En els últims anys, les millores en l'eficiència dels sistemes de bombeig d'aigua fotovoltaic (PVWPS) han despertat un gran interès entre els investigadors, ja que el seu funcionament es basa en la producció d'energia elèctrica neta. En aquest article, es desenvolupa un nou enfocament basat en controladors de lògica difusa per a PVWPS. aplicacions que incorporen tècniques de minimització de pèrdues aplicades als motors d'inducció (IM). El control proposat selecciona la magnitud de flux òptima minimitzant les pèrdues IM. A més, també s'introdueix el mètode d'observació de pertorbacions de pas variable. La idoneïtat del control proposat es reconeix per reduir el corrent d'aigüera;per tant, es minimitzen les pèrdues del motor i es millora l'eficiència. L'estratègia de control proposada es compara amb mètodes sense minimització de pèrdues. Els resultats de la comparació il·lustren l'eficàcia del mètode proposat, que es basa en la minimització de les pèrdues en velocitat elèctrica, corrent absorbit, flux aigua, i desenvolupament de flux. Es realitza una prova de processador en el bucle (PIL) com a prova experimental del mètode proposat. Inclou la implementació del codi C generat a la placa de descobriment STM32F4. Els resultats obtinguts a partir del mètode incrustat. tauler són similars als resultats de la simulació numèrica.
Energies renovables, sobretotsolarla tecnologia fotovoltaica, pot ser una alternativa més neta als combustibles fòssils en els sistemes de bombeig d'aigua1,2. Els sistemes de bombeig fotovoltaic han rebut una atenció considerable en zones remotes sense electricitat3,4.
S'utilitzen diversos motors en aplicacions de bombament fotovoltaic. L'etapa principal de PVWPS es basa en motors de corrent continu. Aquests motors són fàcils de controlar i implementar, però requereixen un manteniment regular a causa de la presència dels anotadors i raspalls5. Per superar aquesta deficiència, sense escombretes. Es van introduir motors d'imants permanents, que es caracteritzen per ser sense escombretes, d'alta eficiència i fiabilitat6. En comparació amb altres motors, el PVWPS basat en IM té un millor rendiment perquè aquest motor és fiable, de baix cost, sense manteniment i ofereix més possibilitats per a estratègies de control7. .S'utilitzen habitualment tècniques de control orientat al camp indirecte (IFOC) i mètodes de control directe de parell (DTC)8.
IFOC va ser desenvolupat per Blaschke i Hasse i permet canviar la velocitat IM en un ampli rang9,10. El corrent de l'estator es divideix en dues parts, una genera el flux magnètic i l'altra genera el parell convertint-se al sistema de coordenades dq. Això permet control independent del flux i el parell en estat estacionari i condicions dinàmiques. L'eix (d) està alineat amb el vector espacial de flux del rotor, que implica que el component de l'eix q del vector espacial del flux del rotor sigui sempre zero. El FOC proporciona una resposta bona i més ràpida11 ,12, però, aquest mètode és complex i està subjecte a variacions de paràmetres13. Per superar aquestes mancances, Takashi i Noguchi14 van introduir DTC, que té un alt rendiment dinàmic i és robust i menys sensible als canvis de paràmetres. En DTC, el parell electromagnètic i el flux de l'estator es controlen restant el flux i el parell de l'estator de les estimacions corresponents. El resultat s'introdueix a un comparador d'histèresi per generar el vector de tensió adequat per controlartant el flux com el parell de l'estator.
El principal inconvenient d'aquesta estratègia de control són les grans fluctuacions de parell i flux a causa de l'ús de reguladors d'histèresi per a la regulació del flux de l'estator i del parell electromagnètic15,42. S'utilitzen convertidors multinivell per minimitzar la ondulació, però l'eficiència es redueix pel nombre d'interruptors d'alimentació16. Diversos autors han utilitzat la modulació vectorial espacial (SWM)17, el control de mode lliscant (SMC)18, que són tècniques potents però pateixen efectes de tremolor no desitjats19. Molts investigadors han utilitzat tècniques d'intel·ligència artificial per millorar el rendiment del controlador, entre elles, (1) neuronal. xarxes, una estratègia de control que requereix processadors d'alta velocitat per implementar20, i (2) algorismes genètics21.
