Pēdējos gados lielu pētnieku interesi ir izraisījuši fotoelementu ūdens sūknēšanas sistēmu (PVWPS) efektivitātes uzlabojumi, jo to darbība ir balstīta uz tīras elektroenerģijas ražošanu. Šajā rakstā ir izstrādāta jauna, uz izplūdušo loģisko kontrolieri balstīta pieeja PVWPS. lietojumprogrammas, kas ietver zudumu samazināšanas paņēmienus, ko izmanto indukcijas motoriem (IM). Ierosinātā vadība izvēlas optimālo plūsmas lielumu, samazinot IM zudumus. Turklāt tiek ieviesta arī mainīga soļa traucējumu novērošanas metode. Piedāvātās vadības piemērotību atzīst samazinot izlietnes strāvu;līdz ar to tiek samazināti motora zudumi un uzlabota efektivitāte.Piedāvātā kontroles stratēģija tiek salīdzināta ar metodēm bez zudumu minimizēšanas.Salīdzināšanas rezultāti ilustrē piedāvātās metodes efektivitāti, kuras pamatā ir elektriskā ātruma, absorbētās strāvas, plūsmas zudumu samazināšana. ūdens, un attīstot plūsmu.Procesora cilpas (PIL) tests tiek veikts kā piedāvātās metodes eksperimentāls tests.Tas ietver ģenerētā C koda ieviešanu uz STM32F4 atklāšanas plates.Rezultāti, kas iegūti no iegultās dēlis ir līdzīgi skaitliskās simulācijas rezultātiem.
Atjaunojamā enerģija, jo īpašisaulesfotoelementu tehnoloģija, var būt tīrāka alternatīva fosilajam kurināmajam ūdens sūknēšanas sistēmās1,2.Fotogalvaniskās sūknēšanas sistēmām ir pievērsta ievērojama uzmanība attālos apgabalos, kuros nav elektrības3,4.
PV sūknēšanas lietojumos tiek izmantoti dažādi dzinēji. PVWPS primārā stadija ir balstīta uz līdzstrāvas motoriem. Šos motorus ir viegli vadīt un ieviest, taču tiem ir nepieciešama regulāra apkope, jo ir anotatori un birstes5.Lai novērstu šo trūkumu, bez suku tika ieviesti pastāvīgo magnētu motori, kurus raksturo bezsuku, augsta efektivitāte un uzticamība6. Salīdzinot ar citiem motoriem, uz IM balstīta PVWPS ir labāka veiktspēja, jo šis motors ir uzticams, zemas izmaksas, neprasa apkopi un piedāvā vairāk iespēju vadības stratēģijām7. .Parasti tiek izmantotas netiešās uz lauka orientētas kontroles (IFOC) metodes un tiešās griezes momenta kontroles (DTC) metodes8.
IFOC izstrādāja Blaschke un Hasse, un tas ļauj mainīt IM ātrumu plašā diapazonā9,10.Statora strāva ir sadalīta divās daļās, no kurām viena rada magnētisko plūsmu, bet otra ģenerē griezes momentu, pārvēršoties dq koordinātu sistēmā. neatkarīga plūsmas un griezes momenta kontrole līdzsvara stāvoklī un dinamiskos apstākļos. (d) ass ir saskaņota ar rotora plūsmas telpas vektoru, kas ietver rotora plūsmas telpas vektora q-ass komponentu, kas vienmēr ir nulle.FOC nodrošina labu un ātrāku reakciju11 ,12, tomēr šī metode ir sarežģīta un pakļauta parametru variācijām13.Lai novērstu šos trūkumus, Takashi un Noguchi14 ieviesa DTC, kam ir augsta dinamiskā veiktspēja un kura ir izturīga un mazāk jutīga pret parametru izmaiņām.DTC elektromagnētiskais griezes moments un statora plūsma tiek kontrolēti, no atbilstošajiem aprēķiniem atņemot statora plūsmu un griezes momentu. Rezultāts tiek ievadīts histerēzes salīdzinātājā, lai ģenerētu atbilstošu sprieguma vektoru, lai kontrolētu.gan statora plūsma, gan griezes moments.
