بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این مقاله مدلسازی شبکه به صورت اتوماتای هایبرید و طراحی کنترل کننده نظارتی بر مبنای الگوریتم هیوریستیک جهت پایداری و کنترل ولتاژ در سیستم نه باس قدرت میباشد. کنترل کننده با استفاده از دو المان تثبیت ولتاژ، یعنی ترانسفورماتورهای مجهز به تپ-چنجر نوع - - ULTC, Under Load Tap-Changer و یک بانک خازنی جهت جبران توان راکتیو طراحی شده است.
پیشامدهای گسسته شامل حضور و عدم حضور اغتشاشها و المانهای کنترل ولتاژ معرفی شده است. پیشامدهای گسسته عبارتند از خطا - نوع سه فاز به زمین - ، افزایش ناگهانی بار، از مدار خارج شدن ژنراتور، قطع و وصل بانک خازنی و تغییرات تپ ترانسفورماتور. بنابراین سیستم به صورت یک اتوماتای هایبرید مدلسازی و سپس کنترل کننده نظارتی متمرکز - یک کنترل کننده برای کل سیستم - طراحی شده است. نحوه پایداری و کنترل ولتاژ سیستم توسط پاسخ زاویه روتور ژنراتورها، پاسخ ولتاژ باسها، مقادیر ویژه سیستم و قضیه پایداری سیستمهای خطی سویچ شونده بررسی شده است. از مشاهده نتایج چنین بر می آید، که با اعمال کنترل کننده نظارتی متمرکز سیستم پایدار شده و به خوبی بر اهداف کنترلی صحه گذاشته است.
-1 مقدمه
پایداری ولتاژ، توانایی سیستم قدرت در حفظ ولتاژهای قابل قبول و استاندارد در کلیه شینهای سیستم تحت وضعیت عادی و بعد از وارد شدن اغتشاش میباشد.
از آنجا که تولید در سیستم قدرت بر پایه ماشینهای سنکرون - ژنراتورها - استوار است، شرط لازم برای عملکرد قابل قبول سیستم این است که همه ماشینهای مزبور با یکدیگر در حالت سنکرون یا هماهنگی باقی بمانند. این جنبه پایداری تحت تاثیر دینامیک روابط زاویه روتور ژنراتور قرار دارد
در [4] کنترل کننده حلقه بسته برای سیستم سه باس قدرت با استفاده از تئوری سیستمهای گسسته پیشامد طراحی شده است. کنترل کننده حلقه بسته با مشارکت ULTC و - SVC,Static Var Compensator - و با بهره گیری از یک روش جدید کنترل نظارتی به خوبی بر اهداف کنترلی صحه گذاشته و ولتاژ را تا محدوده مجاز هدایت میکند.
در [1] سیستم نه باس قدرت با پیشامد حضور و عدم حضور اغتشاش خطا سه فاز به زمین در باس 7 که با 12 حالت گسسسته به روش اتوماتای هایبرید مدلسازی می شود و در [2] با پیشامد حضور و عدم حضور اغتشاش افزایش ناگهانی بار با 12 حالت گسسسته به روش اتوماتای هایبرید مدلسازی میشود
سپس در [1] و [2] کنترل کننده نظارتی بر مبنای الگوریتم هیوریستیک با استفاده از ULTC و بانک خازنی طراحی میشود. کنترل کننده نظارتی در تثبیت و پایداری ولتاژ خوب عمل کرده است. در این مقاله با تمام اغتشاشهای خطا، افزایش ناگهانی بار و از مدار خارج شدن ژنراتور سیستم مدلسازی اتوماتای هایبرید می شود و کنترل کننده نظارتی با الگوریتم هیوریستیک طراحی می شود.
ساختار این مقاله بدین صورت است که ابتدا در بخش 2 سیستم های هایبرید و مدلسازی اتوماتای هایبرید معرفی می شوند. در بخش 3 سیستم نه باس قدرت مورد مطالعه معرفی می شود. در بخش 4 کنترل کننده نظارتی متمرکز با استفاده از تپ- چنجر و بانک خازن طراحی میشود. حالات گسسته سیستم شامل 48 حالت معرفی می شود و سپس مدلسازی اتوماتای هایبرید کلی سیستم انجام میشود. در بخش 5 نتایج شبیه سازی و چگونگی کنترل و پایداری ولتاژ از چهار طریق ولتاژ باسها، زاویه روتور ژنراتورها، مقادیر ویژه سیستم و قضیه پایداری سیستم خطی سویچ شونده مورد بررسی قرار میگیرد.
- f - q, x - x ، f توابع مربوط به دینامیکهای پیوسته سیستم است.
- n Q R Init شرایط اولیه ی سیستم است.
