Senkronaltı Rezonansa Duyarlı Bir Güç Sisteminde Hopf Çatallanmaları Ve Burulma Salınımlarının Sönümlendirilmesi İçin Yeni Bir Kontrolör

Abstract

Bu çalışmada, bir elektrik güç sistemindeki burulma salınımlarının analizi için çatallanma teorisinden yararlanılmıştır. Senkronaltı rezonans araştırmaları için geliştirilen IEEE İkinci Gösterge Modelinin birinci sistemi kullanılmıştır. Senkron makinenin amortisör sargıları doğrusal olmayan modele dahil edilmiştir. Seri kompanzasyon kapasitör tesis edilmiş olan iletim hatlarına bağlı senkron makineler, potansiyel olarak senkronaltı elektrik modunun, türbin-generatör şaft sisteminin burulma salınım modları ile etkileşimine maruz kalabilirler. Bu olay senkronaltı rezonans (SSR) olarak isimlendirilir. Modellenen elektrik güç sisteminde meydana gelen Hopf çatallanmalarının hangi tip olduğu, literatürde yaygın biçimde kullanılan Floquet çarpanları yöntemi yerine, birinci Lyapunov katsayılarının analitik olarak hesaplanması ile belirlenmiştir. Mekanik tork değeri, şebeke gerilim seviyesi ve uyartı geriliminin Hopf çatallanma noktaları ile birinci Lyapunov katsayısının değeri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Ek olarak, Otomatik Gerilim Düzenleyicisinin (AVR) Hopf çatallanması üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Ayrıca, SSR sonucu ortaya çıkan kararsız burulma salınımlarının kararlı hale getirilmesi için, zaman gecikmeli geri besleme teorisine dayanan bir kontrolör tasarlanmıştır. Girdi olarak sadece senkron makine rotorunun açısal hızını kullanan kontrolörün zaman gecikme ve kazanç parametreleri için uygun değerler, sistemin dinamik cevabını değerlendiren bir performans endeksi hesaplanarak belirlenmiştir. Önerilen kontrolörün ektili sonuçlar verdiği, MATLAB-Simulink kullanılarak yapılan simülasyonlar ile gösterilmiştir. Son olarak, AVR ve kontrolör çıkış sınırlayıcılarının kararlı hale getirme performansı üzerindeki etkileri de araştırılmış ve seri kapasitör kompanzasyonun pratik değerleri için, sınırlayıcıların mevcut olduğu durumda da kontrolörün etkili olduğu gösterilmiştir.

In this study, Bifurcation theory is employed for the analysis of torsional oscillations in a power system. The first system of the IEEE Second Benchmark Model for Subsynchronous Resonance studies has been used. Damper windings of the synchronous generator are included in the nonlinear model. Synchronous generators connected to transmission lines with series capacitor compensation are potentially subject to the interaction between the subsynchronous electrical mode and torsional oscillation modes of the turbine generator shaft system. This phenomenon is called Subsynchronous Resonance (SSR). Instead of employing the Floquet multipliers method reported in the literature, the first Lyapunov coefficients are computed analytically to determine the type of Hopf bifurcation existing in the power system under study. The impact of mechanical torque input, network voltage level and field voltage on the Hopf bifurcation point and the first Lyapunov coefficient is also explored. Moreover, an automatic voltage regulator (AVR) is included into the model. In addition, a novel controller based on the delayed feedback control theory has been developed in order to stabilize unstable torsional oscillations caused by SSR. The proposed Time Delay Auto-synchronization controller has two set parameters to be optimized and uses the synchronous generator rotor angular speed as the only input. The optimal values of the controller time delay and gain parameters have been determined by computing a performance index evaluating the dynamic responses in time domain. The effectiveness of the proposed controller is demonstrated via time-domain simulations in MATLAB-Simulink. Finally, the impact of AVR and TDAS controller limiters on the stabilizing performance is also investigated. It is demonstrated that the controller is effective even in the presence of limiters within the practical operating ranges of series capacitor compensation.