基于细菌觅食的光伏阵列供电的铁路道口安全驱动控制系统设计及仿真测试

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）485基于细菌觅食的光伏阵列供电的高性能铁路道口安全驱动控制Essamudin A. Ebrahim电子研究所电力电子和能源转换部，El-tahrir Street，国家研究中心大楼，12662，Dokki，Giza，Egypt接收日期：2015年8月30日;接收日期：2015年10月28日;接受日期：2015年11月2日2016年8月9日在线发布摘要在过去的十年里，铁路平交道口事故以一种无可争议的荒谬方式明显升级，这一毁灭性的障碍为许多第三世界公民的令人沮丧的死亡打开了闸门， 在埃及为了解决这个问题，需要一个完全智能的控制系统，它必须在没有人为干预的情况下自动化。因此，在本研究中，设计并介绍了一种新的平交道口跟踪系统该系统包括一个高性能的感应电机（IM）从光伏（PV）阵列，其机构的繁荣障碍（门）-第一种设计用于将转换器的占空比调节到最佳值，以在最大功率点跟踪（MPPT）和将逆变器的直流链路电压保持在维持电机内部转矩在额定值所需的最低水平之间进行平衡第二个PI控制器是为间接磁场定向矢量控制（IFO-VC）IM的速度控制而设计的提出的MPPT，直流母线电压和速度控制器的设计问题仿真测试结果时，使用无电池的光伏阵列与建议的控制器和不此外，当应用几个规定的速度轨迹来测试对PV辐照度波动和电机动态干扰的鲁棒性时，获得了结果从这些结果中，所提出的智能控制器是强大的相比，经典的© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：高性能驱动器（HPD）;感应电机（IM）;水平交叉;细菌觅食优化（BFO）;间接场定向（IFO）;光伏（PV）1. 介绍在埃及，有1200多个铁路平交道口设有栅栏。大多数这些障碍仍然是由门卫在收到列车到达的信息后手动操作的电子邮件地址：essamudin@yahoo.com，essamudin@eri.sci.eg电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.11.0142314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。486E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485Fig. 1.铁路平交道口系统。由于火车司机和门卫的疏忽等人为失误，发生了许多事故并逐渐增加（Puet al.， 2014年）。为了克服这个问题，需要一个完全智能的控制系统（如图1所示），必须是自动化的，不依赖于人为因素。该系统需要视觉传感器、主处理器和电机驱动器，用于从电源或能源供电的移动门。光伏发电作为一种可再生的清洁能源，由于其具有无燃料成本、无运动部件、维护少、无噪音、无磨损等优点而受到人们的关注。PV阵列的输出是可变的，并且存在唯一的操作点，在该操作点处其输出功率最大化。跟踪光伏阵列的最大功率点（MPP）通常是光伏系统的重要组成部分如此之多最大功率点跟踪方法已经开发和实施（Esram和Chapman，2007年）。一些经典的技术，例如爬山法、扰动和观察法、增量电导法、分数开路电压法（Masoum等人，2002），电流扫描，纹波相关控制（RCC），负载电流或负载电压最大化，和DC链路电容器下垂控制。另一方面，一些先进的技术，如人工神经网络（ANN）和模糊逻辑控制（FLC）用于MPPT（Kassem，2011）。但是，平交道口跟踪系统偶尔只有在列车通过时才以恒定功率运行几分钟然而，与从离网光伏阵列馈电的交流电机驱动器一起使用的任何所提出的技术都应该在转换器/逆变器组之间的链路的MPPT和直流电压稳定换句话说，直流链路电压必须被调节，以保持其值等于最小水平，该最小水平将所需的扭矩传递到负载（动臂屏障）而没有振荡或纹波。另外，感应电机是一个参数时变的非线性对象，传统的控制器鲁棒性不强，难以满足电机跟踪控制的要求。最近，诸如遗传算法（GA）（Oshaba et al.， 2015）、粒子群优化（PSO）（Essamudin，2015）、智能的萌芽（如蚁群优化ACO（Abdul-ghaffaret al.，2014）、人工蜂群（ABC）（Essamudin，2016 a，b）和细菌觅食（BF）（Essamudin，2015;Abdul-ghaffar等人，2013;El-Saady等人，2015年）技术）的启发，作为新的技术优化设计问题。