Model predictive control based emergency scheme for power systems transient stability using state and parameter estimation via immersion and invariance
Güç sistemler için model öngörülü kontrol yapısı ile geçici kararlığı sağlama ve daldırma ve değişmezlik yaklaşımı ile durum ve parametre kesitimi
- Tez No: 658565
- Danışmanlar: DOÇ. DR. YAPRAK YALÇIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Artan güç talebi ve dağıtık üretimin şebekelere entegrasyonu ile modern güç sistemleri daha büyük ve daha karmaşık hale geldi. Güç sistemleri enerji talebini karşılamak için, birbirine bağlı bir dizi senkron jeneratör ve diğer enerji kaynaklarından oluşur. Aynı şebekeye bağlı olan senkron jeneratörler birbirleri ile senkronize bir şekilde çalışırlar. Bazen güç sistemleri kısa devre arızası gibi düzeltici bir eylemin yokluğunda sistemin kararlılığını etkileyen kesintilere maruz kalır. Bundan dolayı, güç sistemi güvenliğini artırmak ve kararlılığı sürdürmek popüler bir araştırma konusu olmuştur. Büyük çaplı arızalardan sonra meydana gelen geçici hal kararsızlıkları, güç sistemlerinin dinamik güvenliği için büyük bir tehdittir. Böyle bir durumda sistem, elektrik gücünde ani ve hızlı bir değişime tanık olur. Bu durum jeneratörlerin rotor hızlarında ve ivmelerinde hızlı bir değişime yol açar. Bu tür kararsızlıklar, arızalardan önce önleyici faaliyetler ile veya sistem arıza durumuna girerken düzeltici faaliyetler ile önlenmelidir. Acil durum kontrolü, giriş mekanik gücü ile çıkış elektrik gücü arasında denge sağlamak için gerçek zamanlı olarak bir düzeltici kontrol eylemine sahip olunan birincil frekans düzenleme sınıfına aittir. Geçici hal kararlılığı artıran bazı yaygın kontrol yaklaşımları hızlı valflemeyi içerir. Hızlı valfleme, jeneratörlerin giriş mekanik gücüne etki eden etkili bir açık döngü kontrol yaklaşımıdır. Hızlı valflemede, aktarılan mekanik gücü hemen azaltmak ve çıkış elektrik gücündeki düşüşü telafi etmek için intersept valfleri hızla kapatılır. Intersept valfleri bir süre kapalı tutulduktan sonra yeniden açılırlar. Bununla birlikte, açık döngü kontrol şemaları bazı durumlarda etkili olmayabilir, bu nedenle kapalı döngü kontrol yöntemlerine ihtiyaç duyulur. Kısıtlamalara sahip sistemlerin kontrolünde kısıtlamaları ele alan kontrol yöntemleri dikkate alınmalıdır. Model öngörülü kontrol (MPC), endüstriyel kontrol ve kimyasal işlemler gibi birçok disiplinde uygulanan güçlü bir model tabanlı kontrol yaklaşımıdır. Bununla birlikte, MPC hem tek girişli tek çıkışlı (SISO) hem de çok girişli çok çıkışlı (MIMO) sistemleri yönetir ve kontrol girişi ve çıkışlar üzerindeki kısıtlamaları açık bir şekilde ele alır. MPC, gelecekteki durumları tahmin etmek için sistem modelini kullanır ve optimal bir kontrol yasası oluşturmak için uygun bir ikinci dereceden maliyet fonksiyonunu minimize eder. Model tabanlı kontrolcü tasarımlarını değerlendirirken, iyi bir kontrol performansı elde etmek için sistemin doğru bir modeline sahip olmak son derece önemlidir. Modellenmemiş sistem dinamikleri, kontrol yasasının etkinliğini etkileyebilecek gecikmelere sahiptir. MIMO sistemleri için ekonomik bir yaklaşım, ölçümlerin toplanıp kontrol yasasını oluşturmak için tek bir kontrolöre teslim edilmesidir. Başka bir yaklaşım, yerel geri bildirim sinyallerinin kontrol yasasını oluşturmak için kontrolöre beslendiği her tesis için merkezi olmayan bir kontrolör uygulamak olacaktır. Ancak, tüm tesisten ölçümleri alan bir sistemin uygulanması, bir iletişim hatası olması durumunda güncellenmesi pahalı ve riskli olabilir. Bu nedenle, bu tezde, senkron jeneratörler, intersept valflerinin konumlarını değiştirmek ve güç sistemi kritik arızalara maruz kaldığında geçici hal kararlılığını artırmak için merkezi olmayan MPC denetleyicileri ile donatılmıştır. Öte yandan, kontrol valfleri türbin hız regülatörü tarafından çalıştırılır. Durum tahmini, bazı durumların pratikte doğrudan ölçümler için mevcut olmadığı gerçek zamanlı kontrolde önemli bir unsur olmuştur. Ayrıca, çevresel bozucu etkiler ve/veya diğer değişen koşullar nedeniyle parametre belirsizliklerinin varlığında kesin bir model elde etmek neredeyse imkansızdır. Immersion and Invariance (I&I), parametre, durum