Trong những năm gần đây, những cải tiến về hiệu quả của hệ thống bơm nước quang điện (PVWPS) đã thu hút sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu, vì hoạt động của chúng dựa trên sản xuất năng lượng điện sạch. các ứng dụng kết hợp các kỹ thuật giảm thiểu tổn thất được áp dụng cho động cơ cảm ứng (IM). Điều khiển đề xuất chọn độ lớn từ thông tối ưu bằng cách giảm thiểu tổn thất IM. Ngoài ra, phương pháp quan sát nhiễu loạn bước thay đổi cũng được giới thiệu. giảm dòng chìm;do đó, tổn thất động cơ được giảm thiểu và cải thiện hiệu suất. Chiến lược điều khiển đề xuất được so sánh với các phương pháp không có giảm thiểu tổn thất. nước và dòng chảy đang phát triển. Một bài kiểm tra bộ xử lý trong vòng (PIL) được thực hiện như một bài kiểm tra thử nghiệm của phương pháp được đề xuất. Nó bao gồm việc triển khai mã C được tạo trên bảng khám phá STM32F4. bảng tương tự như kết quả mô phỏng số.
Năng lượng tái tạo, đặc biệthệ mặt trờiCông nghệ quang điện, có thể là một giải pháp thay thế sạch hơn cho nhiên liệu hóa thạch trong các hệ thống bơm nước1,2 Hệ thống bơm quang điện đã nhận được sự quan tâm đáng kể ở các vùng sâu vùng xa không có điện3,4.
Các động cơ khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng bơm PV. Giai đoạn chính của PVWPS dựa trên động cơ DC. Các động cơ nam châm vĩnh cửu đã được giới thiệu, được đặc trưng bởi không chổi than, hiệu suất cao và độ tin cậy6 So với các động cơ khác, PVWPS dựa trên IM có hiệu suất tốt hơn vì động cơ này đáng tin cậy, chi phí thấp, không cần bảo trì và cung cấp nhiều khả năng hơn cho các chiến lược điều khiển7 Kỹ thuật điều khiển hướng trường gián tiếp (IFOC) và phương pháp điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (DTC) thường được sử dụng8.
IFOC được phát triển bởi Blaschke và Hasse và cho phép thay đổi tốc độ IM trên một phạm vi rộng9,10. Dòng điện stato được chia thành hai phần, một phần tạo ra từ thông và phần kia tạo ra mô-men xoắn bằng cách chuyển đổi sang hệ tọa độ dq. điều khiển độc lập từ thông và mômen trong điều kiện động và trạng thái ổn định. Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp và có thể thay đổi thông số13. được điều khiển bằng cách trừ đi từ thông stato và mô-men xoắn từ các ước lượng tương ứng. Kết quả được đưa vào bộ so sánh độ trễ để tạo ra vectơ điện áp thích hợp để điều khiểncả từ thông và mômen của stato.
Điểm bất tiện chính của chiến lược điều khiển này là dao động mômen xoắn và từ thông lớn do sử dụng bộ điều chỉnh độ trễ cho từ thông stato và điều chỉnh mômen điện từ15,42. Một số tác giả đã sử dụng điều chế vectơ không gian (SWM) 17, điều khiển chế độ trượt (SMC) 18, đây là những kỹ thuật mạnh mẽ nhưng chịu các hiệu ứng chập chờn không mong muốn19. mạng, một chiến lược điều khiển yêu cầu bộ xử lý tốc độ cao thực hiện20 và (2) thuật toán di truyền21.
Điều khiển mờ rất mạnh mẽ, phù hợp với các chiến lược điều khiển phi tuyến và không yêu cầu kiến thức về mô hình chính xác. Các DTC dựa trên FLC cung cấp hiệu suất tốt hơn22, nhưng không đủ để tối đa hóa hiệu quả của động cơ, vì vậy cần phải có các kỹ thuật tối ưu hóa vòng điều khiển.
Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây, các tác giả đã chọn thông lượng không đổi làm thông lượng tham chiếu, nhưng sự lựa chọn tham chiếu này không đại diện cho thực tiễn tối ưu.
Bộ truyền động động cơ hiệu suất cao, hiệu suất cao đòi hỏi tốc độ phản hồi nhanh và chính xác. Mặt khác, đối với một số hoạt động, điều khiển có thể không tối ưu, do đó không thể tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống truyền động. một tham chiếu thông lượng thay đổi trong quá trình vận hành hệ thống.
Nhiều tác giả đã đề xuất một bộ điều khiển tìm kiếm (SC) giảm thiểu tổn thất trong các điều kiện tải khác nhau (chẳng hạn như in27) để cải thiện hiệu suất của động cơ. Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra gợn mô-men xoắn do dao động hiện diện trong thông lượng khe hở không khí và việc thực hiện phương pháp này tốn nhiều thời gian và tính toán nhiều tài nguyên. mắc kẹt trong cực tiểu cục bộ, dẫn đến việc lựa chọn các thông số điều khiển kém29.
Trong bài báo này, một kỹ thuật liên quan đến FDTC được đề xuất để chọn từ thông tối ưu bằng cách giảm tổn thất động cơ. Sự kết hợp này đảm bảo khả năng sử dụng mức từ thông tối ưu tại mỗi điểm hoạt động, do đó tăng hiệu quả của hệ thống bơm nước quang điện được đề xuất. Do đó, nó dường như rất thuận tiện cho các ứng dụng bơm nước quang điện.
Hơn nữa, một thử nghiệm trong vòng lặp của bộ xử lý của phương pháp được đề xuất được thực hiện bằng cách sử dụng bảng STM32F4 như một thử nghiệm xác thực. , bảng chuyển đổi FT232RL USB-UART được liên kết với STM32F4, đảm bảo giao diện giao tiếp bên ngoài để thiết lập cổng nối tiếp ảo (cổng COM) trên máy tính. Phương pháp này cho phép dữ liệu được truyền với tốc độ truyền cao.
Hiệu suất của PVWPS sử dụng kỹ thuật đề xuất được so sánh với các hệ thống PV không giảm thiểu tổn thất trong các điều kiện hoạt động khác nhau.
Phần còn lại của bài báo được cấu trúc như sau: Mô hình hóa hệ thống đề xuất được đưa ra trong phần “Mô hình hóa hệ thống quang điện”. Trong phần “Chiến lược điều khiển của hệ thống đã nghiên cứu”, FDTC, chiến lược điều khiển đề xuất và kỹ thuật MPPT là được mô tả chi tiết Các phát hiện được thảo luận trong phần “Kết quả mô phỏng” Trong phần “Thử nghiệm PIL với bảng khám phá STM32F4”, thử nghiệm bộ xử lý trong vòng được mô tả. Phần kết luận ”.
Hình 1 cho thấy cấu hình hệ thống được đề xuất cho một hệ thống bơm nước PV độc lập. , mô hình của hệ thống bơm nước quang điện đã nghiên cứu được trình bày.
Bài báo này thông qua mô hình một diode củahệ mặt trờitế bào quang điện: Các đặc điểm của tế bào PV được ký hiệu là 31, 32 và 33.
Để thực hiện điều chỉnh, một bộ chuyển đổi tăng cường được sử dụng. Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi DC-DC được cho bởi Công thức 34 dưới đây:
Mô hình toán học của IM có thể được mô tả trong hệ quy chiếu (α, β) bằng các phương trình sau 5,40:
Trong đó \ (l_ {s} \), \ (l_ {r} \): điện cảm của stato và rôto, M: điện cảm lẫn nhau, \ (R_ {s} \), \ (I_ {s} \): điện trở của stato và Dòng điện stato, \ (R_ {r} \), \ (I_ {r} \): điện trở rôto và dòng điện rôto, \ (\ phi_ {s} \), \ (V_ {s} \): từ thông stato và stato điện áp, \ (\ phi_ {r} \), \ (V_ {r} \): từ thông rôto và điện áp rôto.
Mômen tải của bơm ly tâm tỷ lệ với bình phương của tốc độ IM có thể được xác định bằng:
Việc điều khiển hệ thống máy bơm nước được đề xuất được chia thành ba phần phụ riêng biệt. Phần đầu tiên đề cập đến công nghệ MPPT, phần thứ hai đề cập đến việc điều khiển IM dựa trên điều khiển mô-men xoắn trực tiếp của bộ điều khiển logic mờ. DTC dựa trên FLC cho phép xác định thông lượng tham chiếu.
Trong nghiên cứu này, kỹ thuật P&O bước biến đổi được sử dụng để theo dõi điểm công suất tối đa, nó được đặc trưng bởi theo dõi nhanh và dao động thấp (Hình 2) 37,38,39.
Ý tưởng chính của DTC là điều khiển trực tiếp từ thông và mô-men xoắn của máy, nhưng việc sử dụng bộ điều chỉnh độ trễ để điều chỉnh mô-men điện từ và từ thông stato dẫn đến mô-men xoắn và độ gợn từ thông cao. Phương pháp DTC (Hình 7), và FLC có thể phát triển các trạng thái vectơ biến tần đầy đủ.
Trong bước này, đầu vào được chuyển thành các biến mờ thông qua các hàm liên thuộc (MF) và các thuật ngữ ngôn ngữ.
Ba hàm liên thuộc cho đầu vào đầu tiên (εφ) là âm (N), dương (P) và không (Z), như thể hiện trong Hình 3.
Năm hàm liên thuộc cho đầu vào thứ hai (\ (\ varepsilon \) Tem) là Âm lớn (NL) Nhỏ âm (NS) Không (Z) Tích cực Nhỏ (PS) và Tích cực Lớn (PL), như trong Hình 4.
Quỹ đạo từ thông của stato bao gồm 12 cung, trong đó tập mờ được biểu diễn bằng hàm liên thuộc tam giác cân, như thể hiện trong Hình 5.
Bảng 1 nhóm 180 luật mờ sử dụng các hàm liên thuộc đầu vào để chọn các trạng thái chuyển mạch thích hợp.
Phương pháp suy luận được thực hiện bằng kỹ thuật của Mamdani. Hệ số trọng số (\ (\ alpha_ {i} \)) của quy tắc thứ i được đưa ra bởi:
ở đâu \ (\ mu Ai \ left ({e \ varphi} \ right) \), \ (\ mu Bi \ left ({eT} \ right), \) \ (\ mu Ci \ left (\ theta \ right) \): Giá trị thành viên của từ thông, mômen và sai số góc từ thông stato.
Hình 6 minh họa các giá trị sắc nét thu được từ các giá trị mờ bằng cách sử dụng phương pháp tối đa được đề xuất bởi phương trình (20).
Bằng cách tăng hiệu suất động cơ, tốc độ dòng chảy có thể được tăng lên, do đó làm tăng lượng nước bơm hàng ngày (Hình 7).
Ai cũng biết rằng giá trị của từ thông rất quan trọng đối với hiệu suất của động cơ. Giá trị từ thông cao dẫn đến tăng tổn thất sắt cũng như độ bão hòa từ của mạch, ngược lại, mức từ thông thấp dẫn đến tổn hao Joule cao.
Do đó, việc giảm tổn thất trong IM liên quan trực tiếp đến việc lựa chọn mức thông lượng.
Phương pháp được đề xuất dựa trên việc mô hình hóa tổn hao Joule liên quan đến dòng điện chạy qua các cuộn dây stato trong máy, bao gồm việc điều chỉnh giá trị của từ thông rôto đến giá trị tối ưu, do đó giảm thiểu tổn thất động cơ để tăng hiệu suất. có thể được biểu thị như sau (bỏ qua tổn thất cốt lõi):
Mômen điện từ \ (C_ {em} \) và từ thông rôto \ (\ phi_ {r} \) được tính trong hệ tọa độ dq như sau:
Mômen điện từ \ (C_ {em} \) và từ thông rôto \ (\ phi_ {r} \) được tính trong tham chiếu (d, q) như sau:
bằng cách giải phương trình. (30), chúng ta có thể tìm dòng điện stato tối ưu đảm bảo từ thông rôto tối ưu và tổn thất nhỏ nhất:
Các mô phỏng khác nhau đã được thực hiện bằng phần mềm MATLAB / Simulink để đánh giá độ mạnh và hiệu suất của kỹ thuật được đề xuất. Các thông số đặc trưng của nó được thể hiện trong Bảng 3. Các thành phần của hệ thống bơm PV được thể hiện trong Bảng 4.
Trong phần này, hệ thống bơm nước quang điện sử dụng FDTC với tham chiếu thông lượng không đổi được so sánh với hệ thống được đề xuất dựa trên thông lượng tối ưu (FDTCO) trong cùng điều kiện hoạt động.
Phần này trình bày trạng thái khởi động được đề xuất của hệ thống bơm dựa trên tốc độ cách ly 1000 W / m2. Hình 8e minh họa phản ứng vận tốc điện. s, và với FDTC, đạt trạng thái ổn định ở 1,93 giây. Hình 8f cho thấy quá trình bơm của hai chiến lược điều khiển. và 8h đại diện cho dòng điện stato được rút ra. Dòng khởi động sử dụng FDTC là 20 A, trong khi chiến lược điều khiển được đề xuất đề xuất dòng khởi động là 10 A, giúp giảm tổn thất Joule. PVPWS hoạt động ở thông lượng tham chiếu không đổi là 1,2 Wb, trong khi trong phương pháp đề xuất, thông lượng tham chiếu là 1 A, có liên quan đến việc cải thiện hiệu suất của hệ thống quang điện.
(một)Hệ mặt trờibức xạ (b) Khai thác nguồn (c) Chu kỳ làm việc (d) Điện áp bus DC (e) Tốc độ rôto (f) Bơm nước (g) Dòng pha stato cho FDTC (h) Dòng pha stato cho FDTCO (i) Đáp ứng từ thông sử dụng FLC (j) Đáp ứng từ thông sử dụng FDTCO (k) Quỹ đạo từ thông stato sử dụng FDTC (l) Quỹ đạo thông lượng stato sử dụng FDTCO.
Cáchệ mặt trờibức xạ thay đổi từ 1000 đến 700 W / m2 ở 3 giây và sau đó đến 500 W / m2 ở 6 giây (Hình 8a). Hình 8b cho thấy công suất quang điện tương ứng với 1000 W / m2, 700 W / m2 và 500 W / m2 Hình 8c và 8d tương ứng minh họa chu kỳ làm việc và điện áp liên kết DC. Hình 8e minh họa tốc độ điện của IM và chúng ta có thể nhận thấy rằng kỹ thuật được đề xuất có tốc độ và thời gian đáp ứng tốt hơn so với hệ thống quang điện dựa trên FDTC. cho thấy việc bơm nước cho các mức độ bức xạ khác nhau thu được bằng FDTC và FDTCO. Có thể đạt được nhiều bơm hơn với FDTCO so với FDTC. , biên độ dòng điện được giảm thiểu, có nghĩa là ít tổn thất đồng hơn, do đó tăng hiệu suất hệ thống. Do đó, dòng khởi động cao có thể dẫn đến giảm hiệu suất máy.Từ thông tối ưu để đảm bảo rằng tổn thất được giảm thiểu, do đó, kỹ thuật đề xuất minh họa hiệu suất của nó. Ngược lại với Hình 8i, từ thông là không đổi, không đại diện cho hoạt động tối ưu. Hình 8k và 8l cho thấy sự phát triển của quỹ đạo từ thông stato. 8l minh họa sự phát triển thông lượng tối ưu và giải thích ý tưởng chính của chiến lược điều khiển được đề xuất.
