Nta l'ultimi anni, i migliori in l'efficienza di i sistemi di pompa di l'acqua fotovoltaica (PVWPS) anu attiratu un grande interessu trà i circadori, postu chì u so funziunamentu hè basatu annantu à a produzzione di energia elettrica pulita. appiicazioni chì incorpora tecniche di minimizazione di perdita applicata à i mutori di induzione (IM). U cuntrollu prupostu selezziunà a magnitude di flussu ottimale minimizendu perdite IM. riduzzione di u currenti di u lavu;dunque, pèrdite mutore sò minimized è efficienza hè improved.The strategia di cuntrollu pruposta hè paragunatu cù i metudi senza minimization pèrdita. I risultati paraguni illustranu l 'efficacità di u metudu pruposta, chì hè basatu nantu à a minimization di perditi in vitezza elettrica, assorbutu currenti, scorri. acqua, è u sviluppu di flussu.Una prova di prucessori in u ciclu (PIL) hè realizatu cum'è una prova sperimentale di u metudu prupostu. Include l'implementazione di u codice C generatu nantu à u bordu di scuperta STM32F4. bordu sò simili à i risultati di simulazione numerica.
Energia rinnuvevuli, soprattuttusolareTecnulugia fotovoltaica, pò esse una alternativa più pulita à i carburanti fossili in i sistemi di pumping d'acqua 1,2.I sistemi di pumping photovoltaic anu ricivutu assai attenzione in i zoni remoti senza electricità3,4.
Diversi mutori sò usati in applicazioni di pumping PV. U stadiu primariu di PVWPS hè basatu annantu à i motori DC. Questi muturi sò faciuli di cuntrullà è di implementà, ma necessitanu un mantenimentu regulare per via di a prisenza di l'annotatori è di i spazzole5.Per superà sta mancanza, senza spazzola. I mutori di magneti permanenti sò stati introdotti, chì sò carattarizati da brushless, alta efficienza è reliability6.Compared to other motors, IM-based PVWPS hà megliu prestazioni perchè stu mutore hè affidabile, low-cost, senza mantenimentu, è offre più pussibulità per strategie di cuntrollu7 .Tecniche di cuntrollu orientatu à u campu indirettu (IFOC) è i metudi di cuntrollu di coppia diretta (DTC) sò cumunimenti usati8.
IFOC hè statu sviluppatu da Blaschke è Hasse è permette di cambià a velocità IM in una larga gamma9,10.U currente di stator hè divisu in dui parti, unu genera u flussu magneticu è l'altru genera u torque cunvertisce à u sistema di coordenada dq. U cuntrollu indipendente di u flussu è u torque in condizioni stazionarie è dinamiche. L'asse (d) hè allinatu cù u vettore di u spaziu di flussu di u rotore, chì implica a cumpunente di l'assi q di u vettore di u spaziu di u flussu di u rotore hè sempre zero.FOC furnisce una risposta bona è più veloce11 ,12, però, stu metudu hè cumplessu è sottumessu à variazioni di paràmetri 13.Per superà questi difetti, Takashi è Noguchi14 introduttu DTC, chì hà un altu rendiment dinamicu è hè robustu è menu sensibile à i cambiamenti di paràmetru. In DTC, u torque elettromagneticu è u flussu di stator sò cuntrullati sottumettendu u flussu di u stator è u torque da l'estimazioni currispundenti. U risultatu hè alimentatu in un comparatore d'isteresi per generà u vettore di tensione adattatu per cuntrullà.sia u flussu di u statore sia u torque.
L'inconveniente principale di sta strategia di cuntrollu hè a grande fluttuazione di u torque è di u flussu per l'usu di regulatori d'isteresi per u flussu di stator è a regulazione di u torque elettromagneticu15,42. Convertitori multilivellu sò usati per minimizzà l'ondulazione, ma l'efficienza hè ridutta da u numeru di switches di putenza16. Diversi autori anu utilizatu a modulazione di u vettore spaziale (SWM)17, u cuntrollu di modu sliding (SMC)18, chì sò tecniche putenti, ma soffrenu di effetti di jittering indesiderati. rete, una strategia di cuntrollu chì richiede processori d'alta velocità per implementà20, è (2) algoritmi genetichi21.
