Nos últimos anos, as melloras na eficiencia dos sistemas de bombeo de auga fotovoltaico (PVWPS) atraeron un gran interese entre os investigadores, xa que o seu funcionamento baséase na produción de enerxía eléctrica limpa. Neste artigo, desenvólvese un novo enfoque baseado en controlador de lóxica difusa para PVWPS. aplicacións que incorpora técnicas de minimización de perdas aplicadas a motores de indución (IM).O control proposto selecciona a magnitude de fluxo óptima minimizando as perdas de IM. Ademais, tamén se introduce o método de observación de perturbacións de paso variable. Recoñécese a idoneidade do control proposto por reducindo a corrente do sumidoiro;polo tanto, as perdas do motor son minimizadas e mellórase a eficiencia. A estratexia de control proposta compárase con métodos sen minimizar as perdas. Os resultados da comparación ilustran a eficacia do método proposto, que se basea na minimización das perdas de velocidade eléctrica, corrente absorbida, fluxo. auga e o fluxo de desenvolvemento.Realizase unha proba de procesador en bucle (PIL) como proba experimental do método proposto. Inclúe a implementación do código C xerado na placa de descubrimento STM32F4.Os resultados obtidos a partir do método embebido. placa son similares aos resultados da simulación numérica.
Enerxías renovables, especialmentesolartecnoloxía fotovoltaica, pode ser unha alternativa máis limpa aos combustibles fósiles nos sistemas de bombeo de auga1,2.Os sistemas de bombeo fotovoltaico recibiron unha atención considerable en zonas remotas sen electricidade3,4.
En aplicacións de bombeo fotovoltaico utilízanse varios motores. A etapa principal do PVWPS baséase en motores de corrente continua. Estes motores son fáciles de controlar e implementar, pero requiren un mantemento regular debido á presenza dos anotadores e escobillas5. Para superar esta deficiencia, sen escobillas. introducíronse motores de imáns permanentes, que se caracterizan por ter unha alta eficiencia e fiabilidade sen escobillas6. En comparación con outros motores, o PVWPS baseado en IM ten un mellor rendemento porque este motor é fiable, de baixo custo, sen mantemento e ofrece máis posibilidades de estratexias de control7. .Utilízanse habitualmente técnicas de control orientado ao campo indirecto (IFOC) e métodos de control directo de par (DTC)8.
IFOC foi desenvolvido por Blaschke e Hasse e permite cambiar a velocidade IM nun amplo intervalo9,10.A corrente do estator divídese en dúas partes, unha xera o fluxo magnético e a outra xera o par converténdose no sistema de coordenadas dq. Isto permite control independente do fluxo e do par en condicións dinámicas e de estado estacionario. O eixe (d) está aliñado co vector espacial do fluxo do rotor, o que implica que a compoñente do eixe q do vector espacial do fluxo do rotor sexa sempre cero. O FOC proporciona unha resposta boa e máis rápida11 ,12, con todo, este método é complexo e está suxeito a variacións de parámetros13.Para superar estas deficiencias, Takashi e Noguchi14 introduciron DTC, que ten un alto rendemento dinámico e é robusto e menos sensible aos cambios de parámetros.No DTC, o par electromagnético e o fluxo do estator. contrólanse restando o fluxo do estator e o par das estimacións correspondentes. O resultado introdúcese nun comparador de histérese para xerar o vector de tensión adecuado para controlartanto o fluxo do estator como o par.
O principal inconveniente desta estratexia de control son as grandes flutuacións de par e fluxo debido ao uso de reguladores de histérese para o fluxo do estator e a regulación do par electromagnético15,42.Usanse conversores multinivel para minimizar a ondulación, pero a eficiencia redúcese polo número de interruptores de potencia16. Varios autores utilizaron a modulación de vectores espaciais (SWM)17, o control de modo deslizante (SMC)18, que son técnicas poderosas pero que sofren efectos de trepidación indesexables19. Moitos investigadores utilizaron técnicas de intelixencia artificial para mellorar o rendemento do controlador, entre elas, (1) neuronal. redes, unha estratexia de control que require procesadores de alta velocidade para implementar20, e (2) algoritmos xenéticos21.
