PV システムから揚水用途の同期リラクタンスモータードライブに供給される高ゲインチョッパー

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15519 (2022) この記事を引用

1365 アクセス

1 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

再生可能エネルギーによる発電量はここ数年で急速に増加しました。同様に、高ゲイン DC-DC ブーストチョッパは、太陽光発電 (PV) 機器に使用される従来の電力コンバータの代わりに使用されています。研究者は、高電圧利得、低リップル、スイッチストレスの低減、コンバータコストの低減、および PV 動作点の変動の最小化を実現するために、さまざまな方法を開発しています。本研究では、太陽光発電システムによる自立型揚水モータ駆動電力用の二段コンバータを提案する。提案されたシステムによれば、まず、高利得（HG）セルとDC-DCブーストコンバータを組み合わせて、PV電圧を高レベルに上昇させます。その後、結果として生じる DC 電圧が、遠心ポンプ負荷を動作させる三相同期リラクタンスモータードライブに供給されます。摂動と観察のアプローチは、太陽光発電モジュールから最大の電力を引き出すために利用されます。さらに、間接界磁指向制御を採用し、シンクロナスリラクタンスモータのスムーズな起動を実現します。提案された手法の有効性を検証するために、MATLAB/Simulink 環境ベースのシミュレーション設定と実験用プロトタイプが開発されました。さらに、さまざまな動作条件や日射量レベルに基づいてさまざまなケースを考慮し、結果を収集して分析します。

間違いなく、再生可能エネルギー資源の開発は、電力システムのオペレーターやプランナーが業界での用途を増やすのに役立ちます。太陽光発電による揚水システムは、遠隔地、特に従来の送電網にアクセスできない地域で人気があり、魅力的となっています1。ただし、太陽光発電による揚水システムは、夜間や曇りの日は揚水できないなどの制限があります。ただし、これらの制限は、太陽光発電ユニットとともにエネルギー貯蔵システムを設置することで克服できます2。しかし、エネルギー貯蔵システムのバッテリーには、寿命が短く、不経済であるなど、独自の欠点があります。さらに、バッテリーには継続的なメンテナンスとサービスが必要であり、全体的な出費が増加します3。これらの欠点を克服するには、日中に水を汲み上げ、余分な水を特別な貯水池に保管する必要があります。蓄えられた水は、夜間や曇りの日に灌漑やその他の必要なユーティリティに利用できます4。太陽光発電アレイは主要なエネルギー源として機能します。対照的に、バッテリーはバックアップ電源として使用され、ポンプが動作していないとき、または低い定格で動作しているときに、SPV アレイによって充電されます5、6、7。

太陽光発電揚水システムの統合と実装が増加する中、研究者らはこれらのシステムの全体的な信頼性と有効性を向上させ、駆動ユニットの経済的でシンプルな制御アプローチを開発することに焦点を当てています。さまざまな情報源から、水の汲み上げに使用される駆動ユニットがシステム全体の支出のおよそ 1/3 を占めていることが明らかです8。ドライブユニットのパフォーマンスは、システムの有効性と効率に直接影響します。したがって、太陽光発電揚水システムには適切で効率的な駆動ユニットが重要です9。

一般に、太陽光発電による揚水システムは、誘導モーター (IM)、従来の DC モーター、スイッチトリラクタンスモーター、およびブラシレス DC モーター (BLDC) を利用します。それぞれのタイプのモーターには長所と短所があります。たとえば、IM は堅牢でコスト効率が高いですが、太陽光発電による揚水用途、特に部分ワット数システムの場合には欠点があります10。その後、従来の DC モーターは効率が低く、動作にはカーボンブラシとともに機械式シフターが必要であり、定期的なメンテナンスが必要でした11。頻繁なメンテナンスと励磁損失により、プロセスが中断され、効率が低下します12。しかし、スイッチトリラクタンスモーターは最も基本的な堅牢性を備えており、これらの問題を克服します。参考文献 13、14、15、16 では、研究者らは、速度調整可能なドライブを備えた同期リラクタンスモーターの利点について説明しています。研究者らは、同期リラクタンスモーターには、シンプルなローター構造、最小限の慣性、センサーのない簡単な速度制御ユニットが必要であると結論付けました。さらに、同期リラクタンスモーターは速度制御ドライブにローターケージを必要とせず、抵抗損失が最小限に抑えられます。さらに、同期永久磁石モーターと比較して、同期リラクタンスモーターは弱め界磁プロセスが簡単であり、高価な磁石を必要としません。

したがって、インバータに DC-DC コンバータを追加すると、太陽光発電の柔軟性が低下します 17,18。この 2 段階の電力変換にはより多くのスイッチングデバイスと受動素子が存在するため、電圧プロファイルはすぐに停止される可能性があります19。したがって、従来のブーストコンバータは、高レベルの電圧を達成するために大きなデューティサイクルを必要とします。

