پایدارساز سیستم قدرت و انواع روش های کنترل PSS

پایدارساز سیستم قدرت(PSS) به عنوان یک مولد توان از طریق سیستم تحریک در یک ماشین سنکرون متصل به شبکه قدرت(شین بی نهایت) عمل می کند. در حالت معمول و بدون بکارگیری پایدارساز ، شبکه قدرت در حین وقوع انواع خطاها بر روی سیستم دچار نوسانات گذرا می شود که این خطاها به طور معمول از خطای تکفاز تا سه فاز نامتقارن ، اتصالات بار یا جدا شدن از شبکه بالادست می تواند متفاوت باشد.

نوسانات حالت گذرا در شبکه های قدرت مولفه های پایداری سیستم در حوزه زمان و فرکانس را کاهش می دهد. این متغیرهای زمانی به عنوان متغیرهای حالت سیستم در حوزه دینامیکی تعریف می شوند که از آن جمله می توان به زاویه توان ، فرکانس زاویه ای (سرعت روتور-فرکانس شبکه) و توان شبکه اشاره کرد.

البته مدل های بیان شده مختلفی به منظور مشاهده رفتار سیستم پیشنهاد شده است که معروفترین آن سیستم با سه متغیر حالت معرفی شده می باشد. حالت های متناسب با 4 متغیر و یا 7 متغیر نیز در مقالات اشاره شده اند.

معتبرترین مدل، مدل تعریف شده براساس SMIB می باشد که در کتاب های رفرنس نیز آمده است. مدل مورد اشاره بصورت غیرخطی معرفی می شود و در آن روابط بین متغیرهای حالت سه گانه غیرخطی بیان شده است.

کاربری پایدارسازهای سیستم قدرت برای شبکه های انتقال به صورت تک ماشینه و یا چند ماشینه می باشد. در حالت تک ماشینه تنها یک ماشین سنکرون در شبکه قرار می گیرد و در حالت های چندماشینه نیز چند ماشین خواهیم داشت که به ازای هر کدام یک پایدارساز مجزا مورد استفاده قرار می گیرد.

بطور مشخص در استفاده از پایدارساز سیستم قدرت نیاز به طراحی آن می باشد. این طراحی برای پایدارسازهای مشخص شده با مدل خطی کار ساده ای است ، حال آنکه در مدل های غیرخطی نیاز است تا روش های مدون شناخته شده (همچون روش های فیدبک خطی ساز ، مدلغزشی ، گام به عقب ، تطبیقی و ...) به منظور طراحی آن مورد استفاده قرار گیرد.

در ادامه مطلب بلوک دیاگرام ساختار پایدارساز سیستم قدرت آورده شده است.

ادامه نوشته

انواع مدل های پایدارساز سیستم قدرت و روش های تحلیل و کنترل

پایدارساز سیستم قدرت به عنوان یک بهره با فیلتر پایین گذر و بالا گذر شناخته می شود که می تواند برای کاهش نوسانات حالت گذرا در سیستم های قدرت بکار رود. این بیان متناسب با در نظر گرفتن ساختار خطی برای پایدارساز سیستم قدرت می باشد. مشخصا ساختارهای دیگری نیز برای پایدارساز ها در نظر گرفته شده است که مهمترین آن مدل دینامیکی غیرخطی برای پایدارساز در حضور ژنراتور سنکرون متصل به آن می باشد. در این حالت ارتباط بین متغیرهای حالت سیستم به صورت غیرخطی می باشد.

ساختار متداول پایدارساز سیستم قدرت

شکل(1) : ساختار متداول برای پایدارساز سیستم قدرت

 در شکل(1) ساختار متداول برای یک پایدارساز سیستم قدرت نمایش داده شده است. در این ساختار سیگنال کنترل خروجی پایدارساز مانند یک جبران ساز عمل می کند و یک سیگنال کنترل به منظور تنظیم ولتاژ خروجی به ورودی AVR یا همان تنظیم کننده ولتاژ اتوماتیک ارسال می کند. تنظیم کننده ولتاژ نیز در خروجی خود سیگنال تحریک مورد نیاز را ارسال می کند.

مشخصا در حالت متناظر با عدم استفاده از پایدارساز سیستم قدرت سیگنال فیدبکی در کار نبوده و سیستم به صورت حلقه باز رفتار می کند.

پارامترهای طراحی برای یک چنین پایدارسازی محدود می باشد و با طراحی یک بهره مناسب به همراه ثابت زمانی های مورد نیاز برای فیلترهای پیش فاز و پسفاز آن روند طراحی به اتمام می رسد.

در ادامه مطلب انواع دیگر پایدارسازها، روش های طراحی، روش های بهبود و یک فایل شبیه سازی برای پایدارساز قرار داده شده است.

