بخشی از مقاله
چکیده: در این مقاله، نوعی کنترلکنندهی مدلغزشی جدید برای استخراج حداکثر توان از پیلهای سوختی نوع PEM ارائه میگردد . سطح لغزش کنترلکننده بهصورت ابتکاری و بهگونهای طراحی شده است تا امکان تضمین پایداری زمان محدود سیستم حلقه بسته وجود داشته باشد. برای افزایش مقاومت و کاهش چترینگ، از یک زیرسیستم تنظیم بهرهی کنترلی ابتکاری استفاده شده است. پایداری مقاوم سیستم کنترل پیشنهادی در برابر نامعینیهای موجود تضمین شده است. برای بررسی عملکرد سیستم کنترل پیشنهادی، مقاومت آن در برابر تغییرات بار تحت شبیهسازی قرار گرفته است. نتایج شبیهسازیهای اجرا شده در محیط MATLAB حاکی از عملکرد مناسب سیستم پیشنهادی است.
.1 مقدمه1
امروزه با گران و کمیاب شدن سوختهای فسیلی، افزایش آلودگی جهانی و وضع مقررات جدید در زمینهی محدودسازی استفاده از انرژیهای آلودهکننده، توجه همگان به سمت بهرهوری از انرژیهای تجدیدپذیر جلب شده است .[2 ,1] یکی از انرژیهای تجدیدپذیر، انرژی حاصل از هیدروژن است. از آنجایی که هیدروژن را میتوان توسط روشهای تجدیدپذیر تولید نمود، انرژی استخراجی از آن جزء انرژیهای تجدیدپذیر محسوب میگردد .[4 ,3] برای استخراج انرژی هیدروژن از پیلهای سوختی استفاده میشود. با تزریق هیدروژن و اکسیژن به پیلهای سوختی، طی یک فرآیند شیمیایی، آب و الکتریسیته تولید میشود. از آنجایی که هیچ ماده آلوده کنندهای از این واکنش حاصل نمیشود، پیلهای سوختی را منابع انرژی پاک نام نهادهاند .[6 ,5]
یکی از چالشهای پیش رو در زمینهی پیلهای سوختی این است که توان استخراجی از آنها به نقطهی کار پیل سوختی وابسته است. نقطهی کار پیل سوختی به شرایط متعدد از جمله دمای داخلی پیل سوختی و جریان الکتریکی خروجی از آن وابسته است .[7] از این رو، به جای اتصال مستقیم بار به پیلهای سوختی، بار را توسط یک مبدل DC-DC واسط به آن متصل میکنند. در این حالت، میتوان با تغییر در Duty cycle مبدل واسط، نقطهی کار پیل سوختی را در مقدار مناسب تنظیم نمود و در نتیجه، بازدهی پیل سوختی را بیشینه کرد. با توجه به غیرخطی بودن مشخصهی پیل سوختی و مبدل DC-DC واسط، دینامیکهای فرآیند مورد نظر بهصورت غیرخطی است.
علاوه بر این، فرآیند موردنظر حاوی نامعینیهای متعددی است. این موارد باعث میشوند که محاسبهی مبدل همواره جزء پیچیدهترین مراحل طراحی باشد .[8] یکی از روشهای رایج جهت تولید Duty cycle، استفاده از کنترلکنندهی حلقه بسته است. در این روش، کنترلکننده با فیدبک گرفتن از برخی متغیرها مانند ولتاژها و جریانها اقدام به تولید Duty cycle میکند. تاکنون مطالعات متعددی در زمینهی طراحی کنترلکننده برای استخراج توان از پیلهای سوختی ارائه شده است.
همانگونه که پیشتر ذکر شد به دلیل غیرخطی بودن رفتار پیل سوختی، در صورت استفاده از روشهای مبتنی بر کنترل خطی، عملکرد سیستم کنترلی شدیداً به نقطه کار پیل سوختی وابسته بوده و در صورت تغییر در نقطه کار پیل سوختی، رفتار سیستم کنترلی مطلوب نخواهد بود .[11-9] از این روی، مطالعات متعددی بر روی روشهای کنترلی صورت گرفته که با درنظر گرفتن رفتار غیرخطی فرآیند استخراج توان، اقدام به طراحی کنترلکننده شود .[17-12]
در این زمینه، کنترلکنندههای مدلغزشی مرتبه اول بسیار مورد استفاده قرار گرفتهاند .[13] یکی از مشکلات عمدهی کنترل مدلغزشی مرتبه اول، پدیدهی چترینگ است. در این پدیده، فرکانسهایی با نوسانات بینهایت و دامنهی محدود بر روی سیگنال کنترل ایجاد میشود. این پدیدهی نامطلوب سبب نوسانی شدن سیستم، خراب شدن پاسخ حالت دائمی و حتی ناپایداری سیستم میشود. علاوه بر این، پیادهسازی سیگنال کنترل حاوی چترینگ عملاً غیرممکن است.
از این رو کنترلکنندههای مدلغزشی مراتب بالاتر ارائه شدهاند که قادر به کاهش پدیدهی چترینگ هستند .[18] با این وجود، در روند طراحی این کنترلکنندهها اشارهای به حضور نامعینیها نشده است. در نتیجه، بسیاری از سیستمهای کنترلی مرتبط، در برابر نامعینیها مقاوم نیستند. بررسی منابع مرتبط نشان میدهد که به غیر از کنترلکنندهی مدلغزشی انواع دیگری از کنترلکنندهها مانند کنترلکنندههای تطبیقی نیز ارائه شدهاند .[19 ,14] با این وجود، پیادهسازی این نوع از کنترلکنندهها نیاز به پردازندههایی با توان پردازشی بالایی دارند که مرحلهی پیادهسازی را با مشکلات متعددی مواجه میسازند.
در این پژوهش، نوعی کنترلکنندهی جدید مبتنی بر مدلغزشی برای استخراج توان از پیل سوختی نوع PEM ارائه شده است. برخلاف کنترلکنندههای موجود، سطح لغزش بهصورت غیرخطی و بهگونهای تعریف شده است تا امکان تضمین پایداری زمانمحدود سیستم کنترلی وجود داشته باشد. برای کاهش چترینگ در سیستم پیشنهادی، نوعی زیرسیستم تنظیم بهره ابتکاری طراحی شده است که قادر به کاهش چترینگ و افزایش مقاومت سیستم کنترلی است. ادامهی این مقاله بهصورت ذیل است. در بخش دوم، رفتار فرآیند مورد بررسی قرار میگیرد و مدل دینامیکی فرآیند محاسبه میشود. در بخش سوم، کنترلکنندهی پیشنهادی طراحی میشود. زیرسیستم تنظیم بهرهی کنترلی در بخش چهارم معرفی شده است. بخش پنجم به شبیهسازی اختصاص داده شده است. در پایان نیز نتایج حاصل شده در بخش ششم ارائه میشوند.
.2 مدلسازی سیستم استخراج توان از پیل سوختی
نمایی از یک سیستم استخراج توان از پیل سوختی در شکل 1 آورده شده است. مطابق با این شکل، بهجای اتصال مستقیم بار به پیل سوختی از یک مبدل Boost واسط استفاده شده است که قادر به تنظیم نقطهی کار پیل سوختی در مقدار مناسب است. در واقع، با تنظیم Duty cycle مبدل - u - میتوان امپدانس ورودی مبدل را تغییر داد و با تنظیم ولتاژ - VF - یا جریان - IF - پیل سوختی در نقطهی بهینه، حداکثر توان را از آن استخراح نمود. از آنجایی که روش کنترل پیشنهادی بر اساس مدل فرآیند طراحی میشود، لازم است که مدل دینامیکی فرآیند استخراج گردد. رفتار مبدل واسط را میتوان توسط روش متوسطگیری فضای حالت [20] محاسبه نمود. با استفاده از این روش، مدل فضای حالت مبدل بهصورت ذیل خواهد بود.
.3 طراحی کنترلکنندهی مدلغزشی فازی پیشنهادی
سیستم کنترل پیشنهادی حاوی دو حلقه به نامهای حلقهی جستجو و حلقهی تعقیب است. در حلقهی جستجو، یک الگوریتم، نقطهی حداکثر توان را محاسبه کرده و آن را در اختیار حلقهی جستجو میگذارد . حلقهی جستجو دارای یک کنترل کننده است که با دریافت نقطهی کار از حلقه اول، سعی میکند با تولید سیگنال کنترل مناسب، اهداف کنترلی را برآورده سازد. این دو حلقه در ادامه مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
.1,3 حلقهی جستجو
این حلقه، از یک الگوریتم جهت محاسبهی نقطهی حداکثر توان پیل سوختی استفاده میکند. تاکنون انواع مختلفی از الگوریتمهای جستجوکنندهی نقطهی حداکثر توان معرفی شده است .[21] در این میان الگوریتمهای انحراف و مشاهده و رسانایی افزایشی بیش از سایر الگوریتمها مورد استفاده قرار میگیرد. عملکرد الگوریتم انحراف و مشاهده به این صورت است که در ابتدا از ولتاژ و جریان پیل سوختی فیدبک گرفته میشود. با ضرب این دو مقدار، توان لحظهای محاسبه میگردد. سپس نقطهی کار پیل سوختی به اندازهی d جابهجا میشود. پس از گذشت یک دورهی تناوب، توان خروجی از پیل سوختی مجدداً اندازهگیری میشود. اگر توان استخراجی از پیل سوختی افزایش یافته باشد. این روند ادامه پیدا میکند. در غیر این صورت، نقطهی کار پیل سوختی به اندازهی -d جابهجا شده و این روند ادامه پیدا میکند .[22]
یکی از مشکلات مربوط به الگوریتم انحراف و مشاهده، وجود نوسانات دائمی در نقطهی کار پیل سوختی است. این امر سبب میشود که بازدهی سیستم در حالت دائمی بیشینه نباشد. برای حل این مشکل، انواع اصلاح شدهی الگوریتم انحراف و مشاهده ارائه شده است .[23] در این نوع از الگوریتمها، گام تغییر در نقطهی کار پیل سوختی ثابت نیست. به عبارت دیگر، الگوریتم به گونهای اصلاح شده است تا گام تغیرات نقطهی کار پیل سوختی در نزدیکی نقطهی حداکثر توان کوچکتر از سایر نقاط باشد.