ve bozulma tahmini için Astolfi ve diğerleri tarafından geliştirilen yeni bir uyarlamalı kontrol aracıdır. I&I, bir serbest fonksiyon ve serbest dinamik ağırlık matrisini tahmin edilen varlıklarla ilişkilendirerek tahmin hata dinamiklerinin şekillendirilmesine izin verir. Sonuç olarak, bu tezde ölçülemez durumları ve belirsizliklerle ilişkili parametreleri tahmin etmek için I&I aracı kullanılmıştır. İlk olarak, afin doğrusal zamanla değişmeyen ölçülebilir düzensizlikler barındıran durum uzayını kullanan örtük model öngörücü kontrolün kapsamlı bir açıklaması sunulmaktadır. Daha sonra, çok makineli güç sistemlerinin modellenmesi ve hızlı valfleme anlatılır. Daha sonra, önerilen merkezi olmayan model öngörülü kontrole dayalı acil durum kontrol şeması sunulmuştur. Tasarım aşamasında, valflerin mekanik aktivasyonu ve türbin iç dinamikleri ile birlikte yalnızca klasik bir senkron jeneratör modelinin salınım denklemleri dikkate alınır. Sistem daha sonra, yalnızca yerel geri bildirim sinyallerine dayanan merkezi olmayan bir mimarinin uygulanmasına izin vermek için rotor açıları üzerinde açık bir kısıtlama kullanılarak ayrıştırılır. Ayrıca, sistemin ara bağlantılarını modelleyen çıkış elektrik gücü, tasarım aşaması boyunca ölçülebilir bir bozulma olarak kabul edilir. Daha sonra kullanılan I&I durum ve parametre kestiricisi açıklanır ve jeneratörlerin rotor açılarının ve atalet sabitlerinin değerlerini tahmin etmek için jeneratör modeline uyarlanır. Tezin sonunda simülasyon sonuçları verilmektedir. İlk olarak, kestiriciler test edilir ve sonuçlar kestiricilerin hem rotor açılarını hem de eylemsizlik sabitlerini tahmin etmede etkili olduğunu gösterir. İkinci olarak, kontrol şeması IEEE 3-jeneratör 9-bara sisteminde test edilir. Bu sistem için üç test durumu dikkate alınır (test durumu I, II, and III). Birinci senaryoda, güvenli olmayan bir arıza seçilir ve sisteme anlık ve sürdürülebilir hızlı valfleme uygulanır. Ardından, MPC denetleyicileri test edilir ve MPC denetleyicilerinin geçici hal kararlılığını artırmada daha iyi bir yanıt sağladığı gösterilir. İkinci senaryo, mekanik çalıştırmanın etkilerini modelleme/modellemeden çıkarma ve türbin dinamikleri çalışmalardır. Sistemin iç dinamiklerinin modellenmemesinin kontrol yasasının etkinliğini zayıflattığı görülmektedir. Ayrıca, üçüncü senaryo, herhangi bir yeniden tasarım gerektirmeden, sistem farklı yükleme koşullarıyla ilişkilendirildiğinde bile kontrol şemasının aynı hataya karşı sağlamlığını göstermektedir. Aynı kontrol şeması ayrıca IEEE 10-jeneratör 39-bara sisteminde test edilmiştir. Bu sistemde, ilk jeneratör gerçek tekil bir jeneratör olmayıp bir bölgedeki birkaç jeneratörü temsil eder. Bu nedenle, bu jeneratöre hiçbir kontrol işlemi uygulanmamıştır. Bu sistem için üç test durumu dikkate alınır (test durumu IV, V, and VI). Dördüncü senaryoda, güvenli olmayan bir arıza üzerinde hızlı valfleme ile MPC karşılaştırılmış ve yine MPC'nin hızlı valflemeden daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. Dahası, bu senaryoda sisteme başka bir arıza da uygulanmış ve MPC denetleyicisinin farklı arızalara karşı gürbüzlüğü gösterilmiştir. İlk dört senaryoda, tüm jeneratörler, gerçek uygulamalarda maliyetli olan bir MPC denetleyicisi ile donatılmıştır. Bu nedenlebeşinci senaryoda, acil durum kontrol prosedürüne katılmak için yalnızca 3 jeneratör seçilirken diğerleri türbin hız regülatörü tarafından çalıştırılır. Simülasyon sonuçları, acil durum kontrol prosedürüne katılmak için birkaç jeneratör seçildiğinde bile kontrol planının etkinliğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
