طراحی و پیاده‌سازی کنترل بهبود یافته برای سیستم پمپ تغذیه فتوولتائیک خورشیدی مبتنی بر IM توسط پردازنده در حلقه

در سال‌های اخیر، بهبود کارایی سیستم‌های پمپاژ آب فتوولتائیک (PVWPS) توجه زیادی را در بین محققان به خود جلب کرده است، زیرا عملکرد آنها بر اساس تولید انرژی الکتریکی پاک است. در این مقاله، یک رویکرد جدید مبتنی بر کنترل‌کننده منطق فازی برای PVWPS توسعه داده شده است. کاربردهایی که شامل تکنیک های کمینه سازی تلفات به کار رفته در موتورهای القایی (IM) است. کنترل پیشنهادی با به حداقل رساندن تلفات IM، مقدار شار بهینه را انتخاب می کند. علاوه بر این، روش مشاهده اغتشاش گام متغیر نیز معرفی شده است. مناسب بودن کنترل پیشنهادی توسط کاهش جریان سینک؛بنابراین، تلفات موتور به حداقل می‌رسد و راندمان بهبود می‌یابد. استراتژی کنترل پیشنهادی با روش‌های بدون کمینه‌سازی تلفات مقایسه می‌شود. نتایج مقایسه اثربخشی روش پیشنهادی را نشان می‌دهد که مبتنی بر به حداقل رساندن تلفات در سرعت الکتریکی، جریان جذبی، جریان است. آب، و شار در حال توسعه. آزمایش پردازنده در حلقه (PIL) به عنوان یک آزمایش تجربی از روش پیشنهادی انجام می‌شود. شامل اجرای کد C تولید شده بر روی برد اکتشاف STM32F4 است. نتایج به‌دست‌آمده از تعبیه‌شده صفحه مشابه نتایج شبیه سازی عددی است.
به ویژه انرژی های تجدید پذیرخورشیدیفن آوری فتوولتائیک می تواند جایگزین پاک تری برای سوخت های فسیلی در سیستم های پمپاژ آب باشد.
موتورهای مختلفی در کاربردهای پمپاژ PV استفاده می شود. مرحله اولیه PVWPS مبتنی بر موتورهای DC است. کنترل و پیاده سازی این موتورها آسان است، اما به دلیل وجود حاشیه نویس ها و برس ها نیاز به تعمیر و نگهداری منظم دارند.5 برای رفع این نقص، بدون جاروبک موتورهای آهنربای دائمی معرفی شدند که با براشلس، راندمان بالا و قابلیت اطمینان مشخص می شوند. در مقایسه با سایر موتورها، PVWPS مبتنی بر IM عملکرد بهتری دارد زیرا این موتور قابل اعتماد، کم هزینه، بدون نیاز به تعمیر و نگهداری است و امکانات بیشتری را برای استراتژی های کنترل ارائه می دهد. تکنیک های کنترل میدان گرا غیر مستقیم (IFOC) و روش های کنترل گشتاور مستقیم (DTC) معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند.
IFOC توسط Blaschke و Hasse توسعه داده شده است و اجازه می دهد تا سرعت IM را در یک محدوده وسیع تغییر دهید. کنترل مستقل شار و گشتاور تحت شرایط پایدار و دینامیکی. محور (d) با بردار فضای شار روتور تراز است، که شامل مولفه محور q بردار فضای شار روتور همیشه صفر است. FOC پاسخ خوب و سریع‌تری را ارائه می‌کند11 12، با این حال، این روش پیچیده است و در معرض تغییرات پارامترها است. برای غلبه بر این کاستی ها، تاکاشی و نوگوچی14 DTC را معرفی کردند که عملکرد دینامیکی بالایی دارد و نسبت به تغییرات پارامتر مقاوم است و حساسیت کمتری دارد. در DTC، گشتاور الکترومغناطیسی و شار استاتور با کم کردن شار استاتور و گشتاور از تخمین های مربوطه کنترل می شوند. نتیجه به یک مقایسه کننده پسماند برای تولید بردار ولتاژ مناسب برای کنترل وارد می شود.هم شار استاتور و هم گشتاور.