高性能、高昇圧 DC-DC コンバータの作成は、上記のアプリケーションにとって一般的に必要です。たとえば、自動車ヘッドランプ用の小ワット数のメタルハライドライト HID (一般にキセノンランプと呼ばれる) を定格電力 35 W で動作させるには、12 V の車載バッテリーを約 100 V まで昇圧するインバータが必要です。。もう 1 つの潜在的な用途は、燃料電池の低 DC エネルギー源 (25 ～ 45 V) を商用負荷に適切な利用電流、電圧、周波数に変換することです。したがって、グリッドの AC 電力に反転するには、この低電圧範囲を十分な DC リンク電圧 (350 ～ 400 VDC) に変換する必要があります。ただし、ゲインが高いと、dv/dt スイッチに大きなストレスがかかります。さらに、高電圧利得性能を向上させるために冗長抵抗が使用され、巨大な電流リップルを低減するために逆回復ダイオードが組み込まれています20、21。持続可能で効果的な高入力電圧を達成するために、研究者は文献でさまざまな DC-DC コンバータを提案しました 21、22、23。ただし、これらの DC-DC コンバータでは、特定の電圧比を得るために、特別なタイプのインダクタやコンデンサなどの追加のコンポーネントが必要です24、25、26。

文献を考慮すると、参考文献 27、28 では、研究者は従来の誘導電動機を使用した高利得昇圧コンバータを提案しました。そこで著者らは文献[29]において、コンデンサベースのスイッチング方式を用いて昇圧コンバータの高利得を実現する技術を開発した。同様に、参考文献 30 では、著者らは高利得ブースト共振コンバータ用の PWM 技術を紹介しました。ただし、この論文では、効果的な駆動システムとして同期リラクタンスモーターが使用されており、この論文の主な貢献は次のとおりです。

さまざまなレベルの日射量と温度における PV の最大出力点を決定します。

高ゲイン (HG) セルと DC-DC ブーストコンバーターを組み合わせて PV 電圧を高レベルに高め、低照度時にシステムをアレイから分離します。水ポンプシステムはバックアップバッテリーから電力を供給されます。次のセクションでは、提案するシステムについて詳しく説明します。

結果として生じる DC 電圧は、遠心ポンプ負荷を動作させる三相同期リラクタンスモータードライブに供給されます。

摂動と観察のアプローチを利用して太陽光発電モジュールから最大電力を引き出し、間接的なフィールド指向制御を実装して同期リラクタンスモーターのスムーズな始動を実現します。

提案したシステムの有効性を確認する実験分析が実行されます。

この論文の残りの部分は次のように構成されています。「太陽光発電高利得コンバータ給電三相 SynRM 駆動システム」では、提案された駆動システムの詳細な説明が示されています。「三相同期リラクタンスモータの動的モデル」では、三相同期リラクタンスモータの動的モデルについて説明します。「テストされたシステムの実験セットアップ」は、提案されたスキームの実験的な実装を示しています。得られた結果をもとに、シミュレーションや実験の結果を「結果と考察」に記録します。

太陽光発電（PV）電源の三相 SynRM ドライブポンピング負荷用に予想される DC-DC トランスレス高ステップアップコンバータトポロジを図 1 に示します。提案されたスキームは、最大電力点追跡システムを備えた PV、DC コンバータで構成されています。 –DC ブーストチョッパー、高ゲインセルに沿って。さらに、間接的なフィールド指向制御を使用して駆動スキームが開発されています。三相同期リラクタンスモーター駆動ポンピング負荷は、コンバーターの出力電圧から供給されます。

PV高利得コンバータ給電三相SYNRM駆動方式の回路構成。

各ユニットの簡単な説明と数学的分析を以下に示します。

太陽電池は、光子エネルギーを電気に変換する装置です。文献では、多くの研究者が太陽電池のさまざまなモデルを提示し、説明しています 31、32、33。ただし、図 234 に示すように、この論文では単純で基本的な単一ダイオードモデルについて説明します。単一ダイオードモデルは比較的単純で、太陽光発電システムの動的モデリングに非常に効果的です。図 2 の単一ダイオードモデルを考慮すると、負荷電流 (I) は式 2 から得られます。 (1) として:

ここで、Id と IPV はそれぞれダイオード電流と太陽光発電電流です。

単一ダイオードの PV 等価回路。

電流源 (IPV) は、式 (1) で表されるセルの光起電力電流を宣言します。 (2) として:

ここで、Isc は短絡電流、β は 250 °C および 1000 W/m2 でのセルの短絡電流、T はケルビン単位の動作温度、δ は太陽放射照度です。図 2 の太陽電池の単純な等価回路に示すシャント (Rsh) 抵抗と直列 (Rs) 抵抗は、セルの固有抵抗として特定されます。シャント抵抗の値は重要ですが、直列抵抗は小さいため無視できます。したがって、太陽電池の出力電流は次のように与えられます。

