ميزان‌سازي تنظيم كننده‌هاي ولتاژ ژنراتورهاي سنكرون با به كارگيري مدل ژنراتور درون خطي (on-line generator)

چكيده
تنظيم، رگولاتورهاي ولتاژ اتوماتيك براي كنترل ولتاژ ژنراتورهاي يك سيستم قدرت در بسياري وضعيت ها براي حالت مدار باز يك ژنراتور سنكرون انجام شده است. معادلات اساسي ماشين هاي الكتريكي و همچنين اندازه گيري هاي دقيق نشان داده است كه AVR ها در حالتي كه به شبكه متصل هستند و تحت بار نامي كار مي كنند بكلي رفتار متفاوتي نسبت به حالتي كه مدار باز هستند از خود نشان مي دهند. اين مقاله روشي را براي تنظيم يك AVR تحت بار نامي ارائه ك

رده و سپس مقايسة حالت گذرا را در ولتاژ ترمينال در حالت متصل به شبكه و open-circuit مي پردازد.
موضوع مورد مطالعه نصب يك ژنراتور در calgorcg ، Canada بود و در آن مشاهده كرديم كه هنگامي كه يك AVR را در حالتي كه به شبكه متصل است تنظيم مي كنيم بهبودي بيشتري در ميرايي حالت گذرا حاصل مي شود. همچنين در اين حالت در انتقال توان نيزف ميرايي بيشتري در در حالت گذرا حاصل مي شود.

۱٫ مقدمه
در بسياري از مواقع، رگولاتورهاي ولتاژ در نيروگاه ها براي ايجاد ميرايي قابل توجه براي شرايط گذرا در حالت مدار باز نصب مي شوند، در بسياري از مواقع، در اين رويه ميزان سازي لازم است كه ابتدا هم خود AVR و هم ژنراتور سنكرون را بر روي يك كامپيوتر آنالوگ و يا ديجيتال مدل كنيم (همانند شكل ۱) تنظيمات مربوط به AVRها معمولاً در نيروگاه و در حين تصدي فازهاي ژنراتور و كنترل كننده ها، انجام مي گيرد.

شكل ۱) بلاك دياگرام مربوط به مدل مدار باز يك ژنراتور به منظور تنظيم AVR ها
با كمي تلاش مي توان اي ن روش تنظيم سازي در شرايط مدار باز را به گونه اي به كار بريم كه بتوانيم با كمك آن AVR ها را تحت بار نيز تنظيم كنيم. اگر AVR هاي مدار باز تأثير منفي بر روي عملكرد سيستم هنگام فعاليت در حالت مدار بسته نداشته باشد نيازي به اعمال تغيير بر روي تنظيمات AVR نداريم اما اگر نوسانات سيستم همچنان تداوم داشته باشد، هنگامي كه بار ژنراتور در حال كاهش است و يا هنگامي كه يك خط اتصال و يا يكي از بارها غالب هستند. آنگاه اين به منزلة تنظيم نبودن AVR مي باشد در چنين شرايطي معمولاً بواسطه چندين فيدبك حول ژنراتور سعي در پايدارسازي سيستم مي‌كنند. اين فيدبك ها كه مشتمل بر پايدارسازي هاي قدرتي هستند در سال‌هاي اخير عنوان بسياري از مقالات در اين زمينه بوده كه از بين آنها نتايج بسياري قدرتي هستند در سالهاي اخير عنوان بسياري از مقالات در اين زمينه بوده كه از بين آنها نتايج بسيار مثبتي نيز اخذ شده كه بكارگيري آن نتايج در هنگام نوسانات سيستم و يا مواقعي كه مسأله تداخل مشكلاتي را در سيستم قدرت ايجاد نموده بسيار سودمند بوده است.
اولين سوالي كه معمولاً به ذهن خواننده مي رسد اين است كه آيا در شرايطي كه با مدل هاي سنتي تنظيم AVR ها سروكار داريم، تنظيم يك AVR تحت بار مي توان سبب بهبود ميرايي گردد و يا مي تواند پايداري ژنراتور را در حالت بي باري متضمّن شود؟ اين نوشتار سعي بر آن دارد كه به اين سوال در نمونه عملي از كاربرد يك AVR ايستا (STATIC) بر روي يك خط ۴۰۰ MW در نيروگاه Canada , Calgary پاسخ دهد. در ابتدا روشي براي تعيين مدل ژنراتور خط از دو سر AVR ارائه مي كنيم، از اين مدل براي تحقيق در مورد وضعيت ها و حالات مختلف AVRها استفاده مي كنيم. و از شيوه ROOT LOCUS براي تعيين تأثيرات بر روي حالت گذراي سيستم هنگام تنظيم مجدد AVRه

