پایان نامه استفاده از پايدار كننده هاي سيستم قدرت (PSS) جهت بهبود ميرايي نوسانات با فركانس كم سيستم، مهندسی برق | شبیه سازی، برنامه نویسی، پایان نامه

پایان نامه استفاده از پایدار کننده های سیستم قدرت (PSS) جهت بهبود میرایی نوسانات با فرکانس کم سیستم، مهندسی برق

عنوان پروژه: پایان نامه استفاده از پایدار کننده های سیستم قدرت (PSS) جهت بهبود میرایی نوسانات با فرکانس کم سیستم، مهندسی برق

رشته: مهندسی برق،پروژه تحقیقاتی دوره کارشناسی

فرمت فایل: WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحات: ۱۵۲

فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده
فصل اول – مقدمه
۱-۱- پیشگفتار ۴
۱-۲- رئوس مطالب ۷
۱-۳- تاریخچه ۹
فصل دوم : پایداری دینامیکی سیستم های قدرت
۲-۱- پایداری دینامیکی سیستم های قدرت ۱۶
۲-۲- نوسانات با فرکانس کم در سیستم های قدرت ۱۷
۲-۳- مدلسازی سیستمهای قدرت تک ماشینه ۱۸
۲-۴- طراحی پایدار کننده های سیستم قدرت (PSS) 23
۲-۵- مدلسازی سیستم قدرت چند ماشینه ۲۷
فصل سوم: کنترل مقاوم
۳-۱-کنترل مقاوم ۳۰
۳-۲- مسئله کنترل مقاوم ۳۱
۳-۲-۱- مدل سیستم ۳۱
۳-۲-۲- عدم قطعیت در مدلسازی ۳۲
۳-۳- تاریخچه کنترل مقاوم ۳۷
۳-۳-۱- سیر پیشرفت تئوری ۳۷
۳-۳-۲- معرفی شاخه های کنترل مقاوم ۳۹
۳-۴- طراحی کنترل کننده های مقاوم برای خانواده ای از توابع انتقال ۴۵
۳-۴-۱- بیان مسئله ۴۵
۳-۴-۲- تعاریف و مقدمات ۴۶
۳-۴-۴-‌‌‌تبدیل مسئله پایدارپذیری مقاوم به‌یک مسئله Nevanlinna–Pick 50
۳-۴-۵- طراحی کنترل کننده ۵۳
۳-۵- پایدار سازی مقاوم سیستم های بازه ای ۵۵
۳-۵-۱- مقدمه و تعاریف لازم ۵۵
۲-۵-۳- پایداری مقاوم سیستم های بازه ای ۵۹
۳-۵-۳- طراحی پایدار کننده های مقاوم مرتبه بالا ۶۴
فصل چهارم : طراحی پایدار کننده های مقاوم برای سیستم های قدرت
۴-۱- طراحی پایدار کننده های مقاوم برای سیستم های قدرت ۶۷
۴-۲- طراحی پایدار کننده های مقاوم به روش Nevanlinna – Pick 69
برای سیستم های قدرت تک ماشینه ۶۹
۴-۲-۱- مدل سیستم ۶۹
۴-۲-۲- طرح یک مثال ۷۱
۴-۲-۳ – طراحی پایدار کننده مقاوم به روش Nevanlinna – Pick 73
۴-۲-۲- بررسی نتایج ۷۷
۴-۲-۵- نقدی بر مقاله ۷۸
۴-۳- بررسی پایداری دینامیکی یک سیستم قدرت چند ماشینه ۸۳
۴-۳-۱- مدل فضای حالت سیستم های قدرت چند ماشینه ۸۳
۴-۳-۲- مشخصات یک سیستم چند ماشینه ۸۶
۴-۳-۳-طراحی پایدار کننده های سیستم قدرت ۹۰
۴-۳-۴- پاسخ سیستم به ورودی پله ۹۳
۴-۴- طراحی پایدار کننده های مقاوم برای سیستم های قدرت چند ماشینه ۹۵
۴-۴-۱- اثر تغییر پارامترهای بر پایداری دینامیکی ۹۵
۴-۴-۲- مدلسازی تغییر پارامترها به کمک سیستم های بازه ای ۱۰۱
۴-۴-۳-پایدارسازی مجموعه‌ای ازتوابع انتقال به کمک تکنیک‌های‌بهینه سازی ۱۰۵
۴-۴-۴- استفاده از روش Kharitonov در پایدار سازی مقاوم ۱۰۶
۴-۴-۵- استفاده از یک شرط کافی در پایدار سازی مقاوم ۱۱۰
۴-۵- طراحی پایدار کننده های مقاوم برای سیستم قدرت چندماشینه (۲) ۱۱۰
۴-۵-۱- جمع بندی مطالب ۱۱۰
۴-۵-۲-طراحی پایدار کننده های‌مقاوم بر اساس مجموعه‌ای از نقاط کار ۱۱۱
۴-۵-۳- مقایسه عملکرد PSS کلاسیک با کنترل کننده های جدید ۱۱۳
۴-۵-۴- نتیجه گیری ۱۱۵
فصل پنجم : استفاده از ورش طراحی جدید در حل چند مسئله
۵-۱- استفاده از ورش طراحی جدید در حل چند مسئله ۱۲۱
۵-۲- طراحی PSS‌های مقاوم به منظور هماهنگ سازی PSS ها ۱۲۲
۵-۲-۱- تداخل PSS‌ها ۱۲۲
۵-۲-۲- بررسی مسئله تداخل PSS‌ها در یک سیستم قدرت سه ماشینه ۱۲۴
۵-۲-۳- استفاده از روش طراحی بر اساس چند نقطه کار در هماهنگ ۱۲۶
انتخاب مجموعه مدلهای طراحی ۱۲۷
۵-۲-۴-‌مقایسه‌عملکرد دو نوع پایدار کننده به کمک شبیه سازی کامپیوتری ۱۳۰
۵-۳- طراحی کنترل کننده های بهینه ( فیدبک حالت ) قابل اطمینان برای سیستم قدرت ۱۳۲
۵-۳-۱) طراحی کننده فیدبک حالت بهینه ۱۳۲
تنظیم کننده های خطی ۱۳۳
۵-۳-۲-کاربرد کنترل بهینه در پایدار سازی سیستم های قدرت چند ماشینه ۱۳۴
۵-۳-۳-طراحی کنترل بهینه بر اساس مجموعه‌ای از مدلهای سیستم ۱۳۶
۵-۳-۴- پاسخ سیستم به ورودی پله ۱۴۰
فصل ششم : بیان نتایج
۶-۱- بیان نتایج ۱۴۴
۶-۲- پیشنهاد برای تحقیقات بیشتر ۱۴۷
مراجع ۱۴۸
ضمیمه الف – معادلات دینامیکی ماشین سنکرون ۱۵۴
ضمیمه ب – ضرایب K1 تا K6 156
ضمیمه پ – برنامه ریزی غیر خطی ۱۵۸

