TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale Murat CANER*, Nurettin UMURKAN**, Hasan ÇİMEN* * Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektrik Eğitimi Bölümü, AFYON. ** Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektrik Mühendisliği Bölümü, İSTANBUL. Özet Bu makalede enerji üretim kontrol sistemlerinden senkron generatörlerin uyartım sistemleri hakkında bilgi verilerek büyük ölçekli sistem kararlılığı çalışması için kullanılan IEEE tip 1 uyartım sistemi modelinin dinamik performansı incelenmiştir. Bulanık mantık (BM) kontrol uygulamasının bu uyartım kontrol sistem modeli üzerinde BM kontrol uygulaması gerçekleştirilmiştir. Model parametreleri olarak IEEE tip 1 sistem için verilmiş Mag-A-Stat tipi uyarıcıya ait parametreler kullanılmıştır. Yapılan simulasyon sonuçları, BM kontrolörün performansının geleneksel kontrolör (regülatör ve uyartım sistem kararlaştırıcısı) ile kıyaslanamayacak ölçüde yüksek olduğunu göstermiştir. Ayrıca BM kontrol uygulanan sistem parametrelerinin ±%10 değiştirilmesi durumunda, sistem performansında bir değişiklik olmamıştır. Anahtar kelimeler : Bulanık mantık kontrolü, simulink, uyartım sistemi, voltaj kontrolü 1. Giriş Güç sistem işletiminde voltaj kalitesi çok önemlidir. Uyartım kontrolünün ana amacı ise normal işletme koşullarında generatör çıkış voltajındaki kararlılığın devamını sağlamak ve herhangi bir arıza durumu sonrasında regüle ederek voltajın hata öncesi kararlı hal değerine çabuk ve etkili bir şekilde gelmesini sağlamaktır. Son yıllarda, güç sistem stabilitesinin arttırılması üzerine hatırı sayılır çalışmalar yapılmış ancak voltaj kontrolör dizaynı üzerine daha az çalışma yapılmıştır [1]. Senkron generatör uyartım kontrolü, güç sistem stabilitesi ve elektrik gücü kalitesinin sağlanmasında çok önemlidir. Senkron generatör voltaj kontrolörleri, senkron generatör alan akımını ayarlayarak generatör çıkış voltajını kontrol ederler. Uyartım sistemleri normalde, yüksek kazanç ve küçük zaman sabitine sahip sistemlerdir. Yani sistem işletme koşullarında çabuk kompanzasyon yapabilecek kapasiteye sahiptirler. Yüksek kazançlı uyartım kontrolü genellikle transient stabiliteyi sağlar fakat kontrolörün ani cevabında kalıcı düşük frekans osilasyonları oluşur. Bu da diğer makinelerle arasında dinamik kararsızlık oluşmasına yol açar [2]. Yüksek performanslı uyartım kontrolörü dizayn etmek için birçok kontrol teorisi geliştirilmiştir. Bunlar arasında lineer optimal kontrol teorisi, adaptif kontrol teorisi, bulanık mantık kontrol teorisi ve nonlineer kontrol teorisi en yaygın olanlarıdır [3]. Son yıllarda BM, göze çarpan yüksek performansıyla çeşitli güç sistem uygulamalarında kullanılmaya başlamıştır. Kontrol edilen sistemin iyi tanımlanamadığı, karmaşık olduğu veya uygun matematiksel modelinin bulunamadığı durumlarda, BM kontrol tekniğinin uygulanması çok uygun olmaktadır. BM kontrolörleri, gürbüzdür ve nispeten düşük hesaplama gerektirirler. Basit bir mikroişlemci kullanılarak pratik olarak gerçeklenebilirler [4].

