K. Ghaffari

Thesis Title:

Wide-Area Damping Controller Design to Improve Inter-area Oscillation Damping Ratio in Power System

Abstract: The subject of rotor angle stability is the study of low-frequency electromechanical oscillations, especially inter-area oscillations. With the increase in electrical energy demand and the development and interconnection of power systems through long transmission lines, inter-area modes with weak damping have become more important. Inter-area modes with weak damping cause continuous electric power oscillations on transmission tie-lines, which limits the maximum transmission capacity of transmission lines. Power system stabilizers (PSS) and FACTS devices are used to improve the damping of inter-area modes. The choice of the control loop (controller location and input signals), controller structure and the method used to design controller are considered to be the factors that determine the effectiveness of controllers in improving the damping of oscillatory modes. The residue method is a systematic method to design damping controllers based on system identification. Since in actual power systems, identification of the entire system is difficult, with developing and combining the residual method and frequency response, damping controllers can be designed with the developed residue method without need to identify the entire system. The main purpose of this thesis is designing a wide-area damping controller for improve inter-area damping and for this purpose, the developed residue method is used. The residue developed method is based on the measurement of the state variables of the network generators. Sometimes it may not be possible to measure the state variables or the measurement includes significant noise. Therefore, in this thesis, using the nonlinear Kalman filter estimator, which is based on the algebraic-differential equations of the system, the states required in the controller design are estimated. On the other hand, the power system has multiple modes that complicate the design and also adversely affect the controller. Since at the frequency of the inter-area mode, the elements of the coherent area oscillate together, so in this thesis, by reducing the order of the system in such a way that only the dynamics of the inter-area modes are revealed, unnecessary complications in the design and application of damping controllers are avoided. By performing numerous studies and simulations under different conditions and scenarios on Kundur and IEEE-39 bus test systems, the efficiency and correctness of different methods of designing wide area damping controllers have been shown in this thesis.

Key Words: Rotor Angle Stability, Inter-Area Mode, Wide-Area Damping Controller, Power System Stabilizer, Static VAr Compensator, Residue Method, Dynamic State Estimation, Kalman Filter, System Model Reduction.

عنوان پایان نامه: طراحی کنترل کننده میرایی ناحیه گسترده برای بهبود میرایی نوسانات بین ناحیه ای سیستم قدرت

چکیده: موضوع پایداری زاویه‌ای رتور، مطالعه نوسانات الکترومکانیکی فرکانس پایین به‌خصوص نوسانات بین ناحیه‌ای است. با افزایش تقاضای انرژی الکتریکی و توسعه و اتصال سیستم‌های قدرت به یکدیگر به‌وسیله خطوط انتقال بلند، مودهای بین ناحیه‌ای با میرایی ضعیف اهمیّت بیشتری یافته‌اند. مودهای بین ناحیه‌ای با میرایی ضعیف موجب نوسانات توان الکتریکی ادامه‌دار روی خطوط انتقال بین ناحیه‌ای می‌شوند که موجب محدود شدن حداکثر ظرفیت انتقال خطوط انتقال می‌شود. برای بهبود میرایی مودهای بین ناحیه‌ای از پایدارسازهای سیستم قدرت (PSS) و ادوات فکتس (FACTS) استفاده می‌شود. انتخاب حلقه کنترلی (محل کنترل‌کننده و سیگنال ورودی)، ساختار کنترل‌کننده و روش طراحی کنترل‌کننده از عوامل تعیین‌کننده اثربخشی کنترل‌کننده‌ها در بهبود میرایی مودهای نوسانی قلمداد می‌شوند. روش باقی‌مانده، یک روش منظّم در طراحی کنترل‌کننده‌های میرایی مبتنی‌بر روش‌های شناسایی سیستم است. از آن‌جایی که در سیستم‌های قدرت واقعی امکان شناسایی کل سیستم کار پر زحمتی است، با توسعه و ترکیب روش باقی‌مانده و پاسخ فرکانسی، می‌توان کنترل‌کننده‌های میرایی را بدون نیاز به شناسایی کل سیستم و با روش باقی‌مانده توسعه یافته طراحی کرد. هدف اصلی این پایان‌نامه طراحی کنترل‌کننده میرایی ناحیه گسترده است. به این منظور از روش باقی‌مانده توسعه یافته استفاده می‌شود. روش باقی‌مانده توسعه یافته مبتنی‌بر اندازه‌گیری متغیرهای حالت ژنراتورهای شبکه است که در مواقعی ممکن است اندازه‌گیری متغیرهای حالت امکان پذیر نباشد یا اندازه‌گیری شامل نویز قابل‌توجه باشد. بنابراین در این پایان‌نامه با استفاده از تخمین‌گر فیلتر کالمن غیرخطی که مبتنی‌بر معادلات جبری-دیفرانسیلی سیستم است، برای تخمین حالت‌های مورد نیاز در طراحی کنترل‌کننده استفاده می‌شود. از طرف دیگر، سیستم قدرت دارای مودهای متعددی است که باعث پیچیدگی طراحی و همچنین تأثیر نامطلوب روی کنترل‌کننده می‌شوند. از آن‌جایی که در فرکانس مود بین ناحیه‌ای، عناصر نواحی کوهرنت به‌صورت هماهنگ نوسان می‌کنند در این پایان‌نامه با کاهش مرتبه سیستم به‌نحوی که فقط دینامیک مودهای بین ناحیه‌ای آشکار شوند، از پیچیدگی‌های بی‌مورد در طراحی و به‌کارگیری کنترل‌کننده‌های میرایی جلوگیری می‌شود. با انجام مطالعات و شبیه‌سازی‌های متعدد تحت شرایط و سناریوهای مختلف برروی شبکه‌های آزمون کندور و 39 باس IEEE، کارایی و صحت روش‌های مختلف طراحی کنترل‌کننده‌های میرایی ناحیه گسترده در این پایان‌نامه نشان داده شده است.

کلمات کلیدی: پایداری زاویه رتور، مود بین ناحیه‌ای، کنترل‌کننده میرایی ناحیه گسترده، پایدارساز سیستم قدرت (PSS)، جبران‌کننده توان راکتیو استاتیک (SVC)، روش باقی‌مانده، تخمین حالت دینامیکی، فیلتر کالمن، کاهش مرتبه سیستم.