O control difuso é robusto, axeitado para estratexias de control non lineais e non require coñecemento do modelo exacto. Inclúe o uso de bloques de lóxica difusa en lugar de controladores histeréticos e táboas de selección de interruptores para reducir o fluxo e a ondulación do par. Cabe sinalar que Os DTC baseados en FLC proporcionan un mellor rendemento22, pero non o suficiente para maximizar a eficiencia do motor, polo que son necesarias técnicas de optimización do bucle de control.
Na maioría dos estudos anteriores, os autores escolleron o fluxo constante como fluxo de referencia, pero esta elección de referencia non representa unha práctica óptima.
Os accionamentos de motor de alto rendemento e alta eficiencia requiren unha resposta rápida e precisa de velocidade. Por outra banda, para algunhas operacións, o control pode non ser óptimo, polo que non se pode optimizar a eficiencia do sistema de accionamento. Pódese obter un mellor rendemento usando unha referencia de fluxo variable durante o funcionamento do sistema.
Moitos autores propuxeron un controlador de busca (SC) que minimiza as perdas en diferentes condicións de carga (como in27) para mellorar a eficiencia do motor. A técnica consiste en medir e minimizar a potencia de entrada mediante unha referencia de corrente iterativa do eixe d ou o fluxo do estator. referencia.Non obstante, este método introduce ondas de torque debido ás oscilacións presentes no fluxo do espazo de aire, e a implementación deste método leva moito tempo e é unha gran cantidade de recursos computacionais.A optimización do enxame de partículas tamén se usa para mellorar a eficiencia28, pero esta técnica pode quedar atrapado nos mínimos locais, o que leva a unha mala selección dos parámetros de control29.
Neste traballo proponse unha técnica relacionada co FDTC para seleccionar o fluxo magnético óptimo reducindo as perdas do motor. Esta combinación garante a capacidade de utilizar o nivel de fluxo óptimo en cada punto de operación, aumentando así a eficiencia do sistema de bombeo de auga fotovoltaico proposto. Polo tanto, parece ser moi conveniente para aplicacións de bombeo de auga fotovoltaica.
Ademais, realízase unha proba de procesador no bucle do método proposto utilizando a placa STM32F4 como validación experimental. As principais vantaxes deste núcleo son a simplicidade de implementación, o baixo custo e a non necesidade de desenvolver programas complexos 30 .Ademais. , a tarxeta de conversión USB-UART FT232RL está asociada ao STM32F4, que garante unha interface de comunicación externa para establecer un porto serie virtual (porto COM) no ordenador. Este método permite transmitir datos a altas velocidades de transmisión.
O rendemento de PVWPS mediante a técnica proposta compárase cos sistemas fotovoltaicos sen minimizar as perdas en diferentes condicións de funcionamento. Os resultados obtidos mostran que o sistema de bomba de auga fotovoltaica proposto é mellor para minimizar a corrente do estator e as perdas de cobre, optimizando o fluxo e bombeando auga.
O resto do traballo estrutúrase do seguinte xeito: A modelización do sistema proposto dáse no apartado “Modelado de Sistemas Fotovoltaicos”. No apartado “Estratexia de control do sistema estudado”, FDTC, a estratexia de control proposta e a técnica MPPT. descríbense en detalle.Os resultados descríbense na sección "Resultados de simulación". Na sección "Probas PIL coa placa de descubrimento STM32F4", descríbense as probas do procesador no bucle. As conclusións deste documento preséntanse na sección " sección Conclusións”.
A figura 1 mostra a configuración do sistema proposta para un sistema de bombeo de auga fotovoltaico autónomo. O sistema consta dunha bomba centrífuga baseada en IM, unha matriz fotovoltaica, dous conversores de potencia [conversor de aumento e inversor de fonte de tensión (VSI)]. Nesta sección , preséntase a modelización do sistema de bombeo de auga fotovoltaico estudado.
Este documento adopta o modelo dun só díodosolarcélulas fotovoltaicas. As características da célula fotovoltaica denotanse con 31, 32 e 33.