2 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) Ancak uygulamayı sınırlayan bazı dezavantajlara da sahiptir. İlk olarak bulanık mantık (BM) kontrolörün dizaynında kullanılan bilgi, tecrübeye ve uzmanlığa dayanmalıdır. İhtiyaç duyulan türdeki bilginin elde edilmesi bazen çok zor olabilir. İkinci olarak BM kontrolörün parametreleri çoğunlukla deneme yanılma metodu ile bulunur. Bu da zaman alır ve optimal kontrolü garanti etmez [5]. Bu çalışmada klasik uyartım kontrol sistemi üzerinde BMK ilave edilerek Matlab da simulasyon yapılmış ve BMK nın uyartım sistemi performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. 2. Sistem modeli İlk IEEE komite raporu 1968 de yayınlanmıştır. Buna göre uyartım sistemleri uyartım gücü kaynağına göre değil keyfi olarak sınıflandırılmıştır. Bununla beraber raporda, yaygın olarak kullanılan ve halen kullanımda olan sistemlerin ekseriyetini temsil eden IEEE tip 1 sistemi tanıtılmıştır. Bu sistem temelde tipteki dönen uyartım sistemlerini temsil eder fakat biraz değişlik yapılarak statik uyartım sistemlerini de temsil etmesi sağlanabilir. V R regülatör çıkışıdır ve sınırlandırılmıştır. Regülatör transfer fonksiyonu T A zaman sabitine ve pozitif K A kazancına sahiptir. Doyma fonksiyonu S E =f(e FD ) uyarıcının doyma özelliğini karakterize eder [6]. Bir çeşit geri beslemeli kontrol sistemi olan uyartım kontrol sistemi, sıklıkla türev geri beslemeye veya ilerlemeli/gecikmeli kompanzasyona ihtiyaç duyar. Uyartım sistem stabilizörü (USS) uyartım sistemlerinin kararlı çalışma bölgesinin arttırılması ve yüksek regülatör kazançlarının mümkün kılınmasını sağlar. Geri beslemeli kompanzasyon (USS) yerine seri bağlı ilerleme/gecikme li devre (Transient Gain Reduction) kullanılabilir. USS, güç sistem stabilizörü (Power System Stabilizer, PSS) ile karıştırılmamalıdır. USS, kısa devre koşullarında etkili voltaj regülasyonu sağlamak için dizayn edilir. PSS ise transient bozucu etkilerin oluşturduğu rotor osilasyonlarının sönümlendirilmesi amacıyla kullanılır. USS in çıkışı Vf, PSS in çıkışı ise V S dir ve her iki sinyal de hata sinyaline ilave edilir [6]. Bu sistemde kontrol sinyali sistem hatası ile oransal olarak bağlantılıdır. Çıkıştaki potansiyel transformatörü ve doğrultucu sayesinde üç fazlı voltajın efektif değerleri ortalaması ile V C çıkış voltajı arasında oransal ilişki kurulur. Bu ilişki V C = V T K R / (1+T R s) bağıntısıyla verilir. T R zaman sabiti ile tanımlanan filtre ile çıkış gerilimi süzülür. T R zaman sabiti genellikle çok küçük olup bu sistemde sıfır alınmıştır. Karşılaştırıcı ise referans voltajla V C voltajını karşılaştırarak hata sinyalini üretir Ve = k (V ref V C ). Karşılaştırıcı nonlineer bir köprü devresiyle gerçeklenebilir. Regülatör yükselteç dönen (rototrol, amplidin), manyetik veya elektronik tipte olabilir. Regülatör yükselteç lineer kabul edilirse K A kazancı ve T A zaman sabiti ile V R = K A Ve / (1+T A s) bağıntısıyla ifade edilir. Yükseltici çıkışının uygulamadaki değerlerle uygunluk sağlaması açısından alt ve üst sınırlar V Rmin < V R < V Rmax şeklinde modellenir. Bu sınırlama blok diyagramda görülmektedir. Uyarıcı çıkış voltajı ise regülatör yükselteç çıkışının bir fonksiyonudur. Regülatör yükselteç çıkışından türetilen uyarıcı çıkışı E FD = (V R E FD S E ) / (K E + T E s) bağıntısıyla gösterilir. Burada K E sabitinin tanımında DC uyarıcıların