Соңғы жылдары фотоэлектрлік су айдау жүйелерінің (PVWPS) тиімділігін жақсарту зерттеушілер арасында үлкен қызығушылық тудырды, өйткені олардың жұмысы таза электр энергиясын өндіруге негізделген. Бұл жұмыста PVWPS үшін жаңа анық емес логикалық контроллерге негізделген тәсіл әзірленген. Асинхронды қозғалтқыштарға (IM) қолданылатын жоғалтуды азайту әдістерін қамтитын қолданбалар. Ұсынылған басқару IM жоғалтуларын азайту арқылы оңтайлы ағынның шамасын таңдайды. Сонымен қатар, айнымалы қадамдық кедергілерді бақылау әдісі де енгізілген. Ұсынылған басқарудың жарамдылығы мыналармен танылады: раковинаның тогын азайту;сондықтан қозғалтқыш шығындары барынша азайтылады және тиімділік артады. Ұсынылған бақылау стратегиясы шығындарды азайтусыз әдістермен салыстырылады. Салыстыру нәтижелері ұсынылған әдістің тиімділігін көрсетеді, ол электр жылдамдығындағы, жұтылатын токтағы, ағындағы шығындарды азайтуға негізделген. су және дамып келе жатқан ағын. Процессордың циклдегі (PIL) сынағы ұсынылған әдістің тәжірибелік сынағы ретінде орындалады. Ол STM32F4 табу тақтасында құрылған C кодын енгізуді қамтиды. Енгізілген нәтижелерден алынған нәтижелер. тақта сандық модельдеу нәтижелеріне ұқсас.
Жаңартылатын энергия, әсіресекүнфотоэлектрлік технология су айдау жүйелеріндегі қазба отындарына таза балама бола алады1,2. Фотоэлектрлік сорғы жүйелері электр қуаты жоқ шалғай аудандарда үлкен назар аударды3,4.
PV сорғы қолданбаларында әртүрлі қозғалтқыштар қолданылады. PVWPS-тің бастапқы кезеңі тұрақты ток қозғалтқыштарына негізделген. Бұл қозғалтқыштарды басқару және енгізу оңай, бірақ олар аннотаторлар мен щеткалардың болуына байланысты тұрақты техникалық қызмет көрсетуді қажет етеді5. Бұл кемшілікті жою үшін щеткасыз. Тұрақты магнитті қозғалтқыштар енгізілді, олар қылшықсыз, жоғары тиімділік және сенімділікпен сипатталады6. Басқа қозғалтқыштармен салыстырғанда, IM негізіндегі PVWPS жақсы өнімділікке ие, себебі бұл қозғалтқыш сенімді, арзан, техникалық қызмет көрсетуді қажет етпейді және басқару стратегиялары үшін көбірек мүмкіндіктер ұсынады7 .Жана емес өріске бағытталған басқару (IFOC) әдістері және тікелей айналу моментін басқару (DTC) әдістері әдетте пайдаланылады8.
IFOC Blaschke және Hasse әзірлеген және IM жылдамдығын кең ауқымда өзгертуге мүмкіндік береді9,10. Статор тогы екі бөлікке бөлінеді, біреуі магнит ағынын тудырады, ал екіншісі dq координат жүйесіне түрлендіру арқылы айналдыру моментін жасайды. тұрақты күйде және динамикалық жағдайларда ағын мен моменттің тәуелсіз бақылауы. (d) осі ротор ағынының кеңістік векторымен теңестіріледі, оған ротор ағынының кеңістік векторының q осі құрамдас бөлігі әрқашан нөлге тең болады.FOC жақсы және жылдамырақ жауап береді11 ,12 дегенмен, бұл әдіс күрделі және параметрлердің өзгеруіне бағынады13. Осы кемшіліктерді жою үшін Такаши мен Ногучи14 жоғары динамикалық өнімділікке ие және берік және параметрлердің өзгеруіне сезімталдығы төмен DTC енгізді. DTC-де электромагниттік момент пен статор ағыны сәйкес бағалаулардан статор ағыны мен моментін шегеру арқылы бақыланады. Нәтиже басқару үшін сәйкес кернеу векторын құру үшін гистерезис компараторына беріледі.статор ағыны да, момент те.
Бұл басқару стратегиясының негізгі ыңғайсыздығы статор ағыны мен электромагниттік моментті реттеу үшін гистерезис реттегіштерін қолдану салдарынан үлкен айналу моменті мен ағынның ауытқуы болып табылады15,42. Толқынды азайту үшін көп деңгейлі түрлендіргіштер қолданылады, бірақ тиімділік қуат қосқыштарының санына азаяды16. Бірнеше авторлар ғарыштық векторлық модуляцияны (SWM)17, сырғымалы режимді басқаруды (SMC)18 пайдаланды, олар қуатты әдістер болып табылады, бірақ жағымсыз діріл әсерлерінен зардап шегеді19. Көптеген зерттеушілер контроллердің жұмысын жақсарту үшін жасанды интеллект әдістерін пайдаланды, олардың арасында (1) нейрондық желілер, іске асыру үшін жоғары жылдамдықты процессорларды қажет ететін басқару стратегиясы20 және (2) генетикалық алгоритмдер21.
Бұлыңғыр басқару сенімді, сызықты емес басқару стратегиялары үшін қолайлы және нақты модельді білуді қажет етпейді. Ол ағын мен айналу моментінің толқынын азайту үшін гистеретикалық контроллерлердің орнына анық емес логикалық блоктарды және коммутаторларды таңдау кестелерін пайдалануды қамтиды. Айта кету керек. FLC негізіндегі DTC жақсырақ өнімділікті қамтамасыз етеді22, бірақ қозғалтқыштың тиімділігін арттыру үшін жеткіліксіз, сондықтан басқару циклін оңтайландыру әдістері қажет.
Алдыңғы зерттеулердің көпшілігінде авторлар анықтамалық ағын ретінде тұрақты ағынды таңдады, бірақ бұл анықтаманы таңдау оңтайлы тәжірибені көрсетпейді.
Жоғары өнімді, жоғары тиімді қозғалтқыш жетектері жылдам және дәл жылдамдық реакциясын қажет етеді. Екінші жағынан, кейбір операциялар үшін басқару оңтайлы болмауы мүмкін, сондықтан жетек жүйесінің тиімділігін оңтайландыру мүмкін емес. Жақсырақ өнімділікті пайдалану арқылы алуға болады. жүйенің жұмысы кезіндегі айнымалы ағынның анықтамасы.
Көптеген авторлар қозғалтқыштың тиімділігін арттыру үшін әртүрлі жүктеме жағдайында (мысалы, in27) жоғалтуларды азайтатын іздеу контроллерін (SC) ұсынды. Бұл әдіс итеративті d-осі ток анықтамасы немесе статор ағыны арқылы кіріс қуатын өлшеу және азайтудан тұрады. Анықтама.Алайда бұл әдіс ауа аралық ағынында болатын тербелістерге байланысты айналу моментінің толқынын енгізеді және бұл әдісті жүзеге асыру көп уақытты және есептеу ресурстарын көп қажет етеді. Бөлшектер тобын оңтайландыру тиімділікті арттыру үшін де қолданылады28, бірақ бұл әдіс жергілікті минимумдарда тұрып қалу, бақылау параметрлерін нашар таңдауға әкеледі29.
Бұл мақалада қозғалтқыш шығындарын азайту арқылы оңтайлы магнит ағынын таңдау үшін FDTC-ге қатысты әдістеме ұсынылады. Бұл комбинация әрбір жұмыс нүктесінде ағынның оңтайлы деңгейін пайдалану мүмкіндігін қамтамасыз етеді, осылайша ұсынылған фотоэлектрлік су айдау жүйесінің тиімділігін арттырады. Сондықтан бұл фотоэлектрлік суды сору қолданбалары үшін өте ыңғайлы сияқты.
Сонымен қатар, ұсынылған әдісті процессордың циклдік сынағы тәжірибелік валидация ретінде STM32F4 тақтасын пайдалана отырып орындалады. Бұл ядроның негізгі артықшылықтары – іске асырудың қарапайымдылығы, төмен құны және күрделі бағдарламаларды әзірлеудің қажеті жоқ 30 .Сонымен қатар , FT232RL USB-UART түрлендіру тақтасы компьютерде виртуалды сериялық портты (COM порты) орнату үшін сыртқы байланыс интерфейсіне кепілдік беретін STM32F4 құрылғысымен байланысты. Бұл әдіс деректерді жоғары жіберу жылдамдығымен жіберуге мүмкіндік береді.
Ұсынылған әдістемені пайдаланатын PVWPS өнімділігі әртүрлі жұмыс жағдайларында шығынды азайтусыз PV жүйелерімен салыстырылады. Алынған нәтижелер ұсынылған фотоэлектрлік су сорғы жүйесі статор тогы мен мыс шығынын азайтуда, ағынды оңтайландыруда және суды айдауда жақсырақ екенін көрсетті.
Жұмыстың қалған бөлігі келесідей құрылымдалған: Ұсынылған жүйені модельдеу «Фотоэлектрлік жүйелерді модельдеу» бөлімінде берілген. «Зерттелетін жүйені басқару стратегиясы» бөлімінде FDTC, ұсынылған басқару стратегиясы және MPPT әдістемесі берілген. егжей-тегжейлі сипатталған. Нәтижелер «Симуляция нәтижелері» бөлімінде талқыланады. «STM32F4 табу тақтасымен PIL тестілеу» бөлімінде процессорды циклде сынау сипатталған. Бұл құжаттың қорытындылары « Қорытындылар» бөлімі.
1-суретте автономды PV су айдау жүйесі үшін ұсынылған жүйе конфигурациясы көрсетілген. Жүйе IM негізіндегі орталықтан тепкіш сорғыдан, фотоэлектрлік массивтен, екі қуат түрлендіргішінен [күшейткіш түрлендіргіштен және кернеу көзі түрлендіргішінен (VSI)] тұрады. Бұл бөлімде , зерттелетін фотоэлектрлік су айдау жүйесінің моделі ұсынылған.
Бұл құжат бір диодты моделін қабылдайдыкүнфотоэлектрлік элементтер. PV элементінің сипаттамалары 31, 32 және 33 арқылы белгіленеді.
Бейімдеуді орындау үшін күшейткіш түрлендіргіш пайдаланылады. Тұрақты ток түрлендіргішінің кіріс және шығыс кернеулерінің арасындағы байланыс төмендегі 34-теңдеумен берілген:
IM математикалық моделін анықтамалық жүйеде (α,β) келесі 5,40 теңдеулері арқылы сипаттауға болады:
Мұндағы \(l_{s }\),\(l_{r}\): статор мен ротор индуктивтілігі, M: өзара индуктивтілік, \(R_{s }\), \(I_{s }\): статор кедергісі және статор тогы, \(R_{r}\), \(I_{r }\): ротор кедергісі және ротор тогы, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): статор ағыны және статор кернеу , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): ротор ағыны және ротор кернеуі.
Орталықтан тепкіш сораптың жүктеме моментін IM жылдамдығының квадратына пропорционалды мына жолмен анықтауға болады:
Ұсынылған су сорғы жүйесін басқару үш бөлек бөлімге бөлінеді. Бірінші бөлім MPPT технологиясына қатысты. Екінші бөлім анық емес логикалық контроллердің тікелей айналу моментін басқаруына негізделген IM жүргізуге қатысты. Бұдан басқа, III бөлімде келесіге қатысты техника сипатталады. Анықтамалық ағындарды анықтауға мүмкіндік беретін FLC негізіндегі DTC.
Бұл жұмыста максималды қуат нүктесін бақылау үшін айнымалы қадамды P&O әдісі қолданылады. Ол жылдам бақылау және төмен тербеліспен сипатталады (2-сурет)37,38,39.
DTC негізгі идеясы машинаның ағыны мен моментін тікелей басқару болып табылады, бірақ электромагниттік моментті және статор ағынын реттеу үшін гистерезис реттегіштерін пайдалану жоғары айналу моменті мен ағынның толқындарын тудырады.Сондықтан, бұлыңғырлау әдісін күшейту үшін енгізілген. DTC әдісі (7-сурет) және FLC инвертордың жеткілікті векторлық күйлерін жасай алады.
Бұл қадамда кіріс мүшелік функциялары (MF) және лингвистикалық терминдер арқылы анық емес айнымалыларға түрлендіріледі.
Бірінші кіріс (εφ) үшін үш мүшелік функциясы 3-суретте көрсетілгендей теріс (N), оң (P) және нөл (Z) болып табылады.
Екінші кіріс (\(\varepsilon\)Tem) үшін бес мүшелік функциясы 4-суретте көрсетілгендей Теріс Үлкен (NL) Теріс Кіші (NS) Нөл (Z) Оң Кіші (PS) және Оң Үлкен (PL) болып табылады.
Статор ағынының траекториясы 12 сектордан тұрады, онда анық емес жиын 5-суретте көрсетілгендей теңбүйірлі үшбұрышты мүшелік функциясымен берілген.
1-кесте сәйкес қосқыш күйлерін таңдау үшін кіріс мүшелік функцияларын пайдаланатын 180 анық емес ережелерді топтайды.
Қорытындылау әдісі Мамадани әдісі арқылы орындалады. i-ші ереженің салмақ коэффициенті (\(\альфа_{i}\)) мына түрде берілген:
мұнда\(\mu Ai \left( {e\varphi } \оң)\),\(\mu Bi\left( {eT} \оң) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \оң) \) : Магнит ағынының мүшелік мәні, момент және статор ағыны бұрышының қателігі.
6-суретте (20) теңдеуде ұсынылған максималды әдісті пайдалана отырып, анық емес мәндерден алынған өткір мәндер көрсетілген.
Қозғалтқыштың тиімділігін арттыру арқылы ағын жылдамдығын арттыруға болады, бұл өз кезегінде күнделікті су айдауды арттырады (7-сурет). Келесі әдістеменің мақсаты жоғалтуды азайтуға негізделген стратегияны тікелей айналу моментін басқару әдісімен байланыстыру болып табылады.
Магнит ағынының мәні қозғалтқыштың тиімділігі үшін маңызды екені белгілі. Ағынның жоғары мәндері темір шығындарының жоғарылауына, сондай-ақ тізбектің магниттік қанығуына әкеледі. Керісінше, ағынның төмен деңгейлері жоғары Джоуль шығындарына әкеледі.
Сондықтан ИМ-дегі жоғалтулардың төмендеуі ағын деңгейін таңдауға тікелей байланысты.
Ұсынылған әдіс машинадағы статор орамдары арқылы өтетін токпен байланысты Джоуль шығындарын модельдеуге негізделген. Ол ротор ағынының мәнін оңтайлы мәнге келтіруден тұрады, осылайша тиімділікті арттыру үшін қозғалтқыштың жоғалуын азайтады. Джоуль шығындары келесідей көрсетуге болады (негізгі шығындарды есепке алмағанда):
Электромагниттік момент \(C_{em}\) және ротор ағыны\(\phi_{r}\) dq координаттар жүйесінде былай есептеледі:
Электромагниттік момент \(C_{em}\) және ротор ағыны\(\phi_{r}\) сілтемеде (d,q) мына түрде есептеледі:
(30) теңдеуін шешу арқылы ротордың оңтайлы ағынын және ең аз шығынды қамтамасыз ететін оптималды статор тогын таба аламыз:
Ұсынылған техниканың беріктігі мен өнімділігін бағалау үшін MATLAB/Simulink бағдарламалық жасақтамасы арқылы әртүрлі модельдеу орындалды. Зерттелетін жүйе тізбектей қосылған сегіз 230 Вт CSUN 235-60P панелінен (2-кесте) тұрады. Орталықтан тепкіш сорғы IM арқылы басқарылады және оның сипаттамалық параметрлері 3-кестеде көрсетілген. PV сорғы жүйесінің құрамдас бөліктері 4-кестеде көрсетілген.
Бұл бөлімде тұрақты ағын сілтемесі бар FDTC пайдаланатын фотоэлектрлік су айдау жүйесі бірдей жұмыс жағдайында оңтайлы ағынға (FDTCO) негізделген ұсынылған жүйемен салыстырылады. Екі фотоэлектрлік жүйенің өнімділігі келесі сценарийлерді қарастыру арқылы сыналған:
Бұл бөлім 1000 Вт/м2 инсоляция жылдамдығына негізделген сорғы жүйесінің ұсынылатын іске қосу күйін ұсынады. 8e-сурет электр жылдамдығының реакциясын көрсетеді. FDTC-пен салыстырғанда, ұсынылған әдіс 1,04 тұрақты күйге жететін жақсы көтерілу уақытын қамтамасыз етеді. s, және FDTC кезінде 1,93 с тұрақты күйге жетеді. 8f-суретте екі басқару стратегиясының айдалуы көрсетілген. FDTCO айдау көлемін арттыратынын көруге болады, бұл IM түрлендіретін энергияның жақсаруын түсіндіреді. 8g-суреттер және 8сағ тартылған статор тогын білдіреді. FDTC пайдаланатын іске қосу тогы 20 А, ал ұсынылған басқару стратегиясы Джоуль шығындарын азайтатын 10 А іске қосу тогын ұсынады. 8i және 8j суреттері дамыған статор ағынын көрсетеді. FDTC негізіндегі құрылғы PVPWS 1,2 Вт тұрақты эталондық ағынмен жұмыс істейді, ал ұсынылған әдісте эталондық ағын 1 А құрайды, ол фотоэлектрлік жүйенің тиімділігін арттыруға қатысады.
(а)Күнсәулелену (b) Қуатты алу (c) Жұмыс циклі (d) Тұрақты шинаның кернеуі (e) Ротор жылдамдығы (f) Айдау суы (g) FDTC үшін статор фазасының тогы (h) FDTCO үшін статор фазасының тогы (i) FLC көмегімен ағынның жауабы (j) FDTCO көмегімен ағынның жауабы (k) FDTC көмегімен статор ағынының траекториясы (l) FDTCO көмегімен статор ағынының траекториясы.
Theкүнсәулелену 3 секундта 1000-нан 700 Вт/м2-ге дейін, содан кейін 6 секундта 500 Вт/м2-ге дейін өзгерді (8а-сурет). 8б-суретте 1000 Вт/м2, 700 Вт/м2 және 500 Вт/м2 үшін сәйкес фотоэлектрлік қуат көрсетілген. .8c және 8d суреттері тиісінше жұмыс циклі мен тұрақты ток кернеуін суреттейді. 8e суреті IM электрлік жылдамдығын көрсетеді және біз ұсынылған техниканың FDTC негізіндегі фотоэлектрлік жүйемен салыстырғанда жақсырақ жылдамдық пен жауап беру уақытына ие екенін байқаймыз. 8f-сурет FDTC және FDTCO көмегімен алынған әр түрлі сәулелену деңгейлері үшін суды айдауды көрсетеді. FDTC-ге қарағанда FDTCO-мен көбірек айдауға қол жеткізуге болады. 8g және 8h суреттері FDTC әдісін және ұсынылған басқару стратегиясын пайдаланып модельденген ток жауаптарын көрсетеді. Ұсынылған басқару әдісін пайдалану арқылы , ток амплитудасы барынша азаяды, бұл мыс шығынын азайтады, осылайша жүйенің тиімділігін арттырады. Сондықтан жоғары іске қосу токтары машина өнімділігінің төмендеуіне әкелуі мүмкін.шығындарды азайтуды қамтамасыз ету үшін оңтайлы ағын, сондықтан ұсынылған әдістеме оның өнімділігін көрсетеді. 8i-суреттен айырмашылығы, ағын тұрақты, ол оңтайлы жұмысты көрсетпейді. 8k және 8l суреттері статор ағынының траекториясының эволюциясын көрсетеді. Сурет 8l ағынның оңтайлы дамуын көрсетеді және ұсынылған басқару стратегиясының негізгі идеясын түсіндіреді.
Кенеттен өзгеріскүнсәулелену 1000 Вт/м2 сәулеленуден басталып, 1,5 секундтан кейін 500 Вт/м2-ге дейін күрт төмендеген (9а-сурет). 9б-суретте 1000 Вт/м2 және 500 сәйкес фотоэлектрлік панельдерден алынған фотоэлектрлік қуат көрсетілген. Вт/м2. 9c және 9d суреттері тиісінше жұмыс циклі мен тұрақты ток кернеуін көрсетеді. 9e-суреттен көрініп тұрғандай, ұсынылған әдіс жақсырақ жауап беру уақытын қамтамасыз етеді. 9f-суретте екі басқару стратегиясы үшін алынған суды айдау көрсетілген. FDTCO-мен FDTC-пен салыстырғанда жоғары болды, FDTC-мен 0,009 м3/с салыстырғанда 1000 Вт/м2 сәулеленуде 0,01 м3/с айдау;Сонымен қатар, сәулелену 500 Вт болғанда /м2, FDTCO 0,0079 м3/с айдады, ал FDTC 0,0077 м3/с айдады. 9g және 9сағ суреттері. FDTC әдісін және ұсынылған басқару стратегиясын пайдаланып модельденген ағымдағы жауапты сипаттайды. Біз атап өтуге болады. ұсынылған басқару стратегиясы ағымдағы амплитуданың сәулеленудің күрт өзгеруі кезінде төмендейтінін көрсетеді, нәтижесінде мыс шығындары азаяды. 9j суретте шығындарды азайтуды қамтамасыз ету үшін оңтайлы ағынды таңдау мақсатында ағынның реакциясының эволюциясы көрсетілген, сондықтан ұсынылған әдістеме оның өнімділігін 1 Вт ағынымен және 1000 Вт/м2 сәулеленуімен суреттейді, бұл ретте ағын 0,83 Вт және сәулеленуі 500 Вт/м2. 9i-суреттен айырмашылығы, ағын 1,2 Вт тұрақты, бұл емес. оңтайлы функцияны білдіреді. 9k және 9l суреттері статор ағынының траекториясының эволюциясын көрсетеді. 9л-сурет ағынның оңтайлы дамуын көрсетеді және ұсынылған басқару стратегиясының негізгі идеясын және ұсынылған сорғы жүйесін жетілдіруді түсіндіреді.
(а)Күнсәулелену (b) алынатын қуат (c) жұмыс циклі (d) тұрақты шина кернеуі (e) ротордың жылдамдығы (f) су ағыны (g) FDTC үшін статор фазасының тогы (h) FDTCO үшін статор фазасының тогы (i) ) ағынның әрекеті FLC (j) FDTCO көмегімен ағынның жауабы (k) FDTC көмегімен статор ағынының траекториясы (l) FDTCO көмегімен статор ағынының траекториясы.
Ағынның мәні, ток амплитудасы және айдау тұрғысынан екі технологияның салыстырмалы талдауы 5-кестеде көрсетілген, бұл ұсынылған технология негізіндегі PVWPS айдау ағынының жоғарылауымен және амплитудалық ток пен шығындарды азайтумен жоғары өнімділікті қамтамасыз ететінін көрсетеді, бұл оңтайлы ағынды таңдау.
Ұсынылған басқару стратегиясын тексеру және сынау үшін STM32F4 тақтасы негізінде PIL сынағы орындалады. Ол ендірілген тақтаға жүктелетін және іске қосылатын генерациялау кодын қамтиды. Тақтада 1 Мбайт жарқылы, 168 МГц жиілігі бар 32 биттік микроконтроллер бар. тактілік жиілік, өзгермелі нүкте бірлігі, DSP нұсқаулары, 192 КБ SRAM. Осы сынақ кезінде STM32F4 табу аппараттық тақтасы негізінде жасалған кодты қамтитын басқару жүйесінде әзірленген PIL блогы жасалды және Simulink бағдарламалық құралына енгізілді. Рұқсат ету қадамдары STM32F4 тақтасы арқылы конфигурацияланатын PIL сынақтары 10-суретте көрсетілген.
STM32F4 көмегімен бірлескен симуляциялық PIL сынағы ұсынылған техниканы тексеру үшін арзан әдіс ретінде пайдаланылуы мүмкін. Бұл мақалада ең жақсы анықтамалық ағынды қамтамасыз ететін оңтайландырылған модуль STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4) жүйесінде жүзеге асырылады.
Соңғысы Simulink-пен бір мезгілде орындалады және ұсынылған PVWPS әдісін пайдалана отырып, бірлескен модельдеу кезінде ақпаратпен алмасады. 12-суретте STM32F4 жүйесінде оңтайландыру технологиясының ішкі жүйесін іске асыру көрсетілген.
Бұл бірлескен модельдеуде тек ұсынылған оңтайлы анықтамалық ағынның техникасы көрсетілген, өйткені ол фотоэлектрлік су айдау жүйесінің басқару тәртібін көрсететін осы жұмыс үшін негізгі басқару айнымалысы болып табылады.
Жіберу уақыты: 15 сәуір 2022 ж