E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485487图二.光伏铁路道口跟踪系统。在埃及，一年四季的天气都很好，阳光明媚，但大多数光伏电机驱动应用都是用于抽水，浇水和灌溉。另一个不同的建议光伏应用是铁路平交道口。因此，本研究提出一种新的平交道IM跟踪系统直接从离网光伏阵列整天通过转换器/逆变器组。在夜间和阴天，系统直接从存储元件馈电，当跟踪系统通过相同的所提出的转换器被关断时，存储元件被充电研究将仅集中在系统时，直接从光伏没有存储元件和充电过程。本文介绍了一种新的方法来设计两个PI控制器的BF优化算法的基础上跟踪光伏发电与直流母线电压调节和电机转速的间接磁场定向矢量控制（IFO-VC）的三相高性能感应电机。此外，MPPT算法，这取决于直流链路和PV短路电流的建议。平交道口臂架及其机构的完整设计– as a motor load – is几种规定速度轨迹的模拟结果（包括模拟吊杆护栏运动的向前和向后行驶，即，上下）与PV辐照度波动，模拟和评估，以测试所提出的系统的鲁棒性与传统的Ziegler和Nichols（ZN）PI控制器进行比较，此外，所获得的结果确保了所提出的技术与大多数高性能应用的有效性。2. 拟用的驱动系统建议的光伏铁路平交道跟踪系统如图所示。 二、该系统由以光伏阵列为代表的可再生能源、DC/DC降压-升压变换器及其优化控制器、直流环节大容量储能电容器、PWM电流控制（PWM-CC）逆变器馈入的磁场定向矢量控制IM驱动器及其控制器和臂架栅栏及其作为负载的机构组成。2.1. 光伏阵列模型光伏组件是光伏发电系统的基本功率转换单元。光伏组件的输出特性取决于太阳辐照度、电池温度和光伏组件的输出电压。此外，光伏组件的数学模型不断更新，使研究人员能够更好地了解其工作。在阵列中，PV模块串联和并联连接 必须考虑这些连接对阵列性能的影响。具有串联的N个S电池和并联的N个P串的PV阵列的输出电流IA和输出电压VA可以由以下等式确定（Zakkpovi和Hagan，2013）：488E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485NpNp×=×=ONKTRIRRNsnkTNsR总电池电流可以计算为：I= I-I[e.q（V+IRs）−1]−V+IRs（一）总模块电流也可以计算为：我−I [e.q（VM+IM NsRs）<$−1]−VM+IMNsRs（二）相应地，光伏阵列的总电流为：.Q.VA+IANsRsV A+ I A。NsR sRpIA=Np Iirr−Io[eNsnkT-1]−NsNp（三）V =NslnGNPIA−Iirr+ 1−NsR I（四）AΛ并且，在本发明中，QNpIoNp的光伏Λ=εKT（5）此外，PV阵列的总输出可以确定为：PA=VA×IA（6）其中，PA：平均模块输出功率（W）I、IM、IA：电池、模块、阵列电流（A）Iirr：辐照度或光电流（A）Io：二极管饱和电流（A）V，VM，VA：电池、模块和阵列电压（V）q1. 6 10−19 C：电子电荷（C）K=玻尔兹曼常数= 1.3806503 10−23 J/KRs，Rp：串联和并联电阻（▲）Ns Np：串联和并联电池的数量T=298.15：电池的温度（K）ε1。1：完成因素Λ：太阳能电池常数G：每单位对于所提出的阵列，PV串联单元的数量为Ns= 5，并联单元的数量为NP= 20。阵列的PV电池总数（串联和并联= 5× 20 = 100个电池）。2.2. DC/DC常用的三种基本开关DC/DC转换器拓扑是降压、升压和已经使用和测试了许多转换器;降压转换器是降压转换器，而升压转换器是升压转换器。降压因此，在这项工作中，降压升压转换器的建议。图3示出了包括驱动电路块的降压-升压功率级的简化示意图其中，S是MOSFET或IGBT等电子开关，D是反向二极管，L是IRRpIM=OpE.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485489=×电感器，C是电容器，RL、RC是电感器和电容器的内阻，VA、Vdc是光伏阵列电压和直流链路输出电压。转换器的输出电压和电流可由下式确定（Rogers，2002）：VDC−DV1−D（七）一490E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485D.Σ∼=一IDC =D−1×I图三. Buck–boost power（八）其中，D是脉宽调制（PWM）的占空比，Idc是直流链路电流。2.2.1. 最大功率点（MPP）在最大功率点（MPP）（Masoum等人，2002年）：dPAdVA因此，d（VAIA）VA（V）dIA=0（9）IA+VAdV=0通过替换Eqs。