Šīs vadības stratēģijas galvenās neērtības ir lielās griezes momenta un plūsmas svārstības, kas rodas histerēzes regulatoru izmantošanas dēļ statora plūsmas un elektromagnētiskā griezes momenta regulēšanai15,42. Lai samazinātu pulsāciju, tiek izmantoti daudzlīmeņu pārveidotāji, bet efektivitāti samazina jaudas slēdžu skaits16. Vairāki autori ir izmantojuši kosmosa vektora modulāciju (SWM)17, slīdošā režīma vadību (SMC)18, kas ir spēcīgi paņēmieni, bet cieš no nevēlamiem nervozēšanas efektiem19. Daudzi pētnieki ir izmantojuši mākslīgā intelekta paņēmienus, lai uzlabotu kontroliera veiktspēju, tostarp (1) neironu. tīkli, vadības stratēģija, kuras ieviešanai nepieciešami ātrdarbīgi procesori20, un (2) ģenētiskie algoritmi21.
Izplūdušā vadība ir izturīga, piemērota nelineārām vadības stratēģijām, un tai nav vajadzīgas zināšanas par precīzu modeli.Tā ietver izplūdušo loģikas bloku izmantošanu histerētisku kontrolleru un slēdžu atlases tabulu vietā, lai samazinātu plūsmas un griezes momenta pulsāciju. Ir vērts norādīt, ka Uz FLC balstīti DTC nodrošina labāku veiktspēju22, taču ne pietiekami, lai maksimāli palielinātu dzinēja efektivitāti, tāpēc ir nepieciešamas vadības cilpas optimizācijas metodes.
Lielākajā daļā iepriekšējo pētījumu autori kā atsauces plūsmu izvēlējās nemainīgu plūsmu, taču šī atsauces izvēle neatspoguļo optimālu praksi.
Augstas veiktspējas, augstas efektivitātes motora piedziņām nepieciešama ātra un precīza ātruma reakcija. No otras puses, dažām darbībām vadība var nebūt optimāla, tāpēc piedziņas sistēmas efektivitāti nevar optimizēt. Labāku veiktspēju var iegūt, izmantojot mainīga plūsmas atsauce sistēmas darbības laikā.
Daudzi autori ir ierosinājuši meklēšanas kontrolieri (SC), kas samazina zudumus dažādos slodzes apstākļos (piemēram, in27), lai uzlabotu dzinēja efektivitāti. Metode sastāv no ievades jaudas mērīšanas un samazināšanas, izmantojot iteratīvu d-ass strāvas atsauci vai statora plūsmu. atsauce.Tomēr šī metode rada griezes momenta pulsāciju gaisa spraugas plūsmā esošo svārstību dēļ, un šīs metodes ieviešana ir laikietilpīga un skaitļošanas resursietilpīga.Daļiņu spieta optimizācija tiek izmantota arī efektivitātes uzlabošanai28, taču šī metode var iesprūst vietējos minimumos, izraisot sliktu kontroles parametru izvēli29.
Šajā rakstā ir piedāvāta ar FDTC saistīta tehnika, lai izvēlētos optimālo magnētisko plūsmu, samazinot motora zudumus. Šī kombinācija nodrošina iespēju izmantot optimālo plūsmas līmeni katrā darbības punktā, tādējādi palielinot piedāvātās fotoelektriskās ūdens sūknēšanas sistēmas efektivitāti. Tāpēc tas šķiet ļoti ērts fotoelementu ūdens sūknēšanai.
Turklāt piedāvātās metodes procesora cilpas tests tiek veikts, izmantojot STM32F4 plati kā eksperimentālu validāciju. Galvenās šī kodola priekšrocības ir ieviešanas vienkāršība, zemas izmaksas un nepieciešamība izstrādāt sarežģītas programmas 30 . FT232RL USB-UART konvertēšanas plate ir saistīta ar STM32F4, kas garantē ārējo sakaru saskarni, lai datorā izveidotu virtuālo seriālo portu (COM portu). Šī metode ļauj pārsūtīt datus ar lielu datu pārraides ātrumu.
