0. 원문
https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1049/iet-rpg.2018.6205
1. 해석
(0). Abstract
This article presents a single stage standalone solar photovoltaic (SPV) array fed water pumping system using a permanent magnet synchronous motor (PMSM).
이 논문은 영구 자석 동기 모터 (PMSM)를 사용한 단일 단계 독립형 태양 광전지 (SPV) 어레이 공급 워터 펌프 시스템을 제시합니다.
PMSM
The vital contribu- tion of this work includes: 1) development of the novel modified vector control, which improves the torque response of the system, 2) development of a novel single stage variable step size incremental conductance technique, which provides a fast maximum power point tracking and eliminates the need of intermediate stage dc–dc converter, and 3) introduction of SPV power feed-forward term, which accelerates the overall response of the system under dynamic conditions.
이 작업의 주요 기여 요소는 다음과 같습니다: 1) 시스템의 토크 응답을 향상시키는 혁신적인 수정된 벡터 제어의 개발, 2) 빠른 최대 전력 포인트 추적을 제공하고 중간 단계 dc-dc 컨버터의 필요성을 제거하는 혁신적인 단일 단계 변수 스텝 크기 증분 동조 기술의 개발 및 3) SPV 전력 피드포워드 용어의 도입으로 동적 조건 하에서 시스템의 전체 응답을 가속화합니다.
Incremental conductance
This system includes a SPV array, a three- phase voltage source inverter (VSI), a PMSM and a pump.
이 시스템에는 SPV 어레이, 삼상 전압 소스 인버터 (VSI), PMSM 및 펌프가 포함되어 있습니다.
The SPV array converts solar energy into electrical energy. The VSI acts as power processing unit, which supplies desired currents to drive the PMSM.
SPV 어레이는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. VSI는 PMSM을 구동하기 위한 원하는 전류를 공급하는 전력 처리 장치로 작동합니다.
As the PMSM rotates, the pump coupled to the motor accomplishes the objective of water pumping.
PMSM이 회전함에 따라 모터에 결합된 펌프가 물 펌핑의 목표를 달성합니다.
This system is modeled and simulated using MATLAB/Simulink with available simpower system toolbox and the behavior of the system under varying atmospheric conditions are validated experimentally on a developed prototype in the laboratory.
이 시스템은 MATLAB/Simulink와 사용 가능한 simpower system toolbox를 사용하여 모델링 및 시뮬레이션되었으며, 다양한 기상 조건 하에서의 시스템 동작은 실험실에서 개발된 프로토 타입에서 실험적으로 검증되었습니다.
(1) Introduction
Renewable energy (RE) generation and effective uti- lization of available energy resources, have emerged as an exemplary panacea for increasing carbon footprint, depleting fossil fuels, increasing global warming and changing climatic conditions [1].
재생 에너지 (RE) 생산 및 사용 가능한 에너지 자원의 효과적인 활용은 탄소 발자국을 줄이고 화석 연료 고갈, 지구 온난화 증가 및 기후 조건 변화를 완화하는 뛰어난 해결책으로 부상하고 있습니다 [1].
Clean nature, noiseless operation, and abundant availability even at remote locations, have made the solar energy best form of RE available in the present scenario [2].
깨끗한 환경, 무소음 운전 및 원격 지역에서도 풍부한 이용 가능성은 현재 상황에서 가장 우수한 재생 에너지 형태로 태양 에너지를 만들어 냅니다 [2].
Decreasing capital cost, minimal maintenance cost, and zero operating cost, have made solar photovoltaic (SPV) system an excellent con- ceivable way to harness solar energy [3], [4].
자본 비용 감소, 최소한의 유지 보수 비용 및 운영 비용이 없어 솔라 광전지 (SPV) 시스템은 태양 에너지를 활용하는 탁월한 방법으로 여겨집니다 [3], [4].
Recently, SPV fed water pumping is receiving wider attention [5].
최근에는 SPV로 급수하는 물 펌핑이 더 많은 관심을 받고 있습니다 [5].
Experimental Implementation of an APC With Enhanced MPPT or Standalone Solar Photovoltaic Based Water Pumping Station
For areas having no accessibility to the grid and good solar insolation availability for most of the days in a year, the solar water pumping (SWP) is meeting the water requirement for daily basic activities [6].
그리드에 액세스 할 수 없는 지역 및 대부분의 일년 내내 좋은 태양 복사량을 갖는 지역에서는 태양 물 펌핑 (SWP)이 일상적인 기본 활동에 필요한 물을 공급하고 있습니다 [6].
Moreover, SWP is providing a great boost to agricultural and industrial activities [7], [8].
또한 SWP는 농업 및 산업 활동에 큰 힘을 실어 주고 있습니다 [7], [8].
SPV integrated water pumps experience some of the potential challenges such as reduced efficiency, increased dc- link voltage instability, sluggish response and high capital cost [9].
SPV 통합 워터 펌프는 효율성 감소, DC-링크 전압 불안정성 증가, 둔화된 응답 및 높은 자본 비용과 같은 잠재적인 어려움을 겪을 수 있습니다 [9].
DC link voltage : 가선 측 변환장치(converter)와 전압형의 전동기 측 변환장치(inverter)로 부터 이루어지는 주회로 시스템에서, 컨버터와 인버터의 중간인 직류회로 전압을 말한다.
즉 DC link라는 것은 변환된 DC의 양단을 말하는 것이다. 직류 스테이지 전압이라고도 말한다.
Although several researches have been carried out to mitigate some of these challenges, however, still insufficient literature is available to cope up with all these issues.
이러한 어려움을 완화하기 위해 여러 연구가 수행되었지만, 아직 이러한 모든 문제를 해결하기에는 부족한 문헌 자료가 있습니다.
This work is intended to meet most of the problems associated with SWP.
이 작업은 SWP와 관련된 대부분의 문제를 해결하기 위해 의도되었습니다.
Conventional drives used for SWP are quite inefficient.
SWP에 사용되는 기존의 드라이브는 꽤 비효율적입니다.
The evolution of permanent magnet motors, has led to a reduction in losses up to a greater extent.
영구 자석 모터의 진화로 손실이 크게 감소하게 되었습니다.
Permanent magnet synchronous motor (PMSM) and brushless dc motor (BLDC) are the two mostly used variant of permanent magnet machines [10].
영구 자석 동기 모터 (PMSM)와 브러시리스 직류 모터 (BLDC)는 영구 자석 기계의 두 가지 주요 변형입니다 [10].
BLDC
PMSM possess inherent advantages of high efficiency, low torque ripples, low noise, high air gap flux density, high power to weight ratio, high torque to inertia ratio, quick acceleration and deceleration capability, high power factor and compact design [11].
PMSM은 높은 효율성, 낮은 토크 리플, 낮은 소음, 높은 공기 갭 플럭스 밀도, 높은 출력 대 무게 비율, 높은 토크 대 관성 비율, 빠른 가속 및 감속 능력, 높은 역률 및 소형 디자인과 같은 내재적인 이점을 가지고 있습니다 [11].
This makes the motor best suited for SWP.
이러한 특징으로 인해 이 모터는 SWP에 가장 적합합니다.
Most of the existing topologies for SWP, use induction motor (IM) for driving the pump, however, a comparative field test analysis performed by Brinner et al.
[12] on electric submersible pump (ESP) reveals that the permanent magnet motors (PMM) based ESP offers 20% reduced consumption compared to IM based ESP of similar rating.
SWP에 대한 기존의 대부분의 구성은 펌프 구동에 인덕션 모터 (IM)를 사용하고 있지만, Brinner 등 [12]이 수행한 전기 잠수 펌프 (ESP)에 대한 비교 현장 실험 분석에 따르면 동일한 등급의 IM 기반 ESP에 비해 PMM 기반 ESP는 20% 감소된 에너지 소비를 제공합니다.
Induction motor : 유도 전동기라고도 불르며, 고정자에 감긴 1차 권선에 의해 만들어지는 회전자계에 의해 회전자에 감긴 2차 권선내의 인덕션 작용에 의해서 발생하는 인덕션 전류와 회전자계가 작용하여, 힘을 발생하고 모터로서의 기능을 한다.
AC motor
Electric submersible pump(ESP)
As the open loop control of PMSM, is not recommended, PMSM suffers the drawback of complex speed control.
PMSM의 오픈 루프 제어는 권장되지 않기 때문에 PMSM은 복잡한 속도 제어의 단점을 겪게 됩니다.
Vector or field- oriented control and direct torque control (DTC) are generally used techniques for speed control of PMSM [13].
PMSM의 속도 제어에 대한 일반적으로 사용되는 기술로는 벡터 또는 필드 지향 제어 및 직접 토크 제어 (DTC)가 있습니다 [13].
Vector or field-oriented control(FOC) : 벡터제어는 magnetic flux, current and voltage의 공간 벡터를 제어하기 위해 field-oriented theory를 사용한다.
이는 벡터를 전기자기장을 생성하는 부분과 토크를 생성하는 부분으로 분해하기 위한 죄표 시스템을 설정할 수 있게 한다. 그러고 모터 컨트롤러의 구조는 별도로 자극되는 직류 모터와 거의 동일하며, 이를 통해 PMSM의 제어를 단순화한다.
