بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

کنترل بار فرکانس در سيستم هاي قدرت تجديد ساختار يافته با وجود SMES با بکارگيري الگوريتم رقابت استعماري (ICA)
چکيده
مبحث کنترل بار-فرکانس يکي از مباحث مهمي است که همواره با رشد و توسعه سيستم هاي قدرت از اهميت خاصي برخوردار بوده ، چرا که لزوم حفظ فرکانس در مقدار نامي و نيز رديابي به موقع تغييرات بار، بخصوص در هنگام تغييرات ديناميکي در توليد و مصرف برکسي پوشيده نيست . با بروز تجديدساختار در فضاي سنتي صنعت برق ، بسياري از مباحث مهم در صنعت برق دچار تحول گرديد؛ يکي از اين مباحث ، مساله کنترل بار-فرکانس در سيستم هاي قدرت ميباشد. در اين مقاله سعي شده است با استفاده از الگوريتم رقابت استعماري با ديدگاهي کاربردي، عملکرد ديناميکي سيستم کنترل بار-فرکانس در فضاي تجديدساختاريافته بهبود يابد. کارآيي روش پيشنهادي برروي سيستم قدرت چهار ناحيه - اي تجديدساختاريافته با سناريوهاي قراردادي ممکن تحت تقاضاي بار زياد و اغتشاش هاي ناحيه اي نشان داده شده است . آناليزها نشان ميدهد روش پيشنهادي با در نظرگرفتن الگوريتم رقابت استعماري و بکارگيري واحد SMES به مقدار قابل توجهي عملکردهاي ديناميکي سيستم همانند زمان نشست ، فراجهش و پاسخ حالت ماندگار در مقابل عدم قطعيت پارامترها را براي محدوده وسيعي از بارهاي درخواستي و نيز با وجود اغتشاش در هريک از نواحي حتي در حضور خاصيت غيرخطي سيستم ، بهبود ميبخشد.
کلمات کليدي: کنترل بار فرکانس (LFC)، سيستم قدرت تجديدساختاريافته ، ابررسانا ذخيره کننده انرژي مغناطيسي (SMES)، الگوريتم - رقابت استعماري (ICA)،کنترل کننده PID.


