WEKO3
アイテム
移相器のスライディングモード制御による電力系統安定化に関する研究
http://hdl.handle.net/10191/23702
http://hdl.handle.net/10191/23702e39a09fc-39f4-425d-aec8-c44f6c56ea1f
| 名前 / ファイル | ライセンス | アクション |
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本文 (17.3 MB)
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| Item type | 学位論文 / Thesis or Dissertation(1) | |||||
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| 公開日 | 2013-10-09 | |||||
| タイトル | ||||||
| タイトル | 移相器のスライディングモード制御による電力系統安定化に関する研究 | |||||
| タイトル | ||||||
| タイトル | 移相器のスライディングモード制御による電力系統安定化に関する研究 | |||||
| 言語 | en | |||||
| 言語 | ||||||
| 言語 | jpn | |||||
| 資源タイプ | ||||||
| 資源タイプ識別子 | http://purl.org/coar/resource_type/c_46ec | |||||
| 資源タイプ | thesis | |||||
| その他のタイトル | ||||||
| その他のタイトル | A Study on the Power System Stabilization by a Sliding Mode Control of Phase Shifters | |||||
| 著者 |
横山, 和哉
× 横山, 和哉 |
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| 著者別名 | ||||||
| 識別子Scheme | WEKO | |||||
| 識別子 | 48472 | |||||
| 姓名 | Yokoyama, Kazuya | |||||
| 抄録 | ||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||
| 内容記述 | 本論文では, 移相器のスライディングモード制御を用いた電力系統の安定化について述べている.第1章:本研究の背景について述べている.電力系統の安定化制御において, 過渡安定度の向上が重要な問題とされている.安定化制御系の構成には現代制御理論が広く用いられているが制御対象の正確なモデリングが行えず制御効果が損なわれているなどの問題が指摘されている.この対策として不確かなモデルにおいても満足のいく制御機能をもつロバスト制御理論が登場し,様々な安定化制御器ヘの応用が考えられてきた.スライディングモード制御はロバスト制御法の一つであり, 簡単な制御則により制御構造を切り換えるという特徴を持っている.また, パワーエレクトロニクス技術の進歩にともない,既存の交流送 電系統に最新の半導体技術などを用いて積極的な安定化制御を行い,高品質・高信頼度の系統運用を目指すというFACTS理論が提唱された. 現在, FACTS 機器にロバスト制御を用いた制御システムが広く研究されている.高速移相器はFACTS機器の一つであり,発電機の位相角を高速に制御することにより過渡安定度を向上させることができる. 以上の背景から,本論文では高速移相器にスライディングモード制御を適用した制御システムによる過渡安定度の向上を目的とする. 第2章:移相器の過渡動揺抑制効果について,既存のタップ付き移相器を用いた実験を行っている.過渡動揺は事故に起因する加速エネルギーによって故障除去後も発電機の相差角が増大して最大値に至る初期動揺と,この初期動揺に引き続く後続の動揺の二つに分けることができる.タップ付き移相器を用いた制御では後者の動揺抑制を目的として,最適な挿入移相角が得られるタップ切替え則について検討する.なお,タップ切替え則は電力-移相角特性曲線による等面積法を用いて導出する.実験は一機無限大母線系を模擬した小型(発電機容量3kVA) の実験系統装置を用い, 移相器制御による後続動揺抑制の有効性を検証する.なお,制御系はタップ付き移相器をサイリスタスィッチの高速切替えによって構成し,発電機の過渡時の相差角と角速度の状態量を利用して「if (前件部) then (後件部)」形式の簡単な制御規則をパーソナルコンピュータで比較演算することによってタップ切替え信号を与えている. | |||||
| 抄録 | ||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||
| 内容記述 | 第3章:本研究の元となるスライディングモード制御の制御理論を説明し,高速移相器によるスライディングモード制御の構成方法を示している.スライディングモード制御は構造切換型のフィードバック制御であり,状態空問に設定した超平面の両側で制御システムの構造が切り換わる.そして状態が超平面に達するとその面に拘束され,状態が面上を滑らされて安定平衡点に達する.そのため,系統の非線形特性や系統モデルに含まれる不確かさを許容できるロバストな制御系が構成できる.また,移相器を用いた制御系は制御入力が系統の非線形関数の変数に発電機の相差角との差で含まれるため,システムの非線形特性を簡潔に表現できるという特徴を持っている. スライディングモード制御系構成において, 一機無限大母線系統を対象に線形化モデルを構成し, スライディングモードの発生する条件を導出した. 線形化モデルにおいてシステムの非線形性を表すために,動特性式に含まれる非線形関数を安定平衡点で直線近似し,線形化された関数の傾きに関するパラメータが変動することを許容した.これにより非線形性をパラメータ変動として表すことができ,スライディングモード制御がパラメータ変動にロバストであるという特徴を十分活用できると考える.そして,移相器のスライディングモード制御による動揺抑制効果を検証するために,高速移相器を想定した数値シミュレーションおよび第2章で用いたタップ付き移相器による実験を行う. 第4章:一般に,スライディングモード制御系は状態空間内に安定な超平面を設定し, スライディングモードの発生する条件を満足するように構成される. しかし,電力系統は本質的に非線形性の強いシステムであるため,系の安定平衡点を含む漸近安定領域には限界があり, その領域を超えると系統は不安定になる. したがって,単にスライディングモードの存在条件を与えるだけでは安定化制御として十分とはいえず,スライディングモードの切換え面ヘの到達条件を与与えることが必要である.本システムでは超平面ヘの到達について制御開始時における状態の漸近安定性に注目し,到達条件を十分条件として導出することとしてリアプノフ関数を利用する. 導出した到達条件の妥当性を確認するために,移相器制御を施さない場合に不安定となる系において数値シミュレーションを行っている. | |||||
| 抄録 | ||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||
| 内容記述 | 第5章:前章までで述べた移相器によるスライディングモード制御系の構成理論をもとに, 多機電力系統において簡潔にスライディングモード制御を構成する. 一般に多機系統における安定化制御法の理論構成を行うとき,発電機の入出力にかかわる系統の非線形関数の取り扱いについて難しさが生じるため, 一機無限大母線系統での理論をそのまま応用することはできない.そこで,過渡安定度解析などに通常用いられるいくつかの仮定を想定した多機電力系統においてスライディングモード制御を構成する.また,多機系統においては多入力・多出力による制御系構成の煩雑さがあり,通常は評価関数などを用いて試行錯誤により求められる.本論文では制御システムを1入力・1出力のサブシステムに分割し,そのサブシステムにおいてスライディングモードの発生条件および切換え面ヘの到達条件を満足する制御利得を決定する.これにより多機系統における制御利得導出手順を試行錯誤でない方法で求めることができる. 第6章:第3章から第5章において制御系の理論的な構成を行うために, 送電線路の伝達コンダクタンスを無視する仮定をおいてきた.しかし,系統の規模が大きくなるとそれらの値が大きくなり,伝達コンダクタンスを無視したことによる制御効果の劣化も考えられる. 本システムでは伝達コンダクタンスを考慮することによって生じる特性を,線形化モデルにおけるパラメータ変動として取り扱う方法を示し,数値シミュレーションにより本制御の有効性を確認する. 第7章:全体を総括し,今後の課題について述べている.本論文の成果は移相器のスライディングモード制御による電力系統の過渡安定度向上である.特にスライディングモードの切換え線 (面) への到達条件,非線形特性をパラメータ変動として表した線形化モデル,多機系統において移相器の制御利得を一意に選定する手法などを示した.本論文では数値シミュレーションおよびタップ付き移相器を用いた小型模擬送電装置による実験的な検証により,移相器のスライディングモード制御による動揺抑制効果を確認した.今後は実系統ヘの応用を考え,他の安定化制御器との協調制御や移相器の効果的な配置などについて検討を進めたい. | |||||
