بخشی از مقاله
چکیده-
در این مقاله، روشی براي طراحی کنترل کننده خودکار تولید براي یک سیستم قدرت چندناحیهاي که هر ناحیه شامل چندین منبع تولید متفاوت است، ارائه شده است. این کنترل کننده با استفاده از الگوریتمهاي HSS و PSO اقدام به تنظیم ضرایب PID میکند. سیستم قدرت مورد نظر از دو ناحیه تشکیل شده است و هر ناحیه شامل نیروگاههاي حرارتی ، آبی و گازي بوده، دو ناحیه از طریق یک خط HVAC و یک خط HVDC موازي با آن به هم متصل شده، یک سیستم به هم پیوسته را تشکیل دادهاند.
در طراحی عملکرد دینامیکی کنترل کننده تابع هدف انتگرال زمان ضرب در خطاي قدرت مطلق - ITAE - مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین سیستم پیشنهاد شده تحت تأثیر بار ثابت و بار متغیر با زمان قرار داده شده است. نتایج نشان دهنده عملکرد مناسب الگوریتم PSO در طراحی کنترل کننده میباشد.
.1 مقدمه
هدف از سیستم قدرت معرفی شده کنترل فرکانس نامی سیستم و قرار دادن توان خط ارتباطی درون محدوده هاي تعیین شده میباشد. کنترل اتوماتیک بار فرکانس که اساساً یک قسمتی از کنترل اتوماتیک تولید - AGC1 - است، با نگهداشتن فرکانس و توان خط ارتباطی سیستم در مقدار برنامه ریزي شده نقش مهمی در عملکرد سیستم قدرت ایفا میکند. سیستم هاي قدرت مدرن از چندین منابع تولید از قبیل نیروگاههاي آبی، حرارتی، گازي و انرژي تجدیدپذیر تشکیل شدهاند و هر منطقه کنترلی شامل گروهی از این نیروگاهها میباشد.
خطاي ناحیه کنترل - - ACE 2 به عنوان ورودي کنترل کننده PID سعی بر صفر کردن انحراف توان خط ارتباطی - PTIE - و تغییرات فرکانس هر ناحیه دارد.
هر ناحیه کنترلی باید تقاضاي ناحیه خود و توان تبادلی برنامه ریزي شده را برآورده سازد. با نظارت بر انحراف فرکانس میتوان هرگونه عدم تطابق بین تولید و بار را پیدا کرد که این تعادل بین بار و تولید میتواند با استفاده از کنترل تولید خودکار - - AGC بدست آید
در اغلب مقالات مدلی براي نیروگاهها در هر ناحیه درنظر گرفته میشود که شامل نیروگاههاي آبی و حرارتی - با بازگرمکن یا بدون بازگرمکن - است
در این مقاله در هر ناحیه نیروگاه گازي نیز به موارد قبل اضافه شده است.[2 -1] با توسعه جدید ساختار و مقرراتزدائی در سیستم قدرت در مواجه با افزایش تقاضاي بار تأمین بیشترین امنیت و قابلیت اطمینان، یک چالش بزرگ محسوب میشود. یک سیستم قدرت بهم پیوسته همواره درمعرض اغتشاش بار قرار دارد. این اغتشاش بار باعث انحراف فرکانس و توان خط ارتباطی از مقادیر برنامه ریزي شده میشود. این موضوع لزوم استفاده از کنترل تولید خودکار را نشان می-دهد و انجام هرچه بهتر آن باعث محیا کردن یک سیستم قدرت بهم پیوسته ایمن و داراي قابلیت اطمینان بالا میشود
الگوریتمهاي مورد استفاده در این مقاله براي بهینه سازي ﺿﺮاﯾﺐ کنترل کننده PID عبارتند از:
۱ الگوریتم :PSO این الگوریتم براساس رفتار گروهی پرندگان در زمان پرواز الهام گرفته شده است. همانند سایر الگوریتمهاي جمعیتی از مجموعهاي از پاسخهاي ممکن استفاده میکند که این پاسخ ها تا زمانی که یک پاسخ بهینه یافت شود یا شرایط پایان الگوریتم مهیا گردد، ادامه مییابد. روند بهبود موقعیت ذرات براساس تجربه شخصی و تجربه جمعی ادامه مییابد.
۲ الگوریتم :HSS در این الگوریتم جمعیت اولیهاي به صورت تصادفی مانند سایر الگوریتمها تولید میشود بطوري که به اندازه تعداد SC ها از بهترین ذرات بعنوان مرکز کره انتخاب میشود و در نهایت مابقی بعنوان ذره به SC ها داده میشود. هر ذره در شعاعی نسبت به مرکز کره خود شروع به جستجو می کند و در صورت پیدا کردن جوابی بهتر نسبت به مرکز کره، مرکز کره به این مکان بهتر جدید جابجا شده، طبق این روال SC هاي جدیدتري تولید میشود
کاربرد وسیعشان براي انواع سیگنالهاي تک ورودي، تک خروجی و زمانی که پاسخ سریع و دایم مورد نیاز است استفاده میشوند.
چهار نوع معیار براي بررسی عملکرد سیستم وجود دارد کهعموماً در طراحی کنترل بار فرکانس استفاده میشود. این موارد شامل انتگرال خطاي مطلق IAE - - ، انتگرال زمان ضرب در خطاي قدرت مطلق - ITAE - ، انتگرال مربع خطاي مطلق - ISE - و انتگرال زمان ضرب در مربع خطا - ITSE - میباشد. معیارهاي ITAE و ISE بخاطر عملکرد بهترشان در مقایسه با معیار ISTE وIAE در مطالعات AGC بیشتر استفاده میشوند. معادلات - 1 - تا - 4 - روابط مربوط به معیار خطا و معادله - 5 - تابع هدف را نشان میدهد که در واقع همان رابطه - 2 - میباشد.