ادامه نوشته

بکارگیری روش های کنترل غیرخطی ، تطبیقی ، مقاوم و فازی بر پایدارسازها

می توان گفت تمامی سیستم های قدرتی دارای دینامیک غیرخطی می باشند که با استفاده از تکنیک های ساده سازی ، خطی سازی با فرض کار در نقطه کار و تکنیک های دیگر به مدل های با دینامیک خطی بدل می شوند که بتوان آن ها را با استفاده از روش های آنالیز و طراحی خطی که عموما ساده می باشند ، کنترلر مورد نظر را طراحی و پایدار کرد. 

در این بین پایدارساز سیستم قدرت نیز دارای یک مدل دینامیکی غیرخطی می باشد که این مدل با استفاده از سیستم ترکیبی پایدارساز ، ژنراتور سنکرون ، ترانسفورماتور خط انتقال و شین بی نهایت بیان می شود.

استفاده از این مدل غیرخطی از جهاتی کار را سخت تر می کند چرا که در این حالت نیاز به دانش درباره سیستم های غیرخطی ، آنالیز حوزه غیرخطی و کنترلرهای غیرخطی داریم . و از طرفی با این روش امکان بدست آوردن یک مدل دقیق کنترل کننده برای کار در تمامی نواحی (اعم از نقاط کار و غیر آن) ، امکان اجرای روش های غیرخطی نظیر تطبیقی (در حالت کاربرد پایدارساز با عدم قطعیت پارامتریک) ، مقاوم (در حالت توام با نامعینی های کراندار) ، فازی (استفاده از روش های قانون نویسی فازی) ، طراحی رویت گرهای غیرخطی و کنترل پیش بین برای این سیستم خواهیم بود.

شمایتک آورده شده در شکل(1) نحوه پیکربندی کلی برای یک پایدارساز مدل غیرخطی را نشان می دهد.

پیکربندی غیرخطی پایدارساز سیستم قدرت

شماتیک پایدارساز با مدل دینامیکی غیرخطی

در ادامه مطلب در مورد این شماتیک و نحوه بیان آن در حوزه متلب توضیح داده شده است.

ادامه نوشته

پایدارساز سیستم قدرت کلاسیک و AVR در سیستم های قدرت

بلوک دیاگرام کلی PSS در شكل زیر نشان داده شده ‌ که‌ دارای چهار بخش است : ‫صافي بالاگذر، جبرانساز ديناميكي، صافي ‌‫فركانسهاي ‫‌پيچشي‫ و ‫محدودكننده ‫خروجي ‫مي‫باشد.‫‫ صافي بالاگذر‌‌ ‌که براي حذف مقادير حالت ماندگار ورودي استفاده مي‫شود و تابع تبديل آن به صورت یک عبارت سره محض است ،  میباشد. عملکرد تابع تبدیل از مقدار بهره آن تاثیر چندانی نخواهد گرفت و مقدار آن می‫تواند بین  1 تا 20  انتخاب گردد که این مقدار با توجه به سایر پارامترهای سیستم و انرژی کنترل مورد نظر تعیین می شود بدیهی است بالا بودن بهره باعث بهبود نسبی عملکرد پایدارساز می شود . بلوك جبران ساز كه شامل بهره پايدارساز و يك يا چند بلوك متوالي جبران ساز پيش فاز است، هسته اصلي پايدارساز را تشكيل  مي‫دهد. 

ایده اصلی PSS  این است که بتواند گشتاور الکتریکی متناسب با تغييرات سرعت در ژنراتور را توليد كند. براي اين منظور لازم است كه بلوك جبران كننده فاز، مشخصه پيش فازي مناسب را براي جبران تاخير فاز بين ورودي تحريك كننده و گشتاور الكتريكي ژنراتور ايجاد كند.مقدار K میزان میرایی تولید شده توسط PSS را تعیین می کند .

بلوک بندی پایدارساز سیستم قدرت کلاسیک

شماتیک بالا بلوک های متوالی مورد استفاده در پایدارساز سیستم قدرت را نشان می دهد .فیلتر ورودی ، شماتیک پایدارساز ، نوسان گیر و نهایتا محدود کننده سیگنال کنترل خروجی از اجزای تشکیل دهنده آن می باشند .

در کنار PSS از سایر اجزای مرتبط با پایداری دینامیکی سیستم های قدرت AVR می باشد .  تنظیم کننده های اتوماتیک ولتاژ AVR  نوعی از سیستم های تحریک هستند که خروجی آن ها بطور اتوماتیک تنظیم می‏شود. AVR ها تجهیزاتی الکترومکانیکی هستند که به صورت سیستم تحریک با مقدار زیاد رئوستا و مقاومت های سوئئچی و اتصالات متحرک میباشند.

 
شماتیک اجزای سیستم قدرت در حضور AVR
 
شکل بالا شماتیک سیستم AVR در یک سیستم قدرت همراه با یک ماشین مجهز به سیستم تحریک را نشان می دهد .

