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GAT XXI SNPTEE Floripa - gat 24, Notas de aula de Engenharia Elétrica

XXI SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Tipologia: Notas de aula

2013

Compartilhado em 05/09/2013

christiane-barbosa-arantes-6
christiane-barbosa-arantes-6 🇧🇷

4.9

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Baixe GAT XXI SNPTEE Floripa - gat 24 e outras Notas de aula em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! (*)Universidade Federal do Pará- UFPA, Rua Augusto Corrêa, n˚ 01 – ITEC - CEP 66075.-110 Belém, PA, Brasil, Tel: (+55 91) 3201-7680 – Fax: (+55 91) 3201-7680 – Email: fnogueira@ufpa.br XXI SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 23 a 26 de Outubro de 2011 Florianópolis - SC GRUPO – IV GRUPO DE ESTUDO DE ANÁLISE E TÉCNICAS DE SISTEMAS DE POTÊNCIA CA E CC - GAT PROJETO E TESTES DE CAMPO DE UM CONTROLADOR AMORTECEDOR FUZZY EM UMA UNIDADE GERADORA DA USINA HIDRELÉTRICA DE TUCURUÍ Fabrício G. Nogueira (*) Carlos T. da Costa. Jr Walter Barra. Jr José A. L. Barreiros UFPA UFPA UFPA UFPA Anderson R. B. Moraes Marcus C. M. Gomes Paulo S. Nascimento Filho UFPA UFPA UFPA Jânio J. De Lana Ricardo A. Campos Fabio S. Campos Eletronorte Eletronorte Eletronorte RESUMO Este trabalho avalia experimentalmente o projeto de um controlador amortecedor baseado em uma rede de controladores locais. A adaptação dos ganhos do controlador amortecedor é efetuada em tempo real, através de um supervisor fuzzy, o qual interpola os ganhos de um conjunto finito de controladores locais fixos. Ao ocorrer variações nas condições operacionais da planta, os ganhos da lei de controle são ajustados automaticamente de modo a manter a estabilidade e o desempenho satisfatório do sistema de controle. Os testes experimentais do controlador amortecedor fuzzy foram realizados em testes de campo em uma unidade geradora de 350 MVA da Usina Hidrelétrica (UHE) de Tucuruí. PALAVRAS-CHAVE Rede de Controladores Locais, Controle Fuzzy, Estabilidade de Sistemas Elétricos de Potência. 1.0 - INTRODUÇÃO A operação segura e eficiente de um sistema elétrico de potência depende do emprego de controladores automáticos em diferentes níveis hierárquicos, para garantir estabilidade e desempenho de operação. Atualmente, a maioria dos sistemas de controle ainda são baseados em estruturas de controle lineares cujos parâmetros são fixos. Todavia, sistemas reais, como sistemas elétricos de potência, apresentam características não-lineares, fato que muitas vezes provoca a perda de sintonia de sistemas de controle a parâmetros fixos. O projeto de um controlador para um ponto de operação fixo da planta não garante a estabilidade e o desempenho após a mudança do cenário no qual o controlador foi ajustado. Em sistemas elétricos de potência, existem diversas causas para a ocorrência de variações das condições operacionais, tais como [1]: • Variação das condições operacionais das unidades geradoras; • Variações na estrutura do sistema de potência, tal como mudanças na configuração da rede e o número de unidades geradoras conectadas. • Incerteza nos parâmetros de elementos do sistema de potência, a qual é geralmente causada por variações nos parâmetros devido a mudanças climáticas ou simplesmente erro na estimativa do parâmetro. Uma forma de reduzir os efeitos prejudiciais devidos a perda de sintonia do ESP com mudanças de ponto de operação e variações estruturais na planta é através do uso de controladores com adaptação [2] [3]. Neste artigo são apresentados o desenvolvimento e os resultados de testes de campo de técnicas de controle fuzzy adaptativo aplicadas no amortecimento de oscilações eletromecânicas em uma unidade geradora de 350 MVar da Usina Hidrelétrica de Tucuruí, no estado do Pará, operada pela ELETRONORTE. O artigo está organizado da seguinte 2 forma: na seção 2, é apresentada a estrutura de controle do ESP adaptativo implementada. Na Seção 3, é descrita a técnica de projeto de controladores digitais por deslocamento radial de pólos. Na seção 4, é apresentada a técnica de implementação de uma rede de controladores locais. Na seção 5, é apresentada a estratégia de supervisão fuzzy que realiza a adaptação do controlador do ESP digital. Os resultados de testes em campo na UHE de Tucuruí do ESP adaptativo são apresentados na seção 6. As conclusões do trabalho são discutidas na Seção 7. 