فهرست مطالب
نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران
سال نوزدهم شماره 2 (پیاپی 62، تابستان 1400)
- الف - مهندسی برق
- تاریخ انتشار: 1400/08/13
- تعداد عناوین: 8
-
-
صفحات 77-89
از محدودیتهای اصلی استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر برای تولید برق میتوان به کمبودن ولتاژ خروجی نیروگاههای تولید برق با انرژیهای نو اشاره کرد. بنابراین جهت بهرهگیری کارآمدتر از انرژیهای تجدیدپذیر طراحی یک مبدل با ضریب بهره بالاتر و راندمان بیشتر از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این مقاله یک ساختار جدید ارایه شده که همزمان با داشتن یک مبدل افزاینده، تلفات ناشی از کلیدزنی نرم نسبت به روشهای مرسوم به حداقل رسانده میشود. همچنین بر اساس روش ارایهشده تنش ولتاژ روی دیودها و کلیدها در حد قابل قبول محدود میشود. یک مبدل افزاینده ساده میتواند به کمک اضافهکردن یک شاخه موازی با ایجاد تشدید سری تا حد قابل ملاحظهای ولتاژ خروجی را افزایش دهد و همزمان کلیدزنی در ولتاژ صفر را ممکن سازد. مبدل پیشنهادی بدون اضافهکردن قطعه فعال به مبدل و با ساختار ساده غیر ایزوله در توان 500 وات و ولتاژ 385 ولت دارای ضریب بهره ولتاژ حدود 8/10 و راندمان بیشتر از 93% است. نتایج شبیهسازی عملکرد مبدل پیشنهادی را برای حالتهای عملکردی مختلف نشان میدهد.
کلیدواژگان: منابع انرژی نو، مبدل افزاینده، تشدید سری، ضریب بهره ولتاژ، کلیدزنی نرم -
صفحات 90-98
در این مقاله، یک کنترلکننده فازی مد لغزشی به همراه فیلتر کالمن توسعهیافته تطبیقی برای کنترل یک سیستم میز لرزه به همراه عملگر الکتریکی و مکانیزم بالاسکرو طراحی میشود. وجود عدم قطعیتهای مربوط به پارامترهای مدل و آلوده به نویز بودن دادههای دو سنسور انکودر و شتابسنج خطی موجب بروز مشکلات فراوانی در کنترل این سیستم میشود. از این رو به کارگیری کنترلکنندهای که مبتنی بر مدل دقیق نباشد و یک فیلتر غیر خطی تطبیقی، امری حیاتی است. روش کنترل فازی مد لغزشی و فیلتر کالمن توسعهیافته یک روش مناسب برای کنترل این سیستم میباشد. در کنترل مد لغزشی، بروز لرزش در ورودی کنترلی امری اجتنابناپذیر است. در این مقاله برای کاهش پدیده نامطلوب لرزش از یک مکانیزم استنتاج فازی ساده برای تخمین درست حد بالای عدم قطعیت استفاده میشود. در ادامه از یک روش بازگشتی برای تعیین ماتریسهای کواریانس نویز سیستم و اندازهگیری استفاده میشود. دادههای دو سنسور انکودر و شتابسنج خطی در فیلتر کالمن توسعهیافته تطبیقی ترکیب شده و نتایج حاصل در حذف نویز و تخمین پارامترهای لازم مورد بررسی قرار میگیرد. از فیدبک سرعت خطی که توسط فیلتر کالمن در دسترس قرار میگیرد به منظور پایدارسازی و کنترل سیستم حلقه بسته استفاده میشود. در انتها به منظور بررسی عملکرد ساختار کنترلی ارایهشده با آزمایش به کمک میز لرزه مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج حاصل نشان میدهند که روش مطرحشده بسیار کارآمد است.
