طراحی و کنترل مبدل باک و مبدل بوست در انرژی های نو

فصل 1 9
1-1 مبدل‌های dc به dc 9
1-2 میانگین فضای حالت 10
1-3 کنترل حالت جریان 10
1-4 محرک برای این کار 11
1-5 مدل‎ها برای مبدل‎های dc به dc بدون کنترل کننده ها 13
1-6 مدل‌ها برای کنترل حالت جریان 13
1-7 تأثیر بار روی دینامیک‌ مبدل 15
1-8 استفاده جریان بار برای کنترل 15
فصل 2 19
2 -1 کارهای انجام شده در گذشته در زمینه مدلسازی دینامیکی و شبیه سازی مبدل بوست 19
2-2 کارهای انجام شده در گذشته در زمینه مدلسازی دینامیکی و شبیه‌سازی مبدل باک 27
2-2-1 حذف ریپل 30
2-2-2: شبیه‌سازی گذرا برای تغییر بار 31
2-2-3: تغییر ولتاژ ورودي 31
2-2-4: تغییرات ولتاژ تغذیه و بار 32
2-2-5: اصول نگهداری انرژی 33
2-2-6: مدل مدار دینامیک سیگنال بزرگ 35
2-2-7: محدودیت نسبت کاری 36
2-2-8: مدل مدار معادل DC 36
2-2-9: مدل مدار معادل سیگنال کوچک 38
فصل 3 41
3-1 مبدل باک 42
3-1-1 یکسوسازی سنکرون 42
3-1-2 تعادل ولتاژ دوم القاگر 43
3-1-3 تعادل شارژ خازن 44
3-2 مبدل بوست 44
3-3 شبیه‌سازی مبدل بوست و مبدل باک 46
فصل 4 49
4 -1 مدلسازی دینامیکی از مبدل بوست dc – dc برای کاربردهای سیستم انرژی خورشیدی 49
4-2 الگوریتم MPPT برای مبدل بوست در کاربرد انرژی خورشیدی 52
4-2-1 P& O متعارف با اغتشاش ثابت 53
4-2-2 P& O متعارف با اغتشاش تطبیقی 54
4-2-3 تکنیک MPPT P& O تطبیقی تغییر داده شده 56
4-3 شبیهسازی از مبدل بوست dc-dc برای کاربردهای سیستم انرژی خورشیدی 59
4-4 الگوریتم MPPT برای مبدل بوست در کاربرد پیل سوختی 65
4-5 مدلسازی و شبیهسازی از مبدل بوست با لایه میانی گین بالا برای کاربردهای پیل سوختی 67
4-5-1: حالت های عملکرد 68
4-6 مدلسازی دینامیکی از مبدل باک با کنترل حالت لغزشی 78
4-7 الگوریتم برای مبدل باک 83
4-7-1 الگوریتم MPC افق کوتاه 83
4-7-1-1L=1 افق پیشگویی 84
4-7-1-2 L=2 افق پیشگویی 85
4-7-2 کنترل هیسترزیس سه سطحی 87
4-7-2-1 الگوریتم کنترل هیسترزیس سه سطحی 88
4-7-2-2 شناسایی بار روی خط 90
4-8 مدلسازی و شبیه‌سازی از مبدل باک با لایه میانی 95
فصل 5 103
5-1 نتيجه‌گيري نهايي از مبدل بوست در كاربرد انرژي خورشيدي 103
5-2 نتيجه‌گيري نهايي از مبدل بوست در كاربرد پيل سوختي 104
5-3 نتيجه‌گيري نهايي از مبدل باك با كنترل حالت لغزشي 105
5-4 نتيجه‌گيري نهايي از مبدل باك بالايه مياني و كنترل کننده PID 105
5-5 پیشنهادات تحقیقات بعدی و کارهای انجام شده در این تحقیق توسط من وکارهای انجام شده با استفاده ازمنابع 105
منابع و مآخذ 107

ارایه چند مدل برای مبدل های dc-dcهمراه با گزارشی از تاریخچه آن ها

1-1 مبدل‌های dc به dc
این‌مبدل ها ولتاژ ورودی dc را به ولتاژ خروجی dc تبدیل می‌کنند (با یک اندازه دیگر نسبت به ولتاژ ورودی). مورد مطلوب این است که تبدیل با تلفات کم در مبدل انجام ‌شود.
