بخشی از مقاله
در این پایان نامه یک سیستم کنترل ترکیبی از کنترل کننده PID و کنترل کننده فازی برای جلوگیری از جهش و نوسانات در مبدل dc به dc از نوع Buck-Boost برای سیستم سلول خورشیدی و باتری پیشنهاد می کنیم. ما یک کنترل کننده PID، یک کنترل کننده منطق فازی و یک سیستم کنترل ترکیبی PID فازی برای پایدار کردن ولتاژ خروجی مبدل Buck-Boost طراحی و شبیه سازی می کنیم. نتایج عملکرد با استفاده پاسخ دینامیکی تمام این کنترل کننده ها بر حسب زمان صعود، جهش، زمان پیک، و نوسان ولتاژ ارائه می گردد. نتایج شبیه سازی اعتبار و مزایای روش ترکیبی را تایید می کنند.
-1 مقدمه
بدون شک سیستم های فتوولتاییک اهمیت زیادی در آینده سیستم های انرژی پیدا می کنند. در حقیقت سیستمهای انرژی خورشیدی نسبت به دیگر سیستمهای انرژی مزایایی از قبیل هزینه های پایین سوخت و هزینه های نگهداری پایین دارند. با این حال سیستم های فتوولتاییک معایبی از قبیل بازده نسبتا پایین تبدیل انرژی، ولتاژ خروجی متغیر بخاطر توان نامنظم خورشید که در نتیجه تغییرات جوی ایجاد می شود و باعث غیر خطی شدن سیستم می گردد، دارند. بنابراین یک سلول خورشیدی، صرفنظر از تغییرات تابش نور و دما، بایستی یک ولتاژ DC ثابتی در سطح مطلوب برای کاربرد مورد نظر تولید کند.
برای نشان دادن توان خروجی متغیر، از مبدل های DC به DC بمنظور کنترل ولتاژ و توان خروجی فتوولتاییک استفاده می گردد. مبدل های DC به DC اجازه می دهند تا منبع ولتاژ DC بعنوان یک منبع ولتاژ DC کنترل شده عمل نماید، بدین معنا که ولتاژ خروجی مبدل بتواند مستقیما با تغییر Duty Cycle کلید، کنترل شود. بسته به نوع مبدل DC به DC استفاده شده، مقدار ولتاژ خروجی مبدل می تواند کمتر یا بیشتر از مقدار ولتاژ ورودی مبدل باشد.
انواع مختلفی از مبدل های DC به DC وجود دارد، مانند مبدل Buck که یک مبدل کاهنده می باشد یا مبدل Boost که یک مبدل افزاینده می باشد و یا مبدل Buck-Boost که یک مبدل با قابلیت کاهندگی و افزایندگی می باشد . مبدل DC به DC بطور گسترده ای در کاربردهای الکترونیکی بعنوان یک تنظیم کننده ولتاژ و یک وسیله جدا سازی بین منبع و بار بمنظور حفاظت بار استفاده می شود.
در تمام سیستم های فتوولتاییک یک مبدل DC به DC بعنوان یک رابط بین آرایه فتوولتاییک و بار استفاده می شود تا این مبدل، توان خروجی فتوولتاییک را طوری کنترل کند که بتوان تحت شرایط تغییرات محیطی از آن حداکثر توان را بدست آورد. کنترل فازی یک روش کنترلی بسیار مناسب برای کاربردهای غیر خطی مانند کنترل سرعت موتور DC می باشد. در واقع، نشان داده شده است که کنترل فازی نسبت به دیگر روش های کنترلی، پاسخ گذرای سریعتر و نتایج بهتری دارد .[1]
برای کنترل مبدل سیستم های فتوولتاییک، کنترل منطق فازی پیشنهاد شده است .[6,8] رفتار کنترلی منطق فازی سیستم های فتوولتاییک با تبدیل یک استراتژی کنترلی زبانی به یک استراتژی تصمیم گیری اتوماتیک با استفاده از قوانین از پیش تعیین شده حاصل می شود. در واقع مجموعه های فازی یک روش ساده برای رسیدن به تصمیم گیری های مشخص از اطلاعات غیر دقیق و نا مشخص است.
