Indirect adaptive fuzzy finite time synergetic control for power systems

Abstract

Introduction. Budget constraints in a world ravenous for electrical power have led utility companies to operate generating stations with full power and sometimes at the limit of stability. In such drastic conditions the occurrence of any contingency or disturbance may lead to a critical situation starting with poorly damped oscillations followed by loss of synchronism and power system instability. In the past decades, the utilization of supplementary excitation control signals for improving power system stability has received much attention. Power system stabilizers (PSS) are used to generate supplementary control signals for the excitation system in order to damp low-frequency oscillations caused by load disturbances or short-circuit faults. Problem. Adaptive power system stabilizers have been proposed to adequately deal with a wide range of operating conditions, but they suffer from the major drawback of requiring parameter model identification, state observation and on-line feedback gain computation. Power systems are nonlinear systems, with configurations and parameters that fluctuate with time that which require a fully nonlinear model and an adaptive control scheme for a practical operating environment. A new nonlinear adaptive fuzzy approach based on synergetic control theory which has been developed for nonlinear power system stabilizers to overcome above mentioned problems. Aim. Synergetic control theory has been successfully applied in the design of power system stabilizers is a most promising robust control technique relying on the same principle of invariance found in sliding mode control, but without its chattering drawback. In most of its applications, synergetic control law was designed based on an asymptotic stability analysis and the system trajectories evolve to a specified attractor reaching the equilibrium in an infinite time. In this paper an indirect finite time adaptive fuzzy synergetic power system stabilizer for damping local and inter-area modes of oscillations for power systems is presented. Methodology. The proposed controller design is based on an adaptive fuzzy control combining a synergetic control theory with a finite-time attractor and Lyapunov synthesis. Enhancing existing adaptive fuzzy synergetic power system stabilizer, where fuzzy systems are used to approximate unknown system dynamics and robust synergetic control for only providing asymptotic stability of the closed-loop system, the proposed technique procures finite time convergence property in the derivation of the continuous synergetic control law. Analytical proofs for finite time convergence are presented confirming that the proposed adaptive scheme can guarantee that system signals are bounded and finite time stability obtained. Results. The performance of the proposed stabilizer is evaluated for a single machine infinite bus system and for a multi machine power system under different type of disturbances. Simulation results are compared to those obtained with a conventional adaptive fuzzy synergetic controller.Вступ. Бюджетні обмеження у світі, жадібному до електроенергії, змушують комунальні підприємства експлуатувати станції, що генерують, на повну потужність, а іноді і на межі стабільності. У таких різких умовах виникнення будь-якої позаштатної ситуації або збурення може призвести до виникнення критичної ситуації, що починається з погано згасаючих коливань з подальшою втратою синхронізму та нестійкістю енергосистеми. В останні десятиліття велика увага приділялася використанню додаткових сигналів, керуючих збудження, для підвищення стійкості енергосистеми. Стабілізатори енергосистеми (СЕС) служать для вироблення додаткових сигналів керування системою збудження з метою гасіння низькочастотних коливань, спричинених збуреннями навантаження або короткими замиканнями. Проблема. Адаптивні стабілізатори енергосистем були запропоновані для того, щоб адекватно справлятися з широким діапазоном робочих умов, але вони страждають від основного недоліку, що полягає в необхідності ідентифікації моделі параметрів, спостереження за станом та обчислення коефіцієнта посилення зворотного зв'язку в режимі реального часу. Енергетичні системи є нелінійними системами з конфігураціями та параметрами, які змінюються з часом, що потребує повністю нелінійної моделі та схеми адаптивного управління для практичного операційного середовища. Новий нелінійний адаптивно-нечіткий підхід, заснований на синергетичній теорії управління, розроблений для нелінійних стабілізаторів енергосистем для подолання вищезазначених проблем. Мета. Теорія синергетичного управління успішно застосовувалася під час проєктування стабілізаторів енергосистем. Це найбільш перспективний надійний метод управління, заснований на тому ж принципі інваріантності, що і в ковзному режимі управління, але без його недоліку, пов'язаного з вібрацією. У більшості своїх програм синергетичний закон управління був розроблений на основі аналізу асимптотичної стійкості, і траєкторії системи еволюціонують до заданого атрактора, що досягає рівноваги за нескінченний час. У статті подано непрямий адаптивний нечіткий синергетичний стабілізатор енергосистеми з кінцевим часом для гасіння локальних та міжзонових мод коливань енергосистем. Методологія. Пропонована конструкція регулятора заснована на адаптивному нечіткому управлінні, що поєднує синергетичну теорію управління з атрактором кінцевого часу та синтезом Ляпунова. Удосконалюючи існуючий стабілізатор адаптивної нечіткої синергетичної енергосистеми, де нечіткі системи використовуються для апроксимації динаміки невідомої системи та надійного синергетичного управління тільки для забезпечення асимптотичної стійкості замкнутої системи, запропонований метод забезпечує властивість збіжності за кінцевий час при виведенні безперервного синергетичного закону керування. Наведено аналітичні докази збіжності за кінцевий час, що підтверджують, що запропонована адаптивна схема може гарантувати обмеженість сигналів системи та отримання стійкості за кінцевий час. Результати. Працездатність пропонованого стабілізатора оцінюється для одномашинної системи з нескінченними шинами і багатомашинної енергосистеми при різних типах збурень. Результати моделювання порівнюються з результатами, отриманими за допомогою звичайного нечіткого адаптивного синергетичного регулятора.