Design and implementation of control techniques of power electronic interfaces for photovoltaic power systems: Cascade pi controller-based model reference adaptive control, notch filter dynamics-based pr-p controller designed by symmetrical pole placement method, extremum seeking adaptive control
Fotovoltaik güç sistemleri için güç elektroniği arayüzlerinde kontrol tekniklerinin tasarımı ve uygulaması: Kademeli pı denetleyici tabanlı model referanslı adaptif kontrol, çentik (notch) filtresi dinamiklerine dayalı simetrik kutuplama ile tasarlanmış pr-p denetleyici ve ekstremum arama (es) adaprif kontrol
- Tez No: 995838
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZHONGFU ZHOU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Swansea Unıversıty
- Enstitü: Prıfysgol Abertawe
- Ana Bilim Dalı: Yurtdışı Enstitü
- Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Tezin amacı, fotovoltaik (PV) güç dönüştürme düzeneklerinde maksimum güç çıkarımı ve verimliliği gözetilerek kullanılan, güncel dört güç elektroniği dönüştürücü kontrol tekniğini ayrıntılı biçimde incelemek ve geliştirmektir. Birincisi, kademeli Oransal-Integratör (PI) denetleyici tabanlı sağlam Model Referanslı Uyarlamalı Kontrol (MRAC) mimarisi, bir DC-DC yükseltici (boost) dönüştürücü için tasarlanmış ve incelenmiştir. Yükseltici dönüştürücünün sağ yarı-düzlem sıfırı (RHPZ) kaynaklı minimum-faz olmayan davranışı ve sürekli iletim kipinde (CCM) sergilediği doğrusal olmayan dinamikler, denetimi güçleştirmektedir. Önerilen kontrol düzeni, kademeli PI döngüsünün özelliklerini MRAC yapısıyla birleştirerek bu zorlukları etkin biçimde gidermiştir. İstenen işaretlerin gecikme ve aşım olmaksızın en yararlı ve eniyilenmiş biçimde izlenmesi ve süreç değişkenlerinin düzenlenmesi başarıyla doğrulanmıştır. Deneysel sonuçlar, izleme hızının iki katına çıktığını ve bozucu etkilerin belirgin biçimde daha iyi bastırıldığını göstermektedir. İkincisi, Oransal-Rezonans ve Kazanç Çizelgeleme Oransal (PR-P) denetleyici tasarlanmış ve incelenmiştir. Bu denetleyicinin amacı, gerçek zamanlı, değişken bozucu adım büyüklüğüne sahip, uyarlamalı bir boz-ve-gözle (P&O) MPPT algoritması üretmektir. Önerilen düzen, sabit bozucu adım kullanan geleneksel P&O yönteminin zayıf geçiş yanıtı ve yüksek süreklilikte kararlı-durum salınımları gibi sorunlarını ortadan kaldırmıştır. PR-P kullanımdaki temel hedef, denetleyicinin rezonans yolunun ürettiği işaretin kalıtsal özelliklerinden yararlanarak en iyi tahmini bozucu büyüklüğü güncellemesini ve bunu ekstremum arama (ESC) ilkesini temsil edecek biçimde P&O'ya entegre etmektir; böylelikle tüm sistem öğrenme tabanlı gerçek zamanlı uyarlamalı (RTA) özellik kazanır. Ayrıca PR-P'nin iç dinamiklerinden yararlanılması, yaygın akıllı/soft-computing ve uyarlamalı kontrol yaklaşımlarında görülen karmaşıklık, hesap yükü, uygulama maliyeti ve yavaş izleme sorunlarını aşmıştır. Deneysel sonuçlar, izleme hızının beş kat artırıldığını, MPP çevresindeki kararlı-durum salınımlarının azaldığını ve %99'un üzerinde enerji çıkarım verimi elde edildiğini ortaya koymaktadır. Üçüncüsü, enterleave (birbirine girik) alçaltıcı (buck) dönüştürücü tabanlı PV emülatörün akım denetimi incelenmiştir. PR-P denetleyici, geleneksel PI denetleyicilerin faz yönetimi (etkin fazlar arasında akımların eşit paylaştırılması; ısıl zorlamayı önleme ve parametre belirsizliklerinde burulma/ripple iptali) açısından eksiklerini giderecek şekilde tasarlanmıştır. Önerilen denetleyici, geçici yanıtın 10 kat daha hızlı yakınsadığını, kararlı-durum hatasının sıfırlandığını ve akım dalgalanmasının belirgin ölçüde azaldığını göstermiştir. Çok fazlı dönüştürücülerde temel kaygı olan eşit yük paylaşımı başarıyla sağlanmıştır. Zaman ve frekans bölgesi analizlerini içeren sağlam (robust) kontrol uygulaması, sağlam kararlılık payında %13 iyileşme ve faz toleransında 12 derecelik artış elde edildiğini ortaya koymuştur. Dördüncüsü, simetrik kutuplama (symmetrical pole placement) yöntemine dayalı Birim Oransal Kazançlı Rezonans ve Kazanç Çizelgeleme Oransal (PR-P) denetleyici tasarlanmış ve incelenmiştir. Önerilen PR-P, PI denetleyicinin yinelenen referans işaretlerini sıfır kararlı-durum hatasıyla izleme ve tek fazlı PV sistemlerinde şebekeye enjekte edilen 3. harmonik bileşenin bastırılması konularındaki yetersizliklerini gidermiştir. Ayrıca, geleneksel PR denetleyicide sık görülen şebeke frekans detuning'i ve tek sayılı harmoniklerin genlik artışı gibi sorunlar PR-P ile aşılmıştır. Üstelik, rezonans frekansı çevresinde çentik (notch) filtresi dinamiklerinin simetrik kutuplama ile ayarlanmasına dayanan yeni tasarım süreci, özünde karmaşıklık ve tam olarak modellenmiş sisteme bağımlılık sınırlamalarını da ortadan kaldırmaktadır. Önerilen kontrol düzenlerinin doğrulama ve geçerleme süreci, MATLAB/Simulink kullanılarak ve MATLAB/Simulink/Stateflow'un dSPACE Real-Time Interface (RTI) 1007 işlemcisi, DS2004 yüksek hızlı A/D ve CP4002 zamanlama & sayısal I/O kartları üzerinde gerçeklenmesiyle yürütülmüştür.
