سیستم پمپاژ آب یک سطحی با منبع هیبریدی فوتوولتائیک- باتری با استفاده از موتور BLDC

محورهای موضوعی : مهندسی برق قدرت

آرام عزیزی ¹ , مهرداد غلامی ²

1 - گروه مهندسي برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان، سنندج، کردستان، ايران
2 - گروه مهندسي برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان، سنندج، کردستان، ايران

تاریخ دریافت : 1402/12/24 تاریخ پذیرش : 1403/06/02 تاریخ انتشار : 1404/09/30

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.

چکیده انگلیسی:

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).

منابع و مأخذ:

[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.

متن کامل:



آرام عزیزی، مهرداد غلامی

 

 

 

Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System

Research Article                                                                                   (2025) 4(3):1-23

 

Single Stage Solar PV-Battery Based Hybrid Water Pumping System

Using BLDC Motor Drive

Aram Azizi1, M.Sc, Mehrdad Gholami1, Assistant professor

 

1 Department of Electrical Engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Kurdistan, Iran

Abstract:

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).

Keywords: Solar pv, Bldc motor, Water pumping, Bidirectional charging control, Mppt, Hybrid source

 

 

 

 

 

 

 

Received: 14 March 2024

Revised: 4 July 2024

Accepted: 23 August 2024

Corresponding Author: Dr. Mehrdad Gholami, [e-mail]

DOI: http://dx.doi.org/10.30486/TEEGES.2025.1105278

 

 

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

         ..مقاله پژوهشی...       

 

سیستم پمپاژ آب یک سطحی با منبع هیبریدی فوتوولتائیک- باتری با استفاده از موتور BLDC

آرام عزیزی1، کارشناسی ارشد، مهرداد غلامی1، استادیار 

1- گروه مهندسي برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان، سنندج، کردستان، ايران

 

چكيده: 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. 

 

 

واژه هاي كليدي: فوتوولتائیک، موتورBLDC، پمپاژ آب، کنترل­کننده شارژ دو جهته، MPPT، منبع تغذیه هیبریدی

 

 

تاریخ ارسال مقاله: ۲۴/۱۲/140۲

تاریخ بازنگری مقاله: 14/0۴/140۳

تاریخ پذیرش مقاله: ۰۲/0۶/140۳

نویسنده­ی مسئول: دکتر مهرداد غلامی، [e-mail]

DOI: http://dx.doi.org/10.30486/TEEGES.2025.1105278 

 

 

1-       مقدمه

یکی از منابع ضروری برای حیات انسان، آب است که زندگی امروزه تا حد زیادی به آن وابسته است. علاوه بر نیاز به آب آشامیدنی، کشاورزی، دامداری و حتی صنعت به آب وابسته­ اند[1]. در بیشتر مناطق روستایی، منابع آب کیلومتر ها از خطوط شبکه­ی برق فاصله دارند. به این دلیل نصب خطوط جدید و تجهیزات مربوطه از جمله ترانسفورمرها اغلب هزینه­ی گزافی دارد. اولین گزینه در دسترس در این شرایط، پمپ های دیزلی یا تولید برق به وسیله ژنراتور های دیزلی است. استفاده از پمپ های دیزلی نه تنها نیازمند سوخت گران هستند، موجب آلودگی هوا و آلودگی صوتی نیز می­شوند، به علاوه این پمپ ها معایب دیگری دارند از جمله، نیاز به نگهداری منظم و هزینه‌های بالای حمل سوخت به مکان‌های دوردست [2]. این مشکلات منجر به استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر و سیستم های پمپاژ مبتنی بر سلول های خورشیدی، به عنوان یک راه‌حل قابل ‌اعتماد و پایدار در مناطق روستایی کشورهای در حال توسعه با سطوح بالای تابش سالانه شده‌ است[3].

سیستم پمپاژ خورشیدی آلودگی ندارد و برخلاف پمپ های دیزلی هیچ آسیبی به محیط زیست وارد نمی­کند. طول عمر سیستم های PV¹ طولانی و در حدود 25 الی 30 سال است. اگر سیستم پمپاژ فوتوولتائیک به درستی طراحی شده باشد تنها به یک بازدید دوره ای برای پاکسازی پنل ها نیاز دارند و نگهداری خاصی نیاز ندارند. این سیستم ها در بلند مدت در مقایسه با سیستم های پمپاژ معمولی رایج باعث صرفه جویی در هزینه ها می­شود[4].

به طور کلی یک سیستم پمپاژ خورشیدی شامل بخش های مختلف است از جمله سیستم فوتوولتائیک، موتور الکتریکی، پمپ آب، مبدل های الکترونیک قدرت، سیستم کنترل کننده و ذخیره ساز ها.

برای دریافت حداکثر توان از آرایهPV از کنترل کننده ردیاب نقطه حداکثر توان (MPPT²) استفاده می­شود. الگوریتم MPPT یک سیستم فوتوولتائیک برای تنظیم مداوم ولتاژهای مرجع جدید فوتوولتائیک به کار گرفته می­شود تا منحنی های ولتاژ- توان را اندازه گیری کند و نقطه کار فوتوولتائیک را به سمت نقطه توان بیشینه هدایت کند.

در سیستم های پمپاژ خورشیدی مبتنی بر موتور های AC  بر اساس تعداد مراحل تبدیل توان، که برای تبدیل توانDC خروجی منابعPV به توان AC مورد نیاز موتور انجام می­شود، دو ساختار متداول یک سطحی و دو­ سطحی وجود دارد. پمپ خورشیدی دو سطحی متشکل از دو رابط الکترونیک قدرت مابین منبع برق خورشیدی و پمپ موتور است. مرحله اول برای ردیابی بیش‌ترین توان از منبع انرژی خورشیدی و معمولاً یک مبدل DC - DC بهره بالا برای بالا بردن ولتاژ PV استفاده می‌شود. مرحله دوم برای کنترل موتور مورد استفاده قرار می‌گیرد و مختص موتور بکار رفته برای پمپاژ است. در ساختار یک سطحی، فقط یک مرحله تبدیل الکترونیک قدرتی بین پمپ خورشیدی PV و پمپ موتور AC وجود دارد و مبدل استفاده شده علاوه بر اینکه ولتاژ DC را به AC تبدیل می­کند، وظیفه ردیابی نقطه­ی حداکثر توان را نیز انجام می­دهد. اینورتر مورد استفاده در این سیستم ها عموما اینورتر سه فاز شش کلیدی معمولی می­باشد. ولتاژ خروجی پنل PV  به لینک DC اینورتر اعمال شده و در نهایت موتور از ولتاژ AC خروجی اینورتر تغذیه می­شود[5].

موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک  (³BLDC) اغلب برای کاربردهای پویا از قبیل صنایع خودروسازی، صنایع پمپاژ و صنایع نورد ترجیح داده می‌شوند. پیش‌بینی می‌شود در سال های آتی سهم موتورهای BLDC در جریان انتقال قدرت در صنایع افزایش­یابد که جایگزین موتورهای القایی سنتی می‌شوند[6]. در مقایسه با موتورهای دیگر، موتور BLDC مزایایی دارد از جمله بازده بالاتر، قابلیت اطمینان زیاد، هزینه نگهداری کم، نسبت گشتاور به وزن بالاتر، ساختار فشرده­تر و همچنین نویز عملیاتی کمتری دارد. موتورهای BLDC به دلیل طبیعت صرفه‌جویی انرژی، برای کاربردهای پمپاژ ترجیح داده می‌شوند[7] . 

در تحقیقات گذشته در مورد سیستم های پمپاژ خورشیدی، بیشتر بر روی ساختار دو سطحی کار شده است، تعدادی از مقالات هم به ساختار یک سطحی پرداخته اند.

در [8] در ساختار دو سطحی پمپ آب خورشیدی مبتنی بر موتور BLDC، برای ردیابی نقطه توان حداکثر آرایه PV از مبدل Landsman استفاده شده است. هدف اصلی مبدل Landsman بهینه سازی توان خروجی آرایه فوتوولتائیک است و همچنین برای راه اندازی اولیه نرم و ایمن موتور BLDC استفاده می­شود. مبدل Landsman به عنوان رابطی بین آرایه فوتوولتائیک و اینورتر قرار دارد و با اجرای الگوریتم MPPT به منظور استخراج حداکثر توان از آرایه خورشیدی عمل می­کند. اینورتر از طریق کموتاسیون الکترونیکی راه­اندازی می­شود و موتور BLDC را تغذیه می­کند. مقاله [9]روشی ساده، مقرون‌به‌صرفه و موثر برای درایو موتور BLDC برای پمپ آب تغذیه شده با آرایه فوتوولتائیک خورشیدی ارائه می‌کند. در این مرجع  برای استخراج حداکثر توان موجود از آرایه PV، یک مبدل Zeta مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این ساختار آرایه PV توان الکتریکی مورد نیاز پمپ موتور را تولید می‌کند. این توان الکتریکی از طریق مبدل زتا و یک ⁴VSI به موتور-پمپ داده می‌شود.

در سیستم های مذکور الگوریتم­ های ردیابی نقطه توان حداکثر به یک مبدل DC-DC برای بهینه سازی نقطه توان آرایه خورشیدی نیاز دارند. این تبدیل توان باعث افزایش هزینه، اندازه سیستم، پیچیدگی و کاهش بازده می­شود.

در [10]یک روش منحصر به فرد ارائه شده است که در سیستم مبدل DC-DC حذف شده است و یک سیستم تک مرحله­ای داریم. این سیستم دارای یک روش کنترل ساده با استفاده از یک اینورتر منبع ولتاژ مشترک است که قادر به کنترل آرایه خورشیدی برای دریافت حداکثر توان آن است، همچنین برای کنترل موتور BLDC نیز استفاده شده است. سنسورهای جریان فاز موتور در روش کنترل پیشنهادی حذف شده است و همچنین نیازی به کنترل کننده اضافی برای کنترل سرعت موتور نیست. سرعت از طریق توان بهینه آرایه خورشیدی کنترل می­شود. در این سیستم برای ردیابی نقطه توان حداکثر آرایه خورشیدی از الگوریتم هدایت افزایشی استفاده می­شود. این تکنیک از ولتاژ و جریان آرایه خورشیدی به عنوان سیگنال های بازخورد برای تولید یک نسبت وظیفه بهینه استفاده می­کند که مربوط به حداکثر توان آرایه خورشیدی می­باشد. موتور استفاده شده دارای سه سنسور موقعیت داخلی برای انجام کموتاسیون الکتریکی است. هر گونه تغییر در شرایط جوی باعث تغییرات در خروجی توان آرایه خورشیدی و در نتیجه در سرعت موتور BLDC می­شود. در واقع، نسبت وظیفه بهینه تولید شده توسط الگوریتم MPPT  که به عنوان نسبت وظیفه برای اینورتر منبع ولتاژ عمل می­کند، ولتاژ ورودی به موتور را با عمل کنترل اینورتر منبع ولتاژ تنظیم می­کند. در نتیجه ولتاژ ورودی موتور، سرعت موتور را تنظیم می­کند. همانطور که نسبت وظیفه توسط الگوریتم MPPT متغیر است، پس سرعت موتور هم به نسبت شرایط جوی متغیر است. تجزیه و تحلیل  نتایج بهره­وری و بازده بیشتر سیستم پیشنهادی را نسبت به ساختار های دو مرحله ای نشان می­دهد. در مقاله [11] یک کنترل یک سطحی بدون سنسور ساده برای موتور BLDC درون چاهی با تغذیه PV  برای یک چاه عمیق ارائه شده است سیستم پیشنهادی  استفاده از سنسورهای موقعیت روتور را حذف کرده است همچنین مبدل DC-DC را برای ردیابی نقطه توان حداکثر را نیز حذف کرده است. به علاوه نیاز به سنسورهای جریان فاز نیز رفع شده است. موتور پمپ درون چاهی شناور مستقیماً به وسیله یک اینورتر به آرایه PV  متصل می­شود. در این مقاله چالش های موتور پمپ شناور در آب به خوبی  رفع شده اند. در مقاله [12] پمپاژ آب با استفاده از یک توپولوژی تک مرحله‌ای در نظر گرفته می‌شود. این سیستم دارای کنترل موتور BLDC، اندازه خازن DC پایین، قیمت پایین، تراکم بالا و راندمان بالاتر است. در این مقاله مدل‌سازی سیستم با استفاده از MPPT مبتنی بر⁵ANNمورد بحث قرار می‌گیرد. روش‌های مختلف MPPT مبتنی بر ANN پیوسته توسعه ‌یافته و بهبود یافته‌اند. MPPT مبتنی بر شبکه عصبی دارای مزایایی مانند ردیابی سریع، عدم نوسان درنقطه حداکثر توان، توانایی ردیابی حتی در محیط با تغیرات زیاد، عملکرد مقاوم، تحمل سیستم‌های غیرخطی است. این مطالعه نشان می‌دهد که کاربرد MPPT مبتنی بر ANN عملکرد گذرا سیستم را بهبود می‌بخشد اما در سیستم های مبتنی بر شبکه عصبی، هزینه و پیچیدگی همواره مورد توجه بوده و پیاده‌سازی عملی یک چالش است.