در این مبدل هاترانزیستور نمی‌تواند در فاصله میانی خطی‌اش کار کند؛ اما می تواند به عنوان کلید به کار گرفته شود. سیگنال کنترل دوتایی می‌باشد. مادامی که ترانزیستور روشن است، ولتاژ میانی کم می‌شود یعنی تلفات توان در ترانزیستور کم می‌شود. مادامی که ترانزیستور خاموش است، جریان میانی کم می‌شود و تلفات توان کم می‌شود. برای به دست آوردن تلفات کم مقاومت‌ها در مبدل‌ها اجتناب می‌شوند. خازن‌ها و القاگرها چون به طور ایده‌آل تلفاتی ندارند، استفاده می‌شوند.
عناصر الکتریکی می‌توانند ترکیب شوند و به یکدیگر به شکل های مختلف متصل شوند. توپولوژی‌های نامیده شده خواص مختلف دارند. مبدل باک یک ولتاژ خروجی دارد که کمتر از ولتاژ ورودی می‌باشد. مبدل بوست یک ولتاژ خروجی دارد که بیشتر از ولتاژ ورودی می‌باشد (در حالت ماندگار). (جوهانسون ، 2004)
1-2 میانگین فضای حالت
مبدل به صورت یک سیستم تغییر ناپذیر با زمان مادامی که ترانزیستور روشن است، عمل می‌کند. مادامی که ترانزیستور خاموش است، مبدل به صورت سیستم تغییر ناپذیر با زمان دیگر عمل می‌کند و اگر جریان القاگر به صفر برسد، مبدل هنوز به صورت یک سیستم تغییر ناپذیر با زمان دیگر عمل می کند. اگر ترانزیستور کنترل شود، مبدل می‌تواند به صورت کلیدزنی بین سیستم‌های تغییر ناپذیربا زمان مختلف در طول پریود کلید زنی توصیف شود. در نتیجه مبدل می تواند به صورت یک سیستم تغییر پذیر با زمان مدل شود. میانگین فضای حالت یک روش برای تقریب سیستم تغییر پذیر با زمان با یک سیستم تغییر ناپذیر با زمان خطی پیوسته با زمان می‌باشد. این روش از توصیف فضای حالت از سیستم تغییر ناپذیر با زمان به صورت یک نقطه آغازی استفاده می‌کند. این توصیف ها از فضای حالت سپس با توجه به مدتشان در پریود کلیدزنی میانگین می‌شوند.
مدل میانگین غیرخطی می‌شود و تغییر ناپذیر با زمان است و سیکل‌کاری دارد و به صورت سیگنال کنترل می‌باشد. این مدل نهایتاً در نقطه کار برای به دست آوردن یک مدل سیگنال کوچک خطی می‌شود. (جوهانسون، 2004)
1-3 کنترل حالت جریان
جریان القاگر مبدل باک برای کنترل کننده جریان در حلقه درونی به کار می رود و ولتاژ خروجی برای کنترل کننده ولتاژ در حلقه خارجی به کار می رود. این روش کنترل، کنترل حالت جریان نامیده می‌شود.