| 抄録 | ||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||
| 内容記述 | This dissertation describes the power system stabilization by a sliding mode control of phase shifters as follows. Chapter 1: The background and aims of this study are described. In the stabilizing control of power systems, the improvement of the transient stability is a significant problem. Though the modern control theorem is widely used for synthesis of stabilizing controllers, a problem that control effects are spoiled because the subject of control is not modeled exactly is pointed out. For solving this problem, robust control method is studied and applied to various stabilizing controllers. A sliding mode control is one of robust controls and it has a feature that control structures change according to a simple control logic. On the other hand, the development of power-electronics technology leads to FACTS (Flexible AC Transmission Systems) theorem. The concept is that new semiconductance technology is introduced into conventional power systems and accordingly the power systems are controlled actively. An application of robust controls to various FASOTS machines is widely investigated. A high speed phase shifter is one of FACTS machines and improves the transient stability by controlling phase angle of generators. In these back grounds, this dissertation aims to improve the transient stability by applying a sliding mode control to high-speed phase-shifters. Chapter 2: The inhibition of oscillations by phase shifters is tested by experiments using a phase shifter with taps, in which phase-shift angles are controlled by switching these taps. Phase shifters govern the power output of generators. When an accident happens in power systems, generators are usually accelerated and excess energy is generated. Phase shifters improve the transient stability by controlling the phase angle of generators to cancel this excess energy. A transient oscillation is separated into two; one is the first swing that is caused by an accelerated energy of generators and another is succeeding swings that follow the first swing. A phase shifter with taps inhabits the succeeding swing by switching taps according to an optimal phase shifting rule. This rule is expressed by “if A then B”, where A is the condition of phase angles of generators. B is a phase-shift angle and it is defined by computing quantity of the compensating energy of phase shifters. Chapter 3: The principle of a sliding mode control is explained, and a way to apply a sling mode control to phase shifters is described. A sliding mode control is a kind of switching feedback control. The control scheme is to define a hyperplane in the state space and to switch the system structures between both sides of the hyperplane according to a suitable switching law. Once a state trajectory reaches onto the plane, the system dynamics is sustained on a hyperplane and converges to a stable equilibrium point. Therefore, this system is not influenced by parameter variations and nonlinearities, that is, this control system is robust. In a control system using phase shifters, the control input of a phase-shifter is expressed by the sum of phase angles of generators to form the variables of a power transmission function. Hence, the system equation does not become complex. A sliding mode controller is synthesized in a single machine - infinite bus power system. The subject of control is approximated by a linear model and the condition that a sliding mode occurs is derived. For expressing nonlinearities in a linearized model, the nonlinear function in the system dynamics is approximated by a straight line at a stable equilibrium point and a parameter corresponding to slope of a linearized function is permitted to vary. Hence, nonlinearities are expressed by parameter variations and robustness of a sliding mode control is utilized. The inhibition of oscillations is tested by computer simulations and experiments using a phase shifter with taps. | |||||
