بخشی از مقاله
چکیده-
یکی از مهمترین چالشهای سیستمهای قدرت، افزایش حاشیه پایداری و کاهش نوسانات سیستم در شرایط بروز خطا و یا اغتشاشات ناشی از تغییرات بار میباشد که این مهم میتواند با استفاده از ادوات FACTS در سیستم تحقق یابد. استفاده از ادوات FACTS در ساختار سیستمهای انتقال با توجه به حضور خطا یا تغییرات بار و یا قطعی خط انتقال منجر به افزایش حاشیه پایداری و کاهش مقدار نوسانات و زمان بازیابی میشود. استفاده از ساختار کنترلی PI سنتی در خط انتقال با وجود شرایط عملکرد متفاوت نمیتواند شرایط سیستم را به صورت بهینه و تطبیقی بهبود دهد.
در این مقاله به طراحی یک سیستم کنترل تطبیقی بر مبنای کنترل-کننده فازی برای بهبود عملکرد جبرانسازهای استاتیکی شبکه قدرت پرداخته شده است. به همین منظور یک شبکه قدرت آزمایشی که شامل 3 ماشین و 3 باس انتخاب و شبیهسازیهای مورد نظر بروی آن صورت گرفته است. در این مقاله از ساختار کنترل تطبیقی بر مبنای فازی برای دستیابی به ضرایب کنترلکننده PI در ساختار حلقه بسته جبرانساز استاتیکی استفاده شده است. شرایط مختلف سیستم خط انتقال شامل تغییر بار خط انتقال، وجود اغتشاش به صورت اضافه شدن بار سلفی به خط انتقال با وجود کنترلکننده پیشنهادی مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج شبیهسازی در فضای نرمافزار سیمولینک متلب بیانگر عملکرد تطبیقی با حداقل نوسانات و زمان دستیابی به دینامیکهای مطلوب سیستم میباشد.
-1مقدمه
سیستمهای موجود تولید برق در اغلب موارد در محلهای دوردست به دلیل موارد اقتصادی، زیست محیطی و ایمنی قرار دارند. به این ترتیب توان به منظور بهرهبرداری باید به فواصل دور منتقل شود. برای رفع نیازهای بار، خطوط جدید باید به سیستم خط انتقال اضافه شود اما به دلایل زیست محیطی، نصب خطوط انتقال برق اغلب محدود است. پایداری توانایی یک سیستم قدرت الکتریکی در بازیافتن حالت عملیاتی متعادل خود پس از اعمال یک اختلال فیزیکی است.
یک سیستم قدرت معمولا بسیار غیرخطی است. شرایط عملیاتی مانند بارها، خروجی ژنراتورها، پارامترهای کلیدی و غیره به طور مداوم در حال تغییر هستند. همچنین در هر لحظه امکان رخ دادن خطاهای بزرگ و کوچک در سیستم وجود دارد. یکی از پرکاربرترین ادوات FACTS را میتوان STATCOM دانست که میتواند پشتیبانی سریع و مؤثر توان را برای حفظ پایداری سیستم قدرت فراهم نماید.
برای استفاده از STATCOM در شبکه قدرت، سیستمهای کنترلی متنوعی مطرح بودهاست که میتوان یکی از معروفترین آنها را سیستم مبتنی بر کنترل ولتاژ خروجی دانست. سادگی طراحی و عملکرد کنترلکننده-های سنتیPI موجب استفاده گسترده آنها در صنعت و مطالعات چند دهه اخیر به منظور کنترل STATCOM شده-است. اولین و سادهترین روش مورد مطالعه به منظور تنظیم بهینه ضرایب کنترلی در کنترلکنندههای PI استفاده از روش سعی و خطا است.
این روش که به تجربه طراح بستگی دارد با تغییر ضرایب و مشاهده پاسخ خروجی سیستم، اقدام به اصلاح ضرایب کنترلی نموده و این امر تا جایی تکرار میشود که شرایط قابل قبولی در رفتار خروجیهای سیستم مشاهده شود.[1]کنترلکنندههای مبتنی بر روش خطی سازی فیدبک به راحتی برای خط انتقال قابل اجرا بوده و در 4]؛[2 گزارش شدهاست. این کنترلکنندهها عملکرد ضعیفی را تحت شرایط عملیاتی مختلف مانند تعویض بار یا قطع خط انتقال از خود نشان میدهند.