El control difuso és robust, adequat per a estratègies de control no lineals i no requereix coneixement del model exacte. Inclou l'ús de blocs de lògica difusa en lloc de controladors histerètics i taules de selecció d'interruptors per reduir el flux i la ondulació del parell. Val la pena assenyalar que Els DTC basats en FLC ofereixen un millor rendiment22, però no el suficient per maximitzar l'eficiència del motor, per la qual cosa es requereixen tècniques d'optimització del bucle de control.
En la majoria d'estudis anteriors, els autors van triar el flux constant com a flux de referència, però aquesta elecció de referència no representa una pràctica òptima.
Els accionaments de motor d'alt rendiment i alta eficiència requereixen una resposta de velocitat ràpida i precisa. D'altra banda, per a algunes operacions, el control pot no ser òptim, de manera que no es pot optimitzar l'eficiència del sistema d'accionament. Es pot obtenir un millor rendiment mitjançant l'ús una referència de flux variable durant el funcionament del sistema.
Molts autors han proposat un controlador de cerca (SC) que minimitza les pèrdues en diferents condicions de càrrega (com ara in27) per millorar l'eficiència del motor. La tècnica consisteix a mesurar i minimitzar la potència d'entrada mitjançant una referència iterativa de corrent de l'eix d o el flux de l'estator. No obstant això, aquest mètode introdueix ondulació de parell a causa de les oscil·lacions presents en el flux de l'espai d'aire, i la implementació d'aquest mètode requereix molt de temps i de recursos computacionals. L'optimització de l'eixam de partícules també s'utilitza per millorar l'eficiència28, però aquesta tècnica pot quedar atrapat en els mínims locals, la qual cosa comporta una mala selecció dels paràmetres de control29.
En aquest article, es proposa una tècnica relacionada amb FDTC per seleccionar el flux magnètic òptim reduint les pèrdues del motor. Aquesta combinació garanteix la capacitat d'utilitzar el nivell de flux òptim a cada punt de funcionament, augmentant així l'eficiència del sistema de bombeig d'aigua fotovoltaic proposat. Per tant, sembla ser molt convenient per a aplicacions de bombeig d'aigua fotovoltaica.
A més, es realitza una prova de processador en bucle del mètode proposat utilitzant la placa STM32F4 com a validació experimental. Els principals avantatges d'aquest nucli són la simplicitat d'implementació, el baix cost i la no necessitat de desenvolupar programes complexos 30 . , la placa de conversió FT232RL USB-UART està associada a l'STM32F4, que garanteix una interfície de comunicació externa per tal d'establir un port sèrie virtual (port COM) a l'ordinador. Aquest mètode permet que les dades es transmetin a velocitats de baudios elevades.
El rendiment de PVWPS utilitzant la tècnica proposada es compara amb sistemes fotovoltaics sense minimització de pèrdues en diferents condicions de funcionament. Els resultats obtinguts mostren que el sistema de bomba d'aigua fotovoltaica proposat és millor per minimitzar el corrent de l'estator i les pèrdues de coure, optimitzar el flux i bombejar aigua.
La resta del treball s'estructura de la següent manera: La modelització del sistema proposat es dóna a l'apartat “Modelació de Sistemes Fotovoltaics”. A l'apartat “Estratègia de control del sistema estudiat”, FDTC, l'estratègia de control proposada i la tècnica MPPT. es descriuen amb detall. Les troballes es discuteixen a la secció "Resultats de la simulació". A la secció "Proves PIL amb la placa de descoberta STM32F4", es descriuen les proves del processador en el bucle. Les conclusions d'aquest document es presenten a la " secció Conclusions”.
La figura 1 mostra la configuració del sistema proposada per a un sistema de bombeig d'aigua fotovoltaic autònom. El sistema consta d'una bomba centrífuga basada en IM, una matriu fotovoltaica, dos convertidors de potència [convertidor boost i inversor de font de tensió (VSI)]. En aquesta secció , es presenta la modelització del sistema de bombeig d'aigua fotovoltaic estudiat.
Aquest document adopta el model d'un sol díode desolarcèl·lules fotovoltaiques. Les característiques de la cèl·lula fotovoltaica es denoten amb 31, 32 i 33.
