کاربرد کنترل پیش بین در الکترونیک قدرت- بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، در این آموزش، درباره کنترل پیش بین در الکترونیک قدرت بحث خواهیم کرد و به نوع خاصی از کنترل پیش‌بین خواهیم پرداخت که اغلب در الکترونیک قدرت کاربرد دارد. این روش، کنترل پیش‌بین مدل با مجموعه ورودی متناهی (Finite Control Set Model Predictive Control) یا FCS-MPC نام دارد که در ادامه با آن آشنا خواهیم شد.

کنترل مبدل‌های الکترونیک قدرت

تاکنون روش‌های متعددی برای کنترل مبدل‌های الکترونیک قدرت ارائه شده که شکل ۱ رایج‌ترین آن‌ها را نشان می‌دهد.

شکل ۱: روش‌های مختلف کنترل مبدل‌های الکترونیک قدرت

در میان این کنترل‌کننده‌ها، کنترل هیسترزیس و خطی به مدولاسیون پهنای پالس (PWM) وابسته هستند. کنترل هیسترزیس با استفاده از ماهیت غیرخطی مبدل‌های الکترونیک قدرت، نحوه کلیدزنی را بر اساس مقایسه متغیر اندازه‌گیری شده با مرجع آن و با توجه به عرض هیسترزیس داده شده برای خطا تعیین می‌کند. از این نوع کنترل‌کننده می‌توان در کاربرد‌های ساده مانند کنترل جریان و همچنین کاربرد‌های پیچیده‌تر مانند کنترل مستقیم توان (Direct Power Control) یا DPC استفاده کرد. این کنترل‌کننده آنالوگ است و برای پیاده‌سازی آن در یک بستر دیجیتال، فرکانس نمونه‌برداری بسیار بالایی مورد نیاز است.

با توجه به امکان مدولاسیون، می‌توان از هر کنترل‌کننده خطی برای مبدل‌های قدرت استفاده کرد. کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی (PI) از شناخته شده‌ترین و متداول‌ترین این کنترل‌کننده‌ها است. طراحی کنترل خطی با مدولاسیون، اغلب مستلزم تبدیلات خاصی به فضای مدل میانگین است. علاوه بر این، اعمال کنترل خطی به یک سیستم غیرخطی شاید نتواند در سراسر محدوده دینامیکی کارایی مناسبی در پی داشته باشد. با این اوصاف، وجود یک مرحله مدولاسیون اضافه، چند مرحله طراحی و ملاحظات برای رسیدن به یک طرح کنترل مناسب، می‌تواند برای برخی از مبدل‌های قدرت مانند مبدل‌های ماتریسی (Matrix Converters)، مبدل‌های چندسطحی (Multilevel Converters) و ... بسیار چالش‌برانگیز باشد. علاوه بر این، در طراحی کنترل خطی، نمی‌توان به طور مستقیم محدودیت‌های سیستم و الزامات فنی (مانند THD، حداکثر جریان، حداکثر فرکانس کلیدزنی و غیره) را در سیستم‌های الکترونیک قدرت گنجاند.

با توسعه ریزپردازنده‌های قوی‌تر، روش‌های کنترلی جدیدتری برای غلبه بر مشکلات قبلی ارائه شده که برخی از مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از: کنترل‌کننده‌هایی که بر اساس منطق فازی و یا شبکه‌های عصبی هستند، کنترل حالت لغزشی و کنترل پیش‌بین.

استفاده از منطق فازی و شبکه‌های عصبی برای کاربرد‌هایی که در آن، سیستم کنترل و یا برخی از پارامتر‌های آن ناشناخته باشد مناسب است. کنترل حالت لغزشی قوام مناسبی دارد و به خوبی از ماهیت کلیدزنی مبدل‌ها برای طراحی کنترل‌کننده استفاده می‌کند، اما پیچیدگی این کنترل‌کننده از نقاط چالش‌برانگیز آن است.

در بین روش‌های کنترلی جدید، کنترل پیش‌بین گزینه بسیار جذاب و مناسبی برای مبدل‌های قدرت است. کنترل پیش‌بین، خانواده گسترده‌ای از کنترل‌کننده‌ها را با رویکرد‌های متفاوت در بر می‌گیرد. ایده مشترک همه این کنترل‌کننده‌ها عبارت است از استفاده از مدل سیستم برای محاسبه پیش‌بینی رفتار آینده متغیر‌های کنترل شده و استفاده از یک معیار بهینه‌سازی برای انتخاب عملگر مناسب. در بخش بعدی مفاهیم و نحوه عملکرد این کنترل‌کننده را بیان می‌کنیم.

کنترل پیش بین در الکترونیک قدرت

همان‌گونه که گفته شد در بین روش‌های کنترلی جدید برای مبدل‌های الکترونیک قدرت، کنترل پیش‌بین با استقبال بسیار خوبی مواجه شده است. زیرا از یک سو با توجه به ویژگی‌های این روش، محدودیت‌هایی، چون چندمتغیره بودن سیستم، رفتار غیرخطی آن و وجود قیود مختلف، مشکل‌ساز نخواهد بود و از سوی دیگر با پیشرفت علم الکترونیک و روی کار آمدن پردازنده‌های قوی، دیگر نباید انجام محاسبات فراوان را در این روش مشکلی جدی قلمداد کرد. مبدل‌های قدرت سیستم‌هایی هستند که طبیعتی ترکیبی (گسسته و پیوسته) دارند و وجود بخش‌های خطی و غیرخطی در آن‌ها و نیز تعداد متناهی وضعیت‌های کلیدزنی به عنوان ورودی کنترلی سیستم، کنترل آن‌ها را با چالش مواجه کرده است. همچنین وجود قید‌ها و محدودیت‌هایی، چون حداکثر ولتاژ و جریان خروجی در این مبدل‌ها امری اجتناب‌ناپذیر است. شکل ۲ ویژگی‌های مبدل‌های الکترونیک قدرت و تناسب آن‌ها را با مشخصات کنترل پیش‌بین نشان می‌دهد.