- Inv در حقیقت شرط برای ماندن و یا گذر از حالات پیوسته سیستم
است. تازمانی که شرط مربوط به هر مکان برقرار است دینامیک پیوسته مربوط به آن مکان برقرار است و میتواند فعالیت داشته باشد. به محض نقض شدن این شرط باید بر اساس دینامیک مکان جدید روند تغییرات صورت گیرد.
- Q Q رابط گذارهای سیستم است. در نمایش گرافیکی به شکل کمانهایی بین حالات گسسته ترسیم میشود.
- n R G : گارد یا شرطهای روی کمانهای سیستم است، این تابع دینامیکهای پیوسته را مقید میکند.
-2 سیستم های هایبرید
یک سیستم گسسته پیشامد DES, Discrete Event Systems -
- سیستمی است که دارای رفتار دینامیکی آسنکرون بوده و سلسله پیشامدها در اثر وقوع آنی رخ می دهند، سیستم از یک حالت به حالت دیگر تغییر وضعیت می دهد.
یک سیستم هایبرید ترکیبی از رفتار دینامیک های پیوسته و گسسته میباشد. ویژگی مهم سیستمهای هایبرید این است که برخی از دینامیکها زمانگرا و برخی رویدادگرا میباشند. در سیستمهای زمانگرا، ساز و کار تغییر حالت سیستم با استفاده از معادلات دیفرانسیل یا تفاضلی است و در این معادلات تغییر حالت ها با استفاده از زمان نمایش داده میشود. در سیستمهای رویدادگرا و گسسته پیشامد - DES - ، تغییر حالت سیستم به جای وابستگی به متغیر زمان به پیشامدهایی که رخ میدهد وابسته میباشد
برای بیان یک سیستم گسسته پیشامد، میتوان از روشهای مختلف زبانهای توصیفی استفاده کرد مثل منطق فازی، شبکه پتری، اتوماتا و ...
سیستم پیوسته، معمولا سیستم فیزیکی و طبیعی است و رفتار آن پیوسته است. یک واسط ارتباط بین دو سیستم پیوسته و گسسته پیشامد را به وسیله سیگنال های ارتباطی تسهیل میکند.
-1-2 اتوماتای هایبرید
ماشین های اتوماتا - HA, Hybrid Automata - یک فرمولاسیون مدل سازی کلی برای تجزیه و تحلیل سیستم های هایبرید ارائه می دهد. HA برای مدل کردن سیستم های دینامیکی که شامل هر دو جزء پیوسته و گسسته هستند، استفاده میشود.
اتوماتای هایبرید را میتوان به صورت 8 تایی بیان کرد. در این مدل :
- q Q حالتهای گسسته سیستم است.
- v مجموعه ی محدودی از حالات پیوسته سیستم است.
-3 مدل سیستم قدرت مورد مطالعه
سیستم قدرت مورد مطالعه سیستم نه باس سه ماشین با فرکانس 60 HZ و بر اساس استاندارد WSCC میباشد. موقعیت 3 ماشین و 9 باس و تمامیامپدانس و ادمیتانسها - برحسب - p.u روی شکل - 1 - مشخص شده اند .[8]
شکل :1 سیستم نه باس سه ماشین با استاندارد [8]WSCC
در این مقاله از کنترل کننده ULTC و بانک خازنی جهت کنترل و تثبیت ولتاژ استفاده شده است.
-4 طراحی کنترل کننده
هدف از طراحی کنترل کننده برای شبکه پایداری و کنترل ولتاژ میباشد تا ولتاژ در محدوده استاندارد و قابل اطمینان به مصرف کننده تحویل گردد. با این هدف، در این بخش کنترل کننده مربوطه بوسیله ULTC و بانک خازنی، طراحی و بررسی میشود.
ورودیهای کنترل کننده شامل ولتاژ باس7، تپ ترانس T2 و بانک خازنی است.
الف- ولتاژ باس 7، کنترل وضعیت تپ ترانس ULTC T2 روی ولتاژ باس 7 تنظیم شده است. با توجه به اینکه مقدار استاندارد ولتاژ باسها %5∓ است. یعنی ولتاژ باس 0,95 < Vbus >1,05 پریونیت استاندارد و مجاز است
ب- تپ ترانسULTC T2، دارای 3 وضعیت است که به ازای هر افزایش تپ ترانس %3 ولتاژ افزایش می یابد.
ج- بانک خازنی
زمانیکه ولتاژ باس 7 کمتر از 0,95 پریونیت - Vbus7<0,95 - باشد، نشاندهنده آن است که در باسها افت ولتاژ وجود دارد. بطور نمونه چند عملکرد مهم کنترل کننده به شرح ذیل بیان میشود.
