مقایسه کنترل پیش‌بین FCS-MPC و کنترل پیش‌بین مبتنی بر تئوری لیاپانوف در یکسوساز PUC هفت‌سطحی
الموضوعات :
علی محمد محمدپور بهبید
1
(مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر)
محمدرضا علیزاده پهلوانی
2
(مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر)
آرش دهستانی کلاگر
3
(مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر)
علیرضا داوری
4
(دانشکده برق، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی)
الکلمات المفتاحية: تابع لیاپانوف, کنترل پیش‌بین با ورودی محدود (FCS-MPC), مبدل چندسطحی, مبدل PUC هفت‌سطحی(PUC7),
ملخص المقالة :
در این مقاله، دو روش کنترل پیش‌بین برای یکسوساز چندسطحی با خروجی دوگانه مقایسه شده است. ساختار مورد بررسی، یکسوساز PUC هفت‌سطحی است که بر اساس قابلیت اطمینان بالا و هزینه کم انتخاب شده است. افزایش تعداد سطوح ولتاژ ورودی به کاهش دامنه هارمونیک‌ها و به تبع آن، کاهش حجم فیلترهای توان کمک می‌کند. از طرفی هدایت جریان در این مبدل به‌صورت پیوسته انجام می‌شود و مشکلات گسستگی جریان مانند پیچیدگی در تحلیل و اجبار به استفاده از فیلترهای القایی بزرگ در سمت DC برطرف می‌گردد. در مرحله اول، طراحی بر اساس روش FCS-MPC انجام شده و دو ولتاژ خروجی متفاوت با نسبت‌های 1 و 3 به‌دست آمده و کنترل مقادیر DC خروجی و رسیدن به ضریب توان واحد به‌خوبی تأمین گردیده است. سپس برای رسیدن به پایداری بهتر در سیستم از روش MPC مبتنی بر تئوری لیاپانوف استفاده شده است. در این روش، متغیرهای هدف در دل تابع لیاپانوف تعریف شده‌اند و تابع هزینه نیز برگرفته از همان تابع لیاپانوف می‌باشد. از مزایای این رهیافت نسبت به روش MPC معمولی، عدم نیاز به تنظیم بهره، پیاده‌سازی آسان‌تر و تعداد سنسورهای کمتر است (جریان بار با استفاده از مدل ریاضی یکسوساز 7PUC تخمین زده می‌شود). شبیه‌سازی هر دو روش FCS-MPC و MPC مبتنی بر روش لیاپانوف با استفاده از Matlab/Simulink انجام شده و نتایج هر دو روش در کنار هم، ارائه و با یکدیگر مقایسه گردیده‌اند. نهایتاً مشاهده می‌شود که در روش مبتنی بر لیاپانوف، رهگیری جریان به‌صورتی نرم‌تر و با نوسانات کمتری انجام شده و ولتاژ هفت‌سطحی یکسوساز نیز الگویی منظم‌تر و شکل سینوسی بهتری دارد.
[1] X. Zhang, G. Tan, T. Xia, Q. Wang, and X. Wu, "Optimized switching finite control set model predictive control of NPC single-phase three-level rectifiers," IEEE Trans. Power Electron., vol. 35, no. 10, pp. 10097-10108, Oct. 2020.
[2] S. H. Kim, R. Y. Kim, and S. I. Kim, "Generalized model predictive control method for single-phase N-level flying capacitor multilevel rectifiers for solid state transformer," IEEE Trans. Industry Applications, vol. 55, no. 6, pp. 7505-7514, Dec. 2019.
[3] X. Wu, C. Xiong, F. Diao, and Y. Zhang, "Modularized model predictive control scheme with capacitor voltage balance control for single-phase cascaded H-bridge rectifier," in Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE'18, pp. 4021-4023, Portland, OR, USA, 23-27 Sept. 2018.
[4] Y. Ounejjar, K. Al-Haddad, and L. A. Grégoire, "A novel high energetic efficiency multilevel topology with reduced impact on supply network," in Proc. 34th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON'15, pp. 489-494, Orlando, FL, USA, 10-13 Nov. 2015.
[5] H. Vahedi, H. Y. Kanaan, and K. Al-Haddad, "PUC converter review: topology, control and applications," in Proc. 41st Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON'15pp. 4334-4339, Yokohama, Japan, 9-12 Nov. 2015.
