Pastaraisiais metais fotovoltinių vandens siurbimo sistemų (PVWPS) efektyvumo gerinimas sulaukė didelio mokslininkų susidomėjimo, nes jų veikla pagrįsta švarios elektros energijos gamyba. taikomosios programos, apimančios asinchroniniams varikliams (IM) taikomus nuostolių mažinimo metodus. Siūlomas valdiklis parenka optimalų srauto dydį, sumažindamas IM nuostolius. Be to, taip pat įdiegtas kintamo žingsnio trikdžių stebėjimo metodas. Siūlomo valdymo tinkamumą pripažįsta sumažinti kriauklės srovę;todėl variklio nuostoliai sumažinami iki minimumo ir pagerėja efektyvumas.Siūloma valdymo strategija lyginama su metodais be nuostolių mažinimo.Palyginimo rezultatai iliustruoja siūlomo metodo efektyvumą, kuris grindžiamas elektros greičio, sugertos srovės, tekančiosios srovės nuostolių mažinimu. vandens, ir plėtojant srautą.Procesoriaus kilpoje (PIL) testas atliekamas kaip siūlomo metodo eksperimentinis bandymas.Jis apima sugeneruoto C kodo įgyvendinimą STM32F4 atradimo plokštėje.Rezultatai, gauti iš įterptosios plokštės yra panašios į skaitmeninio modeliavimo rezultatus.
Atsinaujinanti energija, ypačsaulėsfotovoltinė technologija, gali būti švaresnė alternatyva iškastiniam kurui vandens siurbimo sistemose1,2.Fotovoltinės siurbimo sistemos sulaukė didelio dėmesio atokiose vietovėse, kuriose nėra elektros energijos3,4.
PV siurbimo reikmėms naudojami įvairūs varikliai.Pagrindinis PVWPS etapas yra pagrįstas nuolatinės srovės varikliais. Šiuos variklius lengva valdyti ir įdiegti, tačiau juos reikia reguliariai prižiūrėti, nes yra anotatoriai ir šepečiai5. Kad būtų pašalintas šis trūkumas, be šepetėlių buvo pristatyti nuolatinio magneto varikliai, pasižymintys bešepetėliu, dideliu efektyvumu ir patikimumu6. Lyginant su kitais varikliais, IM pagrindu veikiantis PVWPS pasižymi geresniu našumu, nes šis variklis yra patikimas, nebrangus, nereikalauja priežiūros ir siūlo daugiau valdymo strategijų galimybių7 .Dažnai naudojami netiesioginio lauko valdymo (IFOC) metodai ir tiesioginio sukimo momento valdymo (DTC) metodai8.
IFOC sukūrė Blaschke ir Hasse ir leidžia keisti IM greitį plačiame diapazone9,10. Statoriaus srovė yra padalinta į dvi dalis: viena generuoja magnetinį srautą, o kita generuoja sukimo momentą, konvertuodama į dq koordinačių sistemą. nepriklausomas srauto ir sukimo momento valdymas pastoviomis ir dinaminėmis sąlygomis. (d) ašis yra suderinta su rotoriaus srauto erdvės vektoriumi, o tai reiškia, kad rotoriaus srauto erdvės vektoriaus q ašies komponentas visada yra lygus nuliui. FOC suteikia gerą ir greitesnį atsaką11 ,12, tačiau šis metodas yra sudėtingas ir gali keistis13.Siekdami pašalinti šiuos trūkumus, Takashi ir Noguchi14 pristatė DTC, kuris pasižymi dideliu dinamiškumu, yra tvirtas ir mažiau jautrus parametrų pokyčiams. DTC elektromagnetinis sukimo momentas ir statoriaus srautas yra valdomi iš atitinkamų įverčių atėmus statoriaus srautą ir sukimo momentą. Rezultatas įvedamas į histerezės lyginamąjį įrenginį, kad būtų sukurtas atitinkamas valdymui skirtos įtampos vektoriustiek statoriaus srautas, tiek sukimo momentas.
