فصلنامه علمی کارافن

فصلنامه علمی کارافن

کنترل مبدل بوست آبشاری تک سوئیچ مبتنی بر روش خطی‌ساز فیدبک با حضور ترموالکتریک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان
1 گروه مهندسی برق، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی، کرج، ایران.
2 گروه مهندسی برق، واحد کرج،دانشگاه آزاد اسلامی،کرج، ایران.
3 گروه مهندسی برق، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
چکیده
یکی از کاربردی‌‌ترین کانورترهای DC-DC مبدل بوست نام داشته و جهت افزایش و تثبیت ولتاژ خروجی در انرژی‌های تجدیدپذیری مثل سیستم‌های ترموالکتریک مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مبدل بوست سیستم‌های TEG، ساختار‌هایی ارائه شده که می‌توان به مبدل بوست آبشاری تک سوئیچ اشاره کرد. چاپرها ماهیت غیرخطی دارند لذا کنترل‌کننده‌های پارامتر ثابت نمی‌توانند رفتار دینامیکی مناسبی را به ازای تغییرات پله‌ای و پارامتریک از خود به نمایش بگذارند لذا طراحی یک کنترل-کننده غیرخطی مناسب با توجه به عدم‌قطعیت‌هایی مثل تغییرات دما به چالش مهمی تبدیل گشته است. در این تحقیق علاوه بر مدل‌سازی تجربی ماژول TEG، برای کنترل ولتاژ خروجی مبدل بوست آبشاری تک سوئیچ، کنترل‌کننده‌ای مبتنی بر روش خطی‌سازی فیدبک پیشنهادی ( OFBL) ارائه شده و ضرائب آن نیز توسط الگوریتم ژنتیک بهینه‌سازی شده است. جهت بررسی پاسخ گذرا مبدل مذکور تابع هدف ITSE درنظر گرفته شده است. به منظور ارزیابی کنترل‌کننده پیشنهادی، پنج سناریو ورودی ثابت، تغییرات پله‌ای صعودی، تغییرات‌ نزولی و تغییرات ترکیبی در ولتاژ ورودی و اعمال سیستم TEG به عنوان ورودی، مورد تحلیل واقع شده، همچنین در انتهای شبیه‌سازی بحث تغییرات بار خروجی نیز درنظر گرفته شده است. شبیه‌سازی‌های مذکور در سیمولینک MATLAB انجام شده است. نتایج شبیه‌سازی‌ها بیان می‌کند که کنترل‌‌کننده پیشنهادی با توجه به ساختار ساده‌ای که دارد در ردیابی ولتاژ مرجع موفق عمل کرده و کارکرد قابل قبولی را جهت تثبیت ولتاژ خروجی به ویژه در سیستم‌های ترموالکتریک از خود به نمایش می‌گذارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Control of single switch cascaded boost converter based on feedback linearization method with TEG

نویسندگان English

Milad Chanddel 1
Mahdi Hedayati 2
Javad Olamaei 3
Reza Effatnejad 1
Ebrahim Salary 1
1 Department of Electrical Engineering, Ka.C., Islamic Azad University, Karaj, Iran.
2 Department of Electrical Engineering, Ka.C., Islamic Azad University, Karaj, Iran.
3 Department of Electrical Engineering, ST.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
چکیده English

One of the most useful DC-DC converters is called the boost converter, and they are used to increasing and stabilize the output voltage in renewable energies such as thermoelectric Generator systems. For converter of TEG systems, The structures have been provided, which can be mentioned as single switch cascaded boost converter. The choppers are non-linear in nature, so fixed parameter controllers cannot display a suitable dynamic behavior for step and parametric changes, so designing a suitable controller in regard to uncertainties such as temperature changes has become an important challenge. In this research, moreover the experimental modeling of the TEG module, a nonlinear controller based on Offered Feedback Linearization (OFBL) method is proposed to control the output voltage of the cascaded boost chopper, and its coefficients are also optimized by GA. In order to check the transient response of the aforementioned converter, the ITSE function is considered. For evaluating the proposed controller, five scenarios of constant input, step-up changes, step-down changes and combined changes in input voltage and Apply TEGS as input have been analyzed. Also, at the end of the simulation, the output load changes are considered. The mentioned simulations were done in Simulink MATLAB. The results of the simulations state that the proposed controller, due to its simple structure, has succeeded in tracking the reference voltage and has demonstrated an acceptable performance for stabilizing the output voltage, especially in TEG systems.

