فهرست مطالب
نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران
سال نوزدهم شماره 1 (پیاپی 60، بهار 1400)
- الف - مهندسی برق
- تاریخ انتشار: 1400/08/10
- تعداد عناوین: 8
-
-
صفحات 1-13
در این مقاله، یک استراتژی برای به دست آوردن برنامهریزی بهینه به منظور مدیریت توان الکتریکی ریزشبکهها، با اشتراکگذاری توان الکتریکی از طریق هماهنگی میان ریزشبکهها و سیستم همسایگی، که هیچ هزینه اضافی برای واحدهای تولیدی ندارد، پیشنهاد شده است. میزان عدم قطعیت بار مصرفکنندگان، بر اساس شبکه عصبی دینامیکی و با توجه به روند پیادهسازی و دقت بالای پیشبینی، مدل میشود. از نگاه دیگر، برای تامین انرژی الکتریکی ریزشبکه، علاوه بر اتصال به شبکه بالادست، از دیزلژنراتور و انرژیهای تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، انرژی بادی و باتری ذخیرهساز انرژی الکتریکی استفاده شده است. همچنین استفاده از فاکتورهای قابلیت اطمینان به همراه ارزیابی دقیق هزینههای جاری، موجب بهبود کارایی ریزشبکه میشود. از این رو، احتمال میزان بار تامیننشده سیستم (LPSP) و احتمال تامیننشدن انرژی مورد انتظار مصرفکنندگان شبکه انرژی الکتریکی (LOLE)، به عنوان فاکتورهای ارزیابی دقت هزینههای جاری مطرح میشوند. مدل پیشنهادی در نرمافزارهای GAMS و MATLAB پیادهسازی شده و نتایج حاصل نشانگر عملکرد مطلوب الگوریتم پیشنهادی بوده و موجب سوددهی سیستم مورد مطالعه میشود.
کلیدواژگان: ریزشبکه، شبکه بالادست، سیستم همسایگی، قابلیت اطمینان، شبکه عصبی دینامیکی -
صفحات 14-24
در این مقاله ساختار جدیدی برای مزرعه بادی- خورشیدی ارایه شده است. مزرعه بادی- خورشیدی پیشنهادی دارای قابلیت اتصال پانل خورشیدی و بارهای DC بوده و مجهز به یک سیستم ذخیره انرژی (ESS) میباشد. هر توربین بادی DFIG در مزرعه بادی پیشنهادی دارای یک اتصال به شبکه AC از طریق استاتور و یک اتصال به لینک DC مشترک از طریق مبدل سمت روتور میباشد. در ساختار پیشنهادی، برای تبادل توان بین لینک DC مشترک و شبکه AC از یک مبدل سمت شبکه با توان بالا استفاده شده است. مزرعه بادی پیشنهادی در شرایط عملکرد عادی از مزایایی همچون کاهش تلفات مبدل و افزایش طول عمر مبدلها بهره میبرد. همچنین ساختار پیشنهادی قادر است قوانین شبکه را در تزریق توان راکتیو و توان اکتیو به ترتیب متناسب با خطاهای ولتاژ و فرکانس با استفاده از سیستم کروبار موازی و منبع ذخیرهساز انرژی و با تغییر حالت کنترلی DFIGها و پانلهای خورشیدی رعایت کند. جهت بررسی قابلیتهای ساختار پیشنهادی، شبیهسازی سیستم با نرمافزار MATLAB/Simulink انجام گردیده و همچنین از یک سیستم آزمایشگاهی جهت بررسی عملکرد ساختار پیشنهادی در شرایط مختلف کاری استفاده شده است.