2.0 - REDE DE CONTROLADORES LOCAIS COM SUPERVISÃO FUZZY Nesta seção do artigo é descrita a metodologia de controle adaptativo utilizada no projeto do estabilizador de sistemas de potência (ESP) desenvolvido. O controlador desenvolvido foi baseado na técnica de rede de controladores locais com supervisão fuzzy (Figura 2.1). Nesta estratégia, o controlador é formado por um conjunto de controladores lineares (controladores locais) projetados para diferentes pontos de operação da planta, ou seja, diferentes pontos de potência ativa (P) e potência reativa (Q) da unidade geradora. A ação de controle é o somatório da saída de todos os controladores locais, com uma ponderação para cada controlador. Esta tarefa de ponderação é realizada por um supervisor fuzzy, o qual mede a condição operacional da planta e define qual controlador local terá maior contribuição na geração do sinal de controle de saída. O controlador local projetado em uma condição operacional mais próxima ao ponto de operação medido pelo supervisor, será o controlador com maior contribuição no sinal de saída. Neste trabalho, cada controlador local foi projetado pelo método de deslocamento radial de pólos, conforme será descrito na próxima seção deste artigo. Figura 2.1 – Rede de controladores locais com supervisor fuzzy. 3. PROJETO DOS CONTROLADORES LOCAIS VIA DESLOCAMENTO RADIAL DE PÓLOS 3.1. Estrutura RST A estrutura de controle de cada um dos controladores locais é baseada em uma estrutura canônica RST, que é formada por três filtros digitais (R, S, e T), ajustáveis de acordo com a resposta desejada para o sistema de controle. Esta estrutura tem dois graus de liberdade, visto que os polinômios R e S são projetados para atender as especificações de desempenho de regulação do sistema, enquanto o polinômio T é projetado a fim de atingir o desempenho desejado para o rastreamento da referência do controlador (Landau, 2006). No caso do ESP, como a referência desejada é nula, visto que é apenas um controlador amortecedor, o polinômio T não é utilizado. Os polinômios R(q-1) e S(q-1) são expressos na forma: nr nr qrqrqrrqR −−−− ++++= ...)( 22 1 10 1 (3.1) ns nsqsqsqsqS −−−− ++++= ...1)( 22 1 1 1 (3.2) 3.2. Método de Deslocamento Radial de Pólos Os parâmetros dos polinômios R(q-1) e S(q-1) dos controladores locais foram calculados através da técnica de posicionamento de pólos, que tem como objetivo determinar um controlador que gere um sistema em malha fechada estável com características especificadas de acordo com o desempenho desejado para a planta (máximo sobre-sinal, amortecimento, freqüência natural, etc.). Para isto, os pólos do sistema controlado devem ser deslocados para uma nova posição satisfazendo o desempenho desejado [4]. A técnica de posicionamento de pólos, no caso do ESP digital, resume-se na busca dos polinômios R(q-1) e S(q-1) que satisfaçam a equação polinomial (3.3), conhecida como Equação Diofantina. )()()()()( 11111 −−−−− =+ qDqRqBqSqA (3.3) 5 Dessa forma, para um conjunto de 9 controladores locais de terceira ordem, o controlador fuzzy é calculado de acordo com as seguintes equações: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )     +++= +++= +++=      +++= +++= +++= 9 3 92 3 21 3 1' 3 9 2 92 2 21 2 1' 2 9 1 92 1 21 1 1' 1 9 2 92 2 21 2 1' 2 9 1 92 1 21 1 1' 1 9 0 92 0 21 0 1' 0 ssss ssss ssss e rrrr rrrr rrrr ρρρ ρρρ ρρρ ρρρ ρρρ ρρρ K K K K K K (5.5) Como se pode observar, os coeficientes do controlador fuzzy dependem dos coeficientes dos controladores locais e também dos valores das inferências das funções de pertinências assumidas no determinado ponto de operação do sistema. O diagrama em blocos da Figura 5.3 ilustra o controlador fuzzy desenvolvido neste trabalho. Figura 5.3 – Diagrama em Blocos do controlador digital com supervisor fuzzy. 