8ј показују развијени флукс статора. ФДТЦ заснован на ПВПВС ради при константном референтном флуксу од 1,2 Вб, док је у предложеној методи референтни флукс 1 А, што је укључено у побољшање ефикасности фотонапонског система.
(а)Соларнизрачење (б) Екстракција снаге (ц) Радни циклус (д) ДЦ напон сабирнице (е) Брзина ротора (ф) Пумпа воде (г) Фазна струја статора за ФДТЦ (х) Фазна струја статора за ФДТЦО (и) Одзив флукса помоћу ФЛЦ (ј) Одзив флукса коришћењем ФДТЦО (к) Путања флукса статора коришћењем ФДТЦ (л) Путања флукса статора коришћењем ФДТЦО.
Тхесоларнизрачење је варирало од 1000 до 700 В/м2 за 3 секунде, а затим до 500 В/м2 за 6 секунди (слика 8а). На слици 8б приказана је одговарајућа фотонапонска снага за 1000 В/м2, 700 В/м2 и 500 В/м2 .Слике 8ц и 8д илуструју радни циклус и напон једносмерне везе, респективно. Слика 8е илуструје електричну брзину ИМ, и можемо приметити да предложена техника има бољу брзину и време одзива у поређењу са фотонапонским системом заснованим на ФДТЦ. Слика 8ф приказује пумпање воде за различите нивое озрачености добијене коришћењем ФДТЦ и ФДТЦО. Више пумпања се може постићи са ФДТЦО него са ФДТЦ. Слике 8г и 8х илуструју симулиране струјне одговоре користећи ФДТЦ метод и предложену стратегију управљања. Коришћењем предложене технике контроле , амплитуда струје је минимизирана, што значи мање губитке бакра, чиме се повећава ефикасност система. Због тога, велике стартне струје могу довести до смањених перформанси машине. Слика 8ј приказује еволуцију одзива флукса како би се изабралаоптималан флукс како би се осигурало да су губици минимизирани, стога, предложена техника илуструје њене перформансе. За разлику од слике 8и, флукс је константан, што не представља оптималан рад. Слике 8к и 8л показују еволуцију путање флукса статора. 8л илуструје оптимални развој флукса и објашњава главну идеју предложене стратегије управљања.
Изненадна промена усоларнипримењено је зрачење, почевши од зрачења од 1000 В/м2 и нагло опадајући на 500 В/м2 након 1,5 с (слика 9а). Слика 9б приказује фотонапонску снагу екстраховану из фотонапонских панела, која одговара 1000 В/м2 и 500 В/м2.Слике 9ц и 9д илуструју радни циклус и напон једносмерне везе, респективно. Као што се може видети са слике 9е, предложени метод обезбеђује боље време одзива. Слика 9ф приказује пумпање воде добијено за две контролне стратегије. са ФДТЦО је била већа него са ФДТЦ, пумпање 0,01 м3/с при 1000 В/м2 озрачености у поређењу са 0,009 м3/с са ФДТЦ;даље, када је озраченост износила 500 В Ат/м2, ФДТЦО је пумпао 0,0079 м3/с, док је ФДТЦ пумпао 0,0077 м3/с. Слике 9г и 9х. Описује тренутни одговор симулиран коришћењем ФДТЦ методе и предложену стратегију управљања. Можемо приметити да предложена контролна стратегија показује да се амплитуда струје смањује под наглим променама озрачености, што резултира смањеним губицима бакра. Слика 9ј приказује еволуцију одзива флукса како би се изабрао оптимални флукс како би се осигурало да су губици минимизирани, стога је предложена техника илуструје његове перформансе са флуксом од 1Вб и зрачењем од 1000 В/м2, док је флукс 0,83Вб и ирадијанса 500 В/м2. За разлику од слике 9и, флукс је константан на 1,2 Вб, што није представљају оптималну функцију. Слике 9к и 9л приказују еволуцију путање флукса статора. Слика 9л илуструје развој оптималног флукса и објашњава главну идеју предложене стратегије управљања и побољшање предложеног пумпног система.
(а)Соларнизрачење (б) Извучена снага (ц) Радни циклус (д) ДЦ напон сабирнице (е) Брзина ротора (ф) Проток воде (г) Фазна струја статора за ФДТЦ (х) Фазна струја статора за ФДТЦО (и) ) Одзив флукса коришћењем ФЛЦ (ј) Одзив флукса коришћењем ФДТЦО (к) Путања флукса статора коришћењем ФДТЦ (л) Путања флукса статора коришћењем ФДТЦО.
Упоредна анализа две технологије у погледу вредности флукса, амплитуде струје и пумпања приказана је у табели 5, која показује да ПВВПС заснован на предложеној технологији обезбеђује високе перформансе са повећаним протоком пумпања и минимизираним струјама и губицима амплитуде, што је последица до оптималног избора флукса.
Да би се верификовала и тестирала предложена контролна стратегија, ПИЛ тест се изводи на основу плоче СТМ32Ф4. Укључује генерисање кода који ће бити учитан и покренут на уграђеној плочи. Плоча садржи 32-битни микроконтролер са 1 МБ Фласх, 168 МХз фреквенција такта, јединица с покретним зарезом, ДСП инструкције, 192 КБ СРАМ. Током овог теста, развијени ПИЛ блок је креиран у контролном систему који садржи генерисани код заснован на СТМ32Ф4 хардверској плочи за откривање и уведен у софтвер Симулинк. Кораци који омогућавају ПИЛ тестови који се конфигуришу помоћу СТМ32Ф4 плоче приказани су на слици 10.
Косимулационо ПИЛ тестирање коришћењем СТМ32Ф4 може се користити као јефтина техника за верификацију предложене технике. У овом раду, оптимизовани модул који обезбеђује најбољи референтни флукс имплементиран је у СТМицроелецтроницс Дисцовери Боард (СТМ32Ф4).
Ово последње се извршава истовремено са Симулинк-ом и размењује информације током косимулације коришћењем предложене ПВВПС методе. Слика 12 илуструје имплементацију подсистема технологије оптимизације у СТМ32Ф4.
У овој косимулацији приказана је само предложена техника оптималног референтног флукса, пошто је то главна контролна варијабла за овај рад која показује контролно понашање фотонапонског система за пумпање воде.
Време поста: 15.04.2022
