Wide-area damping of power system oscillations using model predictive control

Abstract

Güç sistemlerinde güvenli ve yüksek kapasitede güç üretimi sağlayan senkron jeneratörler elektromekanik salınımlara sebep olmaktadırlar. Bu salınımlar kimi durumlarda modern elektrik şebekelerinin güvenli ve ekonomik işletilmesini tehdit eder boyuta gelmektedirler. Geniş Alan Ölçüm Üniteleri (WAMS) ve Senkronize Faz Ölçüm Uniteleri'nin (PMU) yaygınlaşması ile birlikte bu salınımları sönümlemek için Geniş Alan Baskılama Denetleyicilerinin (WADC) tasarımları mümkün olmaya başlamıştır.Bu tezde, güç sistemlerinde alanlar arası salınımları sönümlemek için Model Öngörümlü Denetleç (MPC) yöntemini kullanan bir Geniş-Alan Baskılama Denetleyicisi tasarlanmıştır. Önerilen yöntem, güç sistemlerinin lineer kesikli zamanlı durum uzayı modelini temel almaktadır. MPC denetleyici belirli bir tahmin ufku içerisinde en iyi kontrol sinyalini Karesel Programlama problemini çözerek hesaplamakta ve sonrasında bu sinyalleri uzaktaki jeneratörlerde bulunan yerel salınımları sönümleyici denetleyicilere ek kontrol sinyali olarak göndermektedir. Bu tezde yerel salınımları sönümlemek için Güç Sistemi Kararlı Kılıcısı (PSS) kullanılmaktadır.Tasarlanan MPC denetleyici önce ideal durumda test edilmiş (bütün durum değişkenleri gözlenebilir ve kontrol edilebilir, haberleşme ve hesaplama gecikmeleri ihmal edilebilir Kabul edilerek), sonrasında, önerilen metodun durum değişkeni tahmin hataları ve hesaplama ve haberleşme gecikmelerinin olduğu durumlardaki etkinliği değerlendirilmiştir.Önerilen denetleyicinin etkinliği ve gürbüzlüğü iki ayrı test sistemi üzerinde teyit edilmiştir. Ele alınan ilk system IEEE 4-jeneratör, 2-Alan test sistemi, ikincisi ise IEEE 16 Jeneratör, 68 Baralı test sistemidir. Bu test sistemleri üzerinde yapılan benzetim çalışmaları sonucunda MPC denetleyicinin değişken çalışma koşullarında ve farklı bozucu etkilere karşı geniş alan salınımlarını başarıyla sönümlediği, ve ayrıca geniş-alan sinyallerindeki gecikmelere karşı gürbüz olduğu gözlemlenmiştir.

Electromechanical oscillations in power systems have been observed ever since synchronous generators were interconnected to provide reliability and higher generation capacity, and have become a severe threat for the safe and economic operation of modern interconnected power grids. With the development of wide-area measurement system (WAMS) and deployment of synchronized Phasor Measurement Units (PMU), Wide-Area Damping Controller (WADC) is designed to enhance the damping of these oscillations.This thesis develops a systematic procedure of designing Wide-Area Damping Controller (WADC) using Model Predictive Control (MPC) technique to damp electromechanical oscillations in power system. The proposed technique is based on a linearized discrete-time state space model of a power system. The MPC controller computes the optimal input sequence over a chosen time horizon by solving a quadratic programming problem and sends these signals to the excitation system of a remote generator where it will supplement the local damping controllers. Power System Stabilizers were used as local damping controllers in this thesis.The effectiveness and robustness of the proposed Model Predictive Controller for wide-area damping control scheme have been verified by two study systems. The first test system is the IEEE 4-Generator 2-Area test system. The second one is the IEEE 16-Generator 5-Area test system.Simulation results of these test systems reveal that the proposed MPC wide-area damping controller damps the inter-area oscillations effectively under varying operation conditions and different disturbances.