СНИЖЕНИЕ ПУЛЬСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОВЫШАЮЩЕМ DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ С ПОМОЩЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ РОЕМ ЧАСТИЦ

Аннотация

Чинас-Паласиос К. и др. СНИЖЕНИЕ ПУЛЬСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОВЫШАЮЩЕМ DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ С ПОМОЩЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ РОЕМ ЧАСТИЦ.

Преобразователи постоянного тока в постоянный (DC-DC) используются в различных промышленных приложениях, в основном в солнечных инверторах. Нелинейность конструкции и работы силовых преобразователей приводит к тому, что выходное напряжение и ток имеют эффект пульсации. Перегрев керамических конденсаторов — это проблема, влияющая на работу многих высокочастотных схем, и эффект пульсации повышает температуру конденсаторов. Превышение диапазонов пульсации напряжения и тока в керамическом конденсаторе может серьезно повлиять на его производительность, и даже если немедленного отказа не произойдет, перегрев конденсаторов из-за эффекта пульсации увеличит вероятность выхода из строя. Эффект пульсации можно ослабить на выходе с помощью дополнительного фильтра, однако этот фильтр также будет подвержен воздействию тех же высоких частот переключения. В первую очередь эффект пульсации зависит от выбора компонентов при проектировании преобразователя и от частоты переключения, поэтому важно правильное проектирование преобразователя. В настоящей работе представлена реализация алгоритма оптимизации роем частиц (PSO, Particle Swarm Optimization) для проектирования оптимальных параметров индуктивности, емкости и частоты переключения повышающего силового электронного преобразователя. Для моделирования преобразователя использовались MATLAB/Simulink и библиотека SPS™ Simulink. Результаты оптимального проектирования с помощью PSO сравниваются с традиционным подбором компонентов, показывая, что проектирование с помощью алгоритма имеет меньший эффект пульсации напряжения и тока на выходе преобразователя.

Ключевые слова

Ключевые слова: повышающий преобразователь, пульсация напряжения, пульсация тока, оптимизация, PSO.

1. Введение

Существуют электронные устройства, способные преобразовывать постоянный ток в цепи на более высокий или более низкий уровень напряжения на выходе, в зависимости от типа применения. Эти преобразователи часто в качестве импульсных источников питания (SMPS — Switched Mode Power Supply), а также в различных приложениях возобновляемой энергетики, где необходимо поддерживать стабильные уровни напряжения в условиях меняющейся выработки электроэнергии . Эти преобразователи известны как силовые электронные преобразователи. Как правило, они классифицируются на три категории в зависимости от их конфигурации: понижающий, повышающий и понижающе-повышающий преобразователи. Внутренне эти преобразователи требуют предварительного электронного проектирования, которое комбинирует конденсаторы, катушки индуктивности и высокочастотные коммутационные элементы в различных конфигурациях в зависимости от типа преобразователя. Поскольку преобразователи построены из нелинейных электронных элементов, их поведение будет нелинейным, и одним из следствий этой характеристики является эффект пульсации как для напряжения, так и для тока на выходе преобразователя. Эффект пульсации на выходе преобразователя, будь то по напряжению или току, заключается в наличии небольшой переменной составляющей, наложенной на теоретический постоянный выход преобразователя . Однако, подвергая нагрузки постоянного тока переменной составляющей, можно вызвать повреждения — от перегрева до сокращения срока службы вовлеченных компонентов . Для уменьшения последствий эффект пульсации обычно применяют емкостные фильтры на выходе преобразователя, однако, если эффект пульсации велик, эти фильтры также будут подвержены сокращению срока службы устройства . Другой способ уменьшить пульсации на выходе преобразователей — это правильное проектирование устройства, существуют традиционные методы, основанные на выборе компонентов с помощью формул, а также попытки применения метаэвристических методов для поиска оптимальных конфигураций .

Для решения конкретной проблемы можно прибегнуть к серии организованных шагов, описывающих процесс решения этой проблемы. Эти «алгоритмы» позволяют найти лучшее решение с помощью тестовых функций в установленном пространстве поиска. Вычислительные инструменты облегчают математические расчеты сложных уравнений, на которые человеку потребовалось бы значительное время для их правильного выполнения. Это приводит к анализу, оценке и внедрению вычислительных техник для разработки алгоритмов, способных получить лучшее приближение при поиске наилучшего результата. В природе многие организмы работают совместно для выполнения различных задач коллективно; например, при поиске пищи, выживании от хищников или строительстве убежища. На этих коллективных поведениях биологических особей основаны био-вдохновленные алгоритмы оптимизации для нахождения решения сложных уравнений в различных инженерных проблемах . Настоящая работа демонстрирует реализацию алгоритма оптимизации роем частиц (PSO, Particle Swarm Optimization) для повышающего преобразователя постоянного тока с целью снижения эффекта пульсации на выходе преобразователя путем получения значений оптимальных параметров индуктивности, емкости и частоты переключения электронного ключа, сравнивая полученные результаты с теоретическим проектированием с помощью формул для расчета параметров преобразователя.

