Minimização funcional de custo quadrática ótima discreta baseada em AGC para sistemas de energia interconectados

Dec 03, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2752 (2023) Citar este artigo

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A crescente complexidade e dificuldade do problema de controle automático de geração (AGC) resultou da escala crescente de redes de energia interconectadas e mudanças nas demandas diárias. Os principais objetivos do AGC são controlar variações de frequência em níveis nominais e variações de potência de tie-line em níveis planejados. Para lidar efetivamente com as dificuldades de controle do AGC, este estudo apresenta o controle de geração automática quadrática ótima discreta (OQAGC). Uma das vantagens deste método é a diferenciação dos resultados da função de custo quadrático em termos lineares, minimizando as ações de controle e minimizando os desvios de estado. Este método de controle desenvolvido leva a uma lei de controle discreto simples e fácil que pode ser implementada para sistemas lineares e não lineares. Para otimizar o controlador, este trabalho de pesquisa utilizou um teorema de controle ótimo usando multiplicadores lagrangeanos, enquanto a técnica de minimização funcional é usada para selecionar sistematicamente as matrizes de ponderação de estado e controle em forma discreta para N regiões de controle (onde N é o número de sistemas de energia interconectados ). As necessidades da função de custo discreto são derivadas usando esta técnica em termos de erros de controle de área, erros de controle de área integral e gasto de energia de controle. Quatro sistemas de energia interligados foram analisados ​​com/sem distúrbios e erros de controle de área, cada um com uma unidade termelétrica, hidrelétrica e geradora a gás. Um sistema de energia multifonte de duas áreas com energia renovável na área de controle 2 é analisado para o desempenho do controlador proposto com restrições de taxa de geração (GRCs). A técnica de minimização funcional simplifica e facilita a escolha de matrizes de ponderação. Além disso, os resultados da simulação sugerem que a abordagem de minimização funcional de custo baseado em controle quadrático ótimo discreto AGC aprimora a dinâmica do sistema de energia em termos de estabilidade, desempenho de estado estacionário e robustez do sistema de controle de malha fechada para perturbações de carga de entrada. Como resultado, a abordagem OQAGC recém-desenvolvida demonstra a importância do controlador LQR discreto para N sistemas de energia multi-área.

O controle da potência ativa é um requisito importante no gerenciamento diário de qualquer sistema moderno de energia elétrica1. Os principais objetivos desse controle são manter os desvios de frequência em um valor nominal, manter as variações de potência das linhas de amarração entre as áreas em um valor programado e garantir que as variações de frequência voltem a zero2,3,4. Em outras palavras, as perdas de potência e cargas são sensíveis à velocidade e frequência do gerador. Portanto, para um funcionamento satisfatório, a potência mecânica e a potência elétrica entregue aos consumidores devem ser equiparadas. A frequência do sistema depende do equilíbrio de potência ativa. Portanto, uma incompatibilidade na potência ativa reflete uma mudança na frequência. Depois que uma carga é adicionada ao sistema de energia, a incompatibilidade de energia é inicialmente compensada pela extração de energia cinética do armazenamento inercial do sistema, resultando em uma queda na frequência do sistema de energia. Uma diminuição na frequência leva a uma diminuição na potência consumida pelas cargas. No equilíbrio, a frequência será constante ou em valor nominal5,6. Em contraste, os recursos distribuídos têm um comportamento totalmente diferente dos geradores clássicos porque são interligados por meio de dispositivos eletrônicos de potência7. Como resultado, não há acoplamento entre a velocidade de rotação do gerador e a frequência do sistema8 e, portanto, unidades geradoras conectadas por inversores não contribuem inerentemente para a inércia total do sistema9. Portanto, os recursos energéticos distribuídos integrados aos sistemas de potência atuam como perturbações adicionais ao sistema de potência em questão. Devido a isso, o aumento das demandas de carga torna esse problema de controle desafiador. Além do sistema de energia interligado estar crescendo em tamanho devido à integração dos novos recursos distribuídos, ou seja, parques eólicos e fotovoltaicos, na rede principal, adotando novos conceitos, como rede inteligente, e a digitalização dos sistemas de energia torna esse controle ainda mais complexo e desafiador10.