چكيده :
توسعه شبكه هاي قدرت نوسانات خود به خودي با فركانس كم را، در سيستم به همراه داشته است. بروز اغتشاش هايي نسبتاً كوچك و ناگهاني در شبكه باعث بوجود آمدن چنين نوساناتي در سيستم مي شود. در حالت عادي اين نوسانات بسرعت ميرا شده و دامنه نوسانات از مقدار معيني فراتر نمي رود. اما بسته به شرايط نقطه كار و مقادير پارامترهاي سيستم ممكن است اين نوسانات براي مدت طولاني ادامه يافته و در بدترين حالت دامنه آنها نيز افزايش يابد. امروزه جهت بهبود ميرايي نوسانات با فركانس كم سيستم، در اغلب شبكه هاي قدرت پايدار كننده هاي سيستم قدرت (PSS) به كار گرفته مي شود.
اين پايدار كننده ها بر اساس مدل تك ماشين – شين بينهايتِ سيستم در يك نقطه كار مشخص طراحي مي شوند. بنابراين ممكن است با تغيير پارامترها و يا تغير نقطه كار شبكه، پايداري سيستم در نقطه كار جديد تهديد شود.
موضوع اين پايان نامه طراحي پايدار كننده هاي مقاوم براي سيستم هاي قدرت است، به قسمي كه پايداري سيستم در محدوده وسيعي از تغيير پارامترها و تغيير شرايط نقطه كار تضمين شود. در اين راستا ابتدا به مطالعه اثر تغيير پارامترهاي بر پايداري
سيستم هاي قدرت تك ماشينه و چند ماشينه پرداخته مي شود. سپس دو روش طراحي كنترل كننده هاي مقاوم تشريح شده، و در مسئله مورد مطالعه به كار گرفته مي شوند. سرانجام ضمن نقد و بررسي اين روش ها، يك روش جديد براي طراحي PSS ارائه مي شود. در اين روش مسئله طراحي پايدار كننده مقاوم به مسئله پايدار كردن
مجموعه اي از مدلهاي سيستم در نقاط كار مختلف تبديل مي شود. اين مسئله نيز به يك مسئله استاندارد بهينه سازي تبديل شده و با استفاده از روش هاي برنامه ريزي غير خطي حل مي گردد. سرانجام كارايي روش فوق در طراحي پايدار كننده هاي مقاوم براي يك سيستم قدرت چند ماشينه در دو مسئله مختلف (اثر تغيير پارامترها بر پايداري ديناميكي و تداخل PSS ها) تحقيق شده و برتري آن بر روش كلاسيك به اثبات مي رسد.
-1- پيشگفتار:
افزايش روز افزون مصرف انرژي الكتريكي، توسعه سيستم هاي قدرت را بدنبال داشته است بطوريكه امروزه برخي از سيستم هاي قدرت در جغرافيايي به وسعت يك قاره گسترده شده اند. به موازات اين توسعه كه با مزاياي متعددي همراه است، در شاخه ديناميك سيستم هاي قدرت نيز مانند ساير شاخه ها مسائل جديدي مطرح شده است. از جمله اين مسائل مي توان به پديده نوسانات با فركانس كم، تشديد زير سنكرون (SSR)، و سقوط ولتاژ اشاره كرد.
پديده نوسانات با فركانس كم در اين ميان از اهميت ويژه اي برخوردار است و در بحث پايداري ديناميكي سيستم هاي قدرت مورد توجه قرار مي گيرد. بروز
اغتشاش هاي مختلف در شبكه، انحراف سيستم از نقطه تعادل پايدار را به دنبال دارد، در چنين وضعيتي به شرط اينكه سنكرونيزم شبكه از دست نرود، سيستم با نوسانات فركانس كم به نقطه تعادل جديد نزديك مي شود. هنگامي كه يك ژنراتور به تنهايي كار مي كند، نوسانات با فركانس كم به دليل ميرايي ذاتي به شكل نسبتاً قابل قبولي ميرا مي شوند. اما كاربرد برخي از المان ها مانند تحريك كننده هاي سريع، با اثر ديناميك قسمت هاي مختلف شبكه ممكن است باعث تزريق ميرايي منفي به شبكه شود، به طوريكه نوسانات فركانس كم شبكه به شكل مطلوبي ميرا نشده و يا حتي از ميرايي منفي برخوردار شوند. بديهي است افزايش ميرايي مودهاي الكترومكانيكي سيستم در چنين وضعيتي مي تواند به عنوان يك راه حل مورد استفاده قرار گيرد. بر اين اساس پايدار كننده هاي سيستم قدرت (PSS) بر اساس مدل تك ماشين – شين بينهايت طراحي شده و در محدوده وسيعي به كار گرفته مي شوند. از ديد تئوري كنترل، پايدار كننده هاي فوق در واقع يك كنترل كننده كلاسيك با تقديم فاز[1] مي باشد كه بر اساس مدل خطي سيستم در يك نقطه كار مشخص طراحي مي شوند.