کنترل کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی - - PID بعنوان یک کنترل کننده مهم برای کاربردهای صنعتی در نظر گرفته می شود. دو دلیل اصلی استفاده مداوم از کنترل کننده های PID در کاربردهای صنعتی عبارتند از: فهم ساده تنظیم کنترل کننده PID و کارآمد بودن کنترل کننده های PID در نرم افزار SCADA و کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر می باشد .[2] کنترل کننده تناسبی انتگرالی - PI - ، یک کنترل رایج فیدبک حلقه بسته می باشد که در سیستم های کنترل صنعتی استفاده می شود.
مشکلی که سیستم های فتوولتاییک دارند این است که ولتاژ خروجی آنها وابسته به شرایط آب و هوایی مانند دما و تابش خورشید می باشد. این شرایط، مخصوصا تابش، می تواند به سرعت منجر به تغییرات شدید ولتاژ خروجی منبع شود که این باعث تغییرات نقطه کار بار می شود. بنابراین ضرورت یک تنظیم کننده ولتاژ مشخص است. کنترل ولتاژ خروجی مبدل DC به DC بطور وسیعی و با موفقیت با استفاده از تکنیک های کنترلی مختلف انجام شده است. اخیرا Sahin و Okumus یک کنترل کننده منطق فازی برای مبدل DC به DC از نوع Buck-Boost برای سیستم فتوولتاییک- باتری- بار پیشنهاد داده اند .[5]
در مطالعه دیگری، Sahin و Okumus یک کنترل کننده منطق فازی با دو تابع عضویت برای کنترل ولتاژ خروجی مبدل استفاده کرده اند .[6] از یک میکروکنترلر 4550F18PIC یک مبدل Buck برای یک سیستم فتوولتاییک طراحی و اجرا کردند تا ولتاژ شارژ باتری را کنترل نماید .[7] دو روش کنترلی PID و منطق فازی جهت ثابت نمودن ولتاژ خروجی مبدل Buck-Boost برای آرایه های فتوولتاییک مورد بحث قرار دادند . [8]
مسئله و مشکل مورد بحث این است که چگونه تنظیم کننده ولتاژ کنترل شود تا ویژگی های رضایت بخشی مانند پاسخ گذرا و خطای حالت دائمی حاصل شود. در این مورد قبلا کنترل کننده های کلاسیک مانند کنترل کننده PI و کنترل کننده PID، استفاده شده اند که پاسخ گذرای نامطلوبی داشته اند. در این پایان نامه یک کنترل کننده ترکیبی PID مبتنی بر منطق فازی برای کنترل مبدل DC به DC بعنوان تنظیم کننده، آنالیز و طراحی می شود. بمنظور ارزیابی فواید یک چنین سیستم کنترلی، پارامترهای پاسخ گذرا و خطاهای حالت دائمی آن مورد بررسی قرار می گیرد.
-2 مشخصات سلول فتوولتاییک
سلول فتوولتاییک نشان داده شده در شکل 3-7، می تواند بصورت مدار شکل 3-9 مدل گردد. مدار یک سلول خورشیدی بوسیله یک منبع جریان موازی با یک دیود و یک مقاومت شانت که با یک مقاومت سری شده است، مدل می شود. در شکل 3- 9، جریان IL جریان تولید شده توسط نور، ID جریان گذرنده از دیود، ISH جریان گذرنده از مقاومت شانت، RSH مقاومت شانت، RS مقاومت سطحی و V ولتاژ خروجی می باشد.
در رابطه - 2 - ، q بار الکترون برابر c، K ثابت بولتزمن، T درجه حرارت بر حسب کلوین، I0 جریان اشباع معکوس دیود می باشد. تغییر در میزان تابش خورشید و دما، مقدار جریان را تغییر می دهد. مشخصه یک سلول فتوولتاییک بستگی به جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز دارد که توسط کارخانه سازنده در Data Sheet سلول فتوولتاییک قرار داده می شود. معادله - - 3 مدل ریاضی آرایه فتوولتاییک را نشان می دهد: که I و V بترتیب جریان و ولتاژ خروجی آرایه فتوولتاییک می باشد، NS تعداد سلول های سری و NP تعداد سلول های موازی می باشد و IPh جریان فتوولتاییک، A ضریب ثابتی است بین 1 تا 5، Irs جریان اشباع معکوس سلول و T درجه حرارت سلول بر حسب کلوین است.
