Optimization and Control of a Photovoltaic Water Pumping System Based on DTC of an Induction Motor

Abstract

Photovoltaic Water Pumping Systems (PVWPS) are an effective and sustainable solution for water supply in remote and agricultural regions, but their performance is strongly influenced by environmental variations and control strategy efficiency. This work focuses on the modeling and performance enhancement of an induction motor-driven PVWPS using advanced MPPT and control techniques. A MATLAB/Simulink model of the PV array and DCDC boost converter was developed, and three MPPT methods (P&O, INC, and AD-INC) were evaluated under varying irradiance and temperature. Results showed that the AD-INC method outperforms the conventional techniques by providing faster convergence, higher tracking accuracy, and lower power oscillations. For the drive system, an optimized Direct Torque Control (DTC) strategy based on a Gorilla Troops Optimizer (GTO)-tuned PI controller (PIGTO-DTC) was proposed. The GTO algorithm was used to tune PI gains to minimize speed error and torque ripples under different operating conditions. Simulation results confirmed that the proposed PI-GTO-DTC significantly enhances system performance compared to conventional PI-DTC, resulting in reduced torque and flux ripples, smoother current waveforms, and enhanced operating stability. In general, combining AD-INC MPPT with PIGTO-DTC leads to a more efficient, stable, and reliable PVWPS. تُعد أنظمة ضخ المياه الكهروضوئية (PVWPS) حلاً فعالاً ومستداماً لتوفير المياه في المناطق النائية والزراعية، إلا أن أداءها يتأثر بشكل كبير بالتغيرات البيئية وكفاءة استراتيجية التحكم. يركز هذا العمل على نمذجة وتحسين أداء نظام ضخ مياه كهروضوئي يعمل بمحرك تحريضي (Induction Motor) باستخدام تقنيات متقدمة لتتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) واستراتيجيات تحكم حديثة. تم تطوير نموذج باستخدام بيئة MATLAB/Simulink للمصفوفة الكهروضوئية ومحول رفع الجهد المستمر (DC-DC Boost Converter)، كما تم تقييم ثلاث طرق لتتبع نقطة القدرة القصوى (وهي P&O وINC وAD-INC) في ظل ظروف متغيرة من الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة. وأظهرت النتائج تفوق طريقة AD-INC على التقنيات التقليدية من حيث سرعة التقارب، ودقة التتبع العالية، وانخفاض تذبذبات القدرة. وفيما يتعلق بنظام التشغيل (المحرك)، تم اقتراح استراتيجية محسّنة للتحكم المباشر في العزم (DTC) تعتمد على وحدة تحكم تناسبية-تكاملية (PI) مضبوطة بواسطة خوارزمية تحسين "سرب الغوريلا" (GTO)، ويُشار إليها بـ PI-GTO-DTC. استُخدمت خوارزمية GTO لضبط معاملات وحدة التحكم PI بهدف تقليل خطأ السرعة وتموجات العزم تحت ظروف تشغيل مختلفة. وأكدت نتائج المحاكاة أن الاستراتيجية المقترحة (PI-GTO-DTC) تعزز أداء النظام بشكل ملحوظ مقارنةً بالاستراتيجية التقليدية (PI-DTC)، مما أدى إلى تقليل تموجات العزم والتدفق المغناطيسي، والحصول على أشكال موجية أكثر سلاسة للتيار، وتحسين استقرار التشغيل. وبشكل عام، فإن الجمع بين تقنية AD-INC لتتبع نقطة القدرة القصوى واستراتيجية PI-GTO-DTC للتحكم يؤدي إلى نظام ضخ مياه كهروضوئي أكثر كفاءة واستقراراً وموثوقية.