With the increasing demand for power and the integration of distributed energy sources in grids, modern power systems have become larger and more complex. Power systems consist of a set of synchronous generators and other energy sources that are interconnected to supply electrical power. A fundamental property of interconnected synchronous generators is their ability to operate in a synchronized manner. In some cases, power systems are exposed to disturbances, also referred to as contingencies (e.g. short circuit), that affect the system's stability in the absence of a corrective action. Hence, enhancing power system security and maintaining stability has been a popular research topic. Transient instabilities occurring after severe contingencies are a great threat to the dynamic security of power systems, where the system witnesses a sudden fast change in the electrical power leading to a rapid change in the generators' rotor speeds and accelerations. Such instabilities must be prevented either by taking actions before contingencies or by taking corrective actions as the system enters into an emergency state. Emergency control belongs to the primary frequency regulation class in which a corrective control action is possessed in real-time to balance between the input mechanical power and the output electrical power. Some common control approaches that enhance transient stability include fast valving. Fast valving is an effective open-loop control approach acting on the input mechanical power of the generators. During fast valving, the intercept valves are rapidly closed to immediately decrease the injected mechanical power and compensate for the drop in the output electrical power. After keeping the intercept valves closed for a while, they are once again reopened. However, open-loop control schemes may not be effective in some cases, therefore, the need for closed-loop control methods arises. When dealing with systems with constraints, the control methods that address constraints must be considered. Model predictive control (MPC) is a powerful model-based control approach that has been applied in many disciplines such as industrial control and chemical processes. Moreover, MPC handles both single-input single-output (SISO) and multiple-input multiple-output (MIMO) systems and explicitly addresses constraints on states, control input, and outputs. MPC utilizes the system model to predict the future states and minimizes a proper quadratic cost function to generate an optimal control law. When considering model-based controller designs, it is extremely important to have an accurate model of the system in order to achieve a good control performance. Unmodeled system dynamics possess delays that can affect the effectiveness of the control law. For MIMO systems, an economical approach would be implementing a single controller for the whole system in which measurements are collected and delivered to the controller to generate the control law. Another approach would be implementing a decentralized controller for each plant where local feedback signals are fed to the controller to generate the control law. However, implementing a system that extracts measurements from the whole plant might be expensive to update and risky in case a communication error occurs. Thus, in this thesis, synchronous generators are equipped with decentralized MPC controllers to alter the positions of the intercept valves and enhance transient stability when the power system is subjected to critical contingencies. On the other hand, the control valves are operated by the turbine speed governor. State estimation has been a major element in real-time control where some states are not available for direct measurements in practice. Also, obtaining a precise model is almost impossible in the existence of parameter uncertainties due to environmental disturbances and/or other changing conditions. Immersion and Invariance (I&I) is a recent adaptive control tool developed by Astolfi et al. for parameter, state, and disturbance estimation. I&I allows the shaping of the estimation error dynamics by associating a free function and free dynamic weighting matrix to the entities being estimated. As a consequence, this thesis utilized the I&I tool to estimate unmeasurable states and parameters associated with uncertainties. First of all, a throughfall explanation of implicit model predictive control using affine linear time-invariant state space with measurable disturbances is presented. Then, the modeling of multi-machine power systems and fast valving are described. Next, the proposed decentralized model predictive control-based emergency control scheme is presented. In the design phase, only the swing equations of a classical synchronous generator model are considered