シャント電流は次のように計算されます。

セルの出力電圧は次の式で与えられます。

主観的な日陰、粉塵、風の問題など、いくつかの環境上の制約は、太陽光発電の時々のパフォーマンスに影響を与えます。場所と期間に基づいて、日照強度は大きく異なります。これにより、セルの温度と太陽放射に偏差が生じます。総抵抗と温度は、システムの横にあるインバータの構造に影響を与えます。いつでもソーラーモジュールから最高の電力を得るために、ソーラーコンバータはソーラーパネルに最高電圧まで利用され、すべての効率的な電力を供給します。 MPPT は、ソーラーパネルをだまして可変の電圧と電流を取得し、負荷にさらに電力を供給できるようにします。 MPPT は、ソーラーパネルからの出力電流と出力電圧を検査し、負荷に提供される最大電力を供給する動作点を選択します。 PV 効率を向上させるには、MPPT は電力が最大になる常に調整される動作点に正確に従う必要があります。 PV の最大電力点を見つけるために多数の方法が作成されています。これらのシステムは、複雑さ、速度、収束性、効率コスト、必要なセンサーが異なります。従来の P&O には大きな利点があり、多くの研究がそれを採用しています。急速な気候変動における変動の課題と MPP の追跡は、難しい課題です。

P&O システムは最も簡単で無償で広く普及しており、準備においては実質的に有効であり、最大 96.5% の効率を実現します3。しかし、気候の急速な変動時に正しい MPP を追跡することは難しいことではありません9,16,21,35。この手順では、図 1 に示すように、太陽光発電アレイの実際の動作点 (つまり、電圧、Vpv および電流、IPV) からデータを取得し、P-V 曲線を調べて MPP を取得します。 V カーブは、摂動ステップとして認識される動作点 (VPV または IPV) を変更し、続いて観測ステップとしてよく知られる PV 電力の変化 (ΔP) を測定することによって行われます。一般的な P&O システムのフローチャートを図 3 に示します。結果として生じる PV 電力の変化は次のように表されます。1、

次の場合: ${(}{\raise0.7ex\hbox{${{\Delta P}}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta P}} {{\Delta V} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\ lower0.7ex\hbox{${{\Delta V}}$}}{ < 0)}$、電圧の摂動は MPP で低減する必要があります方向。この手順は、${\raise0.7ex\hbox{${{\Delta P}}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta P}} { {\Delta V}}}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\ lower0.7ex\hbox{${{\Delta V}}$}}$ は、図 4 に示すようにゼロまで強いです。保証された状態には定常状態というラベルが付けられます。 P&O MPPT 技術の追跡パフォーマンスは、次のように説明される追跡効率を使用して評価されます。

摂動と観測スキームのフローチャート。

P&O アルゴリズムの電力対電圧。

$\eta_{{{\text{MPPT}}}} { = }\frac{{\int_{{{\text{t1}}}}^{{{\text{t2}}}} {Pdt} }}{{\int_{{{\text{t1}}}}^{{{\text{t2}}}} {P_{Max} dt} }}$ ここで、P はアレイの出力電力、Pmax は理論上の最大アレイ電力、t1 と t2 はそれぞれシステムの起動時間とシャットダウン時間です。 P&O の追跡効率は約 96%36。

P&O は、MPP の差異 (環境状況または負荷の変動によって影響を受ける) を特定するためにスキームを混乱させ続け、新しいチェックをアクティブにします。一般に、この手順により、PV アプローチの動作点が MPP 全体で変動します。

連続導通アプローチで機能する保守的な PWM ステップアップ DC-DC チョッパ方式は、高い DC 電圧ゲインを実現しますが、デューティ比方式としてのファスナーアップ状態とコンバータ全体の効率の低下により、適用される入札が制限されます。。表 1 は、高利得ステップアップ DC/DC チョッパコンバータの構造とその特性の一般的なカテゴリと主な特徴を示しています37、38、39。

図 5 は、提案されたトランスレス高利得 DC/DC コンバータ回路のトポロジーを示しています。主電源は低 DC 入力電圧 [VS] で、完全に制御された単一スイッチ (SW)、[IGBT または MOSFET] と 3 つのダイオード [D1 および D2] のみが使用されます。出力ダイオード[D0]とコンデンサ[C0]とともに、3つのインダクタ[L1、L2、L3]と5つのコンデンサ[C、C1、CCM1、CCM2、C0]が使用されます。静的電圧ゲインを高めるために、混合および積分を備えたコンデンサダイオードベースの 2 次ブーストコンバータが提供されます。スイッチのストレスを軽減する部品です。 DC/DC コンバータは、この設計では他のコンバータトポロジよりも高速に動作します。 L1 インダクタの突入電流もさらに減少します。

