Docstoc

(PPT file) RES Thesis Presentation - Ioannis Mandourarakis

Document Sample
(PPT file) RES Thesis Presentation - Ioannis Mandourarakis Powered By Docstoc
					     Έρευνα για την εφαρμογή ενός υβριδικού συστήματος
διαχείρισης Ήπιων Μορφών Ενέργειας σε οικιακή / βιομηχανική
            κλίμακα με τη χρήση Ασαφούς Λογικής




                                  Παρουσίαση : Μανδουραράκης Ιωάννης
                                                                 1
Αφορμή Εργασίας (περιγραφή προβλήματος)
1.   Εφαρμογή FLC σε Υβριδικά Συστήματα ΑΠΕ
2.   Εξέταση ανταγωνιστικότητας έναντι κλασικών μεθόδων
     - Πόσο εύκολα σχεδιάζεται; (κόπος, χρόνος, κόστος);
     - Αποτελέσματα; (αξιοπιστία, επιδόσεις)

Μεθοδολογία (προσέγγιση/επίλυση προβλήματος)
1.   Μαθηματική Ανάλυση > Συστημική Μοντελοποίηση
2.   Εξομοιώσεις (MATLAB / Simulink)

Χαρακτηριστικά Συστήματος (προδιαγραφές)
•    Δομή συστήματος (αρθρωτό & βαθμωτό - modular & scalable)
•    Αρχιτεκτονική (δόμηση υποσυστημάτων)
•    Τοπολογία (συνεργασία & συμβατότητα υποσυστημάτων)
     - Κατανεμημένα ηλεκτρονικά ισχύος και ελεγκτές (DCS)
•    Ειδικά για ΑΠΕ : Ηλεκτρική απομόνωση εισόδων / εξόδων
     - (Απρόβλεπτες διακυμάνσεις εισόδων   / Ομαλή λειτουργία εξόδων)
•    Εξασφάλιση MPPT (Μέγιστη αξιοποίηση εκάστοτε προσφερόμενης ισχύος)
•    Παραμετροποιήσιμο & Αυτοπροσαρμοζόμενο
•    Αυτόνομο ή Διασυνδεδεμένο
                                                                          2
Προτεινόμενο Υβριδικό Σύστημα (Σχηματική Διάταξη)                                   >>> Θεωρία


3 ΑΠΕ (είσοδοι) (Ανεμογεννήτρια, Συστοιχία Φωτοβολταικών, Κυψέλη Καυσίμου)
1 ανορθωτικό σύστημα (AC-DC), 5 DC-DC μετατροπείς, 1 κατανεμητής ισχύος, 2 αντιστροφείς (DC-AC)




                                                                                          3
Ανεμογεννήτρια     (6.5kW 9m/sec 265rpm β=2) [3m/sec - 12m/sec δηλ. 2.5 - 6 Beaufort]

Διάφορα είδη αιολικών μηχανών (HAWT ή VAWT, 2 ή 3 ή 3+ blades)
Διάφορα είδη ηλεκτρογεννητριών (Βασικότερη διάκριση : DC ή AC)
                                                   13,πτερύγια Motor)
                                                   1. 14. (Yaw
                                                   2. ρότορας
                                                   3. (Pitch)
                                                    • κλίση μετώπης προς άνεμο :
                                                   3. Στρέψη(β) (Pitch)
                                                      σύστημα πέδησης (δισκόφρενο)
                                                   4. συλλογή αιολικής ενέργειας
                                                    • κύριος άξονας
                                                   5. Αποστροφή μετώπης από άνεμο :
                                                      προστασία των ηλεκτρομηχανικών
                                                      κιβώτιο : 5,6,1,15 και
                                                   6. στελεχώνταχυτήτων 7
                                                   7. ηλεκτρογεννήτρια
                                                      Προστασία και μέσω πέδησης :
                                                    • ελεγκτής
                                                   8. Μηχανική (δισκόφρενο)
                                                    • ανεμόμετρο (μέτρο)
                                                   9. Ηλεκτρική (dump load)
                                                   10.ανεμοδείκτης (διεύθυνση)
                                                    • Αλλάζει τα αεροδυναμικά
                                                      χαρακτηριστικά της Α/Γ >> MPPT
                                                   11.καλύπτρα
                                                   12.άξονας ηλεκτρογεννήτριας
                                                      Η διατήρηση της Α/Γ στο MPP γίνεται
                                                      και μέσω ηλεκτρομαγνητικής πέδησης
                                                   13.σύστημα εκτροπής μετώπης
                                                      (regenerative brakes).
                                                   14.Μοτερ (Yaw Motor)μέσω των
                                                      Η ροπή πέδησης εκδηλώνεται
                                                      αναπτυσσόμενων δυνάμεων Lorentz.
                                                   15.πύργος
                                                                                        4
Ανεμογεννήτρια (Υποσυστήματα)
1.   Σύστημα συλλογής αιολικής ενέργειας [2 εκδοχές ανάλογα με το βήμα ακροπτερυγίου]
2.   Σύστημα μετάδοσης κίνησης (μέσω κύριου άξονα Α/Γ)
3.   Σύστημα εναλλάκτη ταχυτήτων (μαζί με τον συμπλέκτη) [2 εκδοχές : ANN & AutogearSet ή CVT]
4.   Σύστημα ηλεκτρογεννήτριας [2 εκδοχές : DC ή AC]




                                                                                                 5
Ανεμογεννήτρια (MPPT - Τι, γιατί και πως;)
Απόδοση / Επιδόσεις (Βέλτιστη τιμή σ.α.λ. σε σχέση με ταχύτητα ανέμου)
                                                    1
Διαθέσιμη αιολική ισχύς :               Pavailable       R 2 Vw3                                (7.9)
                                                    2
                                                                                                                            Σχέση μηχανικής ισχύος Α/Γ με
Συντελεστής ισχύος :                C p  Pw / Pavailable                                            (7.10)
                                                                                                                            γωνιακή ταχύτητα του άξονά της.
                                                                                                                            Pitch σταθερό (β=2 μοίρες)
                                                                                                                            Σχέση Pw(wm) >> σχέση Vw(wm)
                                                                                                                            Η Pw εξαρτάται από :
                                                                                                                            1. Γεωμετρικά (αεροδυναμικά)
                                                                                                                               χαρακτηριστικά της Α/Γ
           Θεωρητικό ανώτατο όριο της τάξης                                                                                 2. Το μέτρο της Vw

        του 16/27 περίπου ίσο με 0.593 (59.3%) ,                                                                            Μελέτη σχέσης μεταξύ των ζευγών
          γνωστό και ως όριο του (Albert) Betz.                                                                             (Vw, mw) (για τα οποία η Α/Γ λειτου-
                                                                                                                            ργεί στο MPP) με το P(u) = Vw/wm.

                                                                                                                            Σημείωση :
                                                                                                                            Για β σταθερό (=2 μοίρες) είναι
                                                                                                                            P(u) σταθερό (=2.5538 ras/sec)
                                                                                                                            Σε διαφορετική περίπτωση, η καμπύλη
                                                                                                                            που διατρέχει τα κατάλληλα ζεύγη
                                                                                                                            (Vw, mw) κατά το MPP, εκτιμάται από
Σχήμα 7.21 : Σχέση της μηχανικής ισχύος της Α/Γ με τη γωνιακή ταχύτητά του άξονά της για διάφορες τιμές ταχύτητας ανέμου.   το P(u) παραμετρικά ως προς το β.
                                                                                                                                                              6
Ανεμογεννήτρια (MPPT - Τι, γιατί και πως;)
Επενέργεια των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών στον συντελεστή ισχύος (Cp)
                                         1
                                                R 2 Vw3  C p ( ,  )  cos2 ( )
Ισχύς στον άξονα της αιολικής μηχανής : Pw                                                                 (7.15)
                                         2
                                                                      c2                  5
                                                                                             c

Συντελεστήςο υπολογισμός του μεταβλητής κλήσης : C p ( ,  )  c1    c3    c4   e  c6  
 Σύνθετος ισχύος για πτερωτές Cp(λ,β)                                                                       (7.16)
                                                                      i                
                                                          R  wm           1           1         0.035
 Μη-γραμμική σχέση μεταξύ Cp και λ ή β      όπου                  και                     3        (7.14, 7.17)
                                                            Vw             i   0.08     1




                                              Λόγος (ταχύτητας) ακροπτερυγίου                               c1  0.5176
                                                          [φυσική σημασία]
                                                                                                            c2  116
                                                                                                            c3  0.4
                                                                                                            c4  5
                                                                                                            c5  21
                                                                                                            c6  0.0068




 Σχήμα 7.23 : Χαρακτηριστικές συντελεστή ισχύος Cp σε σχέση με το λόγο ακροπτερυγίου λ για διάφορες γωνίες κλίσης (β).
                                                                                                                7
Ανεμογεννήτρια (MPPT - Τι, γιατί και πως;)
Γεωμετρικός τόπος των σημείων που ορίζει τις τιμές που λαμβάνει ο λόγος ακροπτερυγίου (λ) (και κατ’επέκταση
το P(u) = Vw/wm) καθώς αλλάζει η γωνία κλίσης των πτερυγίων (β) έτσι ώστε η Α/Γ να λειτουργεί στο MPP.



