يا (Automatic Generation Control) AGC

Transcript

1

2 و ١ شبيه سازي سيستم AGC دو ناحيه اي در فضاي تجديدساختار شده صنعت برق با استفاده از تخمينگر حالت جواد ساده استاديار ٢ ١ الياس رخشاني دانشجوي کارشناسي ارشد- کنترل ١ گروه کارشناسي ارشد کنترل دانشگاه ا زاد اسلامي واحد گناباد ٢ گروه برق دانشکده مهندسي دانشگاه فردوسي مشهد چکيده - با بروز تجديد ساختار در فضاي سنتي صنعت برق و ايجاد فضاي رقابتي بسياري از مباحث مهم در صنعت برق دچار تحول گرديد. يکي از اين مباحث مساله کنترل بار- فرکانس در سيستمهاي قدرت مي باشد. در اين راستا سيستم هاي متداول کنترل بار- فرکانس به منظور در نظر گرفتن اثر قراردادهاي دوطرفه بر ديناميک سيستم توسعه يافته اند. به منظور بهبود ديناميک فرکانس سيستم معمولا از کنترل کننده فيدبک حالت استفاده مي شود. يکي از مشکلات اساسي که در بکارگيري اين نوع کنترل کننده در مساله کنترل بار-فرکانس وجود دارد عدم دسترسي به تمام متغيرهاي حالت است. به منظور رفع اين مشکل و اراي ه ديدگاهي واقع بينانه و کاربردي در فضاي رقابتي صنعت برق در اين مقاله استفاده از يک نوع تخمين گر حالت کاهش مرتبه پيشنهاد شده است. ارزيابي عملکرد اين کنترل کننده با در نظر گرفتن قراردادهاي دو طرفه موجود در بازار برق به کمک شبيه سازي يک سيستم دو ناحيه اي در فضاي نرم افزار Matlab صورت گرفته است. آليد واژه- تخمينگر حالت کاهش مرتبه فضاي تجديد ساختار شده در صنعت برق کنترل بار- فرکانس - مقدمه مبحث کنترل بار- فرکانس همواره يکي از مباحث بسيار مهم در سيستمهاي قدرت مي باشد. از ا نجاي ي که تغييرات بار به شکلي پيوسته مي باشد لازم است توليد بوسيله مکانيزمي که به طور خودکار عمل تنظيم را انجام مي دهد تغيير کند. اين مکانيزم با عنوان کنترل خودکار توليد يا Atomatic Generation Control AGC شناخته مي شود []. در گذشته مبحث کنترل بار- فرکانس در فضاي سنتي به شکلي مطلوب مورد بررسي قرار گرفته است. در ساختار سنتي صنعت برق کل سيستم قدرت زير نظر و انحصار دولت بود و وظيفه توليد انتقال و توزيع برق در هر منطقه بر عهده يک شرکتي با ساختار عمودي VIU و داراي حق انحصاري قرار داشت. اما با بروز تجديد ساختار در صنعت برق ابعاد مساله کمي پيچيده تر شده است. حال مبحث کنترل فرکانس در سايه بکارگيري انواع قراردادهاي موجود در مدل دوطرفه Bilateral و يا مدل پول Pool در بازار بايد مورد بررسي قرار گيرد. در اين راستا نيز مقالات گوناگوني اراي ه شده اند که هر يک به روشي متفاوت مساله کنترل فرکانس در فضاي تجديد ساختار شده را بررسي نموده اند. در سال ١٩٩٧ محقق هندي بنام کومار و همکارانش اولين اصول لازم براي شبيه سازي کامپيوتري مساله کنترل فرکانس با اعمال قيود بازار را مطرح کردند []. در مرجع[ 3 ] نيز ضمن اراي ه يک مدل ساده و کامل به معرفي ايده اي جديد تحت عنوان ماتريس مشارکت توزيع پرداخته شده است. همانطور که مي دانيم استفاده از فيدبک کامل حالت مي تواند بهبود قابل توجهي را در 4