ناراحتی اصلی این استراتژی کنترل، نوسانات زیاد گشتاور و شار به دلیل استفاده از تنظیم‌کننده‌های پسماند برای شار استاتور و تنظیم گشتاور الکترومغناطیسی است. مبدل‌های چندسطحی برای به حداقل رساندن ریپل استفاده می‌شوند، اما راندمان با تعداد سوئیچ‌های قدرت کاهش می‌یابد. چندین نویسنده از مدولاسیون برداری فضا (SWM)17، کنترل حالت لغزشی (SMC)18 استفاده کرده‌اند که تکنیک‌های قدرتمندی هستند اما از اثرات لرزش نامطلوب رنج می‌برند19. بسیاری از محققان از تکنیک‌های هوش مصنوعی برای بهبود عملکرد کنترل‌کننده استفاده کرده‌اند، از جمله، (1) عصبی شبکه‌ها، یک استراتژی کنترلی که برای پیاده‌سازی به پردازنده‌های پرسرعت نیاز دارد، و (2) الگوریتم‌های ژنتیک21.
کنترل فازی قوی است، برای استراتژی های کنترل غیرخطی مناسب است و نیازی به دانش مدل دقیق ندارد. این شامل استفاده از بلوک های منطق فازی به جای کنترل کننده های هیسترتیک و جداول انتخاب سوئیچ برای کاهش موج شار و گشتاور است. شایان ذکر است که DTC های مبتنی بر FLC عملکرد بهتری را ارائه می دهند، اما برای به حداکثر رساندن کارایی موتور کافی نیستند، بنابراین تکنیک های بهینه سازی حلقه کنترل مورد نیاز است.
در اکثر مطالعات قبلی، نویسندگان شار ثابت را به عنوان شار مرجع انتخاب کردند، اما این انتخاب مرجع نشان دهنده عملکرد بهینه نیست.
درایوهای موتور با کارایی بالا و راندمان بالا نیاز به پاسخ سریع و دقیق سرعت دارند. از طرف دیگر، برای برخی از عملیات، کنترل ممکن است بهینه نباشد، بنابراین راندمان سیستم درایو را نمی توان بهینه کرد. با استفاده از آن می توان عملکرد بهتری به دست آورد. یک مرجع شار متغیر در طول عملیات سیستم.
بسیاری از نویسندگان یک کنترل کننده جستجو (SC) پیشنهاد کرده اند که تلفات را تحت شرایط بار مختلف (مانند در 27) به حداقل می رساند تا کارایی موتور را بهبود بخشد. این تکنیک شامل اندازه گیری و به حداقل رساندن توان ورودی توسط مرجع جریان تکراری محور d یا شار استاتور است. مرجع. با این حال، این روش موج گشتاور را به دلیل نوسانات موجود در شار شکاف هوا معرفی می کند و اجرای این روش زمان بر و از نظر محاسباتی منابع فشرده است. بهینه سازی ازدحام ذرات نیز برای بهبود کارایی استفاده می شود، اما این تکنیک می تواند گیر کردن در حداقل های محلی، منجر به انتخاب ضعیف پارامترهای کنترل می شود.
در این مقاله، یک تکنیک مربوط به FDTC برای انتخاب شار مغناطیسی بهینه با کاهش تلفات موتور پیشنهاد شده است. این ترکیب توانایی استفاده از سطح شار بهینه را در هر نقطه عملیاتی تضمین می‌کند و در نتیجه راندمان سیستم پمپاژ آب فتوولتائیک پیشنهادی را افزایش می‌دهد. بنابراین، به نظر می رسد برای کاربردهای پمپاژ آب فتوولتائیک بسیار مناسب باشد.
علاوه بر این، یک آزمون پردازنده در حلقه روش پیشنهادی با استفاده از برد STM32F4 به عنوان اعتبار سنجی آزمایشی انجام می‌شود. از مزایای اصلی این هسته می‌توان به سادگی اجرا، هزینه کم و عدم نیاز به توسعه برنامه‌های پیچیده اشاره کرد. ، برد تبدیل FT232RL USB-UART با STM32F4 مرتبط است که یک رابط ارتباطی خارجی را به منظور ایجاد یک پورت سریال مجازی (پورت COM) بر روی رایانه تضمین می کند. این روش اجازه می دهد تا داده ها با نرخ باود بالا منتقل شوند.

