IM 구동 태양광 PV 급수 펌핑 시스템을 위한 개선된 제어의 루프 구현에 대한 설계 및 프로세서

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 4688(2022) 이 기사 인용

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최근 몇 년간 태양광 물 펌핑 시스템(PVWPS)의 효율성 향상은 보다 깨끗한 전기 에너지 생산을 기반으로 운영되기 때문에 연구자들의 상당한 관심을 끌고 있습니다. 본 논문에서는 PVWPS 애플리케이션을 위해 유도 기계(IM)에 적용되는 손실 최소화 기술을 통합한 퍼지 논리 컨트롤러 기반의 새로운 접근 방식을 개발했습니다. 제안된 제어는 IM 손실을 최소화하여 최적의 자속 크기를 선택합니다. 또한, 가변 단계 크기 교란 및 관찰 방법이 도입되었습니다. 제안된 제어의 적합성은 흡수 전류를 줄임으로써 승인됩니다. 따라서 모터 손실이 최소화되고 효율이 향상됩니다. 제안된 제어 전략은 손실을 최소화하지 않은 방법과 비교된다. 비교 결과는 전기 속도, 흡수 전류, 유수 및 발전된 플럭스와 관련된 손실 최소화를 기반으로 제안된 방법의 효율성을 보여줍니다. 제안된 방법의 실험적 테스트로 PIL(Processor-in-the-Loop) 테스트를 수행하였다. 이는 STM32F4 디스커버리 보드에 생성된 C 코드를 구현하는 것으로 구성됩니다. 임베디드 보드에서 얻은 결과는 수치 시뮬레이션 결과와 유사합니다.

재생 가능 에너지원, 특히 태양광 PV 기술은 양수 시스템용 화석 연료에 대한 보다 깨끗한 대안 솔루션이 될 수 있습니다1,2. PV 물 펌핑 시스템은 전기를 사용할 수 없는 외딴 지역에서 많은 주목을 받고 있습니다3,4.

PV 펌핑 애플리케이션에는 다양한 종류의 엔진이 활용됩니다. PVWPS의 기본 단계는 DC 모터를 기반으로 합니다. 이러한 모터는 제어 및 구현이 쉽지만 해설자와 브러시로 인해 정기적인 유지 관리가 필요합니다5. 이러한 단점을 극복하기 위해 브러시가 없고 고효율 및 신뢰성을 특징으로 하는 브러시리스 영구 자석 모터가 도입되었습니다6. IM 기반의 PVWPS는 다른 모터에 비해 더 나은 성능을 보여줍니다. 이러한 유형의 모터는 신뢰성이 높고 비용이 저렴하며 유지 관리가 필요 없으며 제어 전략에 더 많은 가능성을 제공하기 때문입니다7. IFOC(간접 자속 기준 제어) 기술과 DTC(직접 토크 제어) 방법이 종종 사용됩니다8.

IFOC는 넓은 범위9,10에 걸쳐 다양한 IM 속도를 허용하기 위해 Blaschke와 Hasse에 의해 개발되었습니다. 고정자 전류는 두 가지 구성 요소로 분리됩니다. 하나는 자속을 생성하고 다른 하나는 d-q 좌표계로의 변환을 활용하여 토크를 생성합니다. 이를 통해 정상 상태와 동적 조건 모두에서 자속과 토크를 독립적으로 제어할 수 있습니다. 축(d)는 회전자 자속 공간 벡터의 q축 구성 요소가 항상 0이라는 것을 포함하는 회전자 자속 공간 벡터와 정렬됩니다. FOC는 훌륭하고 빠른 응답11,12을 제공하지만 이 방법은 복잡하고 매개변수 변형의 영향을 받습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 Takashi와 Noguchi14가 DTC를 도입했습니다. 이 명령은 높은 동적 성능을 제공하며 강력하고 매개변수 변화에 덜 민감합니다. DTC에서는 해당 추정값에서 고정자 자속과 토크를 빼서 전자기 토크와 고정자 자속의 제어가 이루어집니다. 결과는 고정자 자속과 토크를 동시에 제어하기 위한 적절한 전압 벡터를 생성하기 위해 히스테리시스 비교기에 도입됩니다.

이 제어 전략의 가장 큰 불편함은 고정자 자속 및 전자기 토크 조절을 위한 히스테리시스 조절기 사용으로 인한 토크 및 자속의 높은 리플입니다. 리플을 최소화하기 위해 다단계 변환기를 사용하지만 전원 스위치의 수로 인해 효율이 감소합니다16. 여러 저자가 공간 벡터 변조(SWM)17, 슬라이딩 모드 제어(SMC)18를 사용했는데, 이 기술은 강력하지만 바람직하지 않은 채터링 효과가 나타납니다19. 많은 연구자들은 컨트롤러 성능을 향상시키기 위해 인공지능 기술을 사용했는데, 그 중 (1) 신경망, 이 제어 전략은 구현을 위해 고속 프로세서가 필요합니다20, (2) 유전자 알고리즘21.