3 ديناميک سيستم ايجاد کند که به تمام اين نياز به دسترسي دقت با حالت دارد. متغيرهاي کنترل به معادلات حالت سيستم که شويم مي متوجه بار- فرکانس با اين جهت بهبود ديناميک سيستم و اندازه به دسترسي نياز روش, حالت از گيري کليه متغيرهاي يا ناحيه کنترل خطاي جمله: خطا ACE انتگرال اين و توان خروجي خروجي توربين در عمل اما مي باشد گاورنر متغيرها اين تمام گيري اندازه نخواهد بود. براي رفع اين مقدور روش فيدبک از مشکل مي توان از روشهاي تخميني و يا [4] خروجي با اين مقاله در استفاده کرد. از سيستم مدل فضاي حالتي اراي ه فرکانس دو ناحيه اي بار- کنترل از روش تخمينگر حالت کاهش مرتبه يک فرکانسي براي بهبود نوسانات فضاي اي در سيستم چند ناحيه برق صنعت شده ساختار تجديد از استفاده است. استفاده شده مشکل عدم اين روش جهت رفع حالت دسترسي به برخي از متغيرهاي باشد عملي مي سيستم در فضاي که با تخمين ا ندسته از بگونه اي گيري اندازه غيرقابل متغيرهاي جنبه واقعي و تحليل ها فرضيات به خود ميگيرند. تري - چگونگي مدلسازي قراردادهاي بازار: مدل بکار رفته در اين مقاله براي يک سيستم نمونه دو ناحيه اي در فضاي رقابتي مي باشد. بگونه اي که مطابق شکل ١ در هر ناحيه دو شرکت توليد و دو شرکت توزيع وجود خواهد داشت. براي بيان روابط بازار و قراردادهاي مابين شرکت هاي توليد و توزيع از ايده ماتريس مشارکت توزيع استفاده شده است[ 3 ]. در اين ماتريس فاکتور مشارکت قراردادي cpf ij يا Contract Participationمشخص Factor مي کند که شرکت توزيع j ام چه سهمي از کل تقاضاي مورد نياز خود را بر اساس قرارداد منعقده از سهم توليد کننده i ام در تامين توليد کننده i ام تامين مي= cpf کند. ij j اين کل فاکتور تقاضاي به مورد نياز اين صورت محاسبه ش مي ک ت شود: j ا براي يک سيستم دو ناحيه اي که در هر ناحيه دو شرکت توليدي و دو شرکت توزيع وجود دارد ماتريس مشارکت مطابق شکل ٢ مي باشد. جمع مقادير هر ستون يک بوده و بلوکهاي قطر اصلي اين ماتريس مربوط به تقاضاهاي محلي و بلوکهاي غيرقطري نيز مربوط به تقاضاهاي شرکت هاي توزيع يک ناحيه از شرکت هاي توليدي نواحي ديگر مي باشد. بعنوان مثال اگر فرض کنيم شرکت توزيع سوم باري به اندازه.p MW تقاضا کرده و اين تقاضا مطابق قرارداد بگونه اي باشد که مقادير,.4 p MW,.5 p MW.5 p MW و. p MW به 3 4 DISCO cpf cpf cpf 3 cpf 4 G Area cpf cpf cpf 3 cpf 4 E N 3 cpf 3 cpf 3 cpf 33 cpf C Area 34 4 O cpf 4 cpf 4 cpf 43 cpf 44 شکل ٢: ماتريس مشارکت توزيع يک سيستم دو ناحيه اي به ترتيب توسط توليدکنندگان اول, دوم, سوم و چهارم تامين گردد عناصر ستون سوم ماتريس مشارکت توزيع به شکل زير محاسبه مي گردند: Area Area شکل ١: نماي کلي سيستم دو ناحيهاي در فضاي رقابتي 4

