بخشی از مقاله
چکیده-
در این مقاله روشی جدید براي انتخاب بهترین سیگنال کنترلی ورودي کنترلکننده پخش بار یکپارچه - UPFC - و طراحی پارامترهاي کنترل-کننده میرایی آن با استفاده از الگوریتم بهینهسازي اجتماع ذرات - PSO - براي افزایش میرایی نوسانات فرکانس پایین سیستم قدرت ارایه شده است.
پارامترهاي کنترلکننده طوري تنظیم میشوند که مدهاي الکترومکانیکی ناپایدار را به ناحیه مشخصی از صفحه مختلط بر اساس تابع هدف چندمنظوره انتقال دهند. مساله چندمنظوره به صورت مجموعهاي از توابع هدف مبتنی بر ضریب میرایی و نسبت میرایی مدهاي الکترومکانیکی ناپایدار و با میرایی ضعیف فرمولبندي شده وآنگاه تنظیم پارامترهاي کنترلکننده با بهینهسازي توابع هدف براساس مقادیر ویژه با استفاده از روش PSO انجام میپذیرد.
براي تضمین مقاومت کنترلکننده پیشنهادي، فرایند طراحی در ناحیه وسیعی از شرایط عملکرد و تنظیمات سیستم صورت گرفته است. کارایی کنترل-کننده پیشنهادي از طریق تحلیل مقادیر ویژه و شبیهسازي غیرخطی زمانی ارزیابی شده است. تحلیل نتایج نشان میدهد که کنترلکننده طراحی شده با تابع هدف چندمنظوره در مقایسه با توابع هدف تکمنظوره در میراکردن نوسانات فرکانس پایین عملکرد بهتري داشته و پایداري دینامیکی سیستم را افزایش میدهد. همچنین تحلیل عملکرد سیستم تحت شرایط کاري مختلف نشاندهنده برتري کنترلکننده با سیگنال ورودي δE بر کنترلکننده با سیگنال ورودي mB است.
-1 مقدمه
پایداري سیستمهاي قدرت یکی از جنبههاي مهم در عملکرد سیستمهاي الکتریکی بوده و بایستی سیستمهاي کنترلی اندازه فرکانس و ولتاژ را تحت هر اغتشاشی از قبیل افزایش ناگهانی بار، خارج شدن یک ژنراتور از مدار یا قطع شدن یک خط انتقال در سطوح ثابتی حفظ کنند
توسعه سیستمهاي قدرت بزرگ و اتصال آنها به هم باعث ایجاد نوساناتی با فرکانس خیلی پایین در محدوده 0/2 تا 3هرتز میشود. این نوسانات به مدت طولانی در سیستم ادامه داشته و در بسیاري از موارد اگر میرایی کافی ایجاد نشود دامنه آنها افزایش یافته و باعث جداسازي و ناپایداري سیستم میشوند. براي میراکردن این نوسانات و افزایش پایداري سیستم از پایدارساز سیستم قدرت - - PSS که از لحاظ فنی و اقتصادي مناسب بوده، استفاده میکنند.
باوجوداین، اشکال اساسی PSSs در ایجاد تغییرات شدید در پروفیل ولتاژ و منجر به پیشفاز شدن ضریب قدرت و از دست دادن پایداري سیستم تحت اغتشاشات بزرگ به ویژه خطاي سه فاز در ترمینالهاي ژنراتور میباشد.
در سالهاي اخیر، با پیشرفت سریع در حوزه الکترونیک قدرت و ایجاد فرصت جدید براي کاربرد ادوات FACTS بعنوان روشی موثر موجب شده است که عملکرد سیستم قدرت و محدودیت توان انتقالی بهبود یابد.[4-1] به خاطر واکنش کنترلی سریع عملکرد ادوات FACTS ، آنها براي بهرهبرداري در افزایش میرایی سیستم و بهبود پروفیل ولتاژ که مزیت آنها نسبت به PSSs بوده، مناسب میباشند.