                                                                                                μοβ : 1 μοίρα
                                                                                                κίτρινα : 1/10 μοίρας




Σχήμα 7.24 : Η κόκκινη καμπύλη δείχνει την ιδανική σχέση μεταξύ του συντελεστή ισχύος Cp και του λόγου ακροπτερυγίου
                                                                                                                8
      λ ώστε η Α/Γ να λειτουργεί στο σημείο μέγιστης παραγωγής ισχύος για κάθε τιμή της γωνίας κλίσης των πτερυγίων β.
Ανεμογεννήτρια (υποσύστημα αιολικού συλλέκτη)
Από τι αποτελείται; Τι υπολογίζει;
2 εκδοχές : Πτερύγια σταθερής ή μεταβλητής κλίσης
• Σταθερής κλίσης >> M.T.Iqbal στο [32] (β=2μοίρες)
• Μεταβλητής κλίσης >> R. II. Ovando, J. Aguayo & M. Cotorogea στο [59]
                       (για μεταβολή από 0 έως 55 μοίρες)

Το εύρος προέκυψε από τη σχέση που πρέπει να τηρείται μεταξύ των
                                                                                                                        Δυναμικός Υπολογισμός
λ_optimal (τιμή λ για την οποία Cp=Cpmax) και β ώστε το σύστημα να
λειτουργεί στο MPP.                                                                                                  αεροδυναμικών συντελεστών :
                                                                                                                 •   λ (lambda) (λόγος ακροπτερυγίου)
                                                                                                                 •   β (beta) (γωνία κλίσης πτερυγίων)
                                                                                                                 •   Cp (συντελεστής ισχύος)
                                                                                                                 •   Cq (συντελεστής ροπής)
                                                                                                                 •   θ (εκτροπή μετώπης)

                                                                                                                 Απαραίτητος ο υπολογισμός τους!
                                                                                                                 Αποτελούν μεταβλητές κατάστασης
    Σχήμα 7.22 : Ιδανική σχέση γωνίας κλίσης πτερωτών β και λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ.
                                                                                                                 βάσει των οποίων οι αρμόδιοι FLC
     Σχήμα 7.14 : Simulink διάγραμμα του μοντέλου του μηχανικού συστήματος συλλογής αιολικής ενέργειας.
                                                                                                                 αποφασίζουν για τις ενέργειες που
 (Αεροδυναμική) ροπή : Tw Kq Vw  Cq ( )  cos2 ( )
                                   2
                                                                                                        (7.11)   θα ληφθούν ώστε η λειτουργία της
                                 1                                                                               Α/Γ να διατηρείται στο MPP.
                    όπου K q       R
                                              3
                                                                                                        (7.12)
                                 2
                                                                                                                  Σύστημα εκτροπής μετώπης / πύργου
 Σχέση μηχανικής ροπής και ισχύος : Pw  Tw  wm                                                        (7.13)
                                                                                                                 σύμφωνα με προκαθορισμένo PWΜΑΧ.
                                                                                                                                                  9
     Σχήμα 7.15 : Simulink διάγραμμα του συστήματος ελέγχου εκτροπής του πύργου της αιολικής μηχανής.
Ανεμογεννήτρια (υποσύστημα κύριου άξονα Α/Γ)
Από τι αποτελείται; Τι υπολογίζει;
>> Προσομοιώνει τη δυναμική της κινητήριας συμπεριφοράς του κύριου άξονα.
(δηλαδή περιγράφει το ισοζύγιο μεταξύ των αντίρροπων δυνάμεων που ασκούνται επάνω στον κύριο άξονα)
Οι ροπές που εφαρμόζονται ανα πάσα στιγμή είναι :
• Αιολική (μηχανική) που προκύπτει από την ενέργεια του ανέμου
• Ηλεκτρομαγνητική (Lorentz) λόγω μαγνητικών πεδίων ηλεκτρογεννήτριας
• Συνισταμένης τριβών του άξονα στα διάφορα σημεία εξάρτησης με το φέρον σύστημα


                                                             Κινητική κατάσταση του κύριου άξονα (αδράνειας J) της Α/Γ :
                                                                                 dwm
                                                                            J        Tw  Te  B  wm           (7.18)
                                                                                  dt
  Σχήμα 7.16 : Simulink διάγραμμα του συστήματος μετάδοσης
               κίνησης (μέσω του κύριου άξονα) της Α/Γ.


                     (υποσύστημα Εναλλαγής και Σύμπλεξης ταχυτήτων)
Χρησιμοποιείται (σε 2 εκδοχές) και μόνο εφόσον η ηλεκτρογεννήτρια είναι AC.
• Διακριτών σχέσεων μετάδοσης (με χρήση ANN ή AutogearBox)
• Συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης (με χρήση CVT)

Σκοπός του κιβωτίου : είναι να μεταβάλει τη σχέση μεταξύ των γωνιακών ταχυτήτων του
κύριου άξονα της αιολικής μηχανής (wm) και του ρότορα της ηλεκτρογεννήτριας (we) ώστε
να διατηρεί τις στροφές της και κατ' επέκταση τη συχνότητα (f) της παραγόμενης τάσης και
ρεύματος σε μια μικρή περιοχή κοντινών συχνοτήτων.                                                                10
Ανεμογεννήτρια (υποσύστημα Εναλλαγής και Σύμπλεξης ταχυτήτων)
Από τι αποτελείται; Τι υπολογίζει;
                                                                                                     Έχει ληφθεί ιδιαίτερη μέριμνα ώστε
                                                                                                     οι εναλλαγές των ταχυτήτων να
                                                                                                     συμβαίνουν μόνο εφόσον κάτι τέτοιο
                                                                                                     βελτιώνει την τελική απόδοση και δεν
                                                                                                     καταπονεί το σύστημα σύμπλεξης.

                                                                                                     Ρυθμιζόμενο σύστημα ανίχνευσης (και
                                                                                                     απόρριψης) ριπών ανέμου.

                                                                                                     2 ΤΝΔ και συγκριτής που επιλέγει αν
                                                                                                     η νέα ενεργή σχέση μετάδοσης θα
                                                                                                     πρέπει να αντιστοιχεί στη μέση ή την
           Σχήμα 7.18 : Αντιστοίχιση μεταξύ ταχύτητας ανέμου και ιδανικής σχέσης μετάδοσης           τρέχουσα ταχύτητα ανέμου. (100-3)
                        στο (συνεχές ή διακριτό) κιβώτιο ταχυτήτων.


Απαραίτητα δεδομένα για τον υπολογισμό της καμπύλης σχήματος :                                       2 μέθοδοι εκτίμησης κατάλληλης
1. το εύρος ταχυτήτων λειτουργίας (Vw) της Α/Γ                                                       σχέσης μετάδοσης.
2. την εξίσωση της καμπύλης P(u) [δηλ. την ιδανική σχέση μεταξύ των (Vw,wm)                          1. Μικροελεγκτή (AutogearSet)
                                                      ώστε η Α/Γ να διατηρείται συνεχώς στο MPP]
                                                                                                     2. ΤΝΔ (3rd NN)
Συμπεράσματα :
1. Προτιμότερο οι εναλλαγές σχέσεων μετάδοσης να γίνονται :                                          Προϋπόθεση μεταβολής σχέσης :
                                                                                                     Και στις 2 περιπτώσεις εξετάζεται αν η
   σπάνια σε μικρές ταχύτητες και συχνά σε υψηλές.
                                                                                                     τρέχουσα τιμή του wm είναι τέτοια
2. Δεκαδικές και όχι ακέραιες σχέσεις.                                                               που σε συνδυασμό με την πιθανή
  (Αφαίρεση των : 1/9, 1/11 κ' 1/13 και αντικατάσταση με 1/2.5, 1/3.5 κ' 1/4.5)                      αύξηση ή μείωση της σχέσεως
                            Σχήμα 7.20 : Simulink block του κιβώτιου ταχυτήτων τεχνολογίας CVT.
Σημειώσεις :                                                                                         μετάδοσης προκαλείται νέα απόκλιση
                        Το CVT εξασφαλίζει :
Κόκκινες ευθείες γραμμές >>> κλασσικά κιβώτια ταχυτήτων. Μπλε καμπύλη >>> CVT.                       στην ηλεκτρική συχνότητα μικρότερη
Εάν το β είναι Σχήμα 7.17μικρότερες διακυμάνσεις στη2συχνότητα του παραγόμενου γνωστική επιφάνεια)
                        • τι γίνεται διάγραμμα του συστήματος εναλλαγής και έκαστο >>> ρεύματος
               μεταβλητό : Simulink με την εκτίμηση των ΤΝΔ; (2 είσοδοι σύμπλεξης ταχυτήτων.         από την τρέχουσα.
                        • καλύτερη συλλεκτική ικανότητα (από 0.8 έως 3.4 % αναλόγως σεναρίου)
                                                                                                                                  11
Ανεμογεννήτρια (υποσύστημα ηλεκτρογεννήτριας)
Από τι αποτελείται; Τι υπολογίζει;                                                                 Ρότορας

Διέγερση στάτορα : Ίδια πηγή ή ξένη; Ευκολία ελέγχου / Ευστάθεια)
     (Επιλέχθηκε διέγερση μέσω ξένης πηγής, δηλαδή το κοινό DC-Bus)
Μεταβαλλόμενα μεγέθη Rfc (ή Vf) και RL.
                                                                        Στάτορας
RL       : Το ηλεκτρικό φορτίο (αντίσταση εισόδου DC-DC)
Rfc ή Vf : Ρυθμιστής ρεύματος if (critical field circuit resistance)
           Μπορεί να κατασκευαστεί με πολλές τεχνικές.
           Μεταβάλλοντας το Rfc ή Vf μεταβάλλεται η μαγνητική
           ένταση Φ του στάτορα και λόγω μαγνητικής σύζευξης
           μεταβάλλεται η ΗΕΔ Ea στα άκρα του ρότορα.