کلیدواژه‌ها English

Single Switch Cascaded Boost Converter
GA Algorithm
ITSE
Offered Feedback Linearization (OFBL)
TEG
[1] Rokrok, E., & Miri, L. (2019). Single Switch non-Isolated DC-DC Converter with High Gain and Efficiency and Low Input Current Ripple for Photovoltaic Applications. TABRIZ JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING,49(1), 181-190. https://tjee.tabrizu.ac.ir/article_8693.html. (In Persian)
[2] Effatnejad, R., Hedayati, M., Choopani, K., & Chanddel, M. (2021). Numerical Methods in Selecting Location of Distributed Generation in Energy Network. In Numerical Methods for Energy Applications (935-976). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-62191-9_34
[3] Jang, Y., Lee, C., & Bae, S. (2023). Linear-extrapolation-based gray-wolf optimization algorithm for global maximum power tracking of thermoelectric generators. IEEE Transactions on Energy Conversion,39(1), 17-28. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10214360
[4] Yang, B., Wang, J., Zhang, X., Zhang, M., Shu, H., Li, S., He, T., Yang, L., & Yu, T. (2019). MPPT design of centralized thermoelectric generation system using adaptive compass search under non-uniform temperature distribution condition. Energy Conversion and Management,199, 111991. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.111991
[5] Alkhaldi, A., Elkhateb, A., & Laverty, D. (2023). Voltage lifting techniques for non-isolated dc/dc converters. Electronics,12(3), 718. https://doi.org/10.3390/electronics12030718
[6] Kilani, D., Mohammad, B., & Alhawari, M. (2022). Switched inductor DC–DC boost regulator using voltage-to-time controller for TEG applications. Energies,15(9), 3330. https://doi.org/10.3390/en15093330
[7] Zaraei, M., Moradi Zirkohi, M., & Cheraghi Shirazi, N. (2021). Designing Optimal Neural Networks Controller to Regulate and Control the Output Voltage of DC-DC Boost Converters. Journal of Communication Engineering,11(42), 41-54. https://sanad.iau.ir/Journal/jce/Article/869902. (In Persian)
[8] Salary, E., & Sabzi, S. (2023). Providing voltage boosting DC/DC converter with direct connection between source and load. Journal of Novel Researches on Electrical Power,12(1), 57-70. https://jeps.dezful.iau.ir/article-1-465-fa.html. (In Persian)
[9] Chanddel, M., Olamaei, J., & Jalili Irani, A. (2023). Load Frequency Control Based on Improved Fuzzy Controller in the Microgrid with Thermoelectric Generator. Energy Engineering and Management,12(2), 26-37. https://energy.kashanu.ac.ir/article_113582.html?lang=fa. (In Persian)
[10] Chanddel, M., Olamaei, J., Hedayati, M., Effatnejad, R., & Salary, E. (2023, May 30-31). Intelligent Two-Stage Control of Cascaded Boost Converter Based on Fractional Order PID The First National Conference on Research and Innovation in Artificial Intelligence, Islamic Azad University Karaj Branch. https://conf.isc.ac/fa/article.php?paperId=556450&cnfId=8898. (In Persian)
[11] Li, G., He, J., & Liu, X. (2024). A DC voltage robust control strategy of boost converter based on load impedance and input voltage observation. IEEE Transactions on Industrial Informatics,20(5), 7947-7956. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10461557
[12] Vesali, M., Abdellahi Khorasgani, A., Ranjbar, H., & Rabiei, M. (2022). A New High Step-up DC-DC Converter with Soft Switching and High Efficiency. Karafan Journal,19(3), 333-355. https://karafan.tvu.ac.ir/article_159570.html?lang=fa. (In Persian)
