انجام پروژه های حرفه ای مهندسی برق

بیان مقدمه و اهداف پروژه(طراحی بهینه پایدارساز سیستم قدرت)

در این پروژه سیستم قدرت به صورت شین بی نهایت در نظر گرفته شده است که در آن می تواند سناریوهای خطای سه فاز متقارن ، سه فاز غیرمتقارن ، خطای تکفاز ، خطای دو فاز و همچنین پیشامدهایی مانند افزایش بار یا قطع منبع تولید پراکنده (DG) رخ دهد. هدف اصلی در این پایان نامه بهینه سازی پارامترهای پایدارساز سیستم قدرت ترکیب شده با ادوات FACTS سری نظیر TCSC و موازی نظیر SVC به منظور کاهش هر چه بیشتر نوسانات حالت گذرا می باشد که به این منظور از سه نوع الگوریتم هوشمند ژنتیک(Genetic Alg) ، الگوریتم اجتماع ذرات یا پرندگان(PSO) و الگوریتم پیشرفته تجمع ذرات (CPSO) استفاده شده است.

توضیحات کلی

مشخصا وقوع پدیده های خطا در سیستم قدرت باعث بروز نوسانات حالت گذرا در شبکه می شود(به شرط پایداری سیستم) که این نوسانات به دلیل وجود قطب های نزدیک به مبدا در مدل بدست آمده برای سیستم می باشد. سیستم تحریک (excitation system) بکار رفته در شبکه قدرت از لحاظ دینامیکی با ارسال توان پشتبان در شبکه که از طریق فرمان به ماشین آسنکرون اعمال می شود باعث می شود تا پایداری اولیه در شبکه قدرت از لحاظ دینامیکی حفظ شود و متغیرهای اساسی سیستم دینامیکی همچون زاویه توان ، سرعت روتور ماشین سنکرون(فرکانس زاویه ای) و مولفه ولتاژ شبکه در حد معین (کمتر از آستانه ناپایداری) باقی بمانند. این حد آستانه که برای زاویه توان در حدود 100 درجه و برای سرعت زاویه ای در حدود 0.02 پریونیت از مقدار 1 واحد می باشد براساس عملکرد ادوات امنیتی در شبکه سنجیده می شود.

کاهش نوسانات ، بالازدگی و زمان نشست سیستم به عنوان با اهمیت ترین مسائل در پایداری دینامیکی شبکه قدرت می باشند. به این منظور در این پروژه پایان نامه انجام شده از یک ترکیب سیستم تحریک متصل به پایدارساز سیستم قدرت ، ادوات FACTS سری از نوع TCSC و موازی از نوع SVC به این منظور استفاده شده است که شماتیک کلی آن در شکل زیر نشان داده شده است:

سیستم تک ماشینه مجهز به پایدارساز سیستم قدرت و ادوات FACTS

در این پروژه فرآیند طراحی براساس مقادیر ویژه سیستم و با در نظرگیری معادلات فضای حالت سیستم بیان شده است. به این منظور ابتدا لازم است تا مدل دقیق فضای حالت سیستم استخراج شود. به این منظور از مدل غیرخطی سیستم تحریک متصل به ماشین سنکرون در حضور پایدارساز سیستم قدرت استفاده شده است که در کتب مرجع دینامیک سیستم های قدرت بیان شده است(مدل دینامیکی با سه متغیر حالت زاویه فرکانسی ، سرعت زاویه ای و مولفه ولتاژ). شماتیک سیستم تحریک به همراه پایدارساز سیستم قدرت در زیر نشان داده شده است.

شماتیک سیستم تحریک به همراه پایدارساز سیستم قدرت

علاوه بر این نیاز است تا از مدل ادوات FACTS در این مدلسازی کلی استفاده شود.  بطور کلی ادوات FACTS مورد مطالعه دارای یک مدل حلقه بسته می باشند که در فیدبک از سیگنال خطای فرکانسی به منظور تولید نیروی کنترلی مورد نیاز برای بهبود رفتار سیستم ایجاد می شود. شکل زیر شماتیک این سیستم کنترلی را برای ادوات FACTS موازی از نوع SVC نشان می دهد.

شماتیک سیستم حلقه بسته برای SVC

همچنین برای ادوات FACTS سری از نوع TCSC که به صورت یک امپدانس هوشمد متصل شده در خط مدل می شود نیز به صورت مدل یک سیستم حلقه بسته می باشد. این شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.