کلیدواژگان: میز شبیه ساز لرزه، فیلتر کالمن توسعه یافته تطبیقی، فیلتر کالمن، کنترلر فازی مد لغزشی -
صفحات 99-108
امروزه با توجه به رشد گسترده و نفوذ استفاده از منابع تولید پراکنده در شبکههای هوشمند، پیشبینی بار خالص شبکه با در نظر گرفتن اثر تولیدات پراکنده اهمیت قابل توجهی پیدا کرده است. در این مقاله یک روش بهینهسازی ترکیبی به منظور پیشبینی احتمالاتی بلندمدت بار خالص شبکه با استفاده از روش تحلیل اجزای همسایگی و حل مساله رگرسیون به روش mini-batch-LBFGS و ترکیب پیشبینیهای به دست آمده با استفاده از سیستم استنتاج عصبی- فازی تطبیقی ارایه شده است. این ساختار شامل ترکیب چندین پیشبینی بلندمدت از جمله پیشبینی بار، توان یک ایستگاه خورشیدی و توان یک مزرعه بادی با توربینهای بادی مجهز به ژنراتور القایی دوسوتغذیه است. پیشبینی بار خالص و بررسی وابستگی موجود بین خطاهای پیشبینی بار و توانهای خورشیدی و بادی نیز در این مقاله مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج شبیهسازی روش پیشنهادی و مقایسه آن با مدلهای تایو و رگرسیون چندکی نشان میدهد که درصد میانگین مطلق خطا برای پیشبینیهای بار و توانهای خروجی ایستگاه خورشیدی و مزرعه بادی به ترتیب به میزان 947/0%، 3079/0% و 0042/0% بهبود یافته است که کاهش خطای کلی پیشبینی را سبب میشود.
کلیدواژگان: پیش بینی احتمالاتی بلندمدت بار، تحلیل اجزای همسایگی، سیستم استنتاج عصبی- فازی، شبکه هوشمند، تولید بادی، تولید فوتوولتائیک -
صفحات 109-118
در این مقاله برای بهبود عملکرد افزاره اثر میدانی بدون پیوند مبتنی بر سیلیسیم روی عایق نانومقیاس، تغییراتی هدفمند در ساختار افزاره انجام شده است. ساختار پیشنهادی با دو هدف مهم، یکی کاهش اثر خودگرمایی و دیگری کاهش جریان خاموش طراحی شده است. برای کاهش اثر خودگرمایی، ضخامت اکسید مدفون زیر کانال به نصف تقلیل یافته و همچنین بخشی از آن که زیر کانال و نزدیک به ناحیه منبع است با یک لایه بافر با آلایشی برابر با بستر جایگزین شده است. افزایش رسانش حرارتی موثر و همچنین تشکیل ناحیه تخلیه اضافی در مرز کانال پایینی با لایه بافر تعبیهشده، منجر به بهبود مشخصات حالت ماندگار و همچنین فرکانسی افزاره پیشنهادی شده است. در روش پیشنهادی که بر اصلاح شکل نوار انرژی استوار است، پارامترهای مهمی همچون جریان خاموش، نسبت جریان روشنایی به خاموش، شیب زیرآستانه، دمای شبکه بحرانی، بهره ولتاژ، رسانایی انتقالی، خازنهای پارازیتی، بهرههای توان، فرکانس قطع و فرکانس بیشینه نوسانی و بهره نویز مینیمم در مقایسه با ساختار متداول بهبود قابل ملاحظهای یافته است. همچنین ملاحظات طراحی لایه بافر و نقش پارامترهای آن بر روی عملکرد الکتریکی افزاره پیشنهادی مورد بررسی قرار گرفته است. ساختارهای مورد مطالعه در این مقاله توسط نرمافزار SILVACO که از مدلهای فیزیکی مقاوم و دقیقی برای آنالیز افزارههای نیمههادی برخوردار است، شبیهسازی شده و نتایج ارایهشده در مقاله حاضر همگی برتری عملکرد ساختار پیشنهادی را نشان میدهند.
کلیدواژگان: اکسید مدفون، افزاره بدون پیوند، سیلیسیم روی عایق، لایه بافر -
صفحات 119-126
در این مقاله روشی جهت بهبود عملکرد طیفی و کاهش EMI مبدلهای باک مبتنی بر روش کلیدزنی ارایه شده و این کار با به کارگیری تکنیک جهش فرکانسی در قسمت مدولاتور انجام گردیده است. به این منظور یک مدولاتور عرض پالسی آسنکرون (APWM) با قابلیت جهش فرکانسی پیشنهاد شده است. از آنجایی که این نوع مدولاتور ذاتا دارای رفتار خودنوسانی بوده و فرکانس نوسان آن وابسته به تاخیر حلقه آن میباشد، از این خاصیت جهت تغییر فرکانس نوسان آن استفاده شده است. به طوری که با تغییر تصادفی تاخیر حلقه آن بین 8 مقدار تصادفی، فرکانس خودنوسانی آن نیز بین 8 مقدار متفاوت تغییر یافته و در نتیجه طیفی بدون اسپور در خروجی آن ایجاد میشود. رفتار مدولاتور بر اساس مدل سیستمی به کمک روابط ریاضی تجزیه و تحلیل شده و سپس صحت این روابط به صورت رفتاری توسط نرمافزار Simulink-Matlab بررسی گردید. با توجه به این که در روش پیشنهادی عمل جهش فرکانسی در بخش دیجیتال مدولاتور انجام میشود، کنترل فرکانس به مراتب سادهتر از روشهای ارایهشده در کارهای قبلی است. همچنین لازم به ذکر است که بزرگترین مزیت روش پیشنهادی در مقایسه با سایر روشهای گسترش طیفی، پیوستگی سیگنال حامل آن به هنگام جهش فرکانس میباشد.
