Adaptive backstepping control based emegency scheme for improving transient stability of power systems with renewable energy sources
Yenilenebilir enerji kaynaklarıyla entegre güç sistemlerinde geçici kararlılığı kontrolu için uyarlanabilir geri adım kontrolü tabanlı acil durum düzeni
- Tez No: 738021
- Danışmanlar: PROF. DR. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 96
Özet
Elektrik enerjisine olan yüksek talep nedeniyle, modern güç sistemlerinin stresli yükleme koşulları altında çalışması daha yaygın hale geldi. Yenilenebilir enerji kaynakları (RES), güneş fotovoltaikleri (PV), rüzgar türbinleri vb. ve elektrik sisteminin dinamiklerini önemli ölçüde değiştirebilen karmaşık yükleri içeren modern güç sistemlerine dahil edilmiştir. Güç sistemi, elektrik gücü üretmek için birbirine bağlı senkron jeneratörler ve diğer enerji kaynaklarından oluşur. Elektrik şebekesinde ciddi bir arıza meydana geldiğinde, elektrik gücü beslemesi tehlikeye girebilir ve bu, düzeltici eylem seçilerek sağlanmalıdır. Geçici Durum Kararlılığı, güç sisteminin büyük bir arızadan sonra normal koşullarına dönme yeteneği olarak tanımlanır. Yükün aniden kaldırılması, hat değiştirme işlemleri nedeniyle sistemde meydana gelen büyük bozulmalar; sistemde arıza meydana gelmesi, bir hattın aniden kesilmesi vb. Geçici kararsızlıklar, sistemlerin dinamik güvenliği için önemli bir tehdit olan aşırı beklenmedik durumlardan sonra ortaya çıkar. Bu durumda jeneratörün rotor hızları ve rotor açıları aniden değişir, bu da elektrik gücünün hızlı değişmesine neden olur ve bu nedenle zor koşullarda sistem güvenliğini sağlamak elektrik mühendisliğinin en önemli görevlerinden biridir. Düzeltici kontrol, arızadan sonra uygulanır. Geçici kararlılık gibi acil durum kontrol şemaları uyarma kontrolü (TSEC), sistemin kararlılığını artırabilir. TSEC, jeneratörlerin uyarma sistemini kontrol ederek geçici kararlılığı artırır. Bu kontrol, bu tezde diğer yöntemlerle karşılaştırılan geleneksel uyarma kontrol tekniklerinden biridir. Acil durum kontrol şemalarının yanı sıra, Güç Sistemi Stabilizatörü (PSS), bir güç sistemindeki geçici rejimdeki salınımları azaltmak için uygun bir çözüm olabilir. Birbirine bağlı güç sisteminin kararlılığı, bir tür bozulmaya maruz kaldıktan sonra normal veya kararlı çalışmaya geri dönebilme yeteneğidir. Sürekli şekilde boyut olarak büyüyen ve geniş coğrafi bölgelere yayılan birbirine bağlı sistemlerle, güç sisteminin çeşitli bölümleri arasında senkronizasyonu sürdürmek giderek daha zor hale geliyor. Bu tezde, MATLAB/Simulink ile çok makineli sistemlerin geçici rejim kararlılığını inceleyeceğiz. Modern güç sistemlerinde, her biri birkaç jeneratör ve birçok yük içeren birçok birbirine bağlı üretim istasyonu bulunur. Bu yüzden çok makineli sistemi sunduk ve stabilitesi illüstrasyon ve çeşitli arızalar kullanılarak analiz edilecek ve arızaya da çözüm sağlanacaktır. Çok makineli bir güç sistemi, jeneratörler, türbinler, transformatörler, iletim hatları ve yüklerden oluşur. Bir güç sisteminin dinamiklerini tasarlamak için, diferansiyel cebirsel denklemler (DAE'ler) kümesi sayısal yöntemlerle çözülmelidir. Genel veya özel formdaki DAE'ler, çok gövdeli ve esnek gövde mekaniği, elektrik güç tasarımı, optimal kontrol, sıkıştırılamaz akışkanlar gibi mühendislik ve bilimden kaynaklanan çok çeşitli problemlerin matematiksel modellenmesinde ortaya çıkar. Newton-Raphson, Runge-Kutta gibi farklı sayısal yöntemlerle çözülebilir. Diferansiyel denklemler, senkron jeneratör ve türbin alanlar arası denklemleri içerir ve cebirsel denklemler, stator cebirsel denklemlerini ve şebeke denklemlerini içerir. Bu çalışmada, bir hız regülatörü tarafından kontrol edilen ve senkron jeneratörlere giriş için ilgili mekanik gücü üreten tandem bileşenli tek tekrar ısıtmalı bir buhar türbini ele alınmıştır. Senkron jeneratörler, ilgili elektrik gücünü yapmak için farklı doğruluk derecelerinde tasarlanabilir. Bu çalışmada, birinci dereceden uyarma sistemli (statik uyarıcı) ve uçuncu dereceden (akı-azalımlı) model senkron jeneratör ele alınmıştır. şebeke tarafı, iletim hatları, yükler ve diğer bileşenlerden oluşur. Bu çalışma, yenilenebilir enerji kaynaklarını eşit enjekte edilen gerçek ve reaktif güce sahip ilgili senkron jeneratör ile değiştirmektedir. Bu tezde, acil durumlarda güç sistemlerinin geçici kararlılığını iyileştirmek için Adaptif geri adım kontrolü (ABC) önerilmiştir. No. 118E184 TÜBİTAK projesinde ve yayınlanan makalemiz işbirliği çalışmaları ile tez