پایان نامه استفاده از پايدار كننده هاي سيستم قدرت (PSS) جهت بهبود ميرايي نوسانات با فركانس كم سيستم
فهرست محتوا
فهرست مطالب
- چکیده
- فصل اول – مقدمه
- 1-1- پیشگفتار………………………………………………………………………………………… 4
- 1-2- رئوس مطالب 7
- 1-3- تاریخچه 9
- فصل دوم: پایداری دینامیکی سیستمهای قدرت
- 2-1- پایداری دینامیکی سیستمهای قدرت…………………………………………………… 16
- 2-2- نوسانات با فرکانس کم در سیستمهای قدرت 17
- 2-3- مدلسازی سیستمهای قدرت تک ماشینه 18
- 2-4- طراحی پایدار کنندههای سیستم قدرت (PSS) 23
- 2-5- مدلسازی سیستم قدرت چند ماشینه…………………………………………………… 27
- فصل سوم: کنترل مقاوم
- 3-1-کنترل مقاوم 30
- 3-2- مسئله کنترل مقاوم…………………………………………………………………………… 31
- 3-2-1- مدل سیستم………………………………………………………………………………… 31
- 3-2-2- عدم قطعیت در مدلسازی……………………………………………………………… 32
- 3-3- تاریخچه کنترل مقاوم……………………………………………………………………….. 37
- 3-3-1- سیر پیشرفت تئوری…………………………………………………………………….. 37
- 3-3-2- معرفی شاخههای کنترل مقاوم……………………………………………………….. 39
- 3-4- طراحی کنترل کنندههای مقاوم برای خانوادهای از توابع انتقال 45
- 3-4-1- بیان مسئله…………………………………………………………………………………… 45
- 3-4-2- تعاریف و مقدمات……………………………………………………………………….. 46
- 3-4-4-تبدیل مسئله پایدارپذیری مقاوم بهیک مسئله Nevanlinna–Pick………… 50
- 3-4-5- طراحی کنترل کننده……………………………………………………………………… 53
- 3-5- پایدار سازی مقاوم سیستمهای بازهای 55
- 3-5-1- مقدمه و تعاریف لازم……………………………………………………………………….. 55
- 2-5-3- پایداری مقاوم سیستمهای بازهای……………………………………………………. 59
- 3-5-3- طراحی پایدار کنندههای مقاوم مرتبه بالا………………………………………….. 64
- فصل چهارم: طراحی پایدار کنندههای مقاوم برای سیستمهای قدرت
- 4-1- طراحی پایدار کنندههای مقاوم برای سیستمهای قدرت 67
- 4-2- طراحی پایدار کنندههای مقاوم به روش Nevanlinna – Pick……………. 69
- برای سیستمهای قدرت تک ماشینه 69
- 4-2-1- مدل سیستم………………………………………………………………………………… 69
- 4-2-2- طرح یک مثال…………………………………………………………………………….. 71
- 4-2-3 – طراحی پایدار کننده مقاوم به روش Nevanlinna – Pick……………. 73
- 4-2-2- بررسی نتایج………………………………………………………………………………. 77
- 4-2-5- نقدی بر مقاله……………………………………………………………………………… 78
- 4-3- بررسی پایداری دینامیکی یک سیستم قدرت چند ماشینه 83
- 4-3-1- مدل فضای حالت سیستمهای قدرت چند ماشینه……………………………… 83
- 4-3-2- مشخصات یک سیستم چند ماشینه…………………………………………………. 86
- 4-3-3-طراحی پایدار کنندههای سیستم قدرت…………………………………………….. 90
- 4-3-4- پاسخ سیستم به ورودی پله……………………………………………………………. 93
- 4-4- طراحی پایدار کنندههای مقاوم برای سیستمهای قدرت چند ماشینه 95
- 4-4-1- اثر تغییر پارامترهای بر پایداری دینامیکی…………………………………………. 95
- 4-4-2- مدلسازی تغییر پارامترها به کمک سیستمهای بازهای…………………………. 101
- 4-4-3-پایدارسازی مجموعهای ازتوابع انتقال به کمک تکنیکهایبهینه سازی…….. 105
- 4-4-4- استفاده از روش Kharitonov در پایدار سازی مقاوم……………………….. 106
- 4-4-5- استفاده از یک شرط کافی در پایدار سازی مقاوم………………………………. 110
- 4-5- طراحی پایدار کنندههای مقاوم برای سیستم قدرت چندماشینه (2)………….. 110
- 4-5-1- جمع بندی مطالب……………………………………………………………………….. 110
- 4-5-2-طراحی پایدار کننده هایمقاوم بر اساس مجموعهای از نقاط کار………….. 111