U cuntrollu fuzzy hè robustu, adattatu per strategie di cuntrollu non lineari, è ùn hà micca bisognu di cunniscenza di u mudellu esatta. Include l'usu di blocchi di logica fuzzy invece di cuntrolli isteretichi è tavule di selezzione di switch per riduce u flussu è l'ondulazione di torque. I DTC basati in FLC furniscenu un rendimentu megliu22, ma micca abbastanza per maximizà l'efficienza di u mutore, cusì sò necessarie tecniche di ottimisazione di u ciclu di cuntrollu.
In a maiò parte di i studii previ, l'autori anu sceltu u flussu constante cum'è u flussu di riferimentu, ma sta scelta di riferimentu ùn rapprisenta micca a pratica ottima.
I mutori di u mutore d'alta prestazione, d'alta efficienza necessitanu una risposta veloce è precisa di velocità. Per d 'altra banda, per alcune operazioni, u cuntrollu pò esse micca ottimali, perchè l'efficienza di u sistema di u drive ùn pò esse ottimizatu. una riferenza di flussu variabile durante u funziunamentu di u sistema.
Parechji autori anu prupostu un controller di ricerca (SC) chì minimizza i perditi in diverse cundizioni di carica (cum'è in27) per migliurà l'efficienza di u mutore. A tecnica hè di misurà è minimizzà a putenza di input per riferimentu iterativu di corrente d-axis o flussu di stator. reference.However, stu mètudu introduces torque ripple per via di oscillations prisente in u flussu di l'aria-gap, è l'implementazione di stu metudu hè tempu-consumu è computationally risorsa-intensive.Particle ottimisazione swarm hè ancu usatu à migliurà efficienza28, ma sta tecnica pò si blocca in i minimi lucali, purtendu à una scarsa selezzione di parametri di cuntrollu29.
In questu documentu, una tecnica ligata à FDTC hè pruposta per selezziunà u flussu magneticu ottimale riducendu a perdita di u mutore. Questa cumminazione assicura l'abilità di utilizà u nivellu di flussu ottimale in ogni puntu di uperazione, aumentendu cusì l'efficienza di u sistema di pompa di l'acqua fotovoltaica pruposta. Per quessa, pare esse assai convenientu per l'applicazioni di pompa di l'acqua fotovoltaica.
Inoltre, una prova di processore in u ciclu di u metudu prupostu hè realizatu utilizendu a scheda STM32F4 cum'è validazione sperimentale. I vantaghji principali di stu core sò simplicità di implementazione, low cost è senza bisognu di sviluppà prugrammi cumplessi 30 .In più. , U bordu di cunversione FT232RL USB-UART hè assuciatu cù u STM32F4, chì guarantisci una interfaccia di cumunicazione esterna per stabilisce un portu seriale virtuale (port COM) in l'urdinatore. Stu metudu permette di trasmette dati à baud rates.
U funziunamentu di PVWPS utilizendu a tecnica pruposta hè paragunatu cù sistemi PV senza minimizazione di perdita in diverse cundizioni di uperazione. I risultati ottenuti mostranu chì u sistema di pompa d'acqua fotovoltaica pruposta hè megliu in minimizzà i perditi di corrente di stator è di rame, ottimizendu u flussu è pumping water.
U restu di u paper hè strutturatu cusì: U mudellu di u sistema prupostu hè datu in a sezione "Modeling of Photovoltaic Systems". descritti in detail.I risultati sò discututi in a sezione "Risultati di simulazione". In a sezione "PIL testing with the STM32F4 discovery board", a prova di processore-in-the-loop hè descritta. I cunclusioni di stu documentu sò presentati in u " Conclusioni" sezione.
A Figura 1 mostra a cunfigurazione di u sistema pruposta per un sistema di pumping d'acqua PV stand-alone. U sistema hè custituitu da una pompa centrifuga basata in IM, un array fotovoltaicu, dui cunvertitori di putenza [convertitore boost è inverter di fonte di tensione (VSI)]. , u mudellu di u sistema di pumping d'acqua fotovoltaicu studiatu hè presentatu.
Stu documentu adopra u mudellu unicu diodu disolarecellula fotovoltaica. I caratteristiche di a cellula PV sò denotati da 31, 32 è 33.
