بخشی از مقاله
خلاصه
مساله کنترل بار فرکانس یکی از موضوعات اساسی در طراحی و بهرهبرداری سیستمهای قدرت بوده و امروزه با توجه به گسترش ابعاد و تغییر ساختار و پیچیدگی سیستم قدرت ضرورت آن بیش از پیش احساس میگردد. هر چند در کاربردهای صنعتی معمولاً از کنترل کننده ساده1PI، که پارامترهای آن براساس آزمون سعی و خطا و یا کنترل کلاسیک در نقطه کار مشخص تعیین میشود، برای کنترل بار فرکانس استفاده مینمایند ولی این کنترل کننده در برابر تغییر پارامترها، شرایط کاری سیستم و عوامل غیرخطی کارآیی مطلوبی ندارند
به منظور غلبه بر عیوب فوق، در این مقاله یک کنترل کننده فازی PI برای کنترل بار فرکانس پیشنهاد میگردد. انگیزه استفاده از منطق فازی برای تعیین پارامترهای کنترل کننده پیشنهادی، بزرگ لحاظ کردن بازه تغییرات پارامترهای سیستم و در نظر گرفتن عوامل غیرخطی همانند 2GRCمیباشد. کنترل کننده پیشنهادی بر روی یک سیستم قدرت نمونه دو ناحیهای اعمال شده و نتایج آن با کنترل کننده PI کلاسیک مقایسه میگردد. نتایج شبیهسازی در سه شرایط کاری گوناگون تحت اغتشاشات بار بزرگ در نواحی، گویای رفتار دینامیکی بسیار مطلوب کنترل کننده پیشنهادی میباشد.
.1 مقدمه
هدف اصلی کنترل سیستم قدرت عبارت از تولید توان الکتریکی در یک سیستم به هم پیوسته به صورتی که تا حد امکان قابل اطمینان و اقتصادی باشد و در عین حال ولتاژها و فرکانس در درون حدود مجاز قرار گرفته باشند.
قدرت اکتیو هنگام نیاز باید تولید شود و چون مصرف بارها در ساعات مختلف شبانه روز تغییر مینماید، لذا قدرت تولیدی ژنراتورها نیز باید کنترل گردد. قدرت خروجی یک ژنراتور با تغییر دادن قدرت مکانیکی ورودی آن کنترل میشود. برای این کار با باز کردن یا بستن شیر بخار و یا دریچه آب، جریان بخار یا آب روی توربین تنظیم شده و باعث کنترل قدرت مکانیکی و در نتیجه قدرت اکتیو خروجی ژنراتور میگردد. اگر قدرت مصرفی بار افزایش یابد، باید شیر بخار و یا دریچه آب بیشتر شود که به همان میزان باعث کاهش قدرت ژنراتور شده و در نتیجه توازن قدرت اکتیو برقرار گردد. عدم توازن قدرت، از تاثیر آن بر سرعت و یا فرکانس ژنراتور حس میشود
در صورت کاهش بار و اضافه بودن تولید، ژنراتور تمایل به افزایش سرعت و فرکانس خود دارد و در صورت افزایش بار و کمبود تولید، سرعت و فرکانس ژنراتور رو به کاهش میرود. انحراف فرکانس از مقدار نامی آن به عنوان سیگنالی جهت تحریک سیستم خودکار انتخاب میشود. توازن قدرت اکتیو به منزله ثابت بودن فرکانس سیستم است که این موضوع به نوبه خود دارای اهمیت فراوانی میباشد. قدرت اکتیو، زاویه قدرت و فرکانس در یک کانال کنترل میشوند که آن را کانال کنترل، قدرت، فرکانس و یا مگاوات فرکانس می-نامیم. سیستم کنترل مربوطه نیز به سیستم کنترل خودکار بار فرکانسLFC1 معروف است.