کلیدواژگان: توربین بادی، پانل خورشیدی، DFIG، خطای ولتاژ، خطای فرکانس و منبع ذخیره ساز انرژی -
صفحات 25-35
این مقاله، اثبات نظری پایداری مجانبی حلقه بسته مبدل باک DC-DC را بر مبنای نظریه آشفتگی منفرد ارایه میدهد. به دلیل ماهیت ساختار دو مقیاس زمانی با دینامیکهای تند و کند در این مبدل، برای کنترل آن از ساختار کنترلی آبشاری استفاده شده است. این کنترلکننده دارای دو حلقه کنترلی میباشد: یک حلقه بیرونی برای کنترل ولتاژ خروجی بر مبنای کنترل تناسبی- انتگرالی و یک حلقه درونی برای کنترل جریان سلف بر مبنای کنترل مد لغزشی. کنترلکنندههای مربوط به هر کدام از حلقهها بر مبنای نظریه آشفتگی طوری طراحی میشوند که محدودیتهای در نظر گرفته شده برای مبدل را برآورده کرده و پایداری مجانبی حلقه بسته را در گستره وسیعی از شرایط اولیه مبدل، تضمین کنند. جهت اعتبارسنجی، روش پیشنهادی برای یک مبدل باک نوعی در محیط Matlab-Simulink شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که با انتخاب مناسب ضرایب کنترلکننده PI حلقه بیرونی، مطلوبات مسئله برآورده شده و سیستم پایدار مجانبی میشود. همچنین مقاومت سیستم در برابر نامعینی بار و اغتشاشات ورودی و نیز نحوه ردیابی مرجع ولتاژ مورد ارزیابی قرار گرفته و ساختار پیشنهادی با ساختار PI-PI مقایسه شده است.
کلیدواژگان: پایداری مجانبی، کنترل آبشاری، کنترل مد لغزشی، مبدل باک DC-DC، نظریه آشفتگی منفرد -
صفحات 36-44
یکی از چالشهای اساسی شبکههای سلولی ناهمگن که در آنها ایستگاههای پایه مختلف با ویژگیهای متفاوت به سرویسدهی کاربران میپردازند، سیاست دسترسی کاربران به ایستگاههای پایه است. در این مقاله به منظور بهبود عملکرد ارتباط فراسو در شبکه ناهمگنی که از محدودیت بکهال در ایستگاههای پایه رنج میبرد، سیاست دسترسی ارتباط فراسو و فروسو به صورت جدا پیشنهاد میگردد. در این نوع سیاست، کاربر میتواند به دو ایستگاه پایه مجزا در ارتباط فراسو و فروسو متصل گردد. به منظور بهرهبرداری کارامد از منابع شبکه و افزایش گذردهی کاربران متصل به سلولهای پربار، معیار دسترسی کاربران به ایستگاههای پایه در ارتباط فراسو، برقراری تعادل بار در این ارتباط در نظر گرفته شده است. به این منظور شاخص ارتباط کاربران به ایستگاههای پایه و توان ارسالی آنها از حل مساله بهینهسازی بیشینهکردن مجموع نرخ موثر کاربران به دست میآید. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که با به کارگیری این معیار، در سیاست دسترسی ارتباط فراسو و فروسو به صورت جدا، شاخص تعادل بار، کارایی انرژی و متوسط نرخ موثر کاربران در این ارتباط به طور قابل توجهی بهبود مییابد. از آنجا که نرمافزار گمز جواب دقیق مساله بهینهسازی را محاسبه میکند و به منظور ارزیابی کارایی الگوریتم پیشنهادی، مساله فوق در شبکه بکهال با استفاده از نرمافزار گمز نیز حل شده است. نتایجی که از الگوریتم پیشنهادی به دست آمده به نتایج محاسبهشده از نرمافزار گمز نزدیک میباشد که نشاندهنده دقت مناسب الگوریتم پیشنهادی است. در ادامه نیز روشی برای بهبود تعادل بار در ارتباط فراسو در شبکههای ناهمگن که دارای محدودیت بکهال میباشند، پیشنهاد میشود و کارایی آن مورد ارزیابی قرار میگیرد.