عملکرد PVWPS با استفاده از روش پیشنهادی با سیستم‌های PV بدون کمینه‌سازی تلفات در شرایط عملیاتی مختلف مقایسه می‌شود. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که سیستم پمپ آب فتوولتائیک پیشنهادی در به حداقل رساندن تلفات جریان استاتور و مس، بهینه‌سازی شار و پمپاژ آب بهتر است.
ساختار بقیه مقاله به شرح زیر است: مدل سازی سیستم پیشنهادی در بخش "مدل سازی سیستم های فتوولتائیک" آورده شده است. به تفصیل شرح داده شده است. یافته‌ها در بخش «نتایج شبیه‌سازی» مورد بحث قرار می‌گیرند. در بخش «تست PIL با برد اکتشاف STM32F4»، آزمایش پردازنده در حلقه توضیح داده شده است. بخش نتیجه گیری
شکل 1 پیکربندی سیستم پیشنهادی را برای یک سیستم پمپاژ آب PV مستقل نشان می دهد. این سیستم از یک پمپ گریز از مرکز مبتنی بر IM، یک آرایه فتوولتائیک، دو مبدل قدرت [مبدل تقویت کننده و اینورتر منبع ولتاژ (VSI)] تشکیل شده است. مدلسازی سیستم پمپاژ آب فتوولتائیک مورد مطالعه ارائه شده است.
این مقاله مدل تک دیودی را اتخاذ می کندخورشیدیسلول های فتوولتائیک: ویژگی های سلول PV با اعداد 31، 32 و 33 نشان داده می شود.
برای انجام تطبیق، یک مبدل تقویت کننده استفاده می شود. رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی مبدل DC-DC در رابطه 34 در زیر آورده شده است:
مدل ریاضی IM را می توان در چارچوب مرجع (α، β) با معادلات 5،40 زیر توصیف کرد:
جایی که \(l_{s }\)،\(l_{r}\): اندوکتانس استاتور و روتور، M: اندوکتانس متقابل، \(R_{s }\)، \(I_{s }\): مقاومت استاتور و جریان استاتور، \(R_{r}\)، \(I_{r }\): مقاومت روتور و جریان روتور، \(\phi_{s}\)، \(V_{s}\): شار استاتور و استاتور ولتاژ، \(\phi_{r}\)، \(V_{r}\): شار روتور و ولتاژ روتور.
گشتاور بار پمپ گریز از مرکز متناسب با مجذور سرعت IM را می توان با موارد زیر تعیین کرد:
کنترل سیستم پمپ آب پیشنهادی به سه زیربخش مجزا تقسیم می‌شود. بخش اول به فناوری MPPT می‌پردازد. بخش دوم به هدایت IM بر اساس کنترل گشتاور مستقیم کنترل‌کننده منطق فازی می‌پردازد. علاوه بر این، بخش III یک تکنیک مربوط به DTC مبتنی بر FLC که امکان تعیین شارهای مرجع را فراهم می کند.
در این کار، یک تکنیک P&O مرحله متغیر برای ردیابی نقطه توان حداکثر استفاده می‌شود. این تکنیک با ردیابی سریع و نوسان کم مشخص می‌شود (شکل 2) 37،38،39.
ایده اصلی DTC کنترل مستقیم شار و گشتاور دستگاه است، اما استفاده از رگولاتورهای هیسترزیس برای گشتاور الکترومغناطیسی و تنظیم شار استاتور منجر به گشتاور و موج شار بالا می‌شود. بنابراین، یک تکنیک محو کردن برای تقویت روش DTC (شکل 7) و FLC می تواند حالات بردار اینورتر کافی را ایجاد کند.
در این مرحله، ورودی از طریق توابع عضویت (MF) و اصطلاحات زبانی به متغیرهای فازی تبدیل می‌شود.