فرض می‌شود که حلقه خروجی ارائه نمی‌شود. آن گاه سیستم یک سیستم حلقه بسته می‌شود. چون جریان القاگر از عقب تغذیه می شود، اگر حلقه خروجی اضافه شود، یک حلقه بسته جدید به دست آورده می‌شود. سیگنال کنترل از حلقه خروجی به صورت سیگنال مرجع برای کنترل کننده جریان عمل می‌کند. کنترل کننده جریان، جریان القاگر را کنترل می‌کندکه می‌تواند به صورت های مختلف ایجاد شود. یک راه کنترل کردن مقدار پیک از جریان القاگر در هر پریود کلیدزنی می‌باشد. ریدلی (1991) و تان و میدلبروک (1995) دو مدل برای کنترل حالت جریان ارائه کردند. تفاوت اصلی بین دو مدل، مدلسازی از گین حلقه جریان می‌باشد. المظفر و حمد (1999) یافتند که حساسیت‌های پیش‌گویی شده به وسیله دو مدل متفاوت می‌باشند.
مقدار میانگین از جریان القاگر می‌تواند به جای مقدار پیک کنترل شود. این روش کنترل معمولاً کنترل حالت جریان میانگین نامیده می‌شود. (جوهانسون، 2004)
1-4 محرک برای این کار
چند نکته باید در مورد مبدل در نظر بگیریم. یکی از این نکات، حفظ کردن ولتاژ خروجی در فاصله ولتاژ مشخص می‌باشد. بعضی از تغییراتی که می‌تواند تغییر ولتاژ خروجی را کاهش دهد به صورت زیرمی‌باشد:
– تغییر خواص بعضی عناصر در مبدل به طور مثال افزایش ظرفیت خازن
– تغییر توپولوژی مبدل
– تغییر برای یک کنترل کننده پیشرفته
– افزایش تعداد سیگنال‌هایی که اندازه‌گیری می‌شوند و استفاده به وسیله کنترل کننده
هر یک از تغییرات ضررهایی به صورت زیر دارد:
– قیمت بیشتر
– وزن افزایشی و حجم
– قابلیت اطمینان کمتر
– کارآیی کمتر
محرک‌ها در مکان های عناصر و توپولوژی‌های مبدل وکنترل کننده ها بررسی می‌شوند. برای به دست آوردن کنترل اجرای خوب از یک سیستم، یک مدل خوب از سیستم احتیاج می‌شود.
یک مدل از یک سیستم می‌تواند به وسیله استفاده قانون‌های فیزیک و یا به وسیله استفاده اندازه‌گیری‌های سیستم به طور مثال شناسایی سیستم (لجونگ 1999) نتیجه گرفته شود. هنگامی که سیستم در طول زمان تغییر می‌کند، یک مزیت برای به کار بردن شناسایی سیستم که می‌تواند روی خط برای آپدیت کردن مدل استفاده شود، دارد. اين مدل تنظیم شده، سپس برای تنظیم پارامترها از كنترل كننده استفاده می‌شود که ضرورت کنترل تطبیقی می‌باشد (آستروم و ویتنمارک 1995). یک كنترل كننده تطبیقی می‌تواند بهتر از یک كنترل كننده غیر تطبیقی عمل کند. یک مشکل کنترل تطبیقی ايجاد شناسایی به صورتی که مدل در زمان یک تغییرسريع سیستم بدون شناسایی برای نویز اندازه‌گیری عمل می‌کند، می‌باشد.