Μη γραμμικός και σύνθετος έλεγχος ( Vw, RL, β, και :
Δυναμική συμπεριφορά των δύο κυκλωμάτωνΦ = f(if) )
                                                        di    K f V fi  R f  i f
Διαφορική εξίσωση ρεύματος στο τύλιγμα του στάτορα : : 
Η καμπύλη της Φ = f (if) μπορεί να χωριστεί σε 3 περιοχές f                         με K f  V f / V fi       (7.19)
                                                         dt           Lf
1. περιοχή παραμένοντος μαγνητισμού (μόνο στις DC)
                                                       dia Ea  ( RL  Ra )  ia
Διαφορική εξίσωση ρεύματος στο τύλιγμα του ρότορα :
2. γραμμική περιοχή                                                                με Ea  K a    we      (7.21)
                                                        dt            La
3. περιοχή κορεσμού
                                                                   E i
Ηλεκτρική (αντι)ροπή επάνω στον κύριο άξονα της Α/Γ είναι : Te  a a με N = gear ratio                        (7.22)
                                                                   wm  N
Σχέση γωνιακής ταχύτητας του ρότορα της αιολικής μηχανής και
της γωνιακής ταχύτητας του ρότορα ηλεκτρογεννήτριας γεννήτριας :        we  N  wm       (7.23)

Στιγμιαία ηλεκτρική ισχύς ηλεκτρογεννήτριας : Pe  Ea  ia              Ea  ia  Te  we
                                                                        Συνθήκη ισορροπίας
Στιγμιαία μηχανική ισχύς ηλεκτρογεννήτριας :          Pe  Te  we     της ηλεκτρογεννήτριας                 12
Ανεμογεννήτρια (υποσύστημα ηλεκτρογεννήτριας)
                                                                                                   Ρότορας
   Ea  ia  Te  we           Μεταβολή του RL >>> μεταβολή Ea*Ia >>> μεταβολή we.
                               FLC : Μεταβάλει (μέσω Rfc ή Vf) το if >>> μεταβάλει τη
  Συνθήκη ισορροπίας
 της ηλεκτρογεννήτριας         μαγνητική ροή Φ >>> επαναφέρει το Ea*ia >>> και το we.

Έτσι ο FLC διατηρεί στο MPP την Α/Γ ακόμα και όταν αλλάζει τυχαία το RL.
                                                                               Στάτορας
Με αντίστοιχο τρόπο λειτουργεί και όταν αλλάζει τυχαία η ταχύτητα ανέμου Vw.


Σύνδεση DC-DC μετατροπέα στον έξοδο (απαραίτητος)
1. Όταν Ιa σταθερό είναι : Ea  Vt  ( I a  Ra )
  Στη σταθερή κατάσταση λειτουργίας Ia κοινό σε Ra και RL.
                                                                   RL    V
  Επομένως το RL συμπεριφέρεται ως διαιρέτης τάσης :                     t
                                                                 RL  Ra Ea
2. Η δράση του ελεγκτή όταν το RL λαμβάνει υψηλές τιμές έχει ως
  αποτέλεσμα την δημιουργία υψηλών τιμών στην Ea >>> και στην Vt.
  Επειδή το μέτρο της Vt ποικίλει ανάλογα με το φορτίο >>> προτείνεται η χρήση DC-DC.

Διαφορές AC γεννήτριας εργασίας από την αντίστοιχη DC
Μέτρο τάσης στην έξοδο : V  K v VS  sin( we  t )          (7.30) όπου K v σταθερά πτώσης τάσης

                         με VS      Ea  ( Z L  ia )2
                                      2
                                                              (7.31)       (λόγω μαγνητικής υστέρησης)
                         και Z L  La  we η εμπέδηση του ρότορα λόγω περιστροφής.

Συχνότητα του ηλ. ρεύματος : f 
                                       P  g  wm
                                                              (7.32)
                                         4                                                                 13
όπου g η ομαλή μετάβαση στη σχέση μετάδοσης και P/2 τα ζεύγη των μαγνητικών πόλων.
Ανεμογεννήτρια (υποσύστημα ηλεκτρογεννήτριας)

            5

                               1                                 2                                 3                  4
          Σχήμα 7.31 : Το Simulink μοντέλο του υποσυστήματος ανίχνευσης του MPP με τη βοήθεια των ελεγκτών FLBS και FLGRC.


 Μέρη υποσυστήματος MPPT (σε ποια μέρη DC και εφαρμόστηκαν FLC)
 ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΟΝΩΝΤΑΣ της Α/Γ (κοινό σετης Α/ΓAC).
 1. Στην στρέψη της μετώπης πύργου Α/Γ (FLGRC).
 1. Ελεγκτής ηλεκτρομαγνητικής/πέδησης της Α/Γ
    (μέσω κατάλληλης διέγερσης του κυκλώματος του στάτορα της ηλεκτρογεννήτριας)
      [ FLYDC - Fuzzy Logic Yaw Displacement Controller ]
      (συλλογή αιολικής ενέργειας ή αποφυγή (FLBS).
 2. Ελεγκτής αεροδυναμικής πέδησης της Α/Γ ακραίων αιολικών φαινομένων)
      Στην ομαλή εναλλαγή των ταχυτήτων γραναζοκιβωτίου (οδήγηση της σύμπλεξης)
 2. (μέσω ρύθμισης της γωνίας κλίσης των πτερωτών)
      [ SGS FLC - Smooth Gear Setting Fuzzy Logic Controller ]
    Σημείωση! > O FLBS επενεργεί μόνο εφόσον κορεστεί ο FLGRC
      (οι ταχύτητες αλλάζουν σύμφωνα με τον αυτόματο υπολογισμό του μικροελεγκτή ή των ΤΝΔ)
       νευρωνικό δίκτυο που (έλεγχο της κατάλληλης σχέσης μετάδοσης)
 3. ΤοΣτην οδήγηση του CVT φροντίζει για τον υπολογισμό του επιθυμητού λ_optimal βάσει του β.
 3.
      [ CVT FLC - Continuous Variable Transmission Fuzzy Logic Controller ]
      (καλύτερη συλλεκτική ικανότητα από 0.8 έως 3.4 % )
 4. Στον έλεγχο της ηλεκτρομαγνητικής πέδησης (regenerative braking)
      [ FLGRC - Fuzzy Logic Generator Regulator Control ]
 5. Στον έλεγχο της αεροδυναμικής πέδησης (έλεγχος κλίσης πτερυγίων)
      [ FLBS - Fuzzy Logic Beta Set ]

                                                                                                                             14
                                             Σχήμα 7.25 : Χαρακτηριστική επιθυμητής σχέσης μεταξύ β και ιδανικού λ.
Φωτοβολταϊκή διάταξη (2.8 kWp – 164 V) [1000W/m^2, 25C, 1.5 AM]
                                                                     [20x72 5'' πολυκρυσταλλικές κυψέλες (26.77m^2, 360kgr)]
Υποσυστήματα
•       Ηλεκτρο-μηχανικό σύστημα υποβοήθησης της ιχνηλατικής διαδικασίας (Ηλιοστάτης)
•       Ηλεκτρικό σύστημα μετατροπής της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική (Φ/Β κυψέλη)
        [2 εκδοχές για παράλληλη και εν-σειρά σύνδεση]
•       Ηλεκτρονικό σύστημα εξασφάλισης λειτουργίας στο MPP (MPP Tracker).

                                         FLC (εκτιμητής           Οι 2 αισθητήρες και ο συγκριτής
1. Ηλιοστάτης
                                         γωνίας κλίσης)                  των σημάτων τους
Η προσθήκη ενός βαθμού ελευθερίας αυξάνει έως και 58 % τη συλλογή ενέργειας.
Συνήθως το πρόσθετο κόστος δικαιολογείται. Πιο σπάνια όμως για τους 2 βαθμούς ελευθερίας.


                      Εξομοίωση κίνησης Ήλιου




Παρακολούθηση
 τροχιάς Ήλιου                                                                                  Φ/Β διάταξη
 και επιστροφή


                                                                                                              Σχήμα 8.2 : Γεωμετρική ανάλυση των τριγωνομετρικών
    Σχήμα 8.1 : Η διάταξη περιγράφει τον τρόπο εγκατάστασης των αισθητήρων καθώς και τις γωνίες εκτροπής
                                                                                                                                   σχέσεων
    του φωτοβολταϊκού πλαισίου σε σχέση με τη θέση του ήλιου στον ορίζοντα.
                                                                                                                    που υπολογίζουν τη μετρήσιμη φωτεινή ενέργεια.

                                  Φορά στρέψης : Αντιληπτή από σύγκριση σημάτων των 2 αισθητήρων.
                                                                                                                                                          15
                                                    Το πρόσημο της διαφοράς λειτουργία φορά στρέψης.
                                     Σχήμα 8.4 : Κυματομορφές που πιστοποιούν την ορθήορίζει τητου συστήματος ιχνηλάτισης.
Φωτοβολταϊκή διάταξη (ηλεκτρικό υποσύστημα)
2. Φωτοβολταϊκή Κυψέλη
                                                                                                            VD
                                                             Kirchhoff Current Law :         I SC  I D        I PV  0          (8.1)
                                                                                                            Rp

                                                             Kirchhoff Voltage Law :         VPV  VD  RS  I PV                  (8.2)

                                                                                                             VD
                                                                                                                                   (8.3)
                                                             Χαρακτηριστική διόδου :         I D  I0  (e  1), VD  VPV
                                                                                                             VT




                                                             και επίσης ισχύει :            I PV  I SC  I D                      (8.4)



Σχήμα 8.5 : Ηλεκτρικό ισοδύναμο κύκλωμα ενός Φ/Β κυττάρου.



