کنترل دریچه بخار و تحریک هماهنگ برای سیستم قدرت چندماشینه با استفاده از تکنیک مود لغزشی مرتبه بالا

چکیده

کلمات کلیدی

1.مقدمه

2. مدل دینامیکی سیستم فرآیند و اهداف کنترلی

2.1 مدل دینامیکی چندماشینه

3. طراحی کنترلگر تطبیقی

3.1 کنترلگر تحریک مود لغزشی مرتبه بالا

3.2 کنترلگر دریچه بخار مود لغزشی مرتبه بالا

3.3 طراحی رویتگر غیرخطی

شکل 1.  بلوک دیاگرام طرح کنترلی پیشنهادی

شکل 2. سیستم قدرت 2 ناحیه ای 4 ماشینه Kundur

3.4 همگرایی سراسری و تحلیل پایداری

جدول 1. پارامترهای طرح کنترلی

شکل 3. پاسخ کنترلی به خطای اتصال کوتاه  سه فاز متقارن 200 میلی ثانیه ای، از دست دادن سیگنال قابل اندازه-گیری ولتاژ پایانه، و تغییرات   (کاهش 45 درصدی)  (a) سرعت نسبی روتور   (b) زاویه توان 

شکل 4. پاسخ کنترلی به خطای اتصال کوتاه سه فاز متقارن 200 میلی ثانیه ای، از دست دادن سیگنال قابل اندازه گیری ولتاژ پایانه، و تغییرات   (کاهش 45 درصدی)  (a) ولتاژ پایانه   (b) توان الکتریکی اکتیو 

 شکل 5. پاسخ کنترلی به خطای اتصال کوتاه سه فاز متقارن 200 میلی ثانیه ای، از دست دادن سیگنال قابل اندازه-گیری ولتاژ پایانه، و تغییرات   (کاهش 45 درصدی)  (a) ولتاژ تحریک  (b) ورودی کنترل توان

 شکل 6. پاسخ کنترلی به خطای اتصال کوتاه سه فاز متقارن 200 میلی ثانیه ای، از دست دادن سیگنال قابل اندازه-گیری ولتاژ پایانه، و تغییرات   (کاهش 45 درصدی)  (a) توان مکانیکی ورودی  (b) خطاهای  تخمین HOSMD مربوط به مشتق زمانی  

4. نتایج شبیه سازی

4.1 تحلیل پایداری سیگنال کوچک

4.2 تحلیل پایداری سیگنال بزرگ

4.3 پاسخ کنترلی به تغییرات پارامترها

جدول 2. پاسخ کنترلی تحت تغییرات پارامترها

5. نتیجه گیری

ضمیمه A: A.1 نمادهای سیستم های قدرت

جدول 3. پارامترهای اسمی ژنراتور 

A.2. پارامترهای اسمی سیستم

این مقاله، یک طرح کنترل تطبیقی دریچه بخار و تحریک هماهنگ غیرمتمرکز را به همراه یک مشتقگیر مود لغزشی مرتبه بالا، ارائه می دهد. هدف این کار، این است که تحت یک خطای ناگهانی و همچنین در محدوده ی وسیعی از شرایط کاری، به طور همزمان به عملکرد بالایی، هم برای ولتاژ پایانه و هم سرعت روتور، دست پیدا کنیم. متد مورد استفاده، بر اساس یک تکنیک مود لغزشی مرتبه دوم است که از الگوریتم پیچش فوق العاده استفاده می کند. طرح پیشنهادی، تنها به اطلاعات محلی در مورد اندازه گیری هایی (که به طور فیزیکی در دسترس هستند) در رابطه با سرعت زاویه ای نسبی، توان الکتریکی اکتیو و ولتاژ پایانه نیاز دارد. فرض موردنظر در اینجا این است که زاویه ی توان و ورودی توان مکانیکی، برای اندازه گیری در دسترس نیستند. این روش، می تواند هم به صورت محلی و هم پراکنده، برای ژنراتورهای مستقل پیاده سازی شود و برای کاربردهای صنعتی نیز قابل استفاده است. نتایج شبیه سازی در مورد سیستم قدرت 2 ناحیه ای 4 ماشینه Kundur، کارآمدی، مقاوم بودن و ارجحیت طرح پیشنهادی را در مقایسه با کنترلگر ARV/PSS کلاسیک و رگولاتور PI دریچه بخار، نشان می دهد.