چکیده :
توسعه شبکه های قدرت نوسانات خود به خودی با فرکانس کم را، در سیستم به همراه داشته است. بروز اغتشاش هایی نسبتاً کوچک و ناگهانی در شبکه باعث بوجود آمدن چنین نوساناتی در سیستم می شود. در حالت عادی این نوسانات بسرعت میرا شده و دامنه نوسانات از مقدار معینی فراتر نمی رود. اما بسته به شرایط نقطه کار و مقادیر پارامترهای سیستم ممکن است این نوسانات برای مدت طولانی ادامه یافته و در بدترین حالت دامنه آنها نیز افزایش یابد. امروزه جهت بهبود میرایی نوسانات با فرکانس کم سیستم، در اغلب شبکه های قدرت پایدار کننده های سیستم قدرت (PSS) به کار گرفته می شود.
این پایدار کننده ها بر اساس مدل تک ماشین – شین بینهایتِ سیستم در یک نقطه کار مشخص طراحی می شوند. بنابراین ممکن است با تغییر پارامترها و یا تغیر نقطه کار شبکه، پایداری سیستم در نقطه کار جدید تهدید شود.
موضوع این پایان نامه طراحی پایدار کننده های مقاوم برای سیستم های قدرت است، به قسمی که پایداری سیستم در محدوده وسیعی از تغییر پارامترها و تغییر شرایط نقطه کار تضمین شود. در این راستا ابتدا به مطالعه اثر تغییر پارامترهای بر پایداری
سیستم های قدرت تک ماشینه و چند ماشینه پرداخته می شود. سپس دو روش طراحی کنترل کننده های مقاوم تشریح شده، و در مسئله مورد مطالعه به کار گرفته می شوند. سرانجام ضمن نقد و بررسی این روش ها، یک روش جدید برای طراحی PSS ارائه می شود. در این روش مسئله طراحی پایدار کننده مقاوم به مسئله پایدار کردن
مجموعه ای از مدلهای سیستم در نقاط کار مختلف تبدیل می شود. این مسئله نیز به یک مسئله استاندارد بهینه سازی تبدیل شده و با استفاده از روش های برنامه ریزی غیر خطی حل می گردد. سرانجام کارایی روش فوق در طراحی پایدار کننده های مقاوم برای یک سیستم قدرت چند ماشینه در دو مسئله مختلف (اثر تغییر پارامترها بر پایداری دینامیکی و تداخل PSS ها) تحقیق شده و برتری آن بر روش کلاسیک به اثبات می رسد.