Para realizar a adaptación utilízase un conversor boost. A relación entre as tensións de entrada e saída do conversor DC-DC vén dada pola ecuación 34 seguinte:
O modelo matemático de IM pódese describir no marco de referencia (α,β) mediante as seguintes ecuacións 5,40:
Onde \(l_{s }\),\(l_{r}\): inductancia do estator e do rotor, M: inductancia mutua, \(R_{s }\), \(I_{s }\): resistencia do estator e Corrente do estator, \(R_{r}\), \(I_{r }\): resistencia do rotor e corrente do rotor, \(\phi_{s}\), \(V_{s}\): fluxo do estator e estator voltaxe , \(\phi_{r}\), \(V_{r}\): fluxo do rotor e tensión do rotor.
O par de carga da bomba centrífuga proporcional ao cadrado da velocidade IM pódese determinar por:
O control do sistema de bomba de auga proposto divídese en tres subseccións distintas. A primeira parte trata sobre a tecnoloxía MPPT. A segunda parte trata da condución do IM baseado no control directo de par do controlador de lóxica difusa. Ademais, a Sección III describe unha técnica relacionada con DTC baseado en FLC que permite a determinación de fluxos de referencia.
Neste traballo, utilízase unha técnica de P&O de paso variable para rastrexar o punto de máxima potencia. Caracterízase por un seguimento rápido e unha baixa oscilación (Figura 2)37,38,39.
A idea principal do DTC é controlar directamente o fluxo e o par da máquina, pero o uso de reguladores de histérese para a regulación do par electromagnético e do fluxo do estator produce un alto par e unha ondulación do fluxo. Polo tanto, introdúcese unha técnica de desenfoque para mellorar o método DTC (Fig. 7), eo FLC pode desenvolver suficientes estados vectoriais do inversor.
Neste paso, a entrada transfórmase en variables difusas mediante funcións de pertenza (MF) e termos lingüísticos.
As tres funcións de pertenza para a primeira entrada (εφ) son negativas (N), positivas (P) e cero (Z), como se mostra na Figura 3.
As cinco funcións de pertenza para a segunda entrada (\(\varepsilon\)Tem) son Negativo Grande (NL) Negativo Pequeno (NS) Cero (Z) Positivo Pequeno (PS) e Positivo Grande (PL), como se mostra na Figura 4.
A traxectoria do fluxo do estator consta de 12 sectores, nos que o conxunto difuso está representado por unha función de pertenza triangular isósceles, como se mostra na Figura 5.
A táboa 1 agrupa 180 regras difusas que usan as funcións de pertenza de entrada para seleccionar os estados de conmutación apropiados.
O método de inferencia realízase mediante a técnica de Mamdani. O factor de peso (\(\alpha_{i}\)) da regra i-ésima vén dado por:
onde\(\mu Ai \left({e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left({eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left(\theta\right) \): Valor de pertenencia do erro magnético, do par e do ángulo de fluxo do estator.
A figura 6 ilustra os valores nítidos obtidos a partir dos valores difusos utilizando o método máximo proposto pola ecuación (20).
Ao aumentar a eficiencia do motor, pódese aumentar o caudal, o que á súa vez aumenta o bombeo diario de auga (Figura 7). O propósito da seguinte técnica é asociar unha estratexia baseada na minimización de perdas cun método de control directo de par.
É ben sabido que o valor do fluxo magnético é importante para a eficiencia do motor. Os altos valores de fluxo conducen a un aumento das perdas de ferro e da saturación magnética do circuíto. Pola contra, os niveis de fluxo baixos dan lugar a altas perdas en Joule.
Polo tanto, a redución das perdas en IM está directamente relacionada coa elección do nivel de fluxo.
O método proposto baséase no modelado das perdas en Joule asociadas á corrente que circula polos devanados do estator na máquina. Consiste en axustar o valor do fluxo do rotor a un valor óptimo, minimizando así as perdas do motor para aumentar a eficiencia. pódese expresar do seguinte xeito (ignorando as perdas do núcleo):
O par electromagnético\(C_{em}\) e o fluxo do rotor\(\phi_{r}\) calcúlanse no sistema de coordenadas dq como:
O par electromagnético\(C_{em}\) e o fluxo do rotor\(\phi_{r}\) calcúlanse na referencia (d,q) como:
resolvendo a ecuación.(30), podemos atopar a corrente óptima do estator que garante o fluxo óptimo do rotor e as perdas mínimas:
Realizáronse diferentes simulacións mediante o software MATLAB/Simulink para avaliar a robustez e o rendemento da técnica proposta. O sistema investigado consta de oito paneis CSUN 235-60P de 230 W (táboa 2) conectados en serie. A bomba centrífuga é accionada por IM, e os seus parámetros característicos móstranse na táboa 3.Os compoñentes do sistema de bombeo fotovoltaico móstranse na táboa 4.