kendinden veya bağımsız uyarmalı olmasına göre farklılık vardır. Aslında K E sabiti işletme şartlarına göre değişebilen ve hesaplanabilen bir değerdir. E FD, senkron reaktans gerisindeki voltajdır. Generatörün transfer fonksiyonu ise lineer yükselticiye benzer bir şekilde yüksüz durumda iken T do, kısa devre durumunda ise T d zaman sabitiyle ifade edilir. Aslında gerçek zaman sabiti yüke bağlı olarak bu iki zaman sabiti arasında değişim gösterir. Bu sabiti T G ve kazancı da K G olarak gösterirsek doyma ihmal edildiğinde V T = K G E FD / (1+T G s) bağıntısı bulunur. Bu bağıntıda çalışma bölgesi içinde lineerlik söz konusudur. Çıkışta oluşan küçük değişimler için doymanın kullanılması gerekmez. Fakat büyük değişimler söz konusu ise uyarıcıda uygulanan doyma tekniği benzer şekilde generatör için de kullanılmalıdır [6]. Uyarıcıda kullanılan S E doyma fonksiyonu sadece DC ve AC uyartım sistem modellerinde kullanılır. Bu çalışmada bilgisayarda en kolay simülasyonu yapılabilen IEEE Tip1 sistemi kullanılmıştır. Senkron makine modeli olarak, basitleştirilmiş lineer model kullanılmıştır. Generatör alan voltajı ile açık devre 18

3 Caner, M., Umurkan, N., Çimen, H. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) (yüksüz) çıkış voltajı arasındaki ilişkiyi tanımlayan bu model ve bu sisteme ait kontrol blok diyagramı Şekil 1. de gösterilmiştir[7]. Güç sistemi simulasyon çalışmalarında kullanılan senkron makine uyartım sistem modelleri çeşitli alt sistemlerden oluşur. Bu alt sistemler ise çıkış voltaj transdüseri ve yük kompanzatörü (potansiyel transformatörü ve doğrultucu), uyartım kontrol elemanları, bir uyarıcı ve çoğunlukla bir güç sistem stabilizörü içerirler. Uyartım kontrol sistemleri hem uyartım regülasyonu hem de kararlaştırıcı fonksiyonları içermektedir [8]. Bu çalışmada uyartım regülasyonu üzerinde durulmuştur. Şekil 1. IEEE Tip 1 Uyartım Kontrol Sistemi Blok Diyagramı. 3. Bulanık Mantık Kontrolör Dizaynı BM kontrolörler kural-tabanlı kontrolörlerdir. BM kontrolörün yapısında bilgi tabanlı kontrolörden farklı olarak bulanık kümeler teorisindeki prensipleri ve bu mantığa uygun verileri kullanırlar [4]. Bu çalışmada önerilen BM kontrolün amacı çıkış voltajı üzerinde tespit edilen hatanın uyartım kontrolü yoluyla sönümlendirilmesidir. BM kontrol dizaynı temel olarak giriş ve çıkış değişkenlerinin tespiti, bu değişkenler için üyelik fonksiyonlarının tanımlanması ve kural tablosunun oluşturulması olarak özetlenebilir. Kontrol değişkenlerinin seçilmesi kontrol edilen sistemin yapısına ve arzu edilen çıkışa bağlıdır. Genellikle giriş değişkenleri olarak çıkış hatası ve hatanın türevi yani değişimi kullanılır. Bu çalışmada giriş değişkenleri olarak kontrol edilen sistem çıkışı ile arzu edilen çıkış arasındaki fark olan hata E ile hatanın değişimi de seçilmiştir. Kontrolör tarafından üretilen du sinyali de çıkış değişkeni olarak seçilmiştir. Tek giriş ve tek çıkışlı BM kontrol sistemlerinde aslında iki giriş kullanılır [3]. SIMULINK te BM kontrolör bloğu tek girişe sahip olduğu için bu iki giriş işareti mux bloğu ile birleştirilerek kontrolör girişine uygulanır. Giriş değişkenleri E = Vt -Vref ve de = Vt i - vt i-1 olarak gösterilebilir. BM kontrolör bloğu başlıca üç parçadan oluşur. Giriş değişkenlerinin bulanıklaştırılması, BM kuralları ve üretilen çıkışların durulaştırılması. Tüm giriş ve çıkış değişkenleri