즉, 벡터 제어는 3상 전압과 전류를 dq변환 등을 통해 직교 관계를 가지는 2개의 신호로 변환하고 이 2개의 신호를 이용해 제어하는 방식이다.
FOC의 주요 단점은 필요한 처리 능력이 증가하여 고스펙 MCU가 필요할 수 있다는 점이다.
Direct torque control(DTC) : 수학적 좌표 변환 및 직류 기계 제어와의 유사성을 버린 새로운 전략으로 평균 기반의 분리 제어를 순간적인 벵-벵(On-Off) 제어로 대체하는 것을 제안했으며, 이는 VSI 반도체 전력 장치의 On-Off 작동과 매우 잘 일치한다.
DTC 구조의 주요 이점 중 하나는 간단한 구조, 우수한 동적 특성 및 내재적인 모션 센서 없는 제어 방법이다.
그러나 이 방법은 가변 스위칭 주파수, 고 토크 변동, 신뢰성이 낮은 시동 및 저속 작동 성능 등 중요한 단점이 있다.
FOC vs DTC : 둘의 sheme적 차이는 FOC는 주로 전류 제어를 통한 제어이고 DTC는 자속 제어를 통한 제어이다.
DTC is simpler as compared to vector control, however, it has an inherent issue of increased torque and flux ripples.
DTC는 벡터 제어에 비해 간단하지만, 토크와 플럭스 리플이 증가하는 내재적인 문제가 있습니다.
This issue has been addressed in various existing literature, however, the solution comes either at the cost of increased computational burden or increased hardware components [14], [15].
이 문제는 기존 문헌에서 다양하게 다루어져 왔지만, 해결책은 계산 부담이 증가하거나 하드웨어 구성 요소가 증가하는 비용이 따릅니다 [14], [15].
V/f is also one of the rarely used technique for speed control of PMSM as it has a drawback of sluggish response and requires stabilizing loops for high- speed operation [16], [17].
V/f도 PMSM의 속도 제어에 대한 거의 사용되지 않는 기술 중 하나로, 둔화된 응답과 고속 운전을 위한 안정화 루프가 필요한 단점이 있습니다 [16], [17].
V/f : 모터의 전압과 주파수를 일정한 비율로 증가 또는 감소시켜서 모터의 속도와 토크를 조절.
V/F 제어
Vector control technique provides an excellent speed control [18].
벡터 제어 기술은 우수한 속도 제어를 제공합니다 [18].
Here performance wise, PMSM is converted to equivalent separately excited dc machine [19].
여기서 성능 측면에서 PMSM은 동등한 별도로 여자된 직류 기계로 변환됩니다 [19].
Separately excited dc machine : 전기자 권선에 사용하는 직류 전원과는 별도의 전원으로 계자 권선을 여자하는 dc machine
(excited : 기계에 전기 에너지를 제공하고 전기장을 생성하는 과정)
아래그림
계자(field): 자속을 만들어내는 부분
전기자(armature): 자속을 끊으며 기전력이 유도되는 부분
기전력: 도체 양끝에서 일정한 전위차를 계속 유지시킬 수 있는 능력
The dc machine has an advantage of decoupled orthogonal flux and torque components.
직류 기계는 별도로 분리된 직교 자속 및 토크 구성 요소를 가지고 있습니다.
The flux and torque are controlled, respectively by controlling field current (If ) and armature current (Ia).
플럭스와 토크는 각각 필드 전류 (If) 및 아마추어 전류 (Ia)를 제어함으로써 제어됩니다.
This control is extended to PMSM by considering the motor in a synchronously rotating reference frame (d-q) so that the sinusoidal quantities look like dc in steady- state condition.
이 제어는 PMSM에 대해 모터를 동기 회전 기준 프레임 (d-q)에서 고려함으로써 주기적인 양이 정상 상태에서 직류처럼 보이도록 합니다.
The orthogonal direct (d) axis and quadrature (q) axes currents are the components of stator current and can be controlled separately analogous to a dc machine.
직교 direct (d) 축 및 사분면 (q) 축 전류는 고정자 전류의 구성 요소이며 직류 기계와 유사하게 별도로 제어될 수 있습니다.
The reference direct axis current is controlled in accordance with required flux, whereas the reference quadrature axis current is controlled in accordance with the required torque.
reference 직교 직선 (d) 축 전류는 필요한 플럭스에 따라 제어되며, reference 사분면 (q) 축 전류는 필요한 토크에 따라 제어됩니다.
A modified vector control (MVC) technique is used here, through utilizing an extra control loop i.e., torque control loop and a SPV power feed-forward term (FFT).
여기서, 추가 제어 루프, 즉 토크 제어 루프와 SPV 전력 피드 포워드(FFT)를 사용하여 수정된 벡터 제어(MVC) 기법이 사용됩니다.
Feed-forward : 시스템의 입력 신호가 주어지기 전에 예상 출력 또는 반응을 사전에 예측하고, 이를 사용하여 원하는 출력을 나오게 함.
The incorporation of torque control loop reduces the burden on the speed controller and improves the torque response whereas the introduction of SPV-FFT accelerates the overall response of the system.
토크 제어 루프가 통합되어 있어 속도 제어기의 부담을 줄이고 토크 응답을 개선할 수 있으며, SPV-FFT의 도입으로 시스템의 전반적인 응답이 가속됩니다.
For the extraction of optimum power from SPV array, maximum power point tracking (MPPT) techniques are used.
SPV array에서 최적의 전력을 추출하기 위해 최대 전력점 추적(MPPT) 기법이 사용됩니다.
Numerous MPPT techniques such as an incremental conductance (INC), perturb and observe (P&O), fuzzy logic control, neural network, fractional Voc, fractional Isc and many other are discussed in the existing literature.
Fuzzy logic control : 제어 알고리즘을 if-then 형식으로 표현하고, fuzzy 추론을 이용하여 실행시키는 제어 방법.
Fractional Voc : 현재 태양 전지 패널의 전압과 최대 출력 전압 사이의 비율을 fractional Voc라고 함. 태양 전지 패널의 현재 전압 및 전류를 모니터링하고, fractional Voc 값을 계산해서 태양 전지가 현재 입력 조건에서 최대 출력을 내도록 조절하는 기법.
Fractional Isc : 현재 태양 전지 패널의 단락 전류와 최대 단락 전류 값 사이의 비율을 fractional Isc 라고 함. Fractional Voc와 비슷한 알고리즘.
Podder et al.[20] have presented an in-depth analysis of different MPPT techniques.
Podder et al.[20]은 다양한 MPPT 기법에 대한 심층적인 분석을 제시했습니다.
Among existing MPPT techniques, P&O and INC are the two widely used techniques for SWP [21]–[23].
기존의 MPPT 기법 중에서, P&O와 INC는 SWP에 널리 사용되는 두 가지 기법입니다 [21]~[23].
The P&O exhibits a straight forward control approach involving perturbation of the SPV array voltage towards the maximum power point (MPP).
P&O는 최대 전력점(MPP)을 향한 SPV array 전압의 작은 변화를 수반하는 직접적인 제어 접근법을 보여줍니다.
MPPT 방법-P&O : 현재 전력과 과거 전력이 같으면 전압을 바꾸지 않고 다르다면 현재 전력과 과거 전력 중 어떤 값이 더 큰지에 따라 나뉨. 그리고 나서 현재 전압과 과거 전압의 차이값의 부호에 따라 전압을 증가 시킬지 감소시킬지 정함.
However, this method suffers from the drawback of steady- state oscillations due to perturbations [21].
그러나 이 방법은 작은 변화로 인한 정상 상태 진동의 단점을 겪습니다 [21].
These oscillations result in power loss and are ineffective for maximum power extraction.
이러한 진동은 전력 손실을 초래하며 최대 전력 추출에 효과적이지 않습니다.
The principle involved in MPPT using an INC method, relies on the fact that the incremental conductance and instantaneous conductance of the SPV array are equal at MPP [22].
INC 방법을 사용하는 MPPT와 관련된 원리는 SPV array의 증분 전도율과 순간 전도율이 MPP에서 동일하다는 사실에 의존합니다 [22].
MPPT 방법-INC : 측정된 전압과 전류를 통해 PV array의 출력을 계산하고 전압의 변화량과 출력전력의 변화량에 따라 동작점을 증감시키며 최대전력점을 추종하는 방법
Theoretically, this method gives no steady state oscillations as once the MPP is reached, there is no need of any further perturbation until the change in conductance takes place. However, due to the practical limitation of resolution of step size, the oscillations are non-zero all the time [23].
이론적으로, 이 방법은 일단 MPP에 도달하면 컨덕턴스의 변화가 일어날 때까지 더 이상의 동요가 필요 없기 때문에 정상 상태 진동을 제공하지 않습니다. 그러나 step size의 해상도의 현실적인 한계로 인해 진동은 항상 0이 아닙니다 [23].
Resolution of step size : 태양 전지 패널의 전압 또는 전류를 얼마나 작은 단계로 조절하거나 변화시킬 수 있는지를 의미.
Even though P&O technique is simple and easily implementable, an INC algorithm gives accurate and fast MPP tracking during transients.
P&O 기법은 간단하고 쉽게 구현할 수 있지만, INC 알고리즘은 과도 시 정확하고 빠른 MPP 추적을 제공합니다.
An INC method of MPPT usually has fixed step size nevertheless, Yang et al. [24] have proposed an INC algorithm that uses variable step size by altering the step size of the duty ratio with every iteration.
