Progettazione e implementazione del processore nell'anello di un controllo migliorato per il sistema di pompaggio dell'acqua alimentato da energia solare fotovoltaica basato su IM

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 4688 (2022) Citare questo articolo

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Negli ultimi anni, il miglioramento dell’efficienza del sistema fotovoltaico di pompaggio dell’acqua (PVWPS) ha suscitato notevole interesse da parte dei ricercatori grazie al suo funzionamento basato su una produzione di energia elettrica più pulita. In questo articolo, viene sviluppato un nuovo approccio basato su un controller a logica fuzzy che incorpora una tecnica di minimizzazione delle perdite applicata alla macchina a induzione (IM) per applicazioni PVWPS. Il controllo proposto seleziona l'entità del flusso ottimale minimizzando le perdite IM. Inoltre, viene introdotto il metodo di perturbazione e osservazione della dimensione del passo variabile. L'idoneità del controllo proposto viene comprovata riducendo la corrente assorbita; pertanto, le perdite del motore sono ridotte al minimo e l'efficienza è migliorata. La strategia di controllo proposta viene confrontata con il metodo senza minimizzazione delle perdite. I risultati del confronto illustrano l'efficacia del metodo proposto basato sulla minimizzazione delle perdite relative alla velocità elettrica, alla corrente assorbita, al flusso d'acqua e al flusso sviluppato. Come prova sperimentale del metodo proposto viene effettuato un test Processor-in-the-loop (PIL). Consiste nell'implementare il codice C generato sulla discovery board STM32F4. I risultati ottenuti dalla scheda embedded sono simili ai risultati della simulazione numerica.

Le fonti energetiche rinnovabili, in particolare la tecnologia solare fotovoltaica, possono rappresentare una soluzione alternativa più pulita ai combustibili fossili per i sistemi di pompaggio dell'acqua1,2. I sistemi fotovoltaici di pompaggio dell'acqua stanno guadagnando molta attenzione nelle aree remote dove l'elettricità non è disponibile3,4.

Vari tipi di motori vengono utilizzati con applicazioni di pompaggio fotovoltaico. Lo stadio primitivo del PVWPS si basa sul motore DC. Questi motori sono facili da controllare e implementare ma necessitano di una manutenzione regolare a causa dei commentatori e delle spazzole5. Per superare questo inconveniente vengono introdotti i motori Brushless a magneti permanenti che si caratterizzano per l'assenza di spazzole, elevata efficienza e affidabilità6. Il PVWPS basato su IM illustra prestazioni migliori rispetto ad altri motori perché questo tipo di motore è affidabile, a basso costo ed esente da manutenzione e offre maggiori possibilità per le strategie di controllo7. Spesso vengono impiegati la tecnica del controllo indiretto ad orientamento di campo (IFOC) e il metodo del controllo diretto della coppia (DTC)8.

L'IFOC è stato sviluppato da Blaschke e Hasse per consentire di variare la velocità IM su un ampio intervallo9,10. Le correnti dello statore sono separate in due componenti, una genera il flusso e l'altra produce la coppia utilizzando la trasformazione nel sistema di coordinate d–q. Ciò consente il controllo indipendente del flusso e della coppia sia durante lo stato stazionario che in condizioni dinamiche. L'asse (d) è allineato con il vettore spaziale del flusso del rotore, il che implica che la componente dell'asse q del vettore spaziale del flusso del rotore è sempre zero. Il FOC fornisce una risposta buona e più rapida11,12, tuttavia, questo metodo è complesso e influenzato dalle variazioni dei parametri13. Per superare questi inconvenienti, Takashi e Noguchi14 hanno introdotto il DTC, questo comando presenta elevate prestazioni dinamiche, è robusto e meno sensibile alle variazioni dei parametri. Nel DTC, il controllo della coppia elettromagnetica e del flusso statorico viene effettuato sottraendo il flusso e la coppia statorica dai corrispondenti valori stimati. Il risultato viene introdotto nei comparatori di isteresi per generare i vettori di tensione appropriati per controllare simultaneamente il flusso dello statore e la coppia.

Il principale inconveniente di questa strategia di controllo sono le elevate increspature nella coppia e nel flusso dovute all'uso di regolatori di isteresi per la regolazione del flusso statorico e della coppia elettromagnetica15,42. I convertitori multilivello vengono utilizzati per ridurre al minimo le ondulazioni ma l'efficienza è ridotta a causa del numero di interruttori di potenza16. Diversi autori hanno utilizzato la Space Vector Modulation (SWM)17, lo Sliding mode control (SMC)18, questa tecnica è robusta ma si manifesta l'effetto indesiderato di chattering19. Molti ricercatori hanno utilizzato tecniche di intelligenza artificiale per migliorare le prestazioni del controller, tra cui (1) rete neurale, questa strategia di controllo richiede un processore ad alta velocità per l'implementazione20, (2) algoritmo genetico21.