ا استفاده مي كنيم و سرانجام بين حالت گذراي ايجاد شده در اين روش و حالت گذراي ايجاد شده در روشي كه AVRها در تحت شرايط مدار باز تنظيم مي شوند مقايسه اي صورت مي دهيم. كنترل كننده هاي پيش سو را به كار برده و سرانجام حالت گذراي ايجاد در AVR‌هاي بهينه شده را با حالت گذراي ايجاد شده در AVRهاي مدار باز را با هم مقايسه مي كنيم و البته حالات گذرا در هر دو نوع AVR را در حوزة زمان نيز با هم مقايسه خواهيم نمود.

روند ميزان سازي توصيف شده در اين مقاله از مدل سادة تك ورودي، تك خروجي بهره مي گيرد. كاملاً‌ بديهي است كه يك سيستم قدرت يك سيستم چند متغيره و بنابراين به كار بردن يك مدل گسترده قطعاً دقيق تر خواهد بود. همچنان كه مقالات زيادي نيز در مورد سيستم هاي كنترل مدرن (در سيستم هاي نوع ۲ و ۳ و ۴) نوشته شده است كه از دقت بالاتري نيز برخوردار هستند اما به

هر حال بايد بگوييم كه تمامي اين سيستم ها براي تحليلشان از كامپيوترا و روش هاي همسان بهره گرفته اند كه نتيجه تحليل آنها طراحي سيستم هاي رتبه بالا و Multi-feedback شده كه اجرا عملي آنها غيرممكن مي‌باشد.
بسياري از مقالات نيز بر روي مدل state-space (فضاي حالت) در ارتباط با سيستم هاي چند ورودي و چند خروجي كار كرده اند و تأثير بر روي مقادير ويژة يك كنترل كننده را مورد مطالعه قرار داده اند. اين نوشتار نيز يك سيستم چند ورودي و چند خروجي را مورد مطالعه قرار داده و به تحليل گر سيستم اين امكان را مي دهد كه بتواند تأثير آن بر روي يك سيستم مجزا، ببيند. تعداد مقادير ويژه در يك سيستم پيچيده نسبتاً بزرگ است اما تكنيك‌هايي در جهت كاهش تعداد آنها به كار خواهيم برد تا بتوانيم تنها بر روي مقايدر مهم و غالب آنها كار كنيم. روش تنظيم AVR بحث شده در اين نوشتار مشتمل بر دو مرحله است : مرحلة اول : روش هاي پاسخ فركانسي بر روي سيستم تا بتوان از روي آن مدل درون خطي (on-line) ژنراتور را كه رگولاتور ولتاژ تحت بار نرمال مي بيند بدست آوريم.
مرحلة دوم : به كار بردن اين مدل در روي root locus و فضاي حالت و استفاده از مقادير ويژه به منظور مطالعه تأثيرات ناشي از تغيير پارامترهاي AVR بر روي پايداري سيستم. يكي از مزاياي استفاده از مدل كاهش يافته (ساده شده) ژنراتور اين است كه اين مدل نگرشي جديد نسبت به، به كار گيري AVR ها درون خطوط به منظور بهبود كارآيي ژنراتورهاي ارائه مي‌دهد.