کلیدواژگان: ارتباط فراسو، تعادل بار، سیاست دسترسی ارتباط فراسو و فروسو به صورت جدا، شبکه های ناهمگن، محدودیت بک هال -
صفحات 45-52
ترانزیستورهای نانونوار گرافنی نوع شاتکی (SBGNRFET)، علیرغم ویژگیهای بارزی که نسبت به ترانزیستورهای متداول دارند، دارای جریان خاموش نسبتا زیاد و نسبت پایین میباشند. در این مقاله ساختار جدیدی از ترانزیستور نانونوار گرافنی نوع شاتکی ارایه شده که در آن گیت ترانزیستور به دو قسمت تقسیم شده است. به گیتی که در سمت درین قرار گرفته است، ولتاژ ثابت متصل شده و گیتی که در سمت سورس قرار گرفته است، گیت اصلی ترانزیستور میباشد. ساختار SBGNRFET ارایهشده با مشخصههای هندسی و فیزیکی و در بایاسهای متفاوت با استفاده از شبیهساز عددی مبتنی بر توابع گرین غیر تعادلی شبیهسازی شده و کارایی افزاره مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج شبیهسازی نشاندهنده بهبود نسبت Ion/Ioff تا 7/6 برابر در V 8/0= VDS میباشد. در این ولتاژ نسبت Ion/Ioff از 2/1 در ترانزیستور SBGNRFET معمولی به 01/8 در ترانزیستور جدید رسیده و جریان خاموش Ioff از µA 5 به µA 7/0 کاهش یافته است. همچنین در V 6/0= VDS، به عنوان ولتاژ تغذیه، نسبت Ion/Ioff از 97/3 به 8/15 و جریان خاموش Ioff از µA 63/0 به µA 16/0 رسیده است.
کلیدواژگان: ترانزیستورهای نانونوار گرافنی نوع شاتکی (SB-GNRFET)، شبیه سازی توابع گرین غیر تعادلی، نسبت جریان روشن به خاموش Ion، Ioff -
صفحات 53-59
امروزه مبدلهای آنالوگ به دیجیتال به عنوان جزء جداییناپذیر از سیستمهای بر روی تراشه به شمار میآیند زیرا فاصله بین دنیای فیزیکی آنالوگ و دنیای منطقی دیجیتال را از بین میبرند. این امر و تمایل روزافزون به استفاده از تجهیزات قابل حمل، سبب شده ملزومات طراحی این مبدلها مانند سرعت، توان مصرفی و سطح اشغالی بهبود یابند. راهکارها و روشهای مختلفی جهت بهبود عملکرد مبدلها ارایه شده که روز به روز در حال پیشرفت میباشند. با توجه به اهمیت روزافزون مبدلها، در این مقاله یک ADC سریع و کمتوان با استفاده از CNTFET طراحی شده و عملکرد آن با نمونه مشابه MOSFET با همان طول کانال مورد بررسی قرار گرفته و همچنین عملکرد مبدل طراحیشده با دو نوع کدگذار مختلف، ROM و Fat tree مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه، نتایج شبیهسازی که با بهرهگیری از نرمافزار HSPICE در تغذیه 9/0 ولت به دست آمده ارایه گردیده است. نتایج شبیهسازی مبدل در فناوری CNTFET بهبود قابل توجهی در پارامترهای توان و تاخیر نسبت به طراحی مشابه در فناوری CMOS نشان میدهد. توان مصرفی و تاخیر مبدل مبتنی بر نانولوله کربنی با کدگذار نوع ROM به ترتیب 5/92% و 54% و با کدگذار Fat tree به ترتیب 93% و 72% نسبت به مبدلهای مبتنی بر ترانزیستورهای CMOS بهبود یافتهاند.