همراه با پيشرفت هاي چشمگيري در تئوري سيستم ها و كنترل، روش هاي جديد براي طراحي پايدار كننده هاي سيستم قدرت ارائه شده است، كه به عنوان نمونه مي توان به كنترل كنده هاي طرح شده بر اساس تئوري هاي كنترل تطبيقي، كنترل مقاوم، شبكه هاي عصبي مصنوعي و كنترل فازي اشاره كرد [5-1]. در همه اين روش ها سعي بر اينست كه نقايص موجود در طراحي كلاسيك مرتفع شده به طوريكه كنترل كننده به شكل موثرتري بر پايداري سيستم و بهبود ميرايي نوسانات اثر گذارد.
روش هاي كنترل مقاوم، كه در اين پايان نامه مورد توجه است به شكل جدي از اوايل دهه هشتاد (1980) مطرح شد و خود به شاخه هاي متعددي تقسيم مي شود. قبل از هر توضيحي درباره كنترل مقاوم نخست به بيان مفهوم عدم قطعيت در مدل
مي پردازيم. در كنترل كلاسيك طراحي بر اساس مدل مشخصي از سيستم صورت
مي گيرد. مدل سيستم تنها يك تقريب از ديناميك هاي واقعي سيستم است. حذف ديناميك هاي سريع به منظور ساده سازي، تغيير مقادير پارامترهاي مدل به دلايل مختلف از منابع ايجاد عدم قطعيت در مدل سيستم ها مي باشد. بنابراين بدليل وجود چنين عدم قطعيت هايي در مدلسازي ، اهداف مورد نظر طراح ممكن است توسط كنترل كننده هاي طرح شده بر اساس مدل تحقق نيابند.
به منظور رفع اين مشكل در كنترل مقاوم بر اينستكه عدم قطعيت هاي حائز اهميت موجود در مدل، در طراحي كنترل كننده لحاظ شوند. معمولاً مدلسازي عدم قطعيت در اكثر شاخه هاي كنترل مقاوم خانواده اي از سيستم ها را بوجود مي آورد، حال كنترل كننده مقاوم بايستي چنان طرح شود كه براي هر يك از اعضاء اين خانواده اهداف مورد نظر در طراحي برآورده شود.
موضوع اين پايان نامه طراحي پايدار كننده هاي مقاوم براي سيستم هاي قدرت است، به قسمي كه پايداري سيستم در محدوده وسيعي از تغيير پارامترها و تغيير شرايط نقطه كار تضمين شود. در اين راستا ابتدا به مطالعه اثر تغيير پارامترها بر پايداري
سيستم هاي قدرت تك ماشينه و چند ماشينه پرداخته مي شود. سپس دو روش طراحي كنترل كننده هاي مقاوم تشريح شده، و در مسئله مورد مطالعه به كار گرفته مي شوند. سرانجام ضمن نقد و بررسي اين روش ها، يك روش جديد براي طراحي PSS ارائه مي شود. در اين روش مسئله طراحي پايدار كننده مقاوم به مسئله پاردار كردن مجموعه اي از مدل هاي سيستم در نقاط كار مختلف تبديل مي شود. اين مسئله نيز به يك مسئله استاندارد بهينه سازي تبديل شده و با استفاده از روش هاي برنامه ريزي غير خطي حل مي گردد. سرانجام كارايي روش فوق در طراحي پايدار كننده هاي مقاوم براي يك سيستم قدرت چند ماشينه در دو مسئله مختلف (اثر تغيير پارامترها بر پايداري ديناميكي و تداخل PSS ها) تحقيق شده و برتري آن بر روش كلاسيك به اثبات مي رسد.
1-2- رئوس مطالب :
بخش بعدي اين فصل به بررسي تحقيقات انجام شده در زمينه طراحي پايدار
كننده هاي مقاوم سيستم هاي قدرت اختصاص داده شده است.
