لینک دانلود<بررسی طراحی پایدار كننده های مقاوم برای سیستم های قدرت>

پایدار كننده های مقاوم,سیستم های قدرت,شبكه های قدرت نوسانات بررسی طراحی پایدار كننده های مقاوم برای سیستم های قدرت در حال حاظر شما فایل با عنوان بررسی طراحی پایدار كننده های مقاوم برای سیستم های قدرت. را دنبال می کنید .

چكیده :

توسعه شبكه های قدرت نوسانات خود به خودی با فركانس كم را، در سیستم به همراه داشته است. بروز اغتشاش هایی نسبتاً كوچك و ناگهانی در شبكه باعث بوجود آمدن چنین نوساناتی در سیستم می شود. در حالت عادی این نوسانات بسرعت میرا شده و دامنه نوسانات از مقدار معینی فراتر نمی رود. اما بسته به شرایط نقطه كار و مقادیر پارامترهای سیستم ممكن است این نوسانات برای مدت طولانی ادامه یافته و در بدترین حالت دامنه آنها نیز افزایش یابد. امروزه جهت بهبود میرایی نوسانات با فركانس كم سیستم، در اغلب شبكه های قدرت پایدار كننده های سیستم قدرت (PSS) به كار گرفته می شود.

این پایدار كننده ها بر اساس مدل تك ماشین – شین بینهایتِ سیستم در یك نقطه كار مشخص طراحی می شوند. بنابراین ممكن است با تغییر پارامترها و یا تغیر نقطه كار شبكه، پایداری سیستم در نقطه كار جدید تهدید شود.

موضوع این پایان نامه طراحی پایدار كننده های مقاوم برای سیستم های قدرت است، به قسمی كه پایداری سیستم در محدوده وسیعی از تغییر پارامترها و تغییر شرایط نقطه كار تضمین شود. در این راستا ابتدا به مطالعه اثر تغییر پارامترهای بر پایداری
سیستم های قدرت تك ماشینه و چند ماشینه پرداخته می شود. سپس دو روش طراحی كنترل كننده های مقاوم تشریح شده، و در مسئله مورد مطالعه به كار گرفته می شوند. سرانجام ضمن نقد و بررسی این روش ها، یك روش جدید برای طراحی PSS ارائه می شود. در این روش مسئله طراحی پایدار كننده مقاوم به مسئله پایدار كردن
مجموعه ای از مدلهای سیستم در نقاط كار مختلف تبدیل می شود. این مسئله نیز به یك مسئله استاندارد بهینه سازی تبدیل شده و با استفاده از روش های برنامه ریزی غیر خطی حل می گردد. سرانجام كارایی روش فوق در طراحی پایدار كننده های مقاوم برای یك سیستم قدرت چند ماشینه در دو مسئله مختلف (اثر تغییر پارامترها بر پایداری دینامیكی و تداخل PSS ها) تحقیق شده و برتری آن بر روش كلاسیك به اثبات می رسد.

فصل اول


1-1- پیشگفتار:

افزایش روز افزون مصرف انرژی الكتریكی، توسعه سیستم های قدرت را بدنبال داشته است بطوریكه امروزه برخی از سیستم های قدرت در جغرافیایی به وسعت یك قاره گسترده شده اند. به موازات این توسعه كه با مزایای متعددی همراه است، در شاخه دینامیك سیستم های قدرت نیز مانند سایر شاخه ها مسائل جدیدی مطرح شده است. از جمله این مسائل می توان به پدیده نوسانات با فركانس كم، تشدید زیر سنكرون (SSR)، و سقوط ولتاژ اشاره كرد.