problemi ve modelleme çalışmaları hizalanmıştır, oysa ABC tabanlı denetleyicinin geliştirilmesi bu tezin ana katkısıdır. Kontrol, senkron jeneratörlerin uyarma sistemine etki eder. ABC, belirsizlikleri olan doğrusal olmayan bir geri besleme uyarım kontrolüdür. Kontrol yasası, geçici kararlılığı iyileştirmek için doğrusallaştırma olmadan uyarlanabilir geri adım atma yaklaşımı kullanılarak özyinelemeli bir şekilde oluşturulabilir. Ciddi bir arıza meydana geldiğinde, Lyapunov fonksiyonu yaklaşımı, rotor açısının ve jeneratörün bağıl hızının yakınsamasını ve ayrıca jeneratör tarafından amaçlanan kontrolör ile sağlanan aktif elektrik gücünü analiz etmek için kullanılır. Bu çalışmada, güvenilir meta-sezgisel optimizasyon algoritmalarından biri olan Particle Swarm Optimization (PSO) kullanılarak ABC'nin parametreleri başarıyla ayarlanmıştır. Parçacık sürüsü optimizasyonu (PSO), ilk olarak 1995'te tanıtılan devrim niteliğindeki popülasyon tabanlı bir optimizasyon metodolojisidir. Bu stratejinin birçok faydası vardır. Basit, hızlı ve az depolama gereksinimi ile birkaç satırda programlanabilir. Hesaplamalı bilimde, parçacık sürüsü optimizasyonu (PSO), belirli bir kalite ölçüsüne göre aday bir çözümü yinelemeli olarak iyileştirmeye çalışarak bir sorunu optimize eden bir hesaplama yöntemidir. Bir problemi, burada parçacıklar olarak adlandırılan bir aday çözümler popülasyonuna sahip olarak ve bu parçacıkları arama uzayında basit matematiksel formüle göre parçacığın konumu ve hızı üzerinde hareket ettirerek çözer. Her parçacığın hareketi, yerel olarak en iyi bilinen konumundan etkilenir, ancak aynı zamanda, diğer parçacıklar tarafından daha iyi konumlar bulundukça güncellenen arama uzayındaki en iyi bilinen konumlara doğru yönlendirilir. Bunun sürüyü en iyi çözümlere doğru hareket ettirmesi bekleniyor. PSO, çözüm uzayında en iyi çözümü arayan biyo-ilhamlı bir algoritmadır. Diğer optimizasyon tekniklerinden, sadece amaç fonksiyonu gerektirmesi ve amacın gradyanına veya herhangi bir diferansiyel formuna bağlı olmaması bakımından farklıdır. Bu nedenle, ABC için en iyi parametreleri aramak için uygun bir seçimdir. Öncelikle çok makineli bir güç sisteminin tasarımı detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Bu bölümde jeneratörler ve türbinler ile ilgili denklemler detaylandırılmıştır. şebeke kabul matrisinin yapısı ve şebeke içindeki verileri gösteren indirgenmiş kabul matrisi tartışılmıştır. Ek olarak, PSS ve onun ayarlama yöntemleri, PSO'nun netleştirilmesiyle birlikte ele alınmaktadır. Bu bölümün sonunda ilgili blok diyagramları ile RES'in güç sistemine enjeksiyonu gösterilmektedir. Tezin geri kalanında, ABC'nin tasarım prosedürü dört adımda kapsamlı bir şekilde açıklanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Due to the high demand for electrical energy, operation of modern power systems under stressed loading conditions have become more common. Renewable energy sources are incorporated into modern power systems (RES) that include solar photovoltaics (PV), wind turbines, etc., and complex loads that can considerably alter the electrical system's dynamics. The power system comprises synchronous generators and other energy sources linked together to generate electrical power. When a severe disturbance on the electrical grid occurs, the supply of electrical power may be endangered, and this must be ensured by selecting the corrective action. Transient instabilities occur after extreme contingencies, which are a significant threat to the dynamic security of systems. In this condition, the generator's rotor speeds and rotor angles change suddenly, which causes quick altering of electrical power, and therefore, maintaining system security in tricky conditions is one of the crucial tasks in electrical engineering. The corrective control is applied after disturbance. Emergency control schemes, such as transient stability excitation control (TSEC), can improve the system's stability. TSEC enhances transient stability by controlling excitation system of generators. This control is one of the conventional excitation control techniques that is compared with other methods in this thesis. Besides the emergency control schemes, Power System Stabilizer (PSS) can be a proper solution to decrease the oscillations in a power system in the transient period. A multi-machine power system consists of generators, turbines, transformers, transmission lines, and loads. To design the dynamics of a power system, the set