4 P tie, schedled P tie, error P tie, actal ISO شکل بلوک کامل سيستم کنترل بار فرکانس دو ناحيه اي در فضاي تجديد ساختار شده : ٣ P tie, schedled = 4 i= j= 3 cpf P ij Lj 4 i= 3 j= cpf P ij Lj ١ Ptie, actal = π. s. f f ٢ با توجه به شکل ٣ ميزان خطاي موجود در توان انتقالي نيز مطابق رابطه زير محاسبه مي شود. Ptie, error = Ptie, actal P tie, schedled ٣.5 cpf3 = =.5..5 pf33 = =.5.,.4 cpf3 = =.4.,,. cpf43 = =.. 3- ساختار کنترل بار فرکانس يک سيستم دو ناحيه اي در فضاي رقابتي صنعت برق: ٣ مدل کاملي از در شکل سيستم کنترل فرکانس دو ناحيهاي ساختار شده رسم در فضاي تجديد اين مدل مدلي خطي سازي شده است. بوده که براي شده حول نقطه کار تغييرات کوچک بار و فرکانس معتبر مي باشد. مدل هاي از مدل برگرفته اين مي [5] و [3] مراجع اراي ه شده در انتقالي توان ميزان باشد. ١ برنامه ريزي شده از رابطه بين و ميزان توان انتقالي واقعي يک سيستم دو ناحيه اي براي مي بدست ٢ از رابطه ناحيه اي تمام روابط در ضمن ا نکه ا يد. P Lj کل تقاضاي شرکت توزيع j ام مي باشد. tie, P در error سيگنال ا نکه ضمن در زير شکل به ٣ رابطه ACE تشکيل خطاي کنترلي ناحيه بکار مي رود. ACE = B f + P tie, error ۴ ACE = B f + P tie, error ۵ مدل فضاي حالت اين سيستم دو و ۶ ناحيه اي مطابق روابط x بردار که در ا ن بوده ٧ بردار متغيرهاي متغيرهاي حالت و مي بردار خروجي سيستم y و کنترل x & = A. x + B. باشد[ 3 ]. ۶ y = C. x و مي B ٧ در روابط فوق ماتريس هاي A C بر اساس شکل ٣ تعيين 4

5 کنترل بردار همچنين شوند. نيز x و بردار ورودي شامل ۴ بصورت زير مي ٩ متغير حالت شامل باشد: = [ PL PL PL 3 PL 4 ] x = [ f f Pm Pm Pm 3 Pm 4 ACE ACE P tie, actal ] توج ه ش ود ک ه ورودي ه اي P Li مربوط به تقاضاهاي قراردادي و م تغير ه اي حال ت ني ز ش امل انحراف فرکانس هر ناحيه f n توان خروجي هر واحد توليدي يا P mi انتگرال خطاي کنترلي ناحيه اي يا ACE و انحراف n توان انتقالي خط انتقال يا P tie مي باشند. لازم به توضيح است که در مدل اراي ه شده در شکل ٣ خطوط نقطه چين مربوط به بارهاي قراردادي و فعل و انفعالات مربوط به اثرات بازار بر سيستم متداول کنترل بار- فرکانس مي باشند. در واقع مهم ترين نقش ف ضاي رق ابتي ب ازار در سي ستم متداول کنترل فرکانس در بهبود عملکرد و ديناميک سيستم هاي متداول مي باشد. مفهوم و علت اين امر را مي توان به اين شکل بيان کرد که با حضور و بکارگيري ماتريس مشارکت توزيع, يک تنظيم اوليه مطابق با قراردادهاي مشخص شده براي واحدهاي توليدي انجام گرفته به نحوي که با مشخص شدن خط مشي توليدي واحدها, پاسخ سيستم به شکلي خواهد بود که مقدار افت کمتري در فرکانس حس مي گردد. بعلاوه با بروز تجديد ساختار و بکار گيري فضاي رقابتي, تلاش در جهت بهبود فرکانس سيستم و اراي ه محصولي انرژي الکتريکي با کيفيت تر بيشتر خواهد شد. 4- طراحي کنترلر: در اين مقاله هدف استفاده از فيدبک حالت کامل است. اما از ا نجاي ي که تمامي حالت هاي سي ستم در دس ترس نم ي باش ند در ادامه نوعي رويتگر حالت کاهش مرتبه يافته اراي ه شده که تنها به تخمين ا ن بخش از حالتهاي ي که قابل اندازه گيري نمي باشند مي سپس با کمک از اصل پردازد. ميتوان Principle Separation جداپذيري از فيدبک تمامي حالات سيستم که بخشي از ا نها اندازه گيري و بخشي ديگر از رويتگر حالت کاهش مرتبه بدست ا مده