کلیدواژگان: مبدل آنالوگ به دیجیتال، مبدل فلش، مقایسه کننده TIQ، توان مصرفی پایین، انکدر ROM، انکدر Fat tree -
صفحات 60-66
این مقاله، به بررسی بهرهوری انرژی در شبکههای رله دوجهتی امن میپردازد. فرض میشود که در حضور یک شنودگر، دو کاربر تکآنتنی با کمک چند رله چندآنتنی تقویت و ارسال به مبادله اطلاعات با یکدیگر اقدام میکنند. در بازه زمانی اول، کاربران سیگنال خود را به سمت رله ارسال میکنند و در بازه زمانی دوم، رلهها با استفاده از ماتریس شکلدهی پرتو، سیگنال دریافتی را به گونهای به سمت کاربران ارسال میکنند که اطلاعات دریافتی شنودگر به حداقل برسد. با استفاده از دو روش شکلدهی پرتو در فضای پوچ (NSBF) و شکلدهی پرتو بر پایه همترازی تداخل (ILABF)، بهرهوری انرژی که نسبت نرخ مجموع امن به توان مصرفی کل شبکه است، محاسبه شده است. نشان داده میشود که مسالههای پیش رو غیر محدب است و با استفاده از روش آزادسازی نیمهمعین (SDR)، به صورت محدب تبدیل خواهند شد. این مسایل محدب با استفاده از روش نقطه درونی حل گردیدهاند و پاسخ آنها فرم بسته ندارد. در نتایج عددی، ملاحظه میشود که با استفاده از روش شکلدهی پرتو بر پایه همترازی تداخل، بهرهوری انرژی مقدار بیشتری را نسبت به روش شکلدهی پرتو در فضای پوچ که در پژوهشهای پیشین به کار رفته است، به خود اختصاص میدهد.
کلیدواژگان: امنیت لایه فیزیکی، بهره وری انرژی، رله دوجهتی، شکل دهی پرتو -
صفحات 67-72
در این مقاله تلاش شده تا برای یک مدل چندورودی- چندخروجی (MIMO) بالگرد بدون سرنشین (HUAV)، سیستم افزاینده پایداری (SAS) مقاوم بهینه در مد هاور طراحی شود. این مدل در حالت حلقه باز، ناپایدار و زیر تحریک است و بین دینامیکهای آن در کانالهای رول، پیتچ و یاو وابستگی وجود دارد. در این مقاله با توجه به ویژگی خاص مدل، فیلترهایی با پهنای باند مشخص در مسیر سیگنالهای اعمالی به عملگرها طراحی شده که باعث میشود وابستگی دینامیکها در مدل حلقه بسته کاهش یافته و عملکرد حلقههای کنترلی در کانالهای حرکت طولی، عرضی و سمت آن مجزا گردد. در این مقاله، SAS به صورت کنترلکنندههای PI مقاوم روی مدل خطی طراحی میشود. بر این اساس، پس از مجزانمودن حلقههای عملکردی بالگرد در حالت حلقه بسته، ضرایب PI هر کانال به کمک مسئله کنترل مقاوم ∞H مدل شده و با الگوریتم ژنتیک به صورت بهینه محاسبه گردیده است. در نهایت شبیهسازی روی مدل غیر خطی نشاندهنده مقاومبودن آن در برابر عدم قطعیت ناشی از خطیسازی مدل غیر خطی و اغتشاشات واردشده به سیستم است.
کلیدواژگان: بالگرد بدون سرنشین، سیستم افزاینده پایداری، مد هاور، طراحی کنترل کننده مقاوم بهینه، حذف وابستگی دینامیکها
-
Pages 1-13
In this paper, to enhance the optimal planning for power management of micrigrids, a strategy is proposed using power sharing through coordination between microgrids and the neighborhood system, which has no additional costs for generating units. The uncertainty values of electrical consumers are modeled by dynamic neural network, considering the implementation process and high accuracy of forecasting. In another view, to supply the electrical energy of microgrid, diesel generator, renewable energies such as solar energy and wind energy and so, battery energy storage are used, in addition to the upstream grid connection. As well as, using of the reliability factors, along with a detailed assessment of current costs will improve the performance of microgrid. Hence, the loss of power supply probability (LPSP) and loss of load expectations (LOLE) are expressed as factors for assessing the accuracy of current costs. The proposed model is implemented in GAMS and MATLAB environment and the simulation results clearly demonstrate the desired performance of the proposed algorithm, and leads to gaining revenue for the under-study system.
