بخشی از مقاله
چکیده
با تحول فضای سنتی صنعت برق و ایجاد فضای رقابتی، بسیاری از مباحث مهم در صنعت برق دستخوش تغییر گردید. یکی از این مباحث، مساله کنترل بار- فرکانس - LFC - در سیستم های قدرت می باشد. زیرا بهره برداری بهینه از یک سیستم قدرت، ایجاب می کند که تغییرات فرکانس به ازای تغییرات بار در محدوده مشخصی ثابت بماند. در این راستا، کنترل کننده های بسیاری برای سیستم کنترل بار- فرکانس توسعه یافته اند که تنها در برابر تغییرات پارامترها مقاوم می باشند.
یکی از مشکلات اساسی که در بکارگیری این نوع کنترل کننده ها وجود دارد، در نظر نگرفتن دینامیک های مدل نشده است. لذا بمنظور رفع این مشکل، برای سیستم کنترل بار- فرکانس، کنترل کننده ای با استفاده از روش H طراحی شده است. با ارزیابی نتایج شبیه سازی مشاهده می شود که کنترل کننده پیشنهادی، حتی با منظور کردن دینامیک های مدل نشده در قسمت های اصلی سیستم کنترل بار- فرکانس، باز هم پایداری را تضمین می کند.
مقدمه
کنترل بار- فرکانس یا - Load Frequency Control - LFC یکی از مهمترین مسایل در سیستمهای قدرت می باشد که در دو دهه اخیر بطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. در سیستمهای قدرت، تغییرات بار روی فرکانس و ولتاژ شبکه تاثیر می گذارد. لذا در مسئله کنترل بار- فرکانس، چگونگی تأمین توان مورد نیاز در فرکانس مطلوب با کمترین نوسان و حداقل خطای ماندگار مورد بررسی قرار می گیرد.
غیرخطی بودن مدل واقعی، نداشتن نقاط کار، تغییرات پارامترهای سیستم، نویز اندازه گیری و دینامیک های مدل نشده را می توان به عنوان عدم قطعیت برشمرد. طراحی کنترلر بدون در نظر گرفتن نا معینی ها به هنگام استفاده در فرایند واقعی می تواند باعث نوسان و ناپایداری گردد، هر چند طراحی مناسبی انجام گرفته باشد.
در سالهای گذشته، روشهای مختلفی جهت کنترل بار- فرکانس در سیستمهای قدرت بکار گرفته شده است. از جمله روشهای ارائه شده می توان به روشهای کنترل هوشمند، همانند شبکه های عصبی[2] و کنترل فازی[5 - 3] اشاره نمود. همچنین برخی از محققان، برای رفع مشکل تغییرات اتفاقی نقاط کار سیستمهای قدرت بر اثر تغییرات شدید بار کنترل کننده های مقاومی را پیشنهاد داده اند که نسبت به تغییر پارامترها از حساسیت کمتری برخوردارند. در طراحی این کنترلرها از روشهای مقاوم متفاوتی استفاده شده است. برای مثال می توان به روش معادله ریکاتی [6] ، روش سنتز [7] ، روش تعیین قطب مقاوم [8] و روش [9] QFT اشاره کرد. روش دیگری که در سالهای اخیر برای حل مشکل عنوان شده مورد توجه قرار گرفته، روش کنترل تطبیقی می باشد که توانایی مقابله با تغییرات وسیعتری از تغییرات پارامترهای سیستم را دارد
در تمامی روشهای ذکر شده برای طراحی کنترلر، تنها تغییرات پارامتری به عنوان نامعینی درنظر گرفته شده است. درحالیکه در طراحی یک کنترل کننده باید به دینامیک های مدل نشده بیشتر از تغییرات پارامتری توجه کرد. در این مقاله، یک کنترل کننده بار-فرکانس برای سیستم قدرت با استفاده از روش H پیشنهاد شده است که با وجود دینامیک های مدل نشده در قسمتهای مختلف، باز هم پایداری را تضمین می کند. نتایج شبیه سازی نیز این مهم را به خوبی نشان می دهد. در روش پیشنهادی از پارامترهای مشابه در طراحی های مراجع [ 8-6 ] استفاده شده است.
-1 معرفی روش H
در روش H از نمایش خاصی از سیستم به نام نمایش استاندارد استفاده می شود. جهت حل مسائل گوناگون مطرح در کنترل به روش H ، در ابتدا باید این مسائل را به شکل استاندارد نمایش داد.[13] شکل - 1 - این نمایش را برای یک سیستم تحت کنترل فیدبک نشان می دهد.
شکل : - 1 - نمایش استاندارد سیستم تحت کنترل فیدبک
اجزاء نشان داده شده در این شکل به شرح زیر می باشند :
:Wبردار سیگنال های خارجی که به سیستم وارد می شوند. از جمله می توان به نویز و اغتشاش اشاره نمود.
: Z بردار سیگنال هایی که هدف کنترل آنها می باشد مانند سیگنال خطا.
: u بردار سیگنال کنترلی می باشد.