کنترلکننده پخش بار یکپارچه - UPFC - بهعنوان یکی از ادوات 5] FACTSو[6، توانایی کنترل پخش بار در خطوط انتقال، بهبود پایداري گذرا، میراکردن نوسانات فرکانس پایین و بهبود پروفیل ولتاژ دارد. چندین روش در مقالات براي مدل دینامیکی UPFC به منظور طراحی کنترلکننده-هاي مناسب براي پخش بار، حالت گذرا و میرایی نوسانات سیستم ارائه شده است. نبوي نیاکی و ایروانی[8] مدل حالت پایدار، مدل دینامیکی خطیشده سیگنال کوچک و مدل سیگنال بزرگ فضاي حالت UPFC را تشریح کرده است.
وانگ[9] مدل خطی شده هفرون – فیلیپس سیستم قدرت مجهز به UPFC را نشان داده است. در آن مقاله روش سیستماتیکی براي طراحی کنترلکننده میرایی ارائه نشده است. تعدادي از مولفان روشهاي شبکههاي عصبی[10] و کنترل مقاوم [11-7] را براي غلبه بر عدم قطعیت سیستم و افزایش میرایی با UPFC پیشنهاد دادهاند. باوجوداین، پارامترهاي قابل تنظیم این کنترلکنندهها مبتنی بر روش سعی و خطا هستند. اگرچه روشهاي کنترل مقاوم عدم قطعیت معرفیشده را تا اندازهاي بهبود میدهند اما براي سیستم قدرت بزرگ کنترلکننده منتجه خیلی بزرگتر خواهد بود که این کار از نظر عملی شدنی نیست.
در این مقاله طراحی کنترلکننده UPFC بعنوان یک مساله بهینهسازي چندمنظوره فرمولبندي شده و با استفاده از الگوریتم PSO حل میشود. مساله چندمنظوره به صورت ترکیبی از توابع هدف براساس ضریب میرایی و نسبت میرایی مدهاي الکترومکانیکی ناپایدار و با میرایی ضعیف بیان میشود.
پارامترهاي کنترلکننده طوري تنظیم میشود تا مدهاي الکترومکانیکی ناپایدار به ناحیه مشخصی از صفحه مختلط انتقال داده شده تا پایداري نسبی سیستم تضمین شود. کارایی کنترلکننده پیشنهادي از طریق تحلیل مقادیر ویژه و شبیهسازي زمانی غیرخطی در شرایط کاري مختلف تشریح شده است. نتایج ارزیابی نشاندهنده برتري عملکرد کنترلکننده طراحیشده براساس تابع هدف چند منظوره بوسیله PSO در میرا کردن نوسانات در شرایط بارگذاري مختلف است.
-2 الگوریتم بهینهسازي اجتماع ذرات
الگوریتم بهینهسازي اجتماع ذرات یک روش بهینهسازي مبتنی بر قوانین احتمال است که به علت قابلیت بالا در حل مسایل پیچیده و توابع عددي مختلف رواج روزافزونی یافته است. این الگوریتم بجاي الهام گرفتن از مکانیزمهاي تکاملی، از رفتار اجتماعی جانداران، مانند دستههاي پرندگان و ماهیان متاثر بوده است .[12] در الگوریتم PSO مانند الگوریتم هاي تکاملی یک تابع معیار در نظر گرفته شده و مجموعه جوابهاي کاندید براي مساله برحسب ذرات یا افراد بیان میشود و هر کدام از آنها پرواز خود را براساس پرواز سایر افراد گروه تنظیم میکنند.
در هر مرحله از حرکت دسته مکان هر ذره یا فرد با دو مقدار بهترین مشخص میشود. اولین مقدار بهترین جواب از لحاظ برازندگی است که تاکنون براي هر ذره بطور مجزا بدست آمده و دیگري بهترین مقداري است که تاکنون توسط تمام ذرات در میان کل ذرات بدست آمده است. تخصیص جواب- ها میان بهترین مقادیر فردي و گروهی تامینکننده تنوع در پاسخ میباشد.
همچنین در مراجع 12]و[13 بیان شده که در مسایل بهینهسازي که غیرخطی و مشتقناپذیر و یا داراي ابعاد زیادي هستند PSO توانمند بوده و بسیاري از مشکلات الگوریتم ژنتیک را ندارد. زیرا در PSO اطلاعات بین تمامی ذرات به اشتراك گذاشته میشود و نرخ همگرایی سریعتري نسبت به الگوریتم ژنتیک دارد. از مزایاي این الگوریتم می- توان به محاسبات ساده، سریع و کدینگ آسان اشاره کرد.