اگر تعداد پارامترها برای تخمین در یک سیستم کمتر شود، تنظیم می‌تواند عموماً سریعتر عمل کند. یک راه برای انجام دادن این شرايط، ثابت نگه داشتن پارامترهایی است که مقادیر آنها بزرگ مي باشند و فقط به مقدار كمي با هم تفاوت دارند. یک راه دیگر، اندازه‌گیری تعداد بیشتری از سیگنال‌ها در فرایند می‌باشد. یک راه برای کاهش تعداد پارامترها، تخمین زدن برای شناسایی یک بخش از سیستم می‌باشد. برای شناسایی این زیر سیستم سیگنال‎های خروجی و ورودی باید اندازه‎گیری شوند. اگر تعداد بیشتری از سیگنال‎ها در فرایند اندازه‎گیری شوند، ممکن است تقسیم فرایند به دو بخش کوچکتر مختلف ممکن شود. توجه شود که زمان برای ساده سازی و محاسبه در این بحث در نظر گرفته نمی‎شود. بار معمولاً روی دینامیک تأثیر دارد. اگر یک اندازه‎گیری از جریان بار ارائه شود، ممکن است برای در نظر گرفتن بار به صورت یک بخش برای شناسایی به کار رود. سپس ولتاژ خروجی به صورت سیگنال ورودی در نظر گرفته می‎شود و جریان بار به صورت سیگنال خروجی از این بخش می‎باشد. در گام نخست کنترل تطبیقی، یکی از شرایط ممکن و مناسب برای شناسایی بار می باشد. اغلب این بیشترین بخش متغیر از مبدل می‎باشد. این گام نخست ممکن است برای به دست آوردن یک کنترل کننده که به مشخصات دقیق اجرا می‎رسد، کافی باشد. برای گام دوم شناسایی بقیه مبدل ممکن است شامل کنترل بهبود یافته بیشتری باشد. ولتاژ خروجی و جریان بار باید برای به دست آوردن شناسایی بار سریع اندازه‎گیری شوند. ریدل و سوکال (1986) نشان دادند که حالت گذرا در ولتاژ خروجی در اثر یک تغییر گام درفاصله بار می‎تواند منجر به کاهش بیشتری شود. آن‎ها از پیش خوران جریان بار اندازه‎گیری شده استفاده کردند.
ریدل و سوکال همچنین نشان دادند که تابع انتقال کنترل به خروجی نمی‎تواند هنگامی که این پیش خوران اعمال می‌شود، تغییر یابد. همچنین گین dc از تابع انتقال کنترل به خروجی به بار بستگی دارد. هیتی و بوروجویچ (1993) ازجریان بار اندازه‎گیری شده برای ایجاد تابع انتقال کنترل به خروجی تغییر ناپذیر برای بارهای مختلف در dc برای مبدل بوست استفاده کردند؛ بنابراین هیتی و بوروجویچ نشان دادند که تابع انتقال کنترل به خروجی هنگامی که استفاده از جریان بار اندازه‌گیری شده اعمال می‌شود، تغییر می‌کند. کنترل هیتی و بوروجویچ، پیشنهاد ریدل و سوکال برای مبدل بوست را تصدیق می کند.
به طور خلاصه ریدل و سوکال نشان دادند که تابع انتقال کنترل به خروجی هنگامی که استفاده از جریان بار اندازه‎گیری شده اعمال می‎شود، تغییر نمی‎کند. (جوهانسون، 2004)
1-5 مدل‎ها برای مبدل‎های dc به dc بدون کنترل کننده ها
تعدادی روش‎ برای به دست آوردن یک مدل تغییر ناپذیر با زمان پیوسته خطی از یک مبدل dc- dc استفاده می شود. میانگین فضای حالت (میدلبروک و کاک (1976) و میچل (1988)) میانگین مداری (وستر و میدلبروک (1973) و ورپرین (1990)) و رهیافت تزریق جریان (سلیکو و فسارد (1977) و کیسلوسکی و ریدل و سوکال (1991)) تعدادی از آن ها می‌باشد.
اگر این روش‌ها برای یک مبدل که در حالت هدایت پیوسته کار می‌کند به کار روند، مدل‌های نتیجه در فرکانس‌های بالا و پایین دقیق می‌باشند. (در این جافرکانس‌ها مرتبط به فاصله dc و نصف فرکانس اتصال هستند. به طور مثال فرکانس های بالا کمتر از نصف فرکانس اتصال می باشند.)