 

طراحی پایدارساز سیستم قدرت PSS برای ماشین سنکرون متصل به شبکه قدرت

در بررسی دینامیک سیستم های قدرت ، پایداری شبکه قدرت متصل به ماشین سنکرون به عنوان مولد توان شبکه اهمیت بسزایی دارد . این مسئله به هنگام بروز خطا خود را آشکار می سازد ، آنچه که مسلم است در طول خط انتقال شبکه به باس تولید انواع سناریوهایی که منجر به خطا می شوند امکان وقوع دارند و هر کدام به لحاظ دینامیکی باعث ناپایداری ولتاژ و توان شبکه شده و در یک نگاه دقیق تر زاویه توان را افزایش می دهد ، زاویه توان یک متغیر اساسی در تولید ولتاژ و توان خروجی شبکه می باشد و ناپایداری آن به صورت مستقیم بر روی خروجی شبکه اثرگذار است .

انواع روش ها به منظور پایدارسازی این مسئله پس از قطع شبکه با استفاده از بریکرهای امنیتی در مقالات معرفی شده است . در سیستم هایی که مدل شبکه و ماشین به صورت خطی معرفی می شود AVR یا تنظیم کننده ولتاژ اتوماتیک یا اتوبوستر به عنوان اصلی ترین ادوات به منظور پایدارسازی شبکه معرفی می شود که برای مدل آن از چندین حالت معرفی شده در مقالات می توان استفاده کرد .

  

شماتیک یک AVR بکار رفته به منظور تولید فیدبک برای مدل شبکه

در شکل بالا یک مدل AVR نشان داده شده است که در آن سیگنال خطای ولتاژ در AVR مجهز به سیستم تحریک تبدیل به نیروی کنترلی برای سیستم ماشین خطی شده می شود تا سیگنال خطای ولتاژ را به صفر رسانده و شبکه را پایدار نماید .

اما در یک مدلسازی دقیق تر مجموعه ماشین سنکرون ، ترانسفورماتور و سیگنال کنترل پایدارساز به صورت غیرخطی و دقیق براساس مدل SMIB مدل سازی می شود . در این حالت نیاز به طراحی از طریق روش های غیرخطی برای شبکه مورد نظر می باشد تا بتواند پایداری را برای آن داشته باشد . در واقع مسئله پایداری در این حالت نمی تواند توسط AVR برطرف شود .

در طراحی پایدارساز به شیوه غیرخطی انواع روش های طراحی از قبیل خطی سازی فیدبک ، خطی سازی ورودی خروجی ، روش مد لغزشی و همچنین روش های بهینه سازی در جایابی بهینه پایدارساز در شبکه های چندماشینه و چند باسه معرفی می شود .

در انجام پایان نامه ها و پروژه های مرتبط با پایدارساز سیستم قدرت بایستی ابتدا اساس مدلسازی دینامیکی شبکه را مشخص کنید و با بهره گیری از سناریوی مورد نظر (مقاوم سازی ، تطبیقی نمودن ، بهینه سازی و ...) نسبت به انتخاب روش مورد نظر اقدام کنید .

در شبیه سازی روش مورد نظر و در ساختار غیرخطی بهترین انتخاب نرم افزار متلب می باشد چرا که به سادگی می توان معادلات غیرخطی را در آن وارد نمود ، اما در کارکرد خطی نرم افزار Pscad نیز می تواند مفید باشد .

کنترل به روش گام به عقب و باز طراحی تابع لیاپانوف ، backstepping control

یکی از اساسی ترین مسائل در طراحی کنترلر غیرخطی برای سیستم هایی از این نوع یافتن تابع لیاپانوفی می باشد که بتواند پایداری سیستم حلقه بسته شامل این کنترلر را به اثبات برساند ، در واقع اصلی ترین مسئله در تئوری کنترل همین مسئله می باشد ، در این میان برخی روش ها که وجود برخی محدودیت ها در سیستم را الزامی می داند ، می تواند در یافتن فرم کلی تابع لیاپانوف به ما کمک کند ، یکی از این روش ها و شاید معروف ترین آن ها کنترل گام به عقب می باشد ، ابداع این روش نیز به سال های نزدیکتر از سایر روش ها برمی گردد و آن در دهه 90 می باشد .

روش گام به عقب در سیستم هایی که به فرم فیدبک محض باشند قابل اعمال می باشد ، سیستم های اینچنینی در هر یک از معادلات خود تنها می توانند دارای ترم هایی از همان متغیر حالت و متغیر حالت بعدی باشد که در این حالت به منظور پایدارسازی این معادله از متغیر دوم به عنوان کنترلر مجازی استفاده خواهیم کرد .  در هر مرحله نیز با توجه به این طراحی یک فرم ساده مربعی لیاپانوف برای آن آورده می شود .

در طراحی کنترلر به روش بازگشت به عقب می توان با استفاده از بحث توابع پیچشی نسبت به تطبیقی نمودن کنترلر نیز اقدام نمود ، در این حالت بایستی از بحث توابع پیچشی نیز استفاده کرد .

در دینامیک های زیر می توان از روش بازگشت به عقب در طراحی کنترلر استفاده کرد :

  1. پایدارساز سیستم قدرت 
  2. سیستم کنترل توربین گاز 
  3. سیستم مبدل های DC به DC
  4. سیستم های کنترل فعال در ساختمان ها و خودرو