سه تابع عضویت برای اولین ورودی (εφ) منفی (N)، مثبت (P) و صفر (Z) هستند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.
پنج تابع عضویت برای ورودی دوم (\(\varepsilon\)Tem) منفی بزرگ (NL) منفی کوچک (NS) صفر (Z) مثبت کوچک (PS) و مثبت بزرگ (PL) هستند، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.
مسیر شار استاتور از 12 بخش تشکیل شده است که در آن مجموعه فازی با یک تابع عضویت مثلثی متساوی الساقین نشان داده می شود، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.
جدول 1 180 قانون فازی را گروه بندی می کند که از توابع عضویت ورودی برای انتخاب حالت های سوئیچ مناسب استفاده می کنند.
روش استنتاج با استفاده از تکنیک ممدانی انجام می شود. ضریب وزن (\(\alpha_{i}\)) قانون i به صورت زیر بدست می آید:
where\(\mu Ai \left( {e\varphi } \right)\),\(\mu Bi\left( {eT} \right) ,\) \(\mu Ci\left( \theta \right) \) : مقدار عضویت شار مغناطیسی، گشتاور و خطای زاویه شار استاتور.
شکل 6 مقادیر تیز به دست آمده از مقادیر فازی را با استفاده از حداکثر روش پیشنهادی معادله (20) نشان می دهد.
با افزایش راندمان موتور، نرخ جریان را می توان افزایش داد، که به نوبه خود پمپاژ روزانه آب را افزایش می دهد (شکل 7). هدف از تکنیک زیر مرتبط کردن یک استراتژی مبتنی بر حداقل سازی تلفات با روش کنترل گشتاور مستقیم است.
به خوبی شناخته شده است که مقدار شار مغناطیسی برای کارایی موتور مهم است. مقادیر بالای شار منجر به افزایش تلفات آهن و همچنین اشباع مغناطیسی مدار می شود. برعکس، سطوح پایین شار باعث تلفات ژول بالا می شود.
بنابراین کاهش تلفات در IM ارتباط مستقیمی با انتخاب سطح شار دارد.
روش پیشنهادی مبتنی بر مدل‌سازی تلفات ژول مرتبط با جریان عبوری از سیم‌پیچ‌های استاتور در دستگاه است. این روش شامل تنظیم مقدار شار روتور به مقدار بهینه است، در نتیجه تلفات موتور برای افزایش راندمان به حداقل می‌رسد. تلفات ژول. را می توان به صورت زیر بیان کرد (با نادیده گرفتن تلفات اصلی):
گشتاور الکترومغناطیسی\(C_{em}\) و شار روتور\(\phi_{r}\) در سیستم مختصات dq به صورت زیر محاسبه می‌شوند:
گشتاور الکترومغناطیسی\(C_{em}\) و شار روتور\(\phi_{r}\) در مرجع (d,q) به صورت زیر محاسبه می‌شوند:
با حل معادله (30)، می‌توانیم جریان بهینه استاتور را پیدا کنیم که شار روتور بهینه و حداقل تلفات را تضمین می‌کند:
شبیه‌سازی‌های مختلفی با استفاده از نرم‌افزار MATLAB/Simulink برای ارزیابی استحکام و عملکرد تکنیک پیشنهادی انجام شد. سیستم مورد بررسی شامل هشت پنل 230 W CSUN 235-60P (جدول 2) است که به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند. پمپ گریز از مرکز توسط IM هدایت می‌شود و پارامترهای مشخصه آن در جدول 3 نشان داده شده است. اجزای سیستم پمپاژ PV در جدول 4 نشان داده شده است.
