בשנים האחרונות, שיפורים ביעילות מערכות שאיבת מים פוטו-וולטאיות (PVWPS) משכו עניין רב בקרב החוקרים, שכן פעולתן מבוססת על ייצור אנרגיה חשמלית נקייה. במאמר זה פותחה גישה חדשה מבוססת בקר לוגיקה מטושטשת עבור PVWPS יישומים המשלבים טכניקות מזעור אובדן המיושמות על מנועי אינדוקציה (IM). הבקרה המוצעת בוחרת את גודל השטף האופטימלי על ידי מזעור הפסדי IM. בנוסף, מוצגת גם שיטת תצפית הפרעות משתנה בשלבים. התאמת הבקרה המוצעת מוכרת על ידי הפחתת זרם הכיור;לפיכך, הפסדי המנוע ממוזערים והיעילות משתפרת. אסטרטגיית הבקרה המוצעת מושווה לשיטות ללא מזעור אובדן. תוצאות ההשוואה ממחישות את יעילות השיטה המוצעת, המבוססת על מזעור הפסדים במהירות החשמלית, זרם ספוג, זרימה מים, ושטף פיתוח.בדיקת מעבד בלולאה (PIL) מתבצעת כבדיקה ניסיוני של השיטה המוצעת.היא כוללת את יישום קוד ה-C שנוצר על לוח הגילוי STM32F4.התוצאות המתקבלות מה-Embedded לוח דומים לתוצאות הסימולציה המספרית.
אנרגיה מתחדשת, במיוחדסוֹלָרִיטכנולוגיה פוטו-וולטאית, יכולה להיות חלופה נקייה יותר לדלקים מאובנים במערכות שאיבת מים1,2.מערכות שאיבה פוטו-וולטאיות זכו לתשומת לב רבה באזורים מרוחקים ללא חשמל3,4.
מנועים שונים משמשים ביישומי שאיבת PV. השלב הראשוני של PVWPS מבוסס על מנועי DC. מנועים אלו קלים לשליטה ויישום, אך הם דורשים תחזוקה שוטפת בשל נוכחותם של הכותבים והמברשות.5 כדי להתגבר על חסרון זה, ללא מברשות הוצגו מנועי מגנט קבוע, המתאפיינים ללא מברשות, יעילות ואמינות גבוהה6. בהשוואה למנועים אחרים, ל-PVWPS מבוסס IM יש ביצועים טובים יותר מכיוון שמנוע זה אמין, זול, נטול תחזוקה ומציע אפשרויות רבות יותר לאסטרטגיות בקרה7 .טכניקות בקרה מכוונת שדה עקיפה (IFOC) ושיטות בקרת מומנט ישירה (DTC) משמשות בדרך כלל8.
IFOC פותחה על ידי Blaschke והאסה ומאפשרת לשנות את מהירות ה-IM בטווח רחב 9,10. זרם הסטטור מחולק לשני חלקים, האחד יוצר את השטף המגנטי והשני יוצר את המומנט על ידי המרה למערכת הקואורדינטות dq. זה מאפשר שליטה עצמאית בשטף ומומנט במצב יציב ובתנאים דינמיים. ציר (ד) מיושר עם וקטור השטף של מרחב הרוטור, שכולל את רכיב ציר ה-q של וקטור מרחב שטף הרוטור תמיד אפס.FOC מספק תגובה טובה ומהירה יותר11 ,12, לעומת זאת, שיטה זו מורכבת ונתונה לשינויים בפרמטרים13.כדי להתגבר על חסרונות אלו, Takashi ו-Noguchi14 הציגו DTC, בעל ביצועים דינמיים גבוהים והוא חזק ופחות רגיש לשינויי פרמטרים. ב-DTC, המומנט האלקטרומגנטי ושטף הסטטור נשלטים על ידי הפחתת שטף הסטטור והמומנט מהאומדנים התואמים. התוצאה מוזנת למשווה היסטרזיס כדי ליצור את וקטור המתח המתאים לשליטהגם שטף סטטור וגם מומנט.