2. Методология

Для выполнения этой работы была смоделирована схема повышающего преобразователя через модель электрического приближения с использованием специализированной библиотеки для силовых электрических систем программы Matlab, называемой SimscapePowerSystems (далее SPS™). Впоследствии алгоритм PSO был интегрирован в модель преобразователя в Simulink, и были проведены симуляционные испытания для поиска оптимальных значений индуктивности, емкости и частоты переключения электронного ключа. Кроме того, был проанализирован выходной пульсирующий сигнал напряжения после оптимизации значений преобразователя. Также была оценена эффективность преобразователя с расчетами по традиционной методологии выбора компонентов. На Рисунке 1 показано представление методологии, используемой для оценки конфигурации повышающего преобразователя.

Реализация модели преобразователя в MATLAB/Simulink

Проектирование электрической модели преобразователя было выполнено в Matlab с использованием библиотеки SPSTM Simulink. На Рисунке 2 показана разработанная конфигурация повышающего преобразователя, вместе с индуктивным и емкостным компонентами, и частотой f генератора импульсов для выбора, как с помощью алгоритма оптимизации роем частиц, так и традиционным методом проектирования. Выбранное входное напряжение составило 12В, рабочий цикл 51%, транзистор IGBT с внутренним сопротивлением 0,003 Ом, и диод общего назначения на 0,7В. Моделирование системы было проведено с использованием электрической схемы цепи, таким образом, чтобы это представление более точно включало нелинейность системы и, следовательно, более точное представление эффекта пульсации, присутствующего в силовых преобразователях.

Оптимальное проектирование параметров преобразователя

С целью снижения пульсации напряжения на выходе преобразователя был реализован алгоритм PSO для поиска оптимальных значений параметров L, C и f, таких чтобы эта пульсация была минимально возможной. Алгоритм PSO — это техника оптимизации эволюционных вычислений. Основная идея PSO возникает из коллективного поведения, наблюдаемого у различных видов животных, таких как косяки рыб и стаи птиц, для исследования и эксплуатации источников пищи. Алгоритм PSO обладает параметрами настройки инерции, социального и индивидуального поведения для каждой частицы; скорость сходимости алгоритма к решению задачи оптимизации зависит от значений настройки этих параметров [9]. Частицы оценивают целевую функцию в пространстве поиска в соответствии со своими координатами, сравнивая предыдущие результаты. Лучший результат в определенных координатах называется личным лучшим, pbest, а лучший результат целевой функции, найденный всеми частицами, известен как глобальный лучший, gbest. Каждая частица обладает скоростью, поэтому вектор скоростей для частиц представляется как V_i = (v_i1, v_i2, …, v_id). Алгоритм будет сходиться к лучшему глобальному решению по мере того, как частицы обновляют свою скорость в векторе скоростей вокруг лучших личных и глобальных решений, найденных к этому моменту. Изменения скорости генерируются через факторы ускорения, которые являются случайными числами. Скорость каждой частицы обновляется на каждой итерации согласно (1), а её положение — по (2).

Традиционное проектирование параметров преобразователя

Коммерческие преобразователи следуют ряду математических уравнений для расчета значений емкости и индуктивности в преобразователе. Для частоты переключения в повышающих преобразователях на рынке используются значения от 100 кГц до 2 МГц. Для расчета значения индуктивности использовалась формула, описанная в [10].

L = ((V_out + V_D - V_{in_min}) * (V_in)²) / (2 * 0.2 * I_out * (V_out + V_D)² * f) (3)

Где I_out — рабочий выходной ток схемы, V_out — выходное напряжение, а V_in — входное напряжение, f — частота переключения. Для случая емкости минимальное значение на выходе преобразователя рассчитывается в [8], и математическая формула выражается как:

C_{out_min} = (I_{out_max} * D) / (f_sw * R) (4)

Где C_{out_min} — минимальная выходная емкость в преобразователе, I_{out_max} — максимальный выходной ток, D — рабочий цикл, f_sw — частота переключения электронного ключа, а R — номинальная нагрузка системы.

Для случая проектирования традиционным методом выбранные значения компонентов показаны в Таблице 1.

3. Результаты и Обсуждение

Было использовано предварительно определенное пространство поиска (L в диапазоне [1мГн – 47мГн], для C [1мкФ-50мкФ] и для f [100Гц-1МГц]) для проведения симуляционных испытаний алгоритма PSO на повышающем преобразователе. Таблица 2 представляет параметры конфигурации для алгоритма оптимизации на основе роя частиц, которые записаны в файле программного кода в Matlab. Параметры L и C были настроены в пределах диапазона поиска индуктивности и емкости, коммерчески доступных на рынке, а f — в пределах уровня работы переключения на низко-средней частоте.