در این بخش، یک سیستم پمپاژ آب فتوولتائیک با استفاده از FDTC با یک مرجع شار ثابت با یک سیستم پیشنهادی مبتنی بر شار بهینه (FDTCO) در شرایط عملیاتی یکسان مقایسه شده است. عملکرد هر دو سیستم فتوولتائیک با در نظر گرفتن سناریوهای زیر مورد آزمایش قرار گرفت:
این بخش وضعیت راه‌اندازی پیشنهادی سیستم پمپ را بر اساس نرخ تابش 1000 W/m2 ارائه می‌کند. شکل 8e پاسخ سرعت الکتریکی را نشان می‌دهد. در مقایسه با FDTC، تکنیک پیشنهادی زمان خیز بهتری را فراهم می‌کند و به حالت پایدار در 1.04 می‌رسد. s، و با FDTC، رسیدن به حالت پایدار در 1.93 ثانیه. شکل 8f پمپاژ دو استراتژی کنترل را نشان می دهد. می توان مشاهده کرد که FDTCO مقدار پمپاژ را افزایش می دهد، که بهبود انرژی تبدیل شده توسط IM را توضیح می دهد. شکل 8g. و 8h نشان دهنده جریان کشیده شده استاتور است. جریان راه اندازی با استفاده از FDTC 20 A است، در حالی که استراتژی کنترل پیشنهادی جریان راه اندازی 10 A را پیشنهاد می کند که تلفات ژول را کاهش می دهد. شکل 8i و 8j شار استاتور توسعه یافته را نشان می دهد. بر اساس FDTC PVPWS در یک شار مرجع ثابت 1.2 Wb عمل می کند، در حالی که در روش پیشنهادی، شار مرجع 1 A است که در بهبود کارایی سیستم فتوولتائیک نقش دارد.
(آ)خورشیدیتابش (ب) استخراج نیرو (ج) چرخه کار (د) ولتاژ باس DC (ه) سرعت روتور (f) پمپاژ آب (g) جریان فاز استاتور برای FDTC (h) جریان فاز استاتور برای FDTCO (i) پاسخ شار با استفاده از FLC (j) پاسخ شار با استفاده از FDTCO (k) مسیر شار استاتور با استفاده از FDTC (l) مسیر شار استاتور با استفاده از FDTCO.
راخورشیدیتابش از 1000 تا 700 وات بر متر مربع در 3 ثانیه و سپس به 500 وات بر متر مربع در 6 ثانیه متغیر بود (شکل 8a). شکل 8c و 8d به ترتیب چرخه وظیفه و ولتاژ پیوند DC را نشان می‌دهند. شکل 8e سرعت الکتریکی IM را نشان می‌دهد، و می‌توانیم متوجه شویم که تکنیک پیشنهادی سرعت و زمان پاسخ بهتری در مقایسه با سیستم فتوولتائیک مبتنی بر FDTC دارد. شکل 8f. پمپاژ آب را برای سطوح مختلف تابش به‌دست‌آمده با استفاده از FDTC و FDTCO نشان می‌دهد. پمپاژ بیشتری با FDTCO نسبت به FDTC قابل دستیابی است. دامنه جریان به حداقل می رسد، که به معنی تلفات مس کمتر است، بنابراین کارایی سیستم افزایش می یابد. بنابراین، جریان های راه اندازی بالا می تواند منجر به کاهش عملکرد دستگاه شود. شکل 8j تکامل پاسخ شار را به منظور انتخاب نشان می دهد.شار بهینه برای اطمینان از به حداقل رساندن تلفات، بنابراین، تکنیک پیشنهادی عملکرد آن را نشان می‌دهد. برخلاف شکل 8i، شار ثابت است که عملکرد بهینه را نشان نمی‌دهد. شکل‌های 8k و 8l تکامل مسیر شار استاتور را نشان می‌دهند. شکل 8l توسعه شار بهینه را نشان می دهد و ایده اصلی استراتژی کنترل پیشنهادی را توضیح می دهد.