אי הנוחות העיקרית של אסטרטגיית בקרה זו היא תנודות המומנט והשטף הגדולות הנובעות מהשימוש בווסת היסטרזיס לוויסות שטף סטטור ומומנט אלקטרומגנטי15,42.ממירים רב-מפלסים משמשים למזעור אדווה, אך היעילות מופחתת במספר מתגי הכוח16. מספר מחברים השתמשו באפנון וקטור חלל (SWM)17, בקרת מצב הזזה (SMC)18, שהן טכניקות חזקות אך סובלות מהשפעות ריצוד בלתי רצויות19. חוקרים רבים השתמשו בטכניקות בינה מלאכותית כדי לשפר את ביצועי הבקר, ביניהם, (1) עצבי רשתות, אסטרטגיית בקרה הדורשת מעבדים מהירים ליישום20, ו-(2) אלגוריתמים גנטיים21.
בקרה מטושטשת היא חזקה, מתאימה לאסטרטגיות בקרה לא ליניאריות ואינה מצריכה ידע על הדגם המדויק. היא כוללת שימוש בלוקים לוגיים מטושטשים במקום בקרים היסטריים וטבלאות בחירת מתגים להפחתת השטף ואדוות המומנט. ראוי לציין כי DTCs מבוססי FLC מספקים ביצועים טובים יותר22, אך אינם מספיקים כדי למקסם את היעילות של המנוע, ולכן נדרשות טכניקות אופטימיזציה של לולאת בקרה.
ברוב המחקרים הקודמים, המחברים בחרו בשטף קבוע כשטף ההתייחסות, אך בחירה זו של התייחסות אינה מייצגת תרגול מיטבי.
כונני מנוע בעלי ביצועים גבוהים ויעילות גבוהים דורשים תגובת מהירות מהירה ומדויקת. מצד שני, עבור פעולות מסוימות, ייתכן שהבקרה לא תהיה אופטימלית, כך שלא ניתן לייעל את היעילות של מערכת ההנעה. ניתן להשיג ביצועים טובים יותר על ידי שימוש התייחסות לשטף משתנה במהלך פעולת המערכת.
מחברים רבים הציעו בקר חיפוש (SC) שממזער הפסדים בתנאי עומס שונים (כגון in27) כדי לשפר את היעילות של המנוע. הטכניקה מורכבת ממדידה ומזעור הספק הקלט על ידי התייחסות זרם איטרטיבית של ציר D או שטף סטטור עם זאת, שיטה זו מציגה אדוות מומנט עקב תנודות הקיימות בשטף מרווח האוויר, והטמעת שיטה זו גוזלת זמן רב ודורשת משאבים חישובית. אופטימיזציה של נחיל חלקיקים משמשת גם לשיפור היעילות28, אך טכניקה זו יכולה נתקע במינימום מקומי, מה שמוביל לבחירה לקויה של פרמטרי בקרה29.
במאמר זה, מוצעת טכניקה הקשורה ל-FDTC לבחירת השטף המגנטי האופטימלי על ידי הפחתת הפסדי המנוע. שילוב זה מבטיח את היכולת להשתמש ברמת השטף האופטימלית בכל נקודת הפעלה, ובכך להגביר את היעילות של מערכת שאיבת המים הפוטו-וולטאית המוצעת. לכן, נראה שזה מאוד נוח ליישומי שאיבת מים פוטו-וולטאיים.
יתרה מזאת, בדיקת מעבד בלולאה של השיטה המוצעת מתבצעת תוך שימוש בלוח STM32F4 כאימות ניסיוני. היתרונות העיקריים של ליבה זו הם פשטות היישום, עלות נמוכה וללא צורך בפיתוח תוכניות מורכבות 30 .בנוסף , לוח ההמרה FT232RL USB-UART משויך ל- STM32F4, המבטיח ממשק תקשורת חיצוני על מנת להקים יציאה טורית וירטואלית (יציאת COM) במחשב. שיטה זו מאפשרת העברת נתונים בקצבי העברת נתונים גבוהים.
