DA/DA Yükseltici Çeviricilerde Geri Besleme ve İleri Besleme Kontrol Feedback and Feedforward Control in DC/DC Boost Converter

Transkript

1 DA/DA Yükselt Çevrlerde Ger Besleme ve İler Besleme Kontrol Feedbak and Feedforward Control n DC/DC Boost Converter Ayşe Koalmış Blhan, Abuzer Çalışkan 2, Sener Ünal 2 Elektrk Elektronk Mühendslğ Bölümü Nevşehr HBV Ünverstes akblhan@nevsehredutr 2 Elektrk Elektronk Mühendslğ Bölümü Fırat Ünverstes aalskan@fratedutr senerunal@fratedutr Özet Br elektrkl araç, elektrk sürüü sstemnde güç oluşturablmek çn yakıt olarak Yakıt Pl, Akü ve Süperkapaste kullanan araçlardır Bu amaçla kullanılan DA/DA çevrler le elektrksel güç aktarımı yapılırken gerlm sevyel azaltılıp artırılablr Bu çalışmada, sürekl durumda darbe genşlk modülasyon teknğ kullanılan DA/DA yükselt tp çevrlerde ler besleme ve ger beslemel kontrolün br arada kullanımı özetleneektr DA/DA yükselt çevrsnn çalışma durumu ayrıntılarıyla açıklanarak sabt durum analz verleektr Devre yapısı oldukça bast ve çıkış gerlm de oldukça düzgündür Abstrat An Eletral Vehle s a vehle whh uses a ombnaton of Fuel Cells (FCs), Batteres and Superapators (SCs)to power eletral drve system DC/DC onverters an be used for boostng or hoppng the voltage level n eletral power flow In ths paper, a feedforward and feedbak ontrol rut sutable for applatons n the d d pulse wh modulated (PWM) boost onverter operated n the ontnuous onduton mode (CCM) s proposed DC/DC boost onverter prnple of operaton s desrbed and analyzed for steady state The rut s very smple and sgnfantly mproves lne regulaton of the output voltage Grş Günümüzde fosl yakıtların kullanımı gerek nsan yaşamına gerek se çevreye oldukça zarar vermektedr Özellkle araçların ve fabrkaların meydana getrdğ hava krllğ, küresel ısınma ve fosl yakıtların gün geçtkçe gderek azalması; yenleneblr enerj kaynaklarının, yen mlenyumda elektrk üretmnde daha öneml br parçası olmasına sebep olmaktadır [,2] Özellkle Elektrkl Araçlar (EVs), Hbrt Elektrkl Araçlar (HBVs) ve Yakıt Hürel Elektrkl Araçlar (FCEVs) geleekte klask fosl yakıtlı araçların yerlern almak üzere tasarlanmaktadır [3] Günümüzde yenleneblr enerj kaynakların kullanımının artmasıyla beraber, bu tp enerj kaynaklarının vermnn artırılması konuları da ön plana çıkmıştır Yakıt pller, güneş paneller, rüzgar türbnler vb gb yen nesl enerj kaynakları enerj üretm esnasında kullanılsalar da genelde 7 gün 24 saat çn gerekl enerjy üretmezler Bu nedenle enerj üretm esnasında güneş, rüzgar yada hdrojen gb doğal kaynaklara bağımlı olmaları sebebyle, br arada (hbrt) olarak çalışmalarıyla daha verml enerj üretm sağlamaktadırlar Ayrıa, gerek hbrt sstemlerde enerj kaynaklarının br arada çalışması gerek tek başına çalışmaları sırasında enerj depolayıı elemanlara da htyaç bulunmaktadır (akü-bataryapl) Çoğunlukla elektrk ve hbrt çalışan sstemler de br ana enerj kaynağı olarak adlandırılan yüksek enerj depolama kapastel br kaynak le beraber tekrar şarj edleblen yüksek güe sahp enerj kaynağı olarak k kaynak bulunur Anak enerj kaynağı ve depolayıı sstemler, yük veya şarj durumundan etkleneblrler Bu nedenle; vermlernn artırılması, yük üzernde sabt br Doğru Gerlm (DA) olablmes çn genellkle çıkışlarında DA/DA çevr devreler kullanılır [4,5] DA/DA çevrler; başka br gerlm sevyesndek DA elektrk enerjsn değştrmek çn kullanılan