PVWPS veiktspēja, izmantojot piedāvāto tehniku, tiek salīdzināta ar PV sistēmām bez zudumu minimizēšanas dažādos ekspluatācijas apstākļos. Iegūtie rezultāti liecina, ka piedāvātā fotoelektriskā ūdens sūkņa sistēma ir labāka statora strāvas un vara zudumu minimizēšanai, plūsmas optimizēšanai un ūdens sūknēšanai.
Pārējā darba daļa ir strukturēta šādi: Piedāvātās sistēmas modelēšana ir sniegta sadaļā "Fotoelektrisko sistēmu modelēšana". Sadaļā "Pētītās sistēmas vadības stratēģija" FDTC, piedāvātā vadības stratēģija un MPPT tehnika ir sniegta. detalizēti aprakstīti. Atklājumi ir aplūkoti sadaļā "Simulācijas rezultāti". Sadaļā "PIL testēšana ar STM32F4 atklāšanas plati" ir aprakstīta procesora cilpas testēšana. Šī darba secinājumi ir sniegti sadaļā " Secinājumi” sadaļā.
1. attēlā parādīta piedāvātā sistēmas konfigurācija atsevišķai PV ūdens sūknēšanas sistēmai.Sistēma sastāv no centrbēdzes sūkņa, kas balstīts uz IM, fotoelementu bloka, diviem jaudas pārveidotājiem [pastiprināšanas pārveidotājs un sprieguma avota invertors (VSI)].Šajā sadaļā , tiek prezentēta pētītās fotoelektriskās ūdens sūknēšanas sistēmas modelēšana.
Šajā rakstā ir izmantots vienas diodes modelissaulesfotoelementu elementi.PV elementa raksturlielumi ir apzīmēti ar 31, 32 un 33.
Lai veiktu pielāgošanu, tiek izmantots pastiprināšanas pārveidotājs. Attiecība starp līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotāja ieejas un izejas spriegumiem ir norādīta 34. vienādojumā:
IM matemātisko modeli atskaites sistēmā (α,β) var aprakstīt ar šādiem vienādojumiem 5,40:
Kur \(l_{s }\),\(l_{r}\): statora un rotora induktivitāte, M: savstarpējā induktivitāte, \(R_{s }\), \(I_{s }\): statora pretestība un statora strāva, \(R_{r}\), \(I_{r }\): rotora pretestība un rotora strāva, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): statora plūsma un stators spriegums , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): rotora plūsma un rotora spriegums.
Centrbēdzes sūkņa slodzes griezes momentu, kas ir proporcionāls IM ātruma kvadrātam, var noteikt:
Ierosinātās ūdens sūkņu sistēmas vadība ir sadalīta trīs atsevišķās apakšsadaļās. Pirmajā daļā ir apskatīta MPPT tehnoloģija. Otrajā daļā ir apskatīta IM vadīšana, pamatojoties uz izplūdušās loģikas kontrollera tiešo griezes momenta vadību. Turklāt III sadaļā ir aprakstīta tehnika, kas saistīta ar Uz FLC balstīta DTC, kas ļauj noteikt atsauces plūsmas.
Šajā darbā tiek izmantota mainīga soļa P&O tehnika, lai izsekotu maksimālajam jaudas punktam. To raksturo ātra izsekošana un zemas svārstības (2. attēls)37,38,39.
DTC galvenā ideja ir tieši kontrolēt iekārtas plūsmu un griezes momentu, bet histerēzes regulatoru izmantošana elektromagnētiskā griezes momenta un statora plūsmas regulēšanai rada lielu griezes momentu un plūsmas pulsāciju. Tāpēc tiek ieviesta izplūšanas tehnika, lai uzlabotu DTC metodi (7. att.), un FLC var izveidot pietiekamus invertora vektora stāvokļus.
Šajā darbībā ievade tiek pārveidota par neskaidriem mainīgajiem, izmantojot dalības funkcijas (MF) un lingvistiskos terminus.
Trīs dalības funkcijas pirmajai ievadei (εφ) ir negatīvas (N), pozitīvas (P) un nulle (Z), kā parādīts 3. attēlā.
