Sa bag-ohay nga mga tuig, ang mga pag-uswag sa kahusayan sa photovoltaic water pumping systems (PVWPS) nakadani ug dakong interes sa mga tigdukiduki, tungod kay ang ilang operasyon gibase sa limpyo nga electrical energy production. mga aplikasyon nga naglakip sa mga pamaagi sa pagkunhod sa pagkawala nga gipadapat sa mga induction motors (IM). pagkunhod sa lababo nga kasamtangan;busa, ang mga pagkawala sa motor gipamubu ug ang kahusayan gipauswag. Ang gisugyot nga estratehiya sa pagkontrol gitandi sa mga pamaagi nga wala’y pagkunhod sa pagkawala. tubig, ug pagpalambo sa flux.Usa ka processor-in-the-loop (PIL) nga pagsulay gihimo ingon nga usa ka eksperimento pagsulay sa gisugyot nga pamaagi.Kini naglakip sa pagpatuman sa namugna C code sa STM32F4 discovery board.Ang mga resulta nga nakuha gikan sa embedded board susama sa mga resulta sa numerical simulation.
Ang renewable energy, ilabinasolarphotovoltaic nga teknolohiya, mahimong mas limpyo nga alternatibo sa fossil fuel sa water pumping systems1,2.Photovoltaic pumping systems nakadawat ug igong pagtagad sa hilit nga mga lugar nga walay kuryente3,4.
Lain-laing mga makina ang gigamit sa PV pumping applications.Ang nag-unang yugto sa PVWPS gibase sa DC motors.Kini nga mga motor sayon nga kontrolon ug ipatuman, apan nagkinahanglan sila og regular nga pagmentinar tungod sa presensya sa mga annotator ug brush5.Aron mabuntog kini nga kakulangan, brushless Ang permanenteng magnet nga mga motor gipaila, nga gihulagway pinaagi sa brushless, taas nga kahusayan ug kasaligan6.Kon itandi sa ubang mga motor, ang IM-based nga PVWPS adunay mas maayo nga performance tungod kay kini nga motor kasaligan, ubos nga gasto, walay maintenance, ug nagtanyag og dugang nga mga posibilidad alang sa mga estratehiya sa pagkontrol7 .Ang mga teknik sa Indirect Field Oriented Control (IFOC) ug Direct Torque Control (DTC) nga mga pamaagi sagad gigamit8.
Ang IFOC gimugna ni Blaschke ug Hasse ug nagtugot sa pagbag-o sa IM speed sa usa ka halapad nga range9,10.Ang stator nga kasamtangan gibahin ngadto sa duha ka bahin, ang usa makamugna sa magnetic flux ug ang lain makamugna sa torque pinaagi sa pag-convert ngadto sa dq coordinate system.Kini nagtugot independente nga kontrol sa flux ug torque ubos sa makanunayon nga kahimtang ug dinamikong mga kondisyon.Ang Axis (d) nahiuyon sa rotor flux space vector, nga naglakip sa q-axis component sa rotor flux space vector nga kanunay nga zero.FOC naghatag og maayo ug mas paspas nga tubag11 ,12, bisan pa niana, kini nga pamaagi komplikado ug ubos sa parameter variations13.Aron sa pagbuntog niini nga mga kakulangan, Takashi ug Noguchi14 gipaila DTC, nga adunay taas nga dinamikong performance ug mao ang lig-on ug dili kaayo sensitibo sa parameter kausaban.Sa DTC, ang electromagnetic torque ug stator flux kontrolado pinaagi sa pag-ubos sa stator flux ug torque gikan sa katugbang nga mga banabana.Ang resulta gipakaon ngadto sa usa ka hysteresis comparator aron makamugna sa angay nga boltahe nga vector aron makontrolpareho nga stator flux ug torque.