הביצועים של PVWPS באמצעות הטכניקה המוצעת מושווים למערכות PV ללא מזעור אובדן בתנאי הפעלה שונים. התוצאות המתקבלות מראות שמערכת משאבת המים הפוטו-וולטאית המוצעת טובה יותר במזעור זרם הסטטור ונחושת, אופטימיזציה של השטף ושאיבת מים.
שאר המאמר בנוי באופן הבא: המודל של המערכת המוצעת ניתן בסעיף "מודלים של מערכות פוטו-וולטאיות". בסעיף "אסטרטגיית בקרה של המערכת הנלמדת", FDTC, אסטרטגיית הבקרה המוצעת וטכניקת MPPT הם מתואר בפירוט. הממצאים נדונים בסעיף "תוצאות סימולציה". בסעיף "בדיקת PIL עם לוח הגילוי STM32F4", מתוארות בדיקות מעבד בתוך הלולאה. המסקנות של מאמר זה מוצגות ב" סעיף מסקנות".
איור 1 מציג את תצורת המערכת המוצעת עבור מערכת עצמאית לשאיבת מים PV. המערכת מורכבת ממשאבה צנטריפוגלית מבוססת IM, מערך פוטו-וולטאי, שני ממירי הספק [ממיר חיזוק וממיר מקור מתח (VSI)]. בסעיף זה , מוצג המודל של מערכת שאיבת המים הפוטו-וולטאית שנלמדה.
מאמר זה מאמץ את מודל הדיודה הבודדת שלסוֹלָרִיתאים פוטו-וולטאיים. המאפיינים של תא ה-PV מסומנים ב-31, 32 ו-33.
כדי לבצע את ההתאמה, נעשה שימוש בממיר דחיפה. הקשר בין מתחי הכניסה והמוצא של ממיר DC-DC ניתן במשוואה 34 להלן:
ניתן לתאר את המודל המתמטי של IM במסגרת הייחוס (α,β) באמצעות המשוואות הבאות 5,40:
כאשר \(l_{s }\),\(l_{r}\): השראות סטטור ורוטור, M: השראות הדדית, \(R_{s }\), \(I_{s }\): התנגדות סטטור ו זרם סטטור, \(R_{r}\), \(I_{r}\): התנגדות הרוטור וזרם הרוטור, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): שטף סטטור וסטטור מתח , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): שטף הרוטור ומתח הרוטור.
ניתן לקבוע את מומנט עומס המשאבה הצנטריפוגלי פרופורציונלי לריבוע של מהירות ה-IM על ידי:
הבקרה של מערכת משאבת המים המוצעת מחולקת לשלושה תת-סעיפים נפרדים. החלק הראשון עוסק בטכנולוגיית MPPT. החלק השני עוסק בהנעת ה-IM המבוסס על בקרת המומנט הישירה של בקר הלוגיקה המטושטשת. יתר על כן, חלק III מתאר טכניקה הקשורה DTC מבוסס FLC המאפשר קביעת שטפי ייחוס.
בעבודה זו, נעשה שימוש בטכניקת P&O שלבים משתנה למעקב אחר נקודת הכוח המקסימלית. היא מאופיינת במעקב מהיר ובתנודה נמוכה (איור 2)37,38,39.
הרעיון המרכזי של DTC הוא לשלוט ישירות על השטף והמומנט של המכונה, אך השימוש בווסת היסטרזיס לוויסות מומנט אלקטרומגנטי ושטף הסטטור מביא למומנט גבוה ולסלסול השטף. לכן, מופעלת טכניקת טשטוש כדי לשפר את שיטת DTC (איור 7), וה-FLC יכול לפתח מספיק מצבי וקטור מהפך.
בשלב זה, הקלט הופך למשתנים מטושטשים באמצעות פונקציות חברות (MF) ומונחים לשוניים.
שלוש פונקציות החברות עבור הקלט הראשון (εφ) הן שליליות (N), חיוביות (P) ואפס (Z), כפי שמוצג באיור 3.
חמש פונקציות החברות עבור הקלט השני (\(\varepsilon\)Tem) הן שלילי גדול (NL) שלילי קטן (NS) אפס (Z) חיובי קטן (PS) וחיובי גדול (PL), כפי שמוצג באיור 4.