                                                                                   VPV  RS nPV
                                                                                               I
                                                                                                      
                                                                                     k B T          V  RS  I PV
Χαρακτηριστική εξίσωση μιας Φ/Β κυψέλης :                    I PV  I SC    I0   e          q
                                                                                                   1   PV                       (8.5)
  (με δεδομένο ότι πρακτικά Rp >> Rs)                                                                      Rp
                                                                                                     
Παρά την απλοποίηση :
πρόκειται για μια μη-γραμμική συνάρτηση
που για να λυθεί απαιτείται αναδρομικότητα
(10 βήματα για τα Rp, Rs, Io)




                                                                           Σχήμα 8.8 : Το μαθηματικό μοντέλο ενός Φ/Β πλαισίου.   16
Φωτοβολταϊκή διάταξη
                                                                                Σχήμα 8.10
3. Ηλεκτρονικό σύστημα MPPT
1.   Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V & P-V
     για μεταβλητή ένταση φωτεινότητας                    R = V / I (= 0.5 Ω)
     και σταθερή θερμοκρασία
     (Σχήμα 8.10 & Σχήμα 8.11)
2.   Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V & P-V
     για μεταβλητή θερμοκρασία
     και σταθερή ένταση φωτεινότητας
     (Σχήμα 8.12 & Σχήμα 8.13)


Παρατηρήσεις :
• Συγκεκριμένο ζεύγος (I,V) δίνει Pmax ανά Insolation.
  Εντοπίζονται στα γόνατα καμπυλών στο Σχήμα 8.10
  και στα ολικά μέγιστα καμπυλών στο Σχήμα 8.11.                                Σχήμα 8.11
• Η ένταση φωτεινότητας (ή ορθότερα η πυκνότητα
  φωτεινής ισχύος) επηρεάζει κυρίως το ρεύμα που
  παράγει το Φ/Β, ενώ η τάση μένει σχεδόν σταθερή.
• Πρόβλημα απόδοσης σε τυχαίο R φορτίου!
• H θερμοκρασία πλαισίου επηρεάζει κυρίως την τάση
  εξόδου του Φ/Β, ενώ το ρεύμα μένει σχεδόν σταθερό.
• Συγκεκριμένο ζεύγος (I,V) δίνει Pmax ανά θερμοκρασία.
  Εντοπίζονται στα γόνατα καμπυλών στο Σχήμα 8.12
  και στα ολικά μέγιστα καμπυλών στο Σχήμα 8.13.
• Πρόβλημα απόδοσης σε τυχαίο R φορτίου!
                                                                                   17
Φωτοβολταϊκή διάταξη
                                                                                                                                          Σχ. 8.18
3. Ηλεκτρονικό σύστημα MPPT
Γεωμετρικός τόπος σημείων μέγιστης ισχύος.
Πρόβλημα μεταβλητού φορτίου R σε τυχαίες
μεταβολές φωτ. έντασης και θερμοκρασίας.

Το επιθυμητό ζεύγος (I,V) εξασφαλίζεται μέσω
ειδικών διατάξεων (DC-DC converter) του οποίου
η είσοδος διαμορφώνεται σύμφωνα :
με τις δυνατότητες παροχής ισχύος του Φ/Β
και η έξοδος σύμφωνα :
με τις απαιτήσεις του φορτίου.

Διαμόρφωση MPPT συστήματος :             Το διάγραμμα που παρουσιάζει τον γεωμετρικό τόπο των σημείων μέγιστης ισχύος
     είσοδοι                    Φ/Β      για                                         DC-DC μια σχεδόν ευθεία γραμμή!
                                       panelσταθερό insolation αλλά μεταβλητή θερμοκρασία είναι converter       φορτίο
   συστήματος                                                                                                                              (έξοδος)
                                                                 Ελεγκτής




                                                                                                                                         18
                                                                                                                                        Σχ. 8.34
                                 Σχήμα 8.32: Μεταβολή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας των κυψελών στη μονάδα του χρόνου.
Φωτοβολταϊκή διάταξη ( MPPT )
Στη βιβλιογραφία : αρκετοί αλγόριθμοι MPPT για έλεγχο Φ/Β
Πάνω από 19 εκ των οποίων οι περισσότεροι στηρίζονται σε τεχνικές αναρρίχησης (hill-climbing techniques).
( Patrick L. Chapman και Trishan Esram στο [26] & Roberto Faranda και Sonia Leva στο [118] )

Κάθε τεχνική παρουσιάζει κάποια χαρακτηριστικά.
Έκαστη έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
     Τα κριτήρια επιλογής :
•    Υψηλή συλλεκτική ικανότητα (απόδοση)
•    Επιδόσεις (απόκριση, ευστάθεια, ακρίβεια)
•    Ευκολία υλοποίησης
•    Υπολογιστικό κόστος
•    Πιθανή απαίτηση για επαναπρογραμματισμό
•    Οικονομικό κόστος
     Διατάραξης & Παρατήρησης - Perturb and Observe (P&O)

                                                                               Σχ. F&L : Κατάταξη κυριοτέρων αλγορίθμων
                                                                                βάσει συλλεκτικής ενεργειακής απόδοσης

                                                                        Προβλήματα στάδια)
                                                                        Λειτουργία (2Απόδοσης
                                                                        1. Πρώτα διαταράσσει (με γνωστό τρόπο) το
                                                                           Αδυναμία αλλαγής βήματος
                                                                           Ακρίβεια ή μέγεθος
                                                                        2. ελεγχόμενοΤαχύτητα (όχι και τα δύο)
                                                                           Συμβαίνει το η ακρίβεια απαιτεί διατάραξης.
                                                                        2. Αξιολογείγιατίαποτέλεσμα της μικρά βήματα
                                                                           που όμως επειδή στον P&O είναι σταθερά αυτό
                                                                           μεταφράζεται σε αργή απόκριση. Αν τα βήματα
              Σχήμα 8.15 : Βασικό διάγραμμα ροής P&O αλγορίθμου.           γίνουν μεγάλα τότε γίνεται ‘θορυβώδης’. 19
Φωτοβολταϊκή διάταξη ( MPPT )                                             Σχήμα 8.21
                                                                                8.27
Προσέγγιση μεταβολής έντασης ηλιακής ακτινοβολίας
Χρήση της εξίσωσης 8.8 για την οποία είναι :
α=900, d=100, b=12 και c=0.3
                               ( t b )2
                           
          f (t )  a  e         2c2
                                           d      (8.8)


Πλατφόρμα εξομοίωσης : (Σύγκριση!)
Επιδόσεις βελτιωμένου P&O MPPT αλγορίθμου
             FLC MPPT αλγορίθμου
(με μερικώς μεταβαλλόμενο βήμα διατάραξης)
• Εξίσου Καλή απόκριση / απόδοση                   140 Wp

• Καλή απόκριση / απόδοση
  Ομαλές αυξομειώσεις
                                                                    P&O
• Πριονωτή μορφή (βηματικές αλλαγές)
  Μικρό εύρος διακύμανσης μεγεθών
• Μεγάλο εύρος διακύμανσης μεγεθών
  Πολύ μικρή ασυμμετρία
  (Όταν η ισχύς
• Ασυμμετρία μειώνεται κυρίως λόγω δύσης του Ήλιου
 και όχι αποκλειστικά λόγω της δράσης ελέγχου, ο FLC
 (Ο P&O είναι σχεδιασμένος ώστε να μεγιστοποιεί το                        Σχήμα 8.22
 αδυνατεί να κατανοήσει διέγερσης όταν κρίνει ότι δρα
 πλάτος του βήματος της σε ποιο ποσοστό ευθύνεται ο
 ίδιος για την όποια πτώση ισχύος και έτσι δυσκολεύεται
 σωστά, δηλαδή όταν αυξάνεται η ισχύς εξόδου. Ακόμα
 να αν δεν προκαλεί ο ίδιος (και ενδεχομένως Ήλιος!)
 και αποφασίσει σε τι έκταση την αλλαγή αλλά οπρος
                                     ideal
 ποια κατεύθυνση θα πρέπει να δράσει στο μέλλον)
---------------------------------------------------------------
  ---------------------------------------------------------------
Σχ. 8.21 – Συμπεριφορά δράσης του P&O στη διάρκεια
Σχ. 8.27 – Αποτελέσματα οδήγησης Φ/Β με τον FLC.
           της ημέρας
           Βαθμός απόκλισης από το ιδανικό για τα υπό
Σχ. 8.22 – Αποτελέσματα οδήγησης Φ/Β με τον P&O.
           έλεγχο μεγέθη                                            FLC
           Βαθμός απόκλισης από το ιδανικό για τα υπό
Σχ. 8.22 – Αποτελέσματα οδήγησης Φ/Β με τον P&O.
           έλεγχο μεγέθη
           Βαθμός απόκλισης από το ιδανικό για τα υπό
           έλεγχο μεγέθη



                                                                          20
                                                ideal
Φωτοβολταϊκή διάταξη ( MPPT )
Πλατφόρμα εξομοίωσης : (Σύγκριση!)                                        Αύξηση συλλεκτικής ικανότητας :            8.29
                                                                                                               Σχήμα 8.28


Σύγκριση I-V χαρακτηριστικών :                                     1 έως 2.4 % ανάλογα της ηλιακής δραστηριότητας.
για ίδια συχνότητα δειγματοληψίας (1kHz),
κοινό σημείο εκκίνησης (0.1 Amps) και
κοινό εύρος τιμών εξόδου (0 έως 5 Amps)                            FLC
ανα module.
                                                                                            P&O
• Εύρος διακύμανσης : το 1/5                                                                                               με ταλαντωτή
• Ταχύτητα απόκρισης : +75 %
• Συλλεκτική ικανότητα : +0.5 %
  Μοντελοποίηση καταπονήσεων ηλ. εξαρτημάτων
  Ήδη μικρή απόδοση 8 έως 14 %                                                        χωρίς ταλαντωτή
• Εξίσου ευσταθείς
  (λαμβάνοντας ως δεδομένη τη χρήση
  γεννήτριας παλμών στο FLC Output)                      Σχήμα 8.26: Σύγκριση των δύο FLC MPPT ελεγκτών (με και χωρίς γεννήτρια παλμών στην έξοδο).