Ang nag-unang kahasol niini nga estratehiya sa pagkontrol mao ang dako nga torque ug flux fluctuations tungod sa paggamit sa hysteresis regulators alang sa stator flux ug electromagnetic torque regulation15,42.Multilevel converters ang gigamit aron mamenosan ang ripple, apan ang efficiency gipakunhod sa gidaghanon sa power switch16. Daghang mga awtor ang migamit sa space vector modulation (SWM)17, sliding mode control (SMC)18, nga gamhanang mga teknik apan nag-antos sa dili maayo nga mga epekto sa pag-jitter19. Daghang mga tigdukiduki ang migamit ug artipisyal nga paniktik nga mga teknik aron mapalambo ang performance sa controller, lakip niini, (1) neural networks, usa ka estratehiya sa pagkontrol nga nanginahanglan og high-speed nga mga processor nga ipatuman20, ug (2) genetic algorithms21.
Ang fuzzy control lig-on, angay alang sa nonlinear control nga mga estratehiya, ug wala magkinahanglan og kahibalo sa eksaktong modelo. Naglakip kini sa paggamit sa fuzzy logic blocks imbes sa hysteretic controllers ug switch selection tables aron makunhuran ang flux ug torque ripple. Kini angay nga itudlo nga Ang mga DTC nga nakabase sa FLC naghatag og mas maayo nga performance22, apan dili igo aron mapadako ang kaepektibo sa makina, busa gikinahanglan ang mga teknik sa pag-optimize sa control loop.
Sa kadaghanan sa nangaging mga pagtuon, gipili sa mga tagsulat ang kanunay nga pagbag-o ingon ang reference flux, apan kini nga pagpili sa reference wala magrepresentar sa kamalaumon nga praktis.
Ang high-performance, high-efficiency nga mga motor drive nagkinahanglan og paspas ug tukma nga tulin nga tubag.Sa laing bahin, alang sa pipila ka mga operasyon, ang kontrol mahimong dili kamahinungdanon, mao nga ang efficiency sa drive system dili ma-optimize. Mas maayo nga performance mahimong makuha pinaagi sa paggamit usa ka variable flux reference sa panahon sa operasyon sa sistema.
Daghang mga tigsulat ang nagsugyot og usa ka search controller (SC) nga nagpamenos sa mga pagkawala ubos sa lain-laing mga kondisyon sa pagkarga (sama sa in27) aron mapauswag ang kaepektibo sa makina. reference.Bisan pa, kini nga pamaagi nagpaila sa torque ripple tungod sa mga oscillations nga naa sa air-gap flux, ug ang pagpatuman niini nga pamaagi makagugol sa panahon ug computationally resource-intensive.Particle swarm optimization gigamit usab aron sa pagpalambo sa efficiency28, apan kini nga teknik mahimo ma-stuck sa lokal nga minimum, nga mosangpot sa dili maayo nga pagpili sa mga parameter sa pagkontrol29.
Niini nga papel, ang usa ka teknik nga may kalabutan sa FDTC gisugyot nga pilion ang kamahinungdanon nga magnetic flux pinaagi sa pagkunhod sa pagkawala sa motor. Kini nga kombinasyon nagsiguro sa abilidad sa paggamit sa kamalaumon nga lebel sa flux sa matag operating point, sa ingon nagdugang sa kahusayan sa gisugyot nga photovoltaic water pumping system. Busa, kini daw sayon kaayo alang sa photovoltaic water pumping applications.
Dugang pa, ang usa ka processor-in-the-loop nga pagsulay sa gisugyot nga pamaagi gihimo gamit ang STM32F4 board isip usa ka eksperimento nga validation.Ang mga nag-unang bentaha niini nga kinauyokan mao ang kayano sa pagpatuman, ubos nga gasto ug dili kinahanglan sa pagpalambo sa komplikado nga mga programa 30 .Dugang pa , ang FT232RL USB-UART conversion board nalangkit sa STM32F4, nga naggarantiya sa usa ka eksternal nga interface sa komunikasyon aron sa pag-establisar sa usa ka virtual serial port (COM port) sa kompyuter.Kini nga pamaagi nagtugot sa data nga mapasa sa taas nga baud rates.
Ang pasundayag sa PVWPS gamit ang gisugyot nga teknik gitandi sa mga sistema sa PV nga walay pagkunhod sa pagkawala ubos sa lainlaing mga kondisyon sa operasyon. Ang nakuha nga mga resulta nagpakita nga ang gisugyot nga photovoltaic water pump system mas maayo sa pagpamenos sa stator current ug copper losses, pag-optimize sa flux ug pumping water.