için bulanıklaştırma ve durulaştırma işlemlerinde kullanılan üçgen biçimli üyelik fonksiyonları seçilmiştir. Bu fonksiyonlarda veri aralıkları yedi eşit parçaya bölünmüştür. Ayrıca tüm girişler (bulanıklaştırma öncesi) ve çıkışlar (durulaştırma sonrası) sırasıyla (Ke,Kc,Ku) katsayılarıyla çarpılarak kontrolör dışı ile içi arasında veri ölçek uyumu sağlanır. Bu katsayılar kontrolör dışından ölçülen verileri seçilen üyelik fonksiyonlarının veri aralıklarına uygunlaştırmak için normalize işlemi yaparlar. Bu katsayıların uygun seçilmesinin kontolör performansındaki etkisi büyüktür. Bu katsayılar genellikle deneme yanılma metoduyla bulunur. 19

4 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) Bulanıklaştırılan girişlerden bulanık çıkışlar elde ederken bulanık çıkarsama metodları kullanılır. Bunun için ise Eğer ise o halde şeklinde kurallar grubuna ihtiyaç vardır. Bu kurallar uzmanlık deneyimleriyle elde edilebilir. Böylece kural tablosu oluşturulur. Eğer iki giriş değişkeninin boyutları sırasıyla 2l+1 ve 2m+1 şeklinde ise kural tablosunun boyutu da (2l+1)x(2m+1) olacaktır. Bu çalışmada kullanılan kural tablosu Tablo 1. de verilmiştir. Tablo 1. Bulanık Kontrol Kural Tablosu [5]. de/e NB NO NK SS PK PO PB NB NB NO NO NK NK SS PK NO NB NO NK NK SS PK PK NK NB NO NK SS PK PK PO SS NO NO NK SS PK PO PO PK NO NK NK SS PK PO PB PO NK NK SS PK PK PO PB PB NK SS PK PK PO PO PB NB : Negatif Büyük NK : Negatif Küçük PK : Pozitif Küçük PB : Pozitif Büyük NO : Negatif Orta SS : Sıfır PO : Pozitif Orta. Örnek : Eğer E NB ise ve de PK ise o halde du NO Tablo dan her bir değişken için sekiz bulanık kümenin belirlendiği görülmektedir. Kurallar VE operatörü uygulanarak değerlendirilir. Bu operatör kümelerin kesişimini temsil eder. Sonra tüm çıkışlar maksimum kompozisyon metodu ile toplanır. Ve sonra toplanmış çıkış centroid metodu ile durulaştırma işlemi yapılır. Son olarak da çıkış kontrol sinyali çıkış ölçeklendirme faktörü Ku ile çarpılır. FIS yapısı Matlab da tüm BM kontrol bilgisini içeren bir yapıdır. Yukarıdaki işlemler bu yapı ile gerçekleştirilir. Yeni bir FIS yapısı oluşturabilmek için Fuzzy komutu kullanılır. Tüm BM kontrol bilgisi, bu FIS editörü üzerindeki, giriş ve çıkış değişkenleri ilavesi, üyelik fonksiyon editörü ve kural editörü menüleri yardımıyla girilir. 4. Simülasyon Senkron makinenin dinamik davranışı ve önerilen kontrolörün performansı üzerinde çalışmak için SIMULINK simulasyon modeli kurulmuştur. Simülasyonlar için IEEE Tip 1 sistem kullanılmıştır. Öncelikle regülatör yükselteç, çıkış voltaj transdüseri ve USS li geri besleme kontrolü içeren uyartım kontrol sisteminin Matlab SIMULINK üzerine simulasyonu yapılmıştır. Sistemin simulasyonu için Mag- A-Stat tipi uyarıcı parametreleri kullanılmıştır [9]. K A = 400, T A = 0.05, K E = -0.17, T E = 0.95, Kf = 0.04, Tf = 1.0, K R = 1.0, T R = 0, S E = 0.95, K G = 1.0, T G = 1.2 V Rmax = 3.5, V Rmin = -3.5 Ke = 0.16 Kc = 0.06 Ku = 0.06 Bu karşılaştırıcı, regülatör yükselteç, uyarıcı, generatör ve bir uyartım sistemi kararlılaştırıcısından oluşan kontrol sistemi (Şekil 1.) girişine bozucu etki olarak 0.04 ncü saniyede negatif birim basamak işaret uygulanmış ve simülasyon sonucu da şekil 3 de görüldüğü gibi elde edilmiştir. 20