（3）和（4）在等式中。（10）将关系式线性化，近似为：IA=IMPPI=0. 94Isc（11）其中，IMPP是在MPP处的阵列输出电流，并且Isc是PV阵列的短路电流。在Eq. （8）Eq. （十一）：Idc（MPP）94 IscDopt−1D选择（十二）最后，直流链路电流是阵列的短路电流和转换器的占空比两者的函数直流链路电流和最佳占空比之间的关系可以绘制成MPP（如第5节所示）。因此，通过调整转换器的占空比，可以平衡MPPT实现和直流链路电压调节，以验证最佳操作。2.2.2. 所提出的优化控制器为了优化直流变换器与光伏阵列的工作点，提出了一种智能PI控制器。控制器的工作范围是通过调整PI控制器参数优化;在不同的工作点Kp和Ki在目标函数优化算法的基础上，采用细菌觅食优化算法对调谐过程旨在最小化直流转换器输出电压的上升时间、建立时间、纹波和稳态误差计算PI控制器参数的最佳值，然后通过微调自适应图4表示所提出的控制器。稍后将解释BFO策略、算法和激活或目标函数一E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485491∫=−S见图4。所提出的PV-PI-BFO控制器。BFO算法的输出是PI控制器的优化比例和积分增益。由于直流母线电压的可控性，它被认为是一个常数。因此，直流链路电流根据电机电流而改变相应地，优化的占空比被释放以在MPPT和直流链路电压稳定之间进行平衡PI控制器模型如下所示：u（吨） =Kp ed（t）∞+Kied0（t）⎫⎪⎬（十三）U（S）=KpE（s）+.中文（简体）Ki其中edVdcVdc。Vdc和Vdc是转换器/逆变器组的参考和实际直流链路电压将该参考占空比与三角形高频信号进行比较最后，输出为方波具有可变占空比D。因此，根据控制器的决定来调整D_opt，以将操作点改变为其最优值。2.3. 栏式护栏屏障由密度等于（ρ= 7870 kg/m3）的铁制成，其长度选择为等于（4b= 5 m），并且由两个平行的杆组成，杆之间的距离等于（d= 20 cm）。他们两个人都加入了每个另一种是通过焊接小棒。所有的棒都是等距的，并且总数相等（nb=4）。杆的横截面等于（a=πr2），其中r是杆横截面的半径，等于（r= 0.004 m）。492E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485=×eeeeeeee博士二维DtSDQ博士博士博士二维博士博士DS二维r qrQSe4 L±rQS博士DSe二维eeeeF那么屏障的总体积和重量可以计算为：体积=v= a4t（4t= 10.8个月）重量-w-mg=ρ×v=ρ ga 4 t其中g= 9.8 m/s2。最后，屏障的总重量等于（wb= 41.8 N）。如果它从水平位置转到垂直位置，这意味着它转动了90度，它需要一定的旋转扭矩TL来上下移动它。其中，TLwb x，x是它移动的平均距离然后，总的所需机械扭矩为：计算并近似等于（80 Nm）。因此，额定输出功率（5.4 HP）的感应电动机适合且足以驱动具有匝数比（n）为2：1的齿轮箱的负载。2.4. IM数学动态模型三相感应电动机由于其坚固耐用、结构简单、无需维护、功率重量比高和成本低等优点，在广泛的应用中仍然非常有吸引力（Essamudin，2001年;Essamudin和Hammad，2003年）。 在这项研究中，dq轴模型的三相IM与参考轴旋转同步速度。在同步参考系中获得以下方程（Essamudin和Hammad，2003年）：ds=Rsidsqs=Rsiqs+pλds+pλqs-ωs λqs+ωs λds（十四）（十五）ve±=R±rie±+pλe±−（ωs−ωr）λe±（十六）ve±=R±ie±+pλe±+（ωs−ωr）λe±（十七）qr qrds=Lsidsds=Lsiqsqr dr+Lmie±+Lmie±（十八）（十九）λe±=L±rie±+Lmie（二十）λe±=L±ie±+Lmie（二十一）T=3PLm。ieλe±−ieλe±<$（22）T= J。d ωm+B ω+TL（二十三）其中ve经济和社会发展组织经济和社会发展组织vvλλME.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485493±v±，i±，λ、Rs、Ls是 dq同步参考框架分别。东方日报东方日报东方日报、R±r、L±r是转子电压、电流、磁通、电阻和电感矢量，dq-同步参考帧。此外，p、ωr、ωs、ωm、Te、TL、P、Bf、J和Lm分别是微分算子（d/dt）、转子电角速度、同步电角速度、转子机械速度、电内转矩、机械负载转矩、极数、电动机的粘性摩擦系数、转子质量惯性矩、定子电阻、转子电阻、定子电感以及定子和转子之间的自感或互感。