اند استفاده ۴-٢ و ۴-١ بخشهاي در زير نمود. به اختصار تي وري فيدبک حالت بهين ه و روش پي شنهادي رويتگ ر کاهش يافته توضيح داده شده است. ۴-١- فيدبک حالت بهينه: به منظور کنترل بهينه و مناسب ۶ سيستم معرفي شده با رابطه ماتريس بهره فيدبک حالت معرفي را بگونه اي ٨ شده در رابطه تعيين مي کنيم که شاخص عملکرد مينيمم گردد. ٩ بهينه رابطه t = K. x t ٨ + J = [ x t. Q. x t t. R. t] dt ٩ براي برا ورده کردن اين هدف بدست ١٠ از رابطه بهره حالت يک ماتريس P مي ا يد بطوريکه معين است که حقيقي متقارن مثبت و با ١١ از رابطه جبري ريکاتي هاي نرم افزار کمک جعبه ابزار قابل محاسبه است. Matlab K = R. B. P ١٠ A. P + P. A P. B. R. B. P + Q = ١١ به نظر R و Q تعيين ماتريس هاي شکل به و طراح بستگي داشته مناسبي انتخاب مي شوند[ 6 ]. رويتگرهاي حالت: ۴-٢- يک رويتگر سيستمي ديناميکي و با دريافت ورودي که مي باشد هاي يک سيستم متغيرهاي خروجي از تخمين ميزند. ا نرا حالت مي استفاده زماني رويتگرها از بعضي يا تمام که گردد متغيرهاي حالت سيستم در دسترس در قابل اندازه گيري نباشند. و نماي کلي از سيستم کنترل ۴ شکل با رويتگر حالت مشاهده ميشود. شکل r t CONROLLER t xˆ t PLAN OBSERVER ۴ y t :نماي کلي سيستم کنترل فيدبک حالت با رويتگر 43

6 44 به کمک رويتگر مرتبه کامل تمامي متغيرهاي حالت سيستم تخمين زده ميشود اما از ا نجايي که انجام عمل تخمين براي تمامي متغيرهاي حالت يک سيستم بزرگ داراي هزينه زيادي ميباشد و در عمل نيز نصب تمامي مبدلهاي مورد نياز در اندازه گيري حالتها غير ممکن است بهتر است تنها ا ن دسته از حالتهاي ي که قابل اندازهگيري نيستند تخمين زدهشوند که در اين راستا رويتگرهاي کاهش يافته بکار مي روند. از مزاياي اس تفاده از رويتگره اي حال ت تخم ين حالت هاي سي ستم و امک ان طراحي مستقل کنترلر فيدبک حالت از رويتگر با استفاده از اصل جداپذيري مي باشد [6]. رويتگر حالت بکار رفته در اين تحقيق در شکل ۵ مشخص شده است بطوريک ه ب ا ف رض م شخص ب ودن روابط ۶ و ٧ بعنوان معادلات فضاي حالت سيستم چنانچه قانون کنترل رابطه ٨ بکار رفته و تع دادي از متغيره اي حال ت غ ير قابل اندازه گيري باشند اين رويتگر حالت کاهش مرتبه بکار گرفته مي شود. اگر فرض کنيم که متغير هاي حالت قابل اندازهگيري و متغيرهاي x x غير قابل اندازهگيري باش ند مع ادلات حال ت سي ستم ب ه ش کل رابطه ١٢ شکسته شده و خروجي قابل اندازه گيري نيز از رابطه ١٣ مشخص خواهد شد. شکل ۵ :نماي کلي سيستم کنترل فيدبک حالت با رويتگر حال به کمک رابطه ١۴ مي توان تمامي حالات را تخمين زد اما در شرايطي که متغيرهاي x قابل اندازه گيري بوده و به کمک رابطه ١۵ مشخص مي شود, تخمين همه اين حالات لزومي نخواهد داشت. xˆ & = A.ˆ + A.ˆ x + B. + L. y C.ˆ ١۴ xˆ & = A.ˆ + A.ˆ x + B. + L. y C.ˆ x ˆ x C. y = = ١۵ بر اين اساس تخمين حالات غير قابل اندازه گيري به کمک رابطه ١۶ انجام خواهد شد: x ˆ & A. C. y A.