مقاله طراحی کنترل کننده فازی مرتبه بالا بر مبنای ANFIS در سیستم فتوولتائیک

بخشی از مقاله

چکیده -

در این تحقیق کنترل کننده PID فازی مرتبه بالا طراحی شده است که حداکثر توان سلولهای خورشیدی را ردیابی میکند. سیستم فازی مرتبه بالایی که ضرایب آن با استفاده از یک الگوریتم نظام یافته تعیین خواهد شد.از این رو عملکرد سیستم وابسته به دانش طراح نمی-باشد. با تغییر شدت تابش، تغییر دمای محیط و تغییر بار ردیابی حداکثر توان سلولهای خورشیدی توسط کنترل کننده پیشنهادی بررسی شده است. مقایسه نتایج کنترل کننده PID فازی مرتبه یک ،کنترل کننده PID با روش زیگلر نیکولز و کنترل کننده PID فازی با روش بکار رفته حاکی از آن است که کنترل کننده پیشنهادی حداکثر توان سلولهای خورشیدی را بهتر و مقاومتر ردیابی میکند. این نتایج در برابر اغتشاشات اعمال شده نیز بدست آمده است.

-1 مقدمه

امروزه اهمیت انرژیهای پاک و تجدید پذیر بر هیچ کس پوشیده نیست. خورشید منبع انرژی است که به سهولت در دسترس میباشد. سلول خورشیدی فتوولتائیک PV تبدیل مستقیم نور حاصل از پرتوهای خورشید به الکتریسیته را انجام میدهد.

متغیر بودن مقدار انرژی حاصل از تابش خورشید به دلیل تغییرات جوی، فصول سال و جهت تابش موجب شده است که حداکثر توان در دسترس متغیر باشد. برای این منظور کنترلکنندهای جهت ردیابی نقطه حداکثر توان MPPT از سلولهای خورشیدی منظور میگردد. از آن جائی که این سلول ها متشکل از نیمه هادی ها هستند، مشخصه خروجی سلول خورشیدی غیر خطی میباشد.

روشهای مختلفی جهت ردیابی حداکثر توان سلولهای خورشیدی وجود دارد.الگوریتم انحراف و مشاهده با افزایش یا کاهش ولتاژ یا جریان ترمینال آرایه خورشیدی در فواصل زمانی معین و سپس مقایسه توان خروجی، اقدام به ردیابی نقطه حداکثر توان می نماید.[3] عیب بارز این روش وجود نوسانات زیاد حول نقطه عملکرد در حالت ماندگار میباشد.

الگوریتم هدایت افزایشی با مقایسه افزایش توان نسبت به افزایش ولتاژ - جریان - بین دو نمونه متوالی، تغییر در ولتاژ را جهت دستیابی به MPP تعیین میکند. این روش دارای ایراد ناپایداری میباشد که میتواند ناشی از استفاده از عمل مشتق باشد. یکی از ساده ترین الگوریتمهای MPPT روش ولتاژ ثابت میباشد. مقدار ولتاژ مرجع مساوی با ولتاژ در نقطه توان حداکثر - Vmpp - مشخصه آرایه فتوولتائیک تنظیم میگردد .[4] در الگوریتم ولتاژ ثابت ممکن است نقطه کار هرگز دقیقا در MPP قرار نگیرد. روش شبکه عصبی، در [5] ارائه شده است. جهت تضمین عمل درMPPT شبکه عصبی الزاما باید تعلیم ببیند و از این رو نیاز به اطلاعات آرایه PV میباشد.

