طراحی پایدار كننده های مقاوم برای سیستم های قدرت

فصل اول

مقدمـه

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 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.