PEM yakıt pillerinde PI, PSO ve FOPI kontrollü DC/DC dönüştürücülerine ilişkin performanslarının karşılaştırılması

Year 2024, Volume: 15 Issue: 1, 23 - 29, 29.03.2024

Büşra Nur Uçmaz , Yurdagül Benteşen Yakut

https://doi.org/10.24012/dumf.1373835

Abstract

Bu çalışmada, PEMFC’nin performansını iyileştirmek amacıyla geleneksel PI, PSO tabanlı PI ve PSO-FOPI olmak üzere 3 farklı uygulama geliştirilmiş ve yöntemlerin arasındaki başarım oranları karşılaştırılmıştır. Yöntemlere ilişkin performansların karşılaştırılmasında; en büyük aşım, yükselme süresi ve yerleşme süresi ölçüt olarak alınmıştır. Söz konusu uygulamalar şunlardır: A) Geleneksel PI modelinde, ampirik yaklaşımla PI değerleri Kp=0.001 ve Ki=0.15 olarak elde edilmiştir. B) PSO destekli PI modelinde, (Kp, Ki) olan PI katsayıları PSO yöntemi ile belirlenmiştir. PSO için farklı parçacık sayıları ile model denenmiş ve en iyi sonucun 20 parçacıkla elde edildiği tespit edilmiştir. C) PSO-FOPI destekli PI modeli, DC/DC dönüştürücü birimi kesir dereceli PIλDµ kontrolcüsü ile denetlenmiş ve (Kp, Ki ve λ) parametreleri PSO ile belirlenmiştir. Bulgulara göre, önerilen PSO tabanlı PI ve PSO-FOPI yaklaşımları ile elde edilen performans, geleneksel PI yaklaşımı ile elde edilen performanstan daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum, tüm (P, V, I) parametrelerde görülebilmektedir. Elde edilen sonuç, literatürde yapılan çalışmaları destekler nitelikte olduğu görülmüştür.

Keywords

PEMFC, PI kontrolör, PSO, FOPI

References

• [1] F. Laurencelle, R. Chahine, J. Hamelin, K. Agbossou, M. Fournier, T.K. Bose, “Characterization of a Ballard MK5-E proton exchange membrane fuel cell stack”. Fuel Cells J pp. 66-71,2001, DOI: 10.58559/ijes.1264797
• [2] S. Singh, V. K.1 Tayal, H.P Singh, V.K. Yadav, “Dynamic Performance Enhancement of PEM Fuel Cell Using PSO Optimized Fractional Order PI Controller”, Suranaree J. Sci. Technol. pp. 1-9 Vol. 29 No. 6; November - December 2022
• [3] Yi Zhou, "A Summary of PID Control Algorithms Based on AI-Enabled Embedded Systems", Security and Communication Networks, vol. 2022, Article ID 7156713, 7 pages, 2022.
• [4] Z. Qi, J. Tang, J. Pei, L. Shan, “Fractional controller design of a DC-DC converter for PEMFC”. IEEE Access. 2020,8:120,134-120,144 DOI:10.1109
• [5] M. Mehrabi, S. Rezazadeh, M. Sharifpur, J. Meyer, “Modeling of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) performance by using genetic algorithm polynomial neural network (Ga-Pnn) hybrid system”. In: Proceedings of the ASME 2012 10th Fuel Cell Science, Engineering and Technology Conference Fuel Cell., p. 447-452.
• [6] O.I. Khalaf, G.M. Abdulsahib, B.M. Sabbar, “Optimization of wireless sensor network coverage using the bee algorithm”. J. Inform. Sci. Eng., 2020, 36:377-386.
• [7] Kraytsberg, A., Ein-Eli, Y. “Review of Advanced Materials for Proton Exchange Membrane Fuel Cells,” Energy and Fuels, 2014, 28(12), 7303–30.
• [8] Ural, Z., “Yakıt Pilleri ve Bir PEM Yakıt Pili Sisteminin Dinamik Benzetimi”, Y. Lisans Tezi, Dicle Üniv., Fen Bilimleri Enstitüsü, Haziran, 2007.
• [9] J.H. Hirschenhofer, “Fuel Cell Status: 1996”, IEEEAES Systems Magazine, March 1997, pp. 23-28
• [10] IH. Gilani, M. Amjad, SS. Khan, “PEMFC application through coal gasification along with cost-benefit analysis: A case study for South Africa”. Energy Exploration & Exploitation. 2021, 39(5):1551-1587. DOI:10.1177/014459872199972
• [11] DW. Hart, “Power Electronics”, 1sd ed. New York, USA: McGraw-Hill, 2010, pp.196-264.
• [12] A. Bilhan, Yakıt Pili Uygulamaları için Kademeli Yükseltici DA/DA Dönüştürücü Devresinin Tasarımı, Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, c. 11, sayı. 1, ss. 29-37, Mar. 2020, doi:10.24012/dumf.527601
• [13] H. Guldemir, “Study of Sliding Mode Control of DC-DC Buck Converter”, Energy Power Eng., vol 3, issue 4, pp. 401-406, 2011.
• [14] M. Hong-bo, F. Quan-yuan, “Optimized PID Controller Design for Buck DC-DC Switching Converters”, Sch. Inf. Sci. Technol. Jiaotong Univ., 2008, vol 12, issue 6, pp. 640-643.
• [15] M. Zhuang, DP.Atherton, “Automatic tuning of optimum PID”, IEE Proceedings D – Control Theory and Applications, 1993, 140(3), 216-224.
• [16] J. Kennedy, RC. Eberhart, “Particle swarm optimization”, IEEE IJCNN. 4, 1995, 1942–1948.
• [17] Y. Shi, R.C. Eberhart, “A modified particle swarm optimizer”, Proceeding of the IEEE Internation Conference on Evolutionary Computation, 1998, 69-73.
• [18] I. Podlubny, “Fractional-Order Systems and –Controllers,” IEEE Trans. on Automatic Control, 1999, Cilt:44, No:1.
• [19] F. Padula, A. Visioli, “Tuning rules for optimal PID and fractional-order PID controllers,” Journal of Process Control, 2011, Cilt: 21, No:1, s:69-81.
• [20] Y. Luo, Y.Q. Chen, C.Y. Wangc, Y.G. Pi, “Tuning fractional order proportional integral controllers for fractional order systems,” Journal of Process Control, 2010, Cilt:20 No: 7, s:823–831,
• [21] I. Petras, “Control Quality Enhancement by Fractional Order Controllers”, Acta Montanistica Slovaca, 1998, Vol. 3, No 2, 143-148.
• [22] A. Özkan, T. Mustafa, T. Remzi, “Kesir Dereceli Denetleyici Parametrelerinin Bulanık Adaptif Parçacık Sürü Optimizasyon Yöntemi ile Belirlenmesi”, Otomatik Kontrol Türk Milli Komitesi (TOK) 2012 Ulusal Toplantısı , Niğde, Turkey, pp.445-450, 2012
• [23] S. Celik, M. Alkan, “Katı oksı̇t yakıt pı̇lı̇nde yakıt kullanım verı̇mı̇nı̇n deneysel olarak ı̇ncelenmesı̇”, in Omer Halisdemir University Journal of Engineering Sciences, 2018, pp.966-978