MPPT의 INC 방법은 일반적으로 고정된 step size를 가지지만, Yang 등 [24]은 반복될 때마다 듀티비의 step size를 변경함으로써 가변적인 step size를 사용하는 INC 알고리즘을 제안했습니다.
However, as suggested algorithm can be used only for two stage MPPT, it is well known that a single stage topology eliminates the requirement of intermediate dc–dc converter and, therefore, better from the view point of efficiency, size, and cost.
그러나, 제안된 알고리즘이 2단계 MPPT에만 사용될 수 있기 때문에, 단일 단계 토폴로지는 중간 dc-dc 변환기의 요구를 제거하고, 따라서 효율성, 크기 및 비용 측면에서 더 나은 것으로 잘 알려져 있습니다.
Two stage MPPT : 첫 번째 단계에서 DC-DC converter를 사용해서 태양광 패널의 출력을 조절하고 두 번째 단계에서 최종 변환 및 출력을 조절.
Keeping the benefits of single- stage topology in view, this work uses a single stage variable step size incremental conductance (VSS-INC) MPPT algorithm.
단일 단계 토폴로지의 이점을 고려하여, 이 연구는 단일 단계 가변 step size 증분 컨덕턴스(VSS-INC) MPPT 알고리즘을 사용합니다.
Single-stage MPPT: 중간 단계의 DC-DC converter 없이 직접적으로 태양광 패널의 출력을 추적하고 변환
This system for SWP is designed, modeled and simulated under MATLAB/Simulink environment and the hardware validation is carried out on a developed prototype in the laboratory.
본 SWP용 시스템은 MATLAB/Simulink 환경하에서 설계, 모델링 및 시뮬레이션을 수행하며, 하드웨어 검증은 실험실에서 개발된 프로토타입에 따라 수행됩니다.
This system uses a single stage VSS-INC MPPT algorithm for optimum power extraction from SPV array and MVC for speed control of PMSM.
본 시스템은 SPV array에서 최적의 전력 추출을 위한 단일 스테이지 VSS-INC MPPT 알고리즘과 PMSM의 속도 제어를 위한 MVC를 사용합니다.
(2) System Configuration And Operation
The configuration for SWP system, is shown in Fig. 1.
SWP 시스템의 구성은 그림 1과 같습니다.
This system comprises of (from left to right) SPV array, a three-phase voltage source inverter (VSI), a PMSM and a water pump.
이 시스템은 (왼쪽에서 오른쪽으로) SPV 어레이, 3상 전압원 인버터(VSI), PMSM 및 워터 펌프로 구성됩니다.
A diode (D) is used between SPV array and VSI to stop the flow of any reverse current into SPV array.
다이오드(D)는 SPV 어레이와 VSI 사이에서 모든 역방향 전류가 SPV 어레이로 흐르는 것을 중지하는 데 사용됩니다.
VSI : DC전원을 사용하여 AC전원을 생성하거나 변환하는데 사용함. 제어 가능한 전압 및 주파수를 가진 교류 전원을 만들기 위해 사용됨. 일반적으로 PWM 기술이 사용되며, 이를 통해 정밀한 전압 및 주파수 제어가 가능함.
PV 솔라 인버터란?
The SPV array consists of an appropriate number of series and parallel combination of SPV modules.
SPV 어레이는 SPV 모듈의 적절한 직렬 및 병렬 조합으로 구성됩니다.
As the photons strike the surface of the SPV array, electrical energy is generated.
광자가 SPV 어레이의 표면에 부딪히면 전기 에너지가 생성됩니다.
This generated electrical energy is fed to the dc link of VSI.
이렇게 생성된 전기 에너지는 VSI의 dc 링크로 공급됩니다.
The VSI acts as power processing unit. It rotates the PMSM with pump coupled to it and thereby converts this electrical energy into rotational mechanical energy.
VSI는 power processing unit 역할을 하며 펌프가 결합된 PMSM을 회전시켜 전기에너지를 회전기계에너지로 변환합니다.
Power processing : 전력 소비를 최적화하고 효율을 향상시키기 위한 장치
This SWP system consists of only one energy storing element i.e., dc -link capacitor (Cdc).
이 SWP 시스템은 에너지 저장 요소, 즉 dc-link capacitor(Cdc) 하나로만 구성됩니다.
Assuming the system to be lossless, during transient condition
where, Ppv, PCdc and Pm are PV array, dc-link capacitor and motor output power, respectively
여기서 Ppv, PCdc 및 Pm은 각각 PV 어레이, DC 링크 커패시터 및 모터 출력 전력입니다.
Dc-link capacitor : 주로 DC 버스 또는 DC 링크에 연결되어 시스템에서 발생하는 전력 변동을 완화하고 안정화하는 역할을 한다.
where τ m and ωm are motor torque and speed, respectively.
여기서 τm과 ωm은 각각 모터 토크와 속도입니다.
During steady state condition, Vdc remains constant.
정상 상태 동안 Vdc는 일정하게 유지됩니다.
For a pump type load, the torque is considered as
펌프 유형 부하의 경우 토크는 다음과 같이 간주됩니다.
Let Km be pump proportional constant.
Km을 펌프 비례 상수로 둡니다.
팬이랑 펌프의 모터 토크는 속도의 제곱에 비례한다.
The relation (8) reveals that the SPV array power (Ppv) is proportional to the cube of motor speed (ωm).
관계식(8)은 SPV 어레이 전력(Ppv)이 모터 속도(Ωm)의 세제곱에 비례한다는 것을 나타냅니다.
This exemplifies that for proper MPPT tracking, the reference motor speed (ωref) must be obtained properly.
이는 적절한 MPPT 추적을 위해서는 기준 모터 속도(ωref)를 적절하게 얻어야 함을 보여줍니다.
For this system,ωref comprises of two parts; ωref1 and ωref2 as shown in Fig. 2(b).
이 시스템의 경우 ωref는 그림 2(b)와 같이 ωref1과 ωref2 두 부분으로 구성됩니다.
ωref1 comes from dc-link voltage controller.
ωref1은 DC 링크 전압 컨트롤러에서 나옵니다.
VSS-INC algorithm uses the SPV array voltage (Vpv) and current (Ipv) as inputs and these generate a reference dc link voltage (Vdc ref) required for the operation at MPP.
VSS-INC 알고리즘은 SPV 어레이 전압(Vpv)과 전류(Ipv)를 입력으로 사용하고 이를 통해 MPP에서 작동하는 데 필요한 참조 DC 링크 전압(Vdc ref)을 생성합니다.
VSS-INC : 알고리즘이 한 번에 한 단계씩만 크기를 조정하고, 그 크기가 가변적이라는 것을 나타낸다. 태양광 발전 시스템의 조건에 따라서 크기가 동적으로 조절되어 최적의 MPPT를 수행할 수 있도록 하는 특징이 있다.
For single- stage topology, the dc- link voltage (Vdc) is same as Vpv henceforth they can be used interchangeably.
단일 스테이지 토폴로지의 경우 DC 링크 전압(Vdc)은 Vpv와 동일하므로 서로 바꿔서 사용할 수 있습니다.
위 사진에서 Vdc와 Vpv사이 converter이 없고 바로 연결되어 있기 때문에 single stage topology라고 하고 동시에 같은 전압 값을 가진다고 하였다.
그때 나온 전압(Vdc = Vpv)이 MPPT 알고리즘에 들어가서 VSI회전을 돕는다.
Vdc ref is compared with Vdc and the error is fed to dc- link voltage controller, which reduces the dc link voltage error to zero by adjusting ωref1.
Vdc ref는 Vdc와 비교되고 오류는 dc 링크 전압 컨트롤러에 전달되며, 이는 ωref1을 조정하여 dc 링크 전압 오류를 0으로 줄입니다.
ωref2 comes from FFT, which is a function of SPV power (Ppv).
ωref2는 SPV 전력(Ppv)의 함수인 FFT에서 나옵니다.
Since ωref2 is a direct function of Ppv and involves no controller in between, any change in Ppv directly leads to change in ωref2, which makes the system respond faster.
ωref2는 Ppv의 직접적인 함수이고 그 사이에 컨트롤러가 포함되지 않기 때문에 Ppv의 모든 변경은 ωref2의 변경으로 직접 이어져 시스템이 더 빠르게 응답하게 합니다.
After the generation of ωref, the speed of PMSM is controlled using MVC.
ωref가 생성된 후에는 MVC를 사용하여 PMSM의 속도를 제어합니다.
MVC : Modified Vector Control
For this ωref is compared with ωm and the speed error (ωerror) is fed to the speed controller.
이 경우 ωref는 ωm과 비교되고 속도 오류(ωerror)는 속도 컨트롤러에 입력됩니다.
The output of the speed controller is considered as reference electromagnetic torque (Te ref).
속도 제어기의 출력은 기준 전자기 토크(Te ref)로 간주됩니다.
The Te ref is compared with estimated electromagnetic torque (Te est) and the torque error (Te error) is generated.
Te ref를 추정 전자기 토크(Te est)와 비교하여 토크 오차(Te error)를 생성합니다.
The Te error is fed to the torque controller and the output is considered as reference quadrature axis current (iq ref), which is further utilized for speed control of PMSM.