کلیدواژگان: جهش فرکانسی، کاهش اسپور، مبدل های کلیدزنی -
صفحات 127-134
مبدل چندسطحی مدولار خازن شناور به عنوان یک توسعه سختافزاری از مبدل چندسطحی مدولار مرسوم با هدف کاهش ریپل ولتاژ خازن سلولها در کاربرد محرکه الکتریکی در سرعتهای پایین معرفی شده است. ریپل ولتاژ خازن سلولها در این مبدل تنها با تزریق جریان چرخشی فرکانسبالا میان ساقها کاهش مییابد. در روش کنترل مرسوم این مبدل، مولفه جریان چرخشی با هدف جبرانسازی کامل ریپل ولتاژ در فرکانسهای پایین تزریق میشود که منجر به افزایش غیر ضروری دامنه جریان در ساقهای مبدل میشود. در این مقاله با استخراج رابطه میان ریپل ولتاژ خازن سلولها و دامنه جریان چرخشی فرکانسبالا، سیستم کنترل مبدل اصلاح میگردد. روش کنترل پیشنهادی قادر است تا با تزریق دامنه مناسب از جریان چرخشی، ریپل ولتاژ را در تمام بازه فرکانس به جای جبرانسازی کامل، در یک محدوده مجاز کنترل کند. نشان داده میشود که با جبرانسازی جزیی و کنترل ریپل ولتاژ خازن سلولها در محدوده استاندارد ولتاژ کلیدهای قدرت، علاوه بر کاهش دامنه جریان ساق، تلفات محرکه الکتریکی به شکل قابل توجهی کاهش مییابد. نتایج شبیهسازی و آزمایشهای عملی عملکرد موفق روش پیشنهادی را تصدیق میکند.
کلیدواژگان: مبدل چندسطحی مدولار خازن شناور، مبدل چندسطحی مدولار، ریپل ولتاژ، محرکه الکتریکی ولتاژ متوسط -
صفحات 135-141
با افزایش نفوذ منابع تولید پراکنده مبتنی بر اینورتر، دستورالعملهای شبکه خواستار عدم قطع این مبدلها از شبکه هنگام رخداد خطا میباشند. این مبدلها همچنین میبایست با تزریق توان راکتیو به رفع خطا کمک کنند. از آنجایی که شبکههای برق سلفی خالص نبوده و دارای مقاومت اهمی نیز هستند، این شبکهها هنگام رخداد خطا با مشکل ناپایداری مبدل روبهرو میشوند. مبدلها که جهت سنکرونماندن با شبکه از حلقه قفل فاز (PLL) استفاده میکنند، هنگام رخداد خطای افت ولتاژ سنگین، دیگر قادر به حفظ پایداری با شبکه نیستند. در نتیجه این مبدلها قادر به گذر از خطا نبوده و میبایست از شبکه جدا شوند. این مقاله با ارایه روشی جدید مبتنی بر امپدانس مجازی در هنگام رخداد افت ولتاژ سنگین، پایداری سنکرون با شبکه برق را حفظ میکند. این روش نیاز به تخمین تقریبی امپدانس شبکه دارد و مبدل را مجازا با نقطهای که اتصال قویتری دارد سنکرون میکند. با استفاده از روش پیشنهادی در هنگام افت ولتاژ، مبدل به شبکه متصل مانده و میتواند به شبکه توان راکتیو تزریق کند. نتایج شبیهسازی با استفاده از نرمافزار Matlab درستی روش پیشنهادی برای بهبود پایداری گذرای مبدل را نشان میدهد.