Pagrindinis šios valdymo strategijos nepatogumas yra dideli sukimo momento ir srauto svyravimai, atsirandantys dėl histerezės reguliatorių naudojimo statoriaus srautui ir elektromagnetiniam sukimo momento reguliavimui15,42. Norint sumažinti pulsaciją, naudojami kelių lygių keitikliai, tačiau efektyvumą mažina maitinimo jungiklių skaičius16. Keletas autorių naudojo erdvės vektoriaus moduliaciją (SWM)17, slankiojančio režimo valdymą (SMC)18, kurie yra galingi metodai, tačiau kenčia nuo nepageidaujamų virpėjimo efektų19. Daugelis tyrėjų naudojo dirbtinio intelekto metodus, kad pagerintų valdiklio veikimą, įskaitant (1) neuroninius. tinklai, valdymo strategija, kuriai įgyvendinti reikalingi didelės spartos procesoriai20, ir (2) genetiniai algoritmai21.
Apytikslis valdymas yra tvirtas, tinka netiesinėms valdymo strategijoms ir nereikalauja tikslaus modelio žinių. Tai apima neaiškių loginių blokų naudojimą vietoj isteretinių valdiklių ir jungiklių pasirinkimo lenteles, siekiant sumažinti srauto ir sukimo momento virpėjimą. Verta pažymėti, kad FLC pagrįsti DTC užtikrina geresnį našumą22, tačiau jų nepakanka, kad maksimaliai padidintų variklio efektyvumą, todėl reikalingi valdymo kontūro optimizavimo metodai.
Daugumoje ankstesnių tyrimų autoriai pasirinko pastovų srautą kaip atskaitos srautą, tačiau šis atskaitos pasirinkimas neatspindi optimalios praktikos.
Didelio našumo, didelio efektyvumo variklinėms pavaroms reikalinga greita ir tiksli greičio reakcija. Kita vertus, kai kurių operacijų metu valdymas gali būti neoptimalus, todėl pavaros sistemos efektyvumo optimizuoti negalima. Geresnį veikimą galima pasiekti naudojant kintamo srauto nuoroda sistemos veikimo metu.
Daugelis autorių pasiūlė paieškos valdiklį (SC), kuris sumažina nuostolius esant skirtingoms apkrovos sąlygoms (pvz., in27), kad pagerintų variklio efektyvumą. Šią techniką sudaro įvesties galios matavimas ir sumažinimas pagal pasikartojančią d ašies srovės atskaitą arba statoriaus srautą. nuoroda.Tačiau šis metodas sukelia sukimo momento virpesius dėl oro tarpo sraute esančių svyravimų, o šio metodo įgyvendinimas užima daug laiko ir reikalauja daug išteklių. įstrigti vietiniuose minimumuose, todėl prastai pasirenkami valdymo parametrai29.
Šiame darbe siūloma su FDTC susijusi technika, kaip parinkti optimalų magnetinį srautą, sumažinant variklio nuostolius. Šis derinys užtikrina galimybę naudoti optimalų srauto lygį kiekviename darbo taške, taip padidinant siūlomos fotovoltinės vandens siurbimo sistemos efektyvumą. Todėl atrodo, kad tai labai patogu naudoti fotovoltiniam vandens siurbimui.
Be to, siūlomo metodo procesoriaus ciklas bandymas atliekamas naudojant STM32F4 plokštę kaip eksperimentinį patvirtinimą. Pagrindiniai šio branduolio pranašumai yra įgyvendinimo paprastumas, maža kaina ir nereikia kurti sudėtingų programų 30 . FT232RL USB-UART konvertavimo plokštė yra susieta su STM32F4, kuri garantuoja išorinę ryšio sąsają, kad kompiuteryje būtų sukurtas virtualus nuoseklusis prievadas (COM prievadas). Šis metodas leidžia perduoti duomenis dideliu duomenų perdavimo greičiu.