Te 오류는 토크 컨트롤러에 입력되고 출력은 PMSM의 속도 제어에 활용되는 기준 직교 축 전류(iq ref)로 간주됩니다.
The generation of iq ref using conventional and MVC is shown in Fig. 2(a), and (b), respectively.
기존 방식과 MVC를 사용한 iq ref 생성은 각각 그림 2(a)와 (b)에 나와 있습니다.
An elaborated discussion of VSS-INC and MVC is presented in Sections IV-A and IV-B, respectively.
VSS-INC 및 MVC에 대한 자세한 설명은 각각 섹션 IV-A 및 IV-B에 나와 있습니다.
(3) System Design
For the development of an effective SWP system and to make it capable to perform under different operating conditions, various sections shown in Fig. 1, need to be designed appropriately.
효과적인 SWP (Solar Water Pumping) 시스템을 개발하고 다양한 운영 조건 하에서 작동할 수 있도록 하려면 그림 1에 나와 있는 다양한 섹션들을 적절하게 설계해야 합니다.
A PMSM of a power rating of 7.8 kW is selected to design this system. An elaborated design of SPV array and dc- link capacitor are as follows.
이 시스템을 설계하기 위해 7.8 kW의 전력 등급을 갖는 PMSM을 선택했습니다. SPV 배열과 DC-링크 캐패시터의 상세한 설계는 다음과 같습니다.
A. Design of SPV Array
Solar cells are used for converting the energy of photons into electrical energy. A method for the modeling of solar cell, has been presented by Venkatramanan et al. [25].
[15] https://ieeexplore-ieee-org-ssl.access.ewha.ac.kr/document/8815948
태양 전지판은 광자의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 데 사용됩니다. 태양 전지판 모델링을 위한 방법은 Venkatramanan 등에 의해 제안되었습니다.
Same method is used here for the modeling of SPV array.
여기에서는 동일한 방법이 SPV 배열의 모델링에 사용됩니다.
The power rating of the SPV array greatly depends on the power rating of the load.
SPV 배열의 전력 등급은 주로 부하의 전력 등급에 크게 의존합니다.
In order to compensate for the losses incurred in the intermediate stages between SPV array and the load, predominantly the power rating of the SPV array is taken a little higher to that of the load.
SPV 배열과 부하 사이의 중간 단계에서 발생하는 손실을 보상하기 위해 주로 SPV 배열의 전력 등급은 부하의 전력 등급보다 조금 높게 설정됩니다.
For the satisfactory operation of a PMSM of 7.8 kW, a SPV array having a peak capability of 8.4 kW under standard test condition (STC, STC: 1000 W/m2, 25 °C) is designed.
7.8 kW의 PMSM의 만족스러운 작동을 위해, 표준 시험 조건 (STC, STC: 1000 W/m2, 25 °C)에서 최대 8.4 kW의 피크 성능을 갖는 SPV 배열이 설계되었습니다.
The SPV array consists of low power rating SPV modules, which are assembled in series and parallel depending upon required voltage and current rating, respectively.
SPV 배열은 필요한 전압 및 전류 등급에 따라 각각 직렬 및 병렬로 조립된 낮은 전력 등급의 SPV 모듈로 구성됩니다.
A standard solar PV module KC200GT manufactured by Kyocera is considered for the design of SPV array [26].
SPV 배열 설계에는 Kyocera에서 제조한 표준 태양 광전지 모듈 KC200GT가 고려됩니다[26].
[26] https://documents.unboundsolar.com/legacy/pdfs/module%20pdf%20folder/KC200GT.pdf
The required SPV array power,
필요한 SPV 배열 전력:
where Pmpp is the SPV array power at MPP.
여기서 Pmpp는 MPP에서의 SPV 배열 전력입니다.
Numbers of required SPV modules are given as
필요한 SPV 모듈의 개수는 다음과 같이 주어집니다:
Pmp = 200.143인 이유는 [26]의 표준 태양 광전지 모듈 KC200GT의 Maximum Power(Pmax)가 200W로 측정되었기 때문이다.
For a single -stage topology, SPV array MPP voltage Vmpp is chosen near about to the dc -link voltage (Vdc).
단일 스테이지 토폴로지의 경우, SPV 배열의 MPP 전압 Vmpp는 대략 DC-링크 전압 (Vdc)에 가깝게 선택됩니다.
The Vdc for the PMSM model selected in this work is 560 V.
이 연구에서 선택한 PMSM 모델의 Vdc는 560 V입니다.
Numbers of SPV modules connected in series are given as
직렬로 연결된 SPV 모듈의 개수는 다음과 같이 주어집니다:
Vmp = 26.3인 이유는 [26]의 표준 태양 광전지 모듈 KC200GT의 Vmp가 26V로 측정되었기 때문이다.
Numbers of SPV modules connected in parallel are given as
병렬로 연결된 SPV 모듈의 수는
The SPV array constitutes a total of 42 SPV modules arranged in 2 parallel paths of 21 modules connected in series in each path.
SPV 배열은 총 42개의 SPV 모듈로 구성되어 있으며, 각각 21개의 모듈이 직렬로 연결된 2개의 병렬 경로로 배열되어 있습니다.
B. Design of DC Link Capacitor
The value of dc link capacitor can be evaluated as [27].
DC 링크 캐패시터의 값은 [27]을 참고하여 평가할 수 있습니다.
스위치가 OFF되었을 때 모든 전류가 Capacitor에 저장된다. 그러면서 위와 같은 곡선이 그려진다.
그때 Capacitor에 저장되는 에너지를 계산하는 것이다.
DC link capacitor
[참고] https://www.specterengineering.com/blog/2019/9/7/dc-link-capacitor-selection-for-your-inverter
[논문 계산 방법}
https://jgewjsrhdms.tistory.com/entry/1-HW%EC%A0%90%EA%B2%80-%EB%B0%8F-PVMotor-Simulink-%EC%84%B8%EB%AF%B8%EB%82%98
where Io = Pmpp/Vdc, ΔVdc is % ripple voltage taken as 2% of Vdc and ωe = 2∗π∗50 = 314.16 rad/s is the angular frequency. The calculated value of dc- link capacitor is 2132 μF. A standard value of capacitor available is 2200 μF, so the Cdc = 2200 μF.
여기서 Io는 Pmpp/Vdc, ΔVdc는 Vdc의 2% 리플 전압으로 취하며, ωe는 2∗π∗50 = 314.16 rad/s로 각 주파수입니다. 계산된 DC 링크 캐패시터의 값은 2132 μF입니다. 사용 가능한 표준 캐패시터 값은 2200 μF이므로 Cdc = 2200 μF입니다.
f=50인 이유?
(4) System Control Strategy
The control of this system shown in Fig. 1, is divided into two parts. First part is devoted for maximum power extraction from SPV array using single stage VSS-INC algorithm, whereas, the second part is dedicated for the speed control of PMSM using MVC.
그림 1에 표시된 이 시스템의 제어는 두 부분으로 나뉩니다. 첫 번째 부분은 단일 단계 VSS-INC 알고리즘을 사용하여 SPV 배열에서 최대 전력을 추출하는 데 전념하고 있으며, 두 번째 부분은 PMSM의 속도 제어를 위해 MVC에 헌신되었습니다.
A proportional integral (PI) controller reduces the error between reference and actual value. This configuration utilizes three PI controllers.
비례-적분 (PI) 컨트롤러는 기준 값과 실제 값 간의 오차를 줄입니다. 이 구성은 세 개의 PI 컨트롤러를 사용합니다.
First PI controller ensures the MPP operation by reducing the dc- link voltage error while the second and third PI controllers are used for MVC.
첫 번째 PI 컨트롤러는 DC-링크 전압 오차를 줄이는 데 사용되어 MPP 작동을 보장하며, 두 번째와 세 번째 PI 컨트롤러는 MVC에 사용됩니다.
The second PI controller reduces the speed error and third PI controller reduces the torque error.
두 번째 PI 컨트롤러는 속도 오차를 감소시키고, 세 번째 PI 컨트롤러는 토크 오차를 감소시킵니다.
A SPV-FFT is incorporated to accelerate the system transient response.
시스템의 순간적인 응답을 가속하기 위해 SPV-FFT가 도입되었습니다
SPV-FFT(Solar pv-Feed Forward Term)
A. Single Stage Variable Step Size Incremental Conductance(VSS-INC) Technique
The step size of the conventional INC method is usually fixed.
일반적인 INC (증분) 방법의 단계 크기는 일반적으로 고정됩니다.
The smaller step size results in sluggish dynamic performance and smaller steady -state oscillations whereas the larger step size results in fast dynamic performance and increased steady state oscillations.
더 작은 step size는 둔화된 동적 성능과 작은 정상 진동을 결과로 낳으며, 더 큰 step size는 빠른 동적 성능과 증가된 정상 상태 진동을 초래합니다.
Both the situations lead to wastage of power as an average output power is significantly reduced.
두 가지 상황 모두 평균 출력 전력이 크게 감소하여 전력 낭비로 이어집니다.
This problem can be resolved by keeping the step size variable such that during transient, the step size would be large ensuring fast dynamics and during steady- state the step size would be small ensuring significantly reduced oscillations.