١- مقدمه
امروزه با بروز تجديد ساختار و ايجاد فضاي رقابتي در صنعت برق مسأله کيفيت انرژي و نحوه تطبيق ساختار سنتي با فضاي جديد بحث هاي جذابي را بوجود آورده است . از عوامل مهم در عملکرد مطلوب سيستم قدرت ثابت ماندن فرکانس در محدوده اي مشخص ميباشد[١]. فرکانس يک فاکتور عمومي در کل سيستم بوده و کوچکترين تغيير در توان اکتيو تقاضا شده با تغيير در فرکانس سيستم منعکس مي شود. بنابراين مسأله کنترل فرکانس يکي از موارد بسيار مهم در کنترل سيستم هاي قدرت مي باشد. هدف از LFC١ برقراري مجدد توانايي تنظيم فرکانس اوليه ، بازگرداندن فرکانس به مقدار نامي و مينيمم نمودن فلوي توان انتقالي بين ناحيه اي است [٢].
در اين ميان نحوه کنترل بار-فرکانس در فضاي رقابتي و تجديدساختار شده نيز تحقيقات مختلفي جهت تطبيق با فضاي تجديدساختاريافته ارائه شده است . در مطالعات اوليه سعي شده است که با بهبود سيستم هاي کنترل فرکانس متداول ، اثرات قراردادهاي بازار در نظر گرفته شوند[٥]. در يک سيستم قدرت تحت تجديد ساختار، هر ناحيه کنترلي انواع مختلفي از عدم قطعيت ها و اغتشاشات را شامل مي شود که آنها ناشي از افزايش پيچيدگي، خطاهاي مدلسازي و تغيير ساختار سيستم قدرت هستند. در نتيجه ، يک کنترل کننده ثابت بر پايه تئوري سنتي نميتواند
استفاده شود، بلکه بايد يک کنترل کننده انعطاف پذير در اختيار باشد. در بين انواع مختلف کنترل کننده هاي بار-فرکانس ، کنترل کننده هاي: انتگرالي (I)، تناسبي انتگرالي (PI) مورد توجه زيادي قرار گرفته است . کنترل کننده هاي PI براي پياده سازي ساده اند، ولي مي تواند سبب ايجاد نوسانات با دامنۀ زياد در فرکانس گردد[٤]. يکي از مهم ترين و پرکاربردترين انواع کنترل کننده هاي مورد استفاده در صنعت ، کنترل کننده هايPID هستند؛ چرا که اين خانواده از کنترل کننده ها، در کنار سادگي ساختاري و امکان پياده سازي نسبتا آسان ، داراي عملکرد مناسبي براي حوزه وسيعي از سيستم هاي تحت کنترل هستند و از کيفيت و مقاومت بالايي برخوردارند. طراحي و بکارگيري کنترل کننده PID، نيازمند تنظيم و تصميم گيري در خصوص مقادير سه پارامتر است ، که اصطلاحا به عنوان ضرايب يا بهره هاي کنترل کننده PID شناخته مي شوند. اما تنظيم اين ضرايب کار آساني نيست و قواعد و رويکردهاي فراواني براي اين موضوع ، پيشنهاد شده است [٥].
قدرت نهفته در ساختار الگوريتم هاي بهينه سازي هوشمند، ميتواند به عنوان راه چاره اي براي تعيين ضرايب کنترل کننده PID در نظر گرفته شود. تاکنون در مقالات و کتاب هاي مختلف ، از الگوريتم هاي بهينه سازي هوشمند مانند الگوريتم ژنتيک و الگوريتم PSO٢ براي تنظيم ضرايب کنترل کننده PID استفاده شده است [٦]. اخيرا استفاده از الگوريتم هاي هوشمند در مسائل بهينه سازي ، جايگاه ويژه اي پيدا کرده است . يکي از اين روش هاي مناسب و نسبتا جديد، الگوريتم رقابت استعماري(ICA٣) ميباشد که کارآيي آن در مقالات مختلف نشان داده شده است [٩]. در دهه اخير کنترل کننده بار-فرکانس PID با در نظرگرفتن اشباع گاورنر و توربين در حوزه فرکانس طراحي شده است [٨]. الگوريتم ژنتيک و ديگر روش هاي هوش مصنوعي در طراحي کنترل کننده نوع انتگرالي و کنترل کننده PID بدون در نظرگرفتن محدوديت هاي اشباع استفاده شده اند[٧].
در مرجع [١٠] پارامترهاي کنترل کننده هاي I وPI براساس روش الگوريتم بهينه سازي HPSO براي کنترل LFC در يک سيستم قدرت دو ناحيه اي ارائه شده است . کاربرد GA٤ براي بهينه سازي بهره هاي کنترل کننده PI يک سيستم قدرت دو ناحيه در [١١] بررسي شده است . در مرجع [١٢] کنترل کننده PI در سيستم قدرت تجديد ساختار يافته در حضور واحد SMES ارائه شده است .
در اين مقاله ، از الگوريتم رقابت استعماري (ICA) و براساس تابع هدف پيشنهادي به طراحي کنترل کننده PID جهت کنترل بار-فرکانس سيستم قدرت تجديد ساختار يافته پرداخته مي شود؛ بطوريکه ميتواند به عنوان يک روش تنظيم جديد و مناسب براي تعيين بهينۀ پارامترهاي کنترل کننده مورد استفاده واقع شود. کارآيي روش پيشنهادي با تعيين ضرايب کنترل کننده هاي PID وI، PI و مقايسه نتايج حاصل از بهره - گيري الگوريتم رقابت استعماري بر روي يک سيستم قدرت چهار ناحيه اي تجديد ساختار يافته با سناريوهاي قراردادي ممکن تحت تقاضاي بار زياد و اغتشاش هاي ناحيه اي ارائه شده است . دراين مطالعه ، عملکرد واحد SMES در هنگام تغيير ناگهاني تقاضاي توان اکتيو شبکه و تنها به منظور کاهش عدم تطابق آني بين توليد و تقاضا استفاده شده است . آناليزها نشان ميدهد که روش کنترلي پيشنهادي با در نظر گرفتن واحد به مقدار قابل توجهي عملکردهاي ديناميکي سيستم از جمله زمان نشست ، فراجهش و پاسخ حالت ماندگار در مقابل عدم قطعيت پارامترها را براي محدوده وسيعي از بارهاي درخواستي در ناحيه و نيز با وجود اغتشاش در هريک از نواحي حتي در حضور خاصيت غيرخطي سيستم ، بهبود ميبخشد.
٢- سيستم کنترل بار- فرکانس در فضاي تجديدساختاريافته
با توجه به ساختارهاي مختلف کنترل بار-فرکانس در فضاي تجديدساختاريافته ؛ در اينجا مدل ديناميکي مناسبي که بيانگر اين ساختارها باشد ارائه شده است . در فضاي تجديدساختار شده صنعت برق همواره تعدادي شرکت هاي توليدکننده ، انتقال و توزيع کننده انرژي الکتريکي وجود دارند. در رويکرد جديد GENCO ها ممکن است در مسأله کنترل بار-فرکانس مشارکت نداشته باشند و از طرفي DISCO٢ ها آزادانه مي توانند با GENCO هاي ناحيه کنترل خود يا ساير نواحي قرارداد تأمين بار داشته باشند. اين معاملات تحت نظارت اپراتور مستقل سيستم (ISO) صورت ميگيرد و ترکيبات متعددي از قراردادهاي تقاضا بار في مابين DISCO ها و GENCO ها وجود خواهد داشت . براي نمايش و مدل کردن قراردادهاي تنظيم بار مابين DISCO ها و GENCO ها ماتريس مشارکت توليدي تعميم يافته (AGPM٤) معرفي ميشود. اين ماتريس بيانگر ميزان مشارکت GENCO ها در قرارد تنظيم بار با DISCO ها است . فرض کنيد که در يک سيستم قدرت ابعاد وسيع با N ناحيه کنترلي تعداد GENCO ها و DISCO هاي ناحيه i به ترتيب برابرni و mi باشد. ساختار ماتريس AGPM به صورت زير تعريف مي - گردد[١٢]:

تعداد سطرهاي ماتريس AGPM برابر تعداد GENCO هاي کل سيستم و تعداد ستون هاي آن نيز برابر تعداد DISCO هاي کل سيستم است . gpfij بيانگر ضريب مشارکت توليد بوده و نشان دهنده ميزان مشارکت GENCO،i ام در تأمين کل بار درخواستي DISCO،j ام بر اساس قرارداد بار منعقده فيما بين مي باشد. نمايش بلوکي سيستم کنترل بار-فرکانس در سيستم قدرت تجديدساختار شده در شکل (١) نشان داده شده است .

خطوط خط چين ، سيگنال هاي ديماند را بر اساس قرارداد فيمابين DISCO ها و GENCO ها نشان ميدهد که اين سيگنال ها در سيستم کنترل بار-فرکانس سنتي وجود ندارد. خطوط خط نقطه هم اثرات تداخل بين نواحي و اختلالات بار را نشان ميدهد. با توجه به شکل (١) سيگنال هاي جديد به صورت زير تعريف ميشوند:

در رابطه تغييرات تقاضاي بار ناحيه i ام (طبق قرارداد) و تغييرات بار ناشي از اغتشاش در ناحيه i ام است .

در رابطه (٥) تغييرات تقاضاي بار(طبق قرارداد) DISCO،k ام در ناحيه i ام و تغييرات تقاضاي بار اغتشاشي DISCO، k ام در ناحيه i ام است .