PVWPS našumas naudojant siūlomą techniką lyginamas su fotovoltinėmis sistemomis be nuostolių mažinimo skirtingomis eksploatavimo sąlygomis. Gauti rezultatai rodo, kad siūloma fotovoltinė vandens siurblių sistema geriau sumažina statoriaus srovės ir vario nuostolius, optimizuoja srautą ir siurbia vandenį.
Likusi straipsnio struktūra yra tokia: Siūlomos sistemos modeliavimas pateiktas skyriuje „Fotovoltinių sistemų modeliavimas“. Skyriuje „Tyramos sistemos valdymo strategija“, FDTC, siūloma valdymo strategija ir MPPT technika. Išsamiai aprašyta.Išvados aptariamos skyriuje „Modeliavimo rezultatai“.Skiltyje „PIL testavimas naudojant STM32F4 aptikimo plokštę“ aprašomas procesoriaus ciklas bandymas. Šio darbo išvados pateiktos „ Išvados“ skyrių.
1 paveiksle parodyta siūloma autonominės fotovoltinės vandens siurbimo sistemos konfigūracija. Sistemą sudaro IM pagrindu veikiantis išcentrinis siurblys, fotovoltinė matrica, du galios keitikliai [padidėjimo keitiklis ir įtampos šaltinio keitiklis (VSI)]. , pateikiamas tiriamos fotovoltinės vandens siurbimo sistemos modeliavimas.
Šiame dokumente naudojamas vieno diodo modelissaulėsfotovoltiniai elementai.PV elemento charakteristikos žymimos 31, 32 ir 33.
Adaptacijai atlikti naudojamas stiprinamasis keitiklis. Ryšys tarp nuolatinės srovės-nuolatinės srovės keitiklio įėjimo ir išėjimo įtampų pateikiamas pagal 34 lygtį:
IM matematinį modelį atskaitos sistemoje (α,β) galima apibūdinti tokiomis lygtimis 5,40:
Kur \(l_{s }\),\(l_{r}\): statoriaus ir rotoriaus induktyvumas, M: abipusis induktyvumas, \(R_{s }\), \(I_{s }\): statoriaus varža ir statoriaus srovė, \(R_{r}\), \(I_{r }\): rotoriaus varža ir rotoriaus srovė, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): statoriaus srautas ir statorius įtampa , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rotoriaus srautas ir rotoriaus įtampa.
Išcentrinio siurblio apkrovos sukimo momentą, proporcingą IM greičio kvadratui, galima nustatyti taip:
Siūlomos vandens siurblio sistemos valdymas suskirstytas į tris atskirus poskyrius. Pirmojoje dalyje aptariama MPPT technologija. Antroje dalyje kalbama apie IM valdymą, remiantis neaiškios logikos valdiklio tiesioginiu sukimo momento valdymu. Be to, III skyriuje aprašoma technika, susijusi su FLC pagrįstas DTC, leidžiantis nustatyti etaloninius srautus.
Šiame darbe kintamo žingsnio P&O technika naudojama maksimaliam galios taškui sekti. Jai būdingas greitas sekimas ir mažas svyravimas (2 pav.)37,38,39.
Pagrindinė DTC idėja yra tiesiogiai valdyti mašinos srautą ir sukimo momentą, tačiau histerezės reguliatorių naudojimas elektromagnetiniam sukimo momentui ir statoriaus srauto reguliavimui sukelia didelį sukimo momentą ir srauto virpėjimą. Todėl naudojama suliejimo technika, siekiant pagerinti DTC metodu (7 pav.), o FLC gali sukurti pakankamai inverterio vektoriaus būsenų.
Šiame žingsnyje įvestis paverčiama neaiškiais kintamaisiais naudojant narystės funkcijas (MF) ir kalbinius terminus.
Trys narystės funkcijos, skirtos pirmam įėjimui (εφ), yra neigiamos (N), teigiamos (P) ir nulinės (Z), kaip parodyta 3 paveiksle.