کلیدواژگان: امپدانس مجازی، PLL، مبدل متصل به شبکه، پایداری گذرا، افت ولتاژ -
صفحات 142-148
در این مقاله، یک شبکه مخابراتی تغذیهشده بیسیم چندکاربره در نظر گرفته شده که در آن کاربران و ایستگاه پایه ترکیبی به چند آنتن مجهز هستند. در فاز فروسو، ایستگاه پایه ترکیبی، سیگنال انرژی را برای کاربران ارسال کرده و در فاز فراسو، کاربران با استفاده از انرژی برداشتشده در فاز قبل، اطلاعات خود را با استفاده از فناوری دسترسی چندگانه فضایی به ایستگاه پایه ترکیبی ارسال میکنند. با در نظر گرفتن مدل عملی غیر خطی برای برداشتگر انرژی و با هدف بیشینهکردن مجموع نرخ، روشی بهینه را برای طراحی ماتریس پیشکدگذار انرژی، ماتریسهای پیشکدگذار اطلاعات کاربران و زمان اختصاصیافته به فاز فروسو و فراسو پیشنهاد میدهیم. به این منظور با استفاده از تغییر متغیرهای مناسب، مسئله را به صورت یک مسئله بهینهسازی محدب بازنویسی کرده و روشی برای حل آن ارایه میکنیم. نتایج شبیهسازی نشان میدهند که در شرایط عملی، با لحاظ رفتار غیر خطی برای برداشتگر در طراحی، انرژی ارسالی کاهش و مجموع نرخ افزایش مییابد.
کلیدواژگان: برداشت انرژی، شبکه های مخابراتی تغذیه شده بی سیم، برداشتگر انرژی غیر خطی، جهت دهی پرتو انرژی، سیستم چندورودی- چندخروجی
-
Pages 77-89
One of the main limitations of using renewable energies for electricity generation is the low output voltage of power plants with renewable energies. Therefore, the design of a converter with higher gain voltage and higher efficiency is important in the use of renewable energies. In this paper, a new topology that simultaneously has the structure of a boost converter can minimize switching losses by conventional soft switching methods and is also able to reduce voltage stress on diodes and switches Keep to an acceptable level. A simple boost converter can Increase the output voltage significantly by adding a parallel branch by generating a series resonance and enables zero voltage switching at the same time. Suggested converter without adding active element to converter with simple non-isolated structure at 500 watts and 385 volts it has a voltage gain factor of about 10.8 and efficiency of over 93%. The results show the performance simulation of the proposed converter for different performance modes.
Keywords: New energy sources, boost converter, series resonance, voltage gain, soft switch -
Pages 90-98
In this paper, Design of a fuzzy sliding mode controller (FSMC) with adaptive extended Kalman filter (AEKF) for controlling a shake table system with electric actuator and ball-screw mechanism. Due to the uncertainties regarding the model parameters and the noise of the data of the two encoder and accelerometer sensors, there are many problems in controlling this system. Therefore, it is crucial to employ a non-precise model-based controller and a nonlinear adaptive filter. The fuzzy sliding mode control and Extended Kalman filter are a good way to control this system. In sliding mode control, chattering at the control input is inevitable. In this paper, a simple fuzzy inference mechanism is used to reduce the undesirable phenomenon of chattering by correctly estimating the upper bound of uncertainty. In the following, a recursive method is used to determine the system and measurement noise covariance matrices. The data of the two encoder and accelerometer sensors are combined in the adaptive extended Kalman filter and the results in noise elimination and parameter estimation are investigated. Linear speed feedback available through the Kalman filter is used to stabilize and control the closed loop system. The end is examined to check the performance of the control structure provided by the seismic table test. The results show that the proposed method is very effective.
Keywords: Shaking simulation table, adaptive extended Kalman filter, Kalman filter, fuzzy sliding mode controller -
Pages 99-108
With the growth and integration of distributed generation resources in smart grids, net load forecasting is of significant importance. A hybrid optimization method is proposed in this paper for probabilistic net load forecasting using neighborhood component analysis and solving regression problem with the aid of mini-batch LBFGS method. Net load forecasting is suggested in this paper trough forecast combination via adaptive network-based fuzzy inference system. The structure includes a combination of several long-term forecasts, including forecasts of load, the generation of a solar station, and the generation of a wind farm with wind turbines equipped with doubly-fed induction generator. Also, the net load forecasting and the relationship between errors of load, wind and solar predictions are studied in this paper. The simulation results of the proposed method and its comparison with Tao and quantile regression models show that mean absolute percentage error of load forecasting, and the forecasts of solar and wind generations improved by 0.947%, 0.3079% and 0042%, respectively which result to a decrease in net load forecasting error.