در [13] یک سیستم پمپ آب خورشیدی مستقل پیشنهاد شده است. در این سیستم باتری های اسیدی به منظور ذخیره انرژی نصب شده است و یک موتور BLDC متصل پمپ آب عمل پمپاژ را انجام می­دهد. سیستم کنترل کننده از سه مرحله کنترل تشکیل شده است. مرحله اول کنترل سرعت و کنترل کننده هیسترزیس جریان برای موتور BLDC است. مرحله دوم برای ردیابی نقطه توان بیشینه آرایه PV و مرحله آخر عملیات شارژ و تخلیه باتری را کنترل می­کند.

در این مقاله یک سیستم پمپاژ با ساختار یک سطحی ارائه شده است که علاوه بر تغذیه از طریق آرایه PV دارای باتری های ذخیره ساز برای پشتیبانی می­باشد. یکی از مشکلات اساسی سیستم های یک سطحی موجود، وابستگی کامل سرعت موتور و حجم پمپاژ آب به مقدار تابش خورشید است که در سیستم پیشنهادی این مشکل حل شده است. کنترل سیستم پیشنهادی به گونه­ای است که با وجود باتری در سیستم، نیازی به مبدل DC-DC مابین باتری و آرایه PV که در سیستم های دارای باتری معمول است، رفع شده است.  سیستم پیشنهادی به گونه ای که این سیستم هم خصوصیات مثبت سیستم پمپاژ یک سطحی را دارا است و هم با توجه به سیستم کنترل شارژ و دشارژ استفاده شده برای باتری، دارای قابلیت اطمینان بالا و قابلیت بهره برداری در شرایط مختلف جوی و طول شبانه روز است و همچنین قادر است عملیات پمپاژ را با حجم ثابت بدون توجه به تغییرات تابش خورشید ناشی از عبور ابر ها، انجام دهد، که این ویژگی ها با هم در سیستم های یک سطحی معمول و سیستم های دارای باتری موجود وجود نداشت.

 

2-       سیستم پیشنهادی

ساختار ‌های مرسوم برای سیستم پمپاژ خورشیدی، سیستم تبدیل انرژی خورشیدی دو مرحله‌ای را اتخاذ می‌کنند که اساساً به یک مبدل DC-DC  میانی نیاز دارد. این تبدیل توان باعث افزایش هزینه، اندازه، پیچیدگی و کاهش بازده سیستم می‌شود. همچنین در سیستم های پمپاژ مرسوم، میزان سرعت موتور و بالطبع مقدار آب پمپاژ شده کاملا وابسته به سطح تابش خورشید است و تغییرات تابش مستقیما باعث تغیرات سرعت موتور می­شود. همچنین عملکرد این سیستم ها در آب و هوای ابری با چالش مواجه می­شود به علاوه در طول شب و در دسترس نبودن نور خورشید بلا ­استفاده هستند. در این مقاله برای حل مشکلات ذکر شده، یک سیستم یک سطحی هیبرید خورشیدی با پشتیبانی باتری لیتیومی پیشنهاد می­شود که برای بهینه سازی نقطه توان حداکثر آرایه PV از همان اینورتر استفاده شده برای کنترل موتور، استفاده می­کند. با توجه به تحقیقات صورت گرفته، باتری های لیتیوم یون مزایای زیادی در مقایسه با دیگر باتری‌های سربی دارند از جمله، بازده تقریباً ۱۰۰ درصد در فرایند شارژ و دشارژ، ظرفیت ‌ثابت (کم‌تر وابسته به جریان تخلیه)، عمر طولانی‌تر[14]، تراکم توان بالاتر، نیاز به نگهداری کمتر و ولتاژ پایدارتر در طول چرخه‌های تخلیه و از نظر زیست‌محیطی نیز، امن‌تر هستند[15]. 

در این سیستم با توجه به مزایای موتور BLDC در سیستم پمپاژ خورشیدی از جمله سادگی، فشردگی و سایز کوچک، کاهش هزینه و همچنین بازده تبدیل توان بالا از این موتور استفاده می­شود. یک موتور BLDC با بازده بالا به طور قابل‌توجهی اندازه آرایه PV و در نتیجه هزینه نصب آن را کاهش می‌دهد. به عبارت دیگر، تعداد ماژول‌های فوتوولتائیک مورد نیاز در مقایسه با یک سیستم با موتور القایی کم‌تر است. موتور BLDC دارای ضریب توان بالایی است که منجر به کاهش ظرفیت اینورتر مورد استفاده می‌شود. این ویژگی به کاهش هزینه سیستم‌های پمپاژ فوتوولتائیک کمک می‌کند. 

 

3-       مدل­سازی سیستم پیشنهادی

ساختار سیستم پیشنهادی در شکل1 نشان داده شده است. سیستم پیشنهادی شامل آرایه­ی PV، موتور BLDC، اینورتر سه فاز، پمپ آب، باتری، کنترل کننده باتری، کنترل کننده موتور و MPPT است. نحوه مدل سازی و محاسبات مربوط به هر بخش در ادامه شرح داده می­شود. آرایه PV  به یک خازن لینک DC متصل است که از طریق اینورتر متصل به آن موتور BLDC را تغذیه می­کند. یک باتری هم از طریق مبدل دوجهته به لینک DC متصل است که وظیفه پشتیبانی برای تغذیه موتور را انجام می­دهد. روش انحراف و مشاهده(P&O) ⁶  MPPT  برای آرایه خورشیدی استفاده می‌شود. این روش از ولتاژ و جریان PV به عنوان سیگنال بازخورد برای تولید نسبت وظیفه بهینه متناظر با حداکثر توان آرایه خورشیدی استفاده می­کند. موتور BLDC دارای سه حسگر اثر هال داخلی است که از سیگنال های آن­ها برای انجام کموتاسیون الکترونیکی برای کنترل اینورتر استفاده می­شود.

 

 

شكل (1): ساختار سیستم پیشنهادی

3-1-         موتور و پمپ

 برای این سیستم یک موتور 6 قطب، W  1633 با سرعت نامی⁷rpm  2500 در ولتاژ نامی  V 130 (DC) انتخاب می­شود. برای مدل­سازی پمپ در نرم افراز متلب، گشتاور پمپ که حاصل ضرب ضریبk پمپ در توان دوم سرعت زاویه ای موتور است، به عنوان ورودی به موتور BLDC داده می­شود. سایر مشخصات موتور در جدول 1 آورده شده است.