이 문제는 단계 크기를 가변적으로 유지하여 해결할 수 있으며, 이로 인해 순간적인 상황에서는 단계 크기가 크게되어 빠른 동적을 보장하고, 정상 상태에서는 단계 크기가 작아져 크게 줄어든 진동을 보장할 수 있습니다.
The algorithm for VSS-INC, is shown in Fig. 3. This algorithm gives Vdc_ref as an output required for single stage MPPT.
VSS-INC의 알고리즘은 그림 3에 나와 있습니다. 이 알고리즘은 단일 단계 MPPT에 필요한 Vdc_ref를 출력합니다.
Fig.3.설명
<전압의 변동(dV)이 있을 때>NO
dP/dV > 0 = dI/dV > -I/V수식 dP/dV >0 의 조건은 전압이 증가되면서 전력이 증가되는 경우와 전압,전력이 모두 감소되는 방향인 경우인데 이것은 모두 최대전력 지점 왼쪽에 있는 경우(5)이다.
dP/dV<0인 경우는 최대 전력 지점의 오른쪽에 있는 경우(6) 있다 이 때는 전압을 감소 시켜서 최대 전력 추종 지점으로 가게 한다.
<전압의 변동(dV)이 없을 때>YES
전류의 변동(dI)이 있는 경우에서 0보다 크면 증가 방향으로 가는 경우(3)이므로
듀티(D)값을 증가시킨다. 반대로 0보다 작은 경우(2)는 전압을 감소하여 최대 전력 지점으로 가는 것이므로 듀티 값을 감소시킨다.
The generation of Vdc_ref is realized as
Vdc_ref의 생성은 다음과 같이 이루어집니다.
The value of Step is variable and is calculated as
Step의 값은 가변적이며 다음과 같이 계산됩니다.
where Kvs is the step size constant, dPpv and dVpv are the difference in SPV array power and SPV array voltage at kth and k-1th sampling instant, respectively.
여기서 Kvs는 step size 상수이며, dPpv와 dVpv는 k번째와 k-1번째 샘플링 순간에서의 SPV 배열 전력 및 SPV 배열 전압의 차이를 나타냅니다.
The other equations involved in VSS-INC algorithm are shown in Fig. 3.
VSS-INC 알고리즘에 포함된 다른 방정식은 그림 3에 나와 있습니다.
The selection of Kvs greatly affects the MPPT performance. The determination of kvs is based on the fact that a larger step size Stepmax is initially opted for fast dynamic response during starting.
Kvs의 선택은 MPPT 성능에 큰 영향을 미칩니다. Kvs의 결정은 초기에 빠른 동적 응답을 위해 더 큰 단계 크기 Stepmax를 선택하는 사실에 기반합니다.
During starting the steady- state value instead of dynamic value of the |dPpv/dVpv| is calculated under the constant step size operation with Stepmax, which is the upper limit of the VSS-INC.
시작 시에는 Stepmax로 상수 단계 크기 작업 하에서 |dPpv/dVpv|의 동적 값 대신 정상 상태 값이 계산되고, 이것은 VSS-INC의 상한 값인 Stepmax입니다.
It is observed that |dPpv/dVpv| is around zero at MPP.
MPP에서 |dPpv/dVpv|가 거의 제로에 가깝다는 사실을 관찰할 수 있습니다.
Therefore, for ensuring the convergence,the VSS-INC must satisfy the following condition:
따라서 수렴을 보장하기 위해 VSS-INC는 다음 조건을 만족해야 합니다:
where |dPpv/dVpv|_Constant Step=Step_max is the |dPpv/dVpv| at constant step size of Step_max.
여기서 |dPpv/dVpv|_Constant Step=Step_max은 step size가 Step_max인 경우의 |dPpv/dVpv| 값입니다.
The value of the step size constant is, therefore, evaluated as
따라서 step size constant의 값은 다음과 같이 평가됩니다:
The VSS-INC keeps operating with step size of Stepmax until (17) is not satisfied.
VSS-INC는 (17)이 만족되지 않는 한 Stepmax의 단계 크기로 작동을 계속합니다.
Therefore, (17) gives the boundary limit of the step size constant Kvs for VSS-INC.
따라서 (17)은 VSS-INC의 단계 크기 상수 Kvs의 경계 한도를 제공합니다.
B. Modified Vector Control (Goal : speed control of PMSM)
The MVC is sub-divided into two parts. First part is estimation of electromagnetic torque and the second part is generation of reference currents and switching signals.
MVC는 두 부분으로 세분화됩니다. 첫 번째 부분은 전자기 토크의 추정이며, 두 번째 부분은 참조 전류 및 스위칭 신호의 생성입니다.
The control diagram for SWP pumping using MVC is shown in Fig. 4.
MVC를 사용한 SWP 펌핑의 제어 다이어그램은 그림 4에 나와 있습니다.
1) Estimation of Electromagnetic Torque: The estimation of electromagnetic torque (Te est) is carried out in stationary reference frame.
전자기 토크의 추정: 전자기 토크 (Te est)의 추정은 stationary reference frame에서 이루어집니다.
Stational reference frame
: d-q축이 회전하지 않고 정지된 직교 좌표계를 말하며, d^s- q^s 축으로 표시한다. 통상 d^s축은 a상 권선의 자속 발생 축과 일치시켜 사용한다. 정지된 고정자에 맞추어 이 좌표계를 고정자 좌표계(Stator Reference Frame)이라고도 부른다.
→ 이 좌표계에서는 시간에 따라 변하지 않는 위치를 기준으로 삼상전압을 구할 수 있음
Va, Vb and Vc are obtained from Vdc as
Va, Vb 및 Vc는 Vdc로부터 얻어집니다.
where S1, S3, and S5 are the VSI switching signals.
S1, S3 및 S5는 VSI 스위칭 신호입니다.
3상 구형파 인버터 : 위 스위칭 신호 전개
Three phase voltages and currents are converted to stationary voltages (Vα, Vβ) and currents (iα, iβ) using Clark’s transformation given as
세 상전압 및 전류는 Clark의 변환을 사용하여 정지된 전압 (Vα, Vβ) 및 전류 (iα, iβ)로 변환됩니다.
Clark's transformation
: 3상 좌표계에서 2상 좌표계로 신호를 변환하는데 사용, 3상 교류전류는 시간에 따라 변하기때문에 제어 어려움 (전류지령을 시간에 따라 변하도록 넣어줘야하기때문에)
→ '120도 간격의 위상차를 가지는 abc상'을 '90도 간격의 Alpha, Beta상’으로 바꿔줘 alpha-beta 변환이라고도 한다. 대부분 Clarke 변환이라고 함
(모터제어3판 p.245)
The α and β axis stationary flux components (ψα and ψβ) are given as
α와 β 축 정지된 플럭스 구성요소 (ψα 및 ψβ)는 다음과 같이 주어집니다:
where Rs is the stator resistance, ψα0 and ψβ0 are the initial stationary flux components.
여기서 Rs는 스테이터 저항이며, ψα0 및 ψβ0은 초기 정지된 플럭스 구성 요소입니다.
Te_est is calculated as Te_est는 다음과 같이 계산됩니다
where p is the number of pole pairs.
여기서 p는 극 쌍의 수입니다.
2) Generation of Reference Currents and Switching Signals: Vdc ref generated from VSS-INC method, is compared with Vdc.
Reference 전류 및 스위칭 신호 생성: VSS-INC 방법에서 생성된 Vdc ref는 Vdc와 비교됩니다.
The error at kth sample instant is given as
k번째 샘플 순간의 오차는 다음과 같이 주어집니다:
This error is fed to the dc link PI voltage controller. The dc- link voltage controller reduces the error and its output is considered as ωref1.
이 오차는 DC 링크 PI 전압 컨트롤러에 공급됩니다. DC 링크 전압 컨트롤러는 오차를 줄이고 그 출력은 ωref1로 고려됩니다.
PI controller :
1. 오차측정 → 2. P(proportional) 제어: 오차에 비례하는 제어 신호를 생성 (오차를 바로 반영해 오차가 클수록 더 큰 제어 신호가 생성) → 3. I(Integral) 제어: 오랜 시간 동안 누적된 오차에 비례하는 제어 신호 생성(오차가 오랜시간 걸쳐 발생한 경우 유용 ex 정적 오차 ) → 4. 제어 신호 합산 → 5. 출력(전압조절장치나 인버터로 전달해 현재 전압 조절)
ωref1 is estimated as
ωref1은 다음과 같이 추정됩니다:
where Kpd and Kid are proportional and integral constants, respectively used in dc- link voltage PI controller.
여기서 Kpd 및 Kid는 DC 링크 전압 PI 컨트롤러에서 사용되는 비례 및 적분 상수입니다.
ωref2 is generated from SPV-FFT such that
ωref2는 SPV-FFT로부터 생성되며 다음과 같이 주어집니다:
whereKpv is SPV-FFT constant.
여기서 Kpv는 SPV-FFT 상수입니다.
The maximum value ofKpv can be taken as the ratio of rated power and rated speed, however, the value of Kpv is selected from the view point of maximum stability.
Kpv의 최대 값은 등급 전력과 등급 속도의 비율로 취할 수 있지만, Kpv의 값은 최대 안정성을 고려하여 선택됩니다.
The reference motor speed ωref is the sum of ωref1 and ωref2
Reference 모터 속도 ωref는 ωref1과 ωref2의 합입니다.