امروزه بهره گیری از کنترل منطق فازی - FLC - در کاربردهای MPP رایج بوده و از طرفی پیشرفت در میکروکنترلرها و کاهش هزینههای پیاده سازی این تکنیک بر محبوبیت آن افزوده است. ورودیهای کنترل کننده فازی در MPPT  معمولا یک سیگنال خطا - E -  و تغییرات در سیگنال خطا است. خطا به صورت 3/  9 انتخاب میشود، زیرا مقدار آن در MPP برابر صفر میباشد

در این مقاله کنترل کننده PID فازی مرتبه بالا طراحی شده است که حداکثر توان سلولهای خورشیدی را ردیابی میکند. سیستم فازی مرتبه بالایی که ضرایب آن با استفاده از یک الگوریتم نظام یافته تعیین خواهد شد. بنابراین بازدهی وابسته به دانش طراح نمیباشد مزیت دیگر استفاده از سیستم فازی مرتبه بالا کاستن از تعداد توابع عضویت و قواعد و در نتیجه کم کردن پیچیدگی سیستم فازی با حفظ دقت در عملکرد سیستم فازی است به عبارت دیگر با داشتن تعداد قواعد مساوی سیستمهای فازی مرتبه بالا از خود خطای کمتری نشان می-دهند.این الگوریتم حداکثر توان سلولهای خورشیدی را در برابر اغتشاشات بهتر و مقاومتر ردیابی میکند.

در ادامه در بخش 2 مدل سیستم سلول خورشیدی شرح داده شده است. سیستمهای فازی در بخش 3 توضیح داده شده است. بخش 4 به نحوه طراحی کنترل کننده فازی مرتبه بالا پرداخته است. شبیه سازی و نتایج سیستم در بخش 5 و نتیجهگیری در بخش 6 بیان شده است.

-2 مدل سیستم سلول های خورشیدی

سیستم فتوولتائیک مورد بحث در این مقاله از سه بخش زیر تشکیل شده است. شکل 1 نحوه ارتباط این سه بخش را نشان میدهد.
·    سلول فوتوولتائیک

·    کنترل و ردیاب نقطه حداکثر توان

·    رگولاتور بوست - مبدل DC به - DC

شکل :1 مدل سیستم

-1-2  سلول فتوولتائیک

آرایههای سلول خورشیدی، ترکیبی از سلولهای خورشیدی سری و یا موازی شده است. ولتاژ خروجی سلول خورشیدی Vmتابعی از جریان ورودی آرایه است که طبق معادله زیر به دست میآید.

در رابطه - 1 - ، e شار الکترون، Im جریان خروجی سلول، k ثابت بولتزمن، Iph جریان نوری، I0 جریان اشباع معکوس دیود، Rs مقاومت سری سلول و Ta دمای مرجع سلول در نظر گرفته شده است.

-2-2 کنترل و ردیاب نقطه حداکثر توان

در این مقاله مشتق توان خروجی نسبت به ولتاژ سلول خورشیدی محاسبه میگردد.[7] این مقدار را به عنوان سیگنال خطا به کنترل کننده اعمال می شود. که با صفر شدن این سیگنال خطا حداکثر توان در دسترس خواهد بود. این بخش نیز شامل سنسورها ، تولید کننده موج PWM و سیستم کنترلی MPPT میباشد.

-3-2 رگولاتور بوست - مبدل DC به - DC

علت استفاده از مبدل افزاینده علاوه بر افزایش ولتاژ خروجی سیستم، متغیر بودن مقاومت ورودی مبدل با تغییر سیکل کاری سیگنال PWM اعمالی است. این ویژگی مبدل این قابلیت را می دهد که با تغییر سیکل کاری بتوان ولتاژ نقطه کار سلول خورشیدی را تغییر داد. معمولا از مبدل افزاینده Boost ولتاژ، در سیستم تولید توان خورشیدی استفاده می گردد.

-3 سیستم فازی

سیستم های فازی مرتبه صفر و یک در بسیاری موارد نتایج شایان توجهی از عملکرد خود نشان داده اند اما در مواردی دچار اشکال میگردند.هنگامی که دادههای آموزش مربوط به یک فرآیند بسیار غیر خطی باشند و بین متغیرهای ورودی آن ها اثر متقابل وجود داشته باشد باید تعداد قواعد سیستم فازی را بیشتر در نظر گرفت تا دقت تخمین به قدر کافی باشد. این مسئله سبب میشود که تعداد پارامترهای سیستم فازی - که هدف یافتن مقدار آنهاست - بیشتر و بیشتر شود و پیدا کردن مقدار آنها و همچنین شبیهسازی سیستم بدست آمده مشکلتر و طولانیتر شود.

یکی از راهکارهای مقابله با این مشکل که در سالهای اخیر مطرح شده است، استفاده از سیستم های فازی مرتبه بالا است، سیستم های فازی مرتبه بالا، سیستم های فازی سوگنویی است که تابع موجود در بخش تالی قواعد آنها درجهای بیش از یک داشته باشد. وجود این جملات غیرخطی که شامل حاصلضرب ورودیها نیز هست، موجب میگردد تا سیستم فازی سوگنو بتواند ضمن حفظ مزایای سابق خود، با تعداد قاعده کمتری عمل تخمین را با دقتی معادل سیستمهای مرتبه صفر و یک انجام دهد. به علاوه منطقی شدن تعداد قواعد تفسیرپذیری و شفافیت سیستم فازی را افزایش میدهد8]،.[9 در بخش بعد سیستم فازی مرتبه بالا شرح داده شده است.

-1-3  سیستم های استنتاج فازی سوگنومربعی

یکی از سادهترین روشها جهت آموزش سیستمهای فازی مرتبه بالا تغییر شکل دادن آنها به صورتی است که شبیه سیستمهای مرتبه اول یا مرتبه صفر شوند و سپس آنها را با همان روش های موجود آموزش داد که پایه آنها بر انفیس استوار است. ابتدا تعریفی از سیستمهای فازی مرتبه بالا ارائه داده میشود:

سیستمهای فازی مرتبه بالا به یک سیستم فازی سوگنو اطلاق میشود که بخش تالی قواعد فازی در آن به صورت یک چند جملهای با درجه بالاتر از یک از متغیرهای ورودی باشد. فرم کلی قاعده فازی -lام از یک سیستم سوگنو از مرتبه n با m متغیر ورودی به صورت زیر است:

-2-3 انفیس

بالا رفتن مرتبه سیستم فازی ذاتا موجب افزایش دقت تقریبگری میگردد، اما چگونگی تعیین ضرایب توابع عضویت ورودی و چند جملهایهای موجود در بخش تالی قواعد مطلب کاملا مجزایی است که در [11] نیز به آن اشاره شده است و صرف تقریبگر بودن سیستم فازی، بدون وجود یک روش مناسب برای تنظیم ضرایب آن را بی ارزش میداند. اصولا مسئله آموزش یک مسئله بهینهسازی است و قالب کلی همه روشهای آموزش بر اساس اشکال گوناگون مسائل بهینهسازی عددی بنا گذارده میشوند.

سیستم استنتاج فازی مبتنی بر شبکه تطبیقی یا انفیس روشی است که بیش از بیست سال از معرفی آن میگذرد [11] و به دلیل کارایی و انعطاف پذیری بالای آن نه تنها هنوز مورد استفاده است بلکه به عنوان معیاری در آموزش سیستمهای فازی مورد توجه میباشد.

تعریف: برای آموزش توسط انفیس تعریف میکنیم: X ماتریس دادههای وارد شده به سیستم فازی، Y ماتریس داده-هایی که سیستم فازی به عنوان خروجی باید بدهد و مقداری که سیستم فازی به عنوان خروجی تولید میکند که هر سطر این ماتریسها معرف یک داده است:

که xi متغیرهای زبانی، Ail مجموعههای فازی، ajil ضرایب ثابت، yl خروجی قواعد و O 1'2'…' P میباشند. سیستم فازی مرتبه بالا به صورت خاصی در نظر گرفته میشود که در آن جملات چند جملهایهای خروجی تنها شامل یک متغیر - از هر درجه - باشند. اگر چه از نظر تئوری امکان در نظر گرفتن جملاتی از درجه بالاتر از دو در این سیستمها وجود دارد اما از آنجا که در کاربردهای مربوط به این نوع سیستمها تاکنون فقط از جملات درجه دوم در چند جملهایهای خروجی استفاده شده است، آنها را سیستمهای مربعی گویند. آموزش این سیستم که در روابط بالا n مولفه به عنوان ورودی و n' مولفه به عنوان خروجی و m به عنوان کل دادهها در نظرگرفته شده است.