 پیشگفتار:
افزایش روز افزون مصرف انرژی الکتریکی، توسعه سیستم های قدرت را بدنبال داشته است بطوریکه امروزه برخی از سیستم های قدرت در جغرافیایی به وسعت یک قاره گسترده شده اند. به موازات این توسعه که با مزایای متعددی همراه است، در شاخه دینامیک سیستم های قدرت نیز مانند سایر شاخه ها مسائل جدیدی مطرح شده است. از جمله این مسائل می توان به پدیده نوسانات با فرکانس کم، تشدید زیر سنکرون (SSR)، و سقوط ولتاژ اشاره کرد.
پدیده نوسانات با فرکانس کم در این میان از اهمیت ویژه ای برخوردار است و در بحث پایداری دینامیکی سیستم های قدرت مورد توجه قرار می گیرد. بروز
اغتشاش های مختلف در شبکه، انحراف سیستم از نقطه تعادل پایدار را به دنبال دارد، در چنین وضعیتی به شرط اینکه سنکرونیزم شبکه از دست نرود، سیستم با نوسانات فرکانس کم به نقطه تعادل جدید نزدیک می شود. هنگامی که یک ژنراتور به تنهایی کار می کند، نوسانات با فرکانس کم به دلیل میرایی ذاتی به شکل نسبتاً قابل قبولی میرا می شوند. اما کاربرد برخی از المان ها مانند تحریک کننده های سریع، با اثر دینامیک قسمت های مختلف شبکه ممکن است باعث تزریق میرایی منفی به شبکه شود، به طوریکه نوسانات فرکانس کم شبکه به شکل مطلوبی میرا نشده و یا حتی از میرایی منفی برخوردار شوند. بدیهی است افزایش میرایی مودهای الکترومکانیکی سیستم در چنین وضعیتی می تواند به عنوان یک راه حل مورد استفاده قرار گیرد. بر این اساس پایدار کننده های سیستم قدرت (PSS) بر اساس مدل تک ماشین – شین بینهایت طراحی شده و در محدوده وسیعی به کار گرفته می شوند. از دید تئوری کنترل، پایدار کننده های فوق در واقع یک کنترل کننده کلاسیک با تقدیم فاز می باشد که بر اساس مدل خطی سیستم در یک نقطه کار مشخص طراحی می شوند.
همراه با پیشرفت های چشمگیری در تئوری سیستم ها و کنترل، روش های جدید برای طراحی پایدار کننده های سیستم قدرت ارائه شده است، که به عنوان نمونه می توان به کنترل کنده های طرح شده بر اساس تئوری های کنترل تطبیقی، کنترل مقاوم، شبکه های عصبی مصنوعی و کنترل فازی اشاره کرد [۵-۱]. در همه این روش ها سعی بر اینست که نقایص موجود در طراحی کلاسیک مرتفع شده به طوریکه کنترل کننده به شکل موثرتری بر پایداری سیستم و بهبود میرایی نوسانات اثر گذارد.