| 抄録 | ||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||
| 内容記述 | Chapter 4: The sliding mode control system is usually designed as satisfying the existence condition of a sliding mode. However, power systems essentially have strong nonlinearities and thus there is the border of an asymptotically stable region. If a system state exists out of an asymptotically stable region, it cannot reach onto a switching plane. Therefore, it is not sufficient only to give the existence condition of a sliding mode for the stabilizing controller design, and it is necessary to give a reaching condition onto a switching plane. To evaluate an asymptotic stability as the necessary and sufficient conditions are generally difficult. The Lyapunov function is known to be well evaluated to check an asymptotic stability in the first quadrant of the phase plane. Hence, we derive a sufficient condition to reach a switching plane by using the Lyapunov function. Chapter 5: The sliding mode control system is simply designed in multimachine power systems. When stabilizing controllers are designed in multimachine power systems, the designing method in a single machine-infinite bus power system is not applied as it is, because there are difficulties caused by nonlinearities that represents power outputs of generators. Therefore, some assumptions that are usually used in analysis of the transient stability are applied to multimachine power systems. There are also difficulties of determining feedback gains of phase shifters and they are usually determined in a trial and error manner by using a certain evaluating function. In this paper, a control system is separated into some of single-input single-output subsystem and control parameters of sliding mode controllers are uniquely determined in each of subsystems. Chapter 6: The transfer conductance of transmission lines is neglected for simple controller design in Chapter 2 and 3. However, it is large in large scale systems, and if it is ignored, control efficiency is spoiled and the system becomes unstable in the worst case. Therefore, sliding mode controllers are designed in a system model with components of the transfer conductance and the control effect is confirmed by computer simulations. Chapter 7: This chapter concludes the dissertation. This dissertation describes the improvement of the transient stability by applying a sliding mode control to phase shifters. The result of this study is to derive reachability onto a switching plane. Moreover, parameter variations are introduced for expressing nonlinearities in linearized model and a way uniquely to determine control parameters of sliding mode controllers is shown. Further works are a cooperative control with other stabilizers and effectual placement of phase shifters in multimachine power systems. | |||||
| 内容記述 | ||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||
| 内容記述 | 学位の種類: 博士（工学）. 報告番号: 甲第1540号. 学位記番号: 新大院博（工）甲第83号. 学位授与年月日: 平成11年3月24日 | |||||
| 書誌情報 | p. 1-95, 発行日 1999-03-24 | |||||
| 出版者 | ||||||
| 出版者 | 新潟大学 | |||||
| 著者版フラグ | ||||||
| 値 | ETD | |||||
| 学位名 | ||||||
| 学位名 | 博士（工学） | |||||
| 学位授与機関 | ||||||
| 学位授与機関名 | 新潟大学 | |||||
| 学位授与年月日 | ||||||
| 学位授与年月日 | 1999-03-24 | |||||
| 学位授与番号 | ||||||
| 学位授与番号 | 13101A1540 | |||||
| 学位記番号 | ||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||
| 内容記述 | 新大院博（工）甲第83号 | |||||