Keywords: Microgrid upstream, grid neighborhood, system reliability, dynamic neural network -
New Structure of Wind-PV Farm with Improved Performance under Voltage and Frequency Fault ConditionsPages 14-24
In this paper a new structure for wind – PV farm is proposed. The PV arrays and DC loads are capable to connect to the proposed structure. In the proposed structure each DFIG wind turbine is connected to the AC grid through its stator windings and has a connection to a common DC link via its rotor side converters. The proposed structure uses a high power grid side converter and an energy storage system for entire wind – PV farm. The converter power loss decrease and lifetime increase of power switches are some advantages of the proposed structure under normal operation conditions. The proposed structure with the coordinated power control of DFIG wind turbines, the ESS and PV arrays improves the low voltage ride-through capability under-voltage fault conditions and enhances the frequency response of the wind farm under frequency faults. The proposed structure is simulated in MATLAB/ Simulink software and the results are presented. Furthermore, an experimental setup is provided to test the operation of the proposed structure.
Keywords: PV, FIG, wind turbine, LVRT, Frequency support -
Pages 25-35
This paper presents the theoretical proof for the closed-loop asymptotic stability of a DC-DC buck converter based on singular perturbation theory. Due to the two-time scales structure of this converter with fast and slow dynamics, a cascade control structure is used to control it. This controller has two control loops: an outer loop to control the output voltage based on the proportional-integral control and an inner loop to control the inductor current based on the sliding mode control. The controllers in the loops are designed based on perturbation theory to meet the constraints of the converter and ensure the asymptotic stability of the closed-loop system over a wide range of initial conditions. For validation, the proposed control design method is simulated for a typical buck converter in the MATLAB-SIMULINK environment. The simulation results show that by properly selecting the PI controller coefficients in the outer loop, the problem requirements are met, and the asymptotic stability of the closed-loop system is guaranteed in a wide range of the converter initial conditions. Furthermore, the system robustness against load uncertainty and input disturbances as well as the voltage reference tracking are evaluated, and the proposed structure is compared with a PI-PI structure.
Keywords: Asymptotic stability, cascade control, sliding mode control, DC-DC buck converter singular, perturbation theory -
Pages 36-44
One of the major challenges in the heterogeneous networks, where different base stations with different capabilities serve users, is the access policy for establishing a communication link between the user and its serving node. To overcome this challenge in a heterogeneous network which also suffers from the backhaul constraint, a special kind of “decoupled uplink and downlink access” policy is proposed in this paper, which let users to be served by different base stations in uplink and downlink communications. More precisely, in order to efficiently utilize the system resources, increase the users’ throughput, and guarantee the users’ fairness, a special load balancing association policy is considered in the uplink transmission and a problem which maximizes the weighted sum of users’ effective rates is solved. Simulation results show that using this association policy for the considered scenario, significantly improves the load balancing index, energy efficiency, and also users’ effective rate compared to the scenario which considers the criterion of the maximum received power of the downlink connection for both uplink and downlink transmissions. In addition we propose an algorithm which further improves the load balancing considering the backhaul constraint of the base stations and evaluate its efficiency.
Keywords: Uplink communications, load balancing, decoupled uplink, downlink access policy, heterogeneous networks, backhaul constraint -
Pages 45-52
Schottky-barrier-type graphene nanoribbon transistors (SB-GNRFET), despite their prominent characteristics compared to conventional transistors, have a relatively high off-current and a low Ion/Ioff ratio. In this paper, a new structure of SB-GNRFET is presented in which the gate of the transistor is divided into two parts. A constant voltage is connected to the gate located on the drain side, and the gate located on the source side is the main gate of the transistor. The proposed SB-GNRFET is simulated using non-equilibrium Green functions-based numerical simulator under different geometric and physical characteristics and in biases. The simulation results show Ion/Ioff ratio improvement of up to 6.7-fold at VDS = 0.8 V. At this voltage the ratio has increased from 1.2 in the normal SB-GNRFET transistor to 8.01 in the new transistor and the off current has been reduced from 5 µA to 0.7 µA. Also at VDS = 0.6 V, as the supply voltage, the Ion/Ioff ratio increased from 3.97 to 15.8 and the off current decreased from 0.63 µA to 0.16 µA.