Ang nahabilin nga papel gi-istruktura sama sa mosunod: Ang pagmodelo sa gisugyot nga sistema gihatag sa seksyon nga "Pagmodelo sa mga Sistema sa Photovoltaic". gihulagway sa detalye.Ang mga nahibal-an gihisgutan sa seksyon nga "Mga Resulta sa Simulation".Sa seksyon nga "Pagsulay sa PIL nga adunay STM32F4 discovery board", gihulagway ang pagsulay sa processor-in-the-loop. Ang mga konklusyon niini nga papel gipresentar sa " Mga Konklusyon" nga seksyon.
Gipakita sa Figure 1 ang gisugyot nga configuration sa sistema alang sa usa ka stand-alone nga PV water pumping system. Ang sistema naglangkob sa usa ka IM-based centrifugal pump, usa ka photovoltaic array, duha ka power converter [boost converter ug voltage source inverter (VSI)]. Niini nga seksyon , ang pagmodelo sa gitun-an nga photovoltaic water pumping system gipresentar.
Kini nga papel nagsagop sa single-diode nga modelo sasolarphotovoltaic cells.Ang mga kinaiya sa PV cell gipaila sa 31, 32, ug 33.
Aron mahimo ang pagpahaom, gigamit ang usa ka boost converter. Ang relasyon tali sa input ug output nga mga boltahe sa DC-DC converter gihatag sa Equation 34 sa ubos:
Ang mathematical model sa IM mahimong mahulagway sa reference frame (α,β) pinaagi sa mosunod nga mga equation 5,40:
Diin \(l_{s}\),\(l_{r}\): stator ug rotor inductance, M: mutual inductance, \(R_{s}\), \(I_{s}\): stator resistance ug stator Current, \(R_{r}\), \(I_{r}\): rotor resistance ug rotor current, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): stator flux ug stator boltahe , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rotor flux ug rotor boltahe.
Ang centrifugal pump load torque proporsyonal sa square sa IM speed mahimong matino pinaagi sa:
Ang kontrol sa gisugyot nga water pump system gibahin ngadto sa tulo ka managlahi nga subsections.Ang unang bahin naghisgot sa MPPT nga teknolohiya.Ang ikaduhang bahin naghisgot sa pagmaneho sa IM base sa fuzzy logic controller sa direktang torque control.Dugang pa, ang Seksyon III naghulagway sa usa ka teknik nga may kalabutan sa FLC-based DTC nga nagtugot sa determinasyon sa reference fluxes.
Niini nga trabaho, ang usa ka variable-step nga P&O nga teknik gigamit sa pagsubay sa pinakataas nga power point.Kini gihulagway pinaagi sa paspas nga pagsubay ug ubos nga oscillation (Figure 2)37,38,39.
Ang nag-unang ideya sa DTC mao ang direktang pagkontrolar sa flux ug torque sa makina, apan ang paggamit sa hysteresis regulators alang sa electromagnetic torque ug stator flux regulation moresulta sa taas nga torque ug flux ripple. DTC nga pamaagi (Fig. 7), ug ang FLC makahimo og igo nga inverter vector states.
Niini nga lakang, ang input mausab ngadto sa fuzzy variables pinaagi sa membership functions (MF) ug linguistic terms.
Ang tulo ka mga function sa membership alang sa unang input (εφ) mao ang negatibo (N), positibo (P), ug zero (Z), sama sa gipakita sa Figure 3.
Ang lima ka membership function para sa ikaduhang input (\(\varepsilon\)Tem) mao ang Negative Large (NL) Negative Small (NS) Zero (Z) Positive Small (PS) ug Positive Large (PL), ingon sa gipakita sa Figure 4.
Ang stator flux trajectory naglangkob sa 12 ka sektor, diin ang fuzzy set girepresentahan sa isosceles triangular membership function, sama sa gipakita sa Figure 5.
Table 1 mga grupo 180 fuzzy mga lagda nga naggamit sa input membership function sa pagpili sa angay nga switch estado.