۱-۲- رئوس مطالب :
بخش بعدی این فصل به بررسی تحقیقات انجام شده در زمینه طراحی پایدار
کننده های مقاوم سیستم های قدرت اختصاص داده شده است.
در فصل دوم نخست به بیان مفاهیم اساسی در پایداری دینامیکی، و تشریح پدیده نوسانات با فرکانس کم در سیستم های قدرت پرداخته می شود. مدلسازی سیستم تک ماشینه به منظور مطالعه پدیده نوسانات با فرکانس کم، و روش طراحی PSS به کمک این مدل در قسمت های بعدی این فصل صورت می گیرد. در بخش آخر فصل نیز مدلسازی سیستم های قدرت چند ماشینه و نکات مربوط به آن مورد بررسی قرار می گیرد.
در فصل سوم ابتدا صورت مسئله کنترل مقاوم به طور کامل تشریح می شود. سپس به تاریخچه کنترل مقاوم و سیر پیشرفت برخی از شاخه ای آن پرداخته می شود. در پایان فصل طی دو بخش جداگانه به توضیح روش های – Pick Nevanlinna و Kharitonov که در ادامه مورد استفاده قرار می گیرند، می پردازیم.
طراحی کنترل کننده مقاوم با استفاده از روش – Pick Kharitonov برای سیستم قدرت تکماشینه و نقد و بررسی یک مقاله در این زمینه در ابتدای فصل چهارم (بخش (۴-۲)) صورت می گیرد. در بخش (۴-۳) پس از بدست آوردن معادلات فضای حالت برای سیستم های قدرت چند ماشینه، به بررسی پایداری دینامیکی یک سیستم سه ماشینه در نقاط کار مختلف و طراحی PSS در یک نقطه کار ناپایدار می پردازیم. در بخش (۴-۴) اثر تغییر پارامترها بر پایداری این سیستم مطالعه شده و روش Kharitonov جهت طراحی پایدار کننده های مقاوم مورد استفاده قرار می گیرد. در بخش (۴-۵) به ارائه یک روش جدید که با الهام از روش Kharitonov شکل گرفته است، می پردازیم. سپس این روش به منظور طراحی یک کنترل کننده مقاوم که در محدوده وسیعی از تغییر شرایط نقطه کار پایداری سیستم را تضمین می کند، به کار گرفته می شود.
در فصل پنجم ابتدا روش فوق در حل مسئله تداخل PSS ها مورد استفاده قرار
می گیرد. سپس به طراحی کنترل کننده های فیدبک حالت بهینه بر اساس مجموعه ای از مدلهای سیستم، و پاره ای نکات در این زمینه می پردازیم.
فصل ششم نیز به یک جمع بندی کلی از پایان نامه و بیان نتایج اختصاص داده شده است.