2.4.1. 间接转子-磁感应磁场定向矢量控制方案磁场定向概念意味着提供给电机的电流分量应与转子磁通矢量同相（磁通分量）和正交（转矩分量）这是通过选择ωs作为转子磁通的瞬时速度并锁定参考系统的相位来实现的，使得转子磁通我 ，λ494E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485二维博士我QS±λ=τ i==∫αsDse4 L±rQS博士Tqs博士⎣1−2−QS博士βsqs⎢√2完全在d轴（通量轴）上，导致数学约束（Essamudin，2016 b;Boldea和Nasar，2000）：λe±=0（24）因此，通过代入Eq. （22）得到：T=3PLm。即λe±λ=Kieλe±（二十五）其中KT=（3/4）（PLm/L±r）。F或转子短路和恒定的直接转子磁通，v±dr =v±qr =0，λe±=常数，通过代入方程。（二十一）（十七）ωsl=sωs=（ωs−ωr）=转差速度ωsl= R±rLmeL±re1iee （稳态）（26）RDS其中，可以获得传递函数G（p）：G（p）LM1+pτr和 .τrL±rR±r对于间接磁场定向转子磁通矢量控制，定子静止参考系（αβ−参考系）中的转子磁通角θrf可计算为：不θrf=0（ωsl）dt+θr（27）然后，dq-αβ变换表示为：Σis∗Σ吉吉Czarcos（Qrf）−sin（Qrf）=吉吉ssin（Qrf）cos（Qrf）e（二十八）最后，使用下式计算三相参考电流ias、ibs、ics：⎡i∗ ⎤⎢⎡1 0⎤作为13年来的第一次，⎥i（二十九）⎣bs⎦⎢√⎥is∗最后给出了间接磁场定向矢量控制器（IFO）框图。 五、⎦伊奇奇32βsE.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）4854952.4.2. 斜坡比较电流控制PWM逆变器所提出的系统使用斜坡比较电流控制PWM逆变器，如图6所示，仅用于一个相位（相位a）（Boldea和Nasar，2000年）。该控制器以电流误差作为调制函数，产生正弦三角形PWM。逆变器开关取决于三角波的频率。三相需要六个脉冲来触发逆变器支路，称为（A+，A−，B+，B−，C+，C−）。496E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485∗ +∗ +-A+⬚−锁输出电路A--图五. IFO控制器框图。见图6。斜坡比较控制器（仅a相）。2.5. 使用BFO的速度控制器使用PI-BFO调谐，如图所示。7.第一次会议。控制器的输出为：∗()（）∞（）d（三十）TT T =Kp er t+Ki er t t0其中er=ωr<$−ωr。E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485497--见图7。提出了BFO-PI速度控制器。PI控制器的增益根据目标函数通过第4节中讨论的BFO算法进行计算和优化。在IFO-V控制算法中，利用参考电机转矩计算三相定子电流。3. 细菌觅食优化（BFO）3.1. 简要概述存在于人类肠道中的大肠杆菌的觅食策略可以通过四个过程来解释，即趋化性、群集、繁殖和消除-扩散（Passino，2002）。3.2. BFO算法3.2.1. 步骤1-初始化i要优化的参数数量（p）。ii群体中的细菌数量（S）。iii游动长度NS，之后细菌将在趋化性环路中翻滚。ivNC是趋化步骤的数目（NC>NS）。v N是再现步骤的数目。vi N表示消除和扩散事件的数量。vii探讨了该方法对细菌的清除和扩散的可能性viii每个细菌P（i，j，k）的位置被指定为P（i，j，k）= θ i（j，k，l）（i = 1，2，. . . 选项卡页面上创建ix C（i）的值在我们的情况下对于所有细菌假设为常数以简化设计策略。3.2.2. 步骤2-迭代优化本节描述了细菌群体的趋化性、群集、繁殖、消除和扩散（初始，j = k = l = 0）。对于该算法，更新θi会自动导致'P'的更新498E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）48504. 目标函数该控制器的目标是最大限度地减少速度和直流母线电压误差，具有高的动态性能。为了提高速度和电压时间响应，由于动态干扰，应尽量减少过冲，建立时间和上升时间。在这项研究中，平方误差积分（ISE）被用作成本函数被最小化。