بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهای قدرت شامل واحدهای متعدد تولید مرتبط با هم بوده که شار توان الکتریکی دائماً میان آنها در حال جابجایی است. از آن جهت که پایداری در سیستمهای قدرت اهمیت ویژهای دارد بنابرین لازم است سیستمهای کنترلی در نیروگاهها بهگونهای پیادهسازی شود که نه فقط در شرایط عادی بلکه پس از اعمال ورودیهای ناخواسته و اختلالات نیز پایداری سیستم قدرت را تضمین نماید.
با توجه به اهمیت ثبات فرکانس در سیستم قدرت کنترل توان حقیقی از اهمیت خاصی برخوردار است. اقدامی که در این مقاله انجام شده است طراحی کنترلکنندههای مقاوم PID و PI مبتنی بر الگوریتم ژنتیک جهت میراسازی سریعتر نوسانات فرکانس از طریق تغییر در مرجع بار واحدهای تولیدی در نیروگاهها با استفاده از نرمافزار متلب است. در انتها نیز نتایج حاصل از پیادهسازی کنترلکنندههای طراحیشده بر روی سیستم قدرت دو ناحیهای در حالت پارامترهای تغییر یافته آن مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج حاصل از شبیهسازی کنترلکنندههای طراحیشده در برابر تغییرات پارامترهای عدمقطعیت سیستم قدرت و گارونر مقاوم میباشد.
-1 مقدمه
سیستم قدرت شامل واحدهای متعدد نیروگاهی است که بهصورت مداوم با یکدیگر در ارتباط بوده و شار توان الکتریکی دائماً میان آنها در حال جابجایی است. سیستمهای قدرت باید بهگونهای بهرهبرداری شود که علاوه بر شرایط عادی، پس از ورود اختلالات و ورودیهای ناخواسته نیز پایدار باقی مانده و یا در سریعترین زمان ممکن به شرایط پایدار نامی بازگردد. اگر فرکانس سیستم قدرت که برابر با فرکانس توان الکتریکی خروجی نیروگاهها است دچار انحراف گردد موجب ایجاد اختلاف سرعت بین میدانهای مغناطیسی دوار ناشی از استاتور و رتور در فاصله هوایی ژنراتورهای سنکرون میشود.
اگر این اختلاف کم باشد و یا سریعاً مرتفع شود ژنراتور سنکرون مذکور در حالت پایدار باقی خواهد ماند اما اگر این اختلاف از حدی بیشتر شود میدان مغناطیسی دوار ناشی از رتور دیگر قادر نخواهد بود در حالت کوپل با میدان مغناطیسی دوار ناشی از استاتور باقی بماند. اینجاست که هیچ توانی از خروجی ژنراتور سنکرون موجود در نیروگاه به شبکه تزریق نخواهد شد. در پی این رخداد توان مقاوم الکتریکی از ژنراتور مذکور برداشته شده و در نتیجه سرعت دوران شافت روتور آن بهصورت ناگهانی افزایش مییابد و باعث ترک برداشتن شافت رتور و حتی تخریب کل ژنراتور سنکرون موجود در نیروگاه شود.
بنا بر آنچه بیان شد فاکتورهای اساسی کنترل پایداری در یک سیستم قدرت را میتوان فرکانس نواحی مختلف و میزان شار توان بین ناحیهای در نظر گرفت. زمانی که بار افزایش مییابد سرعت توربین کاهش خواهد یافت. تا زمانی که گاورنر بتواند بخار ورودی را با بار جدید هماهنگ سازد کاهش سرعت مذکور میتواند سیستم قدرت را به ناپایداری بکشاند. مسئله 1LFC یک راه برای بازیابی مقادیر نامی فرکانس با اضافه نمودن کنترلکنندههای PI یا PID در قالب یک فرآیند کنترلی تکمیلی به سیستم است. کنترلکنندههای مذکور مقدار میانگین خطا را آشکار نموده و نوسانات را از بین میبرد. از طرفی چون تغییرات بار در سیستمهای قدرت پیوسته است کنترل تولید در حالت خودکار قرار داده میشود تا بهصورت آمادهباش مقادیر نامی فرکانس را بازیابی نماید.
-2 کنترل فرکانس بار - LFC -
از آنجا که توان حقیقی - - P با فرکانس - - f و توان راکتیو - - Q با دامنه ولتاژ - - |V| مرتبط است بنابراین با توجه به اهمیت بالای نگهداشتن فرکانس و دامنه ولتاژ در سطح مطلوب کنترل توان حقیقی و راکتیو از اهمیت خاصی برخوردار است. همانطور که اشاره شد برای عملکرد یک سیستم قدرت در شرایط مطلوب لازم است فرکانس تقریباً در مقداری ثابت باقی بماند. از دلایل لزوم ثبات فرکانس در سیستمهای قدرت میتوان به ثبات سرعت موتورهای القایی و سنکرون، ساعتهای مبتنی بر برق تغذیهشده، تأثیر در مقدار تولید واحدهای تولیدی، جریانهای مغناطیسکننده در ترانسفورماتورها و موتورهای القایی و انعکاس تغییرات در فرکانس در سرتاسر سیستم قدرت اشاره نمود.
بنا بر دلایل ذکر شده جهت ثبات فرکانس در سیستم قدرت لازم است از خروج توان الکتریکی از حالت پایدار جلوگیری شود. از طرفی با توجه به آنکه توان مورد نیاز در یک شبکه قدرت توسط تعداد زیادی ژنراتور تأمین میگردد ضروری است توان اضافه درخواستی توسط بار به نحوی مناسب در میان واحدهای تولیدی تقسیم شود. اصلیترین کنترل سرعت در هر واحد تولیدی توسط گاورنر انجام میشود. بهعبارتدیگر گاورنر سرعت کنترل اولیه فرکانس را بر عهده داشته و فرآیند کنترلی تکمیلی توسط کنترلکنندههای دیگری که به سیستم اضافه میگردد انجام میشود. به فرآیند فوق "کنترل فرکانس بار" گفته میشود.
-3پیشینه و روشهای حل مسئله LFC
اقدامات متعددی در راستای حل مسئله LFC صورت پذیرفته است. ازجمله این اقدامات میتوان به حل این مسئله با لحاظ واحدهای فتوولتائیک - - PV در مرجع [1] و لحاظ عدمقطعیتهای احتمالی ناشی از تأخیرهای زمانی در مرجع [2] اشاره نمود. در مرجع [3] به مسئله LFC دارای پارامترهای پیچیده و غیرخطی با استفاده از روشی غیرمتمرکز پاسخ داده شده است. در مرجع [4] مؤلف با طراحی یک کنترلکننده تفاضلی مبتنی بر منطق فازی به مسئله LFC در یک محیط تجدیدساختاریافته پاسخ داده است.
در مرجع [5] به مسئله مذکور با استفاده از روشی موسوم به SOA پرداخته شده است. این مرجع برای پاسخگویی به مسئله LFC از کنترلکنندههای PID مبتنی بر الگوریتم ژنتیک استفاده نموده است. همچنین در مرجع [6] یک کنترلکننده دوسطحی که بازدارنده ورود اختلالات به سیستم قدرت میباشد پیشنهاد شده است. روشهای کنترلی حل مسئله LFC به پنج دسته روش کنترلی حالت کلاسیک، روش کنترلی با ساختار متغیر و وفقی، روش کنترلکننده مقاوم، روش کنترلی هوشمند و روش کنترلی حالت دیجیتال تقسیم میشود.
-1-3 روش کنترلی حالت کلاسیک
در این روشها سیگنال خطا بر اساس انتگرال خطای کنترلی ساخته میشود. در روش کلاسیک جهت حصول به "حد بهره " - - و "حاشیه فاز " - ∅ - مطلوب دیاگرام بُود، منحنی نایکوئیست بهعنوان مکان هندسی مرجع مورد استفاده قرار میگیرد. اگرچه این کنترلکننده دارای پیادهسازی سادهای بوده اما با توجه به نتایج بهدستآمده در مرجع [7] سیستمهای قدرت با چنین کنترلکنندههایی دارای عملکرد دینامیکی ضعیفی است.
-2-3 روش کنترلی با ساختار متغیر و وفقی
کنترلکنندههای وفقی دارای انعطافپذیری بیشتری نسبت به کنترلکنندههای کلاسیک است. ازجمله اقدامات انجام شده در این راستا میتوان به طراحی سیستم کنترلی وفقی چندبخشی [8]، وفقی کاهشیافته [9] و وفقی با لحاظ واحدهای تولیدی آبی-حرارتی [10] اشاره نمود.
-3-3 روش کنترلکننده مقاوم
اقدامات قابلتوجهی برای مقاوم نمودن یک سیستم کنترلی نسبت به تغییر در پارامترهای عدم قطعیت در سیستم قدرت انجام گرفته است که ازجمله آن میتوان به مراجع [11]-[13] اشاره نمود. در مرجع [12] توسط مؤلفین طراحی یک کنترلکننده مقاوم مبتنی بر Q- parameterization ارائه شده است. در مرجع [14] با تلفیق کنترلکنندههای مقاوم و وفقی طراحی جدید با عنوان "کنترلکننده وفقی مقاوم" برای حل مسئله LFC پیشنهاد شده است.
-4-3 روش کنترلی هوشمند
کنترلکنندههای حالت کلاسیک و غیر انعطافپذیر نمیتواند نماینده خوبی برای پاسخگویی به مسئله کنترل فرکانس بار در سیستمهای قدرت دارای ابعاد بزرگ باشد. همین امر باعث ظهور روشهای کنترلی هوشمند گردید که گزارشهایی از کاربرد آن در مراجع [15]-[17] آورده شده است. در مرجع [18] مؤلفین ایدهای از روش کنترلی مبتنی بر ∞ را جهت بالا بردن سطح عملکرد سیستم کنترلی ارائه نمودهاند. همچنین در مرجع [19] روش ترکیبی هوشمندی که در آن از روشی مبتنی بر شبکه عصبی مصنوعی و منطق فازی استفاده میشود ارائه شده است.
-5-3 روش کنترلی حالت دیجیتال
کنترلکنندههای دیجیتالی دارای دقت بالاتر، قابلیت اطمینان بیشتر، فشردگی بیشتر در اندازه، حساسیت کمتر نسبت به نویز و انعطافپذیری بیشتری نسبت به کنترلکنندههای آنالوگ هستند. محققانی با نامهای Green و Ross نخستین کسانی بودند که یک رگلاتور دیجیتالی فراگیر را جهت کنترل مستقیم یک سیستم قدرت پیشنهاد کردهاند که نحوه عملکرد آن در مرجع [20] آمده است. در مرجع [21] توسط Demello مطالعات و نتایج مهمی در زمینه مدلسازی دیجیتالی مسئله LFC شامل معیاری برای ارزیابی سطح عملکرد دینامیکی سیستم قدرت و همچنین شاخصی که میزان تأثیرگذاری کنترلی به نسبت اقدامات کنترلی انجام شده را مشخص میکند آورده شده است.
-4 مدلسازی مسئله 2LFC
در شکل - 1 - رابطه تغییرات فرکانس خروجی ژنراتور با گشتاورهای ورودی و خروجی آن بهصورت بلوک دیاگرام نشان داده شده است که در آن گشتاور الکتریکی خروجی، گشتاور مکانیکی ورودی، گشتاور شتابدهنده و ثابت لختی ژنراتور است.
شکل-1 تابع تبدیل مربوط به سرعت و گشتاورها
با توجه به تابع تبدیل فوق اگر در روابط حاصل از آن از عبارات با درجات بالا صرفنظر گردد رابطه - 1 - حاصل میشود.
در رابطه فوق ∆ و ∆ به ترتیب تغییرات توان الکتریکی خروجی و مکانیکی ورودی است.