سیستم های قدرت، هرروزه در حال پیچیده تر شدن هستند که دلیل این امر، مواردی همچون اتصال زیرسیستم-های منطقه ای، تجدیدساختار و عملیات بازارهای برق و غیره می باشد. در نتیجه، این سیستم ها، نیاز دارند که از تکنیک های کنترل پیشرفته ای به منظور بهبود عملکرد دینامیکی و پایداری خود، بهره بگیرند. از آنجا که زیرسیستم های ژنراتوری در نواحی جغرافیایی وسیع، به هم متصل هستند، بنابراین کنترل غیرمتمرکز، دارای ارجحیت است؛ زیرا این کنترل به فیدبک (پسخور) از تمام حالت ها و نیز ارتباط بین زیرسیستم های مختلف نیازی ندارد که این امر سبب می شود که پیاده سازی این کنترلگرها، ساده تر و شدنی تر باشد [1-3]. در سال های اخیر، به منظور مواجهه با تقاضای افزاینده برای بهبود کیفیت توان الکتریکی، توجه زیادی به استفاده از تکنیک های کنترل غیرخطی به منظور حل مسائل مربوط به پایداری گذار شده است. تکنیک های کنترل غیرخطی ای همچون خطی سازی پسخور [4,5]، تکنیک هامیلتونین [6]، رویکرد مبتنی بر غیرفعال بودن [7]، اختلال تکین [8] و کنترل مود لغزشی [9-12]، به منظور دستیابی به عملکرد دینامیکی خوب تحت خطاهای ناگهانی شدید، تا کنون به طور موفقیت آمیزی بر این سیستم ها، اعمال شده اند. در بین این تکنیک های غیرخطی، کنترل مودلغزشی به عنوان یکی از کارآمدترین ابزار، برای طراحی کنترلگرهای مقاوم برای سیستم های دینامیکی غیرخطی مرتبه بالا، تحت شرایط مختلف عدم قطعیت، شناخته شده اند. مزیت اصلی مود لغزشی، حساسین پایین نسبت به تغییرات پارامترهای فرآیند و اغتشاشات می باشد که این ویژگی، نیاز به مدلسازی دقیق سیستم را کاهش می دهد [13]. با وجود این مزیت، استفاده از مود لغزشی استاندارد، به دلیل اثر چترینگ (نوسان)ی که توسط کلیدزنی کنترلی ایجاد می شود، با محدودیت هایی مواجه است. تکنیک مود لغزشی مرتبه بالا (HOSM)، ایده ی پایه ی مود لغزشی را تعمیم می دهد و به جای اینکه (طبق مود لغزشی استاندارد)، بر اولین مشتق زمانی سطح لغزش تأثیر بگذارد، بر روی مشتقات مرتبه بالاتر آن کار می کند [14]. ویژگی عملیاتی HOSM، اجازه می دهد که تأثیر چترینگ کاهش پیدا کرده و در عین حال، ویژگی های اساسی رویکرد اصلی نیز حفظ شوند. کنترل غیرخطی با استفاده از تحریک ژنراتورهای سنکرون [4, 11, 15, 16] یک انتخاب خوب به منظور بهبود حاشیه پایداری است، زمانی که قیدهای اقتصادی، اجازه ی استفاده از ادوات FACTS را نمی دهند. بدین شیوه، یک راه حل ارزان تر بر اساس تسهیلات موجود سیستم قدرت به دست می آید. با این وجود، بهبود پایداری گذرا به دلیل محدودیت های فیزیکی ولتاژ تحریک، با محدودیت هایی مواجه است. به منظور بهبود بیشتر پایداری گذرا، در [4, 17-19] نشان داده شده است که یک کنترل غیرمتمرکز نیز باید به مرحله ی باز کردن دریچه ی توربین بخار یا هیدروتوربین ها، اعمال شود. مسئله ی کنترل