- 4-5-3- مقایسه عملکرد PSS کلاسیک با کنترل کنندههای جدید…………………… 113
- 4-5-4- نتیجه گیری………………………………………………………………………………… 115
- فصل پنجم: استفاده از ورش طراحی جدید در حل چند مسئله
- 5-1- استفاده از ورش طراحی جدید در حل چند مسئله 121
- 5-2- طراحی PSS های مقاوم به منظور هماهنگ سازی PSS ها 122
- 5-2-1- تداخل PSS ها 122
- 5-2-2- بررسی مسئله تداخل PSS ها در یک سیستم قدرت سه ماشینه 124
- 5-2-3- استفاده از روش طراحی بر اساس چند نقطه کار در هماهنگ 126
- انتخاب مجموعه مدلهای طراحی 127
- 5-2-4-مقایسهعملکرد دو نوع پایدار کننده به کمک شبیه سازی کامپیوتری………. 130
- 5-3- طراحی کنترل کنندههای بهینه (فیدبک حالت) قابل اطمینان برای سیستم قدرت 132
- 5-3-1) طراحی کننده فیدبک حالت بهینه 132
- تنظیم کنندههای خطی 133
- 5-3-2-کاربرد کنترل بهینه در پایدار سازی سیستمهای قدرت چند ماشینه………. 134
- 5-3-3-طراحی کنترل بهینه بر اساس مجموعهای از مدلهای سیستم 136
- 5-3-4- پاسخ سیستم به ورودی پله 140
- فصل ششم: بیان نتایج
- 6-1- بیان نتایج 144
- 6-2- پیشنهاد برای تحقیقات بیشتر…………………………………………………………….. 147
- مراجع…………………………………………………………………………………………………….. 148
- ضمیمه الف – معادلات دینامیکی ماشین سنکرون…………………………………………. 154
- ضمیمه ب – ضرایب K1 تا K6…………………………………………………………………. 156
- ضمیمه پ – برنامه ریزی غیر خطی……………………………………………………………. 158
چکیده:
توسعه شبکههای قدرت نوسانات خود به خودی با فرکانس کم را، در سیستم به همراه داشته است. بروز اغتشاشهایی نسبتاً کوچک و ناگهانی در شبکه باعث بوجود آمدن چنین نوساناتی در سیستم میشود. در حالت عادی این نوسانات بسرعت میرا شده و دامنه نوسانات از مقدار معینی فراتر نمیرود. اما بسته به شرایط نقطه کار و مقادیر پارامترهای سیستم ممکن است این نوسانات برای مدت طولانی ادامه یافته و در بدترین حالت دامنه آنها نیز افزایش یابد. امروزه جهت بهبود میرایی نوسانات با فرکانس کم سیستم، در اغلب شبکههای قدرت پایدار کنندههای سیستم قدرت (PSS) به کار گرفته میشود.
این پایدار کنندهها بر اساس مدل تک ماشین – شین بینهایتِ سیستم در یک نقطه کار مشخص طراحی میشوند. بنابراین ممکن است با تغییر پارامترها و یا تغیر نقطه کار شبکه، پایداری سیستم در نقطه کار جدید تهدید شود.
موضوع این پایان نامه طراحی پایدار کنندههای مقاوم برای سیستمهای قدرت است، به قسمی که پایداری سیستم در محدوده وسیعی از تغییر پارامترها و تغییر شرایط نقطه کار تضمین شود. در این راستا ابتدا به مطالعه اثر تغییر پارامترهای بر پایداری
سیستمهای قدرت تک ماشینه و چند ماشینه پرداخته میشود. سپس دو روش طراحی کنترل کنندههای مقاوم تشریح شده، و در مسئله مورد مطالعه به کار گرفته میشوند. سرانجام ضمن نقد و بررسی این روشها، یک روش جدید برای طراحی PSS ارائه میشود. در این روش مسئله طراحی پایدار کننده مقاوم به مسئله پایدار کردن
مجموعهای از مدلهای سیستم در نقاط کار مختلف تبدیل میشود. این مسئله نیز به یک مسئله استاندارد بهینه سازی تبدیل شده و با استفاده از روشهای برنامه ریزی غیر خطی حل میگردد. سرانجام کارایی روش فوق در طراحی پایدار کنندههای مقاوم برای یک سیستم قدرت چند ماشینه در دو مسئله مختلف (اثر تغییر پارامترها بر پایداری دینامیکی و تداخل PSS ها) تحقیق شده و برتری آن بر روش کلاسیک به اثبات میرسد.
