سیستم پمپاژ آب یک سطحی با منبع هیبریدی فوتوولتائیک- باتری با استفاده از موتور BLDC
محورهای موضوعی : مهندسی برق قدرت
1 - گروه مهندسي برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان، سنندج، کردستان، ايران
2 - گروه مهندسي برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان، سنندج، کردستان، ايران
کلید واژه: فوتوولتائیک, موتورBLDC, پمپاژ آب, کنترل¬کننده شارژ دو جهته, MPPT, منبع تغذیه هیبریدی,
چکیده مقاله :
پمپاژ آب یکی از کاربرد های مهم انرژی خورشیدی است. سیستم پمپاژ را میتوان با توجه به تعداد مراحل تبدیل توان به دو دسته یک سطحی و چند سطحی دسته بندی کرد. در سیستم های پمپاژ خورشیدی چند سطحی همواره یک مبدل DC-DC برای ردیابی نقطه حداکثر توان(MPPT) نیاز است. این تبدیل توان منجر به افزایش هزینه، اندازه، پیچیدگی و کاهش بازده سیستم میشود. در این مقاله یک سیستم پمپاژ یک سطحی متشکل از یک موتورBLDC تغذیه شده با آرایه فوتوولتائیک ارائه شده است که در آن مبدل DC-DC حذف شده است. سیستم یک سطحی با توجه به مزیت های فراوان آن، به سیستم چند سطحی ترجیح داده میشود. همچنین به دلیل اینکه موتور BLDC با توجه به ویژگی های آن برای سیستم خورشیدی بسیار مناسب است، در این مقاله از این موتور استفاده میشود. در این سیستم برای دستیابی به پمپاژ با حجم حداکثر و ثابت بدون توجه به شرایط آبوهوایی، از یک منبع هیبریدی فوتوولتائیک با پشتیبانی باتری استفاده شده است، به این صورت که آرایه PV منبع تغذیه اصلی است و باتری به عنوان پشتیبان عمل میکند. نحوه عملکرد باتری در این سیستم به این شکل است که، باتری فقط در شرایط نامناسب آبوهوایی یا در طول شب که توان تولیدی آرایه PV برای تغذیه موتور در دسترس نیست، تخلیه میشود. از سوی دیگر زمانی که به پمپاژ آب نیاز نباشد یا میزان توان PV مازاد بر مقدار توان مورد نیاز موتور-پمپ باشد، باتری شارژ میشود. کنترل شارژ و دشارژ باتری به طور خودکار توسط یک مبدل دو جهته باک و بوست کنترل میشود. یک سیستم کنترل ساده برای کنترل آرایه PV به منظور دریافت حداکثر توان و از طریق اینورتر منبع ولتاژ استفاده میشود. همچنین از یک روش ساده و مقرون به صرفه برای کلیدزنی اینورتر به منظور راهاندازی و کنترل سرعت موتورBLDC استفاده شده است.
Water pumping is one of the significant applications of solar energy. The solar pumping system can be categorized into two types based on the number of power conversion stages: single-stage and multi-stage. In multi-stage systems, a DC-DC converter is required to ensure the maximum power point tracking (MPPT). However, this power conversion block leads to increased costs, size, complexity, and reduced system efficiency. In this study, a single-stage solar pumping system using a brushless DC (BLDC) motor is designed to eliminate the need for a DC-DC converter. The single-stage structure is preferred over the multi-stage structure due to its advantages, and the BLDC motor is chosen for its suitability in solar pumping systems. In the proposed system, a hybrid photovoltaic (PV) and battery source is utilized to ensure consistent pumping volume regardless of weather conditions. The PV array serves as the primary power source, while the battery acts as a backup. The battery is discharged only during unfavorable weather conditions or at night when the PV array cannot provide power to the motor-pump. Conversely, when water pumping is not required or the PV power exceeds the motor-pump's power demand, the extra power is stored in the battery, which is then charged. A bidirectional charging control system is employed to automatically switch the battery's mode of operation using a bidirectional converter. To control the BLDC motor, a simple control technique is proposed, which allows the solar PV array to operate at its peak power using a voltage source inverter (VSI).