شکل ‏۲: ویژگی‌های ذاتی مبدل‌های الکترونیک قدرت برای استفاده از کنترل پیش‌بین

کنترل پیش‌بین به یک الگوریتم خاص محدود نبوده و خانواده بزرگی از کنترل‌کننده‌ها را شامل می‌شود. از انواع کنترل‌کننده‌های پیش‌بین موجود برای کنترل مبدل‌های الکترونیک قدرت می‌توان به کنترل ناحیه مرده (Deadbeat Control)، کنترل پیش‌بین مبتنی بر هیسترزیس (Hysteresis-based Predictive Control) و کنترل پیش‌بین مدل (Model Predictive Control) یا MPC اشاره کرد.

یکی از شناخته شده‌ترین طرح‌های کنترل پیش‌بین، کنترل ناحیه مرده است که با استفاده از مدل سیستم، ولتاژی را که باعث می‌شود خطا در یک زمان نمونه‌برداری صفر شود محاسبه کرده و سپس با استفاده از یک مدولاتور به سیستم اعمال می‌کند. این روش هنگامی که یک پاسخ دینامیکی سریع مورد نیاز است، اغلب با شکست مواجه می‌شود. در واقع، خطا در مقادیر پارامتر‌های مدل، تأخیرِ مدل‌نشده و خطا‌های دیگر در مدل، عملکرد سیستم را با مشکل مواجه می‌سازد و حتی ممکن است منجر به ناپایداری شود. نقطه ضعف دیگر این طرح کنترلی آن است که ویژگی‌های غیرخطی و محدودیت‌های متغیر‌های سیستم را نمی‌تواند به خوبی کنترل کند.

اساس کار کنترل پیش‌بین مبتنی بر هیسترزیس، نگه داشتن متغیر‌های سیستم بین مرز‌های یک ناحیه یا فضای هیسترزیس است. فرکانس کلیدزنی در این کنترل‌کننده متغیر است.

کنترل پیش‌بین مدل از استراتژی‌های بسیار قدرتمند است که به تازگی در الکترونیک قدرت استفاده شده است. در بخش بعدی مختصری درباره MPC توضیح خواهیم داد.

ایده اصلی کنترل پیش‌بین مدل یا کنترل افق پیش‌رو (Receding Horizon Control) یا RHC در دهه ۱۹۶۰ معرفی شد و پس از آن در دهه ۱۹۷۰ در کابرد‌های کنترل صنعتی و به ویژه در صنایع شیمیایی مورد توجه و استفاده قرار گرفت. سپس این رویکرد کنترلی وارد فضای دانشگاهی و تحقیقاتی گردید و با استقبال محققان مواجه شد. مراجع مختلف، انواع کنترل‌کننده‌های پیش‌بین را به خوبی شرح داده و مقایسه کرده‌اند. در کاربرد‌های الکترونیک قدرت، MPC را می‌توان در دو دسته تقسیم‌بندی کرد: کنترل پیش‌بین مدل با مجموعه ورودی پیوسته (Continues Control Set Model Predictive Control) یا CCS-MPC و کنترل پیش‌بین مدل با مجموعه ورودی متناهی (Finite Control Set Model Predictive Control) یا FCS-MPC.

تفاوت عمده این دو کنترل‌کننده را می‌توان در نوع مدل‌سازی، پیاده‌سازی و البته پیچیدگی آن‌ها دانست. کنترل پیش‌بین مدل با مجموعه ورودی پیوسته، در بستر مدل میانگین در فضای حالت برای مبدل الکترونیک قدرت تعریف می‌شود. بر این اساس، ورودی در مدل، یک پارامتر پیوسته خواهد شد که در یک بازه محدود است. همچنین فرکانس کلیدزنی ثابت بوده و استراتژی کنترلی از طریق یک مدولاتور به سیستم اعمال خواهد شد. این نوع کنترل پیش‌بین معمولاً برای سایر سیستم‌ها نیز به کار می‌رود و خاص سیستم‌های الکترونیک قدرت نیست. با استفاده از مدل‌سازی هایبرید نیز ورودی پیوسته و محدود خواهد شد و برای پیاده‌سازی کنترل‌کننده فرکانس کلیدزنی ثابت است.

کنترل پیش‌بین مدل با مجموعه ورودی متناهی، از طبیعت گسسته مبدل‌های الکترونیک قدرت به منظور کاهش محاسبات و زمان پردازش اطلاعات استفاده می‌کند. همان‌طور که می‌دانیم، در یک مبدل، کلید‌ها فقط می‌توانند در دو وضعیت قطع و وصل باشند و ترکیب آن‌ها نیز تعداد محدودی از وضعیت‌های مختلف را ایجاد می‌کند. با استفاده از این ویژگی ذاتی، می‌توان مدل کلیدزنی مبدل را به سادگی ارائه کرد و پیش‌بینی را تنها به وضعیت‌های محدود مذکور خلاصه نمود. عناصر اصلی این طرح کنترلی، مدل ریاضی سیستم و تابع هزینه از پیش تعریف شده است.

در بخش بعدی، مفاهیم اساسی مربوط به FCS-MPC به طور خلاصه توضیح داده می‌شود. علاوه بر این، روش طراحی این طرح کنترلی بیان خواهد شد.