Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Синтез системы управления понижающего преобразователя, учитывающей нелинейность объекта управления

https://doi.org/10.15518/isjaee.2024.03.028-041

Аннотация

В данной работе рассматривается проблема синтеза системы управления понижающего преобразователя, выпаленного по схеме Buck преобразователь. Предлагаемый метод синтеза регулятора системы управления позволяет учесть при проектировании регулятора колебания и значительные изменения входного и выходного напряжения в процессе стабилизации напряжения. Это достигается за счет использования в алгоритмах расчета параметров регуляторов системы управления линеаризованных моделей объекта управления. В данной работе предлагается использовать линеаризацию рядом Тейлора, но результаты работы позволяют заменить расчет данного параметра на любой другой метод. Также производить анализ использования разработанного непрерывного регулятора и полученных на его основе переоборудованных дискретных регуляторов. На основе проделанной работы был получен обобщённый метод синтеза регулятора для понижающего преобразователя напряжения в непрерывной и дискретной области. Данные регуляторы обладают свойствами адаптивности, которая выражена самоподстройкой коэффициентов регулятора. За счет этого достигается возможность использовании полученной системы управления на широком диапазоне значений входного и выходного напряжения стабилизатора постоянного напряжения.

Об авторах

Д. А. Котин
Новосибирский государственный технический университет
Россия

Котин Денис Алексеевич, заведующий кафедры «Электропривода и автоматизации промышленных установок» 

 пр. К. Маркса, 20, 630073, Новосибирск, Россия 



И. А. Иванов
Новосибирский государственный технический университет
Россия

Иванов Илья Алексеевич, ассистент кафедры  «Электропривода и автоматизации промышленных установок» 

 пр. К. Маркса, 20, 630073, Новосибирск, Россия 



Список литературы

1. A. El-Shahat and S. Sumaiya. «DC-Microgrid System Design, Control, and Analysis», Electronics, vol. 8, no. 2, p. 124, Jan. 2019, doi: 10.3390/electronics8020124.

2. D. E. Olivares et al. «Trends in Microgrid Control» IEEE Trans. Smart Grid, vol. 5, no. 4, pp. 1905-1919, 2014, doi: 10.1109/TSG.2013.2295514.

3. S. A. Gorji, H. G. Sahebi, M. Ektesabi and A. B. Rad. «Topologies and Control Schemes of Bidirectional DC-DC Power Converters: An Overview». IEEE Access, vol. 7, pp. 117997-118019, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2937239.

4. B. E. Noriega, R. T. Pinto, and P. Bauer. «Sustainable DC-microgrid control system for electric-vehicle charging stations» in 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), 2013, pp. 1-10. doi: 10.1109/EPE.2013.6634620.

5. A. Alfergani, A. Khalil, and Z. Rajab. «Networked control of AC microgrid» Sustain. Cities Soc., vol. 37, pp. 371-387, Feb. 2018, doi: 10.1016/j.scs.2017.11.010.

6. N. Tomin et al. «Design and optimal energy management of community microgrids with flexible renewable energy sources». Renew. Energy, vol. 183, pp. 903-921, Jan. 2022, doi: 10.1016/j.renene.2021.11.024.

7. M. A. Hossain, H. R. Pota, M. J. Hossain, and A. M. O. Haruni. «Active power management in a low-voltage islanded microgrid». Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 98, pp. 36-47, Jun. 2018, doi: 10.1016/j.ijepes.2017.11.019.

8. Y. Pan, S. Mei, F. Liu, W. Wei, C. Shen, and J. Hu, «Admissible Region of Large-Scale Uncertain Wind Generation Considering Small-Signal Stability of Power Systems». IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 7, no. 4, pp. 1611-1623, 2016, doi: 10.1109/TSTE.2016.2570286.

9. X. Lu, J. M. Guerrero, K. Sun, and J. C. Vasquez. «An Improved Droop Control Method for DC Microgrids Based on Low Bandwidth Communication With DC Bus Voltage Restoration and Enhanced Current Sharing Accuracy». IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 4, pp. 1800-1812, 2014, doi: 10.1109/TPEL.2013.2266419.