Ang inference nga paagi gihimo gamit ang Mamdani's technique. Ang weight factor (\(\ alpha_{i}\)) sa i-th nga lagda gihatag sa:
diin\(\mu Ai \wala( {e\varphi } \tuo)\),\(\mu Bi\wala( {eT} \tuo) ,\) \(\mu Ci\wala( \theta \tuo) \): Ang bili sa membership sa magnetic flux, torque ug stator flux angle error.
Ang Figure 6 nag-ilustrar sa hait nga mga bili nga nakuha gikan sa fuzzy values gamit ang maximum nga pamaagi nga gisugyot sa Eq.(20).
Pinaagi sa pagdugang sa episyente sa motor, ang dagan sa dagan mahimong madugangan, nga sa baylo nagdugang sa adlaw-adlaw nga pagbomba sa tubig (Figure 7).
Nahibal-an na kaayo nga ang kantidad sa magnetic flux hinungdanon alang sa kahusayan sa motor. Ang taas nga mga kantidad sa flux nagdala sa pagtaas sa pagkawala sa puthaw ingon man ang magnetic saturation sa circuit. Sa kasukwahi, ang ubos nga lebel sa flux nagresulta sa taas nga pagkawala sa Joule.
Busa, ang pagkunhod sa mga pagkawala sa IM direkta nga may kalabutan sa pagpili sa lebel sa flux.
Ang gisugyot nga pamaagi gibase sa pagmodelo sa mga pagkawala sa Joule nga nalangkit sa kasamtangan nga nag-agos pinaagi sa stator windings sa makina.Kini naglangkob sa pag-adjust sa bili sa rotor flux ngadto sa usa ka labing taas nga bili, sa ingon gipamenos ang pagkawala sa motor aron madugangan ang efficiency.Joule pagkawala mahimong ipahayag ingon sa mosunod (wala magtagad sa kinauyokan nga mga pagkawala):
Ang electromagnetic torque\(C_{em}\) ug rotor flux\(\phi_{r}\) gikalkulo sa dq coordinate system isip:
Ang electromagnetic torque\(C_{em}\) ug rotor flux\(\phi_{r}\) gikalkulo sa reference (d,q) ingon:
pinaagi sa pagsulbad sa equation.(30), atong makit-an ang labing maayo nga stator nga kasamtangan nga nagsiguro sa labing maayo nga rotor flux ug gamay nga pagkawala:
Nagkalainlain nga mga simulation ang gihimo gamit ang MATLAB/Simulink software aron sa pagtimbang-timbang sa kalig-on ug performance sa gisugyot nga teknik.Ang gisusi nga sistema naglangkob sa walo ka 230 W CSUN 235-60P panels (Table 2) konektado sa serye.Ang centrifugal pump gimaneho sa IM, ug ang mga kinaiya nga mga parameter niini gipakita sa Table 3. Ang mga sangkap sa PV pumping system gipakita sa Table 4.
Niini nga seksyon, ang usa ka photovoltaic water pumping system gamit ang FDTC nga adunay kanunay nga flux reference gitandi sa usa ka gisugyot nga sistema nga gibase sa optimal flux (FDTCO) ubos sa parehas nga mga kondisyon sa pag-operate.
Kini nga seksyon nagpresentar sa gisugyot nga start-up nga estado sa pump system base sa insolation rate nga 1000 W/m2. Figure 8e nag-ilustrar sa electrical velocity response.Kon itandi sa FDTC, ang gisugyot nga teknik naghatag og mas maayo nga pagtaas sa oras, nga nakaabot sa steady state sa 1.04 s, ug uban sa FDTC, pagkab-ot sa makanunayon nga kahimtang sa 1.93 s.Figure 8f nagpakita sa pumping sa duha ka kontrol nga mga estratehiya.Kini makita nga ang FDTCO nagdugang sa pumping kantidad, nga nagpatin-aw sa kalamboan sa enerhiya nakabig pinaagi sa IM.Figures 8g ug 8h nagrepresentar sa gibunlot nga stator kasamtangan.Ang startup kasamtangan nga naggamit sa FDTC mao ang 20 A, samtang ang gisugyot nga kontrol nga estratehiya nagsugyot sa usa ka startup kasamtangan sa 10 A, nga makapamenos Joule pagkawala. Figures 8i ug 8j nagpakita sa naugmad stator flux.Ang FDTC-based Ang PVPWS naglihok sa usa ka kanunay nga reference flux sa 1.2 Wb, samtang sa gisugyot nga pamaagi, ang reference flux mao ang 1 A, nga nalangkit sa pagpalambo sa efficiency sa photovoltaic system.