Piecas dalības funkcijas otrajai ievadei (\(\varepsilon\)Tem) ir Negative Large (NL) Negative Small (NS), Nulle (Z) Positive Small (PS) un Positive Large (PL), kā parādīts 4. attēlā.
Statora plūsmas trajektorija sastāv no 12 sektoriem, kuros izplūdušo kopu attēlo vienādsānu trīsstūrveida piederības funkcija, kā parādīts 5. attēlā.
1. tabulā ir iekļauti 180 neskaidri noteikumi, kas izmanto ievades dalības funkcijas, lai atlasītu atbilstošus slēdža stāvokļus.
Secinājumu metode tiek veikta, izmantojot Mamdani paņēmienu. I-tā noteikuma svara koeficientu (\(\alpha_{i}\)) nosaka:
kur\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : magnētiskās plūsmas, griezes momenta un statora plūsmas leņķa kļūdas dalības vērtība.
6. attēlā parādītas asās vērtības, kas iegūtas no izplūdušajām vērtībām, izmantojot vienādojumā (20) piedāvāto maksimālo metodi.
Palielinot motora efektivitāti, var palielināt plūsmas ātrumu, kas savukārt palielina ikdienas ūdens sūknēšanu (7. attēls). Sekojošās tehnikas mērķis ir saistīt uz zudumu minimizēšanu balstītu stratēģiju ar tiešu griezes momenta kontroles metodi.
Ir labi zināms, ka magnētiskās plūsmas vērtība ir svarīga motora efektivitātei. Augstas plūsmas vērtības palielina dzelzs zudumus, kā arī ķēdes magnētisko piesātinājumu. Savukārt zems plūsmas līmenis rada lielus džoula zudumus.
Tāpēc zudumu samazināšana IM ir tieši saistīta ar plūsmas līmeņa izvēli.
Piedāvātā metode ir balstīta uz džoula zudumu modelēšanu, kas saistīta ar strāvu, kas plūst caur iekārtas statora tinumiem.Tā sastāv no rotora plūsmas vērtības pielāgošanas līdz optimālajai vērtībai, tādējādi samazinot motora zudumus, lai palielinātu efektivitāti.Džoula zudumi var izteikt šādi (neņemot vērā galvenos zudumus):
Elektromagnētisko griezes momentu\(C_{em}\) un rotora plūsmu\(\phi_{r}\) aprēķina dq koordinātu sistēmā šādi:
Elektromagnētisko griezes momentu\(C_{em}\) un rotora plūsmu\(\phi_{r}\) aprēķina pēc atsauces (d,q) šādi:
atrisinot vienādojumu.(30), varam atrast optimālo statora strāvu, kas nodrošina optimālu rotora plūsmu un minimālus zudumus:
Izmantojot MATLAB/Simulink programmatūru, tika veiktas dažādas simulācijas, lai novērtētu piedāvātās tehnikas robustumu un veiktspēju. Izpētītā sistēma sastāv no astoņiem 230 W CSUN 235-60P paneļiem (2. tabula), kas savienoti virknē. Centrbēdzes sūkni darbina IM, un tā raksturīgie parametri ir parādīti 3. tabulā. PV sūknēšanas sistēmas sastāvdaļas ir parādītas 4. tabulā.
Šajā sadaļā fotoelementu ūdens sūknēšanas sistēma, kurā izmanto FDTC ar nemainīgu plūsmas atskaiti, tiek salīdzināta ar piedāvāto sistēmu, kuras pamatā ir optimālā plūsma (FDTCO) tādos pašos darbības apstākļos. Abu fotoelektrisko sistēmu veiktspēja tika pārbaudīta, ņemot vērā šādus scenārijus:
Šajā sadaļā ir parādīts ierosinātais sūkņa sistēmas palaišanas stāvoklis, pamatojoties uz insolācijas ātrumu 1000 W/m2. 8.e attēlā ir parādīta elektriskā ātruma reakcija. Salīdzinot ar FDTC, piedāvātais paņēmiens nodrošina labāku pieauguma laiku, sasniedzot līdzsvara stāvokli pie 1,04. s, un ar FDTC, sasniedzot līdzsvara stāvokli pie 1,93 s. 8.f attēlā parādīta abu vadības stratēģiju sūknēšana. Var redzēt, ka FDTCO palielina sūknēšanas daudzumu, kas izskaidro IM pārveidotās enerģijas uzlabošanos. 8.g attēls. un 8h ir izvilktā statora strāva.Ieslēgšanās strāva, izmantojot FDTC, ir 20 A, savukārt ierosinātā vadības stratēģija ierosina palaišanas strāvu 10 A, kas samazina Džoula zudumus. 8.i un 8.j attēlā parādīta attīstītā statora plūsma.Uz FDTC balstīta PVPWS darbojas ar nemainīgu atskaites plūsmu 1,2 Wb, savukārt piedāvātajā metodē atsauces plūsma ir 1 A, kas ir saistīta ar fotoelektriskās sistēmas efektivitātes uzlabošanu.