[13] Judewicz, M. G., González, S. A., Gelos, E. M., Fischer, J. R., & Carrica, D. O. (2022). Exact feedback linearization control of three-level boost converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics,70(2), 1916-1926. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9735152
[14] Raviraj, V., & Sen, P. C. (1997). Comparative study of proportional-integral, sliding mode, and fuzzy logic controllers for power converters. IEEE transactions on industry applications,33(2), 518-524. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/568018
[15] Csizmadia, M., Kuczmann, M., & Orosz, T. (2022). A novel control scheme based on exact feedback linearization achieving robust constant voltage for boost converter. Electronics,12(1), 57. https://doi.org/10.3390/electronics12010057
[16] Beiranvand, R. (2020). Analysis of a Switched-Capacitor Converter with Output Voltage Regulation and Soft Switching Capabilities. TABRIZ JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING,50(2), 587-604. https://tjee.tabrizu.ac.ir/article_10980.html?lang=fa. (In Persian)
[17] Wu, S.-j., Wang, S., Yang, C.-j., & Xie, K.-r. (2018). Energy management for thermoelectric generators based on maximum power point and load power tracking. Energy Conversion and Management,177, 55-63. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.09.040
[18] Jang, Y., Lee, C., Ji, S., & Bae, S. (2021). Hybrid global maximum power point tracking algorithm for a thermoelectric generation system. 2021 24th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9634344
[19] Mohajery, R., Shayeghi, H., & Villanueva, J. (2021). PSO-TVAC based optimized FOPID controller for cascaded DC-DC boost converter. International Journal on Technical and Physical Problems of Engineering (IJTPE),13, 139-146. https://www.iotpe.com/IJTPE/IJTPE-2021/IJTPE-2021.html
[20] Morales-Saldaña, J. A., Galarza-Quirino, R., Leyva-Ramos, J., Carbajal-Gutierrez, E. E., & Ortiz-Lopez, M. G. (2006). Modeling and control of a cascaded boost converter with a single switch. IECON 2006-32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics, https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4153136
[21] Priya, F. P., & Latha, K. (2019). Feedback linearization control of boost converter. 2019 2nd International Conference on Intelligent Computing, Instrumentation and Control Technologies (ICICICT), https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8993341
[22] Slotine, J.-J. E., & Li, W. (1991). Applied nonlinear control (199). Prentice hall Englewood Cliffs, NJ. https://books.google.com/books/about/Applied_Nonlinear_Control.html?id=HddxQgAACAAJ
[23] Bacha, S., Munteanu, I., & Bratcu, A. I. (2014). Power electronic converters: modeling and control (4). Springer. https://link.springer.com/book/10.1007/978-1-4471-5478-5
[24] Su, J., & Havens, T. C. (2014). Fuzzy community detection in social networks using a genetic algortihm. 2014 IEEE international conference on fuzzy systems (FUZZ-IEEE), https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6891611
[25] Afkar, H., & Esmaeeli, M. (2024). A New Control Strategy for Multifunctional PV Grid Interface Converter Considering Inverter Rating. https://karafan.tvu.ac.ir/article_190992.html?lang=fa. (In Persian)
[26] Ahmadi, A., Minagar, S., Rezaei, B., & Malekzadeh, M. (2024). Passivity-based Control of a Quadratic Boost Converter. Karafan Journal,21(1), 133-153. https://karafan.tvu.ac.ir/article_193586.html. (In Persian)
دوره 23، شماره 1
فنی و مهندسی
بهار 1405

  • تاریخ دریافت 14 آبان 1403
  • تاریخ بازنگری 24 اسفند 1403
  • تاریخ پذیرش 23 آذر 1404