– بیان نتایج :
نتایج حاصل‌از مطالعات انجام گرفته در این پایان نامه را می‌توان به شرح زیر بیان کرد.
۱- ناتوانی روش Nevalinna – Pick در طراحی پایدار کننده های مقاوم برای سیستم‌های قدرت تک ماشینه تحقیق شد . بعبارت دیگر استفاده از این روش به منظور طراحی پایدار کننده های مقاوم در برابر تغییر پارامترهای و شرایط نقطه کار مناسب نمی‌باشد .مطالعات انجام شده در این پایان نامه نشان داد که حتی در صورت برقراری شرایط لازم برای وجود کنترل کننده های مقاوم ، این کنترل کننده ها از عملکرد ضعیفی در پایدار سازی سیستم برخوردارند .
۲- پایدرای دینامیکی سیستم های قدرت چند ماشینه مورد مطالعه قرار گرفت . در این مطالعه برای یک سیستم قدرت سه ماشینه ، پایدار کننده های کلاسیک (‌PSS) بر اساس مدل تک ماشین – شین بی نهایت در یک نقطه کار مشخص طراحی شده ، و سپس کارایی این کنترل کننده ها در پایدار سازی و بهبود پایداری سیستم در نقطه کار فوق به کمک شبیه سازی کامپیوتری تایید شد .
۳- اثر تغییر پارامترها بر پایداری دینامیکی سیستم های قدرت چند ماشینه مورد بررسی قرار گرفت و نشان داده شد که حتی در حضور PSS های کلاسیک ممکن است پایداری سیستم تهدید شود . بنابراین طراحی پایدار کننده های مقاوم در چنین مواردی الزامی است .
۴- عدم کارایی روش Kharitonov در طراحی پایدار کننده های مقاوم ، به دلیل محافظه کاری آن در مدلسازی عدم قطعیت های ناشی از تغییر پارامترها ، تحقیق شد .
۵- یک روش جدید جهت طراحی PSS (‌با الهام از روش Kharitonov) ارائه شد در این روش که پایدار کننده بر اساس مجموعه‌ای از مدلهای سیستم در نقاط کار مختلف طراحی می شود ، مسئله طراحی پایدار کننده مقاوم به یک مسئله همزمان پایدار کردن مجموعه‌آی از توابع انتقال تبدیل می شود . سپس مسئله اخیر در قالب یک مسئله استاندارد بهینه سازی ، با استفاده از روش های برنامه ریزی غیر خطی حل می شود .
۶-عملکرد کنترل کننده های طراحی شده به کمک روش جدید ، با پایدار کننده های کلاسیک ( PSS) در یک سیستم قدرت سه ماشینه مورد مقایسه قرار گرفت و برتری کنترل کننده های طراحی شده براساس مجموعه ای از نقاط کار به کمک شبیه سازی کامپیوتری به اثبات رسید . مهمترین مزیت این کنترل کننده ها بهبود پایداری سیستم در محدوده وسیعی از تغییر پارامترها می باشد .
۷- با انتخاب مناسب مجموعه مدلهای طراحی ، نشان داده شد که روش طراحی جدید می تواند به منظور هماهنگ سازی PSS‌ها به کار گرفته شود . در این راستا ابتدا مشکل تداخل PSS‌ها در یک سیستم چند ماشینه مورد تحلیل قرار گرفت . سپس نحوه کاربرد روش جدید به منظور رفع این مشکل تشریح شد .
بنابراین بطور خلاصه می توان روش طراحی بر اساس مجموعه‌ای از مدل های سیستم را به عنوان یک روش تعمیم یافته طراحی PSS‌تلقی کرد . در این روش طراح می تواند با گنجاندن مدل های مختلف سیستم در مجموعه مدلهای طراحی به اهدافی مانند: استحکام پایداری در برابر تغییر پارامترها و هماهنگی پایدار کننده ها دست یابد.
بعبارت دیگر روش طراحی فوق از انعطاف پذیری بالایی برخوردار است ، بطوریکه طراح با تغییر تابع هدف می تواند محدودیت های بیشتری را روی پارامترهای کنترل کننده به منظور دستیابی به بهترین جواب در نظر بگیرد .
از دیگر مزایای PSS‌های جدید می توان به موارد زیر اشاره کرد:
الف ) PSS‌های جدید دارای ساختاری مشابه با PSS‌های کلاسیک می باشند .
ب ) در طراحی PSS های جدید دینامیک سایر ماشین های سیستم نیز در نظر گرفه می شود .
همچنین جهت کاهش زمان طراحی می توان از پارامترهای PSS کلاسیک به عنوان یک نقطه شروع برای برنامه بهینه سازی استفاده کرد .
۸- روش طراحی کنترل فیدبک حالت بهینه برای سیستم های قدرت چند ماشینه توضیح داده شد. سپس ضمن تحقیق این مطلب که با قطع یکی از سیگنالهای کنترل ورودی به ماشینهای سنکرون ممکن است پایداری سیستم تهدید شود، روش طراحی براساس مجموعه‌ای از مدلهای سیستم جهت رفع این مشکل به کار گرفته شد.