بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهای کنترل اتوماتیک بهطور گستردهای در سیستمهای قدرت به کار گرفته میشود. در این مقاله با استفاده از کنترلکنندهای که براساس الگوریتم بهینهسازی انفجار بزرگ- فروپاشی بزرگ ترکیبی طراحی شده، به کنترل بار فرکانس سیستمها قدرت پرداخته است. الگوریتم انفجار بزرگ- فروپاشی بزرگ یکی از الگوریتمهای بهینهسازی قدرتمند است.
الگوریتم ترکیبی انفجار بزرگ- فروپاشی بزرگ با الگوریتم اجتماع ذرات به افزایش توانمندیهای روش بهینهسازی پیشنهادی در افزایش کارآیی آن در حصول همگرایی می-پردازد. در این مقاله الگوریتم پیشنهادی برای کنترل بار فرکانس یک سیستم قدرت دو ناحیهای استفاده شده است و نتایج با الگوریتم اجتماع ذرات مقایسه شده است؛ نتایج شبیه سازی کارایی الگوریتم پیشنهادی را نشان میدهد.
مقدمه:
مسئله کنترل بار فرکانس در یک سیستم قدرت شامل اغتشاشات ناگهانی است که شرایط کار عادی عملکرد سیستم را مختل میکند؛ این اغتشاشات دراثر ورود و خروج بارهای مختلف در شبکه بوجود میآید. با توجه به بروز اغتشاش در سیستم - کم و زیاد شدن بارها در شبکه - لازم است تا تمهیدی اندیشیده شود تا توان تولیدی ژنرانورها در مقداری باشد تا فرکانس در حد مجاز قرار گیرد. همچنین مسئله کنترل بار- فرکانس در سیستمهای چند ناحیهای ضرورتی دو چندان دارد، زیرا با بروز خطا در یک ناحیه، نواحی دیگر نیز تحت تاثیر قرار میگیرد. در کنترل سیستمهای قدرت کنترلهای محلی به واحد توربین، گاورنرها، باسهای کنترل ولتاژ - PV - اعمال شده و کنترلهای مرکزی به مراکز کنترل ناحیه اعمال می-گردد.
در حالت کلی دو نوع حلقه کنترلی برای مساله بار فرکانس میتوان در نظر گرفت. در حالت اول مرکز توزیع بار با توجه به شرایط شبکه دستور تغییر نقطهکار در واحدهای مختلف را میدهد. در حالت دوم این تغییر بهصورت اتوماتیک، به صورت حلقه کنترلی ناظر انجام میشود. قدرت خروجی ژنراتورهای قدرت بایستی با توجه به تغییر بار در ساعات مختلف شبانه روز و لزوم تامین مصرف شبکه بهطور منظم کنترل شود. قدرت خروجی یک ژنراتور با تغییر دادن توان مکانیکی ورودی آن کنترل میشود. لازم به ذکر است که عدم توازن قدرت را میتوان از تأثیر آن بر سرعت و یا فرکانس ژنراتور احساس نمود.
انحراف سرعت محور ژنراتور - فرکانس شبکه - از مقدار نامی آن به عنوان سیگنالی جهت تحریک سیستم کنترل اتوماتیک انتخاب میشود؛ زیرا توازن قدرت اکتیو به منزلهی ثابت بودن فرکانس سیستم است. کنترل نسبتا دقیق فرکانس باعث ثبات در سرعت ماشینهای جریان متناوب اعم از القایی و سنکرون میشود و تثبیت سرعت راهاندازی موتوری باعث عملکرد مطلوب در بخشهای تولید میگردد. در زیر به چهار دلیل اساسی برای اینکه نباید فرکانس سیستم از یک مقدار تعیین شده، تغییر کند، اشاره میشود :
-1توربینهای ژنراتورها به خصوص توربینهای بخاری برای کار در یک سرعت بسیار دقیق طراحی میشوند.
-2 بیشتر موتورهای جریان متناوب در سرعتهایی کار میکنند که عملکرد مطلوب آنها با فرکانس، رابطه دارد.
-3 اگر انحراف فرکانس در محدوده معینی ثابت نگه داشته شود، کارکرد یک سیستم قدرت را بهتر میتوان کنترل نمود.
-4 در حال حاضر از ساعتهای برقی - نیروی محرکه آنها به وسیلهی موتورهای سنکرون تأمین می-شوند - به وفوراستفاده میشود.
شایان ذکر است دقت این ساعتها نه تنها تابعی از انحراف فرکانس، بلکه در واقع تابع انتگرال این خطا میباشد. موتورهای جریان متناوب نمیتوانند مشخص کنندهی حد و مرز صحیحی برای فرکانس باشند. بیشتر بارهایی که با موتورهای جریان متناوب چرخیده میشوند، به تغیییرات فرکانس تا میزان2Hz زیاد حساس نمی باشد. توربین خود دارای فرکانسهای گوناگونی است. این فرکانسها نامیرا هستند که ناشی از تشدید در سرعتهای مختلف رتور میباشند.
آنچه در شرایط بارداری حائز اهمیت میباشد، آن است که سرعت رتور هیچگاه نباید وارد محدودهای شود که منجر به نوسانات رتور با دامنهای زیاد گردد؛ زیرا در این صورت، برای توربین بسیار خطرناک خواهد بود. البته توربینهای آبی کمتر در معرض چنین خطراتی هستند. تغییرات غیر عادی فرکانس حکایت از آن دارد که در شبکه قدرت، اشکال اساسی پیش آمده است. در سیستمهای مدرن، معمولا تغییرات فرکانس در محدودهی مجاز0.02-0.05 هرتز میباشد.