מסלול שטף הסטטור מורכב מ-12 סקטורים, שבהם הסט המטושטש מיוצג על ידי פונקציית חברות משולשת שווה שוקיים, כפי שמוצג באיור 5.
טבלה 1 מקבצת 180 כללים מטושטשים המשתמשים בפונקציות החברות בקלט כדי לבחור מצבי מתג מתאימים.
שיטת ההסקה מתבצעת בטכניקה של Mamdani. גורם המשקל (\(\alpha_{i}\)) של הכלל ה-i ניתן על ידי:
where\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : ערך החברות של שטף מגנטי, מומנט ושגיאת זווית שטף הסטטור.
איור 6 ממחיש את הערכים החדים שהתקבלו מהערכים המטושטשים בשיטת המקסימום המוצעת על ידי Eq.(20).
על ידי הגדלת יעילות המנוע, ניתן להגדיל את קצב הזרימה, אשר בתורו מגדיל את שאיבת המים היומית (איור 7). מטרת הטכניקה הבאה היא לשייך אסטרטגיה מבוססת מזעור אובדן עם שיטת בקרת מומנט ישירה.
ידוע כי ערך השטף המגנטי חשוב ליעילות המנוע. ערכי שטף גבוהים מובילים להפסדי ברזל מוגברים וכן לרוויה מגנטית של המעגל. לעומת זאת, רמות שטף נמוכות גורמות לאובדי ג'ול גבוהים.
לכן, הפחתת ההפסדים ב-IM קשורה ישירות לבחירת רמת השטף.
השיטה המוצעת מבוססת על מידול של הפסדי ג'ול הקשורים לזרם הזורם דרך פיתולי הסטטור במכונה. היא מורכבת מהתאמת ערך שטף הרוטור לערך אופטימלי, ובכך למזער את הפסדי המנוע כדי להגדיל את היעילות. הפסדי ג'ול ניתן לבטא באופן הבא (בהתעלם מהפסדי ליבה):
המומנט האלקטרומגנטי\(C_{em}\) ושטף הרוטור\(\phi_{r}\) מחושבים במערכת הקואורדינטות dq כ:
המומנט האלקטרומגנטי\(C_{em}\) ושטף הרוטור\(\phi_{r}\) מחושבים בהתייחסות (d,q) כ:
על ידי פתרון המשוואה.(30), נוכל למצוא את זרם הסטטור האופטימלי המבטיח שטף רוטור אופטימלי והפסדים מינימליים:
סימולציות שונות בוצעו באמצעות תוכנת MATLAB/Simulink כדי להעריך את החוסן והביצועים של הטכניקה המוצעת. המערכת הנחקרה מורכבת משמונה לוחות 230 W CSUN 235-60P (טבלה 2) המחוברים בסדרה. המשאבה הצנטריפוגלית מונעת על ידי IM, ו הפרמטרים האופייניים שלו מוצגים בטבלה 3. המרכיבים של מערכת השאיבה PV מוצגים בטבלה 4.
בחלק זה, מערכת שאיבת מים פוטו-וולטאית המשתמשת ב-FDTC עם התייחסות לשטף קבוע מושווה למערכת מוצעת המבוססת על שטף אופטימלי (FDTCO) באותם תנאי הפעלה. הביצועים של שתי המערכות הפוטו-וולטאיות נבדקו על ידי התחשבות בתרחישים הבאים:
סעיף זה מציג את מצב ההפעלה המוצע של מערכת המשאבה בהתבסס על קצב בידוד של 1000 W/m2. איור 8ה ממחיש את תגובת המהירות החשמלית. בהשוואה ל-FDTC, הטכניקה המוצעת מספקת זמן עלייה טוב יותר, ומגיעה למצב יציב ב-1.04 s, ועם FDTC, הגעה למצב יציב ב-1.93 s. איור 8f מציג את השאיבה של שתי אסטרטגיות הבקרה. ניתן לראות שה-FDTCO מגדיל את כמות השאיבה, מה שמסביר את השיפור באנרגיה המומרת על ידי ה-IM. איורים 8g ו-8h מייצגים את זרם הסטטור המצויר. זרם האתחול באמצעות FDTC הוא 20 A, בעוד שאסטרטגיית הבקרה המוצעת מציעה זרם הפעלה של 10 A, מה שמפחית את הפסדי ג'ול. איורים 8i ו-8j מציגים את שטף הסטטור שפותח. ה-FDTC מבוסס PVPWS פועל בשטף ייחוס קבוע של 1.2 Wb, כאשר בשיטה המוצעת, שטף הייחוס הוא 1 A, המעורב בשיפור היעילות של המערכת הפוטו-וולטאית.
(א)סוֹלָרִיקרינה (ב) חילוץ כוח (ג) מחזור עבודה (ד) מתח אוטובוס DC (ה) מהירות הרוטור (ו) שאיבת מים (ז) זרם פאזה סטטור עבור FDTC (ח) זרם פאזה סטטור עבור FDTCO (i) תגובת שטף באמצעות FLC (י) תגובת שטף באמצעות FDTCO (k) מסלול שטף סטטור באמצעות FDTC (l) מסלול שטף סטטור באמצעות FDTCO.
הסוֹלָרִיקרינה נעה בין 1000 ל-700 W/m2 ב-3 שניות ולאחר מכן ל-500 W/m2 ב-6 שניות (איור 8a). איור 8b מציג את ההספק הפוטו-וולטאי המתאים עבור 1000 W/m2, 700 W/m2 ו-500 W/m2 .איורים 8c ו-8d ממחישים את מחזור העבודה ומתח הקישור DC, בהתאמה. איור 8ה ממחיש את המהירות החשמלית של IM, ואנו יכולים לשים לב שלטכניקה המוצעת יש מהירות וזמן תגובה טובים יותר בהשוואה למערכת הפוטו-וולטאית המבוססת על FDTC. איור 8f מציג את שאיבת המים עבור רמות קרינה שונות שהושגו באמצעות FDTC ו-FDTCO. ניתן להשיג יותר שאיבה עם FDTCO מאשר עם FDTC. איורים 8g ו-8h ממחישות את תגובות הזרם המדומות בשיטת FDTC ואסטרטגיית הבקרה המוצעת. על ידי שימוש בטכניקת הבקרה המוצעת , משרעת הזרם ממוזערת, מה שאומר פחות הפסדי נחושת, ובכך מגדילה את יעילות המערכת. לכן, זרמי התנעה גבוהים יכולים להוביל לביצועי מכונה מופחתים. איור 8j מציג את התפתחות תגובת השטף על מנת לבחור אתשטף אופטימלי כדי להבטיח שההפסדים ממוזערים, לכן, הטכניקה המוצעת ממחישה את הביצועים שלה.בניגוד לתמונה 8i, השטף קבוע, שאינו מייצג פעולה אופטימלית.איורים 8k ו-8l מציגים את התפתחות מסלול שטף הסטטור.איור 8l ממחיש את התפתחות השטף האופטימלית ומסביר את הרעיון המרכזי של אסטרטגיית הבקרה המוצעת.