 

جدول (1): مشخصات موتور BLDC و پمپ

 

3-2-       طراحی آرایه PV

یک آرایه PV با حداکثر ظرفیت توان برابر با kW 1600 در شرایط استاندارد یک اتمسفر ( تابش 1000 و دمای 25 درجه سانتی گراد) توجه به مشخصات اسمی موتور انتخاب می­شود. ظرفیت عملیاتی آرایه فوتوولتائیک انتخاب‌شده برای اجرای سیستم پمپ موتور در شرایط مجاز آن، علاوه بر جبران تلفات توان مربوط به اینورتر و موتور-پمپ، کافی است. در مدل سازی سیستم از ماژول های “Anhui Rinengzhongtian Semiconductor “Developement با توان W 200 استفاده می­شود.

ولتاژ آرایه PV مورد نیاز در لینک DC اینورتر برای تغذیه موتور BLDC  انتخاب‌شده در گشتاور و سرعت مجاز آن 130 ولت است. بدیهی است که ولتاژ آرایه فتوولتائیک در MPP⁸  باید بالاتر از 130 ولت باشد. بنابراین تعداد ماژول‌های متصل به هم سری به صورت رابطه(1) تقریب زده می‌شود:

‏

مقادیر	پارامتر ها
=633/1 kW	Power
P = 6	Number of poles
130 V	Rated voltage (DC)
2500 rpm	Rated speed
=37/0Ω	Stator resistance
=1 mH	Stator inductance
34 V (L-L) ⁄ krpm	Voltage constant
k=5/3*(10)^(-5)	Pump Proportionality constant

 

Vdc ولتاژ باس مورد نیاز موتور و Vmpp ولتاژ ماژول در نقطه MPP است. بنابراین از 4 ماژول سری با هم برای تامین ولتاژ مورد نظر استفاده می­شود. جریان PV  در MPP  به ‌صورت رابطه(2) محاسبه می‌شود:

‏

(1)

 Ppvتوان نامی ماژول PV مورد استفاده است.

از آنجا که حداکثر توان مورد نیاز آرایه فوتوولتائیک 1633 وات است، جریان مورد­نیاز موتور به با رابطه(3) محاسبه می­شود:

‏

(2)

 

Pm توان نامی مورد نیاز موتورBLDC است. تعداد ماژول های مورد نیاز برای اتصال موازی برای تامین جریان مورد نیاز توسط معادله (4) محاسبه می­شود:

‏

(3)

 

در نهایت 8 ماژول PV متصل به هم برای طراحی آرایه PV  با ولتاژ 144 و جریان 11 آمپر استفاده می­شود. مشخصات آرایه PV  در جدول 2 آورده شده است.

کنترل سیستم پیشنهادی شامل پنج بخش می­شود که شامل کنترل آرایه PV از طریق الگوریتم MPPT تبدیل الکترونیکی موتور BLDC، تولید پالس های کلید زنی برای اینورتر ولتاژ، کنترل سرعت موتور BLDC و کنترل شارژ و دشارژ باتری می­شود. در ادامه هر بخش تشریح می­شود.

 

جدول (2): مشخصات ماژول PV 

(4)

مقادیر	پارامتر ها
W 1600	Maximum power
V 8/ 182	Open circuit voltage (Voc)
A 9/11	Short circuit current (Isc)
V 48 / 144	Voltage at maximum power point (Vmpp)
A 8/11	Current ar maximum power point (Impp)

 

3-3-       ردیابی نقطه توان حداکثر (MPPT)

برای استخراج حداکثر توان از آرایه PV از الگوریتم انحراف و مشاهده (P&O) استفاده می­شود. نحوه عملکرد الگوریتم P&O  برای دستیابی به حداکثر توان آرایه PV با توجه به نمودار ولتاژ – توان آرایه PV مورد استفاده توضیح داده می­شود.

در شکل 1 ناحیه تحت پوشش منحنی ولتاژ – توان به دو ناحیه تقسیم می­شود. در ناحیه A هنگامی که نقطه کار سلول های فوتوولتائیک به سمت نقطه MPP جابجا می­شود توان فوتوولتائیک بطور پیوسته افزایش پیدا می­کند تا به نقطه MPP برسد. به­ عبارت دیگر در ناحیه A، افزایش ولتاژ فوتوولتائیک بطور مکرر باعث افزایش توان می­گردد. بالعکس در ناحیه B، افزایش ولتاژ فوتوولتائیک باعث کاهش توان فوتوولتائیک می­گردد.

 

 

شكل (2): منحنی ولتاژ- توان فوتوولتائیک در شرایط استاندارد

 

الگوریتم(P&O) به گونه­ای طراحی می­شود تا پیوسته ولتاژ فوتوولتائیک با یک گام معین تغییر داده شود تا اطلاعاتی از موقعیت فعلی نقطه کار به دست آید و در نهایت نقطه کار به سمت نقطه توان حداکثر واقعی هدایت شود. به دلیل طبیعت الگوریتم  P&O می­توان انتظار داشت که نقطه کار در نزدیکی نقطه توان بیشینه با میزان نوسان اندکی حفظ شود. پیاده سازی الگوریتم P&O ساده می­باشد و مزیت این روش این است که به شدت تحت تاثیر نویز قرار نمی­گیرد زیرا که این الگوریتم شامل هیچ گونه عملیات مشتق گیری نمی­باشد. فلوچارت الگوریتم روش P&O در شکل2 نشان داده می­شود.

 

شكل (3): فلوچارت الگوریتم P&O

3-4-       تبدیل الکترونیکی موتور BLDC

با استفاده از یک تبدیل الکترونیکی، جریان مستقیم متقارن از باسDC اینورتر برای ۱۲۰ درجه کشیده می‌شود و در مرکز EMF مخالف قرار می‌گیرد. سه حسگر هال مجموعه‌ای از سیگنال‌های هال () را در فواصل 60 درجه مطابق با موقعیت روتور تولید می‌کنند. با استفاده از یک مدار رمزگشا این سیگنال‌ها به شش پالس فرکانس اصلی) تبدیل می‌شوند که در ادامه با ترکیب با نسبت وظیفه MPPT، حالت‌های کلیدزنی اینورتر ولتاژ را تعیین می‌کنند. تنها دو پالس در هر لحظه روشن هستند که این امر منجر به کاهش تلفات هدایتی می‌شود. منطق رمزگشا برای تولید سیگنال های کموتاسیون موتورBLDC در جدول 3 نشان داده شده است.

 

جدول (3): سطوح کلیدزنی کموتاسیون الکترونیکی موتور

3-5-       تولید پالس های کلید زنی اینورتر

پالس های لازم برای کلیدزنی اینورتر از ترکیب خروجی دو کنترل کننده ذکر شده به دست می­آیند. همانطور که در شکل3 نشان داده شده است، نسبت وظیفه  خروجی از قسمت  با یک موج حامل دندان اره­ای فرکانس بالا مقایسه می­شود تا پالس فرکانس بالای  ساخته شود. برای تغییر مد دادن، 6 پالس فرکانس اصلیخروجی، از کموتاسیون الکترونیکی یک مدار منطقی AND استفاده می­شود. گیت منطقی AND پالس فرکانس بالای PWM و پالس فرکانس پایه () را به عنوان ورودی دریافت می‌کند و در نهایت در خروجی، پالس کلیدزنی (S1) PWM را برای سوئیچ بالایی ساق اول اینورتر فراهم می‌کند. به طور مشابه، پالس‌های کلیدزنی برای کلیدهای باقیمانده اینورتر با استفاده از گیت هایAND تولید می‌شوند. سیگنال خروجی روشن (on) تنها در صورتی به وجود می‌آید که هر دو ورودی به گیت AND سیگنال روشن (on) باشند. از این رو، گیت AND تنها دوره زمانی پالس on فرکانس پایه را با فرکانس موج دندانه اره‌ای تغییر می‌دهد. بنابراین کنترل سیستم پمپاژ آب پیشنهادی با ترکیب الگوریتم MPPT و تبدیل الکترونیکی محقق می‌شود.

 

 

شكل (4): تولید پالس های کلیدزنی اینورتر

 

3-6-       کنترل سرعت موتور- پمپ BLDC 

سرعت موتور BLDC با تنظیم ولتاژ باس DC در مقدار ولتاژ DC نامی موتور کنترل می‌شود. کنترل دو جهته جریان و توان، باعث تنظیم ولتاژ باس DC و در نتیجه تثبیت سرعت عملیاتی، قادر به ارائه مقدار کامل توان مورد نیاز موتور-پمپ برای پمپاژ آب با ظرفیت کامل است.

 

3-7-       باتری و کنترل­کننده شارژ و دشارژ

در این سیستم از باتری لیتیوم یونی با ولتاژ نامی V 96 استفاده می­شود. با توجه به اینکه در بدترین حالت کارکرد سیستم که تابش خورشید صفر است مقدار حدودا 7 آمپر جریان از باتری کشیده می­شود، باتری را به گونه ای انتخاب می­کنیم که توانایی تغذیه موتور را به مدت 20 ساعت داشته باشد، بنابراین ظرفیت باتری از معادله (5) محاسبه می­شود.

‏

حالت های کلیدزنی						سیگنال های هال				موقعیت روتور
0	0	0	1	1	0		1	0	1	0-60
0	1	0	0	1	0		1	0	0	60-120
0	1	1	0	0	0		1	1	0	120-180
0	0	1	0	0	1		0	1	0	180-240
1	0	0	0	0	1		0	1	1	240-300
1	0	0	1	0	0		0	0	1	300-360

 

در این معادله C ظرفیت باتری بر حسب آمپر ساعت، جریان باتری و N زمان شارژ دهی باتری بر حسب ساعت است. در جدول 4 مشخصات باتری نشان داده شده است.

 

 

 

جدول (4): مشخصات باتری

(5)

مقادیر	پارامتر ها
Lithium Ion	Battery type
96	Nominal voltage (V)
140	Rated capacity (Ah)
50	Initial state of charge (%)
1/0	Battery response time (sec)

 

باتری مطابق شکل 4 از طریق یک مبدل دو جهته به باس DC متصل می­شود. در حالت شارژ باتری، در حالت شارژ باتری، مبدل دو جهته به­عنوان یک مبدل Buck عمل می­کند و در حالت دشارژ باتری به عنوان یک مبدل Boost عمل می­نماید.

 

 

شكل (5): مبدل باک و بوست دو جهته

 

برای مبدل مقدار سلف استفاده شده برابر است با mH  5/0 و مقاومت سری با آن 1/0 اهم است همچنین ظرفیت خازن لینک DC برابر با mH 2/1 است. با استفاده از کنترل کننده ولتاژ، ولتاژ باس DC (Vdc) در مقدار ولتاژ نامی موتور BLDC که برابر است با V 130، تنظیم می­شود. جریان شارژ و دشارژ باتری ib با استفاده از کنترل کننده جریان، کنترل می­شود. کنترل‌کننده تناسبی انتگرالی (PI) به عنوان تنظیم‌کننده جریان و ولتاژ استفاده می‌شود. تنظیم‌کننده جریان، نسبت وظیفه مربوطه را فراهم می‌کند که به پالس PWM   برای مبدل دو جهته تبدیل می‌شود.

حالت عملکرد مبدل دوجهته توسط ولتاژ باس DC کنترل می‌شود. هنگامی که تابش خورشیدی کاهش می‌یابد یا در طول شب، یک افت در ولتاژ باسDC رخ می‌دهد. کنترل کننده، سطح ولتاژ را در مقدار تنظیم‌شده خود با عملکرد مبدل در حالت بوست حفظ کرده و توان را از باتری به باس DC می‌رساند؛ بنابراین در این حالت باتری را تخلیه می­کند. در این حالت تنها سوئیچ 2g روشن است و دیود معکوس سوئیچ 1g مدار مبدل بوست را کامل می­کند. در مقابل، زمانی که توان PV  در دسترس است و پمپ مورد نیاز نیست و یا میزان توان تولیدی PV  مازاد بر مقدار مورد نیاز است، در این حالت ولتاژ باس DC زیاد می­شود. در این حالت مبدل با عملکرد در حالت باک و برقرار کردن جریان توان از باس DC به سمت باتری، ولتاژ را در مقدار تنظیم شده نگه می­دارد. در این حالت سوئیچ 1g روشن است و همزمان دیود معکوس سوئیچ 2g مدار مبدل باک را کامل می­کند. از سوی دیگر، باتری زمانی غیرفعال می‌شود که آرایه PV تنها توان کافی برای اجرای پمپ با ظرفیت کامل خود تولید کند. در این حالت شارژ و دشارژ باتری صورت نمی‌گیرد. بدین ترتیب درهر حالتی ولتاژ باس DC در V۱۳۰ حفظ می‌شود.