حلقه کنترل LFC فقط به تغییرات کم دامنه و آرام بار و فرکانسی پاسخ میدهد و در شرایط اضطراری و عدم توازن قدرت ناشی از آن قادر به کنترل نمیباشد. کنترل سیستم در شرایط اضطراری و تغییرات ناگهانی با مطالعه پایداری گذرا و حفاظت سیستمها مورد بررسی قرار میگیرد
تغییر در توان حقیقی عمدتاً بر روی فرکانس سیستم تاثیر میگذارد و در حالی که توان راکتیو حساسیت کمی به فرکانس دارد و بهطورعمده به تغییرات اندازه ولتاژ وابسته است. بنابراین توان حقیقی و راکتیو به صورت جداگانه کنترل میشوند. حلقه کنترل بار فرکانس LFC توان حقیقی و فرکانس را کنترل میکند و حلقه تنظیم خودکار ولتاژAVR2 نیز توان راکتیو و اندازه ولتاژ را تنظیم میکند. با رشد روز افزون سیستمهای قدرت بهم پیوسته، کنترل فرکانس بار اهمیت بیشتری پیدا نموده است و با بهرهگیری از روشهای جدید بهرهبرداری از این سیستمها را مقدور ساخته است.
هم اکنون نیز پایه بسیاری از مفاهیم پیشرفته برای کنترل سیستمهای بزرگ است. به منظور عملکرد رضایت بخش یک سیستم قدرت ثبات فرکانس امری الزامی است چرا که کنترل نسبتاً دقیق فرکانس ثبات سرعت موتورهای سنگرون و القایی را به دنبال دارد و تثبیت سرعت بارهای موتوری به طور ویژه در عملکرد رضایت بخش واحدهای تولید اهمیت دارد زیرا این واحدها به شدت به عملکرد تمامی محرکهای جنبی مربوط به سوخت، آب و سیستمهای تغذیه هوای احتراق وابستهاند. همچنین در یک شبکه ممکن است افت زیاد فرکانس منجر به ایجاد جریانهای شدید مغناطیسی در موتورهای القایی و ترانسفورماتورها شود و صدمات جبران ناپذیری وارد نماید.
از طرفی استفاده وسیع ساعتهای الکتریکی سنکرون و استفاده از فرکانس برای سایر مصارف زمانسنجی نیازمند نگهداری و حفظ دقیق زمان سنکرون است که با انتگرال فرکانس متناسب است در نتیجه نه تنها فرکانس بلکه انتگرال آن نیز باید تنظیم و کنترل شود. ثبات فرکانس یک سیستم قدرت بستگی به تعادل توان حقیقی دارد و از آنجا که فرکانس عامل مشترکی در سرتاسر سیستم است هر تغییری در تقاضای توان حقیقی یک نقطه به شکل تغییر فرکانس در سرتاسر سیستم منعکس میشود و اگر به دلایلی بار سیستم تغییر یابد مشخصات بار سیستم موازی با مشخصات قبلی خواهد بود که موجب کاهش فرکانس خواهد شد.
برای آنکه سیستم را در همان فرکانس قبلی بکار ببریم باید مشخصات ژنراتور را موازی با حالت قبلی تغییر دهیم در این حالت مشخصات سیستم نیز موازی تغییر خواهد کرد. نظر به اینکه توان مورد نیاز یک سیستم قدرت بزرگ، توسط تعداد زیادی ژنراتور تامین می-شود باید تغییر توان مورد تقاضا را بین واحدها تقسیم نمود. تقسیم بار بین ژنراتورها و کنترل اولیه سرعت گاورنرهای نصب شده بر روی ژنراتورها صورت میپذیرد، لیکن جهت تنظیم دقیق فرکانس در مقدار نامی، نیاز به یک کنترل تکمیلی می-باشد.
روشهای ارائه شده برای کنترل ژنراتورهای مجزا و نهایتاً کنترل سیستمهای به هم پیوسته بزرگ نقش حیاتی در مراکز مدرن کنترل انرژی ایفا مینماید. در همین راستا تاکنون تحقیقات زیادی در این خصوص صورت گرفته است. در یک سیستم قدرت به هم پیوسته تجهیزات کنترل بار فرکانس و کنترل خودکار ولتاژ بر روی هر ژنراتور نصب میشود. [3]کنترل کنندهها برای کار تحت شرایط مشخصی تنظیم شدهاند و در مقابل تغییرات کوچک بار، ولتاژ و فرکانس را کنترل مینمایند.
تغییرات کوچک در توان حقیقی عمدتاً بستگی به تغییر در زاویه روتورها و به تبع آن فرکانس دارد. توان راکتیو نیز وابسته به اندازه ولتاژ یا به عبارتی تحریک ژنراتور است. با توجه به اینکه تزویج بین حلقه LFC , AVR ناچیز است و همچنین ثابت زمانی سیستم تحریک بسیار کوچکتر از ثابت زمانی محرک ژنراتور میباشد، حالت گذرای آن بسیار سریعتر از آن است که بر روی دینامیک LFCتاثیر بگذارد. لذا عموماً کنترل فرکانس بار و کنترل تحریک به صورت جداگانه مورد بررسی قرار میشوند.
اهداف عمده کنترل فرکانس بار عبارتند از حفظ فرکانس به صورت یکنواخت، تقسیم بار سیستم بین ژنراتورها به نحو مطلوب و ترجیحاً اقتصادی و تنظیم توان مبادله شده از خطوط ارتباطی در مقادیر برنامه-ریزی شده در واقع میباید تغییر ایجاد شده در فرکانس سیستم و توان حقیقی خطوط ارتباطی توسط تغییر تولید از بین برود
کنترل کننده های معمولی نمی توانند راه حل کلی برای مشکلات کنترلی فرکانس بار فراهم کنند. وقتی که این فرایند بیش از حد پیچیده شود, روشهای کنترل معمولی نمیتوانند بهطور کارآمد کنترل کنند. برای غلبه براین مشکلات انواع مختلف کنترل کننده PID و PI اصلاح شده مانند کنترل کننده های تطبیقی و تنظیم خودکار، به تازگی توسعه یافته اند. همچنین نوع غیر متداول از کنترل کننده های PID با استفاده از منطق فازی، به منظور کنترل فرکانس بار طراحی و شبیه سازی شده است.
روش های ارائه شده برای کنترل ژنراتورهای مجزا و نهایتا کنترل سیستمهای به هم پیوسته بزرگ نقش حیاتی در مراکز مدرن کنترل انرژی ایفا می نماید. در همین راستا تاکنون تحقیقات زیادی در این خصوص صورت گرفته است. در یک سیستم قدرت به هم پیوسته تجهیزات کنترل بار-فرکانس و کنترل خودکار ولتاژ بر روی هر ژنراتور نصب می شود. کنترل کننده ها برای کار تحت شرایط مشخصی تنظیم شده اند و در مقابل تغییرات کوچک بار ، ولتاژ و فرکانس را کنترل می-نمایند. تغییرات کوچک در توان حقیقی عمدتا بستگی به تغییر در زاویه روتورها و به تبع آن فرکانس دارد. توان راکتیو نیز وابسته به اندازه ولتاژ یا به عبارتی تحریک ژنراتور است. بنابراین با توجه به اینکه تزویج بین حلقه AVR و LFC ناچیز است و همچنین ثابت زمانی سیستم تحریک بسیار کوچکتر از سیستم ثابت زمانی محرک ژنراتور میباشد، حالت گذرای آن بسیار سریعتر از آن است که بر روی دینامیک LFC تاثیر بگذارد
اکثر راه حل های کنترل خطی و غیر خطی در طی سه دهه گذشته بر پایه مدل های دقیق ریاضی می باشد. اکثر این سیستم ها به سختی و یا حتی غیر ممکن است توسط روابط ریاضی قدیمی توصیف شوند. در مقابل تئوری کنترل خطی و غیر خطی سنتی FLC بر پایه مدل ریاضی بنا نشده و بطور گسترده برای حل مشکلات در محیط های نامعلوم و مبهم با درجه غیر خطی بالا استفاده می شود. منطق فازی یک سطح مطمئنی از هوش مصنوعی را برای کنترل کننده های معمولی فراهم می کند
.2 بیان مسئله
برای هر سیستم کنترل پایداری مهمترین چیزی است که باید مشخص شود. اگر سیستم خطی و مستقل از زمان باشد، معیارهای پایداری مختلفی وجود دارد، که از میان آنها میتوان معیار پایداری نایکوییست و معیار پایداری روث را نام برد. ولی برای سیستم غیرخطی یا خطی و متغیر با زمان این معیارها قابل اعمال نیستند. کنترل کنندههای معمولی نمی-توانند راه حل کلی برای مشکلات کنترلی فراهم کنند. وقتی که این فرآیند بیش از حد پیچیده شود روشهای کنترل معمولی نمیتوانند به طور کارآمد کنترل کنند. برای غلبه بر این مشکلات انواع مختلف کنترل کننده PI , PID اصلاح شده مانند کنترل کنندههای تطبیقی و تنظیم خودکار به تازگی توسعه یافتهاند.