6. RESULTADOS DE TESTES EM CAMPO NA UHE DE TUCURUÍ Os testes em campo do ESP adaptativo foram realizados na unidade geradora 08 da UHE de Tucuruí (350 MVA), a qual pertence à primeira casa de força. Os sinais de teste para a excitação da planta durante a etapa de obtenção de modelos, assim como o sinal de controle do ESP, foram injetados em um ponto de soma do circuito somador do regulador automático de tensão (RAT), da respectiva unidade geradora. Durante os ensaios, o ESP analógico da máquina onde os testes foram efetuados foi desativado, enquanto que os ESPs analógicos das demais máquinas permaneceram ativados. A Figura 6.1 ilustra os equipamentos montados ao lado do regulador automático de tensão durante a execução dos testes do ESP adaptativo na UGH08. Figura 6.1 – Equipe do projeto durante os ensaios em campo do ESP adaptativo. 6.1. Identificação de Modelos Locais O primeiro passo executado em campo para o projeto do ESP adaptativo foi a obtenção dos polinômios ( )( )1−qA l e ( )( )1−qB l que compõem os modelos locais, para todos os l pontos de operação. Os modelos foram estimados 6 através do uso de métodos experimentais de identificação paramétrica, tal como foi realizado nos trabalhos [5] e [6]. Para cada um dos 9 pontos de operação, foram coletados dados de entrada e saída da planta, que foram respectivamente, um sinal de excitação do tipo seqüência binária pseudo-aleatória (SBPA) como entrada e o desvio de potência ativa medida na saída da unidade geradora como saída. Os dados coletados foram divididos em dois grupos, sendo um utilizado para a estimação do modelo (mínimos quadrados não-recursivo) e outro para a validação do mesmo. Os 9 pontos escolhidos estão listados na Tabela 6.1 ilustrados na Figura 6.2. Tabela 6.1 – Condições operacionais dos modelos identificados da planta. (P11) P=0,740 e Q= -0,15 (P12) P=0,742 e Q= 0 (P13) P=0,735 e Q= 0,16 (P21) P=0,680 e Q= -0,2 (P22) P=0,682 e Q= 0 (P23) P=0,680 e Q= 0,13 (P31) P=0,625 e Q= -0,2 (P32) P=0,630 e Q= 0 (P33) P=0,630 e Q= 0,12 O gráfico da Figura 6.2.a ilustra os valores do amortecimento do modo de oscilação pouco amortecido dos modelos identificados. Observa-se que quanto maior a absorção de reativo, maior o amortecimento. Por outro lado, quanto maior a geração de reativo, menos amortecido fica o sistema. A variação do amortecimento com a mudança da potência ativa não é tão notável. A partir da Figura 6.2.b, observa-se que a freqüência do modo de oscilação aumenta com o aumento do reativo e diminui quanto menor o reativo. Figura 6.2 - Gráfico com valores de amortecimento relativo (a) e freqüência (b) dos modelos identificados no plano P x Q. 6.2. Testes de Controle do ESP Adaptativo Após a identificação de 9 modelos locais representativos da dinâmica do sistema em diferentes condições operacionais de potências ativa e reativa, o passo seguinte foi o projeto de um controlador digital fixo para cada um dos modelos. O conjunto de controladores compõe a rede de controladores locais do ESP adaptativo. Os controladores locais foram projetados através da técnica de deslocamento radial de pólos, onde para todos os controladores o amortecimento desejado especificado foi fixado em 0,3. Após o projeto dos controladores locais e o ajuste do supervisor fuzzy, o desempenho