[1] M. Aliyu, G. Hassan, S. A. Said, M. U. Siddiqui, A. T. Alawami, and I. M. Elamin, "A review of solar-powered water pumping systems," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 87, pp. 61-76, 2018, doi: 10.1016/j.rser.2018.02.010.
[2] A. Kiprono and A. I. Llario, "Solar Pumping for Water Supply: Harnessing solar power in humanitarian and development," Rugby, UK: Practical Action Publishing, 2020, doi: 10.3362/9781780447810.
[3] D. H. M. T. Khatib, "Introduction," in Photovoltaic Water Pumping Systems. USA: Academic Press, 2021, ch. Chapter 1, pp. 1-4.
[4] M. Tvaronavičienė, J. Baublys, J. Raudeliūnienė, and D. Jatautaitė, "Global energy consumption peculiarities and energy sources: Role of renewables," in Energy transformation towards sustainability: Elsevier, 2020, pp. 1-49, doi: 10.1016/B978-0-12-817688-7.00001-X.
[5] S. Angadi, U. R. Yaragatti, Y. Suresh, and A. B. Raju, "Comprehensive review on solar, wind and hybrid wind-PV water pumping systems-an electrical engineering perspective," CPSS Transactions on Power Electronics and Applications, vol. 6, no. 1, pp. 1-19, 2021, doi: 10.24295/CPSSTPEA.2021.00001.
[6] G. S. Chandrakant and S. Patil, "Designing of controller for BLDC driven solar water pump," in 2021 6th International Conference on Inventive Computation Technologies (ICICT), 2021: IEEE, pp. 390-393, doi: 10.1109/ICICT50816.2021.9358629.
[7] D. Mohanraj et al., "A review of BLDC motor: state of art, advanced control techniques, and applications," Ieee Access, vol. 10, pp. 54833-54869, 2022, doi: 101109/ACCESS.2022.3175011.
[8] B. Singh and R. Kumar, "Solar photovoltaic array fed water pump driven by brushless DC motor using Landsman converter," IET Renewable Power Generation, vol. 10, no. 4, pp. 474-484, 2016, doi: 10.1049/iet-rpg.2015.0295.
[9] R. Kumar and B. Singh, "BLDC motor-driven solar PV array-fed water pumping system employing zeta converter," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 52, no. 3, pp. 2315-2322, 2016, doi: 10.1109/TIA.2016.2522943.
[10] R. Kumar and B. Singh, "Single stage solar PV fed brushless DC motor driven water pump," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 5, no. 3, pp. 1377-1385, 2017, doi: 10.1109/JESTPE.2017.2699918.
[11] S. Sashidhar, V. G. P. Reddy, and B. Fernandes, "A single-stage sensorless control of a PV-based bore-well submersible BLDC motor," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 7, no. 2, pp. 1173-1180, 2018, doi: 10.1109/JESTPE.2018.2810506
[12] P. Jena, "A single stage solar PV Fed BLDC motor using ANN based MPPT for water pumping," in 2019 International Conference on Computer, Electrical & Communication Engineering (ICCECE), 2019: IEEE, pp. 1-7, doi: 10.1109/ICCECE44727.2019.9001901.
[13] E. E. A. Zahab, A. M. Zaki, and M. M. El-sotouhy, "Design and control of a standalone PV water pumping system," Journal of Electrical Systems and Information Technology, vol. 4, no. 2, pp. 322-337, 2017, doi: 10.1016/j.jesit.2016.03.003.
[14] S. Anuphappharadorn, S. Sukchai, C. Sirisamphanwong, and N. Ketjoy, "Comparison the economic analysis of the battery between lithium-ion and lead-acid in PV stand-alone application," Energy Procedia, vol. 56, pp. 352-358, 2014, doi: 10.1016/j.egypro.2014.07.167.
[15] L. da Silva Lima et al., "Life cycle assessment of lithium-ion batteries and vanadium redox flow batteries-based renewable energy storage systems," Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 46, p. 101286, 2021, doi: 10.1016/j.seta.2021.101286.