elektronk hazlardır [6] Bu çevrler, özellkle elektrk enerjsn belrl br pl güünden karşılayan ep telefonları, dz üstü blgsayarlar gb hazlar çn oldukça büyük br öneme sahptrler Ayrıa günümüzde kullanımı yaygın br hale gelen elektrkl araçlarda kullanımı oldukça büyük br önem arz etmektedr [7] Şekl le rüzgar türbnler, güneş paneller gb aralıklı elektrk enerjs üreten sstemler çn enerj depolanması görevnde bulunan büyük ölçekl sabt akü sstem gösterlmektedr Çok yüksek uygulamalar da brçok akünün br brne ser olarak bağlanması gerekmekte ve elde edlen gerlm lk olarak sabt br gerlm elde edlmes çn DA/DA çevrye uygulanmaktadır Bu çevrler yükselt, düşürüü yada yükselt/düşürüü gb çeştl şekllerde çalışmakta ve adlandırılmaktadırlar Şebeke yada br AA (Alternatf Gerlm) br yükün beslenmes çnde elde edlen sabt gerlm DA/AA çevrye uygulanmaktadır 387

2 Şekl 2: Yükselt DA/DA çevr devre yapısı Şekl : Br mkro şebekey besleyen akü modüller DA/DA çevrlerden beklenen çalışma durumu, çıkışlarında sabt ve düzgün br çıkış gerlm üretmelerdr Bu nedenle; DA/DA çevrlern çıkış gerlm veya akımında yada her ksnde brden kullanılmak üzere ger beslemel kontrol yapıları kullanılır Bu tp kontrol brçok çalışma durumunda y sonuçlar vermş olsa da hassas uygulamalar çn başka kontrol yapılarına da htyaç duyulmaktadır Ger besleme kontrol çalışma da; yükselt DA/DA çevrnn çıkış gerlm arzu edlen çıkış gerlm le karşılaştırılır Elde edlen hata snyal doğrusal, doğrusal+ntegral, doğrusal+ntegral+türev vb kontrol algortmaları le denetlenerek ssteme eklenr İler besleme kontrol çalışma da se, yükselt DA/DA çevrnn grş gerlm arzu edlen değerde tutulmaya çalışılır Bu çalışmada yükselt çevrnn benzetm model ve elde edlen sonuçlar Matlab/Smulnk ortamında yapılmıştır İkn bölümde yükselt çevr devres ve çalışması hakkında blg verlmştr Üçünü bölümde ger besleme ve ler besleme konuları hakkında blg verlerek, tasarlanan sstemn blok şeması gösterlmştr Dördünü bölümde yükselt DA/DA çevrnn Matlab/Smulnk model verlerek son bölümde devrenn çalışmasına at sonuçlar eklenmştr 2 Yükselt Çevrnn Modellenmes Şekl 3: Anahtarın kapalı olma durumu devre yapısı Anahtarın (S) kapalı (on) olması durumunda durum denklemler Denklem ve 2 le verlmektedr d dv R = V v + () C(R ο + R ) R V = (2) o R + R v o Anahtarın (S) açık (off) olması durumunda devre yapısı ve durum denklemler sırasıyla Şekl 4 ve Denklem 3 ve 4 le verlmektedr Bu çalışmada yer alan kontrolör her tp çevr çn uygulanablr Anak elektrkl araçlar ve şebekeye bağlı sstemler çn en çok terh edlen yükselt tp DA/DA çevrlerdr [8] Bu nedenle, bu çalışmada Şekl 2 le gösterlen yükselt tp DA/DA çevr modelleneek ve neleneektr Şekl 2 le verlen yükselt DA/DA çevrnn durum denklemler Krhoff akım ve gerlm kanunları uygulanarak Denklem,2,3 ve 4 olarak elde edlmştr [9,] Anahtarın kapalı olması (on) durumunda devre yapısı Şekl 3 le verlmektedr d dv Şekl 4: Anahtarın açık olma durumu devre yapısı = R R C o R + R + R o R o C( R + R ) o R R + R o C(R ο + R ) v + V (3) 388