که ، تغييرات کل توان توليدي GENCO،k ام در ناحيه i بر اثر تقاضاي بار قراردادي DISCO هاي کل سيستم با آن و اختلالات بار DISCO هاي محلي (ناحيه i) است که در حالت ماندگار بايستي آن را جهت تنظيم بار توليد نمايد.
٣- واحد ابررسانا ذخيره کننده انرژي مغناطيسي (SMES١)
ابررساناي ذخيره کننده انرژي مغناطيسي ، وسيله اي متشکل از يک سيم پيچ از جنس Ti-Nb (نيوبيوم -تيتانيوم ) مي باشد که در يک مخزن پر از هليم مايع با قابليت هدايت بسيار بالا غوطه ور ميباشد. اين هليم بوسيلۀ سيستم تبريد مخصوصي در درجه حرارت زير ١.٨ کلوين به صورت مايع نگهداري مي شود. SMES در واقع وسيله اي است براي ذخيره کردن انرژي و بهبود پايداري سيستم و کم کردن نوسانات . اين انرژي توسط ميدان مغناطيسي که بوسيله جريان مستقيم ايجاد ميشود ذخيره ميشود. SMES با داشتن ويژگي هايي مانند سرعت پاسخ دهي بالا (حدود ميلي ثانيه ) ، توان زياد (چندين مگا وات ) ، راندمان بالا و... براي کاربرد در سيستم هاي قدرت بيشتر مورد توجه قرار گرفته است [١٥].
٣-١- SMES و مدل سازي آن
شماتيک يک واحد SMES کنترل شده توسط تريستور که در هر ناحيه کنترل سيستم قدرت در نظرگرفته شده به منظور کنترل فرکانس بار در شکل (٢) نشان داده شده است . در شکل اندوکتانس L به عنوان بار در قسمت DC در منطقه کنترل دما قرار ميگيرد و مبدل هاي AC.DC در خارج اين منطقه قرار ميگيرند. با کنترل زاويه آتش تريستورها ولتاژ DC دو سر سيم پيچ ابررسانا را مي توان به طور پيوسته در بازه وسيعي از مقادير ولتاژهاي مثبت و منفي کنترل نمود. زاويه آتش مبدل ، ولتاژ DC ظاهر شده در دو سر سلف را که به صورت پيوسته بين محدوده وسيعي از مقادير مثبت و منفي تغيير مي کند، کنترل مي نمايد. ولتاژ DC مذکور از رابطه (١٠) به دست مي آيد[١٤]:

که Ed ولتاژ DC اعمال شده به دو سر سلف برحسب کيلو ولت ،زاويه آتش برحسب درجه ، Id جريان داخل سلف برحسب کيلو آمپر، Rc مقاومت تبديل معادل برحسب کيلو اهم و Vd0 ماکزيمم ولتاژ مدار برحسب کيلو ولت است .

شارژ و دشارژ واحد SMES با تغيير زاويه تبديل  کنترل مي شود. اگرکمتر از ٧٠ درجه باشد مبدل در حالت يکسوکنندگي (حالت شارژ) و اگر بزرگتر از ٧٠ درجه باشد، در حالت اينورتر (حالت دشارژ) است . طي عملکرد LFC ،Ed به طور پيوسته با استفاده از سيگنال ورودي به منطق کنترل SMES کنترل مي شود. جريان سلف نيز بعد از اغتشاش در سيستم بايد به مقدار نامي خود برگردد، بنابراين به منظور بهبود بازيابي جريان به مقدار حالت ماندگار، انحراف جريان سلف به عنوان يک سيگنال فيدبک منفي در حلقه کنترلي SMES استفاده مي شود. بر اين اساس ، ولتاژ خروجي مبدل اعمالي به دو سر سلف و ميزان تغييرات جريان سلف به صورت روابط (١٢) و (١١) در نظر گرفته مي شود:

سلف در ابتدا با اعمال يک ولتاژ کم به جريان نامي اش شارژ مي شود؛ پس از آنکه جريان به مقدار نامي مي رسد، با کاهش ولتاژ دو سر سلف ، در صفر ثابت باقي مي ماند . بلوک دياگرام کنترلي واحد SMES که در هر ناحيه کنترلي براي کاهش عدم تطابق آني بين توليد و بار استفاده شده در شکل (٥) نشان داده شده است . خطاي کنترلي ناحيه ACEi١ در هر ناحيه کنترلي به عنوان سيگنال ورودي کنترلي براي SMES در نظر گرفته شده است [١٥].