ωref is compared with ωm and the error at kth sample instant is given as
ωref는 ωm과 비교되며, k번째 샘플 순간의 오차는 다음과 같이 주어집니다:
This error is fed to the speed PI controller.
이 오차는 속도 PI 컨트롤러에 공급됩니다.
The output of the speed controller is considered as Te_ref and is given as
속도 컨트롤러의 출력은 Te_ref로 고려되며 다음과 같이 주어집니다:
where Kpω and Kiω are proportional and integral constants, respectively used in the speed PI controller.
여기서 Kpω와 Kiω는 속도 PI 컨트롤러에서 사용되는 비례 및 적분 상수입니다.
Te ref is compared with Te est and the error at kth sample instant is given as
Te ref는 Te est와 비교되며, k번째 샘플 순간의 오차는 다음과 같이 주어집니다:
This error is fed to the torque controller.
이 오차는 토크 컨트롤러에 공급됩니다.
The output of the torque controller is considered as iq_ref and is given as
토크 컨트롤러의 출력은 iq_ref로 고려되며 다음과 같이 주어집니다:
where KpT and KiT are proportional and integral constants, respectively used in the torque PI controller.
여기서 KpT와 KiT는 토크 PI 컨트롤러에서 사용되는 비례 및 적분 상수입니다.
In this way, the iq ref is generated.
이렇게 하면 iq ref가 생성됩니다.
For water pumping operation, the motor is operated below rated speed.
물 펌핑 작업에서 모터는 등급 속도 아래에서 작동됩니다.
Since the speed of the motor is to be controlled below the base speed, no field weakening operation is required.
모터의 속도를 기준 속도 아래로 제어해야 하므로 필드 위키닝 작업이 필요하지 않습니다.
Base speed(기저속도)
: 정격 전압으로 유지되기 시작하는 속도
Field weakening(약계자 제어)
: By reducing field flux → speed can increase
: 전동기의 인가전압이 정격값에 도달하면 속도 증가에 따라 계자 자속을 줄여주는 약계자(Field-weakening)제어를 해주어야 속도가 증가하더라도 일정하게 전기자 전류가 흘러 토크를 발생시킬 수 있다.
(기어 변속 처럼 고속으로 달릴때 달리는 관성을 이용해서 토크는 줄어들고 같은 힘으로 속도는 빨라지는 원리)
→필드 위크닝은 전동 모터의 속도를 정격 이상으로 증가시키는 작업이기 때문에 펌핑작업시 필요하지 않다
(모터제어3판 p.33,34,101)
Therefore, reference direct axis current (id ref) is kept zero.
따라서 직교축 전류 참조값 (id ref)은 제로로 유지됩니다.
This also ensures unity power factor operation.
이는 또한 단위 역률 작동을 보장합니다.
Unity power factor operation
: 교류 회로에서 전압과 전류의 위상 차이가 0일 때, 회로에서 전력이 최대가 되는 상태
(Control of Electric Machine Drive System p.139)
→전력 요구량과 실제 전력 공급 사이의 위상 차이가 없을 때 시스템이 최적 상태에서 작동한다
After generation of iq_ref and id_ref, dq0 to abc transformation is used to generate the reference currents (ia_ref, ib_ref and ic_ref).
iq_ref와 id_ref를 생성한 후 dq0에서 abc로의 변환을 사용하여 참조 전류 (ia_ref, ib_ref 및 ic_ref)가 생성됩니다.
These reference currents are compared with the sensed motor currents (ia, ib and ic) and a hysteresis current controller is used for the generation of switching signals.
이러한 참조 전류는 감지된 모터 전류 (ia, ib 및 ic)와 비교되며, 스위칭 신호 생성을 위해 히스테리시스 전류 컨트롤러가 사용됩니다.
Hysteresis current controller
: 기준전류(io*)와 실제 전류(io)의 차이, 즉 오차전류(ie)로 부터 인버터의 스위칭 상태를 결정한다.
(전자전력공학 제4판 p.387 & 전자장1 CH5)
실제 전류가 히스테리시스 밴드의 상한을 초과 → 전류 낮춤
실제 전류가 히스테리시스 밴드의 하한보다 아래→ 전류 올림
보통은 전류 제어도 PI제어기를 사용하여 제어를 하지만 이 논문에서는 히스테리시스를 사용한 단순한 방법의 제전류 제어를 하였다.
이 방식은 상한 하한 초과에 따라 전류조절을 하는 단순한 방식으로 오차를 보상 할 수 없기에 사실상 잘 사용하지 않는다.
(5) System Simulated Performance
The performance of this system is investigated through simulation studies.
이 시스템의 성능은 시뮬레이션 연구를 통해 조사되었습니다.
The complete system is simulated using MATLAB/Simulink and its performance is studied during startin and steady state at different insolation levels.
전체 시스템은 MATLAB/Simulink를 사용하여 시뮬레이션되었으며, 다양한 일사량 수준에서 시작 및 안정 상태에서의 성능이 연구되었습니다.
The system performance is also studied under dynamic condition.
Dynamic response is analyzed through sudden change in insolation and temperature.
시스템 성능은 동적 조건에서도 연구되었습니다. 동적 응답은 일사량 및 온도의 갑작스러운 변화로 분석되었습니다.
The performance is analyzed by assessing the variation in SPV array parameters: insolation (S), SPV array voltage
(Vpv), SPV array current (Ipv) and SPV array power (Ppv); PMSM parameters: motor current (iabc), motor speed (ωm),
load torque (Tl) and load power (Pl); and reference parameters: reference dc link voltage (Vref) and reference motor current (iref).
성능은 다음을 평가함으로써 분석되었습니다. 태양광 패널 배열 매개 변수의 변화: 일사량 (S), 태양광 패널 배열 전압 (Vpv), 태양광 패널 배열 전류 (Ipv), 태양광 패널 배열 전력 (Ppv); PMSM 매개 변수: 모터 전류 (iabc), 모터 속도 (ωm), 부하 토크 (Tl), 부하 전력 (Pl); 및 참조 매개 변수: 참조 직류링크 전압 (Vref) 및 참조 모터 전류 (iref).
A. Starting and Steady State Performances
Fig. 5 (a)–(d) are illustrating the starting and steady- state performance of the system at a solar insolation of 1000 and
500 W/m2, respectively at a constant temperature of 25 °C.
그림 5(a)부터 5(d)까지는 일사량이 1000 과 500 W/m²인 상태에서 25°C의 일정 온도에서 시스템의 시작 및 안정 상태 성능을 설명하고 있습니다.
Fig. 5(a) and (c) are showing the variation of SPV array parameters, whereas, Fig. 5(b) and (d) are showing the variation
of PMSM parameters.
그림 5(a)와 5(c)는 SPV 배열 매개 변수의 변화를 보여주며, 그림 5(b)와 5(d)는 PMSM 매개 변수의 변화를 보여줍니다.
Fig. 5(a) and (c) show that the SPV array voltage (Vpv) is effectively following the reference dc -link voltage (Vref) obtained from VSS-INC.
그림 5(a)와 5(c)에서 SPV 배열 전압 (Vpv)이 VSS-INC에서 얻은 참조 직류링크 전압 (Vref)을 효과적으로 따르는 것을 보여줍니다.
The SPV array parameters show a very fast convergence. In both the cases, the SPV array parameters are settling within 0.01 s.
SPV 배열 매개 변수는 매우 빠른 수렴을 나타냅니다. 두 경우 모두 SPV 배열 매개 변수는 0.01초 이내에 안정화됩니다.
It is evident from Fig. 5(b) and (d) that this control gives a very fast speed response.
그림 5(b)와 5(d)에서 이 제어가 매우 빠른 속도 응답을 제공하는 것으로 나타납니다.
The PMSM stator current (iabc) is following the reference current (iref) obtained using MVC.
PMSM 스테이터 전류 (iabc)는 MVC를 사용하여 얻은 참조 전류 (iref)를 따릅니다.
The motor is drawing twice the steady state current during starting.
모터는 시작 시 안정 상태 전류의 두 배를 소비합니다.
Since PMSM is an electromechanical device and has a larger time constant compared to electrical system, the motor parameters are taking more time to come to steady state compared to SPV array parameters.
PMSM은 전기 시스템에 비해 더 큰 시간 상수를 가지므로 모터 매개 변수는 SPV 배열 매개 변수에 비해 안정 상태에 도달하는 데 더 많은 시간이 걸립니다.
기계 시스템(PMSM)이 전기 시스템에 비해 더 큰 시간 상수를 가지는 이유?
: https://happy8earth.tistory.com/432
The motor is starting from zero speed and reaching the steady state speed within 0.04 s.
모터는 제로 속도에서 시작하여 0.04초 이내에 안정 상태 속도에 도달합니다.
B. Dynamic Performance Under Varying Insolation
Fig. 6(a) and (b) are showing the system dynamic performance during insolation change from 1000 to 500 W/m2 and from 500 to 1000 W/m2, respectively, at a constant temperature of 25 °C.
그림 6(a)와 6(b)는 일사량이 1000에서 500 W/m²로 변화하고 500에서 1000 W/m²로 변화하는 상황에서 25°C의 일정한 온도에서 시스템의 동적 성능을 보여줍니다.
Fig. 6(a) is showing a change in insolation from 1000 to 500 W/m2 at 0.1 s.