فرکانس نیز در تمام سیستم های قدرت، مسئله ی مهمی است. زمانی سیستم در تعادل است که توان تولید شده مساوی با توان مصرفی باشد. این تعادل، با کنترل توان تولید شده توسط محرک های اصلی (توربین های بخار) حفظ می شود. در سال های اخیر، فناوری های کنترل غیرخطی پیشرفته ی مختلفی، به کنترل دریچه بخار و تحریک سیستم های چندماشینه و تک ماشینه اعمال شده اند [2, 11, 15, 18, 19]. با این وجود، در اغلب موارد، کنترل های تحریک و توربین به صورت روندهای مستقل و غیروابسته به هم درنظر گرفته می شوند که توسط مقیاس های زمانی متفاوتی مشخص می شوند که این امر، برای سیستم های قدرت مدرن، چیز نامطلوبی است. زیرا ظهور گاورنرهای پیشرفته ای همچون گاورنرهای دیجیتال، منجر به اثرگذاری متقابل شدیدی بین حلقه های گاورنر و تحریک شده است [17, 18]. علاوه بر این، اغلب این طرح های کنترل غیرخطی، بر اساس تکنیک خطی-سازی پسخور مستقیم (DFL) و ابزار هندسه دیفرانسیلی هستند که این روش ها، غیرخطی بودن ذاتی سیستم را کاهش داده و یا آن را حذف می کنند تا بدین ترتیب، یک سیستم خطی پسخور معادل بدست آید. برخی از نتایج اخیر در این حوزه، در [2, 11, 15, 18, 19, 6, 21] یافت می شوند. در [2]، یک طرح غیرخطی غیر متمرکز ایجاد شده است تا مسئله ی کران های غیرخطی مربوط به اتصالات داخلی را حل کند. هم کنترل دریچه بخار و هم تحریک، به منظور بهبود پایداری گذرا اتخاذ شده است. با این وجود، DFL مورد استفاده قرار گرفته است و مسئله ی تنظیم ولتاژ موردنظر قرار نگرفته است. در [11]، یک کنترلگر مود لغزشی بر اساس سطح لغزش متغیر با زمان، به منظور کنترل همزمان سرعت روتور و ولتاژ پایانه مورد استفاده قرار گرفته است تا بدین ترتیب، پایداری گذرا بهبود یابد و از تنظیم خوب ولتاژ پس از خطا، اطمینان حاصل شود. اما در عمل، انتخاب یک سطح لغزش متغیر با زمان، یک کار سخت است. همچنین در این مطالعه، سیستم های قدرت چند ماشینه مورد نظر قرار نگرفته اند. در [15]، یک کنترلگر غیرخطی چند متغیره پیشنهاد شده است تا به طور همزمان، هم پایداری زاویه روتور و هم تنظیم پس از خطای با کیفیت بالا، مربوط به ولتاژ پایانه ی ژنراتور، محقق شوند. در این مطالعه، دینامیک های رگولاتور سرعت و ولتاژ نیز درنظر گرفته شده اند. با این وجود، در این مطالعه، مسئله به عنوان یک مسئله ی ردیابی بر اساس ابزار هندسه دیفرانسیل موردنظر قرار گرفته است که سیستم را خطی سازی کرده است. یک طراحی کنترلگر هماهنگ گاورنر و تحریک غیرمتمرکز برای نیروگاه های قدرت هیدرولیکی در [18] برای بهبود پایداری گذرای سیستم قدرت پیشنهاد شده است. اما در این مطالعه، کنترلگرهای هیدو-گاورنر و تحریک، بر اساس تئوری هندسه دیفرانسیل ایجاد شده اند و مسئله ی تنظیم ولتاژ نیز مورد بررسی قرار نگرفته است. در [19] نشان داده شده است که زمانی که یک خطای