Penkios antrojo įvesties (\(\varepsilon\)Tem) narystės funkcijos yra neigiamas didelis (NL), neigiamas mažas (NS), nulis (Z), teigiamas mažas (PS) ir teigiamas didelis (PL), kaip parodyta 4 paveiksle.
Statoriaus srauto trajektorija susideda iš 12 sektorių, kuriuose neaiškią aibę vaizduoja lygiašonė trikampio narystės funkcija, kaip parodyta 5 paveiksle.
1 lentelėje sugrupuota 180 neaiškių taisyklių, kurios naudoja įvesties narystės funkcijas atitinkamoms jungiklio būsenoms pasirinkti.
Išvados metodas atliekamas naudojant Mamdani metodiką. I-osios taisyklės svorio koeficientas (\(\alpha_{i}\)) apskaičiuojamas taip:
kur\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : Magnetinio srauto, sukimo momento ir statoriaus srauto kampo paklaidos narystės vertė.
6 paveiksle pavaizduotos ryškios vertės, gautos iš neaiškių verčių, naudojant maksimalų metodą, siūlomą lygtyje (20).
Padidinus variklio efektyvumą, srautas gali būti padidintas, o tai savo ruožtu padidina kasdienį vandens siurbimą (7 pav.). Šios technikos tikslas yra susieti nuostolių mažinimo strategiją su tiesioginiu sukimo momento valdymo metodu.
Gerai žinoma, kad magnetinio srauto vertė yra svarbi variklio efektyvumui. Dėl didelių srauto verčių padidėja geležies nuostoliai, taip pat magnetinis grandinės prisotinimas. Priešingai, maži srauto lygiai lemia didelius Džaulio nuostolius.
Todėl IM nuostolių mažinimas yra tiesiogiai susijęs su srauto lygio pasirinkimu.
Siūlomas metodas yra pagrįstas Džaulio nuostolių, susijusių su srove, tekančia per mašinos statoriaus apvijas, modeliavimu.Jį sudaro rotoriaus srauto vertės nustatymas iki optimalios vertės, taip sumažinant variklio nuostolius, siekiant padidinti efektyvumą. Džaulio nuostoliai gali būti išreikštas taip (nekreipiant dėmesio į pagrindinius nuostolius):
Elektromagnetinis sukimo momentas\(C_{em}\) ir rotoriaus srautas\(\phi_{r}\) dq koordinačių sistemoje apskaičiuojami taip:
Elektromagnetinis sukimo momentas\(C_{em}\) ir rotoriaus srautas\(\phi_{r}\) apskaičiuojami remiantis nuoroda (d,q) taip:
išsprendę lygtį.(30), galime rasti optimalią statoriaus srovę, užtikrinančią optimalų rotoriaus srautą ir minimalius nuostolius:
Siekiant įvertinti siūlomos technikos patikimumą ir našumą, buvo atlikti įvairūs modeliavimai naudojant MATLAB/Simulink programinę įrangą.Tiriama sistema susideda iš aštuonių 230 W CSUN 235-60P plokščių (2 lentelė), sujungtų nuosekliai. Išcentrinį siurblį varo IM, ir jo būdingi parametrai pateikti 3 lentelėje.PV siurbimo sistemos komponentai pateikti 4 lentelėje.
Šiame skyriuje fotovoltinė vandens siurbimo sistema, naudojanti FDTC su pastovaus srauto etalonu, lyginama su siūloma sistema, pagrįsta optimaliu srautu (FDTCO) tomis pačiomis darbo sąlygomis. Abiejų fotovoltinių sistemų veikimas buvo išbandytas atsižvelgiant į šiuos scenarijus:
Šiame skyriuje pateikiama siūloma siurblio sistemos paleidimo būsena, pagrįsta 1000 W/m2 insoliacijos dažniu. 8e paveiksle parodyta elektrinio greičio reakcija. Palyginti su FDTC, siūloma technika užtikrina geresnę kilimo trukmę, pasiekus pastovią būseną ties 1,04 s, o FDTC pasiekia pastovią būseną esant 1,93 s. 8f paveiksle parodytas dviejų valdymo strategijų siurbimas. Matoma, kad FDTCO padidina siurbimo kiekį, o tai paaiškina IM konvertuojamos energijos pagerėjimą. 8g pav. ir 8h rodo nubrėžtą statoriaus srovę. Paleidimo srovė naudojant FDTC yra 20 A, o siūloma valdymo strategija siūlo 10 A paleidimo srovę, kuri sumažina Džaulio nuostolius. 8i ir 8j paveiksluose parodytas sukurtas statoriaus srautas. FDTC pagrįstas PVPWS veikia esant pastoviam 1,2 Wb etaloniniam srautui, o taikant siūlomą metodą, etaloninis srautas yra 1 A, kuris yra susijęs su fotovoltinės sistemos efektyvumo gerinimu.
