بخشی از مقاله
خلاصه
این مقاله به مشکلات پایداری در سیستم قدرت به صورت نوسانات فرکانس پایین، که به عنوان "ناپایداریهای حالت ماندگار" معرفی شده است، اشاره میکند. برای حل این نوع از نوسانات، این مقاله یک کنترل ترکیبی را برای سیستمهای قدرت یک ناحیهای، شامل تنظیم کنندهی خودکار ولتاژ - AVR - و کنترل بار فرکانس اتوماتیک - ALFC - ارایه میدهد. بطوریکه اثرات اتصال بین دو حلقهی AVR و ALFC، با تعمیم سیستم ALFC خطی برای ترکیب سیستم تحریک مطالعه شده است.
برای کاهش اثرات اتصال بین این دو حلقه، دو کنترلکنندهیPID یکی درحلقهی AVR و دیگری در حلقهیALFC قرار داده شده است. مسئلهی تنظیم کنترلکنندههایPID به صورت یک مسئلهی بهینهسازی مدل و با استفاده از الگوریتمGWO - گرگهای خاکستری - حل میشود. جهت ارزیابی عملکرد کنترلکنندههایPID بهینه شده از شاخصهای مناسب حوزهی زمان اعم از زمان نشست، فرا جهش/ فروجهش استفاده شده است. مطالعات شبیهسازی بهبود قابل توجه پاسخهای سیستم را در مقایسه با زمانی که از سیم پیچ دمپر جهت میرا کردن نوسانات بین دو حلقهیAVR و ALFC استفاده شده است، نشان میدهد.
.1 مقدمه
ناپایداریهای حالت ماندگار در سیستم قدرت بطور غیر منتظره و هنگامی که سیستم به نظر میرسد در حالت پایدار و بدون اشکال باشد، رخ میدهند. این نوع از ناپایداری در واقع با توجه به اثرات متقابل اتصال بین حلقه های AVR و ALFC رخ میدهد و با حالت نوسان طبیعی از سیستم همراه است1]،.[2 کوپلینگ متقابل بین حلقههای ALFC و AVRتوسط بسیاری از تحقیقات نادیده گرفته شده است3]،.[4 به این نوع از نوسانات، نوسانات فرکانس پایین و خودتحریک گفته میشود.
وجود این نوسانات هرچند در مباحث نظری تاثیری در معادلات ندارد ولی در بهرهبرداریهای عملی سیستمهای قدرت باعث بوجود آمدن ناپایداری در ولتاژ و فرکانس سیستم میشود. با این حال، در سیستمهای عملی، تعامل بین این دو وجود دارد، هرچند به عنوان یک رابطه کوپلینگ ضعیف گزارش شده است.[5] حلقهی AVR بسیار سریعتر از حلقهی ALFC میباشد، بطوریکه ثابتهای زمانی سیمپیچهای میدان درکنترل تحریک بسیار کوچکتر از ثابتهای زمان در حلقهی ALFC است. به همین دلیل نوسانات در حلقهی AVR با سرعت بیشتری نسبت به نوسانات درALFC میرا میشوند.
در[1] جهت میرا کردن نوسانات بین دو حلقهی AVR و ALFC سیمپیچ دمپر در حلقهی AVR و در روتور ژنراتور سنکرون قرار داده شده است. همچنین از کنترلکنندهی انتگرالی در حلقههای AVR وALFC بهره گرفته شدهاست. تنظیم فرکانس و توان ارتباطی بین دو خط با استفاده از کنترل تولید خودکار در یک سیستم قدرت به هم پیوسته با بهرهگیری از کنترلکنندههای انتگرالی و منطق فازی متداول در [6] بحث شدهاست.
کنترلکنندههای PIDدر اوایل قرن بیستم در صنایع کشتیرانی مورد استفاده قرارگرفتند. امروزه این نوع کنترلکنندهها در بسیاری از ماشین آلات صنعتی و غیر صنعتی کاربرد دارند. در بیش از %85 کنترلرهای دینامیکی، از گونههای مختلف PID استفاده شده است. از لحاظ خصوصیات کنترلرها، کنترلکنندهی PID دارای ویژگیهای زیر میباشد: سریع ، ساده ، ارزان، خروجی را میتواند به مقادیر مطلوب برساند. به نویز یا تغییر ناگهانی حساس نیست و بر اساس تاریخچهی خطا عمل میکند. خیلی سریع است و سیستم را پایدار میکند. مهمترین بخش در کنترل فرآیندهای PID بدست آوردن ضرایب آن میباشد.