ˆ x B. = + + ١۶ با توجه به رابطه ١۶ رفتار ديناميکي تخمينگر مطابق با مقادير ويژه ماتريس A خواهد بود. اما از ا نجاي يکه انتخاب اين ماتريس دست طراح نبوده و هيچ تضميني نسبت به مناسب بودن مقادير ويژه اين ماتريس وجود ندارد يکسري تغييرات ضروري مي باشد. لذا فرض مي کنيم: x L y z ١٧ ˆ =. + z & = F. z + G. y + H. ١٨ در نتيجه معادله خطاي رويتگر بشکل زير بدست مي ا يد : x xˆ e = x xˆ = x xˆ e = e = e x& = A. + A. x + B. ` x& = A. + A. x + B. y = C.x e & = x& ˆx & = A x + A. x + B. L. y& z&. = A. + A. x + B. LC. x& F. z G. y H. z = xˆ L. y = x e L. y = x e LC. e& = Fe+ A LCA GC+ FLC + A LC A F. x + B LC B H. ١٩ ١٢ ١٣ ٢٠ ٢١ ٢٢ r B A LCA C B LCB ˆx PLAN x&t REDUCED-ORDER OBSERVER A K x C z& C z L A LCA ˆx y

7 حال به منظور عدم وابستگي خطاي رويتگر به متغيرهاي x x و ماتريسهاي ضراي ب موجود در رابطه ١٨ را بشکل زير انتخاب ميکنيم: F = A LC A ٢٣ H = B LCB G = A LC A C + FL لذا معادله ديناميک خطاي رويتگر به صورت زير خواهد بود: e & ٢۴ = F.e حال با محاسبه مناسب ماتريس L مي توان ديناميک خطاي رويتگر را تحت کنترل داشت. 5- نتايج شبيه سازي : بر اساس توضيحات بخش ۴ شبيه سازي ها نيز به ازاي رويتگر حالت کاهش مرتبه يافته و بر اساس پارامترها و اطلاعات موجود در مرجع [4] انجام شدهاند. در اين قسمت هر شرکت توزيعي در انتخاب و برقراري قرارداد با هر شرکت توليدي در هر ناحيهاي ا زاد مي باشد. با کمک ماتريس مشارکت توزيع ميتوان ترکيبي از قراردادهاي بازار را مدلسازي نمود. از ا نجا که ممکن است بعضي از واحدهاي توليدي در فرا يند کنترل بار- فرکانس شرکت نداشته باشند حالتي را بررسي ميکنيم که به جز واحد توليدي ٢ در ناحيه ١ ساير واحدها در بازار کنترل بار-فرکانس شرکت داشته باشند. فرض ميشود که ميزان بار تقاضا شده توسط هر يک از اين شرکت هاي توزيع که در ماتريس مشارکت توزيع سهم دارند تغييري معادل ٠ ١ p داشته و قراردادها بر اساس ماتريس مشارکت اراي ه شده باشند: 45.5 DPM = اين ماتريس نحوه ارتباط واحدهاي توليدي با شرکت هاي توزيع را مشخص مي کند. بعنوان مثال ستون اول اين ماتريس مشخص مي کند که پنجاه درصد از بار تقاضا شده توسط شرکت توزيع ١ توسط توليدکننده اول و مابقي توسط توليدکننده ۴ تامين خواهد شد. با توجه به شکل ٣ فاکتورهاي مشارکت خطاي کنترلي ناحيه apf به صورت ضراي بي که ACE را بين واحدها تقسيم مي کند تعريف شده اند. اين فاکتور ها بشکل زير فرض شدهاند: apf = apf =.5 apf =.75 apf4 = apf3 =. 5 3 =.5 apf توجه شود که ميزان توان قراردادي توليدي توسط هر واحد در حالت ماندگار به کمک رابطه ٢۵ محاسبه مي شود : Pmi = cpf j ij PLj ٢۵ P P m m = =.5p MW =. p MW P m 4 =. 