Per fà l'adattazione, hè utilizatu un convertitore boost. A relazione trà e tensioni di input è output di u cunvertitore DC-DC hè datu da l'Equazione 34 sottu:
Le modèle mathématique de l'IM peut être décrit dans le cadre de référence (α,β) par les équations suivantes 5,40 :
Dove \(l_{s}\),\(l_{r}\): induttanza statore e rotore, M: induttanza mutua, \(R_{s }\), \(I_{s }\): resistenza di statore e statore Current, \(R_{r}\), \(I_{r }\): resistenza di rotore è corrente di rotore, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): flussu di statore è stator voltage , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): flussu di u rotore è tensione di u rotore.
U torque di carica di a pompa centrifuga proporzionale à u quadru di a velocità IM pò esse determinata da:
U cuntrollu di u sistema di pompa d'acqua pruposta hè divisu in trè subsections distinti. A prima parte si tratta di a tecnulugia MPPT. A seconda parte si tratta di guidà l'IM basatu nantu à u cuntrollu di torque direttu di u controller di logica fuzzy. DTC basatu in FLC chì permette a determinazione di flussi di riferimentu.
In questu travagliu, una tecnica di P & O variabile hè utilizata per seguità u puntu di putenza massima. Hè carattarizatu da un seguimentu veloce è una oscillazione bassa (Figura 2) 37,38,39.
L'idea principale di DTC hè di cuntrullà direttamente u flussu è u torque di a macchina, ma l'usu di regulatori d'isteresi per u torque elettromagneticu è a regulazione di u flussu di u statore si traduce in un altu torque è u flussu ondulazione. U mètudu DTC (Fig. 7), è u FLC pò sviluppà abbastanza stati inverter vettore.
In questu passu, l'input hè trasfurmatu in variabili fuzzy attraversu funzioni di appartenenza (MF) è termini linguistichi.
E trè funzioni di appartenenza per u primu input (εφ) sò negativu (N), pusitivu (P) è zero (Z), cum'è mostra in Figura 3.
E cinque funzioni di appartenenza per a seconda input (\(\varepsilon\)Tem) sò Negative Large (NL) Negative Small (NS) Zero (Z) Positive Small (PS) è Positive Large (PL), cum'è mostra in Figura 4.
A trajectoria di u flussu di u stator hè custituita da 12 settori, in quale u settore fuzzy hè rapprisintatu da una funzione di appartenenza triangular isoscele, cum'è mostra in Figura 5.
A Tabella 1 raggruppa 180 regule fuzzy chì utilizanu e funzioni di l'appartenenza di input per selezziunà i stati di commutazione adattati.
U metudu di inferenza hè realizatu cù a tecnica di Mamdani. U fattore di pesu (\(\alpha_{i}\)) di a regula i-è hè datu da:
dove\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \): Valore di appartenenza di u flussu magneticu, u torque è l'errore di l'angolo di flussu di u stator.
A figura 6 illustra i valori sharp ottenuti da i valori fuzzy utilizendu u metudu massimu prupostu da Eq.(20).
Aumentendu l'efficienza di u mutore, u flussu pò esse aumentatu, chì à u turnu aumenta u pumping di l'acqua di ogni ghjornu (Figura 7). U scopu di a tecnica seguente hè di associà una strategia basata di minimizazione di perdita cù un metudu di cuntrollu di torque direttu.
Hè ben cunnisciutu chì u valore di u flussu magneticu hè impurtante per l'efficienza di u mutore. I valori di u flussu elevati portanu à l'aumentu di perdite di ferru è di a saturazione magnetica di u circuitu. À u cuntrariu, i livelli di flussu bassu risultatu in perdite di Joule elevate.
Per quessa, a riduzzione di perdite in IM hè direttamente ligata à l'scelta di u livellu di flussu.
U metudu prupostu hè basatu annantu à u mudellu di e pèrdite Joule assuciate cù u currenti chì scorri à traversu l'avvolgimentu di u stator in a machina. Hè custituitu di aghjustà u valore di u flussu di u rotore à un valore ottimale, minimizendu cusì perdite di mutore per aumentà l'efficienza. pò esse spressione cum'è seguente (ignorendu perdite di core):
U torque elettromagneticu \(C_{em}\) è u flussu di rotore \(\phi_{r}\) sò calculati in u sistema di coordenate dq cum'è:
U torque elettromagneticu \(C_{em}\) è u flussu di rotore\(\phi_{r}\) sò calculati in riferimentu (d,q) cum'è:
risolvendu l'equazioni.(30), pudemu truvà u currente ottimali di u stator chì assicura un flussu di rotore ottimali è pèrdite minime:
Diversi simulazioni sò stati realizati cù u software MATLAB / Simulink per evaluà a robustezza è a prestazione di a tecnica pruposta. U sistema investigatu hè custituitu di ottu pannelli CSUN 235-60P 230 W (Table 2) cunnessi in serie. A pompa centrifuga hè guidata da IM, è i so paràmetri caratteristiche sò mostrati in Table 3.I cumpunenti di u sistema di pumping PV sò mostrati in Table 4.