1- پیشگفتار:
افزایش روز افزون مصرف انرژی الکتریکی، توسعه سیستمهای قدرت را بدنبال داشته است بطوریکه امروزه برخی از سیستمهای قدرت در جغرافیایی به وسعت یک قاره گسترده شدهاند. به موازات این توسعه که با مزایای متعددی همراه است، در شاخه دینامیک سیستمهای قدرت نیز مانند سایر شاخهها مسائل جدیدی مطرح شده است. از جمله این مسائل میتوان به پدیده نوسانات با فرکانس کم، تشدید زیر سنکرون (SSR)، و سقوط ولتاژ اشاره کرد.
پدیده نوسانات با فرکانس کم در این میان از اهمیت ویژهای برخوردار است و در بحث پایداری دینامیکی سیستمهای قدرت مورد توجه قرار میگیرد. بروز
اغتشاشهای مختلف در شبکه، انحراف سیستم از نقطه تعادل پایدار را به دنبال دارد، در چنین وضعیتی به شرط اینکه سنکرونیزم شبکه از دست نرود، سیستم با نوسانات فرکانس کم به نقطه تعادل جدید نزدیک میشود. هنگامی که یک ژنراتور به تنهایی کار میکند، نوسانات با فرکانس کم به دلیل میرایی ذاتی به شکل نسبتاً قابل قبولی میرا میشوند. اما کاربرد برخی از المانها مانند تحریک کنندههای سریع، با اثر دینامیک قسمتهای مختلف شبکه ممکن است باعث تزریق میرایی منفی به شبکه شود، به طوریکه نوسانات فرکانس کم شبکه به شکل مطلوبی میرا نشده و یا حتی از میرایی منفی برخوردار شوند. بدیهی است افزایش میرایی مودهای الکترومکانیکی سیستم در چنین وضعیتی میتواند به عنوان یک راه حل مورد استفاده قرار گیرد. بر این اساس پایدار کنندههای سیستم قدرت (PSS) بر اساس مدل تک ماشین – شین بینهایت طراحی شده و در محدوده وسیعی به کار گرفته میشوند. از دید تئوری کنترل، پایدار کنندههای فوق در واقع یک کنترل کننده کلاسیک با تقدیم فاز[1] میباشد که بر اساس مدل خطی سیستم در یک نقطه کار مشخص طراحی میشوند.
همراه با پیشرفتهای چشمگیری در تئوری سیستمها و کنترل، روشهای جدید برای طراحی پایدار کنندههای سیستم قدرت ارائه شده است، که به عنوان نمونه میتوان به کنترل کندههای طرح شده بر اساس تئوریهای کنترل تطبیقی، کنترل مقاوم، شبکههای عصبی مصنوعی و کنترل فازی اشاره کرد [5-1]. در همه این روشها سعی بر اینست که نقایص موجود در طراحی کلاسیک مرتفع شده به طوریکه کنترل کننده به شکل موثرتری بر پایداری سیستم و بهبود میرایی نوسانات اثر گذارد.
روشهای کنترل مقاوم، که در این پایان نامه مورد توجه است به شکل جدی از اوایل دهه هشتاد (1980) مطرح شد و خود به شاخههای متعددی تقسیم میشود. قبل از هر توضیحی درباره کنترل مقاوم نخست به بیان مفهوم عدم قطعیت در مدل
میپردازیم. در کنترل کلاسیک طراحی بر اساس مدل مشخصی از سیستم صورت
میگیرد. مدل سیستم تنها یک تقریب از دینامیکهای واقعی سیستم است. حذف دینامیکهای سریع به منظور ساده سازی، تغییر مقادیر پارامترهای مدل به دلایل مختلف از منابع ایجاد عدم قطعیت در مدل سیستمها میباشد. بنابراین بدلیل وجود چنین عدم قطعیتهایی در مدلسازی، اهداف مورد نظر طراح ممکن است توسط کنترل کنندههای طرح شده بر اساس مدل تحقق نیابند.