along with the valves' mechanical actuation and turbine internal dynamics. The system is then uncoupled using an explicit constraint on the rotor angles to allow the implementation of a decentralized architecture that relies on local feedback signals only. Moreover, the output electrical power, modeling the interconnections of the system, is considered as a measurable disturbance throughout the design phase. The utilized I&I state and parameter estimator is explained afterwards and adopted to the generator model to estimate the values of the generators' rotor angles and the inertia constants. Simulation results are provided at the end of the thesis. Firstly, the estimators are tested and the results show that the estimators are efficient in estimating both the rotor angles and inertia constants. Secondly, the control scheme is tested on the IEEE 3-generator 9-bus system. For this system, three test cases are considered (Test Case I, II, and III). In Test Case I, an insecure contingency is chosen, and momentary and sustainable fast valving are applied to the system. Then, the MPC controllers are tested and it is shown that the MPC controllers provide a better response in enhancing transient stability. In Test Case II, the effects of modeling/unmodeling the mechanical actuation and turbine dynamics are studies. It is observed that unmodeling the system's internal dynamics weakens the effectiveness of the control law. Moreover, Test Case III illustrates the robustness of the control scheme to the same fault even when the system is associated with different loading conditions without requiring any redesign. Moreover, the same control scheme is tested on the IEEE 10-generator 39-bus system. In this system, the first generator is not a real generator, but it represents a set of synchronous machines in an area. So, no control action is applied to this generator. For this system, three test cases are considered (Test Case IV, V, and VI). In Test Case IV, an insecure contingency is chosen and the comparison between fast valving and MPC is demonstrated. Once again, the MPC controllers show better performance than fast valving. Furthermore, in Test Case V, another insecure contingency is applied to the system and the robustness of the MPC controllers to different contingencies is validated. In the previous test cases (I to V), all the generators are equipped with an MPC controller, which is expensive in real applications. For this reason, in Test Case VI, only 3 generators are selected to participate in the emergency control procedure while the others are operated by the turbine speed governor. Simulation results indicate the effectiveness of the control scheme even when few generators are selected to participate in the emergency control procedure.
Benzer Tezler
- An artificial neural network based emergency controller to improve transient stability in power systems
Güç sistemlerinde geçici kararlılığı artırmak için yapay sinir ağı tabanlı acil durum kontrolörü
KASRA MONTAKHABI OSKOUEI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ
- Data-driven prediction and emergency control of transient stability in power systems towards a risk-based optimal power flow operation
Güç sistemlerinde risk tabanlı optimal güç akışı işletimineyönelik geçici hal kararlılığın veri güdümlü tahmini veacil durum kontrolü
SEVDA JAFARZADEH
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ
- Design and implementation of a torque-based predictive steering assistance for human-centered and safe automated driving
İnsan-merkezli ve güvenli otomatik sürüş için tork tabanlı öngörümlü direksiyon yardımcı sisteminin tasarımı ve gerçeklenmesi
ZİYA ERCAN
Doktora
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN GÖKAŞAN
- Kredi kartları riskleri ve güvenlik önlemlerinin sigortacılık açısından incelenmesi
Research on the risks of credit cards and security implementations in the view of insurance
AYŞEGÜL BÖLÜKBAŞI
- Füze kontrol tahrik sistemi yüksek sıcaklık bölgelerinin peltier modülleri ile soğutulması
Cooling of high temperature zones of missile control actuation system with peltier modules
BERK BOYRAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT YAŞAR