: y بردار خروجی های قابل اندازه گیری می باشد.
با توجه به بردارهای ورودی و خروجی سیستم، M - s - بصورت زیر تقسیم بندی می شود:
با در نظر گرفتن M - s - بصورت فوق و حذف آرگومان s از توابع تبدیل می توان نوشت:
با اعمال فیدبک خروجی u=Ky ، رابطه بین Z و W بصورت زیر بیان می شود:
حال بطور کلی هر مسئله بهینه سازی که منجر به حداقل سازی نرم بی نهایت Tzw بصورت زیر گردد، به عنوان یک مسئله H در نظر گرفته می شود.
عمل بهینه سازی بر روی کلیه کنترل کننده هایی صورت می-گیرد که سبب پایداری سیستم حلقه بسته شود.
-2 سیستم کنترل بار - فرکانس
منطقه ای را در نظر بگیرید که فقط دارای یک ژنراتور می باشد که این ژنراتور مجموعه بارهای منطقه و تلفات منطقه را تامین می-نماید . با افزایش بار منطقه، بلافاصله قدرت خروجی ژنراتور نیز تغییر می کند. در نتیجه، عدم توازن قدرت بین قدرت مکانیکی ژنراتور و قدرت خروجی آن بوجود می آید که این اختلاف قدرت باعث تغییر سرعت و فرکانس می شود. برای اینکه در سیستم های قدرت، فرکانس ثابت نگه داشته شود از سیستم کنترل بار- فرکانس استفاده می کنند. معمولا برای سادگی، در سیستم های کنترل بار- فرکانس از یک مدل خطی شده در اطراف نقطه کار نامی استفاده می گردد.
بلوک دیگرام کامل سیستم کنترل بار- فرکانس در شکل - 2 - رسم شده است.
شکل - : - 2 بلوک دیاگرام سیستم کنترل بار- فرکانس
-3 طراحی کنترل کننده
در تمامی پژوهش های پیشین برای طراحی کنترل کننده سیستم بار - فرکانس تنها تغییرات پارامتری به عنوان نا معینی درنظر گرفته شده است و فقط در یک پژوهش، کنترل کننده ای با وجود دینامیک های مدل نشده آن هم تنها در قسمت سیستم قدرت پیشنهاد گردیده است.[14] اکنون قصد این است که کنترلری با اعمال دینامیک های مدل نشده در هر سه قسمت اصلی سیستم قدرت، توربین و گاورنر با روش H بگونه ای طراحی گردد که باز هم بتواند پایداری سیستم را تضمین نماید. برای دستیابی به این مهم، نامعینی ها مطابق با شکل - 3 - بصورت ضرب شونده در نظر گرفته شده اند.
شکل : - 3 - سیستم بار- فرکانس همراه با نامعینی
با توجه به شکل - 3 - بردار سیگنال های خارجی و بردار سیگنال-هایی که باید کنترل شوند، بصورت زیر می با شند:
و در نتیجه تابع انتقال M بصورت زیر تعریف می شود:
Wf و Wu توابع وزنی هستند که تعیین آنها مهمترین مرحله در طراحی کنترل کننده H می باشد و تا کنون روش جامعی برای بدست آوردن آنها ارائه نشده است. در حال حاضر، تنها بر اساس تجربه و با توجه به اهداف خاص کنترلی و همچنین با تکرار چندین مرحله سعی و خطا این توابع بدست آورده می شوند.
پاسخ سیستم حلقه بسته به تغییرات پله ای بار برای سیستم کنترل بار- فرکانس همراه با نامعینی مطابق با شکل - 3 - ، یک بار بدون در نظر گرفتن کنترلر طراحی شده و بار دیگر با وجود کنترلر، در شکل های - 4 - و - - 5 نمایش داده شده است.
با توجه به نتایج شبیه سازی در شکل - 4 - واضح است که اعمال دینامیک های مدل نشده در سیستم بار- فرکانس، منجر به ناپایداری سیستم در حالت ماندگار می شود. لکن با توجه به پاسخ سیستم حلقه بسته در شکل - 5 - مشخص است که کنترل کننده پیشنهادی در رابطه - 11 - باعث پایداری سیستم می گردد و انحراف فرکانس در حالت ماندگار تقریبا به صفر رسیده است.
دینامیک های مدل نشده در سه قسمت گاورنر، توربین و سیستم قدرت به شرح زیر می باشند:
شکل : - 4 - تغییرات فرکانس در پاسخ به ورودی پله بدون کنترلر
شکل : - 5 - تغییرات فرکانس در پاسخ به ورودی پله پس از اعمال کنترلر
نتیجه گیری :
در این مقاله، به طراحی یک پایدارساز سیستم کنترل بار- فرکانس به روش مقاوم H پرداخته شده است. از آنجاییکه اهداف مطلوب از طراحی کنترل کننده سیستم قدرت در توابع وزنی مسئله H گنجانده شده اند، تعیین توابع وزنی در روش طراحی H از اهمیت خاصی برخوردار است.