شماتیک سیستم حلقه بسته برای مدل TCSC

مدل نهایی بدست آمده برای سیستم مورد مطالعه دارای 15 متغیر حالت می باشد که مشخصا تعداد مقادیر ویژه آن به تعداد 15 متغیر ویژه خواهد بود. در حالت کلی در بررسی پایداری دینامیکی سیستم های قدرت مطلوب مسئله بدست آوردن زاویه توان در محدوده نقطه کار که در حدود 45 درجه بوده و همچنین سرعت فرکانسی یک پریونیت می باشد که در خروجی سیستم مقدار ولتاژ 1 پریونیت و توان کامل را دریافت کنیم . به همین منظور مسئله طراحی برای این سیستم به صورت پایدارسازی تعریف می شود، پایدارسازی در بحث سیستم های کنترل به صورت پایدارسازی مقدار اولیه متغیرهای سیستم (به مفهوم توانایی سیستم کنترل در صفر کردن مقادیر اولیه سیستم نظیر زاویه توان و سرعت فرکانسی) و همچنین توانایی سیستم در رد اغتشاش خارجی می باشد. این اغتشاش خارجی به صورت خطاهای وارد بر شبکه نظیر خطای سه فاز متقارن تعریف می شود.

بیان الگوریتم کار

به منظور پیاده سازی فرآیند بهبود نوسانات حالت گذرای سیستم قدرت ابتدا سیستم کلی شامل 15 معادله حالت خطی سازی شده و ماتریس حالت سیستم (ماتریس A) از آن استخراج شد، علاوه بر این با بدست آوردن ماتریس (B) سیستم کنترل را به مدل متصل نمودیم.(توجه می شود که به منظور خطی سازی از روش ژاکوبین استفاده شده است)، پس از این مرحله با بدست آوردن مقادیر ویژه سیستم نسبت به تعریف یک تابع هزینه براساس مجموع بخش های حقیقی مقادیر ویژه اقدام شد که با توجه به اینکه این مجموع هر چه بزرگتر باشد پایداری سیستم بهتر می شود، عکس آن را به عنوان تابع هزینه در نظر گرفتیم.

در مرحله با تعریف پارامترهای مسئله که شامل بهره های مورد نظر برای پایدارساز سیستم قدرت(PSS) ، بهره سیستم تحریک، بهره های ادوات FACTS و همچنین پارامترهای طراحی برای فیلترهای بالاگذر و پایین گذر تمامی بلوک های بکار رفته می شود، نسبت به تعریف یک مسئله بهینه سازی اقدام نمودیم. سپس از الگوریتم های ژنتیک ، تکامل ذرات(PSO) و نوع پیشرفته آن(CPSO) برای مقداریابی بهینه این متغیرها استفاده کردیم .

شبیه سازی کار پروژه(به منظور آموزش بخش های شبیه سازی می توانید به بخش آموزش مراجعه کیند)

به منظور شبیه سازی کار از نرم افزار متلب(Matlab) استفاده شده است. به همین منظور از محیط کدنویسی و سیمولینک آن و در ارتباط با یکدیگر برای جایگذاری دینامیک سیستم ، کدنویسی الگوریتم های بهینه ساز و دریافت خروجی های سیستم استفاده کردیم .

به طور مشخص شبیه سازی سیستمی که به منظور انجام فرآیند بهینه سازی می باشد جدای از بخش تست مقادیر بدست آمده خواهد بود. به منظور تست سیستم نیاز است تا دینامیک جایگذاری شده به همراه پارامترهای بدست آمده از بخش بهینه سازی مقدارگذاری شده و پاسخ سیستم بدست آید. در ادامه کار پاسخ های بدست آمده از شبیه سازی را ملاحظه می کنید.

نمودار تابع هزینه بدست آمده از بهینه سازی مسئله از طریق الگوریتم CPSO

یکی دیگر از پارامترهای مهم در طراحی پایدارساز سیستم قدرت، مقادیر فیلتر می باشد که به صورت زیر بدست آمده است.

مقدار بدست آمده برای پارامتر فیلتر بلوک دیاگرام های مسئله از بهینه سازی

نهایتا به همراه این مقادیر و سایر مقادیر بهینه بدست آمده در برنامه نسبت به شبیه سازی سیستم کلی شامل پایدارساز و ادوات FACTS اقدام می شود که نتیجه آن در حالت مقایسه به صورت شکل زیر می باشد.

نتیجه حاصل از شبیه سازی برای خروجی سرعت فرکانسی(فرکانس سیستم قدرت)

برای انجام پروژه ها و شبیه سازی پایان نامه های مشابه و بهینه سازی توابع هزینه می توانید از روند معرفی شده در این برنامه استفاده کنید. توجه کنید که در کارهایی مشابه ممکن است از سیستم های غیرخطی استفاده شود که در صورت پایداری سیستم محدودیتی در بکارگیری این روش برای این نوع از سیستم ها وجود ندارد.

سایر بخش های کار

در ادامه کار به منظور بهبود بیشتر رفتار خروجی سیستم قدرت در مواقع خطا از سیستم پایدارساز فرکانسی چندناحیه ای(مولتی باند PSS) استفاده شد(Multi-Band-PSS) . این پایدارساز به صورت موضعی و بنابر رفتار فرکانسی پاسخ سیستم نسبت به پایدارسازی سیستم استفاده می کند و در سه ناحیه پایین گذر، میان گذر و بالاگذر نسبت به پایدارسازی رفتار نوسانی حالت گذرای سیستم اقدام می کند. بلوک آماده سیستم پایدارساز چند ناحیه ای در متلب موجود است