Per realitzar l'adaptació, s'utilitza un convertidor boost. La relació entre les tensions d'entrada i sortida del convertidor DC-DC ve donada per l'equació 34 següent:
El model matemàtic d'IM es pot descriure en el marc de referència (α,β) mitjançant les següents equacions 5,40:
On \(l_{s}\),\(l_{r}\): inductància de l'estator i del rotor, M: inductància mútua, \(R_{s }\), \(I_{s }\): resistència de l'estator i Corrent de l'estator, \(R_{r}\), \(I_{r}\): resistència del rotor i corrent del rotor, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): flux i estator de l'estator voltage , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): flux del rotor i voltatge del rotor.
El parell de càrrega de la bomba centrífuga proporcional al quadrat de la velocitat IM es pot determinar per:
El control del sistema de bomba d'aigua proposat es divideix en tres subseccions diferents. La primera part tracta de la tecnologia MPPT. La segona part tracta de conduir l'IM basat en el control directe de parell del controlador de lògica difusa. A més, la secció III descriu una tècnica relacionada amb DTC basat en FLC que permet la determinació de fluxos de referència.
En aquest treball, s'utilitza una tècnica P&O de pas variable per seguir el punt de màxima potència. Es caracteritza per un seguiment ràpid i una baixa oscil·lació (Figura 2)37,38,39.
La idea principal del DTC és controlar directament el flux i el parell de la màquina, però l'ús de reguladors d'histèresi per a la regulació del parell electromagnètic i del flux de l'estator provoca un alt parell i ondulació del flux. Per tant, s'introdueix una tècnica de desenfocament per millorar el El mètode DTC (Fig. 7) i el FLC poden desenvolupar suficients estats vectorials d'inversor.
En aquest pas, l'entrada es transforma en variables difuses mitjançant funcions de pertinença (MF) i termes lingüístics.
Les tres funcions de pertinença per a la primera entrada (εφ) són negatives (N), positives (P) i zero (Z), tal com es mostra a la figura 3.
Les cinc funcions de pertinença per a la segona entrada (\(\varepsilon\)Tem) són Negatiu Gran (NL) Negatiu Petit (NS) Zero (Z) Positiu Petit (PS) i Positiu Gran (PL), tal com es mostra a la figura 4.
La trajectòria del flux de l'estator consta de 12 sectors, en els quals el conjunt borrós es representa amb una funció de pertinença triangular isòsceles, tal com es mostra a la figura 5.
La taula 1 agrupa 180 regles difuses que utilitzen les funcions de pertinença d'entrada per seleccionar els estats de commutació adequats.
El mètode d'inferència es realitza mitjançant la tècnica de Mamdani. El factor de pes (\(\alpha_{i}\)) de la regla i-è ve donat per:
on\(\mu Ai \left({e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left({eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left(\theta \right) \): Valor de pertinença del flux magnètic, parell i error d'angle de flux de l'estator.
La figura 6 il·lustra els valors aguts obtinguts a partir dels valors difusos utilitzant el mètode màxim proposat per l'equació (20).
En augmentar l'eficiència del motor, es pot augmentar el cabal, que al seu torn augmenta el bombeig d'aigua diari (Figura 7). El propòsit de la següent tècnica és associar una estratègia basada en la minimització de pèrdues amb un mètode de control directe del parell.
És ben sabut que el valor del flux magnètic és important per a l'eficiència del motor. Els alts valors de flux condueixen a pèrdues de ferro augmentades, així com a la saturació magnètica del circuit. Per contra, els nivells de flux baixos donen lloc a pèrdues en Joule elevades.
Per tant, la reducció de pèrdues en IM està directament relacionada amb l'elecció del nivell de flux.
El mètode proposat es basa en el modelatge de les pèrdues en Joule associades al corrent que circula pels bobinatges de l'estator a la màquina. Consisteix a ajustar el valor del flux del rotor a un valor òptim, minimitzant així les pèrdues del motor per augmentar l'eficiència. Pèrdues en Joule. es pot expressar de la següent manera (ignorant les pèrdues del nucli):
El parell electromagnètic\(C_{em}\) i el flux del rotor\(\phi_{r}\) es calculen al sistema de coordenades dq com:
El parell electromagnètic\(C_{em}\) i el flux del rotor\(\phi_{r}\) es calculen en referència (d,q) com:
resolent l'equació.(30), podem trobar el corrent òptim de l'estator que garanteix un flux òptim del rotor i pèrdues mínimes:
Es van realitzar diferents simulacions mitjançant el programari MATLAB/Simulink per avaluar la robustesa i el rendiment de la tècnica proposada. El sistema investigat consta de vuit panells CSUN 235-60P de 230 W (Taula 2) connectats en sèrie. La bomba centrífuga és impulsada per IM, i els seus paràmetres característics es mostren a la Taula 3. Els components del sistema de bombeig fotovoltaic es mostren a la Taula 4.