In questa sezione, un sistema di pompa di l'acqua fotovoltaica chì utilizeghja FDTC cù un riferimentu di flussu constantu hè paragunatu cù un sistema prupostu basatu nantu à u flussu ottimale (FDTCO) in e stesse cundizioni di u funziunamentu. A prestazione di i dui sistemi fotovoltaici hè stata testata cunsiderendu i seguenti scenarii:
Questa rùbbrica presenta u statu di start-up prupostu di u sistema di pompa basatu annantu à una rata di insolazione di 1000 W / m2. A figura 8e illustra a risposta di a velocità elettrica. In cunfrontu cù FDTC, a tecnica pruposta furnisce un tempu di risalita megliu, righjunghjendu u statu fermu à 1,04. s, è cù FDTC, ghjunghje sin'à steady state à 1,93 s.Figure 8f mostra u pumping di i dui strategie di cuntrollu.Si pò vede chì u FDTCO aumenta a quantità pumping, chì spiega a migliione di l'energia cunvertita da l'IM.Figures 8g è 8h rapprisentanu u currente di statore disegnatu. U currente di startup cù l'FDTC hè 20 A, mentre chì a strategia di cuntrollu pruposta suggerisce un currente di startup di 10 A, chì reduces lesses Joule.Figures 8i è 8j mostranu u flussu di stator sviluppatu. PVPWS opera à un flussu di riferimentu constantu di 1,2 Wb, mentri in u metudu prupostu, u flussu di riferimentu hè 1 A, chì hè implicatu à migliurà l'efficienza di u sistema fotovoltaicu.
(a)Solarradiazione (b) Estrazione di putenza (c) Ciclu di travagliu (d) Tensione di bus DC (e) Velocità di rotore (f) Pompà acqua (g) Corrente di fase di statore per FDTC (h) Corrente di fase di statore per FDTCO (i) Risposta di flussu cù FLC (j) Risposta di flussu utilizendu FDTCO (k) Traiettoria di flussu di u statore utilizendu FDTC (l) Traiettoria di flussu di statore cù FDTCO.
Usolarea radiazione variava da 1000 à 700 W/m2 à 3 seconde è dopu à 500 W/m2 à 6 seconde (Fig. 8a). A figura 8b mostra a putenza fotovoltaica currispundente per 1000 W/m2, 700 W/m2 è 500 W/m2. .Figure 8c è 8d illustranu u ciculu duty è voltage DC link, rispettivamente.Figura 8e illustra a vitezza elettrica di IM, è pudemu avvistà chì a tecnica pruposta hà megliu rapidità è u tempu di risposta cumparatu à u sistema fotovoltaicu basatu in FDTC.Figura 8f mostra u pumping d'acqua per i diversi livelli di irradiance ottenuti usendu FDTC è FDTCO.More pumping pò esse realizatu cù FDTCO cà cù FDTC.Figures 8g è 8h illustranu i risposti currenti simulati cù u metudu FDTC è a strategia di cuntrollu pruposta. , l'amplitude attuale hè minimizzata, chì significa menu perditi di rame, cusì aumentendu l'efficienza di u sistema. Per quessa, i currenti elevati di start-up ponu purtà à un rendimentu ridottu di a macchina.u flussu ottimali per assicurà chì i pèrdite sò minimizzati, per quessa, a tecnica pruposta illustra a so prestazione.In cuntrastu à a figura 8i, u flussu hè custanti, chì ùn rapprisenta micca u funziunamentu ottimali. I figuri 8k è 8l mostranu l'evoluzione di a trajectoria di u flussu di u stator. 8l illustra u sviluppu ottimali di u flussu è spiega l'idea principale di a strategia di cuntrollu pruposta.