پدیده نوسانات با فركانس كم در این میان از اهمیت ویژه ای برخوردار است و در بحث پایداری دینامیكی سیستم های قدرت مورد توجه قرار می گیرد. بروز
اغتشاش های مختلف در شبكه، انحراف سیستم از نقطه تعادل پایدار را به دنبال دارد، در چنین وضعیتی به شرط اینكه سنكرونیزم شبكه از دست نرود، سیستم با نوسانات فركانس كم به نقطه تعادل جدید نزدیك می شود. هنگامی كه یك ژنراتور به تنهایی كار می كند، نوسانات با فركانس كم به دلیل میرایی ذاتی به شكل نسبتاً قابل قبولی میرا می شوند. اما كاربرد برخی از المان ها مانند تحریك كننده های سریع، با اثر دینامیك قسمت های مختلف شبكه ممكن است باعث تزریق میرایی منفی به شبكه شود، به طوریكه نوسانات فركانس كم شبكه به شكل مطلوبی میرا نشده و یا حتی از میرایی منفی برخوردار شوند. بدیهی است افزایش میرایی مودهای الكترومكانیكی سیستم در چنین وضعیتی می تواند به عنوان یك راه حل مورد استفاده قرار گیرد. بر این اساس پایدار كننده های سیستم قدرت (PSS) بر اساس مدل تك ماشین – شین بینهایت طراحی شده و در محدوده وسیعی به كار گرفته می شوند. از دید تئوری كنترل، پایدار كننده های فوق در واقع یك كنترل كننده كلاسیك با تقدیم فاز[1] می باشد كه بر اساس مدل خطی سیستم در یك نقطه كار مشخص طراحی می شوند.

همراه با پیشرفت های چشمگیری در تئوری سیستم ها و كنترل، روش های جدید برای طراحی پایدار كننده های سیستم قدرت ارائه شده است، كه به عنوان نمونه می توان به كنترل كنده های طرح شده بر اساس تئوری های كنترل تطبیقی، كنترل مقاوم، شبكه های عصبی مصنوعی و كنترل فازی اشاره كرد [5-1]. در همه این روش ها سعی بر اینست كه نقایص موجود در طراحی كلاسیك مرتفع شده به طوریكه كنترل كننده به شكل موثرتری بر پایداری سیستم و بهبود میرایی نوسانات اثر گذارد.

روش های كنترل مقاوم، كه در این پایان نامه مورد توجه است به شكل جدی از اوایل دهه هشتاد (1980) مطرح شد و خود به شاخه های متعددی تقسیم می شود. قبل از هر توضیحی درباره كنترل مقاوم نخست به بیان مفهوم عدم قطعیت در مدل
می پردازیم. در كنترل كلاسیك طراحی بر اساس مدل مشخصی از سیستم صورت
می گیرد. مدل سیستم تنها یك تقریب از دینامیك های واقعی سیستم است. حذف دینامیك های سریع به منظور ساده سازی، تغییر مقادیر پارامترهای مدل به دلایل مختلف از منابع ایجاد عدم قطعیت در مدل سیستم ها می باشد. بنابراین بدلیل وجود چنین عدم قطعیت هایی در مدلسازی ، اهداف مورد نظر طراح ممكن است توسط كنترل كننده های طرح شده بر اساس مدل تحقق نیابند.

به منظور رفع این مشكل در كنترل مقاوم بر اینستكه عدم قطعیت های حائز اهمیت موجود در مدل، در طراحی كنترل كننده لحاظ شوند. معمولاً مدلسازی عدم قطعیت در اكثر شاخه های كنترل مقاوم خانواده ای از سیستم ها را بوجود می آورد، حال كنترل كننده مقاوم بایستی چنان طرح شود كه برای هر یك از اعضاء این خانواده اهداف مورد نظر در طراحی برآورده شود.

موضوع این پایان نامه طراحی پایدار كننده های مقاوم برای سیستم های قدرت است، به قسمی كه پایداری سیستم در محدوده وسیعی از تغییر پارامترها و تغییر شرایط نقطه كار تضمین شود. در این راستا ابتدا به مطالعه اثر تغییر پارامترها بر پایداری
سیستم های قدرت تك ماشینه و چند ماشینه پرداخته می شود. سپس دو روش طراحی كنترل كننده های مقاوم تشریح شده، و در مسئله مورد مطالعه به كار گرفته می شوند. سرانجام ضمن نقد و بررسی این روش ها، یك روش جدید برای طراحی PSS ارائه می شود. در این روش مسئله طراحی پایدار كننده مقاوم به مسئله پاردار كردن مجموعه ای از مدل های سیستم در نقاط كار مختلف تبدیل می شود. این مسئله نیز به یك مسئله استاندارد بهینه سازی تبدیل شده و با استفاده از روش های برنامه ریزی غیر خطی حل می گردد. سرانجام كارایی روش فوق در طراحی پایدار كننده های مقاوم برای یك سیستم قدرت چند ماشینه در دو مسئله مختلف (اثر تغییر پارامترها بر پایداری دینامیكی و تداخل PSS ها) تحقیق شده و برتری آن بر روش كلاسیك به اثبات می رسد.