Таблица 2 показывает сводку для случая популяции из 2, 5, 10 и 100 частиц. Наилучшие результаты с наименьшим V_pp (напряжение размаха) пульсации получены в случае 100 частиц, имея также наименьшее время моделирования — 410 секунд. Для случая 100 частиц моделирования, полученных с помощью алгоритма PSO, окончательные результаты для параметров: f = 9,230 Гц, L = 18.4 мГн и C = 21.8 мкФ.

На Рисунке 3 показано сравнение результатов пульсации напряжения по традиционному методу и оптимизированному методу; Рисунок 3a показывает напряжения на входе, выходе и желаемое напряжение за время моделирования 2 секунды. Видно, что существует переходный процесс при запуске моделирования, когда значение напряжения достигает 32 В, что может быть вредным для компонентов из-за создаваемого выброса. На Рисунке 3b детализировано напряжение пульсации, полученное максимальное напряжение 24.5 В и минимальное напряжение 23.5 В. Однако Рисунок 3c показывает напряжения для случая оптимизированного преобразователя, наблюдая переходный процесс, не столь значительный при достижении желаемого напряжения. Кроме того, время установления сигнала значительно быстрее, чем в случае традиционного преобразователя. Рисунок 3d представляет напряжение пульсации, находящееся между значениями 24.05 В и 23.95 В.

Согласно анализу размаха напряжения, V_pp, пульсации, наблюдается, что для случая проектирования с помощью традиционной техники он составляет 1 В (см. Рисунок 3b), в то время как для случая с помощью PSO — 0.1 В (см. Рисунок 3d). Следовательно, достигается снижение V_pp пульсации на 90% при применении PSO для проектирования преобразователя.

4. Выводы

Целью данной работы была реализация алгоритма PSO для нахождения оптимальных значений параметров частоты переключения электронного ключа с помощью генератора импульсов, индуктивности катушки и емкости конденсатора в схеме повышающего силового преобразователя с целью снижения размаха пульсации напряжения на выходе. Значения, найденные алгоритмом PSO, дали размах пульсации напряжения на 90% меньший, чем полученный традиционным методом, поэтому этот алгоритм, вдохновленный природой биологических организмов, оказывается полезным инструментом для оптимального проектирования силовых преобразователей. Следует упомянуть, что наилучшие результаты, полученные для значений L, C и f, являются идеальными, и необходимо будет искать коммерческие компоненты, приближающиеся к этим смоделированным значениям, чтобы получить наименьшую возможную пульсацию. Несмотря на это, алгоритм показал очень хороший отклик и был очень эффективен в проведенных симуляциях с преобразователем. В целом, наилучшее решение проблемы оптимизации производительности электронного преобразователя было найдено с помощью метода алгоритма роя частиц эффективным образом.

5. Ссылки

1. J. T. Bialasiewicz et al., "Power-Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Energy Sources: A Survey," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 4, pp. 1002–1016, 2006.
2. M. W. Marosek, (Август 2002). 60V step-down DC/DC converter maintains high efficiency over a Wide Range of Input Voltages, Analog Devices [online] Vol. N/A, Art. # N/A. https://www.analog.com/en/technical-articles/60v-3a-step-down-dcdc-converter-maintains-high-efficiency-over-wide-rage-input-voltage.html# Elsevier Inc., 2015. Проверено в Октябре 2019.
3. S. Banerjee, A. Ghosh, and N. Rana, "An Improved Interleaved Boost Converter with PSO-Based Optimal Type-III Controller," IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron., vol. 5, no. 1, pp. 323–337, 2017.
4. Y. Gu and D. Zhang, "Interleaved boost converter with ripple cancellation network," IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 8, pp. 3860–3869, 2013.
5. A. N. Kasiran, A. Ponniran, N. A. S. Ngamidun, M. S. Shaili, A. M. Zaini, and M. H. Yatim, "Optimum Phase Selection of Многофазного чередующегося повышающего DC-DC преобразователя для снижения токовой нагрузки и потерь в коммутационных устройствах, Int. J. Integr. Eng., vol. 11, pp. 11-18, 2019.
6. A. Mehmood, I. U. H. Shaikh, and A. Ali, "Comparative analysis of Different Control Techniques on Interleaved Boost Converter in Discrete Time Domain," Proc. 2019 16th Int. Bhurban Conf. Appl. Sci. Technol. IBCAST 2019, pp. 366-370, 2019.
7. K. Prithivi, M. Sathyapriya, and L. A. Kumar, "Output Voltage Ripple (OVR) Reduction of Boost Converter Using Particle Swarm Optimization," Circuits Syst., vol. 07, no. 12, pp. 4009-4023, 2016.
8. J. Arrigo, "Application Report: Input and Output Capacitor Selection," 2006.
9. Y. Shi and R. Eberhart, "A modified particle swarm optimizer," in 1998 IEEE International Conference on Evolutionary Computation Proceedings. IEEE World Congress on Computational Intelligence (Cat. No.98TH8360), pp. 69-73.
10. W. Elektronik, "Power Inductors & Design Tips: A practical guide for the selection of power inductors for DC / DC converters."