-1-4 پاسخ بار به انحرافات فرکانس
بارهای موجود در سیستمهای قدرت ترکیبی از انواع تجهیزات الکتریکی است. در حالت کلی بارهای الکتریکی از منظر تأثیرپذیری از فرکانس به دو دسته بارهای مستقل از فرکانس - بارهای اهمی و... - و بارهای وابسته به فرکانس - موتورهای الکتریکی و... - تقسیم میشود. بنابراین تغییرات بار که برابر با تغییرات توان الکتریکی خروجی ژنراتورهاست میتواند بهصورت رابطه - 2 - بیان شود.
در رابطه فوق ∆ تغییرات بار مستقل از فرکانس، ∆ تغییرات بار وابسته به فرکانس و ضریبمیرایی بار است. با توجه به آنچه بیان شد بلوک دیاگرام شکل - 1 - بهصورت بلوک دیاگرام شکل - 2 - اصلاح میشود.
شکل-2 تابع تبدیل مربوط به سرعت و توان با لحاظ تأثیر تغییرات فرکانس بر بار
-2-4 گاورنر سرعت ثابت3
عملکرد گاورنر سرعت ثابت بازگرداندن فرکانس سیستم قدرت به مقدار نامی خود توسط تنظیم دریچه توربین است. باید توجه داشت استفاده از این نوع گاورنر تنها در حالتی است که سیستم قدرت تنها شامل یک ناحیه باشد. در صورت استفاده از این گاورنر در سیستم قدرت چند ناحیهای یک چالش رقابتی مابین واحدهای تولیدی برای رساندن فرکانس سیستم به مقدار برنامهریزیشده خود به وجود آمده که میتواند پایداری سیستم قدرت را مختل نماید. برای حل این مشکل از گاورنرهای اصلاحشده موسوم به گاورنرهای با مشخصه افتی سرعت استفاده میشود.
-3-4 گاورنر با مشخصه افتی سرعت
این نوع گاورنر مجهز به مشخصهای است که رخداد افزایش بار را با کاهش سرعت پاسخ میدهد. هر واحد تولیدی یک مشخصه افتی مختص به خود را دارد. بلوک دیاگرام گاورنر با مشخصه افتی در شکل - 3 - آورده شده که در آن مشخصه افتی و ضریبی از معکوس آن است.
شکل-3 نمودار بلوکی گاورنر سرعت با شیب افتی
نحوه سهمبندی توان تولیدی واحدهای موازی توسط مشخصههای افتی گاورنر آنها در شکل - 4 - نشان داده شده است.
شکل-4 سهمبندی توان تولیدی واحدهای موازی
بنابرین به ازاء رخداد تغییر ∆ در بار، سهم تغییرات توان تولیدی هر واحد بسته به مقدار مشخصه افتی آن تعیین میشود. ازآنجاکه استفاده از این نوع گاورنر در مسئله LFC منجر به حصول به فرکانس یکتای ′ بهعنوان نقطهکار جدید سیستم قدرت خواهد شد بنابراین برخلاف گاورنر سرعت ثابت در این حالت برای یکایک ژنراتورها سرعت نهایی با مقدار تنظیمیشان نامساوی است.
-4-4 تغییر در مرجع بار واحدهای تولیدی
بنا بر آنچه در شکل - 4 - مشهود است فرکانس سیستم قدرت با میزان توان الکتریکی خروجی واحدهای تولیدی مرتبط است. بنابرین یکی از راههای مداخله جهت افزایش سرعت میرایی نوسانات فرکانس، کنترل توان خروجی واحدها خواهد بود. این نوع کنترل که توسط تغییر در مرجع بار واحد تولیدی انجام میشود بهصورت بلوک دیاگرام در شکل - 5 - آورده شده است.
شکل-5 گاورنر با کنترل مرجع بار
برای تنظیم رابطه سرعت-بار با اعمال تغییر در مرجع بار نمودار مشخصه افتی گاورنر به بالا یا پایین تغییر مکان میدهد. بهعبارتدیگر توان خروجی هر واحد در هر فرکانس مشخص را میتوان توسط تغییر در مرجع بار تغییر داد.