بزرگ در نزدیکی پایانه ی ژنراتور رخ می دهد، کنترل دریچه بخار و تحریک هماهنگ مقاوم ، به نتایج بهتری دست می یابد. با این وجود، DFL مورد استفاده قرار گرفته است و هماهنگی بین دو قانون کنترلی با استفاده از الگوریتم کلیدزنی ای انجام شده است که سبب ایجاد ناپیوستگی در رفتار سیستم می شود. از آنجا که قوانین کنترلی نمی توانند به طور همزمان، هم به بهبود پایداری گذرا و هم به تنظیم ولتاژ دست پیدا کنند [6]، بنابراین پایدارسازی سیستم کنترل هامیلتونین تعمیم یافته، به همراه انرژی داخلی تولید شده، با استفاده از کنترل مبتنی بر غیرفعال بودن؛ درنظر گرفته شده است. هم کنترل دریچه بخار و هم کنترل ذخیره سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMES) به منظور بهبود پایدرای گذرا، اتخاذ شده اند. با این وجود، مسئله ی تنظیم ولتاژ در این مرجع مورد بررسی قرار نگرفته است. به منظور برآورده کردن برخی از اهداف و قیودی که با پیشرفت سیستم های قدرت بهم پیوسته ی مقیاس بزرگ، به سیستم تحمیل می شوند، یک متد جدید برای ترکیب پایدارسازهای سیستم قدرت (PSSها) و گاورنرهای سرعت، با استفاده از سطح سوم هماهنگی، در [21] پیشنهاد شده است. هم PSSهای استاندارد و هم گاورنرهای بهبود یافته، مورد استفاده قرار گرفته اند و به طریقی هماهنگ و به طور همزمان؛ به منظور دستیابی به عملکرد مطلوب، تنظیم شدند. با این وجود، مدل کنترلی با خطی سازی سیستم قدرت غیرخطی در اطراف یک نقطه کار داده شده، بدست آمده است. علاوه بر آن، اغلب الگوریتم های کنترلی ای که در ابلا ارائه شد، فرض کردند که ورودی توان مکانیکی و زاویه ی توان، در دسترس هستند. اما این پارامترها یا متغیرها، در عمل از نظر فیزیکی برای اندازه گیری در دسترس نیستند. به دلیل مسائلی که در بالا ذکر شد و با به کارگیری مفاهیم ارائه شده در [16, 22]، در این مقاله، موارد زیر پیشنهاد شده است: • یک کنترل تطبیقی دریچه بخار و تحریک هماهنگ غیرخطی و غیرمتمرکز ساده شده بر اساس الگوریتم پیچش فوق العاده به منظور دستیابی به بهبود پایداری گذرا و تنظیم ولتاژ یک سیستم قدرت چندماشینه با زاویه توان ورودی توان مکانیکی نامعلوم. • یک مشتق گیر مود لغزشی مرتبه بالا برای تخمین مشتقات زمانی حالت ها و متغیرهای غیرقابل اندازه-گیری. • شبیه سازی های عددی برای تست کردن اثرگذاری های متقابل و مقایسه ی عملکرد طرح کنترل تطبیقی غیرخطی جدید با کنترلگر کلاسیک AVR/PSS و کنترلگر PI دریچه بخار. این مقاله به صورت زیر سازماندهی شده است. در بخش 2، مدل دینامیکی سیستم قدرت چند ماشینه توصیف شده است. پروسه ی طراحی و فرمول بندی الگوریتم های کنترلی پیشنهادی در بخش 3 ارائه شده است. نتایج شبیه سازی در بخش 4 ارائه شده اند تا عملکرد کنترلگرهای پیشنهادی را تشریح کنند. در نهایت، در بخش 5، نتیجه گیری این مقاله ارائه شده است.