1-2- رئوس مطالب :

بخش بعدی این فصل به بررسی تحقیقات انجام شده در زمینه طراحی پایدار
كننده های مقاوم سیستم های قدرت اختصاص داده شده است.

در فصل دوم نخست به بیان مفاهیم اساسی در پایداری دینامیكی، و تشریح پدیده نوسانات با فركانس كم در سیستم های قدرت پرداخته می شود. مدلسازی سیستم تك ماشینه به منظور مطالعه پدیده نوسانات با فركانس كم، و روش طراحی PSS به كمك این مدل در قسمت های بعدی این فصل صورت می گیرد. در بخش آخر فصل نیز مدلسازی سیستم های قدرت چند ماشینه و نكات مربوط به آن مورد بررسی قرار می گیرد.

در فصل سوم ابتدا صورت مسئله كنترل مقاوم به طور كامل تشریح می شود. سپس به تاریخچه كنترل مقاوم و سیر پیشرفت برخی از شاخه ای آن پرداخته می شود. در پایان فصل طی دو بخش جداگانه به توضیح روش های - Pick Nevanlinna و Kharitonov كه در ادامه مورد استفاده قرار می گیرند، می پردازیم.

طراحی كنترل كننده مقاوم با استفاده از روش - Pick Kharitonov برای سیستم قدرت تكماشینه و نقد و بررسی یك مقاله در این زمینه در ابتدای فصل چهارم (بخش (4-2)) صورت می گیرد. در بخش (4-3) پس از بدست آوردن معادلات فضای حالت برای سیستم های قدرت چند ماشینه، به بررسی پایداری دینامیكی یك سیستم سه ماشینه در نقاط كار مختلف و طراحی PSS در یك نقطه كار ناپایدار می پردازیم. در بخش (4-4) اثر تغییر پارامترها بر پایداری این سیستم مطالعه شده و روش Kharitonov جهت طراحی پایدار كننده های مقاوم مورد استفاده قرار می گیرد. در بخش (4-5) به ارائه یك روش جدید كه با الهام از روش Kharitonov شكل گرفته است، می پردازیم. سپس این روش به منظور طراحی یك كنترل كننده مقاوم كه در محدوده وسیعی از تغییر شرایط نقطه كار پایداری سیستم را تضمین می كند، به كار گرفته می شود.

در فصل پنجم ابتدا روش فوق در حل مسئله تداخل PSS ها مورد استفاده قرار
می گیرد. سپس به طراحی كنترل كننده های فیدبك حالت بهینه بر اساس مجموعه ای از مدلهای سیستم، و پاره ای نكات در این زمینه می پردازیم.

فصل ششم نیز به یك جمع بندی كلی از پایان نامه و بیان نتایج اختصاص داده شده است.

1-3- تاریخچه

بررسی همه كارهای انجام شده در جهت بهبود پایداری دینامیكی سیستم های قدرت حتی به صورت مختصر، به دلیل مطالعات و تحقیقات متعددی كه در این زمینه صورت گرفته است، گزارش مفصلی را طلب می كند.در این زیر بخش ضمن اشاره مختصر به شاخه های مهم تحقیق، كارهای انجام شده بر اساس شاخه كنترل مقاوم را مرور خواهیم كرد.