Keywords: Long term probabilistic load forecasting, neighborhood component analysis, adaptive network-based fuzzy inference system, smart grid, wind generation, solar generation -
Pages 109-118
In this paper in order to improve the electrical performance of nanoscale SOI-junctionless, a targeted modification has been performed. The proposed structure has been aimed to reduce the OFF current and self-heating effect. To reduce the self-heating effect, the buried oxide thickness has been reduced into the half and a part of it has been replaced by a buffer layer. Increase in the thermal conduction and making an extra depletion layer in the buffer layer/channel region interface are led to improvement of the electrical performance in the terms of DC and AC. In the proposed method, which is based on the energy band modification, the parameters such as IOFF, ION/IOFF, subthreshold swing, lattice temperature, voltage gain, transconductance, parasitic capacitances, power gains, cut-off frequency, maximum oscillation frequency and minimum noise figure have been improved. Also, a designing consideration for the role of buffer layer on the proposed device has been performed. Comparing structures under the study simulated by the SILVACO showed the electrical performance superiority for the proposed device.
Keywords: Buried oxide, junctionless, silicon-on-insulator, buffer layer -
Pages 119-126
This paper presents an EMI reduction technique for switched-mode buck converters. To achieve this, the frequency hopping concept is utilized in asynchronous pulse width modulators (APWM) performing the power conversion with controlling the on-off time of the power switches. The modulator has an oscillatory behavior; such that its oscillation frequency depends on its internal loop delay. Making use of this property and randomly changing the loop delay between 8 distinct random values, its self-oscillation frequency is also changed between 8 different values. As a result, a spur-free spectrum is achieved at the output of the converter. To verify the usefulness of the proposed method, a model-based behavioral simulation was done using MATLAB-SIMULINK. The main advantage of the proposed method over previous works is that the switching frequency controlling mechanism is fully digital. Besides, it can be readily done without causing any disturbance in the carrier signal.
Keywords: Frequency hopping, spur reduction, switched mode convertor -
Pages 127-134
The flying-capacitor modular multilevel converter (FC-MMC) has been introduced as a hardware development of the conventional MMC with the aim of reducing the cell capacitor ripple voltage in the application of electrical drive at low speeds. The capacitor ripple voltage of the cells in this converter is reduced only by injecting high frequency circulating current between the arms. In the conventional control method of this converter, the circulating current component is injected with the aim of complete elimination of the voltage ripple at low frequencies, which leads to an unnecessary increase of the current amplitude in the converter arms. In this paper, the converter control system is modified by finding the relationship between the cell capacitor voltage ripple and the high frequency circulating current amplitude. Then, by injecting the appropriate amplitude of the circulating current, the voltage ripple is controlled in an acceptable range. It is shown that by partial compensation (instead of full elimination of the voltage ripple), in addition to reducing the amplitude of the arm currents, the losses of the electrical system are significantly reduced. The results of simulations and experiments confirm the successful performance of the proposed method.
Keywords: Flying-capacitor modular multilevel converter (FC-MMC), modular multilevel converter, voltage ripple, medium-voltage electric drive -
Pages 135-141
With the rise in the penetration of inverter based distributed energy sources, grid codes say that converters should not be disconnected during the fault. These sources should also help the grid by reactive power injection. Power system grids are resistive inductive and the converter may be unstable during the fault. Converters use phase locked loop (PLL) to synchronize with the grid. PLL is not able to be stable during severe voltage drop, so converters cannot ride through the fault and should be disconnected. In this paper a novel method based on virtual impedance is proposed to maintain the synchronization during severe voltage drop. This method needs grid impedance estimation and virtually connects the converter to a point that has a stronger connection. By this novel method, during voltage drop, the converter stays connected to the grid and injects reactive power. Simulation results in MATLAB verify the ability of proposed method in improving the transient stability of converter.
Keywords: Virtual impedance, PLL, grid connected converter, transient stability, voltage drop -
Pages 142-148
In this paper, a wireless powered communication network (WPCN) is considered, in which the hybrid access point (HAP) and the users are equipped with multiple antennas.In the downlink phase, an energy HAP transfers the energy signal to the users and in the uplink phase, users apply the harvested energy to transfer their information to the HAP using spatial division multiple access (SDMA) technology. By considering the nonlinear behavior of energy harvester in system design and aiming to maximize the sum of the rates, we propose an optimal method for designing energy pre-coding matrices, user information pre-coding matrices, and time devoted to the downlink and uplink phases. For this purpose, we rewrite the problem as a convex optimization problem by appropriate change of variables and propose a method to solve it. The simulation results show that in practical scenarios, employing the nonlinear energy harvesting model in the system design could reduce the transmitted energy, increase and the sum rate of the users.
Keywords: Energy harvesting, wireless powered communication network, nonlinear energy harvester, beamforming, multiple-input, multiple-output