En aquesta secció, es compara un sistema de bombeig d'aigua fotovoltaic que utilitza FDTC amb una referència de flux constant amb un sistema proposat basat en el flux òptim (FDTCO) en les mateixes condicions de funcionament. El rendiment d'ambdós sistemes fotovoltaics es va provar considerant els escenaris següents:
Aquesta secció presenta l'estat d'arrencada proposat del sistema de bombes basat en una taxa d'insolació de 1000 W/m2. La figura 8e il·lustra la resposta de velocitat elèctrica. En comparació amb FDTC, la tècnica proposada proporciona un millor temps de pujada, arribant a l'estat estacionari a 1,04. s, i amb FDTC, arribant a l'estat estacionari a 1,93 s. La figura 8f mostra el bombeig de les dues estratègies de control. Es pot veure que el FDTCO augmenta la quantitat de bombeig, la qual cosa explica la millora de l'energia convertida per l'IM.Figures 8g i 8h representen el corrent de l'estator extret. El corrent d'arrencada utilitzant el FDTC és de 20 A, mentre que l'estratègia de control proposada suggereix un corrent d'arrencada de 10 A, que redueix les pèrdues de Joule. Les figures 8i i 8j mostren el flux de l'estator desenvolupat. PVPWS funciona a un flux de referència constant d'1,2 Wb, mentre que en el mètode proposat, el flux de referència és d'1 A, que està implicat en la millora de l'eficiència del sistema fotovoltaic.
(a)Solarradiació (b) Extracció de potència (c) Cicle de treball (d) Tensió del bus de CC (e) Velocitat del rotor (f) Bombeig d'aigua (g) Corrent de fase de l'estator per a FDTC (h) Corrent de fase de l'estator per a FDTCO (i) Resposta al flux mitjançant FLC (j) Resposta del flux mitjançant FDTCO (k) Trajectòria del flux de l'estator mitjançant FDTC (l) Trajectòria del flux de l'estator mitjançant FDTCO.
Elsolarla radiació va variar de 1000 a 700 W/m2 als 3 segons i després a 500 W/m2 als 6 segons (Fig. 8a). La figura 8b mostra la potència fotovoltaica corresponent per a 1000 W/m2, 700 W/m2 i 500 W/m2. .Les figures 8c i 8d il·lustren el cicle de treball i la tensió de l'enllaç DC, respectivament. La figura 8e il·lustra la velocitat elèctrica d'IM, i podem observar que la tècnica proposada té una millor velocitat i temps de resposta en comparació amb el sistema fotovoltaic basat en FDTC. Figura 8f mostra el bombeig d'aigua per a diferents nivells d'irradiància obtinguts mitjançant FDTC i FDTCO. Es pot aconseguir més bombeig amb FDTCO que amb FDTC. Les figures 8g i 8h il·lustren les respostes actuals simulades mitjançant el mètode FDTC i l'estratègia de control proposada. Mitjançant l'ús de la tècnica de control proposada , l'amplitud del corrent es redueix al mínim, la qual cosa significa menys pèrdues de coure, augmentant així l'eficiència del sistema. Per tant, corrents d'arrencada elevades poden conduir a un rendiment reduït de la màquina. La figura 8j mostra l'evolució de la resposta del flux per seleccionar elflux òptim per garantir que les pèrdues es minimitzin, per tant, la tècnica proposada il·lustra el seu rendiment. En contrast amb la figura 8i, el flux és constant, la qual cosa no representa un funcionament òptim. Les figures 8k i 8l mostren l'evolució de la trajectòria del flux de l'estator.Figura La figura 8l il·lustra el desenvolupament òptim del flux i explica la idea principal de l'estratègia de control proposada.
