Enhanced Control of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Fed Basic Series Positive Super Voltage Lift Luo Converter Using Interval Type-2 Fuzzy Logic

Abstract

An eco-friendly and renewable energy source, Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cells offer various advantages such as stability and efficiency. The present study aims to control output voltage of PEM fed basic series positive super voltage lift luo (PSVLL) converter. The model, which consists of a fuel cell and a basic series PSVLL converter, was designed in Matlab/Simulink simulation environment. The control of the PSVLL converter output voltage was performed using an interval type-2 takagi-sugeno-kang fuzzy logic (IT2TSKFL) and type-1 takagi-sugeno-kang fuzzy logic (T1TSKFL) controllers comparatively. The simulation study results demonstrated that the PEM fuel cell fed basic series PSVLL converter reached optimal current and voltage values with IT2TSKFL under nominal and different operating conditions. Moreover, IT2TSKFL improved average settling time of control system by 22.335% compared to T1TSKFL controller.

Keywords

• Basic series PSVLL converter
• PEM fuel cell
• Interval type-2 fuzzy logic
• Super Voltage Lift Luo Converter

Polimer Elektrolit Membran Yakıt Pili Beslemeli Temel Seri Pozitif Süper Gerilim Yükseltmeli Luo Dönüştürücünün Aralıklı Tip-2 Bulanık Mantık Kullanılarak Denetimi

Öz

Çevre dostu ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olan Polimer Elektrolit Membran (PEM) yakıt hücreleri kararlılık ve verimlilik gibi çeşitli avantajlar sunmaktadır. Bu çalışma, PEM yakıt pili beslemeli temel seri pozitif süper gerilim yükseltmeli luo (PVLL) dönüştürücünün çıkış gerilimini denetlemeyi amaçlamaktadır. Bir yakıt hücresi ve bir temel seri PSVLL dönüştürücüden oluşan model Matlab/Simulink benzetim ortamında tasarlanmıştır. PSVLL dönüştürücünün çıkış geriliminin denetimi karşılaştırmalı olarak aralıklı tip-2 takagi-sugeno-kang bulanık mantık (IT2TSKFL) ve tip-1 bulanık mantık (T1FL) denetleyiciler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Benzetim çalışması sonuçları PEM yakıt hücresinden beslenen temel seri PSVLL dönüştürücünün nominal ve farklı çalışma koşulları altında IT2TSKFL ile optimum akım ve gerilim değerlerine ulaşmıştır. Ayrıca IT2TSKFL denetim sisteminin ortalama yerleşme süresini T1TSKFL denetleyiciye kıyasla % 22.335 oranında iyileştirmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Temel Seri Pozitif Süper
• Gerilim Yükseltmeli Dönüştürücü
• PEM Yakıt Pili
• Aralıklı Tip-2 Bulanık Mantık

Kaynakça

1. [1] Elden G, Çelik M, Genç G, Yapıcı,H.The effects of temperature on transport phenomena in phosphoric acid doped polybenzimidazole polymer electrolyte membrane fuel cell.Energy.2016; 103:772-783.
2. [2] Arıç T, Bilgili M, Özsunar, A.K.Numerical analysis of two units Pem fuel cell stack. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji. 2019; 7(4): 999-1011.
3. [3] Demirtaş M, Akkoyun N, Akkoyun E, Çetinbaş İ.Akıllı şebekelerde güneş enerjisi üretiminin zamana bağlı olasılıksal tahmini. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji.2019; 7(2): 411-424.
4. [4] Cellek M, Bilgili M. Stokiyometri oranının iki hücreli PEM yakıt hücresi yığını performansına etkisinin incelenmesi. Gazi University Journal of Science Part C: Design and Technology. 2021; 9(1): 134-147.
5. [5] Taş M, Elden G. An experimental investigation of the effects of operating conditions on anisotropic electrical conductivity in a PEM fuel cell. Fuel Cells.2020; 20(5): 531-539.
6. [7] Kart S. 2021. Yakıt hücre sistemleri için çift katlı yükselten da-da dönüştürücünün kontrolü. Doktora Tezi, İstanbul Üniversitesi Cerrahpaşa Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, İstanbul.
7. [8] Gani A. PEM yakıt hücresi ömrünü uzatmaya yönelik temel seri pozitif süper gerilim yükseltmeli Luo çevirici tasarımı, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 2023; 39(3): 403-416.
8. [9] Yıldız E. 2016. PEM tipi yakıt pillerinde çıkış akımının dalgalanmasını azaltmaya yönelik bir dc/dc dönüştürücü tasarımı ve uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.