10. S. Hamasaki, R. Mukai, and M. Tsuji. «Control of power leveling unit with super capacitor using bidirectional buck/boost DC/DC converter» in 2012 International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), 2012, pp. 1-6. doi: 10.1109/ICRERA.2012.6477316.

11. P. O. Kriett and M. Salani. «Optimal control of a residential microgrid». Energy, vol. 42, no. 1, pp. 321-330, Jun. 2012, doi: 10.1016/j.energy.2012.03.049.

12. Y. Xue, C. Zhang, F. Jiang, W. Dou, H. Zhang and C. Yang. «Optimal capacity allocation method of integrated energy system considering renewable energy uncertainty». Front. Energy Res., vol. 10, 2022, doi: 10.3389/fenrg.2022.1016756.

13. N. D. Bhat, D. B. Kanse, S. D. Patil, and S. D. Pawar. «DC/DC Buck Converter Using Fuzzy Logic Controller» in 2020 5th International Conference on Communication and Electronics Systems (ICCES), 2020, pp. 182-187. doi: 10.1109/ICCES48766.2020.9138084.

14. W. J. Gil-González, O. D. Montoya, A. Garces, F. M. Serra, and G. Magaldi. «Output Voltage Regulation For DC-DC Buck Converters: a Passivity-Based PI Design» in 2019 IEEE 10th Latin American Symposium on Circuits & Systems (LASCAS), 2019, pp. 189-192. doi: 10.1109/LASCAS.2019.8667557.

15. T. K. Roy, M. F. Pervej, F. K. Tumpa, and L. C. Paul. «Nonlinear adaptive controller design for velocity control of a DC motor driven by a DC-DC buck converter using backstepping approach» in 2016 2nd International Conference on Electrical, Computer & Telecommunication Engineering (ICECTE), 2016, pp. 1-4. doi: 10.1109/ICECTE.2016.7879598.

16. O. D. Montoya Giraldo, A. Garcés Ruiz, I. Ortega Velázquez, and G. R. Espinosa Pérez. «Passivity-Based Control for Battery Charging/Discharging Applications by Using a Buck-Boost DC-DC Converter» in 2018 IEEE Green Technologies Conference (GreenTech), 2018, pp. 89-94. doi: 10.1109/GreenTech.2018.00025.

17. P. Omer, J. Kumar, and B. S. Surjan, «Design of robust PID controller for Buck converter using Bat algorithm» in 2016 IEEE 1st International Conference on Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems (ICPEICES), 2016, pp. 1-5. doi: 10.1109/ICPEICES.2016.7853209.

18. M. Rezkallah, A. Chandra, B. Singh, and S. Singh, «Microgrid: Configurations, Control and Applications». IEEE Trans. Smart Grid, vol. 10, no. 2, pp. 1290-1302, 2019, doi: 10.1109/TSG.2017.2762349.

19. J. M. Blanes, R. Gutiérrez, A. Garrigós, J. L. Lizán, and J. M. Cuadrado. «Electric Vehicle Battery Life Extension Using Ultracapacitors and an FPGA Controlled Interleaved Buck-Boost Converter». IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 12, pp. 5940–5948, 2013, doi: 10.1109/TPEL.2013.2255316.

20. A. K. Podder et al. «Feasibility Assessment of Hybrid Solar Photovoltaic-Biogas Generator Based Charging Station: A Case of Easy Bike and Auto Rickshaw Scenario in a Developing Nation». Sustainability, vol. 14, no. 1, Art. no. 1, Jan. 2022, doi: 10.3390/su14010166.

21. A. S. Al-Araji. «Development of an On-Line Self-Tuning FPGA-PID-PWM Control Algorithm Design for DC-DC Buck Converter in Mobile Applications». J. Eng., vol. 23, no. 8, Art. no. 8, Jul. 2017, doi: 10.31026/j.eng.2017.08.07.