非絶縁型高昇圧DC/DCコンバータを提案。

また、スイッチングストレスも軽減されます35,37。提案された高ゲイン DC-DC コンバータは、可能な限り最小のデューティ比で入力電圧の 10 ～ 30 倍の電圧ゲインを提供できます。コンバータの解析を簡略化するために、一定のスイッチング周波数でチョッパの効率が 100% になる理想的な半導体スイッチを仮定します。各コンデンサは、電圧リップルが最小になるように設計されています40。

推奨されるトポロジには 2 つの動作モードがあります。図 6a、b は 2 つの動作モードを示しています。

電源スイッチ[SW-ON]時のモード(I)

モード(II)の電源スイッチ[SW-OFF]。

提案されたコンバーターの動作モード。

これらのモードは次のように識別されます。

CCM では、インダクタ (L1) の電流リップルは無視されます。その結果、回路は次のように動作します。スイッチ (SW) がオンになると、ダイオード D1 と D2 の両端の (VC) の負の電圧により、ダイオード D1 と D2 がオフになります。その結果、この時点で直列コンデンサ (C) が出力コンデンサ (C0) と負荷を充電します。このモードの終了時にスイッチ (SW) がオフになり、ダイオード D1 と D2 が両方とも瞬時にオンになり、インダクタ電流 (IL) が通過し、(D3) が負の電圧 (VCM-) によってオフになります。 V0)。このモード中、各コンデンサ (C) は、負荷電流を供給するために解放される前に、その入力電流値 (IS) の半分まで充電されます。

[SW-ON] の期間中、ダイオード D1、D2、D3、D4 は順方向バイアスになります。図 6a に示すように、D0 には逆バイアスがかかります。

インダクタ

(SW-On)中

(SW-OFF)時

インダクタンス用(L1)

${\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{L}1}$

${\mathrm{V}}_{\mathrm{L}1}={\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}} $

(6)

インダクタンス(L2)用

${\mathrm{V}}_{\mathrm{C}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{L}2}$

${\mathrm{V}}_{\mathrm{L}2}={\mathrm{V}}_{\mathrm{C}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{CM}} $

（7）

インダクタンス用(L3)

${\mathrm{V}}_{\mathrm{CM}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{L}3}$

${\mathrm{V}}_{\mathrm{L}3}={2\mathrm{V}}_{\mathrm{CM}}-{\mathrm{V}}_{0}$

(8)

電圧バランスの適用

高利得セルを備えたチョッパーのデューティサイクル:

推奨されるコンバータのデューティサイクル (D) は、PWM ジェネレータによって生成される固定値です。

コンバータの効率は (η) = Pout/Pin です。

計算式は、() = Po Pin Pin = Po + Ploss (23) となります。

Iin Vin = Io Vo + Ploss (24)。

電力損失 (Ploss) はすべての要素損失 (Pin Po) に等しくなります。

ここでは、スイッチの周波数切り替えなどのすべてのコンポーネントが失われます。

Po = IoVo および Po Vo は出力電力です。

その結果、出力電圧と電力は直接関係します。その結果、出力電圧が変化すると効率も変化します。

次の方程式は、CCM で動作する提案された非絶縁 DC/DC コンバータを構築するために使用されます。コンバータで最適なインダクタサイズと損失を得るために、パラメータ設計では公称電流の制限電流リップル (IL) (5 ～ 10%) が考慮されます。その結果、表 2 にさまざまな要素の設計式を示します。

3 相同期リラクタンスモーターの動的モデルは、同期基準フレームで記述されます。ステータとロータの電圧方程式は次のとおりです。

ここで、 $\lambda_{{{{qs}}} { = L}_{{{m}}} {(i}_{{{qs }}} { + i}_{{{{qr} }}} ){ + L}_{{{{ls}}}} {{i}}_{{{qs }}}$ および $\lambda_{{{{ds}}}} { = L }_{{{m}}} {(i}_{{{ds }}} { + i}_{{{{dr}}}} ){ + L}_{{{{ls}}} {{i}}_{{{ds }}}.$。

ドライブの機械式は次のとおりです。

モーターの発生電磁トルク:

ウォーターポンプには、負荷トルク (TL) とモーター速度の 2 乗の間の非線形構成の利点があります 14。

PV 出力電力の変化に伴うモーター速度変化の関数としての速度コマンド生成のブロック図を図 7 に示します。方程式は次のように導出されます。

速度指令生成ブロック図。

提案手法は図 8 の構成に従ってテストされ、その有効性が確認されます。実験装置の構造を図8aに示します。制御回路と電源回路は実験システムを構成します。高利得セル、三相インバータ、および負荷として遠心ポンプと組み合わせた同期リラクタンスモータを備えた PV、DC-DC ブートコンバータ。 DSP-DS1104 制御ボードは、システム全体とモーター制御アルゴリズムを実行するために使用されます。 IGBT (タイプ CM50DY-24H)、ラピッドリカバリダイオード (タイプ DESI 60)、コンデンサ、およびコイルは、高ゲインセルを備えた DC-DC コンバータを構成します。電圧センサー (LV25-P) は PV 電圧信号を検出し、この信号は 10 V にスケールダウンされて dSP に送信されます。モーター速度は、インクリメンタルパルスエンコーダを使用して検出され、dSPACE エンコーダポートに送信されます。実験システムのパラメータは付録にあります。さらに、遠心ポンプの負荷もシミュレーションしました。ポンプの負荷トルクプロファイルを評価するために、DC 発電機と抵抗負荷の間に降圧コンバータが接続されます。コマンドトルクを誘導電動機の電磁トルク「Te」と比較することにより、この降圧コンバータの制御パルスが生成されます。

実験室のセットアップ (a) 配線図、(b) 実装イメージ、(c) 遠心ポンプの負荷シミュレーション。

図 8b は、このセットアップの動作手順を示しています。基準トルクは、誘導モーターの速度の 2 乗にモーターのトルク定数「K」を乗算して計算されます。トルクコントローラーは単なる PI コントローラーであり、これら 2 つのトルク間の誤差を減らすために使用されます。最後に、図 8c に示すように、トルクコントローラーの出力と指定周波数の鋸歯状信号を比較することによって、降圧コンバーターの点火パルスが生成されます。

システムはシミュレーションを使用してテストされ、制御システムが確実であることを実験的に検証されます。システム全体は MATLAB/SIMULINK を使用してシミュレーションされます。提案されたスキームの高いセルコンポーネント、モーターおよび負荷パラメーターを備えたコンバーターが付録にリストされています。高度な制御システムを備えた提案されたシステムは、提案されたスキームの有効性を実験的に証明するために、一定および変化する太陽光照射レベルの下でテストされた。検討した 2 つのシミュレーションケースをケース 1 として定義します。ケース 1 では動的システム応答が 1000 W/m2 の一定照射でテストされ、ケース 2 のシステム動的応答はさまざまな照射レベルでテストされます。さらに、ケース 3 とケース 4 では、2 つの実験ベースの動的システム検証が 1000 および 800 W/m2 で実行されます。

図 9 は、ケース 1 の一定日射量 1000 W/m2 でのシステム応答を示しています。図 9a は日射量を示しています。図 9b ～ d は、ソーラーパネルの電力、電圧、電流の出力が一定であることを示しています。図 9e は、高利得セルの出力を示しています。図 9f は、振動せずに一定値に達するモーター速度を示しています。図 9g はモーターとポンプのトルク信号を示しています。ステートメント期間中、モーターのトルクがポンプのトルクをカバーしており、駆動システムアルゴリズムの良好なパフォーマンスが導入されています。図 9h は、振幅と周波数が一定のモーター相電流を示しています。

システム起動応答 (a) 日射量 (b) PV 電力 (V) PV 電流 (d) PV 電圧 (e) 高利得セル後の電圧 (f) モータ速度 (g) モータおよび負荷トルク (h) モータ相電流。

ケース 2 では、図 10 は、太陽光照射の変化におけるシステム応答を示しています。t = 3 秒で 1000 W/m2 から 800 W/m2 に減少し、t = 8 秒で 800 W/m2 から 600 W/m2 に再び減少します。図 10a は、太陽の照射量。図 10b ～ d は、太陽光パネルの電力、電圧、電流の出力を示しており、日射量の変化によって減少します。図 10e は、PV パネル出力電圧の約 7 倍に増加した高利得セル出力電圧を示しています。図 10f は、照射量の減少に伴って減少し、変動することなく一定値に落ち着くモーター速度を示しています。図 10g は、モーターとポンプのトルク信号を示しています。モーターのトルクは、PV 出力電圧の変化による照射の変化に伴って減少します。また、モーターの速度の変化によりポンプのトルクも変化します。モーターと負荷のトルクの変化は、ダイビングシステムの適切な相互接続を示しています。負荷あり。図 10h は、モータ速度の変化によって生じる一定振幅と可変周波数のモータ相電流を示しています。

さまざまな照射レベルでのシステム応答 (a) 照射量 (b) PV 電力 (V) PV 電流 (d) PV 電圧 (e) 高利得セル後の電圧 (f) モーター速度 (g) モーターおよび負荷トルク (h)モーターの相電流。

実装されたシステムは、ケース 3 および 4 について、1000 W/m2 と 800 W/m2 の 2 つの照射条件で実験的にテストされています。ケース 3 では、図 11 に 1000 W/m2 の太陽光照射におけるシステム応答を示します。図11a〜cは、それぞれソーラーパネルの電力、電圧、電流の出力を示しています。図 11d はモーター速度を示しており、変動することなく一定値に落ち着きます。図 11e はモーターのトルクを示し、図 11f はモーターの相電流を示します。