اما اگر این روش‌ها برای یک مبدل که در حالت هدایت ناپیوسته کار می‌کند به کار روند، مدل‌های نتیجه فقط در فرکانس‌های پایین دقیق است. سان (2001) یک روش تغییر یافته برای به دست آوردن مدل‌ها برای مبدل‌هایی که در حالت هدایت ناپیوسته کار می‌کنند، ارائه داد که در فرکانس‌های بالا و پایین دقیق می‌باشند. تیمرسکی (1994 و 1991) از تئوری سیستم تغییر پذیر با زمان برای نتیجه گرفتن مدل‌ها برای تابع فرکانس استفاده کرد و این مدل‌ها برای همه فرکانس‌ها به طور مثال بیشتر از نصف فرکانس اتصال مناسب می باشند. تابع فرکانس کنترل به خروجی در جایی که مبدل در حالت هدایت پیوسته یا حالت هدایت ناپیوسته کار می‌کند، نتیجه می شود.
هنگامی که در تابع فرکانس کنترل به خروجی از یک مبدل استفاده می‌شود، فرکانس فاصله dc به نصف فرکانس اتصال بیشتر از همه موارد جالب توجه می باشد. (جوهانسون، 2004)
1-6 مدل‌ها برای کنترل حالت جریان
تعداد زیادی مدل‌ زمان پیوسته برای کنترل حالت جریان در طول سال‌ها ارائه شده است. بعضی از این مدل‌ها برای دقیق بودن در فرکانس های بالا در نظر گرفته می‌شوند. مدل‌ها ی ارائه شده به وسیله ریدلی (1991) تان و میدلبروک (1995) وتیمرسکی و لی (1993) برای دقیق بودن از dc به نصف فرکانس اتصال طراحی می‌شوند. تیمرسکی و لی (1993) یک مدل فضای حالت مادامی که مدل‌های ریدلی و تان از مدل کلید PWM (ورپرین 1990) استفاده می‌کنند، ارائه کردند. تیمرسکی (1994) یک مدل برای تابع فرکانس (از سیگنال کنترل به ولتاژ خروجی) نتیجه گرفت (به طوری که برای همه فرکانس‌ها مناسب می باشد.) تفاوت اصلی بین مدل‌های ریدلی و تان، مدلسازی از گین حلقه جریان می‌باشد. گین حلقه جریان می‌تواند به وسیله استفاده از مدوله کننده دیجیتال (چو و لی 1984) یا یک تکنیک آنالوگ (تان و میدلبروک 1995) اندازه‌گیری شود اما نتایج یکسان نیستند. مادامی که مدل‌تان نتایج به دست آمده هنگامی که از تکنیک آنالوگ استفاده می‌شود را پیشگویی می‌کند، گین حلقه جریان در مدل ریدلی، نتایج اندازه‌گیری به دست آمده به وسیله استفاده از مدوله کننده دیجیتال را پیشگویی می کند. تکنیک آنالوگ در تان و میدلبروک (1995) ترجیح داده می‌شود؛ اما لو و کینگ (1999) ادعا داشتند که تکنیک آنالوگ برای اندازه‌گیری گین حلقه جریان صحیح نیست و یک مدوله کننده دیجیتال باید به جای آن استفاده شود. یک مدوله کننده دیجیتال می‌تواند یک تأخیر زیاد را برای مدوله کننده پهنای پالس اضافه کند.
مایر و کینگ (2001) یک مدل برای گین حلقه جریان که شامل تأثیرات تأخیر در مدوله کننده پهنای پالس می‌باشد، ارائه کردند. اگر در این مدل تأخیر به صفر برسد، گین حلقه جریان پیشگویی شده، مانند پیشگویی مدل ریدلی می‌شود. در مدل ریدلی گین‌های پیش خوران ملاحظه می‌شود. ریدلی (1991) یک توصیف تقریبی برای گین حلقه جریان برای مبدل باک ارائه کرد و گین‌های پیش خوران در نتیجه گرفتن از این توصیف نادیده گرفته می‌شوندکه خطای بزرگی رادرفرکانس های کم ودر شرایطی که مبدل نزدیک به حالت هدایت ناپیوسته کار کند، ایجاد می کند (ریدلی 1990b).