پالس های سوئیچ های مبدل متصل به باتری توسط کنترل کننده باتری تولید می­شود. کنترل کننده شامل دو حلقه تنظیم کننده ولتاژ و تنطیم کننده جریان است. نحوه کار کنترل کننده به این شکل است که ابتدا مقدار ولتاژ مرجع V130 که برابر با ولتاژ نامی موتور است، به تنظیم کننده ولتاژ داده می­شود که با ولتاژ باس DC مقایسه می­شود و از طریق کنترل کننده تناسبی انتگرالی (PI⁹) سیگنال جریان مرجع تولید می­شود. در ادامه جریان باتری با سیگنال جریان مرجع مقایسه و از طریق کنترل کننده PI  بعدی نسبت وظیفه مورد نیاز برای بلوک PWM ساخته می­شود که در انتها پالس های لازم برای کلیدزنی سوئیچ های مبدل دوجهته تولید می­شود. دیاگرام بلوکی کنترل کننده باتری، در شکل 5 نشان داده شده است.

 

 

شكل (5): دیاگرام بلوکی کنترل کننده باتری

پارامتر های مربوط به کنترل کننده PI مربوط به تنظیم کننده ولتاژ و جریان که با روش آزمون و خطا به دست آمده­اند، در جدول 5 نشان داده شده است. فرکانس کلیدزنی بلوک PWM برابر با 20 کیلو هرتز انتخاب می­شود.

 

جدول (5): پارامتر های مربوط به کنترل کننده های PI 

PI حلقه کنترل جریان	PI  حلقه کنترل ولتاژ	پارامتر
1/0	85/0	Kp ضریب تناسبی
5	10	Ki  ضریب انتگرالی
95/0	8-	Outpout Upper limit
0	8-	Output Lower limit

4-       نتایج شبیه سازی

در این بخش مدل شبیه سازی شده سیستم پمپاژ آب پیشنهادی در نرم­افزار سیمولینک متلب اجرا شده و نحوه عملکرد سیستم در شرایط مختلف ارزیابی می­شود. مواردی که مورد بررسی قرار می­گیرند شامل: عملکرد آرایه PV و MPPT، عملکرد کنترل کننده شارژ و دشارژ باتری و بررسی نقش باتری در سیستم کلی و بررسی عملکرد موتورپمپ BLDC و کارکرد مطلوب کنترل کننده موتور. ارزیابی عملکرد سیستم برای حالت های مختلف از جمله راه­اندازی و حالت ماندگار، حالت گذرا و تغیرات لحظه­ای در شرایط جوی انجام شده است.

4-1-       عملکرد در زمان راه اندازی و حالت ماندگار سیستم

برای بررسی عملکرد سیستم پمپاژ در زمان شروع به کار و حالت ماندگار، سیستم را در زمان تابش خورشید برابر با 1000 و در زمان بدون نور خورشید یعنی تابش 0 در دمای محیط25 درجه سانتی گراد شبیه سازی می­کنیم.

ابتدا سیستم را در تابش 1000 اجرا می­کنیم. در شکل6 پارامتر های جریان، ولتاژ و توان مربوط به آرایه PV در تابش 1000 مشاهده می­شود. همانطور که در شکل6 دیده می­شود، ولتاژ و جریان PV در حالت پایدار به مقدار مطلوب می­رسند و عملکرد سیستم MPPT مورد قبول است.

 

 

 

 

شكل (6): پارامتر ها PV در حالت ماندگار تابش 1000

 

در شکل 7 پارامتر های مربوط به باتری و ولتاژ باسDC  در حالت ماندگار نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می­شود، ولتاژ باس DC در حالت پایدار به مقدار مرجع V 130 می­رسد و به همین شکل ولتاژ باتری نیز مقدار مطلوب را حفظ می­کند. جریان باتری در حالت تابش 1000 در شکل 8 نشان داده شده، مشاهده می­شود که در این حالت جریان باتری مقداری منفی است که به معنی شارژ شدن باتری است. در شکل 8 نمودار سطح شارژ باتری (SOC¹⁰) نیز نشان می­دهد که سطح شارژ از مقدار 50 درصد اولیه بالاتر می­رود و باتری در حال شارژ است. نتایج نشان می­دهند که در این حالت کنترل کننده باتری عملکرد مناسبی دارد و تنظیم ولتاژ باس و شارژ باتری به درستی انجام می­شود.

در شکل 9 پارامتر های مربوط به موتور- پمپ نشان داده شده است. مشاهده می شود که در حال تابش پایدار 1000 هر یک از پارامتر های جریان استاتور، نیرو ضد محرکه استاتور(back EMF)، گشتاور الکترومغناطیسی وگشتاور بار مقدار مطلوبی دارند و سرعت موتور به مقدار مطلوب 2500 دور در دقیقه می­رسد. همچنین مشاهده می­شود که در ابتدا سرعت موتور به آرامی افزایش می­یابد و موتور شروع نرمی دارد. بنابراین عملکرد کنترل کننده موتور و کموتاسیون الکترونیکی در این حالت قابل قبول است.

 

 

 

شكل (7): ولتاژ باسDC و ولتاژ باتری در حالت پایدار 1000

 

 

شکل (8): جریان باتری و سطح شارژ باتری در حالت پایدار 1000

همچنین سیستم بار دیگر برای طی شب و تابش 0، شبیه­سازی می­شود. شکل 10 پارامتر های باتری را برای حالت ماندگار در تابش صفر نشان می­دهد. همانطور که مشاهده می­شود ولتاژ باس در مقدار v130 مرجع تنظیم شده است. در این حالت ولتاژ PV صفر است و باتری وظیفه تغذیه موتور پمپ را انجام می­دهد، بنابراین جریان باتری مثبت است، که این امر در نمودارجریان باتری مشاهده می­شود. حالت تخلیه باتری از شیب منفی نموار SOC هم قابل مشاهده است.

 

 

 

شكل (9): ولتاژ باس DC پارامتر های مربوط به موتور BLDC  در حالت ماندگار 1000

 

با توجه به نتایج می­توان فهمید که عملکرد سیستم در این حالت پایدار است و کنترل کننده باتری به درستی ولتاژ باس را در مقدار خواسته شده کنترل کرده است.

در شکل 11 پارامتر های مربوط به موتور پمپ در تابش صفر نشان داده شده است. همه پارامتر های موتور، عملکرد مطلوب موتور در حالت تابش صفر را نشان می­دهند. همچنین نمودار سرعت موتور نشان می دهد که موتور راه­اندازی نرمی دارد و در حالت ماندگار مقدار سرعت ثابت می­ماند. نتایج نشان می­دهند که کنترل کننده سرعت موتور و کموتاسیون الکترونیکی در این حالت نیز عملکرد مناسبی دارند.

با توجه به نتایج شبیه سازی سیستم در حالت ماندگار، مشاهده می­شود که در هر دو حالت تابش 1000 و در طی شب و تابش صفر، هر کدام از بخش های سیستم از جمله آرایه  وکنترل کننده ، کنترل­کننده باتری و موتور پمپ، عملکرد مطلوبی دارند.