(a)Solarradiation (b) Power extraction (c) Duty cycle (d) DC bus voltage (e) Rotor speed (f) Pumping water (g) Stator phase current para sa FDTC (h) Stator phase current para sa FDTCO (i) Flux response gamit ang FLC (j) Flux response gamit ang FDTCO (k) Stator flux trajectory gamit ang FDTC (l) Stator flux trajectory gamit ang FDTCO.
Angsolarang radiation nagkalainlain gikan sa 1000 ngadto sa 700 W/m2 sa 3 segundos ug dayon ngadto sa 500 W/m2 sa 6 segundos (Fig. 8a). Ang Figure 8b nagpakita sa katugbang nga photovoltaic power alang sa 1000 W/m2, 700 W/m2 ug 500 W/m2 .Figures 8c ug 8d nag-ilustrar sa duty cycle ug DC link voltage, matag usa. Figure 8e naghulagway sa electrical speed sa IM, ug atong mamatikdan nga ang gisugyot nga teknik adunay mas maayo nga speed ug response time kon itandi sa FDTC-based photovoltaic system.Figure 8f nagpakita sa water pumping alang sa lain-laing mga lebel sa irradiance nga nakuha gamit ang FDTC ug FDTCO.Daghang pumping ang makab-ot uban sa FDTCO kay sa FDTC.Figures 8g ug 8h nag-ilustrar sa simulate kasamtangan nga mga tubag gamit ang FDTC nga pamaagi ug ang gisugyot nga kontrol nga estratehiya.Pinaagi sa paggamit sa gisugyot nga kontrol nga teknik , ang kasamtangan nga amplitude gipakunhod, nga nagpasabot nga dili kaayo pagkawala sa tumbaga, sa ingon nagdugang sa pagkaayo sa sistema.Busa, ang taas nga pagsugod nga mga sulog mahimong mosangpot sa pagkunhod sa performance sa makina. Ang Figure 8j nagpakita sa ebolusyon sa flux response aron mapili angkamalaumon nga flux aron maseguro nga ang mga pagkawala maminusan, busa, ang gisugyot nga teknik naghulagway sa performance niini. Sukwahi sa Figure 8i, ang flux mao ang makanunayon, nga wala magrepresentar sa kamalaumon nga operasyon. Ang mga numero 8k ug 8l nagpakita sa ebolusyon sa stator flux trajectory.Figure Gihulagway sa 8l ang kamalaumon nga pag-uswag sa flux ug gipatin-aw ang panguna nga ideya sa gisugyot nga estratehiya sa pagkontrol.