3 R R R V = o (4) o R + R R + R v o o DA/DA çevrler görev peryodu (d) anahtarın letmde kalma süresne (ton) ve anahtarlama frekansına bağlıdır Bu durum Denklem 5 le gösterlmektedr Grş gerlm, çıkış gerlm ve görev peryodu arasındak bağlantı se Denklem 6 le verlmektedr çıkışta otomatk olarak sabt br çıkış sağlanır Bu k teknk le DA/DA çevrlern farklı yollarla nasıl kontrol edlebleeğ öğrenlmş olur 4 Yükselt DA/DA Çevrnn Modellenmes Şekl 6 le sstemn MATAB/Smulnk benzetm model verlmektedr t t d = on = on = t f (5) t + t T on s on off V = V (6) o d 3 DA/DA Yükselt Çevrnn Kontrolü Yükselt tp DA/DA çevrnn eleman değerler sıaklık, basınç ya da zamanla değşeblmektedr Anak çevrnn çıkışında elde edlmek stenen; değşken yük ve grş gerlm şartlarında çıkış gerlmnn sabt olmasıdır Bu nedenle; sstemn çıkış gerlm arzu edlen çıkış gerlm le karşılaştırılarak kapalı çevrm kontrol yapılır Bunun yanı sıra; bu çalışmada sstemnn grşndek kaynakların değşmndek gerlm dengeszlğne karşı da br ler beslemel kontrol kullanılmaktadır Sstemn genel blok yapısı Şekl 5 le gösterlmektedr Şekl 5: Sstemn blok şeması Bu çalışmada grş gerlm olarak yakıt pl ve aküden oluşan br sstem kullanılmıştır Yük; ndüktans, kapaste, dyot ve br anahtar üzernden bu kaynaklara bağlıdır Sstemn çalışması sırasında çıkış gerlm br gerlm ölçüü le ölçülmekte ve stenlen çıkış gerlmn değer le karşılaştırılmaktadır Bu karşılaştırma sonuunda elde edlen hata snyal br ger beslemel kontrolör le anahtara uygulanaak görev peryoduna dönüştürülmektedr Aynı zamanda sstemn grş gerlm sürekl ölçülerek her hang br gerlm artışı yada azalışı durumunda ler beslemel kontrol bloğu da sstemn çalışmasına dahl olmaktadır DA/DA çevrlern çıkış gerlmlern kontrol çn k yöntem kullanılır: gerlm kontrol mod ve akım kontrol mod Her k kontrol yöntem; endüstrde düşük gerlm düşük anahtarlama modlu DA/DA çevrlerde çıkış gerlmnn ayarlanması ve düzeltlmes çn kullanılırlar Kapalı çevrm ger beslemel döngülerde se grş gerlm ve yükün durumu ne olursa olsun Şekl 6: Sstemn Matlab/Smulnk model Gerlm kontrol bloğunda; yakıt plnn aktf olmadığı durumlarda akü devreye alınarak sstemn sürekl çalışması sağlanmaktadır Yükselt bloğunda; grş gerlm arzu edlen çıkış gerlmne yükseltlerek çıkışta sabt br gerlm elde edlmektedr İler Beslemel Kapalı Çevrm Kontrol bloğunda se; lk olarak Yükselt bloğundan elde edlen çıkış gerlm arzu edlen çıkış gerlmnn aynı olup olmadığı kontrol edlmekte, eğer aynı değl se br PI kontrolöründen geçrlerek görev peryodu ayarlanmaktadır Aynı zamanda bu blok çersnde grş gerlmndek kaynakların değşm (yakıt pl-akü) sırasında yada başka br nedenle oluşableek grş gerlmnn düşmes yada yükselmes durumunda yne görev peryodunu düzenley br kontrolör bulunmaktadır Bu çalışmada; ger beslemel kontrolör olarak oransalntegral (PI) kullanılmaktadır teratürde daha gelşmş kontrolörler bulunsa da, PI kontrolörün tasarımının ve uygulama kolaylılığının yanı sıra y sonuç vermes sebebyle bu sstem çn seçlmştr Sürekl durum çalışma esnasında br PI kontrolörün transfer fonksyonu Denklem 7 le gösterlmektedr K C ( s) = K + p s (7) Modellenen yükselt DA/DA çevrde kullanılan elemanlar sırasıyla = 3mH, R= Ω, C= μh, R=Ω, Ro= Ω dur Grş gerlm V= 3V olan sstemn görev peryodu se d=2/3 olarak belrlenmştr Bu durumda sabt durumda elde edlmes gereken çıkış gerlm aynı zamanda referans gerlm değer Vo=8666V dur Anahtarlama frekansı khz alınmıştır Zegler-Nhols un kn yöntem uygulanarak yapılan çalışma le Kp oransal kazanç katsayısı ve K ntegrasyon 389