با بروز نا پایداری دینامیكی در سیستم های قدرت تحقیقات گسترده ای در این زمینه آغاز شد. مفاهیم اساسی پایداری دینامیكی برای ژنراتور سنكرون متصل به شین بینهایت، اولین بار توسط Demello و Concordia به شیوه ای زیبا در سال 1969 بیان شد [6]. در این مقاله با معرفی مفاهیم گشتاورهای سنكرون كننده و میرا كننده اثر پارامترهای مختلف سیستم و شرایط نقطه كار بر پایداری دینامیكی ماشین سنكرون تشریح شده، و بدنبال آن با استفاده از تئوری جبران فاز به طراحی PSS پرداخته شد. به دلیل اهمیت این مطالب در فصل دوم، به طور مفصل به بررسی پایداری دینامیكی سیستم های قدرت خواهیم پرداخت.

در مرجع [7] اثر دینامیك ماشین های سنكرون یك سیستم قدرت چند ماشینه بر پایداری دینامیكی ماشین i ام این شبكه بررسی شده است. حاصل این مطالعه چند توصیه مفید در طراحی PSS برای ماشین های سنكرون در سیستم های چند ماشینه می باشد.

همچنین از آنجایی كه پایدار كننده های سیستم قدرت بر اساس مدل تك ماشین – شین بینهایت طراحی می شود، هماهنگ سازی این پایدار كننده ها در سیستم های قدرت چند ماشینه اجتناب ناپذیر است. بدین منظور روش های مختلفی (مانند
روش های طراحی ترتیبی و افزایش پهنای باند PSS‌ها) در جهت هماهنگ سازی PSS ها ارائه شده است. [13-8] .

از دیگر مسائل مورد مطالعه در زمینه پایداری دینامیكی سیستم های قدرت، تعیین بهترین محل برای نصب PSS در شبكه های بزرگ به منظور بهبود میرایی یك مود خاص شبكه می باشد. این موضوع كه هم اكنون نیز در رأس تحقیقات قرار دارد در مراجع [8 و 14] مورد بررسی قرار گرفته است .

همگام با توسعه تئوری های كنترل روش های پایدار سازی سیستم های قدرت نیز بهبود یافت. از اوائل دهه 1970 كاربرد كنترل بهینه در بهبود پایداری دینامیكی به طور چشمگیری افزایش یافت. در مرجع [1] روش طراحی پایدار كننده با استفاده از تئوری كنترل بهینه به سیستم های قدرت چند ماشینه می باشد.

اگر چه استفاده از روش های كنترل بهینه[2] مورد استقبال فراوان محققان دانشگاهی قرار گرفت و مقالات متعددی در جهت توسعه این روشها در پایدار سازی سیستم های قدرت انتشار یافت، اما هرگز به شكل جدی در صنعت برق مطرح نشد. گذشته از مشكلات اجرایی استفاده از روش های كنترل بهینه در عمل، نقص اصلی این روش ها بی توجهی به مسئله عدم قطعیت های[3] مختلف موجود در مدل سیستم می باشد [18]. تغییر پارامترهای سیستم، صرفنظر از دینامیك های سریع و دینامیك های مدل نشده فركانس بالا در مدلسازی ، از مهمترین منابع ایجاد عدم قطعیت در مدل سیستم ها
می باشد. چشم پوشی از عدم قطعیت های مختلف موجود در مدل ممكن است، نتایج گمراه كننده ای را به دنبال داشته باشد، به طوریكه اهداف مورد نظر در كنترل با به كارگیری كنترل كننده طرح شده بر اساس مدل سیستم، در سیستم واقعی تحقق نیابد.

در ادامه این زیر بخش كارهای انجام شده در جهت بهبود پایداری سیستم های قدرت كه بر مبنای تئوری كنترل مقاوم شكل گرفته است را توضیح می دهیم.