5 Caner, M., Umurkan, N., Çimen, H. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) Şekil 2. Bulanık mantık kontrolü uygulanmış uyartım kontrol sistemi blok diyagramı. Şekil 2. de Matlab SIMULINK te dizayn edilen BM tabanlı kontrol uygulanan sistemin blok diyagram gösterimi görülmektedir. Bu sistemde regülatör yükselteç ve USK geri beslemesi çıkartılarak yerine yukarıda dizayn özellikleri anlatılan BM tabanlı kontrolör ilave edilmiştir. Sisteme yine aynı bozucu etki uygulanmıştır ve aynı sistem parametreleri kullanılmıştır. İkinci giriş değişkeni olan de, geciktirme operatörü kullanılarak hatanın bir önceki değeriyle farkı alınarak hata değişim işareti elde edilmiştir. Şekil 3. Regülatör ve USK kullanılan IEEE Tip 1 Sistemle BM kontrol uygulanan sistemin karşılaştırılması Şekil 4. BM kontolörlü sistemin parametrelerin ±%10 değiştirilmesiyle performans değişimi 5. Sonuç Bu çalışmada, BM tabanlı kontrolörün senkron generatör uyartım kontrol sisteminin dinamik performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sistemin beklenmeyen, ani hatalara karşı osilasyon zamanı veya sistem sönümlemesi açısından performansının arttırılması amaçlanmıştır. BM kontrolörü dizayn edilerek basitleştirilmiş lineer generatör modeli kullanılan IEEE Tip 1 uyartım kontrol sistemine uygulanmıştır. Sisteme bozucu etki olarak birim basamak fonksiyonu uygulanmıştır. Yapılan simülasyon sonucuna göre BM kontrol uygulanan sistemde üstünlük bariz bir şekilde görülmektedir. Birim basamak bozulmaya karşı sistem daha kısa sürede ve çok daha az genlikli bir tepki vermiştir. Ayrıca parametrelerin ±%10 değişimine karşı sistemin dayanıklı olduğu da görülmüştür. Daha önce de benzer sistemlere uygulanan bulanık mantık kontrolü C tabanlı programlar yazılarak uygulanmaktadır. Matlab SIMULINK hazır fonksiyonları ile simülasyon uygulamasına kolaylık ve pratiklik getirmektedir. Bulanık mantık tabanlı kontrol pratikte maliyeti az ve kolay uygulanabilir 21

6 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) olduğundan tercih edilen bir kontrol yöntemidir. Ayrıca pratik uygulamalarda sistem parametrelerine de ihtiyaç duymaz. Ancak yapılan kontrolün optimum olacağı garanti edilemez. Deneme yanılma metodu ile kural tablosu ve üyelik fonksiyonlarında yapılacak değişiklikle daha iyi kontrol sonuçlarının elde edilmesi de mümkündür. Kaynaklar [1] Zhu,C., Zhou,R., Wang,Y., A New Decentralized Nonlineer Voltage Controller For Multimachine Systems, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 13, No. 1, February [2] Paulus,M., Fuzzy System PSS, Control of Power&heating systems, 5 th International Conference, Zlin, Czech Republic, May 21-22, 2002 [3] Wen, J., Cheng, S., Malik, O., A synchronous generator fuzzy excitation controller optimally designed with a genetic algorithm, IEEE Transactions on Power Systems, Vol.13, No.3, August [4] El-Hawary,M., Electric Power Applications of Fuzzy Systems, IEEE Pres, [5] Arnalte, S., Fuzzy logic-based voltage control of a synchronous generator, International Journal of Electrical Engineering Education, Vol.37, Issue 4, p333, Oct [6] Padiyar, K.R., Power System Stability and Control, John Wiley & Sons, [7] Salem,M.M., Zaki,A.M., Malik,O.P., Real-Time Implementation of A Neuro-AVR for synchronous Generator, 15th triennial World Congress, Barcelona, Spain. [8] IEEE Standart , IEEE Recomended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies, [9] Anderson P.M., Fouad, A.A., Power System Control and Stability, IEEE Press,