9. [10] Luo F. L, Ye H. Positive output super-lift converters. IEEE Transactions on Power Electronics. 2003; 18(1): 105-113.
10. [11] Gani A. PD-type-2 fuzzy neural network based control of a super-lift luo converter designed for sustainable future energy applications. Intelligent and Fuzzy Systems. INFUS 2023. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 758.Springer.
11. [12] Bereketoğlu S. Açıkgöz H. Şekkeli, M. Fırçasız doğru akım motorunun aralıklı tip-2 bulanık mantık denetleyici tabanlı hız denetimi, EMO Bilimsel Dergi. 2020; 10(2): 33-42.
12. [13] Zadeh L. A. The concept of a linguistic variable and its application to approximate reasoning-I, Information Sciences.1975; 8(3):199-249.
13. [14] Karnik N.N, Mendel J.M, Liang Q. Type-2 fuzzy logic systems. IEEE Transactions on Fuzzy Systems.1999; 7(6): 643-658.
14. [15] Kececioglu O.F, Gani A, Sekkeli M. Design and hardware implementation based on hybrid structure for MPPT of PV system using an interval type-2 TSK fuzzy logic controller. Energies.2020; 13(7) :1842.
15. [16] Karaarslan A, Doğan R, Modeling and control of dc-dc buck converter using PEM fuel cell.Gaziosmanpasa Journal of Scientific Research.2017; 6: 94-105.
16. [17] Özkara Ö, Tokgöz N, Doğan R, Karaarslan A. The analysis of OCC and PI control method for isolated fly-back converter using PEM fuel cells. Gaziosmanpasa Journal of Scientific Research. 2017; 6: 40-49.
17. [18] Bilhan A. Yakıt pili uygulamaları için kademeli yükseltici da/da dönüştürücü devresinin tasarımı, Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi.2020; 11(1): 29-37.
18. [19] Tekade A, Juneja R, Kurwale M, Debre P. Analysis of a positive output super-lift Luo boost converter,International Journal of Engineering Research and Applications. 2016; 6(2): 74-78.
19. [20] Gani A.Yüksek kazançlı Luo çevirgeç için uyarlamalı sinirsel-bulanık çıkarım sistemi tabanlı gerilim düzenleyici tasarımı, Fırat Üniversitesi Uzay ve Savunma Teknolojileri Dergisi.2022; 1(1): 8-13.
20. [21] Şener E.2016.Şebeke bağlantılı inverterlerde süper lift luo konverter uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bilecik.
21. [22] Khan F, Nawaz A, Muhammad M. A, Khadim, M. A.Review and analysis of MATLAB® Simulink model of PEM fuel cell stack. International Journal of Engineering & Computer Science.2013; 13(3): 31-34.
22. [23] Gani A. Aralık değerli tip-2 bulanık denetleyici ile negatif gerilim çıkışlı temel seri luo çeviricinin denetimi, Niğde Ömer Halisdemir University (NOHU) Journal of Engineering Sciences.2022;11 (4): 904-910.
23. [24] Keçecioğlu Ö.F., Gani A, Şekkeli M, Improved hybrid intelligent controller design for MPPT of stand-alone PV System.Turkish Journal of Engineering.2021; 5(1):20-28.
24. [25] Gani A, Sekkeli M.Experimental evaluation of type-2 fuzzy logic controller adapted to real environmental conditions for maximum power point tracking of solar energy systems, International Journal of Circuit Theory and Applications.2022; 50 (11): 4131-4145.
25. [26] Acikgoz H, Kececioglu O F.Aralıklı tip-2 bulanık mantık denetleyici tabanlı yükselten tip da-da çevirici yapısının denetimi ve deneysel analizi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi.2020; 7 (2): 1061-1074.
26. [27] Biglarbegian M., Melek W W, Mendel J M. On the stability of Interval Type-2 TSK fuzzy logic control systems. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics.2010; 40: 798-818.