.2 سیستم هاي تحت مطالعه
-1-2 سیستم قدرت چندمنبعی
سیستم تحت بررسی مشابه یک سیستم واقعی است که شامل واحدهاي گازي، آبی و حرارتی داراي بازگرمکن میباشد که در ادامه درخصوص مدل خطی شده هر نیروگاه توضیح مختصري ارائه خواهد شد.
بلوك دیاگرام 2 ناحیه اي مورد استفاده در این مقاله از مرجع [1] اخذ شده است و بار در ناحیه 1 تغییر میکند . لازم بذکر است که نرخ مشارکت براي هر ژنراتور متفاوت است،پارامتر تنظیم هر واحد با یکدیگر متفاوت است و هر واحد ضریب مشارکت خودش را دارد.
-2-2 خط HVDC
دو ناحیه سیستم قدرت توسط یک خط ارتباطی فشار قوي AC و یک خط فشار قوي DC موازي با آن به هم متصل شدهاند. از آنجا که نرخ مشارکت براي هر ژنراتور شرکت کننده یکسان نمیباشد، هر ژنراتور در هر ناحیه ممکن است در عمل 3LFC شرکت کند یا نکند. همانطور که اشاره شد مجموع ضرایب مشارکت براي همه ژنراتورهاي شرکت داده شده در یک منطقه کنترلی برابر یک است.
-3-2 استراتژي کنترل و تابع هدف
کنترل کننده - PID - بصورت گسترده و فیدبک کنترلی بصورت رایج در همه صنایع مدرن استفاده میشود.
-4-2 بار متغیر با زمان
در این مقاله براي بررسی مقاومت کنترل کننده در برابر تغییرات بار از بار متغیر با زمان استفاده شده است. شکل1 نشان دهنده بار متغیر با زمان استفاده شده در این مقاله است . تغییرات بار به صورت تصادفی ایجاد شده و در ناحیه 1 اعمال میشود و عملکرد کنترل کنندهها در برابر این تغییرات بار، ارزیابی میگردد.
-1-1-3 وضعیت میرایی تابع هدف با توجه به NFE در بار ثابت
در این بخش براي مقایسه دو الگوریتم HSS و PSO از معیار تعداد ارزیابیهاي تابع هدف - NFE - استفاده شده است. جدول و شکل2 نتایج حاصل را براي الگوریتمهاي به کار گرفته شده نشان میدهد.
شکل :1 مدل بار متغیر با زمان
.3 نتایج شبیه سازي
کلیه شبیه سازيهاي این مقاله در محیط MATLAB/Simulink شکل :2 وضعیت میرایی تابع هدف در بار ثابت نسبت به NFE انجام یافته است.
-1-3 بار ثابت
در این بخش در حالی که یک تغییر ثابت در بار ناحیه یک به اندازه یک درصد اعمال شده است، ضرایب کنترل کنندههاي PID با استفاده از الگوریتمهاي PSO و HSS به منظور حداقل کردن تابع هدف ارائه شده در رابطه 5 - - ، بهینه شدهاند. ضرایب بدست آمده براي هر کنترل کننده و براي هر الگوریتم در جدول1 ارائه شده است. ضرایب Kpi ، KIi و KDi ، iامین ضریب کنترلکننده PID را که به ترتیب شامل ضرایب تناسبی، انتگرالگیر و مشتقگیر است، نشان میدهد. بدلیل شبیه بودن 2 ناحیه، ضرایب کنترل کنندههاي ناحیه 2 مشابه ضرایب کنترلکننده ناحیه 1 در نظر گرفته شده است.
جدول :1 ضرایب استفاده شده براي هر الگوریتم با در نظر گرفتن بار ثابت
جدول :2 مقدار تابع هدف در بار ثابت به ازاي NFEهاي مختلف
نتایج نشان میدهد که وضعیت بهبود تابع هدف در الگوریتم PSO بعد از 2000 بار اجراي تابع هدف، نسبت به الگوریتم HSS بهتر شده است و این وضعیت بهبود تا NFE هاي بالاتر نیز ادامه دارد در حالی که الگوریتم HSS وضعیت بهبودیش به کندي صورت میگیرد.
-2-1-3 تغییرات ∆F1 ، ∆F2 و ∆Ptie براي بار ثابت
مقدار تغییر فرکانس در ناحیه 1 و ناحیه 2 و مقدار تغییرات توان در توان خط ارتباطی AC بعد از بهینه سازي توسط هر کدام از الگوریتمهاي مذکور در شکلهاي 3 تا 5 آورده شده است. همانطور که از جدول 2 برداشت میشود، الگوریتم PSO، خطاي کلی سیستم را که شامل حاصل مجموع تغییرات فرکانس 2 ناحیه و تغییرات توان انتقالی که در اثر تغییر یک درصدي در مقدار بار ناحیه 1 ایجاد شده بود، را بهتر از الگوریتم HSS بهینه کرده است. یعنی کل خطاي سیستم توسط الگوریتم PSO نسبت به HSS کمتر شده است. هر دو الگوریتم با 250 تکرار و 50 ذره اجرا شدهاند.