Nesta sección, compárase un sistema de bombeo de auga fotovoltaico que utiliza FDTC cunha referencia de fluxo constante cun sistema proposto baseado nun fluxo óptimo (FDTCO) nas mesmas condicións de funcionamento. Probouse o rendemento de ambos sistemas fotovoltaicos considerando os seguintes escenarios:
Esta sección presenta o estado de arranque proposto do sistema de bomba baseado nunha taxa de insolación de 1000 W/m2. A figura 8e ilustra a resposta á velocidade eléctrica. En comparación co FDTC, a técnica proposta proporciona un mellor tempo de subida, alcanzando o estado estacionario en 1,04. s, e con FDTC, alcanzando o estado estacionario a 1,93 s.A figura 8f mostra o bombeo das dúas estratexias de control.Pódese ver que o FDTCO aumenta a cantidade de bombeo, o que explica a mellora da enerxía convertida polo IM.Figuras 8g e 8h representan a corrente de arranque do estator. A corrente de arranque usando o FDTC é de 20 A, mentres que a estratexia de control proposta suxire unha corrente de arranque de 10 A, o que reduce as perdas en Joule. As figuras 8i e 8j mostran o fluxo do estator desenvolvido. PVPWS opera a un fluxo de referencia constante de 1,2 Wb, mentres que no método proposto, o fluxo de referencia é de 1 A, o que intervén na mellora da eficiencia do sistema fotovoltaico.
(a)Solarradiación (b) Extracción de potencia (c) Ciclo de traballo (d) Tensión do bus de CC (e) Velocidade do rotor (f) Bombeo de auga (g) Intensidade de fase do estator para FDTC (h) Corrente de fase do estator para FDTCO (i) Resposta ao fluxo mediante FLC (j) Resposta do fluxo usando FDTCO (k) Traxectoria do fluxo do estator usando FDTC (l) Traxectoria do fluxo do estator usando FDTCO.
Osolara radiación variou de 1000 a 700 W/m2 en 3 segundos e despois a 500 W/m2 en 6 segundos (Fig. 8a). A figura 8b mostra a potencia fotovoltaica correspondente para 1000 W/m2, 700 W/m2 e 500 W/m2. .As figuras 8c e 8d ilustran o ciclo de traballo e a tensión do enlace DC, respectivamente. A figura 8e ilustra a velocidade eléctrica de IM, e podemos notar que a técnica proposta ten unha mellor velocidade e tempo de resposta en comparación co sistema fotovoltaico baseado en FDTC.Figura 8f mostra o bombeo de auga para diferentes niveis de irradiancia obtidos usando FDTC e FDTCO. Pódese conseguir máis bombeo con FDTCO que con FDTC. As figuras 8g e 8h ilustran as respostas de corrente simuladas usando o método FDTC e a estratexia de control proposta. Usando a técnica de control proposta , a amplitude de corrente redúcese ao mínimo, o que significa menos perdas de cobre, aumentando así a eficiencia do sistema. Polo tanto, as correntes de arranque elevadas poden levar a un rendemento reducido da máquina. A figura 8j mostra a evolución da resposta do fluxo para seleccionar ofluxo óptimo para garantir que se minimicen as perdas, polo tanto, a técnica proposta ilustra o seu rendemento.A diferenza da figura 8i, o fluxo é constante, o que non representa un funcionamento óptimo.As figuras 8k e 8l mostran a evolución da traxectoria do fluxo do estator.Figura 8l ilustra o desenvolvemento óptimo do fluxo e explica a idea principal da estratexia de control proposta.