Một sự thay đổi đột ngột tronghệ mặt trờibức xạ được đặt vào, bắt đầu với bức xạ 1000 W / m2 và đột ngột giảm xuống 500 W / m2 sau 1,5 s (Hình 9a). W / m2. Hình 9c và 9d minh họa chu kỳ làm việc và điện áp liên kết DC tương ứng. Như có thể thấy từ Hình 9e, phương pháp được đề xuất cung cấp thời gian đáp ứng tốt hơn. với FDTCO cao hơn với FDTC, bơm 0,01 m3 / s ở bức xạ 1000 W / m2 so với 0,009 m3 / s với FDTC;hơn nữa, khi bức xạ là 500 W At / m2, FDTCO bơm 0,0079 m3 / s, trong khi FDTC bơm 0,0077 m3 / s. Hình 9g và 9h. Mô tả phản ứng hiện tại được mô phỏng bằng phương pháp FDTC và chiến lược điều khiển đề xuất. chiến lược điều khiển được đề xuất cho thấy rằng biên độ dòng điện giảm khi thay đổi bức xạ đột ngột, dẫn đến giảm tổn thất đồng. minh họa hiệu suất của nó với thông lượng 1Wb và bức xạ 1000 W / m2, trong khi thông lượng là 0,83Wb và bức xạ là 500 W / m2. Ngược lại với Hình 9i, thông lượng không đổi ở 1,2 Wb, điều này không Biểu thị chức năng tối ưu. Hình 9k và 9l cho thấy sự phát triển của quỹ đạo từ thông stato. Hình 9l minh họa sự phát triển từ thông tối ưu và giải thích ý tưởng chính của chiến lược điều khiển đề xuất và cải tiến hệ thống bơm được đề xuất.
(một)Hệ mặt trờibức xạ (b) Công suất trích ra (c) Chu kỳ làm việc (d) Điện áp bus DC (e) Tốc độ rôto (f) Dòng nước (g) Dòng pha stato cho FDTC (h) Dòng pha stato cho FDTCO (i)) Đáp ứng dòng sử dụng FLC (j) Đáp ứng từ thông sử dụng FDTCO (k) Quỹ đạo từ thông Stator sử dụng FDTC (l) Quỹ đạo thông lượng Stator sử dụng FDTCO.
Phân tích so sánh của hai công nghệ về giá trị thông lượng, biên độ dòng điện và bơm được trình bày trong Bảng 5, cho thấy rằng PVWPS dựa trên công nghệ được đề xuất cung cấp hiệu suất cao với lưu lượng bơm tăng lên và giảm thiểu tổn thất và dòng điện biên độ, điều này là do để lựa chọn thông lượng tối ưu.
Để xác minh và kiểm tra chiến lược điều khiển được đề xuất, một bài kiểm tra PIL được thực hiện dựa trên bo mạch STM32F4, bao gồm việc tạo mã sẽ được tải và chạy trên bo mạch nhúng. Bo mạch chứa vi điều khiển 32 bit với 1 MB Flash, 168 MHz tần số xung nhịp, đơn vị dấu phẩy động, lệnh DSP, 192 KB SRAM.Trong quá trình kiểm tra này, một khối PIL đã phát triển đã được tạo trong hệ thống điều khiển có chứa mã được tạo dựa trên bảng phần cứng khám phá STM32F4 và được giới thiệu trong phần mềm Simulink. Các bài kiểm tra PIL được cấu hình bằng bảng STM32F4 được thể hiện trong Hình 10.
Thử nghiệm PIL đồng mô phỏng bằng cách sử dụng STM32F4 có thể được sử dụng như một kỹ thuật chi phí thấp để xác minh kỹ thuật được đề xuất.
Phần sau được thực thi đồng thời với Simulink và trao đổi thông tin trong quá trình đồng mô phỏng bằng phương pháp PVWPS được đề xuất. Hình 12 minh họa việc triển khai hệ thống con công nghệ tối ưu hóa trong STM32F4.
Chỉ kỹ thuật thông lượng tham chiếu tối ưu được đề xuất được hiển thị trong đồng mô phỏng này, vì nó là biến điều khiển chính cho công việc này thể hiện hành vi điều khiển của hệ thống bơm nước quang điện.
Thời gian đăng bài: Tháng Tư-15-2022