22. M. Jang, M. Ciobotaru and V. G. Agelidis. «Design and Implementation of Digital Control in a Fuel Cell System». IEEE Trans. Ind. Inform., vol. 9, no. 2, pp. 1158-1166, 2013, doi: 10.1109/TII.2012.2221724.

23. L. V. Bellinaso, H. H. Figueira, M. F. Basquera, R. P. Vieira, H. A. Gründling and L. Michels. «Cascade Control With Adaptive Voltage Controller Applied to Photovoltaic Boost Converters». IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 55, no. 2, pp. 1903-1912, 2019, doi: 10.1109/TIA.2018.2884904.

24. J. -H. Lee et al. «Auxiliary Switch Control of a Bidirectional Soft-Switching DC/DC Converter». IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 12, pp. 5446-5457, 2013, doi: 10.1109/TPEL.2013.2254131.

25. V. -D. Andries, L. Goras, E. David, A. Buzo and G. Pelz. «On the Pole-Placement Technique for the Design of a DC-DC Buck Converter Discrete PID Control» in 2020 23rd International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits & Systems (DDECS), 2020, pp. 1-4. doi: 10.1109/DDECS50862.2020.9095562.

26. J. Wang, S. Li, J. Fan and Q. Li. «Nonlinear disturbance observer based sliding mode control for PWMbased DC-DC boost converter systems» in The 27th Chinese Control and Decision Conference (2015 CCDC), 2015, pp. 2479-2484. doi: 10.1109/CCDC.2015.7162338.

27. M. M. Peretz and S. Ben-Yaakov. «Time-Domain Design of Digital Compensators for PWM DC-DC Converters». IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 1, pp. 284-293, Jan. 2012, doi: 10.1109/TPEL.2011.2160358.

28. S. M. Ghamari, F. Khavari and H. Mollaee. «Adaptive backstepping controller design for DC/DC buck converter optimised by grey wolf algorithm». IET Energy Syst. Integr., vol. n/a, no. n/a, doi: 10.1049/esi2.12098.

29. K. E. Dagher. «Modified Elman Neural-PID Controller Design for DC-DC Buck Converter System Based on Dolphin Echolocation Optimization». AlKhwarizmi Eng. J., vol. 14, no. 3, Art. no. 3, Sep. 2018, doi: 10.22153/kej.2018.01.009.

30. N. Ghanbari, P. M. Shabestari, A. Mehrizi-Sani and S. Bhattacharya. «State-Space Modeling and Reachability Analysis for a DC Microgrid» in 2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2019, pp. 2882-2886. doi: 10.1109/APEC.2019.8721914.

31. Y. Pan, L. Chen, X. Lu, J. Wang, F. Liu and S. Mei. «Stability Region of Droop-Controlled Distributed Generation in Autonomous Microgrids». IEEE Trans. Smart Grid, vol. 10, no. 2, pp. 2288–2300, 2019, doi: 10.1109/TSG.2018.2849084.

32. A. Chadha and M. K. Kazimierczuk. «Small-Signal Modeling of Open-Loop PWM Tapped-Inductor Buck DC-DC Converter in CCM». IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 68, no. 7, pp. 5765-5775, Jul. 2021, doi: 10.1109/TIE.2020.2996157.

33. Y. Li, Y. Peng and X. Wang. «Seamless switching power sharing control method in a hybrid DC-AC microgrid by the isolated two-stage converter based on SST». IET Power Electron., vol. 14, no. 7, pp. 1384-1396, 2021, doi: 10.1049/pel2.12135.

34. V. Yousefzadeh, A. Babazadeh, B. Ramachandran, E. Alarcon, L. Pao and D. Maksimovic. «Proximate Time-Optimal Digital Control for Synchronous Buck DC–DC Converters». IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 4, pp. 2018-2026, 2008, doi: 10.1109/TPEL.2008.924843.

35. S. -K. Kim and C. K. Ahn. «Proportional-Derivative Voltage Control With Active Damping for DC/DC Boost Converters via Current Sensorless Approach». IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 68, no. 2, pp. 737-741, 2021, doi: 10.1109/TCSII.2020.3008432.