a)Saulesstarojums (b) Strāvas noņemšana (c) Darba cikls (d) Līdzstrāvas kopnes spriegums (e) Rotora ātrums (f) Ūdens sūknēšana (g) Statora fāzes strāva FDTC (h) Statora fāzes strāva FDTCO (i) Plūsmas reakcija, izmantojot FLC (j) Plūsmas reakcija, izmantojot FDTCO (k) Statora plūsmas trajektorija, izmantojot FDTC (l) Statora plūsmas trajektorija, izmantojot FDTCO.
Thesaulesstarojums mainījās no 1000 līdz 700 W/m2 3 sekundēs un pēc tam līdz 500 W/m2 pēc 6 sekundēm (8.a attēls). 8.b attēlā parādīta atbilstošā fotoelektriskā jauda 1000 W/m2, 700 W/m2 un 500 W/m2 8.c un 8.d attēlā parādīts attiecīgi darba cikls un līdzstrāvas posma spriegums. 8.e attēlā parādīts IM elektriskais ātrums, un mēs varam pamanīt, ka piedāvātajai tehnikai ir labāks ātrums un reakcijas laiks, salīdzinot ar fotoelementu sistēmu, kuras pamatā ir FDTC. 8.f attēls. parādīta ūdens sūknēšana dažādiem izstarojuma līmeņiem, kas iegūti, izmantojot FDTC un FDTCO. Ar FDTCO var panākt vairāk sūknēšanas nekā ar FDTC. 8.g un 8.h attēlā parādītas simulētās strāvas reakcijas, izmantojot FDTC metodi un piedāvāto kontroles stratēģiju.Izmantojot piedāvāto kontroles paņēmienu , strāvas amplitūda tiek samazināta līdz minimumam, kas nozīmē mazākus vara zudumus, tādējādi palielinot sistēmas efektivitāti. Tāpēc lielas palaišanas strāvas var samazināt iekārtas veiktspēju. 8.j attēlā parādīta plūsmas reakcijas attīstība, lai izvēlētosoptimāla plūsma, lai nodrošinātu, ka zudumi tiek samazināti līdz minimumam, tāpēc piedāvātā tehnika ilustrē tās veiktspēju.Atšķirībā no 8.i attēla plūsma ir nemainīga, kas neatspoguļo optimālu darbību. 8k un 8l attēlā parādīta statora plūsmas trajektorijas attīstība. Attēls 8l ilustrē optimālo plūsmas attīstību un izskaidro piedāvātās kontroles stratēģijas galveno ideju.