تغییر ناگهانی درخورشیدیتشعشع اعمال شد که با تابش 1000 وات بر متر مربع شروع می شود و پس از 1.5 ثانیه به طور ناگهانی به 500 وات بر متر مربع کاهش می یابد (شکل 9a). W/m2.شکل 9c و 9d به ترتیب چرخه وظیفه و ولتاژ پیوند DC را نشان می دهد. همانطور که از شکل 9e مشاهده می شود، روش پیشنهادی زمان پاسخ بهتری را ارائه می دهد. شکل 9f پمپاژ آب به دست آمده برای دو استراتژی کنترل را نشان می دهد. پمپاژ با FDTCO بالاتر از FDTC بود، پمپاژ 0.01 m3/s در 1000 W/m2 تابش در مقایسه با 0.009 m3/s با FDTC.علاوه بر این، هنگامی که تابش 500 وات در متر مربع بود، FDTCO 0.0079 متر مکعب بر ثانیه پمپ کرد، در حالی که FDTC 0.0077 متر مکعب بر ثانیه پمپ کرد. استراتژی کنترل پیشنهادی نشان می‌دهد که دامنه جریان تحت تغییرات تابش ناگهانی کاهش می‌یابد و در نتیجه تلفات مس کاهش می‌یابد. شکل 9j تکامل پاسخ شار را به منظور انتخاب شار بهینه برای اطمینان از به حداقل رساندن تلفات نشان می‌دهد، بنابراین، تکنیک پیشنهادی عملکرد آن را با شار 1Wb و تابش 1000 W/m2 نشان می دهد، در حالی که شار 0.83Wb و تابش 500 W/m2 است. برخلاف شکل 9i، شار در 1.2 Wb ثابت است، که اینطور نیست. شکل 9k و 9l تکامل مسیر شار استاتور را نشان می دهد. شکل 9l توسعه شار بهینه را نشان می دهد و ایده اصلی استراتژی کنترل پیشنهادی و بهبود سیستم پمپاژ پیشنهادی را توضیح می دهد.
(آ)خورشیدیتابش (ب) توان استخراج شده (ج) چرخه کار (د) ولتاژ باس DC (ه) سرعت روتور (f) جریان آب (g) جریان فاز استاتور برای FDTC (h) جریان فاز استاتور برای FDTCO (i) پاسخ شار با استفاده از FLC (j) پاسخ شار با استفاده از FDTCO (k) مسیر شار استاتور با استفاده از FDTC (l) مسیر شار استاتور با استفاده از FDTCO.
تجزیه و تحلیل مقایسه ای دو فناوری از نظر مقدار شار، دامنه جریان و پمپاژ در جدول 5 نشان داده شده است که نشان می دهد PVWPS بر اساس فناوری پیشنهادی عملکرد بالایی را با افزایش جریان پمپاژ و به حداقل رساندن جریان دامنه و تلفات ارائه می دهد. برای انتخاب شار بهینه
برای تأیید و آزمایش استراتژی کنترل پیشنهادی، یک تست PIL بر اساس برد STM32F4 انجام می‌شود. شامل کد تولید می‌شود که روی برد تعبیه‌شده بارگذاری و اجرا می‌شود. این برد حاوی یک میکروکنترلر 32 بیتی با 1 مگابایت فلش، 168 مگاهرتز است. فرکانس ساعت، واحد ممیز شناور، دستورالعمل های DSP، 192 کیلوبایت SRAM. در طی این آزمایش، یک بلوک PIL توسعه یافته در سیستم کنترل حاوی کد تولید شده بر اساس برد سخت افزاری اکتشاف STM32F4 ایجاد و در نرم افزار Simulink معرفی شد. تست های PIL که باید با استفاده از برد STM32F4 پیکربندی شوند در شکل 10 نشان داده شده است.
آزمایش PIL هم‌شبیه‌سازی با استفاده از STM32F4 می‌تواند به عنوان یک تکنیک کم‌هزینه برای تأیید تکنیک پیشنهادی استفاده شود. در این مقاله، ماژول بهینه‌سازی شده که بهترین شار مرجع را فراهم می‌کند در هیئت اکتشاف STM32F4 پیاده‌سازی شده است.
دومی همزمان با Simulink اجرا می‌شود و اطلاعات را در طول شبیه‌سازی مشترک با استفاده از روش PVWPS پیشنهادی مبادله می‌کند. شکل 12 اجرای زیرسیستم فناوری بهینه‌سازی را در STM32F4 نشان می‌دهد.
تنها روش بهینه شار مرجع پیشنهادی در این شبیه‌سازی نشان داده شده است، زیرا این متغیر کنترلی اصلی برای این کار است که رفتار کنترلی یک سیستم پمپاژ آب فتوولتائیک را نشان می‌دهد.