Un canvi sobtat ensolares va aplicar radiació, començant amb una irradiància de 1000 W/m2 i disminuint bruscament fins a 500 W/m2 després d'1,5 s (Fig. 9a). La figura 9b mostra la potència fotovoltaica extreta de les plaques fotovoltaiques, corresponent a 1000 W/m2 i 500 W/m2. Les figures 9c i 9d il·lustren el cicle de treball i la tensió de l'enllaç DC, respectivament. Com es pot veure a la figura 9e, el mètode proposat proporciona un millor temps de resposta. La figura 9f mostra el bombeig d'aigua obtingut per a les dues estratègies de control. amb FDTCO va ser més gran que amb FDTC, bombejant 0,01 m3/s a una irradiància de 1000 W/m2 en comparació amb 0,009 m3/s amb FDTC;a més, quan la irradiància era de 500 W a /m2, FDTCO va bombejar 0,0079 m3/s, mentre que FDTC va bombejar 0,0077 m3/s. Figures 9g i 9h. Descriu la resposta actual simulada mitjançant el mètode FDTC i l'estratègia de control proposada. Podem observar que l'estratègia de control proposada mostra que l'amplitud actual es redueix sota canvis bruscos d'irradiància, donant lloc a pèrdues de coure reduïdes. La figura 9j mostra l'evolució de la resposta del flux per tal d'escollir el flux òptim per garantir que les pèrdues es minimitzin, per tant, la tècnica proposada il·lustra el seu rendiment amb un flux d'1 Wb i una irradiància de 1000 W/m2, mentre que El flux és de 0,83 Wb i la irradiància és de 500 W/m2. A diferència de la figura 9i, el flux és constant a 1,2 Wb, que no representen una funció òptima. Les figures 9k i 9l mostren l'evolució de la trajectòria del flux de l'estator. La figura 9l il·lustra el desenvolupament òptim del flux i explica la idea principal de l'estratègia de control proposada i la millora del sistema de bombeig proposat.
(a)Solarradiació (b) Potència extreta (c) Cicle de treball (d) Tensió del bus de CC (e) Velocitat del rotor (f) Flux d'aigua (g) Corrent de fase de l'estator per a FDTC (h) Corrent de fase de l'estator per a FDTCO (i) ) Resposta de flux utilitzant FLC (j) Resposta del flux mitjançant FDTCO (k) Trajectòria del flux de l'estator mitjançant FDTC (l) Trajectòria del flux de l'estator mitjançant FDTCO.
A la taula 5 es mostra una anàlisi comparativa de les dues tecnologies en termes de valor de flux, amplitud de corrent i bombeig, que mostra que el PVWPS basat en la tecnologia proposada proporciona un alt rendiment amb un augment del cabal de bombeig i una amplitud de corrent i pèrdues minimitzades, que es deuen. a la selecció de flux òptima.
Per verificar i provar l'estratègia de control proposada, es realitza una prova PIL basada en la placa STM32F4. Inclou la generació de codi que es carregarà i s'executarà a la placa incrustada. La placa conté un microcontrolador de 32 bits amb 1 MB de flaix, 168 MHz. freqüència de rellotge, unitat de coma flotant, instruccions DSP, 192 KB SRAM. Durant aquesta prova, es va crear un bloc PIL desenvolupat al sistema de control que contenia el codi generat basat en la placa de maquinari de descobriment STM32F4 i es va introduir al programari Simulink. Els passos per permetre Les proves PIL que s'han de configurar mitjançant la placa STM32F4 es mostren a la figura 10.
Les proves PIL de co-simulació amb STM32F4 es poden utilitzar com a tècnica de baix cost per verificar la tècnica proposada. En aquest article, el mòdul optimitzat que proporciona el millor flux de referència s'implementa a la STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Aquest últim s'executa simultàniament amb Simulink i intercanvia informació durant la co-simulació mitjançant el mètode PVWPS proposat. La figura 12 il·lustra la implementació del subsistema de tecnologia d'optimització a STM32F4.
En aquesta co-simulació només es mostra la tècnica de flux de referència òptim proposada, ja que és la principal variable de control d'aquest treball que demostra el comportament de control d'un sistema de bombeig d'aigua fotovoltaic.
Hora de publicació: 15-abril-2022