-3 طراحی مبدل Buck-Boost
مبدل Buck-Boost مطابق شکل های 2، 3 و 4 بترتیب با کنترل کننده منطق فازی، کنترل کننده کلاسیک و کنترل کننده PID فازی ترکیبی طراحی می شود. بمنظور تولید سیگنال خطا که همان سیگنال فیدبک کنترل می باشد، ولتاژ خروجی، Vout، اندازه گیری می شود و با ولتاژ مرجع، Vref، مقایسه می شود: e= Vref- Vout - 4 - دو ورودی کنترل کننده منطق فازی یکی سیگنال خطا و دیگری تغییر در سیگنال خطا می باشد. سیگنال خطا از طریق مقایسه سیگنال مرجع با سیگنال خروجی محاسبه می شود. تغییر در خطا از طریق اختلاف بین سیگنال خطای فعلی و سیگنال خطای قبلی محاسبه می شود.
شکل 4 مبدل Buck-Boost کنترل شده با کنترل کننده PID فازی ترکیبی
در شکل های 2، 3 و 4، VS ولتاژ ورودی مبدل می باشد که از طریق آرایه فتوولتاییک تامین می شود. S یک سوییچ می باشد که نقش آن در تغییر دادن توپولوژی مبدل می باشد. در طول روشن بودن سوییچ، القاگر انرژی را ذخیره می کند و هنگامی که سوییچ قطع می شود، القاگر انرژی را به بار انتقال می دهد. VL ولتاژ دو سر القاگر، Vo ولتاژ خروجی بر روی بار و Vref ولتاژ مرجع می باشد. سیگنال خروجی کنترل بعنوان Duty Cycle برای سوییچ موجود در مبدل Buck-Boost می باشد. نقش خازن C ثابت نگه داشتن ولتاژ دو سر بار می باشد، دیود 2D از معکوس شدن جریان جلوگیری می کند و دیود 1D دو مد کاری مبدل Buck-Boost را از هم جدا می کند.
-4 کنترل کننده منطق فازی برای مبدل Buck-Boost
ولتاژ خروجی یک مبدل DC به DC از نوع Buck-Boost توسط یک کنترل کننده منطق فازی کنترل می شود. کنترل کننده منطق فازی از متغیر های زبانی بعنوان ورودی بجای متغیرهای عددی استفاده می کند. فازی ساز - - Fuzzifier مقادیر عددی ورودی را به مقادیر فازی تبدیل می کند. سیگنال خطا، e - k - ، و تغییر سیگنال خطا، H - N - ، از طریق دو معادله زیر محاسبه می شوند. خطا اختلاف بین ولتاژ خروجی مبدل Buck-Boost و ولتاژ مرجع می باشد، در حالی که تغییر در خطا، اختلاف بین خطای فعلی و خطای قبلی می باشد .[1]
در این پایان نامه برای هر یک از سیگنال های خطا، e - k - ، تغییر در سیگنال خطا، H - N - و duty cycle تابع عضویت مثلثی استفاده می شود. در شکل های 5، 6 و 7 بترتیب خطا، تغییر خطا و duty cycle داده های ورودی و خروجی متغیر های ورودی و خروجی کنترل کننده منطق فازی نشان داده شده است. فضای داده های ورودی کنترل کننده منطق فازی بین -10 و +10 تغییر می کند .[25] همچنین داده ها برای تغییر خطا بین - 1 و +1 تغییر می کند. فضای داده های خروجی کنترل کننده منطق فازی بین -0.8 و +0.8 تغییر می کند - که از طریق سعی و خطا تصمیم گیری شده است - . با توجه به متغیر های ورودی 5 قانونه، در کل 25 قانون فازی وجود دارد.