ثبات فرکانس یک سیستم قدرت بستگی به تعادل توان اکتیو دارد و از آنجا که فرکانس عامل مشترکی در سرتاسر سیستم است، هر تغییری در تقاضا توان اکتیو یک نقطه به شکل تغییر فرکانس در سرتاسر سیستم منعکس میشود و نظر به اینکه توان مورد نیاز یک سیستم قدرت بزرگ توسط تعداد زیادی ژنرانور تأمین میشود، باید تغییر توان مورد تقاضا را بین واحدها تقسیم نمود. البته تقسیم بار بین ژنراتورها و کنترل اولیه سرعت، توسط گاورنرهای نصب شده بر روی ژنراتورها صورت می-پذیرد، لیکن جهت تنظیم دقیق فرکانس در مقدار نامی، نیاز به یک کنترل کننده تکمیلی میباشد که باید در مراکز کنترل اصلی انجام شود.
در شرایط عادی ژنراتورهای سیستم با هماهنگی با یکدیگر توان مورد نیاز کل شبکه را به همراه تلفات اکتیو سیستم انتقال تأمین میکند. میدانیم انرژی الکتریکی با سرعت نور منتشر میشود و چون در نقطهای از سیستم به شکل انرژی الکتریکی ذخیره میشود، میتوان نتیجه گرفت در هرلحظهی زمانی انرژی الکتریکی برابر با نرخ مصرف آن میباشد. - البته با چشمپوشی از خاصیت خازنی که البته قابل اغماض است - . اگر بین تولید و مصرف در شبکه، تعادلی وجود نداشته باشد، آنگاه تفاضل پدید آمده در قالب انرژی جنبشی به سیستم وارد و یا از آن خارج میگردد. انرژی جنبشی به سرعت ژنراتور بستگی دارد، در نتیجه عدم تعادل توان بر روی محور ژنراتورها ، باعث تغییر در فرکانس سیستم خواهد شد.
با توجه به مطالب گفته شده می-توان دریافت که فرکانس یک شاخص حساس در توازن انرژی در سیستم است؛ به همین دلیل ازآن بهعنوان یک سیگنال ورودی در کنترل سیستم قدرت استفاده میشود. بنابراین کنترل بار فرکانس درسیستم قدرت بزرگ برای تأمین انرژی با قابلیت اطمینان بالا و کیفیت مطلوب امری ضروری بهنظر میرسد. کنترلکنندههای PI دارای گین ثابتی هستند که در شرایط نامی سیستم طراحی میگردند. بهرهبرداری از آن ساده بوده ولی نوسانات فرکانس به دلیل شکل کنترلکننده زیاد است.
روشن است که کنترلکنندههای سنتی با گین ثابت در مقابل عوامل غیر خطی نظیر محدودیت نرخ تولید1 و باند مرده گاورنر و همچنین تغییر پارامترها عملکرد دینامیکی ضعیفی دارد. برای رسیدن به عملکرد مطلوب و بهینه از تکنیکهای کنترل مدرن نظیر کنترل بهینه خطی نیز میتوان استفاده کرد. البته معمولا در عمل از این روش بهره نمی-گیرند، زیرا از یک سو در این روش با استفاده از حل معادلات ریکاتی که از نظر محاسباتی سنگین و طاقت فرسا است؛ و از سوی دیگر طراحی این کنترل کننده نیاز به داشتن اطلاعات از حالتهای سیستم دارد،که اندازهگیری و دسترسی به آنها مشکل و در بعضی حالات غیر ممکن است. بعضی از این کنترلکنندهها رفتار دینامیکی سیستم را حتی در حضور محدودیت نرخ تولید تا حدی بهبود میبخشند ولی با این وجود برای استفاده در صنایع عملی نیستند.
مسأله دیگری که باید به آن توجه کرد آن است که سیستم قدرت در معرض انواع عدم قطعیتها است، از جمله تغییر نقاط کار، تغییرات بار و تغییر پارامترهای سیستم میباشند. بنابراین جهت کنترل بار فرکانس نیازبه کنترل کنندهای است که بتواند تمام محدودیتهای بالا را برآورده سازد. روشهایی برای بهبود این کنترلکننده انجام شده است. از جمله این موارد می-توان به جانشینی کنترل کننده انتگرالی با کنترل کننده PI فازی - FPI - است.
این کنترل کننده انعطافپذیر بوده و عملکرد مقاومی در برابرتغییر پارامترهای سیستم و عوامل غیرخطی نظیر محدودیت نرخ تولید تحت شرایط مختلف تغییر بار از خود نشان میدهد. در مراجع [4-2] از سیستم فازی برای تنظیم پارمترهای کنترلکنندهPI براساس خطا و مشتق خطای سیستم استفاده شده است. یکی از عمومیترین کنترلکنندههای تجاری موجود، کنترلکننده نتاسبی انتگرالی مشتقی - PID - است. کنترلکننده PID برای بهبود پاسخ دینامیکی و کاهش یا حذف خطای حالت ماندگار نیز به کار گرفته میشود