                         Πίνακας 8.3 – Σύγκριση των αποτελεσμάτων των δύο τεχνικών ελέγχου
                              Αλγόριθμος                          P&O MPPT                           FLC MPPT

                          Διακύμανση Τάσης (ΔV)           30.8 V έως 34.4 V = 3.6 Vpp       32.3 V έως 34.1 V = 1.8 Vpp

                     Μέγιστη Κυμάτωση Τάσης (ΔVmax)                   2.2 V                             0.8 V

                     Ελάχιστη Κυμάτωση Τάσης (ΔVmin)                 80 mV                              40 mV

                    Μέγιστη Κυμάτωση Ρεύματος (ΔImax)                50 mA                             10 mA

                     Μέγιστη Κυμάτωση Ισχύος (ΔPmax)                220 mW                             20 mW

                                    Σχήμα 8.24: Simulink διάγραμμα της έως +5 %
                     Απόκλιση από ιδανικό λόγο ισχύος                                         -0.3 % έως
                                                                -2.2 % μάσκας-block του FLC MPPT ελεγκτή.+2.6 %                         21
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου
Αρχή λειτουργίας
Μηχανές που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική με ελεγχόμενη καύση (οξειδοαναγωγική αντίδραση)
χωρίς να μεσολαβεί κάποιο στάδιο εκρηκτικής καύσης όπως αυτή νοείται με τη συμβατική έννοια του όρου.
Αποτέλεσμα : Ελάχιστα υποπροϊόντα, απουσία θορύβου, απουσία μηχανικών μερών.
Θερμικές απώλειες >>> Χρήση για θέρμανση νερού ή ηλεκτροπαραγωγές ατμομηχανές )

Δομή : Ηλεκτροχημικές διατάξεις που αποτελούνται από 2 ηλεκτρόδια και έναν ηλεκτρολύτη.
Στην άνοδο εισάγεται το καύσιμο (συνήθως H2, CO, φυσικό αέριο, αλκοόλες και σάκχαρα)
Στην κάθοδο εισάγεται το οξειδωτικό (συνήθως Ο2).
Η τάση από μια μόνο κυψέλη είναι περίπου 0.7 V.
Δομούνται σε : συστοιχίες, καλύπτοντας μεγάλο εύρος εφαρμογών, αναλόγως της τελικής ισχύος που απαιτείται.
Διαστασιολόγηση (‘C’) : Μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς, ολική χωρητικότητα >>> Ανάλογα την εφαρμογή.




                                                                                    Σχήμα 1.15 :
                                                                                    Τυπικό κύκλωμα
                                                                                    κυψέλης καύσιμου
                                                                                    παρουσιάζει τη δράση
                                                                                    των κύριων
                                                                                    χημικών διεργασιών
                                                                                    κατά τη λειτουργία της.


                                                                                                    22
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (50kW - PolyBenzImidazole PEM* FC)
                                                                                                      * Proton Exchange Membrane
Federico Zenith & Sigurd Skogestad [ Εξισώσεις Butler-Volmer, Tafel, Nerst ]
Ανάλυση :
E0 : δυναμικό μεταξύ ηλεκτροδίων (Από θερμοδυναμικά δεδομένα υπολογίζεται να είναι περίπου 1.22 V και σταθερό)
Μοντέλο εργασίας (Διαδεδομένο μοντέλο στην ηλεκτροχημεία)
      εξαρτάται από 1. θερμοκρασία και 2. συγκέντρωση αντιδρώντων στις επιφάνειες αντίδρασης.
Απαρτίζεται από :
RMEA : αντίσταση αγωγής πρωτονίων (λόγω διέλευσης μέσα από την μεμβράνη)
1. Μια πηγή τάσης E0 (για Κ.Σ. πίεσης και θερμοκρασίας και καθαρά αντιδρώντα)
CΑ και CC : χωρητικά φαινόμενα (από τα νέφη ιόντων που περιβάλλουν τα ηλεκτρόδια)
2. Μια εσωτερική αντίσταση RMEA (Resistance of Membrane Electrode Assembly)
ir,A και ir,C : κατανάλωση αντιδρώντων στοιχείων [Butler-Volmer] (εκθετική εξάρτηση από υπέρταση n)
3. Δύο ηλεκτρόδια (κάθοδο και άνοδο) με χωρητικότητες CΑ και CCOαντίστοιχα
                (εξαρτώνται + από : θερμοκρασία, συγκεντρώσεις αντιδρώντων, παρουσία
                                                                                     C
                                                                                       κ.α.)
    έκαστη παράλληλα συνδεδεμένη με :
                υπέρταση n = Φρέαρ δυναμικού (τάση στα άκρα των CΑ και CC) (αντιπροσωπεύει το φορτίο που συσσωρεύεται εκεί)
       1. μια πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση (ir,A και ir,C) και
ZA και ZC : εμπέδηση Warburg (παριστά απώλειες και χρονική καθυστέρηση που εισάγεται λόγω ώσμωσης).
       2. μια εμπέδηση (ZA και ZC)
               Γίνεται αισθητές σε ειδικές συνθήκες που η FC δε θα έπρεπε να λειτουργεί >>> αγνοούνται.
4. Μια πηγή ρεύματος (icrossover) που εξαναγκάζει τη ροή συγκεκριμένου ρεύματος μέσα από την κυψέλη
icrossover : άθροισμα από μια σειρά ρευμάτων απωλειών που οφείλονται σε διάφορα φαινόμενα
    (ακόμα κι όταν αυτή λειτουργεί εν κενώ) [θεωρείται επίσης σταθερό]
          (πχ. διαπότισης μεμβράνης με υδρογόνο, μεταβολή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας της μεμβράνης κ.α.)




                                                                                Σχήμα 9.2 : Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα του
  Σχήμα 9.1 : Λεπτομερές ηλεκτρονικό ανάλογο μιας κυψέλης καυσίμου,                         απλοποιημένου μοντέλου μιας FC
              με μοντελοποιημένα και τα δύο ηλεκτρόδιά της.
                                                                                                                           23
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (50kW - PolyBenzImidazole PEM* FC)
                                                                                                    * Proton Exchange Membrane
Καμπύλη πόλωσης [Ηλεκτροχημεία] :
ονομάζεται η καμπύλη σχέσης μεταξύ πυκνότητας ρεύματος i και της τάσης V
Οι καμπύλες πόλωσης (polarization curves) αντιπροσωπεύουν την απόκριση του συστήματος
όταν η FC βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση.

Στιγμιοτυπική χαρακτηριστική (iso-n γραμμές) [Ηλεκτροχημεία] :
ονομάζεται ο γεωμετρικός τόπος των σημείων που ενδέχεται να προκύψουν από κάποια αιφνίδια μεταβολή
της κατάστασης της FC. (Οι iso-n γραμμές δείχνουν την απόκριση του συστήματος στις αιφνίδιες αλλαγές)
Κατάσταση της FC : Το σύνολο των μεταβλητών που απαιτούνται για να περιγράψουν πλήρως
                     το δυναμικό σύστημά της μια δεδομένη στιγμή.
Καθορισμός μεταβλητών κατάστασης / Μελέτη δυναμικής συμπεριφοράς της FC
• Τάση στα άκρα της κυψέλης
                                       Σύνθετη (1:1)
  V  E0  n  RMEA  (i  iC )     μη-γραμμική σχέση!       (9.1)

• Ρεύμα κατανάλωσης αντιδρώντων [Bulter-Volmer]
             a nF h (1a ) nF h 
  ir  i0   e RT  e          RT
                                                            (9.3)
                                       
Όπου α: συντελεστής ασυμμετρίας, n: # ηλεκτρονίων, F: σταθερά Faraday,
R: παγκόσμια σταθερά τέλειων αερίων, Τ: απόλυτη θερμοκρασία κυψέλης,
i0: πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής (A/m^2), h: πρόσθετο δυναμικό ηλεκτροδίου
Επιλύεται με τον επαναληπτικό προσεγγιστικό αλγόριθμου του Tafel              Σχήμα 9.2 : Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα του
(η μέθοδος περιγράφεται στη βιβλιογραφία των Larminie και Dicks)                          απλοποιημένου μοντέλου μιας FC
                                                                                                                         24
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (50kW - PolyBenzImidazole PEM* FC)
                                                                                                       * Proton Exchange Membrane
                                                  R T       i         R T          η επονομαζόμενη ‘κλίση Tafel’
Από Tafel προκύπτει :                 nact              ln  r  όπου                                                     (9.4)
                                                 an F       i0      an F
Όπου α: συντελεστής ασυμμετρίας, n: # ηλεκτρονίων, F: σταθερά Faraday, R: παγκόσμια σταθερά τέλειων αερίων,
Τ: απόλυτη θερμοκρασία κυψέλης, i0: πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής (A/m^2)           (‘act’ stands for active losses)

Στο στατικό μοντέλο είναι : ir = i + icrossover >>> ic = 0 (διαφορετικά αλλάζει με μη γραμμικό τρόπο)
Κατά τη χρονική στιγμή μιας βηματικής αλλαγής (V, i, Rload) : αλλάζει η V(RMEA) λόγω μεταβολής i
(ενώ οι nact, Ε0 διατηρούν μια συνεχή κυμάτωση και δεν ακολουθούν την ασυνέχεια της βηματικής αλλαγής)

 Άρα για ένα δεδομένο σημείο λειτουργίας με ρεύμα αντίδρασης ir είναι :
 Στιγμιοτυπική χαρακτηριστική : Vinst (ir , i )  E0  nact (ir )  RMEA  i                                                (9.7)

Καθώς η n ποικίλει συνεχώς με το χρόνο, η στιγμιοτυπική χαρακτηριστική μπορεί να ειδωθεί ως μια γραμμή
που ανεβαίνει ή κατεβαίνει επάνω στο επίπεδο i-V ανάλογα με την εκτίμηση της συνάρτησης Tafel.
                                                                                                  Στιγμιοτυπική χαρακτηριστική
 Η (9.7) τονίζοντας το συνεχές και το ασυνεχές μέρος γίνεται :
                                   (στατικό)         (δυναμικό)                                  Καμπύλη πόλωσης
                                                                                  E0
 V (t , i )  E0  nact  RMEA  (i  ic )                           (9.8)
              Vstatic ( t )        Vdynamic ( i )                                                          Rload
                                                                      Vdynamic
                                                    Χρονική στιγμή
                                                                      Vstatic
                                                    αλλαγής Rload
                              i2
                              i3

                              i1
                                                                                                                          25
                                                                                          i1            i3 i2
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (Τέλειος Έλεγχος)
Τροχιά που ακολουθεί το σημείο λειτουργίας επάνω στο επίπεδο i-V και το αντίστοιχο χρονοδιάγραμμα
για την περίπτωση βηματικής αλλαγής α) του ρεύματος και β) της τάσης της FC
(όπως θα διαμορφωνόταν από έναν ρυθμιστή ρεύματος ή τάσης αντίστοιχα)
Το σημείο λειτουργίας βρίσκεται πάντα στην τομή μεταξύ
καμπύλης πόλωσης και στιγμιοτυπικής χαρακτηριστικής!
                                                                     R1 > R2
                                                  Σχήμα 9.4          P1 < P2               Σχήμα 9.7




Σύμφωνα με τους Federico Zenith & Sigurd Skogestad στο [92] θεωρητικά δεν υπάρχουν περιορισμοί στην
ταχύτητα μεταβολής του σημείου λειτουργίας της FC. Αλλά ο έλεγχος είναι σημαντικό να γίνει προσεχτικά
ώστε να μη δημιουργηθούν στην έξοδο μεγάλες διακυμάνσεις ισχύος (καταστροφή εξοπλισμού ή και FC!)
                                                                                                    26
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (Έλεγχος ‘D’ του DC-DC με PWM)                                                             skip

 1. Οι προδιαγραφές της παρούσας εργασίας ρεύμα.
 Το ελεγχόμενο μέγεθος είναι το παραγόμενοαπαιτούν σταθερό Vout ασχέτως Rload.
 2. Αν και θα τάση εξόδου δεν μπορούν να ελεγχθούν άμεσα γιατί επιτρέπουν τον γραμμικό έλεγχο
 Το ρεύμα και η μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν MOSFET που να εξαρτώνται από το ίδιο το φορτίο. των
      μεταβλητών κατάστασης >>> θα καταναλωνόταν μεγάλο ποσό ενέργειας επάνω τους και
                         =
 Γι 'αυτό και γίνεται η χρήση ενός ενδιάμεσου DC-DC μετατροπέα (Έμμεση διαχείριση αυτών των μεγεθών).
 3. θα ισχύει : Vout MOSFET μικρότερο ή ίσο από Vout της FC (και ποτέ μεγαλύτερο).
 Έλεγχος λειτουργίας μετατροπέα
                                                                                     =
                                                                                  D’=1-D
      αυτούς τους λόγους επιλέχτηκε η χρήση ενός διακοπτικού DC-DC μετατροπέα.
 Γιατον έλεγχο του ποσοστού χρόνου που ο διακόπτης βρίσκεται στη Θέση 1 (ON)
 Με
 Σύμφωνα με τους Luo και Ye στο [46] υπάρχουν πάνω από 500 διαφορετικές τοπολογίες μετατροπέων.
 Περισσότερο δεν καταναλώνουν ενέργεια αλλά απλά την μετασχηματίζουν.
Τα ιδανικά L, CΔιαδεδομένες τεχνικές :
 Στην παρούσα επιλέχτηκε χάριν απλότητας και επάρκειας ένας απλός (inverting) Buck Boost converter.
 1. PWM (Pulse Width Modulation = Διαμόρφωση Εύρους αλλά και
Άρα υπάρχει ισορροπία μεταξύ των volts*seconds επαγωγήςΠαλμών) φόρτισης/αποφόρτισης πυκνωτή.
      Απαιτεί ένα πριονωτό ορίζουν το εμβαδόν των ταλαντωτή) και περιοχών προκύπτουν οι σχέσεις :
Εξισώνοντας τα γινόμενα που ή τριγωνικό σήμα (απόσκιαγραφημένων έναν συγκριτή.
                                              _
                     Vout   D                                                      I out 1  D
                                       (6.14)                                          
                     Vg 1  D                                                       Ig     D
 Η (6.14) περιγράφει το λόγο μετατροπής τάσης M(D).

                                              +
 Το γράφημα στα δεξιά παρουσιάζει την M(D)=f(D)
   Σχήμα 6.17 : Αριστερά : τοπολογίες μετατροπέων
για τις τρεις πιο βασικέςΚύκλωμα μικτού μετατροπέα με: ιδανικό διακόπτη. Δεξιά : Γραφική απεικόνιση του duty cycle.
Ανύψωσης τάσης (Boost ή step-up)                Θέση 1 (ΟΝ)                                Θέση 2 (OFF)
Γενικευμένο μοντέλο :
Υποβιβασμού τάσης (Buck ή step-down) FC παράλληλα με πηνίο)
                                      (έξοδος                                     (πηνίο παράλληλα με πυκνωτή)
Μοντέλο εξωραϊσμένο από
και Μικτό (Buck-Boost)
τα μεταβατικά φαινόμενα                           VL  Vg                                     VL  VC
που λαμβάνουν μέρος κατά
Χρήση σε PWM τεχνική!                                                                            και
                                                      και
την αλλαγή κατάστασης δηλ. Διαμόρφωση Εύρους Παλμών)
2. SMC (Switching Mode Control = Έλεγχος Διακοπτόμενης Λειτουργίας)
(Pulse Width Modulation
      Βάσει μιας                                 iC   I out
των διακοπτών. σειράς κανόνων (κανόνες διακοπτόμενης λειτουργίας).                          iC  iL  I out       27
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (Έλεγχος ‘D’ του DC-DC με SMC)
1. Στο σύστημα (FC     DC-DC) η FC καταναλώνει ρεύμα μόνο όταν ο διακόπτης βρίσκεται στη Θέση 1 !
   Σε αυτή τη θέση βρίσκεται μόνο για ποσοστό D της περιόδου και άρα είναι : I r  I  D
2. Θεωρώντας ότι η συχνότητα εναλλαγής των διακοπτών είναι αρκετά μεγαλύτερη από τις ηλεκτροχημικές
   δυνατότητες της κυψέλης, η υπέρταση n είναι ανάλογη του παραπάνω γινομένου και άρα είναι : n  n(i  D )
3. Η πτώση τάσης στα άκρα της RMEA εξαρτάται άμεσα από το ρεύμα που τη διαρρέει : VRMEA  R  I


Τάση εξόδου της FC (και τάση εισόδου του DC-DC μετατροπέα) είναι :              Vg  E  n(i  D )  R  I        (9.10)
(Ε : ηλεκτρεγερτική δύναμη της FC. Εξαρτάται από T και συγκεντρ. αντιδρώντων)
Η ενέργεια που μεταφέρεται μεταξύ των L και C ;!
                                                             1                   1
                                                                L  iL  iC    C VC 2  k ,   k 0
                                                                               2
μπορεί να αποδοθεί μέσω της ακόλουθης εξίσωσης :                                                                  (9.11)
                                                             2                   2
Τα iL, iC, (VL), VC αποτελούν μεταβλητές της παραμετρικής εξίσωσης (9.11). Οι τροχιές τους αναπτύσσονται
κατά το χρονικό διάστημα που ο διακόπτης είναι στη θέση 2 σχηματίζοντας ελλείψεις.

Διαφορικές θεωρούνται ξένα
Τα Vg, Iout σχέσεις / Σχέσεις ενέργειας:              Θέση 1 (ΟΝ)                            Θέση 2 (OFF)
προς τον μετατροπέα μεγέθη.                  (έξοδος FC παράλληλα με πηνίο)          (πηνίο παράλληλα με πυκνωτή)
            dV             1
   i C       C
                   ,   E   C V    2
    σχετίζονται άμεσα με iL ή VC).
(δε C        dt          2                                VL  Vg                               VL  VC
Οι τροχιές τους αναπτύσσονται
            dI           1                                  και                                     και
   VL  L  L , E   L ο
κατά το χρονικό διάστημα που  I 2
διακόπτης είναι στη θέση 1
             dt          2                               iC   I out                          iC  iL  I out
σχηματίζοντας ευθείες γραμμές.
     [Spiazzi και Mattavelli]                                                                                    28
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (Έλεγχος ‘D’ του DC-DC με SMC)
                                            SMC 2  1  L   ref out 
                                                                             2
                                                             V i
      1 Ολισθαίνοντος
Τεχνική C V 2  1  L  i Ελέγχου1- C V (Sliding Mode Control) ON
                           L  iout                                    
                                      2
1.             C                                ref
                                                                                                     (9.12)
      2             2                     2           2          Vg
Το ποσοστό χρόνου που ο διακόπτης θα βρίσκεται στη θέση 1 (D) ορίζεται από κάποιους κανόνες.
Αυτοί ονομάζονταικαι                V i      C Vg
                   κανόνες διακοπτικού ελέγχου.  (V  V )  ON
2. VC  Vref            iL  iout  ref out                                                          (9.13)
Σχεδιάζονται έτσι ώστε να διατηρούν Vg σημείο  iout
                                                        C    ref
                                        το    L λειτουργίας επάνω σε μια επιφάνεια ολίσθησης ορίζοντας την
                                   VC της
κατάσταση του διακόπτη συναρτήσει  i θέσης του σημείου λειτουργίας σε σχέση με την επιφάνεια ολίσθησης.
3.   VC  0     και    iL  iout       out
                                             OFF                                                 (9.14)
                                     Vg
Στόχος του παρόντος DC-DC μετατροπέα :
4. iL  0  OFF
Να οδηγήσει σωστά τον DC-DC ώστε το Vc (Vout) να βρίσκεται συνεχώς κοντά σε ένα Vref (= 252 V)    (9.15)
ανεξάρτητα από τις διαταραχές των Vg (Vin) και Iout
5. Vref  0  ON                                                                                  (9.16)

Κανόνες διακοπτικού Ελέγχου FC
1. Έλεγχος Ενεργειακού Επιπέδου
   ON : Το ενεργειακό απόθεμα του συστήματος δεν είναι αρκετό ώστε να διατηρηθεί η τάση Vc στο ύψος της Vref.
2. Διακοπή Υψηλής Τάσης
    ON : α) Η Vc ξεπερνά την Vref
    ΚΑΙ : β) εξασφαλίζεται ότι η ένταση του ρεύματος είναι αρκετή για να διατηρηθεί η συνεχής λειτουργία του μετατροπέα.
3. Διακοπή Χαμηλής Τάσης
    OFF : α) Η Vc έχει την τάση να γίνει αρνητική
     ΚΑΙ : β) το αποθηκευμένο ενεργειακό επίπεδο είναι ικανοποιητικά υψηλό.
4. Μόνο θετικά ρεύματα (Δεν ενεργοποιήθηκε διότι δεν υπήρξε λόγος)
   OFF : Αρνητικά ρεύματα μακράς περιόδου (μόνο αν αποτελούν ρεαλιστικό πρόβλημα αντίστροφης ηλεκτρόλυσης)
5. Θετική τάση αναφοράς
    ON : μόνο εφόσον Vref > 0.
       Αυτός ο κανόνας ηγείται των υπολοίπων. Το πρακτικό νόημα του 5 ου κανόνα έγκειται στην ανάγκη της FC να αποσυνδέεται
                                                                                                                   29
       από το σύστημα όποτε διαφαίνεται ότι ο στόχος είναι αρκετά χαμηλός και συνεπώς δεν απαιτείται η ισχύς της.
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (Μοντελοποίηση)
                                                                             1. Κυψέλη καυσίμου [PBI PEM FC]
                                                                             2. Ελεγκτής (SMC / FLC)
                                                                             3. Ο DC-DC μετατροπέας