الف- اگر خطا از نوع سه فاز به زمین به باس 7 شبکه اعمال شود سیستم ناپایدار میشود و افت ولتاژ در شبکه ایجاد میشود. در نتیجه ابتدا تپ ترانس از وضعیت 1 به وضعیت 2 و سپس به 3 افزایش مییابد.
ب- اگر وضعیت تپ ترانس 3 باشد و هنوز افت ولتاژ در شبکه باشد یا سیستم ناپایدار باشد، تپ ترانس در وضعیت 3 میماند و نهایتا بانک خازنی برای جبران توان راکتیو و رفع افت ولتاژ به شبکه اعمال میگردد.
ج- وقتی ولتاژ باس7 بیشتر از 1,05 پریونیت - Vbus7>1,05 - شود و سیستم پایدار باشد بانک خازنی از مدار خارج میشود.
د- اگر وضعیت تپ ترانس 3 باشد. - به دلیل افت ولتاژ تپ ترانس قبلا در وضعیت 3 قرار دارد. - و ولتاژ باس 7 بیشتر از 0,95 پریونیت - Vbus7>0,95 - یعنی افت ولتاژ در سیستم وجود ندارد. تپ ترانس به وضعیت 2 برمیگردد و اگر دوباره افت ولتاژ وجود نداشته باشد تپ ترانس به وضعیت 1 برمیگردد.
برای مدلسازی اتوماتای هایبرید، ابتدا حالات و مدهای گسسته سیستم معرفی میشوند. حالات گسسته، ترکیبی از پیشامدهای گسسته شامل اغتشاشهای اعمال شده به سیستم مانند حضور و عدم حضور خطا، افزایش ناگهانی بار و از مدار خارج شدن ژنراتور می باشد همچنین حضور و عدم حضور المانهای کنترل ولتاژ مانند بانک خازنی و افزایش و کاهش تپ ترانس ULTC میباشد. پیشامدهای گسسته سیستم به شرح جدول - 1 - میباشد.
جدول:1 پیشامدهای گسسته سیستم با سناریوی
سیستم نه باس قدرت با نماد S با شماره مد و حالت m نمایش داده میشود. اگر حالات ترکیبی سیستم به صورت سناریوی Sm - F,L,G,T,C - تعریف شود. تمامی حالات ترکیبی که برای سیستم اتفاق می افتد شامل 48 حالت - مد - است که در جدول - 2 - خلاصه شده است.
جدول:2 حالات ترکیبی سیستم نه باس قدرت با فرمت
-1-4 عملکرد کنترل کننده نظارتی کل سیستم
با توجه به مطالعات انجام شده با اعمال خطا به صورت دائمی و ماندگار در باس 7 و با حضور هر کدام از اغتشاشها حتی با حضور کنترل کنندهی ولتاژ ULTC و بانک خازنی، سیستم ناپایدار میشود. اگر ژنراتور دائم از مدار خارج شود، سیستم پایدار میماند ولی افت ولتاژ شدیدی در باسهای شبکه بوجود می آید [9] و .[10] کنترل کننده شامل 48 حالت گسسته است که هر کدام معادلات پیوسته مربوط به خود را دارد. اگر ژنراتور G2 طولانی مدت از مدار خارج شود، سیستم به حالت S7 میرود.
برای بهبود ولتاژ باسها و پایداری شبکه تپ ترانس T1 افزایش یافته و از وضعیت 1 به وضعیت 2 تغییر میکند یعنی به حالت S3 میرود. اگر ولتاژ باسها بهبود نیافت تپ ترانس T1 مجددا افزایش یافته و به وضعیت 3 میرود و سیستم به حالت S5 میرود. اگر سیستم دوباره ناپایدار بماند بانک خازنی وارد مدار میشود یعنی سیستم به حالت S6 میرود. در صورتیکه ولتاژ باسها بهبود یافت، بانک خازنی از مدار خارج میشود و سیستم به حالت S5 سپس در صورت لزوم S3 و نهایتا به حالتی که وضعیت تپ ترانسT1 یک میشود یعنی سیستم به حالتS7 برمیگردد. اگر ژنراتور دوباره وارد مدار شود - کوتاه مدت مثلا یک ثانیه - ، یعنی اگر سیستم در حالت S12 باشد، ابتدا خازن از مدار خارج میشود یعنی سیستم به حالت S9 میرود سپس تپ ترانس T1 کاهش یافته - - T=2 و سیستم به حالت S8 میرود و نهایتا سیستم به حالت S1 باز میگردد شکل . - 2 - تا زمانی که خطا به سیستم اعمال نشود یعنیF=0 سیستم در حالت S1 باقی میماند.
