بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله طراحی کنترل کننده غیر متمرکز مقاوم برای مبدل های دو ورودی که در سیستمهای ترکیبی انرژی استفاده می گردند، مورد توجه قرار گرفته است. برای این کار ابتدا با استفاده از تکنیک متوسط گیری فضای حالت، مدل فضای حالت این مبدل بدست میآید. سپس بر اساس این مدل، مدل خطی مبدل که به فرم سیستمهای چند ورودی-چند خروجی میباشد، استخراج میگردد .
از آنجایی که پارامترهای سیستم خطی به نقطه کار وابسته است، بنابراین تغییر نقطه کار باعث نامعینی در مدل سیستم میگردد. به همین خاطر نامعینی پارامتری موجود در مدل سیستم به صورت اغتشاش ورودی بر سیستم نامی به فرم ، مدل میشود و سپس با استفاده از سنتز پارامترهای کنترل کننده به گونهای تنظیم میشود که معیار ارائه شده برای عملکرد مطلوب سیستم برآورده شود. در انتها نیز عملکرد کنترل کننده ارائه شده با بررسی نتایج شبیه سازی مورد ارزیابی قرار میگیرد.
مقدمه
منابع انرژی پایه و اساس توسعه جامعه انسانی و اقتصادی میباشند. امروزه عمر منابع فسیلی، که بدنه اصلی منابع انرژی را تشکیل میدهند، رو به پایان است به همین خاطر انتظار میرود که انرژی های تجدید پذیر نقش مهمی را در تولید انرژی در سراسر جهان ایفا کنند . منابع انرژی تجدید پذیر تحت تاثیر عوامل محیطی همچون فصل، زمان، دما، و شرایط آب و هوایی قرار دارند و به صورت تناوبی و تصادفی تغییر می کنند.
بنابراین یک منبع تجدید پذیر به تنهایی نمی تواند نیاز کاربران به یک منبع انرژی پایدار و کارآمد را برآورده نماید. برای رفع این مشکل از سیستم های انرژی ترکیبی استفاده میکنند تا محدودیتهای هر منبع انرژی را جبران کنند.[1] یکی از اجزاء مهم در سیستم های انرژی ترکیبی، مبدل های الکترونیک قدرت هستند. این مبدلها به عنوان واسط، بین منابع انرژی تجدید پذیر - همچون سلولهای خورشیدی، توربین بادی و پیل سوختی و غیره - و واحدهای مصرف کننده انرژی قرار میگیرند. طرحهای مختلفی برای یکپارچه سازی واحدهای مختلف تولید انرژی، با مشخصههای الکتریکی متفاوت، ارائه شده است.
در [2] به ازای هر منبع انرژی از یک مبدل dc به dc تک ورودی به عنوان واسط استفاده شده است. از معایب این طرح میتوان به پیچیدگی ساختار سیستم و هزینه بالای پیاده سازی اشاره نمود. برای ساده نمودن ساختار سیستم، ایده استفاده از مبدل های چند-ورودی ارائه گردید. در این مبدلها منابع انرژی مختلف به ورودیهای مبدل متصل شده و خروجی آن به یک لینک DC مشترک متصل می شود.
اخیرا، توپولوژیهای متفاوتی برای مبدلهای چند-ورودی پیشنهاد شده است.[10-3] تفاوت عمده این توپولوژیها در نقطهای از مدار است که ورودی های مختلف با هم ترکیب میشوند. منابع ورودی مختلف میتوانند با به اشتراک گذاری عناصری همچون فیلتر خازنی خروجی، برخی از سوئیچها، سلفها و خازنهای انتقال انرژی و یا هستههای مغناطیسی، با هم ترکیب شوند. این روشها که در [10 ,4] مطرح شده اند، در شکل - 1 - نشان داده شده است.
از آنجایی که هر یک از مبدلهای چند-ورودی پیشنهادی، مزایا و معایب خود را دارند، انتخاب توپولوژی مناسب برای کاربرد خاص، دشوار است. برخی از این مبدل ها تنها قادرند که ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش دهند. برخی دیگر از مبدلها بر اساس مبدل باک-بوست طراحی شده اند [9 , 3] و این محدودیت را ندارند. اما در عوض در این مبدلها قطبیت ولتاژ خروجی در تضاد با ولتاژ ورودی است و همچنین به علت قرار گرفتن سوئیچ بین منبع ورودی و مبدل، جریان ورودی ناپیوسته است. بنابراین در مواردی که از سلول سوختی به عنوان منبع ورودی استفاده میشود، به کارگیری این مبدلها مناسب نیست.