۲٫ ژنراتور، AVR و مدل هاي سيستم
همانطور كه پيشتر بيان شد، سيستم تحت مطالعه يك ژنراتور ۴۰۰ MW حرارتي بوده كه در منطقه در كانادا مستقر شده است. بلاك دياگرام سيستم مزبور در شكل ۲ به همراه بازة تغييرات هر يك از پارامترهاي AVR نشان داده شده است. و در اين شكل هم چنين مقادير پيش فرض براي متغيرهاي AVR كه توسط كارخانة سازنده و يا نيروگاه مزبور تعيين شده نيز به نمايش درآمده است. كه ميزان ميرايي مطلوب را در حالت مدار باز بيان مي كند. مدل نشان داده شده در شكل ۲ براي ژنراتور مدار باز مي باشد. همانگونه كه بيان شد، AVR توسط جبران ساز Lead-Lag و در يك مسير پيش سو و در يك حلقة جريان پس خور توصيف شده است.

شكل ۲ژنراتور مدار باز مي باشد

مدل ژنراتور درون خطي از روي نرم افزار پايداري گذرا كه در نيروگاه Calgary مورد استفاده قرار مي گيرد. اقتباس شده كه در آن سيستم مورد نظر حاوي ۹ ژنراتور مي باشد. روش پاسخ فركانسي براي بدست آوردن پاسخ تبديل مربوط به و همچنين مربوط به مي باشد (در SD3) در حالي كه ماشين در بار كامل و تحت ضريب توان ۹/۰ پس فاز در حال كار كردن است. تابع تبديل ژنراتور درون خطي نيز در شكل ۳ نشان داده شده است. اين توابع تبديل جايگزين توابع تبديل مربوط به مدل حلقه باز شده و سرانجام به تنظيم ژنراتور در مدل درون خطي مي پردازيم.

شکل ۳تابع تبديل ژنراتور درون خطي

اكنون مايليم تا مقايسه اي بين حالت گذراي ژنراتور در مدل ساده شده كه در شكل ۳ نشان داده شده و حالت گذراي بدست آمده از نرم افزار پايداري گذراي كه در آن تمامي ماشين ها منظور گشته اند، داشته باشيم.
شكل ۴ نتايج اين مقايسه را در ولتاژ پايانة «SD3» (Sundance#3 : نام نيروگاه) يعني vf به ازاي يك disturbance (اختلال) همسان كه به AVR ها در هر دو مدل اعمال شده را نشان مي دهد، از اين شكل چنين برمي آيدكه منحني مربوط به مدل مختصر شده با دقت قابل قبولي منطبق بر نمودار واقعي مي‌باشد بنابراين اين تعريف، تقريب مناسبي بوده و قابل استفاده است.
گام بعدي به تشريح حالت گذرا در ولتاژ پايانه هنگامي كه ژنراتور در مدل مدار باز تنظيم مي شود و هنگامي كه در مدل درون خطي دستخوش تغيير مي گردد مي پردازد، حالت گذراي بدست آمده از ميزان سازي AVR براي يك مدل مدار باز مي توان ملاكي براي اندازه گيري و يا تنظيم ساير AVRها باشد.

شکل ۴ ژنراتور تحت بار نامی است

۳٫ ميزان سازي AVR ها با به كار بردن مدل درون خطي
در اين بخش مقايسه اي بين ولتاژ گذراي اندازه گيري شده زماني كه AVRها تحت مدل مدار باز تنظيم ميشوند و زماني كه تحت مدل درون خطي ميزان مي شوند به عمل مي آوريم. همانگونه كه پيش از اين بيان كرديم. پارامترهاي مربوط به AVR در sun dance #3 توسط نيروگاه و كارخانه سازنده تحت مدل مدار باز تعيين گشته اند. كه اين مقدار به همراه مدل مدار باز در شكل ۲ نشان شده اند كه در آن مدل اين مقادير قابليت تغيير را دارد. در اينجا ابتدا يك آزمايشي بر روي اين مقادير داده شده انجام مي دهيم تا با كمك روش فضاي حالت براي AVR و مدل مدار باز براي sun sance #3 به مقاديري معين دست يابيم تا در آن شرايط سيستم به حالت ماناي نهايي و پايدار برسد.