 

 

شكل (10): پارامتر های مربوط به باتری و ولتاژ باس در حالت ماندگار تابش  0

4-2-       عملکرد سیستم در زمان تغیرات تابش خورشید

برای مشاهده عملکرد سیستم پیشنهادی، در حالت تغییرات تابش خورشیدی، سیستم را با فرض شروع به کار سیستم در تابش صفر و سپس تغییرات پله ای مقدار تابش، شبیه سازی می­کنیم. به این منظور سیستم در آغاز، با مقدار تابش صفر شروع به کار می­کند سپس در ثانیه 3ام، مقدار تابش به 450 افزایش می­یابد. در ثانیه 6ام، مقدار تابش به 700 و در ثانیه 9­ام به حداکثر تابش 1000 افزایش می­یابد. بعد از افزایش پله ای مقدار تابش، در ثانیه 12ام به سطح 750 کاهش می­یابد و به همین ترتیب در ثانیه 15ام و18ام، به سطوح 450 و 0 کاهش می­یابد.

 

 

شكل (11): پارامتر های مربوط به موتورBLDC در حالت ماندگار تابش  0

 

شکل12 عملکرد آرایه PV را در این آزمایش نشان می­دهد. همان طور که مشاهده می­شود، جریان PV همانطور که انتظار می­رود در آغاز صفر است و هر چه مقدار تابش بیشتر می­شود، جریان هم افزایش می­یابد تا اینکه در مقدار تابش حداکثر به بیشترین جریان PV می­رسیم. با کاهش سطح تابش خورشید، جریان نیز کاهش می­یابد تا اینکه در مقدار تابش صفر، جریان نیز صفر می­شود. به دلیل اینکه آرایه PV و باتری، هر دو به باس DC متصل اند، ولتاژ PV در مقدار تابش های بیشتر از صفر، ثابت نشان داده شده است که این امر به این دلیل است که حسگر های ولتاژ در این حالت در حقیقت ولتاژ باس DC را نشان می­دهند. توان آرایه PV نیز که متناسب با ولتاژ و جریان آرایه PV است، متناسب با تغیرات جریان تغییر می­کند. با توجه به نتایج، می­توان فهمید که سیستم کنترل کننده MPPT عملکرد مناسبی دارد و در زمان تغیرات تابش، قادر به ردیابی و دریافت حداکثر توان قابل دسترس از PV است.

 

 

شكل (12): پارامتر های مربوط به آرایهPV در زمان تغیرات تابش خورشید

 

همانطور که در شکل 13 مشاهده می­شود، ولتاژ باس DC در طول زمان شبیه­سازی و با وجود تغیرات تابش، در مقدارV 130 مرجع، حفظ می­شود. بنابراین مشاهده می­شود که کنترل کننده باتری وظیفه تثبیت ولتاژ باس DC را در مقدار مرجع به خوبی انجام می­دهد و در زمان تغییرات شرایط آب­ و ­هوا به خوبی می­تواند با یک ریپل کوچک مقدار مورد نظر را دنبال کند.

در شکل14 نمودار جریان باتری و سطح شارژ باتری متناظر با تغییرات تابش خورشید نشان داده شده است. همان طور که در شکل مشاهده می­شود در ابتدا که تابش خورشید صفر است، باتری موتور را تغذیه می­کند. در این حالت جریان باتری مثبت است که نشان می­دهد که جریان از باتری کشیده می­شود و باتری در حال دشارژ است؛ شیب منفی نمودار SOC نیز این موضوع را تایید می­کند.

در گام بعدی، مقدار تابش خورشید به 450 افزایش می­یابد. در این حالت مقدار انرژی تولیدی PV با مقدار انرژی مصرفی برابر است و جریان باتری به صفر می­رسد و تخلیه باتری متوقف می­شود. نمودار SOC نیز نشان می­دهد که در 3 ثانیه دوم از شبیه سازی سطح شارژ باتری ثابت می­ماند.

 

 

شكل(13): ولتاژ باسDC و باتری در زمان تغیرات سطح تابش خورشید

 

 

شکل (14): پارامتر های مربوط به باتری در زمان تغیرات سطح تابش خورشید

در گام بعدی، تابش خورشیدی به 700 افزایش می­یابد. مشاهده می­شود که در این حالت مقدار توان   از مقدار مورد نیاز موتور پمپ بیشتر است، مشاهده می­شود جریان باتری از صفر به مقداری منفی می­رسد که بیانگر آن است که باتری در حال شارژ شدن، شیب مثبت نمودار SOC نیز این امر را نشان می­دهد؛ در گام بعدی سطح تابش به 1000 می­رسد. در این حالت جریان باتری باتری بیشتر می­شود و شیب نمودار SOC نیز تند­تر می­شود که به این معنی است که باتری با سرعت بیشتری شارژ می­شود.

در ادامه، با کاهش پله ای سطح تابش ابتدا سرعت شارژ باتری و مقدار جریان کاهش می­یابد سپس، با کاهش بیشتر سطح تابش، جریان باتری صفر و شارژ باتری متوقف و در انتها با صفر شدن میزان تابش جریان باتری مثبت می­شود و دوباره در حالت تخلیه قرار می­گیرد.

نتایج نشان می­دهند که کنترل کننده باتری در همه ی حالات افزایش و کاهش تابش خورشید، عملکرد مطلوبی دارد و کنترل کننده باتری به خوبی قادر به تنظیم ولتاژ باسDC در طول شبیه سازی و مدیریت توان است.

شکل 15 پارامتر های مربوط به موتورBLDC را در زمان تغیرات سطح تابش خورشید نشان می­دهد. همانطور که مشاهده می­شود همه ی پارامتر های موتور مقادیر مجاز خود را حفظ کرده و تغیرات تابش خورشید منجر به اختلال درعملکرد موتور پمپ نشده است. سرعت موتور با وجود تغیرات تابش خورشید، در مقدار 2500 دور بر دقیقه کنترل شده است. بنابر­این سیستم قادر به پمپاژ آب با حجم ثابت در همه ی شرایط، از حالت بدون نور خورشید گرفته تا بیشترین تابش ممکن است.

 

 

شكل(15): پارامتر های مربوط به موتورBLDC در زمان تغیرات تابش خورشید

 

نتایج شبیه­سازی در حالت دینامیک سیستم، نشان می­دهد که همه­ی اجزای سیستم، از جمله MPPT و کنترل­کننده باتری و سرعت موتور، در زمان تغیرات سطح تابش قادر به حفظ عملکرد مطلوب سیستم پمپاژ هستند.