Usa ka kalit nga pagbag-o sasolarang radiation gipadapat, sugod sa usa ka irradiance sa 1000 W / m2 ug kalit nga pagkunhod sa 500 W / m2 human sa 1.5 s (Fig. 9a). Ang Figure 9b nagpakita sa photovoltaic nga gahum nga gikuha gikan sa photovoltaic panels, katumbas sa 1000 W / m2 ug 500 W/m2.Figures 9c ug 9d nag-ilustrar sa duty cycle ug DC link voltage, matag usa.Sama sa makita sa Fig. 9e, ang gisugyot nga pamaagi naghatag ug mas maayo nga response time.Figure 9f nagpakita sa water pumping nga nakuha para sa duha ka control strategies.Pumping uban sa FDTCO mas taas kay sa FDTC, pumping 0.01 m3/s sa 1000 W/m2 irradiance kumpara sa 0.009 m3/s uban sa FDTC;dugang pa, sa diha nga ang irradiance mao ang 500 W Sa /m2, FDTCO pumped 0.0079 m3/s, samtang FDTC pumped 0.0077 m3/s.Figures 9g ug 9h.Naghulagway sa kasamtangan nga tubag simulated sa paggamit sa FDTC pamaagi ug sa gisugyot nga kontrol nga estratehiya.Kita makamatikod nga ang gisugyot nga estratehiya sa pagkontrol nagpakita nga ang kasamtangan nga amplitude mikunhod ubos sa kalit nga pagbag-o sa irradiance, nga miresulta sa pagkunhod sa pagkawala sa tumbaga. Ang Figure 9j nagpakita sa ebolusyon sa tubag sa flux aron mapili ang labing maayo nga flux aron maseguro nga ang mga pagkawala maminusan, busa, ang gisugyot nga teknik naghulagway sa performance niini sa usa ka flux sa 1Wb ug usa ka irradiance sa 1000 W/m2, samtang Ang flux mao ang 0.83Wb ug ang irradiance mao ang 500 W/m2. Sukwahi sa Fig. 9i, ang flux mao ang kanunay sa 1.2 Wb, nga dili nagrepresentar sa labing maayo nga function.Figures 9k ug 9l nagpakita sa ebolusyon sa stator flux trajectory.Figure 9l naghulagway sa kamalaumon flux development ug nagpatin-aw sa mga nag-unang ideya sa gisugyot nga kontrol nga estratehiya ug sa pagpalambo sa gisugyot nga pumping sistema.
(a)Solarradiation (b) Extracted power (c) Duty cycle (d) DC bus voltage (e) Rotor speed (f) Water flow (g) Stator phase current para sa FDTC (h) Stator phase current para sa FDTCO (i) ) Flux response gamit ang FLC (j) Flux response gamit ang FDTCO (k) Stator flux trajectory gamit ang FDTC (l) Stator flux trajectory gamit ang FDTCO.
Ang usa ka pagtandi nga pagtuki sa duha ka mga teknolohiya sa termino sa flux nga bili, kasamtangan nga amplitude ug pumping gipakita sa Table 5, nga nagpakita nga ang PVWPS base sa gisugyot nga teknolohiya naghatag og taas nga performance uban sa dugang nga pumping dagan ug gipamenos amplitude kasamtangan ug mga pagkawala, nga tungod sa sa labing maayo nga pagpili sa flux.
Aron mapamatud-an ug masulayan ang gisugyot nga estratehiya sa pagkontrol, ang usa ka pagsulay sa PIL gihimo base sa STM32F4 board. Naglakip kini sa pagmugna og code nga i-load ug ipadagan sa naka-embed nga board. Ang board adunay usa ka 32-bit microcontroller nga adunay 1 MB Flash, 168 MHz frequency sa orasan, floating point unit, DSP instructions, 192 KB SRAM.Atol niini nga pagsulay, usa ka naugmad nga PIL block ang gihimo sa control system nga naglangkob sa namugna nga code base sa STM32F4 discovery hardware board ug gipaila sa Simulink software.Ang mga lakang sa pagtugot Ang mga pagsulay sa PIL nga i-configure gamit ang STM32F4 board gipakita sa Figure 10.
Ang co-simulation PIL testing gamit ang STM32F4 mahimong gamiton isip usa ka teknik nga mubu nga gasto aron mapamatud-an ang gisugyot nga teknik.Niining papel, ang optimized nga module nga naghatag sa pinakamaayo nga reference flux gipatuman sa STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Ang naulahi gipatuman dungan sa Simulink ug nagbayloay og impormasyon atol sa co-simulation gamit ang gisugyot nga PVWPS nga pamaagi. Ang Figure 12 naghulagway sa pagpatuman sa subsystem sa teknolohiya sa pag-optimize sa STM32F4.
Ang gisugyot lamang nga labing maayo nga reference flux technique ang gipakita niini nga co-simulation, tungod kay kini ang nag-unang kontrol nga variable alang niini nga trabaho nga nagpakita sa pagkontrol sa kinaiya sa usa ka photovoltaic water pumping system.
Oras sa pag-post: Abr-15-2022