Un cambio repentino ensolaraplicouse a radiación, comezando cunha irradiación de 1000 W/m2 e descendendo bruscamente ata 500 W/m2 despois de 1,5 s (Fig. 9a).A Figura 9b mostra a potencia fotovoltaica extraída dos paneis fotovoltaicos, correspondente a 1000 W/m2 e 500 W/m2. As figuras 9c e 9d ilustran o ciclo de traballo e a tensión do enlace DC, respectivamente. Como se pode ver na figura 9e, o método proposto proporciona un mellor tempo de resposta. A figura 9f mostra o bombeo de auga obtido para as dúas estratexias de control. Bombeo con FDTCO foi maior que con FDTC, bombeando 0,01 m3/s a 1000 W/m2 de irradiación en comparación con 0,009 m3/s con FDTC;ademais, cando a irradiancia era de 500 W/m2, FDTCO bombeou 0,0079 m3/s, mentres que FDTC bombeou 0,0077 m3/s. Figuras 9g e 9h. Describe a resposta actual simulada mediante o método FDTC e a estratexia de control proposta. a estratexia de control proposta mostra que a amplitude actual redúcese baixo cambios bruscos de irradiancia, o que resulta en perdas de cobre reducidas. A figura 9j mostra a evolución da resposta do fluxo co fin de escoller o fluxo óptimo para garantir que as perdas sexan minimizadas, polo tanto, a técnica proposta ilustra o seu rendemento cun fluxo de 1 Wb e unha irradiación de 1000 W/m2, mentres que O fluxo é de 0,83 Wb e a irradiancia é de 500 W/m2. En contraste coa figura 9i, o fluxo é constante a 1,2 Wb, o que non Representan a función óptima. As figuras 9k e 9l mostran a evolución da traxectoria do fluxo do estator. A figura 9l ilustra o desenvolvemento óptimo do fluxo e explica a idea principal da estratexia de control proposta e a mellora do sistema de bombeo proposto.
(a)Solarradiación (b) Potencia extraída (c) Ciclo de traballo (d) Tensión do bus de CC (e) Velocidade do rotor (f) Caudal de auga (g) Corrente de fase do estator para FDTC (h) Corrente de fase do estator para FDTCO (i) ) Resposta do fluxo usando FLC (j) Resposta ao fluxo mediante FDTCO (k) Traxectoria do fluxo do estator mediante FDTC (l) Traxectoria do fluxo do estator mediante FDTCO.
Na Táboa 5 móstrase unha análise comparativa das dúas tecnoloxías en termos de valor de fluxo, amplitude de corrente e bombeo, que mostra que o PVWPS baseado na tecnoloxía proposta proporciona un alto rendemento cun aumento do fluxo de bombeo e unha amplitude de corrente e perdas minimizadas, o que é debido. para a selección óptima do fluxo.
Para verificar e probar a estratexia de control proposta, realízase unha proba PIL baseada na placa STM32F4. Inclúe a xeración de código que se cargará e executará na placa integrada. A placa contén un microcontrolador de 32 bits con 1 MB de flash, 168 MHz. frecuencia de reloxo, unidade de coma flotante, instrucións DSP, 192 KB SRAM. Durante esta proba, creouse un bloque PIL desenvolvido no sistema de control que contén o código xerado baseado na placa de hardware de descubrimento STM32F4 e introducido no software Simulink. Os pasos para permitir Na Figura 10 móstranse as probas PIL que se deben configurar mediante a tarxeta STM32F4.
As probas PIL de co-simulación mediante STM32F4 pódense utilizar como unha técnica de baixo custo para verificar a técnica proposta. Neste traballo, o módulo optimizado que proporciona o mellor fluxo de referencia implícase no STMicroelectronics Discovery Board (STM32F4).
Este último execútase ao mesmo tempo con Simulink e intercambia información durante a cosimulación mediante o método PVWPS proposto. A figura 12 ilustra a implementación do subsistema de tecnoloxía de optimización en STM32F4.
Nesta co-simulación só se mostra a técnica de fluxo de referencia óptimo proposta, xa que é a principal variable de control para este traballo que demostra o comportamento de control dun sistema de bombeo de auga fotovoltaico.
Hora de publicación: 15-Abr-2022