براي اينكه بتوان پارامترهاي AVR و جبران سازهاي سري شده با آن را با هم قياس كرد لازم است كه gain AVR تقريباً با هم يكسان باشند. تا بتوان خطاي حالت مانا را بين ولتاژ refrence ، AVR و ولتاژ واقعي ترمينال آن اندازه گرفت. به طور قراردادي يك مقدار مينيمم براي garn ، AVR در نظر مي گيرند تا بتوان ولتاژ Excitor (محرك) را از مقدار نامي به حداكثر خود برسانيم با در نظر گرفتن ۰۵/۰ P.V خطا براي AVR. مطالعه مقادير ويژه ها و مكان ريشه ها ما را به مقاديري براي پارامترهاي AVR رهنمون مي شود كه بسيار شبيه به آن چيزي است كه كارخانه سازنده ارائه كرده است. كه اين مقادير در شكل ۲، ليست شده اند در نظر داشته باشد كه جبران ساز به صورت پس فاز عمل مي كند.
حالت گذراي نشان داده شده در منحني a در شكل ۵ ولتاژ ترمينال SD#3 بوده كه در نتيجه اعمال كه تابع پله به عنوان به ورودي سيستم و با كمك شبيه‌‌سازي كامپيوتري بدست آمده است.

شکل ۵
منحني (a) : AVR براي حالت مدار باز و در حالت استفاده از جبران ساز پس فاز ميزان مي شود.
منحني (b) : AVR براي حالت درون خطي و در حالت استفاده از جبران ساز پيش فاز- پس فاز ميزان مي شود.
منحني (c) : AVR براي حالت مدار باز و در حالت استفاده از جبران ساز مختلط (مركب) نوع اول ميزان مي شود.
منحني (d) : AVR براي حالت مدار باز و در حالت استفاده از جبران ساز مختلط (مركب) نوع دوم ميزان مي شود.
كه در اينجا AVR در حالت مدار باز عمل مي كند. در اين حالت AVR به گونه اي تنظيم مي شود كه بتواند ضريب ميرائي در حدود ۷۰۷/۰ داشته باشد و بنابراين حالت گذراي (a) با توجه به زمان صعود كند و يك فراجهس مشخص مي شود.
ساير ولتاژ ترمينال ها توسط شبيه سازي بدست آمده اند در شرايطي كه پالس ورودي همچنان يكسان بوده و AVR تحت شرايط درون خطي عمل كرده كه در شكل ۵ همگي آنها رسم شده اند. و در ادام راجع به آنها صحبت خواهيم كرد؛

شکل ۶
حالت گذراي نشان داده شده در شكل ۶ براي منحني (a) مربوط به نيروگاه SD#3 براي ولتاژ ترمينال vt بوده كه توسط برنامه شبيه سازي بدست آمده اند. كه در آن نيروگاه Calgary با تمامي جزئيات شبيه سازي شده و خطوط انتقال به منظور شبيه سازي پاسخ حالت ورودي (distwrbome) حذف شده اند. و پارامتهاي AVR در اين حالت مشابه آن چيزي است كه در حالت مدار باز بدست آورده بوديم و در شكل ۵ نشان داديم. ساير منحني هاي نشان داده شده در شكل ۶ نيز با اعمال پالس مشابه منحني (a) ولي در حالت درون خطي بدست آمده اند. كه بعداً راجع به آنها بحث خواهيم كرد. پارامترهاي مختلفي من جمله زمان نشست را مي توان به عنوان معيار