a)Saulėsspinduliuotė (b) Galios ištraukimas (c) Darbo ciklas (d) Nuolatinės srovės magistralės įtampa (e) Rotoriaus greitis (f) Vandens siurbimas (g) Statoriaus fazės srovė FDTC (h) Statoriaus fazės srovė FDTCO (i) Srauto atsakas naudojant FLC (j) Srauto atsakas naudojant FDTCO (k) Statoriaus srauto trajektorija naudojant FDTC (l) Statoriaus srauto trajektorija naudojant FDTCO.
Thesaulėsspinduliuotė svyravo nuo 1000 iki 700 W/m2 per 3 sekundes, o po to iki 500 W/m2 po 6 sekundžių (8a pav.). 8b paveiksle parodyta atitinkama fotovoltinė galia esant 1000 W/m2, 700 W/m2 ir 500 W/m2 .8c ir 8d paveiksluose pavaizduotas atitinkamai darbo ciklas ir nuolatinės srovės grandinės įtampa. 8e paveiksle parodytas IM elektrinis greitis ir galime pastebėti, kad siūlomos technikos greitis ir atsako laikas yra geresnis, palyginti su FDTC pagrįsta fotoelektrine sistema. 8f pav. parodytas vandens siurbimas esant skirtingiems apšvitos lygiams, gautam naudojant FDTC ir FDTCO. Naudojant FDTCO galima siurbti daugiau nei naudojant FDTC. 8g ir 8h paveiksluose pavaizduoti modeliuoti srovės atsakai naudojant FDTC metodą ir siūlomą valdymo strategiją. Naudojant siūlomą valdymo techniką. , srovės amplitudė sumažinama iki minimumo, o tai reiškia mažiau vario nuostolių, taip padidinant sistemos efektyvumą. Todėl dėl didelės paleidimo srovės gali sumažėti mašinos veikimas. 8j paveiksle parodyta srauto atsako raida, kad būtų galima pasirinktioptimalus srautas, siekiant užtikrinti, kad nuostoliai būtų kuo mažesni, todėl siūloma technika iliustruoja jos veikimą. Priešingai nei 8i paveiksle, srautas yra pastovus, o tai neatspindi optimalaus veikimo. 8k ir 8l paveiksluose parodyta statoriaus srauto trajektorijos raida. 8l iliustruoja optimalų srauto vystymąsi ir paaiškina pagrindinę siūlomos valdymo strategijos idėją.