برای رفع این محدودیتها میتوان از مبدل MISEPIC که در [4] معرفی شده است، استفاده نمود زیرا این مبدل دارای جریان ورودی تقریبا ثابت و ولتاژ خروجی هم قطب با ولتاژ ورودی است. به همین علت در این مقاله مبدل دو ورودی سپیک - SEPIC - مورد مطالعه قرار میگیرد. با توجه به اهمیت و کاربرد مبدلهای چند-ورودی، کنترل این مبدلها مورد توجه بسیار قرار گرفته است. از آنجایی که نیاز است در این مبدلها چند متغیر کنترل شوند، بنابراین این مبدلها جزو سیستمهای چند متغیره محسوب می شوند. مهمترین ویژگی سیستمهای چند متغیره، وجود تداخل بین حلقههای مختلف ورودی-خروجی است.
وجود تداخل باعث میشود که نتوان برای هر حلقه به صورت مستقل کنترل کننده طراحی نمود و تنظیم پارامترهای مربوط به هر حلقه برعملکرد حلقههای دیگر تاثیر می گذارد. در طراحی کنترل کننده برای سیستم های چند متغیره، کنترل کنندههای غیر متمرکز از اهمیت بالایی برخوردارند زیرا در این کنترل کنندهها پارامترهای کمتری نیاز به تنظیم دارند.[11] در این [12] ضمن معرفی مبدلی دو ورودی، سعی شده با حذف کوپلینگ بین حلقههای ورودی-خروجی، کنترل کننده غیر متمرکزی1 برای آن مبدل طراحی شود.
طراحی کنترل کننده به این روش دارای معایبی است : -1 اصرار بر حذف کوپلینگ در سیستم حلقه بسته اغلب منجر به افزایش درجه نسبی سیستم و صفرهای غیر مینیمم فاز سیستم می گردد. این رفتار که به عنوان " هزینه دکوپله سازی " شناخته می شود، باعث میشود پهنای باند سیستم کاهش یابد-2 .[13] ممکن است برای مبدلهایی که تابع تبدیل آنها دارای صفر انتقال و صفر عنصر غیر مینیمم فاز هستند نتوان به سادگی به دکوپله سازی پایدار دست یافت که در این صورت باید ابتدا با روش ذکر شده در [13]، صفر غیر مینیمم فاز را به سمت چپ مبدا انتقال و سپس دکوپله سازی نمود.
بنابراین طراحی کنترل کننده به این روش با پیچیدگیهایی همراه است. در [14] نیز با استفاده از روش ICD کنترل کننده غیر متمرکزی برای مبدل دو ورودی باک-سپیک - BUCK-SEPIC - طراحی شده است. بر اساس این روش، اثر سایر حلقهها بر حلقه مورد نظر به صورت اغتشاش در نظر گرفته میشود. گرچه با این روش مسئله طراحی کنترل کننده برای سیستم MIMO به مسئله طراحی کنترل کننده برای چند سیستم SISO تبدیل میشود و طراحی سادهتر میگردد، اما برای طراحی کنترل کننده هر حلقه، باید کنترل کننده مربوط به سایر حلقهها معلوم باشد.
هدفی که در این مقاله دنبال میشود، طراحی کنترل کننده PI غیر متمرکز برای مبدل دو ورودی سپیک است. برای طراحی کنترل کننده ابتدا مدل خطی مبدل استخراج میگردد. سپس نامعینی ایجاد شده ناشی از تغییر پارامترهای مدل خطی، به صورت اغتشاش ورودی به سیستم نامی مدل میشود و بدین ترتیب می توان تاثیر تغییر پارامترهای سیستم را در طراحی کنترل کننده وارد نمود. برای بررسی دقیقتر کنترل کننده پیشنهادی، رفتار مبدل به همراه کنترل کننده پیشنهادی با نرم افزار Matlab شبیه سازی می شود.
ساختار این مقاله به این صورت است که ابتدا مبدل دو ورودی سپیک معرفی و نحوه عملکرد آن توضیح داده میشود و سپس مدل خطی مبدل استخراج میگردد. در قسمت طراحی کنترل کننده، نامعینی پارامتری موجود در مدل سیستم به صورت اغتشاش ورودی به سیستم نامی مدل میشود. و سپس نحوه طراحی کنترل کننده توضیح داده میشود. در بخش نتیجه گیری نتایج حاصل از شبیه سازی آورده شده است.