مناسبي براي مقايسة تمامي اين تكنيك ها بكار گرفت. زمان نشست را ما در اينجا به صورت زمان لازم براي اينكه سيگنال گذرا به ۲/۰% مقدار نامي خود برسد تعريف مي كنيم.
تفاوت چشم گيري بين ميرايي حالت گذرا منحني (a) در شكل ۵ و ۶ وجود دارد كه نشان دهنده ناسازگاري و عدم انطباق تنظيم AVR براي حالت مدار باز و اعمال آن به حالت درون خطي مي باشد و اين تقريب ، تقريب مناسبي نبوده‌ است.
سه منحني ديگر بيان گر حالتي هستند كه در آنها “AVR” براي حالت درون خطي تنظيم شده و از مدل درون خطي ژنراتور نيز استفاده مي‌كند: در هر يك از اين سه حالت ولتاژ ترمينال با منحني (a) براي حالت مدار باز و شرايط كامل مقايسه مي گردد: در هر يك از اين سه حالت جبران سازهاي زير را به سيستم اعمال كرده‌ايم : منحني (b): جبران ساز پس فاز – پيش فاز orginal ارائه شده توسط كارخانه سازنده كه براي حالت درون خطي تنظيم شده است.
منحني (C) : جبرانسازي مركب از يك جبران ساز با صفرهاي مختلف و قطب‌هاي حقيقي (كه موسوم به نوع ۱بود)و با يك جبران‌ساز lag-lead سري شده‌است. و اين مجموعه براي حالت درون خطي تنظيم شده‌اند .
منحني (B) در شكل ۶ نشان دهنده حالت گذاري ولتاژ است كه هنگامي كه “AVR” SDAB توسط مدل دوره خطي ژنراتور همانند شكل ۳ تنظيم شده‌است. مشخصات جبران شده است. مشخصات جبران شده AVR همانند جبران ساز به كار رفته در منحني (a) مي باشد. و مقادير آن نيز توسط توليد كننده تعيين مي شود پارامترهاي AVR براي اين حالت در ابتدا توسط جايگزين كردن تابع تبديل درون خطي سيستم تعيين مي‌شود در حين مطالعه سيستم متوجه شديم كه مقادير تعيين شده توسط كارخانه سازنده براي مفيد يك جريان ميدان هيچ فايده‌اي نداشته و بنابراين در اين بخش از شيوه تنظيم تنها پارامترهاي مربوط به جبران سازي lead – lag را تنظيم مي‌كنيم . توازن تابع تبديل جلو از AVR درون خطي در اين مدل توسط قطب‌هاي و صفرهاي ثابت تعيين مي‌شود . اين قطب‌ها و صفرهاي ثابت در شكل ۷ توسط x , o ‌هاي پررنگ نمايش داده شده‌اند؛ در اينجا از يك برنامه كامپيوتري براي بدست آوردن مقادير ويژه‌اي براي تركيب متفاوت از پارامترهاي جبران ساز lead – lag ثابت AVR استفاده شده است بسياري از حالات لحاظ شده است . و مكان‌ ريشه‌ها را در نزديكي مقادير ويژه غالب براي ايجاد بهترين تركيب ممكن از پارامترهاي پس فازي و پيش فازي نشان داده شده است . با تعيين و تنظيم مقادير ويژه‌ها در هر دو كنترلر پس فاز و پيش فاز م

ي توان به ميرائي مطلوب دست يافت ، صفر و قطب‌هاي جبرانساز مكان ريشه غالب براي تنظيم AVR در شرايط درون خطي مي باشد و يا گيني برابر با gain سيستم در حالت (a) مكان ريشه غالب هنگامي كه AVR براي حالت مدار باز تنظيم شده در نقطه (a) نشان داده شده‌است.

قطب‌ها و صفرهاي پس خازن نيز نشان داده شده‌اند. ميرائي حالت گذراي نشان داده شده است در منحني (b) به مراتب نسبت به منحني (a) بهبود يافته است در منحني b زمان نشست براي ميرائي سيگنال گذرا در حدود ۸ را ثانيه مي باشد كه به ۰/۲% ولتاژ نامي خود مي‌رسد. لازم است كه AVR كه براي حالت درون خطي تنظيم شده براي حالت مدار باز نيز به خوبي سازگار باشد. حالت گذرا نشان‌داده شده براي حالت (b) در شكل ۵ اين وضعيت را نشان مي دهد و همانطور كه ديده مي شود به مراتب نوساني‌تر از حالت (a) مي‌باشد.

شکل ۷
در منحني (b) جبران سازي در AVR كه در آن از همان سخت افزارهاي توليد كننده استفاده شده است .