Staigus pasikeitimassaulėsbuvo taikoma spinduliuotė, pradedant nuo 1000 W/m2 apšvitos ir po 1,5 s staigiai mažėjant iki 500 W/m2 (9a pav.). 9b paveiksle parodyta iš fotovoltinių plokščių išgaunama fotovoltinė galia, atitinkanti 1000 W/m2 ir 500 W/m2.9c ir 9d paveiksluose pavaizduotas atitinkamai darbo ciklas ir nuolatinės srovės grandinės įtampa.Kaip matyti iš 9e pav., siūlomas metodas užtikrina geresnį atsako laiką.9f paveiksle parodytas vandens siurbimas, gautas naudojant dvi valdymo strategijas.Siurbimas. su FDTCO buvo didesnis nei su FDTC, siurbiant 0,01 m3/s esant 1000 W/m2 apšvitai, palyginti su 0,009 m3/s naudojant FDTC;be to, kai apšvita buvo 500 W At /m2, FDTCO pumpavo 0,0079 m3/s, o FDTC siurbė 0,0077 m3/s. 9g ir 9h paveikslai. Aprašomas srovės atsakas, imituotas naudojant FDTC metodą ir siūloma valdymo strategija. Galime pastebėti, kad siūloma valdymo strategija rodo, kad srovės amplitudė sumažinama esant staigiems apšvitos pokyčiams, todėl sumažėja vario nuostoliai. 9j paveiksle parodyta srauto atsako raida, siekiant pasirinkti optimalų srautą, užtikrinantį, kad nuostoliai būtų kuo mažesni, todėl siūloma technika iliustruoja jo veikimą su 1 Wb srautu ir 1 000 W/m2 apšvitą, o srautas yra 0,83 Wb, o apšvita yra 500 W/m2. Priešingai nei 9i pav., srautas yra pastovus 1,2 Wb, o tai nėra 9k ir 9l paveikslai rodo statoriaus srauto trajektorijos raidą. 9l pav. iliustruoja optimalų srauto raidą ir paaiškina pagrindinę siūlomos valdymo strategijos ir siūlomos siurbimo sistemos tobulinimo idėją.
a)Saulėsspinduliuotė (b) Ištraukiama galia (c) Darbo ciklas (d) Nuolatinės srovės magistralės įtampa (e) Rotoriaus greitis (f) Vandens srautas (g) Statoriaus fazės srovė FDTC (h) Statoriaus fazės srovė FDTCO (i) ) Srauto atsakas naudojant FLC (j) Srauto atsakas naudojant FDTCO (k) Statoriaus srauto trajektorija naudojant FDTC (l) Statoriaus srauto trajektorija naudojant FDTCO.
Dviejų technologijų lyginamoji analizė srauto vertės, srovės amplitudės ir siurbimo požiūriu parodyta 5 lentelėje, iš kurios matyti, kad PVWPS, pagrįstas siūloma technologija, užtikrina aukštą našumą, padidindamas siurbimo srautą ir sumažindamas amplitudės srovę bei nuostolius, iki optimalaus srauto pasirinkimo.
Siekiant patikrinti ir išbandyti siūlomą valdymo strategiją, atliekamas PIL testas, pagrįstas STM32F4 plokšte. Jis apima kodo generavimą, kuris bus įkeltas ir paleistas įterptojoje plokštėje. Plokštėje yra 32 bitų mikrovaldiklis su 1 MB Flash, 168 MHz laikrodžio dažnis, slankiojo kablelio vienetas, DSP instrukcijos, 192 KB SRAM. Šio bandymo metu valdymo sistemoje buvo sukurtas sukurtas PIL blokas, kuriame yra sugeneruotas kodas, pagrįstas STM32F4 aptikimo aparatinės įrangos plokšte ir įdiegtas Simulink programinėje įrangoje. PIL testai, kuriuos reikia sukonfigūruoti naudojant STM32F4 plokštę, parodyti 10 paveiksle.
Bendro modeliavimo PIL testavimas naudojant STM32F4 gali būti naudojamas kaip pigi technika siūlomos technikos patikrinimui. Šiame darbe optimizuotas modulis, užtikrinantis geriausią atskaitos srautą, yra įdiegtas STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Pastaroji vykdoma kartu su Simulink ir keičiasi informacija bendro modeliavimo metu, naudojant siūlomą PVWPS metodą. 12 paveiksle parodytas optimizavimo technologijos posistemio įgyvendinimas STM32F4.
Šiame bendrame modeliavime parodyta tik siūloma optimalaus etaloninio srauto technika, nes tai yra pagrindinis šio darbo valdymo kintamasis, parodantis fotovoltinės vandens siurbimo sistemos valdymo elgseną.
Paskelbimo laikas: 2022-04-15