[6] K. Rafael, S. Ventura, M. Abarzadeh, and K. Al-Haddad, "23-level single DC source hybrid PUC (H-PUC) converter topology with reduced number of components: real-time implementation with model predictive control," IEEE Open J. of the Industrial Electronics Society, vol. 1, pp. 127-137, 2020.
[7] M. Sharifzadeh and K. Al-Haddad, "Packed E-cell (PEC) converter topology operation and experimental validation," IEEE Access, vol. 7, pp. 127-137, 2020.
[8] Y. Ounejjar and K. Al-Haddad, "Current control of the three phase five-level PUC-NPC converter," in Proc. 38th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON'12, pp. 4949-4954, Montreal, QC, Canada, 25-28 Oct. 2012.
[9] Y. Ounejjar and K. Al-Haddad, "Multiband hysteresis controller of the novel three phase seven-level PUC-NPC converter," in Proc. 39th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON'13, pp. 6257-6262, Vienna, Austria, 10-13 Nov. 2013.
[10] Y. Ounejjar and K. Al-Haddad, "A novel 31-level packed U cells converter," in Proc. Int. Conf., Power Engeneering, Energy and Electrical Drivers, POWERENG'11, 6 pp., Malaga, Spain, 11-13 May 2011.
[11] M. Babaie, M. Mehrasa, M. Sharifzadeh, and K. Al-Haddad, "Low frequency finite set model predictive control for seven-level modified packed U-cell rectifier," in Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE'19, pp. 2719-2724, Baltimore, MD, USA, 29 Sept.-3 Oct. 2019.
[12] M. Sleiman, H. F. Blanchette, L. A. Gregoire, H. Kanaan, and K. Al-Haddad, "Model predictive control of a dual output seven-level rectifier," in Proc. 41st Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON'15, vol. 5, pp. 005292-005297, Yokohama, Japan. 9-12 Nov. 2015.
[13] H. Makhamreh, M. Trabelsi, O. Kukrer, and H. Abu-Rub, "A lyapunov-based model predictive control design with reduced sensors for a PUC7 rectifier," IEEE Trans. Industrial Electron., vol. 68, no. 2, pp. 1139-1147, Feb. 2021.
[14] M. Babaie, M. Mehrasa, M. Sharifzadeh, and K. Al-Haddad, "Floating weighting factors ANN-MPC based on lyapunov stability for seven-level modified PUC active rectifier," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 69, no. 1, pp. 387-398, Jan. 2022.
[15] H. Vahedi and K. Al-Haddad, "A novel multilevel multi-output bidirectional active buck PFC rectifier," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 9, pp. 5442 - 5450, Sept. 2016.
[16] F. B. Grigoletto, D. Schuetz, L. A. Junior, F. M. canielutti, and H. pinheiro, "Space vector modulation for packed-U-cell converters (PUC)," in Proc. 44th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON'18, pp. 4498-4503, Washington, DC, USA, 21-23 Oct. 2018.
[17] M. Abarzadeh, S. Peyghami, and K. Al-Haddad, "Reliability and performance improvement of PUC converter using a new single-carrier sensor-less PWM method with pseudo reference functions," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 36, no. 5, pp. 6092-6105, May 2021.
[18] A. Iqbal and M. Meraj, "Experimental investigation and comparative evaluation of standard level shifted multi-carrier modulation schemes with a constraint GA based SHE techniques for a seven-level PUC inverter," IEEE Access, vol. 7, pp. 100605-100617, 2019.
[19] R. Vasu, S. K. Chattopadhyay, and C. Chakraborty, "Seven-level packed U-cell (PUC) converter with natural balancing of capacitor voltages," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 56, no. 5, pp. 5234-5244, Sept./Oct. 2020.
[20] Y. Ounejjar, K. Al-Haddad, and L. A. Grégoire, "Packed U cells multilevel converter topology: theoretical study and experimental validation," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 4, pp. 1294-1306, Apr. 2011.
[21] M. Y. Vialba Onizuka, R. C. Garcia, and J. O. Pereira Pinto, "Control of a 7-levels PUC Based three phase inverter through vector current control and hybrid modulation," in Proc. 42nd Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON'16, pp. 6488-6493, Florence, Italy, 23-26 Oct. 2016.
[22] M. Trabelsi, S. Bayhan, K. A. Ghazi, H. Abu-Rub, and L. Ben-Brahim, "Finite-control-set model predictive control for grid-connected packed-U-cells multilevel inverter," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 63, no. 11, pp. 7286-7295, Nov. 2016.