4 kazanç katsayısı hesaplanmıştır Bu hesaplamaya göre; 6 C( s) = 6 + kullanılarak PI kontrolör tasarlanmıştır s Ger besleme kontrolörün yapısı Şekl 7 le gösterlmektedr Şekl le sadee ger besleme kapalı çevrm (PI kontrolör) olması durumunda sstemn çalışması ve çıkış gerlmne at değşm gösterlmektedr Şekl 7: Ger beslemel kontrolör Anak sadee ger beslemel kontrolörün çalışması le sstemn çalışması sırasında yeterl hassasyet elde edlememektedr Bu nedenle; grş gerlmnde oluşableek dalgalanma ve gürültüden sstemn daha az etklenmes çn grş gerlmnn kontrol edldğ br ler beslemel kontrolörde tasarlanmıştır İler beslemel kontrolörün transfer 9s fonksyonu se; C (s) = olarak f s s elde edlr İler besleme devre yapısı se Şekl 8 le gösterlmektedr Şekl : Çıkış gerlm (Vo) Hem ger besleme kapalı çevrm hemde ler besleme kontrol olması durumunda sstemn çıkış gerlm Şekl le gösterlmektedr Şekl 8: İler beslemel kontrolör 5 Benzetm Sonuçları Şekl 9 le grş gerlmne at değşm verlmektedr Şekl 9 dan görülebleeğ gb grş gerlm 3V sabt br değerde ken an olarak 275 V değerne gerlemekte ve br süre sonra tekrar esk değerne dönmektedr Grş gerlmndek bu değşm kaynak arasındak değşm sırasında olableeğ gb sstemde olableek br gürültünün etks de olablr Şekl : Çıkış gerlm (Vo) Şekl ve nelendğ zaman, Şekl da grş gerlmnde meydana gelen değşm çıkış gerlmnde düşüşe sebep olmaktadır Anak grşe ekleneek br ler beslemel kontrolör le sstemn tekrar referans çıkış gerlm değerne ulaşmıştır Bu durum Şekl le gösterlmektedr 6 Sonuçlar Bu çalışma özellkle yenleneblr enerj kaynaklarının br arada yada br aküyle beraber kullanıldığı uygulamalar çn yükselt DA/DA çevrlern MATAB/Smulnk paket programı kullanılarak modellenmes üzernde durmaktadır Grş gerlmnde herhang br sebeple meydana gelen dalgalanma veya gürültünün etks ler beslemel kontrolör le azaltılmaktadır Kapalı çevrm kontrol algortmasıyla da yükselt DA/DA çevrnn çıkış gerlm sabt tutulmaktadır Şekl 9: Grş Gerlm (V) Bu çalışma Nevşehr Haı Bektaş Vel Ünverstes NEÜBAP5F proje kapsamında desteklenmektedr 39

5 7 Kaynaklar [] Caato M, Consol A, Attanaso R, and Gennaro F A Mult-Stage Converter For Domest Generaton Systems Based On Fuel Cells In Pro IEEE Ind Appl So Conf, vol, pp , 26 [2] Veerahary M, Senjyu T, and Uezato K Neural- Networkbased Maxmum-Power-Pont Trakng Of Coupled-İndutor İnterleaved-Boost Converter- Suppled PV System Usng Fuzzy Controller, In IEEE Trans Ind Eletron, vol 5, no 4, pp , 23 [3] Wang D, He X, and Zhao R, ZVT Interleaved Boost Converters wth Bult-In Voltage Doubler and Current Auto-Balane Charaterst In IEEE Trans Power Eletron,vol 23, no 6, pp , 28 [4] Koalms Blhan A, Calskan A, Unal S Smulaton Of A Photovolta Panels By Usng Matlab/Smulnk ECAI, 3 June -2 July, Ploest, ROMÂNIA, 26 [5] Bjaz T, Ban Z, Volar I, Control of a Fuel Cell Stak oaded wth DC/DC boost Converter, Int Symposum on Industral Eletrons, pp , 28 [6] Jamal SHB, Voltage Trakng Of D-D Boost Converter Usng Gaussan Fuzzy og Controller, Bs Thess, January, 22 [7] Wang K, n CY, Zhu, ee FC, Qu D, a JS, Bdretonal DC to DC Converters for Fuel Cell Systems, Power eletrons n Transportaton Conf pp 47-5, Nov, 998 [8] Erkson W R, Maksmov D, Fundamentals of Power Eletrons, 2nd Ed, Sprnger, 2 [9] Rao GS,Raghu S, Rajasekaran N Desgn of Feedbak Controller for Boost Converter Usng Optmzaton Tehnque,IJPEDS, Vol 3, no, pp 7-28, 23 [] Bao Y, Wang Y, Wang C, Jang J, Novel Suppresson Control Strategy of Dsturbane from the Input Voltage Souren DC/DC Converter, ICEA, pp , 25 39