0. 원문
https://ieeexplore.ieee.org/document/8735708
Solar Array Fed Synchronous Reluctance Motor Driven Water Pump: An Improved Performance Under Partial Shading Conditions
An improved performance of a photovoltaic (PV) pumping system employing a synchronous reluctance motor (SynRM) under partial shading conditions is proposed. The system does not include the dc-dc converter that is predominantly being utilized for maximizing
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1. 요약
(0) Abstract
제안하는 방법은 dc-dc converter을 사용하지 않고 배터리도 필요하지 않는 방식이다.
기존의 방식은 P&O method를 사용하며, 제안하는 방식은 differential evolution(DE) optimization technique를 사용한다.
(1) Introduction
- PV의 이점
- 여러 나라에서 standalone 형태로 사용되는 PV
- 이 논문에서는 PV의 different irradiation levels, loading conditions and several controllers에 대해 다룰 것이며, DC motor의 Brushed의 단점 설명 및 brushless가 더 효율적임을 개요
- Blushless DC motor(BDCMs) 장단점, Induction motor(IM) 단점, PM synchronous motors(PMSMs) 단점 나열 그리고 Reluctance machine이 펌프 시스템으로 좋음
- synRM을 사용한 기존 방식들의 한계 나열 및 각 section요약
(2) Design of the Proposed PV Pumping System
제안하는 PV 펌프 시스템은 시골에서 밭에 물을 주거나 인간의 필요성을 목적으로 사용되며 그리드 연결이 필요치 않음
A. Design of the Centrifugal Pump
주어진 공식에 의해 input power는 4.16kW, output power는 3.33kW로 펌프 효율 80%로 추정
B. Design of the Synchronous Reluctance Motor(SynRM)
- 모터는 작동 동안에 정격 파워에서는 작동하지 않으므로 모터 정격은 5.5kW로 결정
Rotor geomerty는 finite element method(FEM)을 사용해 최적화
- SynRM 실험 시 특징
In the simulation, the current controlled inverter that supplies the SynRM is emulated by injecting a pure sinusoidal currents in the stator windings. - Current angle에 따라 maximum power locus(MPL)이 다르다.
고정된 stator 전류의 변화에 따라 그리는 곡선이 다른 그래프
- Stator 전류가 증가함에 따라 모터의 power factor는 증가
Current angle도 증가하다가 어떤 값 이후 감소함
Max power factor는 stator 전류 level에 의존함
Torque ripple은 높고 낮은 각도에서 높은 토크 리플을 생산, SymRM 토크 리플은 평균 토크와 반비례적이기 때문
- Max power factor에서 낮은 Torque ripple 생성, 이런 특징들은 모터의 dq축 전류성분 제어로 얻어짐
- 효율은 output power와 total machine losses로 계산됨
Current angle이 증가할 때 SymRM의 손실이 하락하는 이유는 dlux density 크기가 감소(iron losses감소)하기 때문
그림8의 최저 속도일 때 효율이 84%인데 Iduction machine과 비교했을 때 더 높은 효율임
C. Design of the Three phase voltage source Inverter(VSI)
Inverter : 10KVA (margin factor 10% 증가 가능)
Output power : 5.5kW (efficiency : 94.74%)
Powr factor : 0.66
DC link voltage of the inverter : 800V(margin factor 고려)
D. Design of the PV Array
- PV 135W * 42개 하면 5.66kW 생성 가능
그림13에 PV array가 shadow 조건일 때 global max power point를 가짐을 보임 - 제안하는 시스템은 dc-dc converter사용하지 않고 배터리도 필요치 않다는 점을 다시 강조
(3) The Control System
MPPT의 사용은 PV시스템 효율을 향상하고 필요한 PV module의 수를 줄이며 비용 감소의 장점이 있음
첫번째 파트에서는 기존 field orient control방식으로 SynRM가 최대 토크를 가지는 것 설명
두번째 파트에서는 MPPT 전략 설명
A. Field Oriented Control(FOC) Technique
id*는 lookup table(LUT)로부터 펌프 로드 토크를 사용해 얻어지고 FEM에 설계됨
Controller의 파라미터는 실험적으로 결정
To drive the system efficiently, the locus of the maximum power of the PV array (i.e. the green marker line in Fig. 12) and the maximum power per Ampère of the SynRM have to be matched (the green marker line in Fig. 3).
B. Maximum Power Point Trackers
기존 MPPT는 local maximum points나 global point에 빠질 위험이 있어 효율 저하의 문제가 있음
Meta-heuristic optimizers를 사용하는 알고리즘들이 있음
Meta-heuristic optimizers
: https://itpewiki.tistory.com/4067
1) Conventional Perturbation and Observation(P&O) MPPT Technique
2) Differential Evolution (DE) Based Global MPPT Technique (원문 읽어볼 것)
The mechanism of the solution process for DE algorithm is explained as fellows; the motor speed is employed as a target vector and the solar PV output power represents the fitness function.
(4) Performance of the Proposed PV Pumping system
매트랩 시뮬레이션 사용
시스템은 균일한 일사량과 부분 가려진 일사량에 대한 실험임
가려진 상태에서 bypass diode는 각 PV에 병렬로 forward biased로 연결되어 가려진 패널 대신에 생산된 전류를 흐르게 함
A. Uniform Irradiation Case
P&O는 PV 파워가 max일 때까지 모터 속도 증가시키고 그 이후 constant로 유지
DE 기술을 사용하면 모터가 임의의 속도로 시작되고 결국 DE 기술에 기초하여, 최적의 속도 PV 출력 전력을 최대화함
DE 기법을 사용하여 MPP에 도달하는 데 걸리는 시간은 PV 모듈에 대한 균일한 조에서 P&O 기법을 사용하는 데 걸리는 시간보다 훨씬 더 김
두 기법 모두에서 dq축 전류는 비슷함
B. First Shadow Pattern Case
모터 속도는 DE가 기존보다 14.81% 더 높음, 펌프의 토크도 같은 결과
PV array는 기존보다 DE가 41.90%더 output power 전달
펌프의 flow rate은 기존보다 DE가 52%더 증가
C. Second Shadow Pattern Case
모터 속도는 DE가 기존보다 10.58% 더 높음, 펌프의 토크도 같은 결과
PV array는 기존보다 DE가 32.48%더 output power 전달
펌프의 flow rate은 기존보다 DE가 32.77%더 증가
D. Third Shadow Pattern Case
모터 속도는 DE가 기존보다 17.88% 더 높음, 펌프의 토크도 같은 결과
PV array는 기존보다 DE가 50.48%더 output power 전달
펌프의 flow rate은 기존보다 DE가 61.60%더 증가
DC MPPT technique로 모터 속도 과정 업데이트
모집단 크기(5개)의 1개 입자(모터 속도)로 나타냄
이전의 그림들을 보면 DE가 기존보다 더 높은 과도상태가 나타났는데 DE가 0에서 정상상태까지 속도 설정점의 변화율이 더 높기 때문에 전류와 토크에서 더 높은 과도상태가 발생
(5) Experimental Validation
Notice that, the maximum permitted DC voltage in the experiments FIGURE 32. A photograph of the experimental setup.
TABLE 4. Comparison between simulated and measured results of different cases. (605 V) is used for all simulated points having a DC voltage higher than 605 V.
위 그림들은 일반적인 상태에서 파형
(7) Conclusions
- 제안하는 시스템은 dc-dc converter사용하지 않고 배터리도 필요치 않다는 점을 다시 강조
- 기존 방법과 제안하는 방법 언급
- 세가지의 shadow pattern에 대한 결과 언급
- 균일한 일사량에서는 기존과 제안하는 MPPT기술의 효율은 같음 언급
- Partial shadow condition에서 DE기술이 PV 펌프 시스템을 개선할것
- 실험을 통해 검증