روش زیکلر نیکولز یک روش تجربی برای بدست آوردن ضرایب PID میباشد که به دو صورت حلقه بسته - CLOSE LOOP - و حلقه باز - OPEN LOOP - مورد استفاده قرار می گیرند. بر خلاف ظاهر ساده کنترلرهای PID، در عمل، فراتر از تنظیم سه پارامتر اصلی آن است. عوامل مختلفی در عملکرد این کنترلکنندهها تاثیرگذارند که از جمله ساختار کنترلکننده، درجهی فرآیند، نسبت ثابت زمانی غالب سیستم به زمان مردهی فرآیند، دینامیک عنصر محرک، نوع فیلتر بخش مشتقگیر و تنظیم پارامتر آن، رفتار غیر خطی در سیستم و غیره را میتوان برشمرد. هریک از این عوامل میتوانند نقشی در روند طراحی و تنظیم کنترلکنندهی PID داشته باشند .[7]
بهینهسازی تقریبا در همهی بخشهای زندگی ما وجود دارد. در حقیقت ما به طور پیوسته به دنبال راه حلهای بهینه برای مسائلی که با آنها روبرو می شویم، هستیم. توسعهی تکنیکهای بهینهسازی از سالها پیش همچنان ادامه دارد و در نیم قرن اخیر پیشرفتهای فراوانی در زمینهی روشهای بهینهسازی صورت گرفته است .[8] الگوریتمهای فراابتکاری انواع مختلفی دارند. در این مقاله از الگوریتم GWO استفاده شده است.
این الگوریتم در مقایسه با الگوریتمهای پرکاربرد همچون PSO پاسخهای بهینهتری ارایه کرده است. همچنین ارزیابی این الگوریتم با سایر الگوریتمها در [8] بیان شده است. در [9] کنترلکنندهیPID براساس الگوریتم PSO و بردار ذرات موازی طراحی شده است - - VEPSO، بطوریکه تمام پارامترهای اجزای AVR اعم از تقویت کننده، تحریک و حسگر با استفاده از الگوریتم ذکر شده، بهینه شده اند . با استفاده از شبکههای عصبی و منطق فازی نیز میتوان به نتایج قابل توجهی در زمینهی کنترل بار فرکانس رسید .[10]
در این مقاله با طراحی کنترل کنندهی مقاوم PID به کمک الگوریتم فراابتکاری نه تنها نیاز به سیم پیچی دمپر برای میرا کردن اثرات بین دو حلقهی AVR و ALFC رفع گردیده، بلکه مزایای دیگری نیز برای سیستم به همراه داشته است. این مقاله یک کنترل ترکیبی را برای سیستمهای قدرت یک ناحیهای، شامل تنظیم کنندهی خودکار ولتاژ - AVR - و کنترل بار فرکانس اتوماتیک - ALFC - ارایه میدهد.
برای کاهش اثرات اتصال بین این دو حلقه، دو کنترلکنندهیPID یکی درحلقهی AVR و دیگری در حلقهیALFC قرار داده شده است. مسئلهی تنظیم کنترلکنندههایPID به صورت یک مسئلهی بهینهسازی مدل و با استفاده از الگوریتمGWO حل میشود. جهت ارزیابی عملکرد کنترلکنندههایPID بهینه شده از شاخصهای مناسب حوزهی زمان اعم از زمان نشست، فرا جهش/ فروجهش استفاده شده است. مطالعات شبیهسازی بهبود قابل توجه پاسخهای سیستم را در مقایسه با زمانی که از سیم پیچ دمپر جهت میرا کردن نوسانات بین دو حلقهیAVR و ALFC استفاده شده است، نشان می دهد.
.2 مدل سازی AVR
تحریک، بخش اصلی حلقهی AVR است که میدان جریان مولد را تحریک و شار آن را کنترل میکند. نقش عمدهی AVR و تحریک برای حفظ ولتاژ ثابت ترمینال ژنراتور در طول تغییرات آهسته و پی در پی در بار و همچنین در مواقع اضطراری است. اجزای مختلف حلقهی کنترلی AVR متشکل از تقویت کننده، محرک، میدان ژنراتور، سنسور و کنترل کنندهها میباشد. تمامی معادلات مربوط به آن در [1] ارایه شده است.
.3 مدل ترکیبی از حلقه های AVR و ALFC
حلقهی ALFC شامل گاورنر، توربین و ممان اینرسی ژنراتور میباشد. حلقههایAVR و ALFC به طور کامل جدا از هم نیستند. بطوریکه که اتصال متقابل بین این دو موجود است و باید در مدلسازی سیستم قدرت در نظر گرفته شود. حلقهی AVR مقدار نیروی محرکهی تولید شده - E - را کنترل و میزان توان اکتیو را تعیین میکند. قدرت خروجی و فرکانس ژنراتور سنکرون وابسته به توان اکتیو سیستم است و در محدودهی مشخص شده با استفاده از ALFC تنظیم میگردد، بنابراین تغییرات در حلقهی AVR باید در حلقهی ALFC احساس شود.
دو دلیل برای تغییر در تولید نیروی محرکهیE وجود دارد. تغییر در ولتاژ میدان VFو تغییر در موقعیت نسبی روتور و یا زاویهی روتور این رابطه توسط معادلهی - 1 - ارایه شده است. مدل ترکیبی متشکل از حلقههای AVR و ALFC برای سیستم قدرت یک ناحیهای در شکلهای - 1 - و - 2 - نشان داده شده و اثرات اتصال بین دو حلقه نیز گنجانده شده است. جزییات بیشتر در [1] ارایه گردیده است.