Un cambiamentu bruscu insolareA radiazione hè stata applicata, cuminciendu cù una irradiance di 1000 W/m2 è abruptamente diminuendu à 500 W/m2 dopu à 1,5 s (Fig. 9a). A figura 9b mostra a putenza fotovoltaica estratta da i pannelli fotovoltaici, currispundenti à 1000 W/m2 è 500. W / m2.Figures 9c è 9d illustranu u ciculu di duty è a tensione di u ligame DC, rispettivamente. As pò esse vistu da a Fig. 9e, u metudu prupostu furnisce un tempu di risposta megliu. A figura 9f mostra u pumping d'acqua ottenutu per i dui strategie di cuntrollu. cù FDTCO era più altu ch'è cù FDTC, pumping 0,01 m3 / s à 1000 W / m2 irradiance cumparatu à 0,009 m3 / s cù FDTC;in più, quandu l'irradiance era 500 W At / m2, FDTCO pumped 0.0079 m3 / s, mentri FDTC pumped 0.0077 m3 / s.Figures 9g è 9h.Describes a risposta attuale simulata cù u metudu FDTC è a strategia di cuntrollu pruposta. a strategia di cuntrollu pruposta mostra chì l'amplitude currente hè ridutta sottu cambiamenti bruschi di irradiance, risultatu in perdite di rame ridotte.Figura 9j mostra l'evoluzione di a risposta di u flussu in modu di sceglie u flussu ottimali per assicurà chì i perditi sò minimizzati, per quessa, a tecnica pruposta. Illustra a so prestazione cù un flussu di 1Wb è un irradiance di 1000 W/m2, mentri U flussu hè 0.83Wb è l'irradiance hè 500 W/m2.In cuntrastu à Fig. 9i, u flussu hè custanti à 1.2 Wb, chì ùn hè micca. rapprisentanu u funziunamentu ottimali. I figuri 9k è 9l mostranu l'evoluzione di a trajectoria di u flussu di u stator. A figura 9l illustra u sviluppu di u flussu ottimale è spiega l'idea principale di a strategia di cuntrollu pruposta è a migliione di u sistema di pumping prupostu.
(a)Solarradiation (b) Puissance extraite (c) Duty cycle (d) Tensione di bus DC (e) Viteza di rotore (f) Flux d'acqua (g) Corrente di fase di statore per FDTC (h) Corrente di fase di statore per FDTCO (i) ) Risposta di flussu cù FLC (j) Risposta di u flussu cù FDTCO (k) Traiettoria di u flussu di u statore cù FDTC (l) Traiettoria di u flussu di u statore cù FDTCO.
Un analisi comparativu di e duie tecnulugii in quantu à u valore di u flussu, l'amplitude attuale è u pumping hè mostratu in a Tabella 5, chì mostra chì u PVWPS basatu nantu à a tecnulugia pruposta furnisce un altu rendimentu cù un flussu di pompamentu aumentatu è una corrente di amplitude minimizzata è perdite, chì hè dovutu. à a selezzione di flussu ottimali.
Per verificà è pruvà a strategia di cuntrollu pruposta, un test PIL hè realizatu basatu annantu à a scheda STM32F4. Include u codice generatore chì serà caricatu è eseguitu nantu à a scheda integrata. U bordu cuntene un microcontroller 32-bit cù 1 MB Flash, 168 MHz. frequenza di clock, unità di virgule flottante, struzzioni DSP, 192 KB SRAM.Durante sta prova, un bloccu PIL sviluppatu hè statu creatu in u sistema di cuntrollu chì cuntene u codice generatu basatu nantu à a scheda hardware di scuperta STM32F4 è introduttu in u software Simulink. I passi per permette I testi PIL per esse cunfigurati cù a scheda STM32F4 sò mostrati in a Figura 10.
A prova PIL di co-simulazione cù STM32F4 pò esse usata cum'è una tecnica di prezzu per verificà a tecnica pruposta.
L'ultime hè eseguitu in cuncurrenza cù Simulink è scambia l'infurmazioni durante a co-simulazione cù u metudu PVWPS prupostu. A figura 12 illustra l'implementazione di u subsistema di tecnulugia di ottimisazione in STM32F4.
Solu a tecnica di flussu di riferimentu ottimale pruposta hè mostrata in questa co-simulazione, postu chì hè a variabile di cuntrollu principale per stu travagliu chì mostra u cumpurtamentu di cuntrollu di un sistema di pompa di acqua fotovoltaica.
Tempu di Postu: Apr-15-2022