علاوه بر آن ذخیرهسازي اطلاعات به حافظه کمتري نیاز دارد. بنابراین این روش مزیتهاي زیر را در مقایسه با الگوریتمهاي تکاملی و ژنتیک دارد:
• روش PSO داراي حافظه است یعنی هر ذره بهترین مقدار خود - local best - و بهترین مقدار گروه - global best - را به خاطر دارد.
• در PSO جمعیت اولیه حفظ شده و نیازي به عملگرهاي انتخابی جمعیت که باعث افزایش زمان و حافظه ذخیرهسازي میشوند، نیست.
• روش PSO پایهاش همکاري سازنده میان ذرات است در حالی که ژنتیک مبتنی بر بقاء جمعیت است.
روش PSO با یک جعیت تصادفی از ذرات در فضاي D بعدي شروع میشود. ذره iام با بردار Xi = - xi1, xi2, . . . ,xiD - نمایش داده میشود. مقدار ارزیابی تابع معیار براي هر ذره - pbest - در بردار Pi = - p i1, pi2, . . . ,p iD - ذخیره میشود.
بهترین مقدار گروه - gbest - توسط یک ذره در جمعیت حاصل میشود. در PSO سرعت هر ذره در هرمرحله متناسب با مقدار pbest و gbest مطابق معادله - 1 - تغییر میکند. سرعت ذره iام با بردار Vi= - vi1, vi2. . . viD - نمایش داده میشود. موقعیت ذره iام مطابق با معادله - 2 - مقداردهی میشود .
در رابطه بالا Pid و Pgd به ترتیب مقدار pbest و gbest و w
نشانگر وزن اینرسی براي سرعتگیري ذرات بوده و بطور خطی از مقدار 0/9 تا 0/4 در طول اجرا تغییر میکند.
روندنماي الگوریتم پیشنهادي براي تنظیم پارامترهاي کنترلکننده در شکل-1 نشان داده شده است.
شکل .1 روندنماي الگوریتم PSO پیشنهادي
-3 سیستم مورد مطالعه
سیستم قدرت تک ماشینه با شین بینهایت مجهز به UPFC در شکل-2 نشان داده شده است. اطلاعات سیستم و پارامترهاي UPFC درضمیمه داده شده است. UPFC شامل ترانسفورماتور تحریک، ترانسفورماتور تقویتکننده، دومبدل منبع ولتاژ تریستوري سه فاز و یک منبع dc خازنی است.
چهار سیگنال ورودي به UPFC عبارتند از: mE ، mB ، δE و δB بطوریکه mE اندازه نسبت مدولاسیون تحریک، mB اندازه نسبت مدولاسیون تقویتی، δE زاویه فاز تحریک و δB زاویه فاز تقویتی است.
شکل .2 سیستم قدرت مجهز به UPFC
-1-3 مدل غیر خطی سیستم قدرت با UPFC
براي افزایش پایداري سیگنال بزرگ و کوچک سیستم قدرت و بررسی تاثیر آن بایستی از مدل دینامیکی UPFC استفاده شود. با بکارگیري تبدیل پارك و چشمپوشی از مقاومت و گذراي ترانسفورماتورهاي تحریک و تقویتکننده،
UPFC بصورت زیر مدلبندي میشود
در معادلات فوق vEt، iE، vBt و iB به ترتیب ولتاژ تحریک، جریان تحریک، ولتاژ تقویتی و جریان تقویتکننده هستند. Cdc و vdc ظرفیت و ولتاژ خازن dc هستند. مدل غیرخطی سیستم SMIB نشاندادهشده در شکل2 بصورت زیر توصیف میشود:
مدل دینامیکی خطی با خطیسازي مدل غیرخطی حول یک نقطه کار حاصل میشود. مدل خطیشده و نمایش بلوکی سیستم قدرت نشان داده شده در شکل2 در 1]و[4 تشریح شده است.
-2-3 کنترلکننده میرایی UPFC
کنترلکننده میرایی براي فراهم کردن گشتاور الکتریکی هم فاز با انحراف سرعت موتور به روش جبرانسازي فاز طراحی میشود. در این مقاله، از پارامترهاي کنترلی δE و mB براي طراحی کنترلکننده میرایی UPFC استفاده میشود.