of differential-algebraic equations (DAEs) should be solved with numerical methods. Differential equations include synchronous generator and turbine inter-area equations, and algebraic equations include stator algebraic equations and network equations. In this study, a tandem-compound single-reheat steam turbine controlled by a speed governor is considered, and it produces the related mechanical power for inputting to synchronous generators. Synchronous generators can be designed with different degrees of accuracy to make the related electrical power. In this study, the 3th order (flux-decay) model synchronous generator with the first-order excitation system (static exciter) is regarded. The network side consists of transmission lines, loads, and other components. This study replaces RES with the related synchronous generator with equal injected real and reactive power. In this thesis, Adaptive backstepping control (ABC) is proposed to improve the transient stability of power systems during emergency conditions. The thesis problem and the modeling studies are aligned with the studies of collaboration in the TUBITAK project no. 118E184 and in our published paper, whereas the development of ABC-based controller is the main contribution of this thesis. The control acts on the excitation system of synchronous generators. ABC is a nonlinear feedback excitation control with uncertainties. The control law can be constructed in a recursive manner using the adaptive backstepping approach without linearization to improve transient stability. When a severe fault occurs, the Lyapunov function approach is used to analyze the convergence of the rotor angle and relative speed of the generator, as well as the active electrical power provided by the generator with the intended controller. In this work, the parameters of ABC are successfully tuned using Particle Swarm Optimization (PSO), which is one the reliable meta-heuristic optimization algorithms. PSO is a bio-inspired algorithm that discovers the best solution in the solution space. It differs from other optimization approaches in that it just requires the objective function and does not rely on the gradient or any differential form of the objective. Therefore, it is an appropriate choice for searching the best parameters for the ABC. First of all, the design of a multimachine power system is discussed in a detailed manner. In this part, the related equations about generators and turbines are elaborated. The construction of the network admittance matrix and the reduced admittance matrix that shows the inside network data are discussed. In addition, PSS and its tuning methods are considered with clarification of PSO. At the end of this section, the injection of RES into the power system with related block diagrams is shown. In the rest of the thesis, the design procedure of ABC is explained in four steps comprehensively.
Benzer Tezler
- Nonlinear and intelligent control based controller design for nonlinear systems
Doğrusal olmayan sistemler için doğrusal olmayan ve akıllı yöntemlere dayalı denetleyici tasarımı
FADI ALYOUSSEF
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDicle ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM KAYA
- Sabit güçlü yüklere sahip doğru akım mikro şebekelerde öğrenme tabanlı gerilim regülasyonu
Learning-based voltage regulation in direct current micro-grids with constant power loads
MUSTAFA GÜNGÖR
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDicle ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET EMİN ASKER
- Sürekli mıknatıslı senkron motorun doğrusal olmayan ve uyarlamalı geri adımlı hız denetimi
Nonlinear and adaptive backstepping speed control of permanent magnet synchronous motor
MURAT KARABACAK
Doktora
Türkçe
2012
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya ÜniversitesiElektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HALİL İBRAHİM ESKİKURT
- Improving curving performance of monorail vehicle by using semi active dampers
Monoray taşıtlarının viraj dinamiklerinin yarı aktifsönümleyiciler ile iyileştirilmesi
ALİ SUAT YILDIZ
Doktora
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELİM SİVRİOĞLU
- Eyleyici, sensör hatalarına ve parametre belirsizliklerine sahip mobil robotların uyarlamalı hata tolerans kontrolü
Adaptive fault tolerant control of mobile robots having actuator, sensor faults and unknown parameters
MUSTAFA AYYILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT TİLKİ