Keywords: Schottky-barrier-type, graphene, nanoribbon, field-effect transistors (SB-GNRFETs), non-equilibrium Green functions (NEGF), simulation Ion, Ioff ratio -
Pages 53-59
Nowadays, analog to digital (A/D) converters are indistinguishable parts of system on chip (soC) structures because they omit the distance between analog real data and digital logic world. Due to this fact and ever increasing trend for using portable instruments, the figures of merit for design of these converters such as speed, power and occupied area are improved. Different methods are proposed to improve the performance of these converters. In this paper, we design a fast and low power ADC using carbon nano-tube field effect transistor (CNTFET) and then its performance is comprehensively compared with a MOSFET based counterpart at the same technology node. The performance is studied two encoders: ROM and Fat tree. The obtained results are presented using HSPICE simulator at 0.9 V power supply. The simulated data from CNTFET based converter shows significant improvements in delay and power compared with its CMOS based counterpart. The power and delay obtained from CNTFET based converter using ROM encoder are improved by 92.5% and 54% with respect to the same parameters obtained from CMOS based design while the improvements using a Fat tree encoder in CNTFET converter reaches 93% and 72% in comparison with CMOS conventional design.
Keywords: Analog to digital, converter (A, D) carbon nano-tube field effect, transistor (CNTFET), ROM encoder, threshold inverter quantization (TIQ) -
Pages 60-66
paper investigates the energy-efficiency in secrecy two-way relay networks. It is assumed that in the presence of several multi-antenna amplify-and-forward relays and a single eavesdropper, two single-antenna users exchange their confidential messages during two hops. In the first hop, both users send their messages to the relay nodes and during the second hop, the relays send the received signal to the users by using the beamforming matrix, to minimize the received information by the eavesdropper .In this way, using two beamforming strategies, named as Null-Space Beamforming (NSBF) and Information Leakage Alignment Beamforming (ILABF), the secrecy energy efficiency that is the ratio of total secrecy sum-rate to the total power consumption of the network is calculated. It is shown that the aforementioned problem is non-convex so it will be converted to the convex form, using the Semi-Definite Relaxation (SDR). This problem has not closed-form and is solved using the interior point method.In numerical results, it is observed that by using the information leakage alignment beamforming (ILABF) method, energy efficiency is allocated more value than the null-space beamforming (NSBF) approach that was used in previous studies.
Keywords: Physical layer, security energy, efficiency two-way, relay beamforming -
Pages 67-72
Nowadays, Unmanned helicopters are used widely in many applications because they have high maneuverability and can take off and landing in many areas, and its stability has special importance. Without stability augmentation system (SAS), the helicopter is not maneuverable. Stability augmentation system or SAS design for helicopter decreases disturbances effects and improve performance. In this paper a robust SAS is designed for nonlinear dynamic model of ANCL helicopter in hover mode, this model is unstable, multivariable, under-actuated with coupling between dynamics Due to specific characteristics for liner model of the system in this paper, some filters are designed for input signals of actuators for decoupling of system dynamics in closed loop system, so these loops will become decoupled. PI controller is conventional to design of SAS in small helicopters, so PI coefficients are designed robustly for each decoupled control loop and this is designed by H_∞ Robust problem and optimized by genetic algorithm. Finally, obtained controllers are simulated for nonlinear model helicopter in hover mode that results show robustness against of nonlinear model uncertainty and disturbances.
Keywords: Unmanned helicopter, stability augmentation system (SAS), hover mode, genetic robust controller design, decoupled dynamics