שינוי פתאומי בסוֹלָרִיהופעלה קרינה, החל מקרינה של 1000 W/m2 וירדה בפתאומיות ל-500 W/m2 לאחר 1.5 שניות (איור 9a). איור 9b מציג את ההספק הפוטו-וולטאי המופק מהפנלים הפוטו-וולטאיים, המקביל ל-1000 W/m2 ו-500 W/m2.איורים 9c ו-9d ממחישות את מחזור העבודה ומתח הקישור DC, בהתאמה. כפי שניתן לראות מאיור 9e, השיטה המוצעת מספקת זמן תגובה טוב יותר. איור 9f מציגה את שאיבת המים שהתקבלה עבור שתי אסטרטגיות הבקרה. שאיבה עם FDTCO היה גבוה יותר מאשר עם FDTC, שאיבה של 0.01 m3/s בקרינה של 1000 W/m2 בהשוואה ל-0.009 m3/s עם FDTC;יתר על כן, כאשר הקרינה הייתה 500 W At/m2, FDTCO שאבה 0.0079 m3/s, בעוד FDTC שאבה 0.0077 m3/s. איורים 9g ו-9h. מתאר את התגובה הנוכחית המדומה בשיטת FDTC ואת אסטרטגיית הבקרה המוצעת. אנו יכולים לציין כי אסטרטגיית הבקרה המוצעת מראה שהמשרעת הנוכחית מצטמצמת תחת שינויי קרינה פתאומיים, וכתוצאה מכך הפסדי נחושת מופחתים. איור 9j מציג את ההתפתחות של תגובת השטף על מנת לבחור את השטף האופטימלי כדי להבטיח שההפסדים ממוזערים, לכן, הטכניקה המוצעת ממחיש את הביצועים שלו עם שטף של 1Wb וקרינה של 1000 W/m2, בעוד שהשטף הוא 0.83Wb והקרינה היא 500 W/m2. בניגוד לתמונה 9i, השטף קבוע ב-1.2 Wb, מה שלא מייצגים תפקוד אופטימלי. איורים 9k ו-9l מציגים את האבולוציה של מסלול שטף הסטטור. איור 9l ממחיש את התפתחות השטף האופטימלי ומסביר את הרעיון המרכזי של אסטרטגיית הבקרה המוצעת ואת השיפור של מערכת השאיבה המוצעת.
(א)סוֹלָרִיקרינה (ב) כוח מופק (ג) מחזור עבודה (ד) מתח אוטובוס DC (ה) מהירות הרוטור (ו) זרימת מים (ז) זרם פאזה סטטור עבור FDTC (ח) זרם פאזה סטטור עבור FDTCO (i) ) תגובת שטף באמצעות FLC (j) תגובת שטף באמצעות FDTCO (k) מסלול שטף סטטור באמצעות FDTC (l) מסלול שטף סטטור באמצעות FDTCO.
ניתוח השוואתי של שתי הטכנולוגיות במונחים של ערך שטף, משרעת זרם ושאיבה מוצג בטבלה 5, אשר מראה כי PVWPS המבוסס על הטכנולוגיה המוצעת מספק ביצועים גבוהים עם זרימת שאיבה מוגברת וזרם משרעת ממוזער והפסדים, אשר נובעים מכך. לבחירת שטף מיטבית.
כדי לאמת ולבדוק את אסטרטגיית הבקרה המוצעת, מבוצעת בדיקת PIL המבוססת על לוח STM32F4. היא כוללת הפקת קוד שיטען ויפעל על הלוח המוטבע. הלוח מכיל מיקרו-בקר של 32 סיביות עם 1 MB Flash, 168 MHz תדר שעון, יחידת נקודה צפה, הוראות DSP, 192 KB SRAM.במהלך בדיקה זו נוצר בלוק PIL מפותח במערכת הבקרה המכיל את הקוד שנוצר המבוסס על לוח חומרת הגילוי STM32F4 והוצג בתוכנת Simulink. השלבים לאפשר בדיקות PIL להגדרה באמצעות לוח STM32F4 מוצגות באיור 10.
בדיקת PIL בסימולציה משותפת באמצעות STM32F4 יכולה לשמש כטכניקה בעלות נמוכה לאימות הטכניקה המוצעת. במאמר זה, המודול האופטימלי המספק את שטף ההתייחסות הטוב ביותר מיושם ב-STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
האחרון מבוצע במקביל ל-Simulink ומחליף מידע במהלך הדמייה משותפת באמצעות שיטת ה-PVWPS המוצעת. איור 12 ממחיש את היישום של תת-מערכת טכנולוגיית האופטימיזציה ב-STM32F4.
רק טכניקת שטף הייחוס האופטימלית המוצעת מוצגת בסימולציה משותפת זו, מכיוון שהיא משתנה הבקרה העיקרי לעבודה זו המדגימה את התנהגות הבקרה של מערכת שאיבת מים פוטו-וולטאית.
זמן פרסום: 15 באפריל 2022