4-3-       عملکرد سیستم در زمان تغیرات سرعت و گشتاور موتور پمپ

به منظور ارزیابی عملکرد سیستم پمپاژ پیشنهادی در زمان تعیرات سرعت و گشتاور موتور پمپ، سرعت مرجع موتور، تغییر داده می­شود. چون سرعت موتور از طریق ولتاژ باس DC کنترل می­شود و همچنین میزان گشتاور پمپ وابسته به سرعت موتور است، انتظار می­رود تغییر سرعت موتور، موجب تغییر گشتاور الکترومغناطیسی و گشتاور بار شود زیرا گشتاور پمپ متناسب با سرعت موتور و ضریب ثابت پمپ آب است.

برای شبیه­سازی عملکرد سیستم در این حالت، در مقدار تابش خورشید ثابت 400، ابتدا سرعت را در rpm 2300 تنظیم می­کنیم، سپس در ثانیه 4­ام شبیه­سازی، سرعت را بهrpm  2500 افزایش می دهیم و در ثانیه 8­ام آن را به rpm 2100 کاهش می­دهیم.

نمودار های رفتار سیستم در این آزمایش در شکل16 نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده می­شود، سطح تابش در طول شبیه سازی ثابت است و در دو گام مقدار ولتاژ مرجع تغییر داده می­شود؛ با توجه به نمودار ولتاژ باس، مشاهده می­شود که ولتاژ باسDC مقدار مرجع داده شده را به خوبی در هر دو حالت افزایش و کاهش دنبال می­کند. در این حالت تغییرات ولتاژ باتری ناچیز است. نمودار جریان باتری نشان می دهد که در ابتدا جریان باتری صفر است و موتور فقط توسط PV تغذیه می­شود.

 

شکل (16): ولتاژ باس DC و پارامتر های باتری در زمان تغیرات سرعت و گشتاور

در ثانیه 4­ام، سرعت موتور افزایش می­یابد و توان مصرفی نیز افزایش می­یابد. در این حالت جریان باتری تغییر می­کند و مقدار آن مثبت می­شود که به معنی حالت تخلیه باتری است؛ نمودار SOC نیز از مسطح به شیب منفی تغییر می­کند که تغییر مد کاری باتری را نشان می­دهد. سپس در ثانیه 8­ام، سرعت موتور کاهش می­یابد و در نتیجه توان مصرفی نیز کمتر می­شود؛ در این حالت مشاهده می­شود که جریان باتری منفی می­شود و شیب نمودارSOC  هم به مثبت تغییر می­کند که نشان دهنده تغییر حالت کاری باتری، از حالت دشارژ به شارژ است.

در شکل17نمودار پارامتر های موتور پمپ در این حالت نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده می­شود، موتور در هنگام افزایش سرعت عملکرد مناسبی دارد و در این حالت جریان استاتور و نیروی ضد محرکه استاتور با افزایش ولتاژ باس، افزایش می­یابند. با افزایش سرعت، گشتاور الکترومغناطیسی و گشتاور بار نیز افزایش می­یابند. در گام بعدی شبیه سازی در ثانیه8ام، مشاهده می­شود که با کاهش ولتاژ باس، مقدار پارامتر های موتور از جمله سرعت نیز کاهش می­یابند و به نسبت گشتاور نیز کاهش می­یابد. نتایج نشان می­دهد که عملکرد سیستم پمپاژ در زمان تغییرات سرعت و گشتاور پمپ نیز مناسب است و سیستم کنترل کننده قادر است تغییرات سرعت را در هر دو حالت افزایش و کاهش به خوبی دنبال کند.

 

  

شکل (17): پارامتر های مربوط به موتورBLDC در زمان تغیرات سرعت و گشتاور

 

 

 

5-       نتیجه­گیری

در این مقاله یک سیستم پمپاژ هیبرید خورشیدی با پشتیبانی باتری ارائه شد. در این سیستم، از موتور BLDC برای تغذیه پمپ استفاده شده است، برای کنترل سرعت موتورBLDC، از سیگنال سنسور های هال داخلی موتور برای تولید سیگنال های مورد نیاز برای کلید­زنی اینورتر، از طریق کموتاسیون الکترونیکی استفاده شده است.

ساختار سیستم پیشنهادی از نظر مراحل تبدیل توان، از نوع یک سطحی است و آرایه PV از طریق همان اینورتری که متصل به موتور پمپ است، به منظور دریافت بیشترین توان در دسترس، کنترل می­شود و مبدل اضافی استفاده نشده است.

در این مقاله از باتری های لیتیوم یونی برای پشتیبانی سیستم و مدیریت انرژی استفاده شده است. نتایج شبیه سازی سیستم پمپاژ پیشنهادی نشان داد که سیستم قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به سیستم های پمپاژ مرسوم دارد. مدیریت انرژی در این سیستم به گونه­ای است که در زمانی که میزان انرژی تولیدی PV از مقدار مورد نیاز برای پمپاژ پمپ بیشتر است، در باتری ذخیره می­شود و در مواقعی که تابش آفتاب کاهش می­یابد استفاده می­شود و از اتلاف انرژی جلوگیری می­شود. سیستم پیشنهادی، قادر است در هنگام کاهش نور خورشید در هوای ابری و در طی شب پمپاژ آب را به خوبی انجام دهد. عبور لحظه­ای ابر ها نیز که باعث توقف مکرر در سیستم های بدون باتری می­شود در عملکرد سیستم پیشنهادی اختلالی ایجاد نمی­کند. همچنین سیستم قادر است در زمان تغییرات سرعت موتور و گشتاور بار، عملکرد مناسبی ارائه دهد که به معنی این است که با تغییر شرایط کاری سیستم پمپاژ مانند ارتفاع پمپاژ، سیستم عملکرد مناسبی دارد. یکی از مزایای مهم سیستم پیشنهادی کنترل سرعت موتور در مقدار مطلوب بدون توجه به تغیرات تابش خورشید است که امکان پمپاژ آب با حجم ثابت را فراهم می­کند. همچنین سایه های گذرا ناشی از عبور برگ درختان و یا ناشی از عبور سریع ابر ها در عملکرد سیستم پیشنهادی اختلالی ایجاد نمی­کند.

 

مراجع

¹¹ 

[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.

 

زیرنویس‏ها

 

  فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز، سال چهارم، شماره ۳، پاییز ۱۴۰۴                                     1

---

[1]  Photovoltaics

[2]  Maximum power point tracking

[3]  Brushless direct current motor

[4]  Voltage sourse inverter

[5]  Artificial neural network

[6]  Perturb and observe

[7]  Roration per minute

[8]  Maximum power point

[9] 10 Proportional and Integral

[10]       11 State of charge

 

[11]  

---