照射量 1000 W/m2 での実験結果 (a) PV 電力 (b) PV 電圧 (c) PV 電流 (d) 高ゲインセルモーター速度後の電圧 (e) モータートルク (f) モーター相電流。

同様にケース 4 では、図 12 は太陽光照射量 800/m2 での実験結果を示し、図 12a ～図 12c はソーラーパネルの生産電力、電圧、電流を示しています。図 12d はモーター速度を示しており、変化することなく持続的な値に低下しました。図 12e はモーターのトルクを示し、図 12f はモーターの相電流を示します。

照射量 800 W/m2 での実験結果 (a) PV 電力 (b) PV 電圧 (c) PV 電流 (d) 高ゲインセルモーター速度後の電圧 (e) モータートルク (f) モーター相電流。

この論文では、高利得昇圧コンバータに基づく水ポンプシステム用の太陽光発電同期リラクタンスモータドライブについて説明します。典型的なシステムの修正を考慮すると、提案されたシステムは太陽光発電システムの出力電圧を約7倍に昇圧しました。昇圧された電圧は、揚水システム用の非同期モータを効率的に駆動する直流三相電圧形インバータに供給されます。さらに、提案されたシステムはさまざまな照射値でテストされます。シミュレーションと実験のセットアップは、高利得セルコンバータとAC駆動スキームのために開発され、その結果は提案されたスキームの有効性を検証しました。実験用のセットアップでは、高ゲインセル制御と IRFOC を備えたブーストコンバータが DSP-DS1104 制御ボードに実装されています。さらに、提案された制御スキームはさまざまな照射条件下で評価され、提案されたアプローチには、電圧の増加が大きくなり、リップル、スイッチストレスが減少し、コンバータのコストが減少し、太陽光発電の動作点での変動が減少するという利点があります。

この研究の結果を裏付ける派生データは、要求に応じて責任著者から入手できます。

ペンシルベニア州リン「太陽光からの電気: 太陽光発電の紹介」 (Wiley、2011)。

Google スカラー

Meng, T. Terawatt 太陽光発電の障害と機会 (Springer、2014)。

Google スカラー

Waly、HM、Osheba、DS、Azazi、HZ、および El-Sabbe、AE 高利得の非絶縁型 DC-DC コンバータを備えた PV 給水ポンプシステム用の誘導モータドライブ。 2019 年のパワーエレクトロニクスと再生可能エネルギーに関する IEEE 会議 (CPERE) 497–503。 (IEEE、2019)。

Ayodele, TR、Ogunjuyigbe, ASO & Ekoh, EE 単一ダイオード太陽光発電モデルのパラメーターの抽出に使用される数値アルゴリズムの評価。持続する。エネルギー技術評価。 13、51–59 (2016)。

Google スカラー

Parveen, H.、Sharma, U.、Singh, B. 適応フィードフォワード電流推定機能を備えたバッテリー対応太陽熱温水ポンプシステム。エネルギー変換に関するIEEEトランザクションにおいて。 https://doi.org/10.1109/TEC.2022.3147496。

Prabhakaran, KK、Karthikeyan, A.、Varsha, S.、Permal, BV & Mishra, S. 給水ポンプ用途向けのスタンドアロン単段 PV 給電削減スイッチインバータベースの PMSM。 IEEEトランス。インド出願。 56(6)、6526–6535。 https://doi.org/10.1109/TIA.2020.3023870 (2020)。

記事 Google Scholar

PR トリパティ、PR タクラ、V. ラクシュミ、RK ケシュリ高利得共振インバーター駆動誘導モーターをベースとしたスタンドアロン PV 給水システム。恒久的な給水用の 2 ヘッドとして機能します。内部。 J.Circ. 理論。応用 https://doi.org/10.1002/cta.2983 (2021)。

記事 Google Scholar

Nassar-Eddine, I.、Obbadi, A.、Errami, Y. & Agunaou, M. 反復法と Lambert W 関数を使用した太陽光発電モジュールのパラメーター推定: 比較研究。エネルギー変換者。管理。 119、37–48 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Bose、BK パワーエレクトロニクスとモータードライブ: 進歩とトレンド。（アカデミックプレス、2020）。

セイラム、EZ 高利得昇圧コンバータは、水ポンプシステム用の非同期モータードライブを供給します。内部。Ｊ．エレクトロン． 109、1–20 (2021)。

Google スカラー

De Brito, MAG、Galotto, L.、Sampaio, LP、e Melo, GDA & Canesin, CA 太陽光発電用途の主要な MPPT 技術の評価。 IEEEトランス。インド電子。 60(3)、1156–1167 (2012)。

記事 Google Scholar

ザキー、AA 他ペロブスカイト太陽電池から給電される同期リラクタンスモーターを使用した揚水システムのエネルギー効率の向上。内部。 J.エネルギー研究所。 44(14)、11629–11642 (2020)。

記事 Google Scholar

Xu, L. & Yao, J. 飽和と鉄損を含む同期リラクタンスモーターの補償ベクトル制御方式。 IEEEトランス。インド出願。 28(6)、533–540 (1992)。

Google スカラー

Park, J.、Hofmann, H.、および Khalizadeh, C. ローターダイナミクスモデルを使用した高速ソリッドローター同期リラクタンス機械のフィードフォワード制御。プロセスで。第 39 回 IEEE IAS 年次総会。会議 292 ～ 298 (2004)。

Saravanan, S. & Babu, NR 太陽光発電ベースのグリッドアプリケーション向けの高昇圧 DC-DC コンバータの解析と実装。応用エネルギー 190、64–72 (2017)。

記事 Google Scholar

Maalandish, M.、Hosseini, SH、Jalilzadeh, T. & Vosoughi, N. 1 つのスイッチを使用し、太陽光発電アプリケーション向けの低損失の高昇圧 DC-DC コンバータ。 IETパワーエレクトロン。 11(13)、2081–2092 (2018)。

記事 Google Scholar

Ardi, H.、Ajami, A. & Sabahi, M. 再生可能エネルギーアプリケーション向けの連続入力電流統合結合インダクターを備えた新しい高昇圧 DC-DC コンバーター。 IEEEトランス。インド電子。 65(2)、1306–1315 (2017)。

記事 Google Scholar

Hu, X. & Gong, C. デュアル結合インダクタを備えた高ゲイン入力並列出力直列 DC/DC コンバータ。 IEEEトランス。パワーエレクトロン。 30(3)、1306–1317 (2014)。

記事 ADS Google Scholar

マサチューセッツ州アルサファールおよびイーサリア州イスマイル燃料電池電源用の入力電流リップルを低減した高電圧比および低ストレス DC-DC コンバータ。更新します。エネルギー 82、35–43 (2015)。

記事 Google Scholar

Lee, S.、Kim, P.、Choi, S. 昇圧セルを使用した高昇圧ソフトスイッチコンバータ。 IEEEトランス。パワーエレクトロン。 28(7)、3379–3387 (2012)。

記事 ADS Google Scholar

Tofoli、FL、de Souza Oliveira、D.、Torrico-Bascopé、RP、Alcazar、YJA 3SSC および VMC をベースとした新しい非絶縁型高電圧ゲイン DC-DC コンバータ。 IEEEトランス。パワーエレクトロン。 27(9)、3897–3907 (2012)。

記事 ADS Google Scholar

Xiong, S.、Tan, SC & Wong, SC 高電圧利得ハイブリッドスイッチトキャパシタ降圧コンバータの解析と設計。 IEEEトランス。回路システム私はレギュラーです。パプ。 59(5)、1132–1141 (2012)。

記事 MathSciNet Google Scholar

Khadmun, W. & Subsingha, W. 太陽光発電システム用の高電圧利得インターリーブ DC ブーストコンバータアプリケーション。エネルギープロセス 34、390–398 (2013)。

記事 Google Scholar

Nouri, T.、Hosseini, SH、Babaei, E. & Ebrahimi, J. 半導体への電圧ストレスを軽減した、一般化されたトランスレス超昇圧 DC-DC コンバータ。 IETパワーエレクトロン。 7(11)、2791–2805 (2014)。

記事 Google Scholar

Lin、CC、Yang、LS & Wu、GW 非絶縁型双方向 DC-DC コンバータの研究。 IETパワーエレクトロン。 6(1)、30–37 (2013)。

記事 Google Scholar

Nouri, T. et al. 3 巻線の高周波結合インダクタと電圧乗算セルをベースとしたインターリーブ型高昇圧 DC-DC コンバータ。 IETパワーエレクトロン。 8(2)、175–189 (2014)。

記事 Google Scholar

Sabzali、AJ、Ismail、EH および Behbehani、HM 燃料電池および太陽光発電アプリケーション向けの高電圧ステップアップ統合ダブルブースト – Sepic DC-DC コンバータ。更新します。エネルギー 82、44–53 (2015)。

記事 Google Scholar

An、L. & Lu、DDC PFM+ PWM 制御を備えた PV バッテリー駆動ポンプシステム用のシングルスイッチ DC/DC コンバータの設計。 IEEEトランス。インド電子。 62(2)、910–921 (2014)。

記事 Google Scholar

Taheri, B.、Aghajani, G.、Sedaghat, M.、Sharifi, S.、Teimourian, M. コンデンサスイッチングベースの高ゲイン昇圧チョッパコンバータの解析。マジュレシ J. エネルギー管理 8(4)、1–6 (2019)。