                                                                      Διαταραχές
                                                                        Εισόδου
                                                                           και
                                                                        Εξόδου




 Σχήμα 9.12 : Ο τρόπος συνδεσμολογίας του μικτού DC/DC μετατροπέα και του ελεγκτή του (Activator) με την FC τύπου PEM.
                                                                                                                 30
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (Αποτελέσματα SMC)
                                            Σχήμα 9.23




    Τάση εξόδου
     (252 V DC)




   Ρεύμα εξόδου




   Ισχύς εξόδου



Μεταβλητό φορτίο
Βηματικές αλλαγές
(5,10,30,55,100,5,10 Ohm)




 Θόρυβος εισόδου
   (μέγιστο πλάτος 2A)



                                                  31
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (Αποτελέσματα SMC)      Σχήμα 9.24

iL   (A)
                   5 Ohm



                10 Ohm




                                      30 Ohm




                                     55 Ohm

                           100 Ohm




                                                     32
                                                VC (V)
Δέσμη Κυψελών Καυσίμου (Σύγκριση SMC / FLC)
       Ελεγκτής βασισμένος σε SMC (Σχήμα 9.18)                  Αναβαθμίσεις σε FLC (Σχήμα 9.19)




               Παράθεση αποτελεσμάτων (από εξομοιώσεις)
               Η FLC τεχνική προσφέρει :
               • 62 % μείωση στο πλάτος της κυμάτωσης του ρεύματος και της τάσης εξόδου
fs = 100 kHz
     30 kHz    • 77 % μείωση της μέσης απόκλισης από την Vref
               • 0.3 % αύξηση της απόδοσης


                                                                                                   33
                 Συγκεντρωτικά οι FLC των ΑΠΕ (όχι των μετατροπέων)
FLC Α/Γ
FLBS (4 in / 1 out) :
Είσοδοι : 1. ποσοστό διέγερσης (% Regulation)
          2,3. Διαφορά καθώς και ρυθμός διαφοράς μεταξύ τρέχοντος και ιδεατού λ (λ - λ_optimal)
          4. Τρέχουσα τιμή κλίσης β
Έξοδος : Κλίση πτερυγίων β
FLGRC (2 in / 1 out) :
Είσοδοι : 1. Διαφορά μεταξύ ροπών (Tw-Te) 2. Διαφορά μεταξύ τρέχοντος και ιδεατού λ (λ - λ_optimal)
Έξοδος : % Regulation
Η αεροδυναμική πέδηση αρχίζει να λειτουργεί μόνο εφόσον εξαντληθούν πρώτα τα περιθώρια της ηλεκτρομαγνητικής πέδησης
FLYDC (2 in / 1 out) :
Είσοδος : 1,2 : Διαφορά και ρυθμός διαφοράς μεταξύ τρέχουσας και προκαθορισμένης μέγιστης ισχύος
Έξοδος : Μοίρες
SGS FLC (2 in / 1 out) :
Είσοδοι : 1,2 : Διαφορά μεταξύ τρέχουσας και προκαθορισμένης τιμής σχέσης μετάδοσης
Έξοδος : Σχέση μετάδοσης (CVT)
CVT FLC (2 in / 1 out) :
Είσοδοι : 1,2 : Συχνότητα και ρυθμός αλλαγής συχνότητας του ηλ. ρεύματος
Έξοδος : Σχέση μετάδοσης (CVT)


FLC Φ/Β
PVPB FLC (2 in / 1 out) :
Είσοδοι : 1. Η διαφορά τάσης μεταξύ των δύο φωτο-αισθητήρων, 2. Μια μέτρηση ενδεικτική της έντασης του ηλιακού φωτός
Έξοδος : Γωνία (πλάτος και φορά στρέψης)
PV MPPT FLC (2 in / 1 out):
Είσοδοι : 1. Πλάτος και φορά αλλαγής ισχύος 2. Πλάτος και φορά αλλαγής ρεύματος
Έξοδος : Αλλαγή ρεύματος (+ διατάραξη των 10mA ανά 1.5msec με duty cycle 50%)


FLC Κ/Κ
FUZZY FC (5 in / 1 out) :
Είσοδοι : 5. Αυτές των κανόνων SMC                                                                                     34
Έξοδος : Αλλαγή κατάστασης διακόπτη
Αυτόματος Έλεγχος (Συμβατικός και Ευφυής)
Είδη αυτοματισμών (4 ανεξάρτητοι τρόποι διάκρισης) :
1.   Ανοιχτού / κλειστού κυκλώματος
     (ανάδραση = διαμόρφωση συμπεριφοράς συστήματος βάσει αποτελεσμάτων των πράξεών του)
     Παραδείγματα : ατμοστρόβιλος Ήρωνα, ρολόι Κτησιβίου, φλοτέρ, ανεστραμμένο εκκρεμές)
2.   Απλοί / Mε μνήμη / Ευφυείς                                      Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα
     Εφαρμοσμένα παραδείγματα : PLC, PID, ANN, FLC (micro-controllers, ASICs, FPGAs και DSPs)
3.   Αναλογικοί / Ψηφιακοί / Υβριδικοί
4.                                     Ασαφής Ηλεκτρονικοί
     Μηχανικοί, Υδραυλικοί, Πνευματικοί, Ηλεκτρικοί, Έλεγχος (ή συνδυασμός τους)

Βασικές Παράμετροι Ελέγχου :
Ακρίβεια, Ευαισθησία (& Δραστικότητα), Ευστάθεια

Είδη αισθητήρων και ενεργοποιητών (Sensors ή Transducers & Actuators)
Διεύθυνσης και ταχύτητας ανέμου, Γωνιακής Ταχύτητας, Ροπής, Θερμοκρασίας, Έντασης φωτός,
Δύναμης, Μετατόπισης, Πίεσης, Υγρασίας, Στάθμης και Ροής ρευστού κ.τ.λ.


Ασαφής Λογική (Zadeh 1965)
Λεκτική ανάλυση > Σύνταξη με χρήση λεκτικών κανόνων > Ανθρώπινη προσέγγιση
Επαγωγικός Συλλογισμός & Συνδεσμισμός (αναπαράσταση γνώσης στα ΤΝΔ)
Πολύπλοκα / μη-γραμμικά συστήματα όπου ο αυστηρός μαθηματικός φορμαλισμός αδυνατεί
Ακρίβεια στην μοντελοποίηση;! Ναι, με δίκαιη απόδοση της αβεβαιότητας (πχ. καμπύλη μαγνητ. υστέρησης)
                                                                                                  35
Ασαφής Λογική (Zadeh 1965)
Διαχειρίζεται σχέσεις εισόδων (αίτια) και εξόδων (συμπεράσματα) :
άμεσα : μέσω αλγορίθμου συσχέτισης ή πίνακα συσχέτισης ή βάσης λεκτικών κανόνων
έμμεσα : από σύνολο υποδειγμάτων μάθησης > πχ. ΤΝΔ
Πρακτικό παράδειγμα : ταχύτητα τρένου, απόσταση από σταθμό, πίεση στα φρένα (n,T,X,g,m)
n : Γλωσσικές Μεταβλητές εισόδου : ταχύτητα, απόσταση Μεταβλητή εξόδου : πίεση
T : Ασαφή σύνολα { ΓΡΗΓΟΡΗ, ΑΡΓΗ, ΜΕΤΡΙΑ }, { ΚΟΝΤΑ, ΜΑΚΡΙΑ }, { ΜΕΓΑΛΗ, ΧΑΜΗΛΗ, ΚΑΝΟΝΙΚΗ }
    Γλωσσικές τιμές : ‘ΓΡΗΓΟΡΗ’, ‘ΑΡΓΗ’ ...
X : Σύνολο αναφοράς αντίστοιχων πεδίων αριθμητικών τιμών (με γλωσσικές μεταβλητές).
g : Συντακτικός γραμματικός κανόνας (σχετίζει λογικά αίτιο και αποτέλεσμα)
m : Σημασιολογικός κανόνας (αποδίδει σε κάθε γλωσσική τιμή έναν αριθμό)
Συναρτήσεις συμμετοχής (επιλέγονται με λογικό τρόπο > αποδίδουν φυσικό νόημα προβλήματος)

                                                 ατονεί
                           Γενική Δομή Ασαφούς Ελεγκτή               ενισχύεται




                                                                      Σχετικότητα
                                                                     Γνωρισμάτων

                                                                                    36
Ασαφής Λογική (Zadeh 1965)
Συνήθεις είσοδοι σε ελεγκτές : Σφάλμα και ρυθμός σφάλματος
Σφάλμα = επιθυμητή τιμή – τρέχουσα τιμή (error = set value – current value)
Αντίστοιχα, ρυθμός σφάλματος > error rate = d (error) / dt

Οι ενέργειες ελέγχου του FLC περιγράφονται
από τους ακόλουθους ασαφείς κανόνες :

1. Εάν το σφάλμα είναι αρνητικό και ο ρυθμός
   σφάλματος πέφτει τότε η έξοδος να μειωθεί.

2. Εάν το σφάλμα είναι αρνητικό και ο ρυθμός
   σφάλματος αυξάνει τότε η έξοδος να μειωθεί γρήγορα.

3. Εάν το σφάλμα είναι αρνητικό και ο ρυθμός σφάλματος
   είναι σταθερός τότε η έξοδος να μειωθεί.

