Elektrik enerjisi üretim sistemlerinde yük frekans kontrolü için yüksek performanslı denetleyici tasarımı
Design of high-performance controller for load frequency control in electrical energy generation systems
Yazar: YAVUZ GÜLER
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM KAYA
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, ilk olarak farklı termal türbinlerden oluşan tek ve çok kaynaklı yapıya sahip tek alanlı elektrik güç sistemlerinde YFK için parametre değişikliklerine karşı dayanıklı ve yük bozulmalarını bastırma özelliğine sahip oransal integral – oransal türev (PI-PD) kontrolör tasarımı sunulmuştur. PI-PD kontrolörün parametreleri, kararlılık sınır eğrilerinin ağırlıklı geometrik merkezlerinin hesaplanmasına dayanan grafiksel bir yöntem ile hesaplanmıştır. Çalışmada ayrıca, kaskad kontrol yapısında filtreli seri oransal integral türev (PIDF) denetleyici kullanılarak farklı termal türbinlere sahip tek, iki ve dört alanlı elektrik güç sistemlerinin YFK önerilmiştir. Kaskad kontrol yapısının hem iç hem de dış döngülerinde PIDF kontrolör kullanılmıştır. İç ve dış döngülerde kullanılan PIDF kontrolör parametreleri, kontrolör sentez yaklaşımından faydalanılarak analitik olarak tasarlanmıştır. Çalışma kapsamında, son olarak, elektrik güç sistemlerinin YFK için, oransal-integral-türev artı ikinci dereceden türev (PIDD2) denetleyici kullanılarak denetlenmesi sunulmuştur. Önerilen kontrolörün parametreleri, analitik bir ayarlama yöntemi olan doğrudan sentez (DS) yöntemi ile belirlenmiştir. Bu yöntem, öncelikle uygun bir referans modelinin geliştirilmesine dayanmakta ve daha sonra istenen dinamik davranış modeli, kapalı döngü sistem modeliyle eşleştirilmiştir. Önerilen DS tabanlı PIDD2 denetleyici tasarımı hem yük bozucu reddi hem de bozucu reddi için ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Tasarım yaklaşımları, çeşitli termal türbinleri barındıran tek, iki ve üç alanlı güç sistemleri için tasarlanmıştır. PIDD2 kontrolör parametrelerinin en uygun değerleri, IAE ve yerleşme süresi gibi kriterleri içeren yeni bir amaç fonksiyonu kullanılarak belirlenmiştir. Bu tez çalışmasında YFK için önerilen her üç tasarım yaklaşımında, frekans ve bağlantı hattı güç değişimlerinin yük değişimlerine karşılık yerleşme zamanı, tepe değeri ve mutlak hata integrali (IAE) gibi farklı performans kriterleri kullanılarak önerilen çalışmaların etkinlikleri ortaya konulmuştur. Ayrıca, sistem parametrelerinde oluşabilecek değişimler ve rastgele yük değişimleri göz önüne alınarak da benzetimler gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasında önerilen her üç denetleyici tasarım yaklaşımlarının da literatürdeki çalışmalar ile karşılaştırıldığında, önemli avantajlar sağlayabileceği görülmüştür.

Abstract:
In this thesis study, firstly, a proportional integral – proportional derivative (PI-PD) controller design is presented for single–area electric power systems with single and multi-source structures consisting of different thermal turbines. This controller is robust against parameter variations and has the capability to suppress load disturbances for LFC. The parameters of the PI-PD controller are calculated using a graphical method based on calculating the weighted geometric centers of the stability boundary locus. In the study, LFC of single, two, and four-area electric power systems with different thermal turbines is also proposed a cascade control design approach utilizing a series proportional integral derivative controller with filter (PIDF). PIDF controller is used in the cascade control structure's inner and outer loops. The PIDF controller parameters used in the inner and outer loops are analytically designed using the controller synthesis approach. Finally, within the scope of the study, the control of electric power systems for LFC using a proportional-integral-derivative plus second order derivative (PIDD2) controller is presented. The parameters of the proposed controller are determined by the direct synthesis (DS) method, which is an analytical tuning method. This method is based on firstly developing a suitable reference model and then matching the desired dynamic behaviour model with the closed-loop system model. The proposed PIDD2 controller design is realized separately for both load disturbance rejection and disturbance rejection. The design approaches are designed for single, two, three, and four area power systems hosting various thermal turbines.  The optimal values of the PIDD2 controller parameters are determined using a novel objective function that includes criteria such as integral of the absolute error (IAE) and settling time. In this thesis study, the effectiveness of the proposed approaches for LFC is demonstrated using different performance criteria such as settling time, peak value, and IAE in response to load variations for frequency and tie-line power deviations in all three proposed design approaches. In addition, simulations are also carried out considering the variations in system parameters and random load variations. It is observed that all three controller design approaches proposed in this thesis can provide significant advantages when compared with the studies in the literature.