The insolation change is marginally affecting the SPV array voltage (Vpv ), however, greatly affecting the SPV array current (Ipv).
그림 6(a)는 0.1초에 1000에서 500 W/m²로 일사량이 변하는 것을 보여줍니다.
일사량의 변화는 SPV 배열 전압 (Vpv)에는 미미한 영향을 미치지만 SPV 배열 전류 (Ipv)에는 큰 영향을 미칩니다.
Since the number of free electrons generated through the breaking of covalent bond due to striking of photons at the PN junction is proportional to solar insolation, the SPV current (Ipv) is reduced to almost half for change in insolation from 1000 to 500 W/m2.
This is reducing the SPV power to almost half the rated value.
PN 접합에서 광자의 충돌로 공유 결합의 파괴를 통해 생성된 자유 전자 수는 일사량에 비례하므로, 일사량이 1000에서 500 W/m²로 변할 때 SPV 전류 (Ipv)가 거의 절반으로 감소합니다.
이로 인해 SPV 전력은 거의 정격값의 절반으로 감소합니다.
The motor parameters are also varying accordingly.
모터 매개 변수도 이에 따라 변합니다.
The reduction in insolation is reducing the motor speed (ωm) and load torque (Tl) and eventually the load power (Pl ).
일사량 감소는 모터 속도 (ωm)와 부하 토크 (Tl) 그리고 최종적으로 부하 전력 (Pl)을 감소시킵니다.
The system is settling at a new steady state value for insolation change within 0.03 s.
For the change in insolation from 500 to 1000 W/m2, the system is performing vice versa.
일사량 변화로 인해 시스템은 0.03초 이내에 새로운 안정 상태 값으로 안정화됩니다.
500에서 1000 W/m²로 일사량이 변하는 경우, 시스템은 그 반대로 수행됩니다.
C. Dynamic Performance Under Varying Insolation
Fig. 7(a) and (b) are showing the system dynamic performance for temperature variation from 25 to 50 °C and from 50 °C to 25 °C, respectively, at a constant insolation of 1000 W/m2.
그림 7(a)와 (b)은 일사량이 1000 W/m²로 고정된 상황에서 온도가 25에서 50°C로 변하고 다시 50°C에서 25°C로 복구되는 동안 시스템의 동적 성능을 나타냅니다.
Since SPV array has a small positive temperature coefficient of current and relatively large negative temperature coefficient of voltage, the change in temperature is increasing the SPV array current (Ipv ) slightly but decreasing the SPV array voltage (Vpv ) substantially.
SPV 배열은 전류의 작은 양의 온도 계수와 전압의 비교적 큰 음의 온도 계수를 가지고 있기 때문에 온도의 변화로 SPV 배열 전류 (Ipv)가 약간 증가하지만 SPV 배열 전압 (Vpv)이 크게 감소합니다.
온도계수 : 온도에 얼마나 예민한지를 나타내는 지표로
예를들어 R = Ro + α(T-To)에서 α는 온도계수로 장치가 온도에 따라 얼마나 예민한지를 알 수 있는 지표이다.
여기서 전류의 작은 양의 온도계수는 α > 0이고 |α|가 작은 것을 의미하고 전압의 큰 음의 온도 계수는 α < 0이고 |α|가 비교적 크다는 것을 의미한다.
=> 온도에 따라 전압 손실이 크다는 것을 의미한다.
This is resulting in reduction of SPV array power (Ppv).
The motor speed (ωm), load torque (Tl) and load power (Pl) are also reducing accordingly and reaching steady state value within 0.03 s.
The system performs vice versa when the temperature is restored from 50 to 25 °C.
이로 인해 SPV 배열 전력 (Ppv)이 감소합니다.
모터 속도 (ωm), 부하 토크 (Tl) 및 부하 전력 (Pl)도 감소하고 0.03초 이내에 안정 상태 값을 도달합니다.
온도가 50에서 25°C로 복원될 때 시스템은 그 반대로 수행됩니다.
D. Comparative Analysis of Proposed Control With Conventional Control
Fig. 8(a) presents the speed time response of the SWP system using different control techniques.
The comparative analysis is carried out at STC.
그림 8(a)은 다양한 제어 기술을 사용한 SWP 시스템의 속도 시간 응답을 보여줍니다.
비교 분석은 STC에서 수행됩니다.
STC : 표준 시험 조건 (STC, STC: 1000 W/m2, 25 °C)
The system performance is examined using standard performance measure and the results are demonstrated through bar graph shown in Fig. 8(b).
시스템 성능은 표준 성능 측정을 사용하여 조사되고 결과는 그림 8(b)에 표시된 막대 그래프로 시연됩니다.
Fig. 8(c) shows the torque response using proposed and conventional control techniques during starting, steady state and while insolation changes from 1000 to 500 W/m2 and back to 1000 W/m2.
Following conclusions are drawn by studying the results shown in Fig. 8.
그림 8(c)는 1000에서 500 W/m²로 일사량이 변화하고 다시 1000 W/m²로 돌아가는 동안 제안된 제어 기술과 일반적인 제어 기술을 사용한 토크 응답을 보여줍니다.
그림 8의 결과를 연구하면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있습니다.
1) The conventional control using conventional INC MPPT algorithm and conventional vector control, gives the sluggish response compared to proposed control becomes relatively slow.
1) 기존 제어는 기존 INC MPPT 알고리즘과 기존 벡터 제어를 사용하며, 제안된 제어와 비교했을 때 반응이 둔하며 상대적으로 느립니다.
2) The introduction of SPV-FFT accelerates the system response. In the absence of FFT term, the response of proposed control becomes relatively slow.
2) SPV-FFT의 도입은 시스템 응답을 가속화합니다. FFT 항이 없으면 제안된 제어의 응답이 상대적으로 느려집니다.
3) Conventional INC algorithm has an inherent problem for the selection of step size. It is evident from the speed re- sponse depicted in Fig. 8(a) that larger step size (2) results in a steady-state oscillations in PMSM speed, whereas, smaller step size (0.2) exhibits a sluggish speed response and, therefore, the system takes more than 0.15 s to reach ωss. If the step size is increased, the oscillations in speed are increased, which may destabilize the system. For a decrease in step size, the system takes larger time to reach the steady -state resulting in a significant amount of power loss during dynamic condition.
3) 기존 INC 알고리즘은 단계 크기 선택에 내재적인 문제가 있습니다. 그림 8(a)에 나타난 속도 응답에서 큰 단계 크기(2)는 PMSM 속도의 정상 상태 진동을 유발하며, 작은 단계 크기(0.2)는 둔한 속도 응답을 나타내므로 시스템이 ωss에 도달하는 데 0.15초 이상이 소요됩니다. 단계 크기를 증가시키면 속도의 진동이 증가하며 시스템을 불안정하게 할 수 있습니다. 단계 크기를 줄이면 시스템이 동적 조건 중에 정상 상태에 도달하는 데 더 많은 시간이 걸리며 전력 손실이 발생합니다.
4) The MVC improvises the torque response as shown in Fig. 8(c). The system shows a faster torque response under all conditions.
4) MVC는 그림 8(c)에 나타난 토크 응답을 개선합니다. 시스템은 모든 상황에서 더 빠른 토크 응답을 나타냅니다.
5) The proposed control provides the best performance among all. The system exhibits a fast dynamic response and zero steady state speed oscillation.
5) 제안된 제어가 모든 제어 중에서 최상의 성능을 제공합니다. 시스템은 빠른 동적 응답을 나타내며 정상 상태 속도 진동이 없습니다.
(5) System Hardware Validation
This system studied in simulation is validated on the experimental laboratory prototype shown in Fig. 15.
이 시스템은 시뮬레이션에서 연구되어 그 결과가 그림 15에 나타난 실험실 프로토타입에서 유효화되었습니다.
The experimental prototype comprises of a SPV array simulator (AMETEK make ETS600×17DPVF), a 3 phase VSI (SEMIKRON make MD B6CI 600/415-35F), a PMSM (Motor Power Company make TETRA 115SR5.2) coupled with a dc generator (BENN make) and a resistive load bank.
실험용 프로토타입은 SPV 어레이 시뮬레이터(AMETEK ETS600×17DPVF), 3상 VSI(SEMIKRON 제조 MD B6CI 600/415-35F), PMSM(Motor Power Company 제조 TETRA 115SR5.2)와 DC 발전기(BENN 제조) 및 저항성 로드 뱅크로 구성됩니다.
The water pump is realized using a dc generator feeding the resistive load bank.
A digital signal pro- cessor (DSP–dSPACE1104) is used for controlling the system.
물 펌프는 DC 발전기를 통해 저항성 로드 뱅크에 전원을 공급하여 구현되었습니다.
시스템 제어에는 디지털 신호 프로세서(DSP–dSPACE1104)가 사용됩니다.
A four channel DSO (Agilent make 7014A) with a bandwidth of 100 MHz and a single -phase power analyzer (Fluke make 43B) are used for recording test results.
100 MHz 대역폭을 갖는 4채널 DSO(Agilent 제조 7014A)와 단상 전력 분석기(Fluke 제조 43B)가 테스트 결과 기록에 사용됩니다.
Hall-Effect current sensor (LEM make LA55P) and voltage sensor (LEM make LV25P), are used for current and voltage sensing.