4. Εάν το σφάλμα είναι θετικό και ο ρυθμός σφάλματος
   πέφτει τότε η έξοδος να αυξηθεί γρήγορα.

5. Εάν το σφάλμα είναι θετικό και ο ρυθμός σφάλματος
   αυξάνει τότε η έξοδος να αυξηθεί.

6. Εάν το σφάλμα είναι θετικό και ο ρυθμός σφάλματος
   είναι σταθερός τότε η έξοδος να αυξηθεί.

7. Εάν το σφάλμα είναι μηδενικό και ο ρυθμός σφάλματος
   πέφτει τότε η έξοδος να μειωθεί.

8. Εάν το σφάλμα είναι μηδενικό και ο ρυθμός σφάλματος
   αυξάνει τότε η έξοδος να αυξηθεί.

9. Εάν το σφάλμα είναι μηδενικό και ο ρυθμός σφάλματος
   είναι σταθερός τότε η έξοδος να γίνει μηδέν.


                                                             Σχήμα 3.7 : Γραφική αποτύπωση του νοηματικού περιεχομένου των 9 γλωσσικών κανόνων.
                                                                                                                                                  37
                         Σημείωση : Σε ειδικές περιπτώσεις επιτρέπεται η διαμόρφωση των σχετικών βαρών των κανόνων.
       Σύγκριση PID με FLC
       Χρήση παραδείγματος : Διατύπωση Μαθηματικών Εξισώσεων > Εύρεση Συνάρτησης Μεταφοράς
                                                                                                                 • Σώμα μάζας : Μ (1 kgr)
                                                                                                                 • Ελατήριο που περιγράφεται από το Νόμο του Hook και έχει
                                                                                                                  σταθερά επιμήκυνσης : k (20 N/m)
                                                                                                                 • Συντελεστής απόσβεσης : b (10 Ns/m)
                                                                                                                 • Εξωτερική δύναμη : F (ασκείται στιγμιαία και βηματικά) (4N)
                                                                                                                 • Επιμήκυνση ελατηρίου : x (0.2m)
                            Σχήμα 2.3 : Το σύστημα υπό έλεγχο. Η κίνηση περιορίζεται κατά τον οριζόντιο άξονα.



          Εξίσωση δυναμικής ισορροπίας που περιγράφει το σύστημα :                                                                        Mx  bx  kx  F
                                                                                                                                          Mx  bx  kx  F '                                      (2.1)
                                                                                                                                                                                                (3.34)
Αποκρίσεις Συστήματος για διάφορους
συνδυασμούς των όρων Ki, Kp και Kd




                                                                                                                                          F'(t)=a*sin(b*t)+c*sin(d*t)
            Πρόκειται για γραμμικό χρονικά αμετάβλητο σύστημα (2ης τάξης)
                                      • Ziegler-Nichols II (βηματικής απόκρισης)
                                      • Ziegler-Nichols I (ορίου σταθερότητας)




            Άρα ο μετασχηματισμός Laplace της εξίσωσης (2.1) γίνεται :                                                                 Ms2 X ( s)  bsX ( s)  kX ( s)  F ( s)                   (2.2)
                                      Ρύθμιση με μεθόδους όπως :




              Η συνάρτηση μεταφοράς ανάμεσα στη μετατόπιση                                                                 X ( s)        1
                                                                                                                                                                                                 (2.3)
                                      • τροποποίησης κτλ.




              (έξοδο) Χ(s) και την δύναμη (είσοδο) F(s) είναι :                                                            F ( s ) Ms 2  bs  k
                                      • Cohen-Coon,




                 Η συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόχου του                                                        X ( s)                   K d  s 2  K p  s  Ki
                                                                                                                            3                                                                    (2.7)
                                                                                                                         Σχήμα 3.28 : Πειραματική διάταξη για τη σύγκριση των επιδόσεων των δύο ελεγκτών.
                 συστήματος με PID ελεγκτή γίνεται :                                                              F ( s ) s  (10  K d )s  (20  K p )  s  Ki
                                                                                                                                                        2


                                                                                                                                                                                             38
Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα (Widrow-Hoff αρχές δεκαετίας 1960)
Συνοπτική αναφορά
ΤΝΔ = σύνολο από στοιχειώδεις υπολογιστικές μονάδες > νευρώνια.


Κάθε νευρώνιο αποτελείται από :
•   Εισόδους (Xi)
•   Συντελεστές βάρους (Wij)
•   Όρο πόλωσης (bias)
•   Αθροιστή (Σ)
•   Συνάρτηση Ενεργοποίησης (F)
•   Έξοδο (Y)



                                               Σχήμα 4.1 : Αριστερά : Νευρώνιο - Δεξιά : αρχιτεκτονική ενός ΤΝΔ.

Bias = επίπεδο ‘ερεθισμού’ νευρώνα. Οι νευρώνες αλληλεπιδρούν με ‘ερεθίσματα’ μέσω των ‘συνάψεων’ τους.
Ο καθένας αντιλαμβάνεται την κατάσταση των υπολοίπων με τους συντελεστές βάρους.

Τα ΤΝΔ μαθαίνουν συμπεριφορές βάσει προτύπων εκπαίδευσης (δηλαδή ομάδων ενδεικτικών τιμών - δείγματα).
Η στρωμάτωση διαφοροποιεί τους νευρώνες ανάλογα με το στάδιο επεξεργασίας των σημάτων που διαχειρίζονται.
Εφαρμόζονται συνήθως σε προβλήματα :    προβλέψεων, ταξινομήσεων, διαβαθμίσεων, αναγνωρίσεων.
• Άγνωστη σχέση μεταξύ δεδομένων δράσεων και αποτελεσμάτων (αίτιο και αιτιατό).
• Υπάρχει διαθέσιμο ένα αντιπροσωπευτικό σύνολο (ιστορικών) παραδειγμάτων για αυτή την άγνωστη σχέση.
                                                                                                                   39
Εκπαίδευση ΤΝΔ
Αρχικά οι συντελεστές βάρους (Wij) και πόλωσης (bias) είναι τυχαίοι αριθμοί.
Αναπροσαρμόζονται με την εκπαίδευση σύμφωνα με εκτιμήσεις της συνάρτησης κόστους.

Πλήθος εποχών. Τι είναι από τι εξαρτάται;
                                                                                       Η συνάρτηση που (στο εκάστοτε βήμα εκπαίδευσης)
• Από τον βαθμό ακρίβειας που επιλέχθηκε                                                 εκτιμά (βάσει κάποιων κριτηρίων) την απόκλιση
• Από τη δυνατότητα γενίκευσης του ΤΝΔ                                                     (σφάλμα) των τιμών των εξόδων του ΤΝΔ.
    γενίκευση = υιοθέτηση επιθυμητής συμπεριφοράς

                                                                                                            3 σύνολα δειγμάτων :
                                                                                                            • Εκπαίδευσης
                                                                                                            • Επιβεβαίωσης (εμπέδωσης)
                                                                                                            • Ελέγχου (δυνατότητας γενίκευσης)
                                                                                                                                 (extrapolation)
     Σχήμα 4.10 : Αριστερά : Υπερμοντελοποίηση (over-modeling). Δεξιά Υπομοντελοποίηση (under-modeling).
   Σχήμα 4.10 : Αριστερά : Υπερμοντελοποίηση(over-modeling). Δεξιά : : Υπομοντελοποίηση (under-modeling).


Τυπική λειτουργία ΤΝΔ :                            Αξιόλογα χαρακτηριστικά :
• εκπαίδευση (training)                            1. Ανεπηρέαστα από αβεβαιότητα και ασήμαντες πληροφορίες (θόρυβο).
• ενθύμηση (memory recall)                         2. Αναπροσαρμόζονται εύκολα σε νέες συνθήκες.
  ή εκτίμηση (logic reasoning)                     3. Επεξεργασία δεδομένων σε πραγματικό χρόνο.
                                                   4. Αντιμετωπίζουν τους περιορισμούς της αριθμητικής ανάλυσης (πχ Π.Ο.)
ΤΝΔ μοντέλα εφαρμόστηκαν σε 2 σημεία του ελέγχου της Α/Γ :
1. Κατά το μετασχηματισμό του beta (κλίση πτερυγίων) στο ιδανικό λ (λόγο ακροπτερυγίου) [beta to lambda_optimal]
2. Στην ενίσχυση της εκτίμησης της κατάλληλης σωστής χρονικής στιγμής εναλλαγής των σχέσεως μετάδοσης (για σταθερό β).

                                                                       ...επιστροφή                                                    40

				
DOCUMENT INFO
Description: English (Greek will also follow below)This paper deals with the design of a Hybrid Power Source Management System, consisted of (but not limited to) three different power producing sources surrounded by the appropriate control logic modules. The RES model is developed around a Wind Turbine, an array of Photovoltaic cells and a Fuel Cell stack, all interconnected by the means of the paper’s proposed architecture. The system converts wind, solar and chemical power (inputs) into electrical power and supplies it in a way that it can be fed either on a grid or an autonomous worksite (outputs). The unpredictable (stochastic) behavior of both the power supplement and the power consumption sides introduce a considerable control challenge. The system must be able to process and deliver the power needed by the facilities without any interruptions or wastes, and it must always deliver in the most efficient and conditioned way possible (regardless of all the changes that occur on instant power and load values).Special care was given to purge any instability issues that are introduced as the result of various uncertainties, such as intensity and direction of wind, rain, temperature and fuel composition heterogeneity. These phenomena could interfere to the proper function of the system by giving random input signals, while not excluding the possibility of a hardware failure mishap.For all of the above mentioned reasons involved, the paper proposes the introduction (and study) of decentralized Fuzzy Logic Control, the use of Artificial Neural Network mechanisms and the improvement of the P&O algorithm (by using steps of variable length). All the comparisons show that for the majority of the scenarios developed, the performance of the proposed system is found to be superior by outperforming any other conventional non-linear control techniques. GreekΗ παρούσα εργασία ασχολείται με την σχεδίαση ενός υβριδικού συστήματος διαχείρισης των πόρων ήπιων μορφών ενέργειας αποτελούμενο