Google スカラー

Sathishkumar, S.、Nagarajan, R.、Yuvaraj, R.、Sridhar, M.、Elangovan, M. 統合された高利得ブースト共振コンバータのための PWM 技術の実装。 IOSR J.Eng. IOSRJEN 8(3)、59–66 (2018)。

Google スカラー

Bayoumi, AS、El-Sehiemy, RA、Mahmoud, K.、Lehtonen, M. & Darwish, MM ソフトパラメータ推定パラダイムに関連する MCS 太陽電池の修正された 2 ダイオードパターンに対する改良された 3 ダイオードの評価。応用科学。 11(3)、1055 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

サイード、M.ら。正確な水の乱流オプティマイザーを使用した太陽光発電モデルのパラメーターの推定。プロセス 9(4)、627 (2021)。

記事 Google Scholar

ジニディ、A.ら。太陽光発電システムの電気ベースのシングルおよびダブルダイオードモデル用のゴリラ部隊オプティマイザー。サステナビリティ 13(16)、9459 (2021)。

記事 Google Scholar

Bayoumi, ASA、El-Sehiemy, RA & Abaza, A. 通常および低放射線動作条件を考慮した海洋捕食者オプティマイザに基づく効果的な PV パラメータ推定アルゴリズム。アラブ。 J.Sci. 工学 47、1–16 (2021)。

Google スカラー

Singh, B.、Sharma, U.、および Kumar, S. センサーを削減した誘導モーター駆動を使用したスタンドアロンの太陽光発電水ポンプシステム。 IEEEトランス。インド出願。 54(4)、3645–3655 (2018)。

記事 Google Scholar

Bendib, B.、Belmili, H. & Krim, F. 最も使用されている MPPT 手法の調査: 太陽光発電システムに適用される従来型および高度なアルゴリズム。更新します。持続する。エネルギー改訂 45、637–648 (2015)。

記事 Google Scholar

Sontake 氏、VC および Kalamkar 氏、VR 太陽光発電による水ポンプシステム - 包括的なレビュー。更新します。持続する。エネルギー改訂 59、1038–1067 (2016)。

記事 Google Scholar

Elgendy, MA、Atkinson, DJ & Zahawi, B. 高摂動率における増分コンダクタンス最大電力点追跡アルゴリズムの実験的研究。 IET 更新。発電機。 10(2)、133–139 (2016)。

記事 Google Scholar

Shukla, S. & Singh, B. 単段 PV アレイは、水圧送用の誘導モーター駆動の速度センサーレスベクトル制御を供給します。 IEEEトランス。インド出願。 54(4)、3575–3585 (2018)。

記事 Google Scholar

Yang、LS、Liang、TJ、Lee、HC、Chen、JF 結合インダクタと倍電圧回路を備えた新しい高昇圧 DC-DC コンバータ。 IEEEトランス。インド電子。 58(9)、4196–4206 (2010)。

記事 Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

著者らは、助成金番号 (RGP.1/133/43) の一般研究プロジェクトを通じてこの研究に資金を提供してくださったキング・ハーリド大学科学研究部長に感謝の意を表します。

キング・ハーリド大学工学部電気工学科、アブハ、61421、サウジアラビア

ZM セイラム・エルバーバリー & サード・F・アル・ガハタニ

カフレルシェイク大学工学部電気工学科、カフレルシェイク、33516、エジプト

ZM セイラム・エルバーバリー & ラガブ・A・エル・セヒエミー

東南大学電気工学部、南京、210096、中国

ハリド・マフムード・チーマ

ファティマ・ジンナー女子大学電子工学部、ラーワルピンド、46000、パキスタン

ハリド・マフムード・チーマ

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

概念化、ZMS、SFA、方法論、ZMS、SFA、ソフトウェア、ZMS、SFA、RAE、検証、ZMS、SFA; 正式な分析、ZMS、SFA、調査、ZMS、SFA、リソース、ZMS、SFA; データキュレーション、ZMS、SFA、RAE、執筆 - 原案作成、ZMS、SFA、KMC、RAE。執筆 - レビューと編集、ZMS、SFA、KMC、および RAE。可視化、ZMS、SFA; 監督、; プロジェクト管理、ZMS、SFA; 資金調達、ZMS、SFA

Khalid Mehmood Cheema または Ragab A. El-Sehiemy への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Elbarbary、ZMS、Cheema、KM、Al-Gahtani、SF 他。揚水用途向けに、PV システムから同期リラクタンスモータードライブに供給される高ゲインチョッパー。 Sci Rep 12、15519 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-19671-x

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 2 月 8 日

受理日: 2022 年 9 月 1 日

公開日: 2022 年 9 月 15 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19671-x

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティガイドラインに従うことに同意したことになります。虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。

PV システムから揚水用途の同期リラクタンス モーター ドライブに供給される高ゲイン チョッパー

PV システムから揚水用途の同期リラクタンスモータードライブに供給される高ゲインチョッパー