در فصل دوم نخست به بيان مفاهيم اساسي در پايداري ديناميكي، و تشريح پديده نوسانات با فركانس كم در سيستم هاي قدرت پرداخته مي شود. مدلسازي سيستم تك ماشينه به منظور مطالعه پديده نوسانات با فركانس كم، و روش طراحي PSS به كمك اين مدل در قسمت هاي بعدي اين فصل صورت مي گيرد. در بخش آخر فصل نيز مدلسازي سيستم هاي قدرت چند ماشينه و نكات مربوط به آن مورد بررسي قرار مي گيرد.
در فصل سوم ابتدا صورت مسئله كنترل مقاوم به طور كامل تشريح مي شود. سپس به تاريخچه كنترل مقاوم و سير پيشرفت برخي از شاخه اي آن پرداخته مي شود. در پايان فصل طي دو بخش جداگانه به توضيح روش هاي - Pick Nevanlinna و Kharitonov كه در ادامه مورد استفاده قرار مي گيرند، مي پردازيم.
طراحي كنترل كننده مقاوم با استفاده از روش - Pick Kharitonov براي سيستم قدرت تكماشينه و نقد و بررسي يك مقاله در اين زمينه در ابتداي فصل چهارم (بخش (4-2)) صورت مي گيرد. در بخش (4-3) پس از بدست آوردن معادلات فضاي حالت براي سيستم هاي قدرت چند ماشينه، به بررسي پايداري ديناميكي يك سيستم سه ماشينه در نقاط كار مختلف و طراحي PSS در يك نقطه كار ناپايدار مي پردازيم. در بخش (4-4) اثر تغيير پارامترها بر پايداري اين سيستم مطالعه شده و روش Kharitonov جهت طراحي پايدار كننده هاي مقاوم مورد استفاده قرار مي گيرد. در بخش (4-5) به ارائه يك روش جديد كه با الهام از روش Kharitonov شكل گرفته است، مي پردازيم. سپس اين روش به منظور طراحي يك كنترل كننده مقاوم كه در محدوده وسيعي از تغيير شرايط نقطه كار پايداري سيستم را تضمين مي كند، به كار گرفته مي شود.
در فصل پنجم ابتدا روش فوق در حل مسئله تداخل PSS ها مورد استفاده قرار
مي گيرد. سپس به طراحي كنترل كننده هاي فيدبك حالت بهينه بر اساس مجموعه اي از مدلهاي سيستم، و پاره اي نكات در اين زمينه مي پردازيم.
فصل ششم نيز به يك جمع بندي كلي از پايان نامه و بيان نتايج اختصاص داده شده است.
1-3- تاريخچه
بررسي همه كارهاي انجام شده در جهت بهبود پايداري ديناميكي سيستم هاي قدرت حتي به صورت مختصر، به دليل مطالعات و تحقيقات متعددي كه در اين زمينه صورت گرفته است، گزارش مفصلي را طلب مي كند.در اين زير بخش ضمن اشاره مختصر به شاخه هاي مهم تحقيق، كارهاي انجام شده بر اساس شاخه كنترل مقاوم را مرور خواهيم كرد.
با بروز نا پايداري ديناميكي در سيستم هاي قدرت تحقيقات گسترده اي در اين زمينه آغاز شد. مفاهيم اساسي پايداري ديناميكي براي ژنراتور سنكرون متصل به شين بينهايت، اولين بار توسط Demello و Concordia به شيوه اي زيبا در سال 1969 بيان شد [6]. در اين مقاله با معرفي مفاهيم گشتاورهاي سنكرون كننده و ميرا كننده اثر پارامترهاي مختلف سيستم و شرايط نقطه كار بر پايداري ديناميكي ماشين سنكرون تشريح شده، و بدنبال آن با استفاده از تئوري جبران فاز به طراحي PSS پرداخته شد. به دليل اهميت اين مطالب در فصل دوم، به طور مفصل به بررسي پايداري ديناميكي سيستم هاي قدرت خواهيم پرداخت.
در مرجع [7] اثر ديناميك ماشين هاي سنكرون يك سيستم قدرت چند ماشينه بر پايداري ديناميكي ماشين i ام اين شبكه بررسي شده است. حاصل اين مطالعه چند توصيه مفيد در طراحي PSS براي ماشين هاي سنكرون در سيستم هاي چند ماشينه مي باشد.
همچنين از آنجايي كه پايدار كننده هاي سيستم قدرت بر اساس مدل تك ماشين – شين بينهايت طراحي مي شود، هماهنگ سازي اين پايدار كننده ها در سيستم هاي قدرت چند ماشينه اجتناب ناپذير است. بدين منظور روش هاي مختلفي (مانند
روش هاي طراحي ترتيبي و افزايش پهناي باند PSSها) در جهت هماهنگ سازي PSS ها ارائه شده است.
1- Phase Lead