75 p MW, P m 3 =. p MW توان ۶ مقادير شکل در در هر واحد قراردادي توليدي در کننده کنترل بدون سيستم با روش رويتگر حالت مقايسه شود. مي مشاهده مرتبه کاهش نهاي ي مشخص است خروجي همانطور که در قراردادي که ٢ واحد توليدي در مي باشد. شرکت نکرده صفر نيز پاسخ ٨ و ٧ شکلهاي دو ناحيه فرکانس سيستم در اين شکلها در مشاهده مي شود. بر علاوه مقايسه منظور به بدون سيستم از حاصل نتايج کنترل روشهاي فيدبک حالت کامل بهينه و رويتگر حالت کاهش مرتبه با مشاهده اين نيز رسم شده اند. که ديناميک است شکلها مشخص قابل سيستم بدون کنترل بهبود همچنين در شکل ملاحظه اي يافته است. در ٩ پاسخ توان انتقالي سيستم و ٧ با شکلهاي شرايط مشابه به با توجه شده است. رسم ٨ مقدار اين شکل نيز مشخص است که Ptie در actal توان انتقالي واقعي مقدار توان حالت ماندگار به اي برنامه بين ناحيه انتقالي

8 freqency deviation in area Withot controller Redced-order abserver Fll-state feedback Ptie همگرا شده ريزي شده يا schedled تا در نهايت مقدار خطاي توان P در رابطه ٣ tie انتقالي error صفر گردد. Pm deviation Pm3 deviation Pm deviation Pm4 deviation شکل ۶ : خروجي هر توليد کننده در سيستم بدون کنترلنقطه چين در مقايسه با روش رويتگر کاهش مرتبهخط ممتد freqency deviation in area Withot controller Redced-order abserver Fll-state feedback شکل ٧: پاسخ فرکانسي ناحيه ١ سيستم بدون کنترل نقطه چين در مقايسه با رويتگر کاهش مرتبهخط ممتد و فيدبک حالتخط و نقطه شکل ٨: پاسخ فرکانسي ناحيه ٢ سيستم بدون کنترل نقطه چين در مقايسه با رويتگر کاهش مرتبخط ممتد و فيدبک حالتخط و نقطه Ptie deviation Withot controller Redced-order abserver Fll-state feedback شکل ٩: پاسخ توان انتقالي واقعي سيستم بدون کنترل نقطه چين در مقايسه با رويتگر کاهش مرتبه خط ممتدو فيدبک حالتخط و نقطه 6- نتيجه گيري: در اين مقاله سعي شد که با ديدگاهي واقعبينانه و عملي به بهب ود رفت ار دين اميکي م ساله کنترل بار- فرکانس در فضاي تجديدس اختار ش ده صن عت ب رق پرداختهشود. در اين مساله توجه به عدم دسترسي به برخي از متغيرهاي حالت سيستم حاي ز اهميت مي باشد. لذا با بکارگيري تخمينگر حالت کاهش مرتبه اين مشکل مرتفع گرديد. همچنين بر اساس شبيه سازي هاي انجام گرفته مشخص شد که با بکارگيري اين روش 46

9 رفتار در اي قابل ملاحظه بهبود حاصل شدهاست. سيستم ديناميکي مراجع: [] H. Saadat, Power System Analysis. USA: McGraw-Hill; 999. [] J.Kmar, Kah-Hoe Ng and G. Sheble," AGC Simlator for Price based Operation Part, II: A Model, Case Stdy Reslts ", IEEE rans. on Power Systems, vol., no., May [3] V. Donde, A. Pai and I. A. Hiskens, "Simlation and Optimization in a LFC System after Dereglation", IEEE rans. on Power Systems, vol. 6, no. 3, pp , Ag.. ۴] الياس رخشاني جواد ساده " کنترل ] چند ناحيه اي بار- فرکانس در فضاي رقابتي صنعت برق با روش کنترل فيدبک خروجي بهينه "بيست و دومين کنفرانس بين المللي برق ايران تهران ا بان ١٣٨٦. [5] H. Shayeghi, H. A. Shayanfar and A. Jalili, "Mlti-Stage Fzzy PID Power System Atomatic Generation Controller in Dereglated Environments", Energy Conversion and Management, vol. 47, pp , May. 6. [6] A. Khaki Sedigh, Modern Control Systems, University of ehran Press, 3. 47