Özet (Çeviri)
The aim of this thesis is to scrutinize and develop four state-of-the-art power electronics converter control techniques utilized in various photovoltaic (PV) power conversion schemes accounting for maximum power extraction and efficiency. First, Cascade Proportional and Integral (PI) Controller-Based Robust Model Reference Adaptive Control (MRAC) of a DC-DC boost converter has been designed and investigated. Non-minimum phase behaviour of the boost converter due to right half plane zero constitutes a challenge and its non-linear dynamics complicate the control process while operating in continuous conduction mode (CCM). The proposed control scheme efficiently resolved complications and challenges by using features of cascade PI control loop in combination with properties of MRAC. The accuracy of the proposed control system's ability to track the desired signals and regulate the plant process variables in the most beneficial and optimised way without delay and overshoot is verified. The experimental results and analysis reveal that the proposed control strategy enhanced the tracking speed two times with considerably improved disturbance rejection. Second, (P)roportional Gain (R)esonant and Gain Scheduled (P)roportional (PR-P) Controller has been designed and investigated. The aim of this controller is to create a variable perturbation size real-time adaptive perturb and observe (P&O) maximum power point tracking (MPPT) algorithm. The proposed control scheme resolved the drawbacks of conventional P&O MPPT method associated with the use of constant perturbation size that leads to a poor transient response and high continuous steady-state oscillations. The prime objective of using the PR-P controller is to utilize inherited properties of the signal produced by the controller's resonant path and integrate it to update best estimated perturbation that represents the working principle of extremum seeking control (ESC) to use in a P&O algorithm that characterizes the overall system learning-based real time adaptive (RTA). Additionally, utilization of internal dynamics of the PR-P controller overcome the challenges namely, complexity, computational burden, implantation cost and slow tracking performance in association with commonly used soft computing intelligent systems and adaptive control strategies. The experimental results and analysis reveal that the proposed control strategy enhanced the tracking speed five times with reduced steady-state oscillations around maximum power point (MPP) and more than 99% energy extracting efficiency. Third, the interleaved buck converter based photovoltaic (PV) emulator current control has been investigated. A proportional-resonant-proportional (PR-P) controller is designed to resolve the drawbacks of conventional PI controllers in terms of phase management which means balancing currents evenly between active phases to avoid thermally stressing and provide optimal ripple cancellation in the presence of parameter uncertainties. The proposed controller shows superior performance in terms of 10 times faster-converging transient response, zero steady-state error with significant reduction in current ripple. Equal load sharing that constitutes the primary concern in multi-phase converters has been achieved with the proposed controller. Implementing of robust control theory involving comprehensive time and frequency domain analysis reveals 13% improvement in the robust stability margin and 12-degree bigger phase toleration with the PR-P controller. Fourth, a symmetrical pole placement Method-based Unity Proportional Gain Resonant and Gain Scheduled Proportional (PR-P) Controller has been designed and investigated. The proposed PR-P controller resolved the issues associated with the use of the PI controller which are tracking repeating control input signal with zero steady-state and mitigating the 3rd order harmonic component injected into the grid for single-phase PV systems. Additionally, the PR-P controller has overcome the drawbacks of frequency detuning in the grid and increase in the magnitude of odd number harmonics in the system that constitute the common concerns in the implementation of conventional PR controller. Moreover, the unprecedented design process based on changing notch filter dynamics with symmetrical pole placement around resonant frequency overcomes the limitations that are essentially complexity and dependency on the precisely modelled system. The verification and validation process of the proposed control schemes has been conducted using MATLAB/Simulink and implementing MATLAB/Simulink/State flow on dSPACE Real-time-interface (RTI) 1007 processor, DS2004 High-Speed A/D and CP4002 Timing and Digital I/O boards.
Benzer Tezler
- Programlanabilir lojik kontrolörler ve bir konum kontrolü uygulaması
Programmable logic controllers and an application of position control
ŞENİZ CEYLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1990
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. EMİN TACER
- Adaptif kontrol sistemleri ve bir mikrokontrolör ile simülasyonu
Adaptive control systems and simulation by a microcontroller
CANAN MÖRÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. LEYLA GÖREN
- Programlanabilir lojik kontrolörler için tasarım yöntemleri
Başlık çevirisi yok
ERDAL ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. SALMAN KURTULAN
- Aktif ve pasif yapı kontrolü
Active and passive structural control systems
ÖZGÜL ZOBU
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiYapı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Modeling and simulation methods in power electronics and design and simulation of a shunt active power filter using MATLAB/SIMULINK
Güç elektroniğinde modelleme ve simulasyon metodları ve MATLAB/SIMULINK programıyla parallel aktif güç filtresi tasarımı ve simulasyonu
KAMİL ÇAĞATAY BAYINDIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2000
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUAMMER ERMİŞ
- Design and implementation of microprocessor-controlled single channel functional electrical stimulator
Mikroişlemci kontrollü tek kanallı fonksiyonel elektriksel stimülatörün tasarım ve gerçekleştirilmesi
MEHMET ŞAYAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2000
Tıbbi BiyolojiBoğaziçi ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMED ÖZKAN