STATCOM به تازگی توجه زیادی را به دلیل توانایی آن برای تثبیت و پایداری سیستمهای قدرت و کاهش تنش های ولتاژ دریافت کرده است. در [5] و [6]،از کنترل STATCOM به منظور بهبود عملکرد مزارع بادی استفاده شده است به طور مشخص در [7] از یک روش کنترل پیش بین برای کنترل توان اکتیو و راکتیو سمت روتور در هریک از ژنراتورهای القایی استفاده شدهاست. و در [8] رفتار حالت پایدار و دینامیکی یک مزرعه بادی در حالت جبران توان راکتیو با استفاده از STATCOM مورد بررسی قرارگرفته است. در [9] با استفاده از الگوریتم ژنتیک، ضرایب کنترلکننده PI در STATCOM سیستم خط انتقال بهینه شده است.
در این مقاله روش کنترلی تطبیقی PI برای STATCOM به منظور کنترل ولتاژ، ارائه میشود. با استفاده از روش تطبیقی پیشنهادی، پارامترهای کنترلکننده را میتوان به صورت خودکار تحت شرایط مختلف سیستم قدرت، ویا حتی در شرایط بروز اغتشاش تنظیم کرد. این الگوریتم با حداقل ساختن تابع هزینه بر حسب خطای سیستم، ضرایب کنترلکننده PI را تنظیم میکند و بدین صورت با وجود اغتشاش متصل به یکی از باسهای خط انتقال، کنترلکننده به صورت آنلاین تنظیم میشود.
-2مدلسازی
اولین قدم در مدلسازی STATCOM بدست آوردن معادلات حالت است. جریان سلفها و ولتاژ طرف DC را میتوان بهعنوان متغیرهای حالت در نظر گرفت - شکل . - 1 با توجه به سه سیمه بودن سیستم، مجموع جریانها صفر است و بنابراین از سه جریان موجود فقط دو جریان مستقل میباشند. با اعمال معادلات مداری به معادلات حالت STATCOM، میتوانیم به دو معادلهی حالت مستقل مربوط به جریان سلفها برسیم. در کل، STATCOM سه معادلهی حالت دارد که دو تا مربوط به جریان سلفها و یکی مربوط به ولتاژ خازن طرف DC است.
شکل STATCOM :1 متصل به سیستم قدرت
با اعمال تبدیل معادلات رابطهی - 1 - و سادهسازی روابط، معادلات حالت مربوط به جریان فازها در مختصات d-q مطابق زیر بدست میآیند :
از تلفات سوئیچینگ صرفنظر میکنیم. بعبارت دیگر توان بخش ضرایب نیز به همین طرق تعیین میگردند.
AC را با توان بخش DC برابر در نظر میگیریم. در نتیجه داریم :
که در آن vdc ولتاژ لینک dc ، idc جریانی که از طرف منبع توان dc به سمت لینک dc تزریق میشود و igrid جریان اینورتر یا جریانی که به شبکه تزریق میشود.
-3طراحی کنترلکننده PI فازی
در این قسمت از طراحی، کنترلکننده فازی ترکیب شده با کنترلکننده PI را جایگزین کنترل کننده PI میکنیم. سیستم ما سیستم ثابتی نیست و ضرایب متغیر است. لذا برای بدست آوردن پاسخ مطلوب در یک محدوده تعریف شده، تکنیکهای هوشمند میتواند مورد استفاده قرار گیرد. حال با استفاده از ساختار کنترلی فازی با در نظر گرفتن قوانین و توابع عضویت تعریف شده در بخش چهارم، ورودی کنترلی به صورت رابطه زیر تعریف می-شود:
در رابطه فوق، ورودی کنترلی بر اساس ترکیب ضرایب PID و خروجی کنترلکننده فازی به سیستم اعمال میشود. بدین ترتیب رابطه زیر در دستیابی به یک کنترلکننده تطبیقی مورد استفاده قرار میگیرد:
-4شبیهسازی
در این بخش به طراحی کنترلکننده PIفازی پرداخته میشود. ساختار این روش کنترلی در شکل 2 نشان داده شده است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است،. ولتاژ اندازه گیری شده خط باس - Vm - با ولتاژ مرجع Vref - - مقایسه شده و تنظیم کننده جریان مرجع راکتیو مورد نیاز - - را فراهم میکند.
شکل 2 نمودار بلوک دیاکرام کنترل کننده PI سنتی .STATCOM
ساختار کنترلی پیشنهادی در این بخش ارائه شده است. این ساختار طبق توضیحات در بخش قبل، حالت ترکیبی با یک کنترلکننده فازی که به صورت آنلاین و تطبیقی عمل میکند را دارد. برخلاف روش سنتی PI، در PI فازی مقدار پارامترهای کنترلی PI در طول کنترل سیستم تغییر خواهد کرد واین مقادیر بهوسیله منطق فازی بهدقت تنظیم میشوند. در شکل 3 ساختار کلی از ورودی و خروجی کنترلکننده نشان داده شده است.
