بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، روشی جهت کنترل موتور القایی متصل به سلولهای فتوولتائیک1 به منظور ردیابی توان ماکزیمم2 جهت بهبود پاسخ توان اکتیو و راکتیو شبکه بار، با استفاده از منطق فازی پیشنهاد و ارائه میگردد. در الگوریتم پیشنهادی با استفاده از منطق فازی، ضرائب کنترلر PID تعیین شده و با اعمال این کنترلکننده به موتور القایی توصیف شده، شرایط MPPT را فراهم کرده و ردیابی خواهیم کرد. نتایج عملکرد کنترلکننده -PIDفازی پیشنهادی با کنترلکننده PID مقایسه خواهد شد. این مقایسه نشان میدهد که زمان پاسخ-دهی، فراجهش و خطای پایداری در کنترلکننده پیشنهادی بهبود یافته است. همچنین شبکه بار متغیر متصل شده به موتور القایی، هنگام وجود کنترلکننده PID فازی پیشنهادی؛ تأثیری بر عملکرد MPPT نخواهد داشت.
مقدمه
در سال های اخیر، استفاده از منابع تجدید پذیر مانند انرژی باد و خورشید،به علت کاهش سوخت فسیلی و مشکلات محیطی مورد توجه شایانی قرار گرفته است. انرژی خورشیدی بزرگترین منبع انرژی قابل دسترس است بطوری که تمام منابع اعم از تجدید پذیر و تجدید ناپذیر در مقابل آن ناچیز است .[1] توان خروجی آرایه های ولتائیک بسته به حالت نور خورشید و دما تغییر میکند، برای بدست آوردن ماکزیمم توان از آرایه فتوولتائیک به کنترل کننده ردیاب ماکزیمم توان نیاز است 3]،.[2 اخیراً، محققان شروع به توسعه استراتژی هایی کردند تا بتوانند از منابع انرژی تجدید پذیر و به خصوص پنل های PV تا حد ممکن توان استخراج کنند . اینها برای سیستم مستقل و یا متصل به شبکه مورد استفاده قرار می گیرند.[4]
تحقیقات با توسعه سیستم های مکانیکی آغاز شد. این سیستم ها پنل های PV را برای دریافت حداکثر تابش نور خورشید جابجا می کنند. نوع دیگری از ردیاب که ردیاب الکتریکی نقطه حداکثر توان نام دارد، بر اساس تغییر ولتاژ و یا جریان کاری PV به منظور رسیدن به حداکثر توان می باشد. این ردیابمعمولاً نیاز به مبدل سوئیچینگ برای جاروب کردن توان PV دارد. تا کنون الگوریتم ها و طراحی های MPPT بسیار زیادی در منابع موجود می باشند.[5]هر روشی دارای مشخصات، محدودیت ها و کاربردهای خاصی است.
سیستم های قدرت PV مستقل به عنوان جایگزین خوبی برای مکان هایی در نظر گرفته شده اند که دور از سیستم تولید توان معمول می باشند. این سیستم ها، منبع اقتصادی قابل اطمینان برق در مناطق دور افتاده می باشند؛ به خصوص در جاهایی که منبع توان شبکه به طور کامل توسعه نیافته است. این سیستم برای ذخیره انرژی تولیدی باید دارای باتری هایی مانند باتری های سرب-اسید باشند .[6]
عملکرد سیستم PV بستگی به شرایط کاری دارد. بنابراین، حداکثر توان استخراج شده از مولد PV شیداً به سه عامل بستگی دارد: تابش، دمای سلول - دمای محیط - ، و مشخصات بار - امپدانس بار - . مشخصه I-V خروجی در ماژول PV تجاری، تابعی از تابش و دما می باشد. تغییرات تابش عمدتاً بر جریان خروجی PV تاثیر می گذارد در حالی که تغییرات دما بیشتر بر ولتاژ خروجی PV تاثیر می گذارد. با این حال، سیستم های PV طوری طراحی شدهاند تا در حداکثر سطوح توان خروجی خود برای هر شدت تابش خورشیدی و دمایی کار کنند.
آخرین عامل قابل توجهی که توان خروجی PV را تعیین می کند، امپدانس بار است، که می تواند بار DC با یا بدون باتری باشد. با این حال، باید توجه داشت که این امپدانس ثابت نیست. در صورتی که مولد PV به طور مستقیم به بار متصل باشد، این سیستم در نقطه تقاطع منحنی I-V با خط بار کار خواهد کرد، که می تواند دور از MPP باشد. تولید حداکثر توان بر مبنای تنظیم خط بار در شرایط ناپایدار جوی است. عنصر مهم دیگر در سیستم PV مستقل، به دلیل ماهیت نوسانی توان خروجی تحویل داده شده توسط آرایه PV، باتری می باشد.[7]
اخیراً چندین الگوریتم MPPT منتشر شده است .[8] این الگوریتمها از نظر بازدهی، سرعت همگرایی، پیچیدگی، حسگرهای مورد نیاز، هزینه، پیاده سازی سخت افزاری، و جنبههای مختلف دیگری متفاوت هستند. با این حال، استفاده از روشهای پیچیدهتر یا پرهزینهتر بیهوده است اگر روشهای ساده تر و کم هزینهتر بتوانند به نتایجی مشابهی دست یابند. به این دلیل، برخی از روش های منتشر شده مورد استفاده قرار نمی گیرند.
بر اساس مطالعات انجام شده، روش متنوعی جهت کنترل الگوریتم MPPT برای بار متغیر بیان شده است. در این میان کنترل کننده PID یکی از روش های متداول در صنعت به دلیل سادگی طراحی و ارزانی و در دسترس بودن آن است که بسیار مورد توجه است. یکی از دغدغه هایی که برای طراحی کنترل کننده PID وجود دارد، نحوه محاسبه ضرایب آن یعنی KP ، KI ، KD بر اساس رفتار سیستم است. علاوه بر نحوه محاسبه تنظیمات خود کار آن نیز همیشه مورد توجه بوده است.از طرف دیگر روشهای مبتنی بر هوش مصنوعی نظیر منطق فازی می توانند جهت سهولت محاسبات و تنظیمات خود کار استفاده شوند.[9] منطق فازی با استفاده از قوانین استنتاج و براساس دانش فرد خبره می تواند الگوریتمی را پیشنهاد می دهد که محاسبات را سریعتر ، دقیقتر و نرم تر انجام دهد.
در این مقاله الگوریتمی بر اساس منطق فازی جهت محاسبه ضرایب کنترلر PID پیشنهاد می دهیم که برای سیستم PV ، الگوریتم MPPT را جهت اتصال موتور القائی با شبکه بار متغیر کنترل خواهد کرد. الگوریتم پیشنهادی در شرایط متفاوت بار، بیشترین توان را از سیستم دریافت خواهد کرد. شبیه سازی ها روی مدل پیشنهادی نرم افزار MATLAB برای یک شبکه 25KV با توان 250 KW انجام شده است. نتایج شبیه سازی نشان از دقت و سرعت الگوریتم پیشنهادی نسبت به کنترلر PID بدون منطق فازی می باشد.
روابط ریاضی حاکم بر شبکه بار متصل به سیستم PV
از نظر مدل ریاضی [10] ، یک اینورتر میتواند به عنوان یک ژنراتور سنکرون درنظر گرفته شود که انرژی برق را به شبکهای با بار RL انتقال دهد. شکل 1 شبکه بار متصل به سیستم PV را نشان می-دهد. همچنین شکل 2 مدار معادل توصیف ریاضی آن را مشخص کرده است. روابط حاکم بر مدار معادل به شرح زیر خواهد بود. در بسیاری از فرآیندهای صنعتی از کنترل کننده تناسبی P یا تناسبی مشتق گیر PD، تناسبی انتگرال گیر PI و یا کنترل کننده تناسبی- مشتقگیر- انتگرال گیر PID، به عنوان ساختار اصلی کنترلکننده استفاده میشود. فرم عمومی یک کنترل کننده PID بصورت فرمول - 15 - است.
که در آن u فرمان کنترل و e خطای فرآیند - e=yd-y - می باشد. کنترل کننده PID از جمع سه ترم تشکیل شده است. ترم تناسبی P ؛ که فرمان کنترل متناسب با میزان خطا و با بهره K تقویت می شود. ترم مشتقگیر D ؛ که فرمان کنترل متناسب با نرخ تغییرات خطا می باشد. ترم انتگرالگیرI ؛ که فرمان کنترل متناسب با جمع تابع خطا از زمان صفر تا به حال به صورت انتگرال این تابع تغییر می کند. پارامترهای کنترل کننده PID عبارتند از: Td, Ti, K که K بهره تناسبی ، Ti ثابت زمانی انتگرال گیری و Td ثابت زمانی مشتق-گیری نامیده میشوند.
ساختار فرآیندهایی کنترلکننده PID
هدف از استفاده فیدبک و کنترلکننده به یک فرآیند به صورت زیر خلاصه می شود.پایداری داخلی، ردیابی ورودی مرجع، تضعیف اغتشاش، کاهش نویز و عدم حساسیت به تغییرات فرآیند. جالب است که تقریباً در کلیه فرآیندهای صنعتی ساختار ساده کنترل-کننده PID تمام نیازهای فوق را برآورده می سازد. حتی در برخی از موارد کنترل کننده PI نیز کافی است. لذا در این موارد کنترل
کننده PI برای رسیدن به کیفیت مطلوب و اهداف چهارگانه فوق کافی است. نیاز به ترم انتگرال گیر نیز جهت کاهش خطای ماندگار فرآیند حلقه بسته می باشد. اگر این مورد نیز مورد نیاز نباشد وجود یک کنترل کننده تناسبی کافی خواهد بود5]،.[9
به طریق مشابه می توان نشان داد که برای سیستمهای رتبه دو و یا سیستمهایی که دینامیک غالب آنها رتبه دو میباشد، کنترل کننده PID تمام شرایط فوق را ارضاء مینماید. در این موارد استفاده از کنترلکنندههای با ساختار پیچیده تر مورد نیاز نمیباشد. در این گونه فرآیندها توسط ترم مشتق گیر سرعت پاسخ افزایش یافته و ترم انتگرال گیر خطای ماندگار را صفر می کند. در صورتی که خطای ماندگار موضوع مورد نیاز نباشد، کنترل کننده PD نیز کافی است.
در برخی موارد کنترل کننده PID کافی نمی باشد. این موارد را می توان به شرح زیر خلاصه نمود. فرآیندهای با دینامیک yd رتبه بالاتر از دو، سیستمهای با تأخیر زیاد، سیستمهای دارای صفر ناپدیدار یا سیستمهای غیر مینیمم فاز، حذف فرکانسهای خاص در خروجی. در این سیستمها میتوان با بهرهگیری از الگوریتمهای هوشمند [2] تنظیمات ضرائب PID را بطور خودکار انجام داد تا بر بخشهای غیرخطی غلبه کرد.
کنترلکننده -PID فازی
در این بخش به معرفی الگوریتم طراحی و تنظیم ضرائب کنترل-کننده PID با استفاده از منطق فازی میپردازیم. این نوع کنترل-کننده PID با استفاده از بلوک فازی تنظیم خواهد شد. دیاگرام بلوکی کنترلکننده -PID فازی بصورت شکل 5 خواهد بود. کنترلکننده فازی دارای دو ورودی و سه خروجی میباشد. متغیرهای ورودی e و de هستند. e بیانگر خطای ناشی از خروجی سیستم و ورودی مطلوب و de تغییرات آن است. متغیرهای خروجی نیزبهره تناسبی Kp، بهره انتگرالی Ki و بهره مشتقی Kd هستند. ساختار کنترلر -PID فازی در نرمافزار MATLAB بفرم شکل 6 خواهد بود.