36. S. D. Gadekar and M. Murali. «Optimizing Electric Vehicle Charging with Moth Flame Control Algorithm of Boost-KY Converter». Probl. Reg. Energ., no. 4 (60), pp. 126-140, 2023, doi: 10.52254/1857-0070.2023.4-60.10.

37. M. S. Reza et al. «Optimal Algorithms for Energy Storage Systems in Microgrid Applications: An Analytical Evaluation Towards Future Directions». IEEE Access, vol. 10, pp. 10105-10123, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3144930.

38. A. Elserougi, I. Abdelsalam, A. Massoud and S. Ahmed. «A Non-Isolated Hybrid-Modular DC-DC Converter for DC Grids: Small-Signal Modeling and Control». IEEE Access, vol. 7, pp. 132459-132471, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2941249.

39. C. -Y. Wang, Y. -C. Ou, C. -F. Wu and M. -T. Shiue. «A voltage-mode DC-DC buck converter with digital PID controller» in 2015 12th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery (FSKD), 2015, pp. 2322-2326. doi: 10.1109/FSKD.2015.7382315.

40. D. P. Nam, B. M. Thang and N. T. Thanh. «Adaptive Tracking Control for a Boost DC-DC Converter: A Switched Systems Approach» in 2018 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), 2018, pp. 702-705, doi: 10.1109/GTSD.2018.8595580.

41. Y. I. Son and I. H. Kim. «Complementary PID Controller to Passivity-Based Nonlinear Control of Boost Converters With Inductor Resistance». IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 20, no. 3, pp. 826-834, 2012, doi: 10.1109/TCST.2011.2134099.

42. K. Sakai and Y. Ishida. «An Improved Anti-windup Control Using a PI Controller» in 2015 3rd International Conference on Artificial Intelligence, Modelling and Simulation (AIMS), Dec. 2015, pp. 197-201. doi: 10.1109/AIMS.2015.39.

43. D. Kotin and I. Ivanov. «The Stable Operation Analysis of the DC Converter System into a Microgrid System, Taking into Account the Parameters of the Energy Source and the Own Parameters of the DC Converter». Preprints, Dec. 09, 2022. doi: 10.20944/preprints202212.0173.v1.

44. D. Kotin and I. Ivanov. «Research and Analysis of Stable Operation Mode of Generating Unit for Autonomous Consumer in Microgrid System». Rochester, NY, Jun. 29, 2022. doi: 10.2139/ssrn.4149515.

45. D. A. Kotin and I. A. Ivanov. «Investigation of the Stability and Frequency Properties of a Generating Complex when Operating on an Autonomous Load» in PROCEEDINGS OF THE 2021 15TH INTERNATIONAL SCIENTIFIC-TECHNICAL CONFERENCE ON ACTUAL PROBLEMS OF ELECTRONIC INSTRUMENT ENGINEERING, APEIE 2021, Novosibirsk: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2021, pp. 190-195. doi: 10.1109/APEIE52976.2021.9647494.

46. I. Ivanov and D. Kotin. «DETERMINATION OF UNSTABLE AREA OPERATION OF DC/DC CONVERTER IN POWER SUPPLY SYSTEM OF AN AUTONOMOUS CONSUMER», vol. 16, no. 1, 2024.

47. D. Maksimovic and R. Zane. «Small-Signal Discrete-Time Modeling of Digitally Controlled PWM Converters». IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 6, pp. 2552-2556, 2007, doi: 10.1109/TPEL.2007.909776.


Рецензия

Для цитирования:


Котин Д.А., Иванов И.А. Синтез системы управления понижающего преобразователя, учитывающей нелинейность объекта управления. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2024;(3):28-41. https://doi.org/10.15518/isjaee.2024.03.028-041

For citation:


Kotin D.A., Ivanov I.A. Synthesis of a control system for a buck converter that takes into account the nonlinearity of the control object. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2024;(3):28-41. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2024.03.028-041

Просмотров: 51


ISSN 1608-8298 (Print)