Hall-Effect 전류 센서(LEM 제조 LA55P) 및 전압 센서(LEM 제조 LV25P)는 전류 및 전압 감지에 사용됩니다.
The DSP gives the output signal in a voltage range of 0–5 V whereas the inverter gate driver circuit requires a 15 V signal for switching of insulated-gate bipolar transistor (IGBT).
DSP는 전압 범위 0-5 V로 출력 신호를 제공하며, 인버터 게이트 드라이버 회로는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 스위칭에 대한 15 V 신호를 필요로 합니다.
A NPN BJT (2N2222) based amplifier circuit is used in to provide the necessary amplification from 5 to 15 V.
5V에서 15V로의 필요한 증폭을 제공하기 위해 NPN BJT(2N2222) 기반의 증폭기 회로를 사용합니다.
An opto-coupler (6N136) is used to provide an isolation between the DSP and an inverter gate driver so that any fault on the inverter side would not affect the DSP.
DSP와 인버터 게이트 드라이버 간의 격리를 제공하기 위해 광결합기(6N136)를 사용하여 인버터 측의 어떠한 결함도 DSP에 영향을 미치지 않게 합니다.
The detailed specifications of PMSM and SPV array used for hardware validation, are given in Appendix.
The experimental performance of this system is discussed in the following sections.
하드웨어 검증을 위해 사용된 PMSM 및 SPV 어레이의 상세 사양은 부록에서 제공됩니다.
이 시스템의 실험적 성능은 아래 섹션에서 논의됩니다.
A. Performance of SPV Array
The performance of this system is validated for the insolation change from 500 to 1000 W/m2 and temperature variation of 25 to 50 °C.
이 시스템의 성능은 500에서 1000 W/m2로 변화하는 일사량 및 25에서 50°C의 온도 변화에 대해 검증되었습니다.
The performance of SPV array at STC is shown in Fig. 9.
The Ppv–Vpv curve and Ipv–Vpv curve are showing an excellent MPP tracking.
At STC, the tracking efficiency for modified INC, is found to be 99.93%.
STC에서 SPV 어레이의 성능은 그림 9에 표시되어 있습니다.
Ppv-Vpv 곡선 및 Ipv-Vpv 곡선은 훌륭한 MPP 추적을 보여줍니다.
STC에서 수정된 INC에 대한 추적 효율성은 99.93%로 확인되었습니다.
B. Starting and Steady-State Performance
Fig. 10(a)–(d) shows the starting performance of this system at 1000 and 500 W/m2 at 25 °C, respectively.
The system is showing a fast starting response.
Fig. 10(a)-(d)는 시스템의 1000 과 500 W/m2에서 25°C에서의 시작 성능을 보여줍니다.
시스템은 빠른 시작 응답을 보이고 있습니다.
All the system parameters are reaching steady state value as the MPPT algorithm is moving toward the operating point. Vpv is coming down from Voc to Vm pp as the motor is moving from zero to steady state speed.
MPPT 알고리즘이 운영 지점으로 이동함에 따라 모든 시스템 파라미터가 안정 상태 값을 달성하고 있습니다.
Vpv는 모터가 제로에서 정상 상태 속도로 이동함에 따라 Voc에서 Vmpp로 내려가고 있습니다.
The motor is attaining a steady state speed of 157 rad/s at 1000 W/m2 and a steady state speed of 95 rad/sec at 500 W/m2. The rotor position varies from 0 to 2π radian in each rotation.
모터는 1000 W/m2에서 157 rad/s의 정상 상태 속도와 500 W/m2에서 95 rad/sec의 정상 상태 속도를 달성하고 있습니다.
로터 위치는 각 회전마다 0에서 2π 라디안으로 변화합니다.
The steady state performances at 1000 W/m2 and 500 W/m2 at 25 °C are shown in Fig. 11(a)–(d), respectively.
25°C에서 1000 W/m2 과 500 W/m2에서의 정상 상태 성능은 각각 Fig. 11(a)(d)에 표시되어 있습니다.
The motor is drawing a sinusoidal current (isa) with a THD less than 5% under both the conditions as shown in Fig. 12(a) and (b).
모터는 두 조건 모두에서 THD가 5% 미만인 사인파 전류 (isa)를 그리고 있으며, 이는 Fig. 12(a) 및 (b)에 나타나 있습니다.
The values attained by system parameters during steady state at 1000 and 500 W/m2 are shown in Table I.
1000 W/m2에서 과 500 W/m2에서의 정상 상태에서 시스템 파라미터가 달성한 값은 Table I에 표시되어 있습니다.
C. Performance During Insolation and Temperature Change
The dynamic performance of the system is analyzed by varying the insolation and temperature.
시스템의 동적 성능은 일사량과 온도를 변경함으로써 분석됩니다.
Figs. 13(a) and (b) are showing the variation of system parameters with an insolation change from 1000 to 500 W/m2 and from 500 to 1000 W/m2, respectively at 25 °C.
Fig. 13(a)와 (b)는 25°C에서 1000 W/m2에서 500 W/m2로 일사량이 변경되는 경우 및 500 W/m2에서 1000 W/m2로 일사량이 변경되는 경우 각각 시스템 파라미터의 변화를 보여줍니다.
It can be realized from the system performance that Ipv is dependent on insolation.
As insolation is reduced to half Ipv is also reducing to half and vice versa.
시스템 성능에서 알 수 있듯이 Ipv는 일사량에 의존적입니다.
일사량이 절반으로 줄어들면 Ipv도 반으로 줄어들며 그 반대도 마찬가지입니다.
The change in insolation is not greatly affecting the SPV array voltage.
일사량의 변화는 SPV 어레이 전압에 큰 영향을 미치지 않습니다.
The variations of system parameters for temperature change of25to50°Cand50to25°Cat1000W/m2 areshownin Fig. 14(a) and (b), respectively.
1000W/m2에서 25°C에서 50°C로 온도가 변화하고 50°C에서 25°C로 돌아오면서 시스템 파라미터의 변화가 Fig. 14(a)와 (b)에 나와 있습니다.
It can be realized from the acquired results that the change in temperature is changing the Vpv.
However, it is not affecting Ipv.
획득한 결과에서 온도의 변화가 Vpv를 바꾸고 있는 것을 알 수 있습니다.
그러나 Ipv에는 영향을 미치지 않습니다.
Vpv is reducing with an increase in temperature and increasing for a decrease in the temperature.
Vpv는 온도가 증가함에 따라 감소하고 온도가 감소하면 증가합니다.
As Ipv is remaining constant, the change in Vpv is varying the Ppv and affecting the motor speed accordingly.
Ipv가 일정한 상태를 유지하는 동안 Vpv의 변화로 인해 Ppv가 변동되고 모터 속도에 영향을 미칩니다.
The motor speed is reducing for an increase in temperature and vice versa.
모터 속도는 온도가 증가하면 감소하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
(6) Conclusion
A SPV array fed SWP system using VSS-INC method for MPPT and MVC for speed control of PMSM, is implemented and performance has been analyzed through MATLAB simulation and hardware validation.
VSS-INC 방법을 사용한 SPV 어레이가 공급하는 SWP 시스템은 MPPT에 대한 것이며, PMSM의 속도 제어를 위해 MVC를 사용하였으며, MATLAB 시뮬레이션 및 하드웨어 검증을 통해 성능이 분석되었습니다.
Simulated and experimental results for starting, steady state and dynamic performances have been found to be quite satisfactory.
시뮬레이션 및 실험 결과는 시작, 정상 상태 및 동적 성능에 대해 매우 만족스럽다는 것을 보여줍니다.
With the use of VSS-INC technique, neither the steady state nor the transient performance is compromised as in conventional INC. The MVC has improved the torque response.
VSS-INC 기술의 사용으로 인해 기존의 INC와 같이 정상 상태나 순간적인 성능이 저하되지 않았습니다.
MVC는 토크 응답을 향상시켰습니다.
The introduction of feed-forward term has accelerated the overall response of the system.
No steady state oscillations are observed and faster response has made the system more effective.
선행 피드포워드 항목의 도입으로 시스템의 전체 응답이 가속화되었습니다.
안정 상태 진동이 없으며 빠른 응답이 시스템을 더 효과적으로 만들었습니다.
Detailed comparative analysis has proven the superiority of this control over existing conventional control.
자세한 비교 분석은 기존의 전통적인 제어 방법에 비해 이 제어 방법의 우수성을 입증하였습니다.
The use of PMSM for driving the pump, has increased the system efficiency and has reduced the system size.
펌프 구동용으로 PMSM을 사용하는 것은 시스템의 효율성을 높이고 시스템 크기를 줄였습니다.
The use of single-stage topology has eliminated intermediate stage dc–dc converter and reduced the number of components, consequently resulting in reduction of cost, complexity, and further increase in the system efficiency and compactness.
단일 단계 토폴로지의 사용으로 중간 단계 DC-DC 컨버터를 제거하고 구성 요소 수를 줄였기 때문에 비용, 복잡성이 감소하였고 시스템의 효율성과 조밀성이 더욱 증가하였습니다.
Simulated and experimental results have found to be quite acceptable and thereby validated the practical feasibility of the system.
시뮬레이션 및 실험 결과는 매우 만족스럽게 나타나며 따라서 이 시스템의 실용 가능성을 검증하였습니다.
Appendix
References