مطلوب است که جريان سلف پس از اغتشاش در سيستم با حداکثر سرعت به مقدار نامي خود باز گردد. در اين صورت واحد SMES مي تواند به خوبي به اغتشاشات پيدرپي پاسخ دهد. بنابراين جريان سلف ، نمونه برداري شده به عنوان سيگنال فيدبک منفي در حلقه کنترل SMESبه منظور بازگرداندن سريع جريان و سطح انرژي آن استفاده ميشود. تغييرات توان حقيقي سلف واحد SMES بيان شده در حوزه زمان عبارتند از:

اين مقدار توان براي انتقال از شبکه AC به DC مثبت در نظر گرفته شده است .
٤- الگوريتم رقابت استعماري (ICA)
الگوريتم رقابت استعماري روشي در حوزه محاسبات تکاملي است که به يافتن پاسخ بهينه مسائل مختلف بهينه سازي مي پردازد. اين الگوريتم با مدلسازي رياضي فرآيند تکامل اجتماعي -سياسي ، الگوريتمي براي حل مسائل بهينه سازي ارائه مي دهد. همانند ديگر الگوريتم هاي تکاملي، الگوريتم ICA نيز مجموعه اي از جوابهاي احتمالي را تشکيل مي دهد. اين جواب هاي احتمالي در الگويتم ژنتيک با عنوان «کروموزوم »، در الگوريتم ازدحام ذرات با عنوان «ذره » و در الگوريتم رقابت استعماري به عنوان «کشور» شناخته مي شود. الگوريتم رقابت استعماري با روند خاصي که در ادامه مي آيد، اين جوابهاي اوليه (کشورها) را به تدريج بهبود داده و در نهايت جواب مناسب مسائل بهينه سازي (کشور مطلوب ) را در اختيار مي گذارد[١٦].
٤-١- شکل دهي امپراتوري هاي اوليه
در بهينه سازي، هدف يافتن يک جواب بهينه بر حسب متغيرهاي مسئله است ، لذا يک آرايه از متغيرهاي مسئله که بايد بهينه شوند، ايجاد مي گردد که کشور ناميده مي شود. در يک مسئله بهينه سازي Nvar بعدي، يک کشور، يک آرايه به طول است . اين آرايه به صورت زير تعريف مي شود:

براي شروع الگوريتم ، تعداد Ncountry کشور اوليه را ايجاد نموده و Nimp از بهترين اعضاي اين جمعيت (کشورهاي داراي کمترين مقدار تابع هزينه ) به عنوان استعمارگر انتخاب خواهند شد. باقيمانده Ncolony تا از کشورها، مستعمراتي را تشکيل مي دهند که هر کدام به يک امپراتوري تعلق دارند.
٤-٢- سياست جذب (حرکت مستعمره ها به سمت استعمارگرها)
سياست همگون سازي (جذب ) با هدف تحليل فرهنگ و ساختار اجتماعي مستعمرات در فرهنگ حکومت مرکزي انجام مي گيرد. در راستاي اين سياست ، کشور مستعمره ، به اندازه x واحد در جهت خط واصل مستعمره به استعمارگر، حرکت کرده و به موقعيت جديد، کشانده مي شود. x عددي تصادفي با توزيع يکنواخت (و يا هر توزيع مناسب ديگر ) است . اگر فاصله ميان استعمارگر و مستعمره با d نشان داده شود، معمولا براي d داريم :

که در آن  عددي بزرگتر از يک و نزديک به ٢ ميباشد. يک انتخاب مناسب ميتواند  باشد[١٦].
٤-٣- انقلاب (تغييرات ناگهاني در موقعيت يک کشور)
در الگوريتم رقابت استعماري، انقلاب با جابجايي تصادفي يک کشور مستعمره به يک موقعيت تصادفي جديد مدل سازي مي شود. انقلاب از ديدگاه الگوريتمي باعث مي شود کليت حرکت تکاملي از گيرکردن يا توقف در دره هاي محلي بهينه نجات يابد.
٤-٤- جابجايي موقعيت مستعمره و امپرياليست

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید