بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله سعی شده است با بهبود کنترل کننده بار- فرکانس و پیادهسازی یک روش جدید مقدار انحراف فرکانس و انحراف توان انتقالی بین دو ناحیه با در نظر گرفتن عوامل غیر خطی اشباع گاورنر و توربین در حین حالت دینامیکی کاهش یابد و کندی پاسخ سیستم قدرت دو ناحیهای نسبت به تغییرات بار مورد تقاضا با استفاده از یک کنترل کننده سریع بهبود یابد. روش جدید بکار گرفته شده مبتنی بر استفاده از یک کنترل کنندهی I-PD، انتخاب ضریب بایاس مناسب در کنترل بار- فرکانس و استفاده از یک تابع هزینه جدید میباشد.
تابع هزینه پیشنهادی دارای دو بخش بوده که بخش نخست شامل انتگرال قدرمطلق خطا، مجموع مربعات زمان نشست، زمان اوج و اوج پاسخ پله انحراف فرکانس و انحراف توان انتقالی بین دو ناحیه به ازای تغییرات بار بوده و بخش دوم شامل دو تابع جریمه برای اعمال محدودیتهای اشباع گاورنر و توربین میباشد. روش جدید سعی در حداقلسازی تابع هزینه مذکور با استفاده از یک الگوریتم هوشمند به نام الگوریتم تکامل تفاضلی دارد. کنترل کننده مذکور برای یک سیستم قدرت دو ناحیهای غیر خطی طراحی شده است. شبیهسازیهای انجام گرفته بر روی سیستم قدرت دو ناحیهای نشان دهنده بهبود پارامترهای سیستم همچون زمان نشست و اوج پاسخ پله میباشد.
-1 مقدمه
کنترل بار- فرکانس - LFC - 1 و توان تبادلی بین دو ناحیه در بهرهبرداری از سیستمهای قدرت، از اهمیت زیادی برخوردار است و اگر این کنترل صورت نگیرد هر چند طراحی مناسبی انجام گرفته باشد باز هم شبکه قدرت با مشکلات پیشبینی نشدهای مواجه خواهد شد. بهرهبرداری بهینه از سیستمهای قدرت، ایجاب میکند که تغییرات فرکانس و تغییرات توان انتقالی بین دو ناحیه در سیستمهای قدرت دو ناحیهای در محدودهی مشخصی ثابت بماند. عدم تغییر فرکانس بیانگر توازن میان تولید و مصرف است هر چه سیستم بزرگتر باشد تغییرات بار اثر کمتری روی فرکانس دارد .[1] در سالهای گذشته روشهای مختلفی جهت کنترل بار- فرکانس در سیستمهای قدرت به کار گرفته شده است .[2-4]
تمامی این روشها سعی در کاهش تغییرات فرکانس در حالت دینامیکی و ماندگار دارند. از جمله روشهای ارائه شده جهت کنترل بار - فرکانس روش کنترل ساختار متغیر می باشد، که با بکارگیری الگوریتمهای مختلف سعی در بهبود پاسخ سیستم به تغییرات بار دارد .[5] روش دیگری که در سال های اخیر ارائه شده، استفاده از کنترل کنندهی مقاوم میباشد. ترکیب این کنترل کننده با سایر کنترل کنندهها جهت طراحی جبران کنندهای که بتواند با تغییرات نقطهی کار، پایداری فرکانس را در سیستم تضمین کند، در سالهای اخیر مورد استفاده بوده است .[6] روشهای کنترل هوشمند همانند کنترل فازی [7] و شبکههای عصبی [9] نیز جهت حل مشکل پیشنهاد شده است.
استفاده از الگوریتم ژنتیک و الگوریتم اجتماع ذرات یکی از روشهای دیگری است که جهت بهینهسازی کنترل بار- فرکانس پیشنهاد گردیده است .[10-13] با توجه به اینکه هدف اصلی، کاهش تغییرات فرکانسی است در این مقاله سعی شده است تا از یک کنترل کنندهی I-PD استفاده شود که ورودی بخش انتگرالگیر مجموع دو سیگنال تغییرات فرکانسی و تغییرات توان انتقالی بین دو ناحیه و ورودی بخشهای تناسبی و مشتقگیر سیگنال فیدبک تغییرات فرکانسی میباشد یعنی به جای سیگنال خطای کنترل ناحیه2 - ACE - از تغییرات فرکانسی f و تغییرات توان انتقالی بین دو ناحیه P12 به صورت جداگانه استفاده شده است.
بدین صورت با استفاده از الگوریتم تکامل تفاضلی سعی در حداقلسازی تابع هدف جدیدی دارد که در بخشهای بعدی معرفی میشود همچنین در این مقاله محدودیتهای اشباع گاورنر و توربین در سیستم قدرت دو ناحیهای در نظر گرفته شده است. با روش جدید و تابع هدف جدید ارائه شده در این مقاله میتوان اثر اشباع اجزای سیستم را در طراحی کنترل کننده در نظر گرفت. کنترل کننده طراحی شده با این روش از حداکثر قابلیتهای مجاز اجزای سیستم برای کاهش مقدار انحراف فرکانس بهره میگیرد.
-2 مدل سیستم قدرت دو ناحیهای
سیستم نمایش داده شده در شکل - 1 - یک سیستم قدرت دو ناحیهای - غیر متمرکز - است که هر ناحیه شامل یک واحد تولید میباشد. در این سیستم تمام توابع تبدیل مربوط به گاورنر و توربین از نوع غیر خطی میباشند که جهت مطالعات غیر خطی در این مقاله استفاده شده است .[1] شکل - 2 - مدل کاملتر گاورنر و توربین را با در نظر گرفتن محدودیت سرعت دریچه بخار - VSL - 3 و محدودیت نرخ تولید - GRC - 4 نشان میدهد. در نظر گرفتن محدودههای اشباع، سیستم قدرت دو ناحیهای مورد نظر را غیر خطی میکند، همچنین باعث افزایش نقطه اوج و زمان نشست تغییرات فرکانسی به ازای تغییرات پله بار نسبت به حالت خطی میشود .[14]
مقادیر نامی پارامترهای سیستم قدرت دو ناحیهای شکل - 1 - در ضمیمه ارائه شده است. همچنین پارامترهای سیستم شامل :R شیب تنظیم کننده افتی سرعت، :TG ثابت زمانیگاورنر ، :TT ثابت زمانی توربین، :M ثابت اینرسی و:D ضریب میرایی میباشد. برای سیستم قدرت دو ناحیهای شکل - 1 - شش تابع تبدیل به صورت مجموعه روابط - 1 - تا - 6 - در نظر گرفته شده است که شامل تغییرات فرکانسی ناحیه اول، دوم و تغییرات توان انتقالی بین دو ناحیه نسبت به تغییرات بار مورد تقاضا در ناحیه اول و دوم میباشد.
-3 ایده پیشنهادی جهت کنترل بار- فرکانس
در مطالعه مقالات مرتبط با موضوع کنترل بار- فرکانس [10- 13] و بررسی نتایج آنها مشخص گردید که پاسخ تغییرات فرکانسی نسبت به تغییرات توان مورد تقاضای شبکه بسیار کند بوده و زمان رسیدن به حالت ماندگار بسیار طولانی میباشد و این امر، با در نظر گرفتن تغییرات لحظهای و پرشتاب توان مورد تقاضای شبکه، نامطلوب میباشد. بنابراین میبایستی یک کنترل کننده سریع جهت کنترل اتوماتیک تولید طراحی شود. در این مقاله یک کنترل کننده I-PD جهت کنترل بار- فرکانس پیشنهاد شده است.
در دانش کنترل خروجی کنترل کننده انتگرالی یعنی سیگنال کنترل در هر لحظه با مساحت زیر منحنی سیگنال خطا تا آن لحظه برابر است. در صورت وجود خطای حالت ماندگار یا offset در پاسخ سیستم به ورودی پله، از عمل کنترل انتگرالی جهت حذف آن استفاده می شود. عمل کنترل مشتقی روشی برای دستیابی به کنترل کنندهای با حساسیت بالا است. یکی از مزایای کنترل مشتقی این است که به آهنگ تغییر سیگنال خطا پاسخ میدهد و میتواند قبل از بزرگ شدن بیش از اندازه خطا اصلاح قابل توجهی بهوجود آورد. عمل کنترل مشتقی خطا را پیش بینی کرده، عمل تصحیح زودهنگام را انجام میدهد و به این ترتیب پایداری سیستم را افزایش میدهد .[14]
با توجه به آنچه بیان شد دو راهکار ممکن جهت دستیابی به اهداف مذکور وجود دارد، استفاده از کنترل کننده PID و استفاده از کنترل کننده .I-PD اما علتی که باعث گردید کنترل کننده I-PD جهت این منظور معرفی شود این است که در کنترل کننده PID، اگر در ورودی کنترل کننده یا همان سیگنال خطا تابع پله یا تابعی نزدیک به پله وجود داشته باشد در این صورت در خروجی بخش مشتقگیر PID شاهد تابع ضربه خواهیم بود که برای یک سیستم کنترل به هیچ وجه مطلوب نمیباشد.
بدینمنظور با جدا کردن ورودی بخشهای تناسبی و مشتقگیر از بخش انتگرالگیر در کنترل کننده I-PD مطابق شکل - 3 - ، در سیگنال کنترل تابع ضربهای وجود نخواهد داشت، بدین ترتیب کنترل کننده اصلاح شده - I-PD - از سه بخش انتگرالی، مشتقگیر و تناسبی تشکیل شده است. همانگونه که در شکل - 3 - مشاهده میشود ورودی بخش انتگرالگیر جمع جبری دو سیگنال مرجع و فیدبک شده از خروجی و ورودی بخشهای تناسبی و مشتقگیر فقط سیگنال فیدبک شده از خروجی میباشد.
استفاده از طرح کنترل کننده I-PD، با جدا کردن ورودی بخشهای تناسبی و مشتقگیر از بخش انتگرالگیر، در قسمت کنترل اتوماتیک تولید یک سیستم قدرت دو ناحیهای مطابق شکل - 1 - حساسیت نسبت به تغییرات فرکانسی در هر دو ناحیه را افزایش میدهد و با در نظر گرفتن وابستگی تغییرات توان انتقالی بین دو ناحیه به تغییرات فرکانسی در هر ناحیه میتوان نتیجه گرفت که با افزایش حساسیت نسبت به تغییرات فرکانسی و اصلاح سریع و زودهنگام آن، تغییرات توان انتقالی بین دو ناحیه نیز به طبع این اصلاح زودهنگام، سریعتر اصلاح خواهد شد و دیگر نیازی به استفاده از یک بخش تناسبی- مشتقگیر در مسیر سیگنال تغییرات توان انتقالی نخواهد بود که نتایج بدست آمده از شبیهسازیها در این مقاله مؤید این نظریه میباشد. حال با در نظر گرفتن این ایده کنترلی، در بخش کنترل تکمیلی از یک کنترل کننده I-PD استفاده شده است که ورودی بخش انتگرالی مجموع دو سیگنال تغییرات فرکانسی و تغییرات توان انتقالی بین دو ناحیه و ورودی بخشهای مشتقگیر و تناسبی فقط سیگنال فیدبک تغییرات فرکانسی در نظر گرفته شده است.
-4 تابع هدف پیشنهادی جهت کنترل
در این بخش یک تابع هدف جدید به منظور محاسبه ضرایب کنترل کنندهی I-PD و ضریب مناسب بایاس شبکه B، جهت کاهش انحراف فرکانس در هر ناحیه - I1 ' I2 - و انحراف توان انتقالی بین دو ناحیه - P12 - به ازای تغییرات بار هر یک از نواحی سیستم قدرت - 3/1 ' 3/2 - معرفی شده است. تابع هدف پیشنهادی شامل دو بخش میباشد که در رابطه شماره - 7 - نشان داده شده است. در بخش نخست با نام Main Cost جهت بررسی بهبود انحراف فرکانسی و انحراف توان انتقالی از چهار پارامتر زمان اوج - RT - ، زمان نشست - ST - ، اوج پاسخ - MP - و انتگرال قدرمطلق خطا - انحراف فرکانس و انحراف توان انتقالی - استفاده شده است. کاهش انحراف فرکانس و توان انتقالی، متناظر با مقادیر کمینه برای دو پارامتر اوج پاسخ و انتگرال قدرمطلق خطا و کاهش زمان رسیدن پاسخ به حالت ماندگار متناظر با مقادیر کمینه برای دو پارامتر زمان نشست و زمان اوج میباشد.