do ESP adaptativo foi avaliado através de testes em condições operacionais diversas. Em cada ponto de teste, foi avaliado o desempenho do sistema em três casos: sem ESP, com ESP fixo e com ESP adaptativo. O ESP fixo utilizado nos testes foi o controlador ajustado para a condição central dentre os pontos de operação utilizados para o ajuste do ESP adaptativo. Para cada um dos casos foi realizado um ensaio de identificação para levantamento de um modelo paramétrico. A Tabela 6.2 apresenta os valores de amortecimento relativo e de freqüência natural dos pólos dominantes dos modelos identificados em dois testes (T1 e T2). Nota-se que os modelos identificados com ESP adaptativo ativo mantiveram um valor de amortecimento mais próximos ao valor desejado (0,3), comparado com os valores de amortecimento dos modelos identificados para o sistema com o ESP fixo ativo. Tabela 6.2 - Lista dos pólos pouco amortecidos dos modelos identificados nos pontos de teste. Teste P (pu) Q (pu) Caso Amortecimento Freqüência (Hz) T1 0,7 0,18 Sem ESP 0,0737 1,59 T1 0,7 0,18 ESP Fixo 0.270 1,66 T1 0,7 0,18 ESP Adaptativo 0.290 1,656 T2 0,687 0,035 Sem ESP 0.0774 1,5366 T2 0,687 0,035 ESP Fixo 0.287 1,5812 T2 0,687 0,035 ESP Adaptativo 0.301 1,5843 7 A Figura 6.3 apresenta a resposta ao degrau do sistema no ponto de teste de 1. Percebe-se que ambos os controladores, ESP fixo e ESP adaptativo, atendem os requisitos de desempenho do projeto no ponto de operação de teste, o que comprova a eficácia do funcionamento do ESP adaptativo com supervisor fuzzy e também mostra que o ESP fixo possui boa robustez para as variações dinâmicas do sistema com a mudança da condição operacional. Figura 6.3 – Resposta ao degrau durante o ponto de teste 1. 7. CONCLUSÃO Neste trabalho foram apresentadas as técnicas de controle fuzzy adaptativo utilizadas no projeto de um ESP digital projetado para amortecer um modo de oscilação eletromecânica em uma unidade geradora de 350 MW da UHE de Tucuruí. Os resultados de testes de identificação e controle realizados em campo, demonstraram o ótimo desempenho da metodologia de projeto adotada neste trabalho. A partir da análise de modelos paramétricos identificados, constatou-se que o desempenho do ESP adaptativo com a mudança da condição operacional da máquina, foi superior em comparação com o ESP digital a parâmetros fixos. 8. AGRADECIMENTOS Os autores agracedem ao apoio recebido da Eletronorte, através do projeto “Implementação de um Estabilizador de Sistema de Potência Piloto, com capacidade de Adaptação, em Gerador da Etapa 1 da UHE de Tucuruí”. 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Kundur, P. - Power System Stability and Control, McGraw-Hill, 1994. (2) Barra Junior., W., Barreiros, J.A.L.; da Costa Júnior, C. T. e Ferreira, A.M.D. Controle Fuzzy aplicado à melhoria da estabilidade dinâmica em sistemas elétricos de potência. Controle & Automação, Vol. 16, No. 2, pp. 173-186, 2005. (3) K. J. Ästrom and B. Witennmark - Computer Controlled Systems: Theory and Design, Prentice-Hall, 1997. (4) Landau, I.D. & Zito, G. Digital Control Systems: Design, Identification and Implementation. Springer, 2006. (5) Nogueira, F. G., Barreiros, J. A. L., Barra Junior, Costa Júnior, C.T. & Ferreira, A.M.D . Development and Field Tests of a Damping Controller to Mitigate Electromechanical Oscillations on Large Diesel Generating Units, Electric Power Systems Research, Elsevier, 2010. (6) Lana, J. J., Nogueira, F. G., Costa Júnior, C.T., Barra Junior, W., Barreiros, J. A. L., Silva, O. F., Moraes, A. R. B. “Projeto e Implementação de um Estabilizador de Sistema de Potência Digital aplicado à uma Unidade Geradora da UHE de Tucuruí”. Anais do XX Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, Recife-PE, 2009.
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