بررسی استحكام پایداری[4] با استفاده از مفاهیم مقادیر تكین[5] ماتریس ها (كه عمدتاً بر قضیه Nyquist تعمیم یافته استوارند) به منظور تحلیل پایداری دینامیكی سیستم های قدرت، اولین بار در سال 1984 به كار رفت [19]. Chan و Athans در این مقاله ابتدا با استفاده از گشتاورهای سنكروه كننده و میرا كننده یك مدل ماتریس تابع انتقال (s) G برای سیستم قدرت ارائه كردند. سپس با مدلسازی عدم قطعیت های ناشی از دینامیك های مدل نشده مودهای پیچشی شافت ژنراتور، تغییر مقادیر گشتاورهای سنكرون كننده و میرا كننده بدلیل تغییر شرایط نقطه كار، و تغییر در دینامیك های تحریك كننده های[6] سیستم به صورت عدم قطعیت های ضرب شوند به تحلیل پایداری سیستم پرداختند. این مقاله بیشتر جنبه تحلیل داشته و توصیه های مفیدی را در طراحی كنترل كننده های مقاوم به دنبال ندارد.

Ohtsuka و همكارانش در سال 1992 از تئوری كنترل در طراحی كنترل فیدبك حالت برای یك توربوژنراتور استفاده كردند [20]. آنها با استفاده از یك روند ماتریس گین فیدبك حالت را چنان طراحی كردند كه نرم تابع انتقال حلقه بسته سیستم
می نیمم شود. مهمترین مزیت این روش بهبود پایداری و قابلیت بالا در دفع اغتشاش است. اشكال اصلی آن نیز افزایش مقادیر گین های فیدبك حالت نسبت به گین های بدست آمده از روش كنترل بهینه می باشد.

در مرجع [3]، Chow و همكارانش روش طراحی كنترل كننده های مقاوم را به منظور طراحی PSS مقاوم برای یك سیستم تك ماشینه بكار بردند. در این مقاله مقدار راكتانس خط انتقال بین ژنراتور سنكرون و شین بینهایت قطعی نبوده و عامل ایجاد عدم قطعیت در مدل سیستم می باشد. مهمترین مزیت این روش مقاوم بودن پایداری در برابر تغییرات راكتانس خط انتقال است. عیب این روش، بالا بودن مرتبه PSS مقارم می باشد.

در مرجع [21] تئوری Nevanlinna - Pick به منظور طراحی پایدار كننده مقاوم برای سیستم قدرت تك ماشین شین بینهایت به كار گرفته شده است. در ادامه بحث ضمن توضیح مفصل این تئوری به نقد و بررسی این مقاله نیز در انتهای بخش (4-2) خواهیم پرداخت.

طراحی كنترل كننده های فیدبك حالت غیر حساس نسبت به تغییر پارامترهای سیستم، در مرجع [22] مورد مطالعه قرار گرفته است. با استفاده از تئوری Lyapunov و معادله ریكاتی كنترل فیدبك حالت برای سیستم تك ماشین – شین بینهایت چنان طراحی
می شود كه عملكرد سیستم در برابر تغییر پارامترهای ژنراتور سنكرون حساس نباشد. مزیت مهم این روش عدم نیاز به مقادیر واقعی پارامترهای ماشین است، تنها محدوده تغییر این پارامترها جهت طراحی مورد نیاز است.

در مرجع [18] تئوری كنترل به منظور طراحی یك كنترل كننده مقاوم برای سیستم توربو ژنراتور مورد استفاده قرار گرفته است. در این مقاله سیگنال كنترل به طور همزمان به اكتساتیروگاورنر اعمال می شود. استفاده از روش فوق ضمن بهبود پارداری دینامیكی و گذرا در محدوده وسیعی از شرایط نقطه كار خطر تحریك مودهای پیچشی شفت را نیز به دنبال ندارند.

موضوع مرجع [23] كه بر پایه نتایج فصل چهارم این پایان نامه استوار است، طراحی پایدار كننده های مقاوم برای سیستم های قدرت چند ماشینه می باشد. در این مقاله ابتدا اثر تغیر پارامترها بر پایداری دینامیكی یك سیستم قدرت سه ماشینه مطالعه شده سپس یك روش جدید جهت طراحی PSS ارائه می شود. در این روش طراحی پاردار كننده مقاوم بر اساس مجموعه ای از مدل های سیستم در نقاط كار مختلف صورت می گیرد. مزیت اصلی این پایدار كننده ها كه دارای ساختاری مشابه با PSS معمولی می باشند، بهبود پایداری سیستم در محدوده وسیعی از تغییر پارامترهای سیستم است.