ISE主要解释了响应开始时的误差，并且在较小程度上解释了稳态持续时间（Abdul-ghaffar等人， 2013年）。ISE=0∞。e2dt（31）其中，E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485499er（t）=ωr−ωr或ed（t）==Vdc−Vdc500E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485.Σp1p1p2p2I1I1I2I2见图8。总体建议的PV跟踪高性能IM驱动器与吊杆屏障。ωr=参考转子速度rad/sωa=实际转子速度rad/sVdc=参考直流链路电压VVdc=实际直流母线电压V将该目标函数应用于直流母线电压和直流母线速度两个方面的细菌觅食优化算法控制电机以实现最小误差并优化电机的PV和动态性能因此，设计问题可以用公式表示为以下优化问题：zmin≤ z≤ zmax（32）其中，z是向量，其由PI控制器Kp、Ki的参数组成。Kmin≤Kp1≤Kmax，Kmin≤Kp2≤KmaxKmin≤Ki1≤Kmax，Kmin≤Ki2≤Kmax5. 模拟结果和讨论模拟和测试的整个拟议系统如图所示。8.第八条。 参数和重复数据列表见附录A。电机额定电流近似跟踪驱动器使用的是5.4 Hp感应电机，均为8.5 A，额定线电压为400 V，负载转矩被认为是恒定的，等于30 Nm。驱动逆变器向电机供电所需的最小直流链路电压（带梁栅作为恒定负载）设置为400 V = 565 V。在此条件下，选择了96节电池的光伏组件，在最坏的情况下，选择串中的最小串联和并联模块的最小输出功率E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485501见图9。一个模块的特性曲线。见图10。阵列的特性曲线等于250 W/m2。一个使用过的模块和阵列的V-P和V-I特性如图2和3所示。分别为9和10。Ns= 5，Np= 20。Kp1和Ki1的极限最小值和最大值分别为（10 ~ 60）和（400 ~ 600），Kp2和Ki2的极限最小值和最大值分别为（5 ~ 15）和（10 ~ 30）。BFO算法参数见附录A。使用Matlab/Simulink软件包，借助BFO算法计算中的M函数（Mathwork Corporation，2012）对所提出的系统进行仿真。表1包括用于建议的PI-BFO直流链路电压控制器的自适应和调谐的示例表2总结了MPPT算法。502E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485表1PI控制器参数的最优值。图十一岁 我不知道。Idc范围Kp1Ki10.00-2.048.21502.112.0-4.048.87502.634.0-6.049.19503.186.0-8.049.62503.878.0-10.048.52502.72表2Dopt的操作方向。图中的工作点 11当前状态Dopt的操作方向IDC多奥普特（一）积极增加等等（二）负增加翻身（三）积极减少等等（四）负减少翻身该算法场景取决于Idc-Ddoppt曲线上的4个操作点，其示两个电流传感器与IM一起用于馈送相电流a和b。第三相电流c可以由以下公式计算：ic= −（ia+ib）（33）忽略温度对模块的影响，并将其视为25° C的常数为了研究光伏日照的影响，它将被改变和变化作为一个斜坡上升和下降或变化的步骤。此外，为了研究所提出的控制器对动态变化和PV波动的鲁棒性，提出了几种速度轨迹绘制了每种情况下的电机输入和输出机械和电气参数E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485503见图12。光伏太阳能，电压和功率无转换器。5.1. 案例1：直接从光伏阵列馈电，无需使用变流器这种情况下，模拟研究建议的降压升压转换器的直流母线电压调节的效果图12示出了PV输入和输出（即，辐射或日晒、电压和平均功率）。所需的直流链路电压与PV输出之间存在很大的差距。这表明了转换器的重要性。在这种情况下，电机参考速度恒定在100 rad/s，参考速度和实际速度如图1所示。此外，电动机相电流，负载和内部转矩如图所示。 13 B和C。504E.A. Ebrahim/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）485图十三.电机转速、电流和扭矩（不含变频器）。可以注意到，电动机的实际速度非常低，并且由于逆变器的低直流链路电压而无法达到参考值此外，电流波形失真很大，最大值大于额定值，由于过载，以补偿直流链路中的电压降和所需的转矩另外，在转矩波形上有很多波纹