Pēkšņas pārmaiņassaulestika pielietots starojums, sākot ar izstarojumu 1000 W/m2 un strauji samazinoties līdz 500 W/m2 pēc 1,5 sekundēm (9.a att.). 9.b attēlā parādīta no fotoelementu paneļiem iegūtā fotoelektriskā jauda, kas atbilst 1000 W/m2 un 500 W/m2. 9.c un 9.d attēls ilustrē attiecīgi darba ciklu un līdzstrāvas posma spriegumu.Kā redzams 9.e attēlā, piedāvātā metode nodrošina labāku reakcijas laiku. 9.f attēlā parādīta ūdens sūknēšana, kas iegūta abām vadības stratēģijām.Sūknēšana. ar FDTCO bija augstāks nekā ar FDTC, sūknējot 0,01 m3/s pie 1000 W/m2 izstarojuma, salīdzinot ar 0,009 m3/s ar FDTC;turklāt, ja izstarojums bija 500 W At /m2, FDTCO sūknēja 0,0079 m3/s, bet FDTC sūknēja 0,0077 m3/s. Attēli 9g un 9h. Apraksta pašreizējo reakciju, kas simulēta, izmantojot FDTC metodi, un piedāvāto kontroles stratēģiju. Varam atzīmēt, ka piedāvātā kontroles stratēģija parāda, ka strāvas amplitūda tiek samazināta pēkšņām izstarojuma izmaiņām, kā rezultātā samazinās vara zudumi. 9.j attēlā parādīta plūsmas reakcijas attīstība, lai izvēlētos optimālo plūsmu, lai nodrošinātu, ka zudumi tiek samazināti, tāpēc piedāvātais paņēmiens ilustrē tā veiktspēju ar plūsmu 1 Wb un izstarojumu 1000 W/m2, savukārt plūsma ir 0,83 Wb un izstarojums ir 500 W/m2. Atšķirībā no 9.i attēla plūsma ir nemainīga pie 1,2 Wb, kas nav attēlo optimālo funkciju. 9k un 9l attēlā parādīta statora plūsmas trajektorijas attīstība. 9l attēlā ir parādīta optimālā plūsmas attīstība un izskaidrota piedāvātās vadības stratēģijas galvenā ideja un piedāvātās sūknēšanas sistēmas uzlabojumi.
a)Saulesstarojums (b) Izvilktā jauda (c) Darba cikls (d) Līdzstrāvas kopnes spriegums (e) Rotora ātrums (f) Ūdens plūsma (g) Statora fāzes strāva FDTC (h) Statora fāzes strāva FDTCO (i) ) Plūsmas reakcija, izmantojot FLC (j) Plūsmas reakcija, izmantojot FDTCO (k) Statora plūsmas trajektorija, izmantojot FDTC (l) Statora plūsmas trajektorija, izmantojot FDTCO.
Abu tehnoloģiju salīdzinošā analīze plūsmas vērtības, strāvas amplitūdas un sūknēšanas ziņā ir parādīta 5. tabulā, kas parāda, ka PVWPS, kuras pamatā ir piedāvātā tehnoloģija, nodrošina augstu veiktspēju ar palielinātu sūknēšanas plūsmu un minimālu amplitūdas strāvu un zudumiem, kas ir saistīts ar optimālai plūsmas izvēlei.
Lai pārbaudītu un pārbaudītu piedāvāto vadības stratēģiju, tiek veikts PIL tests, pamatojoties uz STM32F4 plati.Tā ietver koda ģenerēšanu, kas tiks ielādēts un palaists iegultajā platē. Platē ir 32 bitu mikrokontrolleris ar 1 MB Flash, 168 MHz. takts frekvence, peldošā komata vienība, DSP instrukcijas, 192 KB SRAM.Šā testa laikā vadības sistēmā tika izveidots izstrādāts PIL bloks, kas satur ģenerēto kodu, pamatojoties uz STM32F4 atklāšanas aparatūras plati un ieviests Simulink programmatūrā. PIL testi, kas jākonfigurē, izmantojot STM32F4 plati, ir parādīti 10. attēlā.
Kosimulācijas PIL testēšanu, izmantojot STM32F4, var izmantot kā zemu izmaksu metodi, lai pārbaudītu piedāvāto tehniku. Šajā rakstā optimizētais modulis, kas nodrošina vislabāko atsauces plūsmu, ir ieviests STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Pēdējais tiek izpildīts vienlaikus ar Simulink un apmainās ar informāciju kosimulācijas laikā, izmantojot piedāvāto PVWPS metodi. 12. attēls ilustrē optimizācijas tehnoloģiju apakšsistēmas ieviešanu STM32F4.
Šajā kosimulācijā ir parādīta tikai piedāvātā optimālā atsauces plūsmas metode, jo tas ir galvenais vadības mainīgais šim darbam, kas parāda fotoelektriskās ūdens sūknēšanas sistēmas vadības uzvedību.
Publicēšanas laiks: 15.04.2022