به منظور رفع این مشکل در کنترل مقاوم بر اینستکه عدم قطعیتهای حائز اهمیت موجود در مدل، در طراحی کنترل کننده لحاظ شوند. معمولاً مدلسازی عدم قطعیت در اکثر شاخههای کنترل مقاوم خانوادهای از سیستمها را بوجود میآورد، حال کنترل کننده مقاوم بایستی چنان طرح شود که برای هر یک از اعضاء این خانواده اهداف مورد نظر در طراحی برآورده شود.
موضوع این پایان نامه طراحی پایدار کنندههای مقاوم برای سیستمهای قدرت است، به قسمی که پایداری سیستم در محدوده وسیعی از تغییر پارامترها و تغییر شرایط نقطه کار تضمین شود. در این راستا ابتدا به مطالعه اثر تغییر پارامترها بر پایداری
سیستمهای قدرت تک ماشینه و چند ماشینه پرداخته میشود. سپس دو روش طراحی کنترل کنندههای مقاوم تشریح شده، و در مسئله مورد مطالعه به کار گرفته میشوند. سرانجام ضمن نقد و بررسی این روشها، یک روش جدید برای طراحی PSS ارائه میشود. در این روش مسئله طراحی پایدار کننده مقاوم به مسئله پاردار کردن مجموعهای از مدلهای سیستم در نقاط کار مختلف تبدیل میشود. این مسئله نیز به یک مسئله استاندارد بهینه سازی تبدیل شده و با استفاده از روشهای برنامه ریزی غیر خطی حل میگردد. سرانجام کارایی روش فوق در طراحی پایدار کنندههای مقاوم برای یک سیستم قدرت چند ماشینه در دو مسئله مختلف (اثر تغییر پارامترها بر پایداری دینامیکی و تداخل PSS ها) تحقیق شده و برتری آن بر روش کلاسیک به اثبات میرسد.
1-2- رئوس مطالب:
بخش بعدی این فصل به بررسی تحقیقات انجام شده در زمینه طراحی پایدار
کنندههای مقاوم سیستمهای قدرت اختصاص داده شده است.
در فصل دوم نخست به بیان مفاهیم اساسی در پایداری دینامیکی، و تشریح پدیده نوسانات با فرکانس کم در سیستمهای قدرت پرداخته میشود. مدلسازی سیستم تک ماشینه به منظور مطالعه پدیده نوسانات با فرکانس کم، و روش طراحی PSS به کمک این مدل در قسمتهای بعدی این فصل صورت میگیرد. در بخش آخر فصل نیز مدلسازی سیستمهای قدرت چند ماشینه و نکات مربوط به آن مورد بررسی قرار میگیرد.
در فصل سوم ابتدا صورت مسئله کنترل مقاوم به طور کامل تشریح میشود. سپس به تاریخچه کنترل مقاوم و سیر پیشرفت برخی از شاخهای آن پرداخته میشود. در پایان فصل طی دو بخش جداگانه به توضیح روشهای – Pick Nevanlinna و Kharitonov که در ادامه مورد استفاده قرار میگیرند، میپردازیم.
طراحی کنترل کننده مقاوم با استفاده از روش- Pick Kharitonov برای سیستم قدرت تکماشینه و نقد و بررسی یک مقاله در این زمینه در ابتدای فصل چهارم (بخش (4-2)) صورت میگیرد. در بخش (4-3) پس از بدست آوردن معادلات فضای حالت برای سیستمهای قدرت چند ماشینه، به بررسی پایداری دینامیکی یک سیستم سه ماشینه در نقاط کار مختلف و طراحی PSS در یک نقطه کار ناپایدار میپردازیم. در بخش (4-4) اثر تغییر پارامترها بر پایداری این سیستم مطالعه شده و روش Kharitonov جهت طراحی پایدار کنندههای مقاوم مورد استفاده قرار میگیرد. در بخش (4-5) به ارائه یک روش جدید که با الهام از روش Kharitonov شکل گرفته است، میپردازیم. سپس این روش به منظور طراحی یک کنترل کننده مقاوم که در محدوده وسیعی از تغییر شرایط نقطه کار پایداری سیستم را تضمین میکند، به کار گرفته میشود.
در فصل پنجم ابتدا روش فوق در حل مسئله تداخل PSS ها مورد استفاده قرار
میگیرد. سپس به طراحی کنترل کنندههای فیدبک حالت بهینه بر اساس مجموعهای از مدلهای سیستم، و پارهای نکات در این زمینه میپردازیم.
فصل ششم نیز به یک جمع بندی کلی از پایان نامه و بیان نتایج اختصاص داده شده است.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.