ABSTRACT – CAN. J. ELECT. COMPUT. ENG., VOL. 30, NO. 1, PP. 29–38

A robust adaptive voltage and speed regulator for multimachine power systems

Un régulateur robuste et adaptatif de tension et de vitesse pour réseaux électriques multi machines

Francis A. Okou, Louis-A. Dessaint, and Ouassima Akhrif

In this paper, the transient stability and voltage regulation of multimachine power systems are simultaneously addressed in a multivariable and nonlinear framework. Power systems are nonlinear, large-scale and made of highly coupled generators having a wide range of operating points. Decentralized nonlinear adaptive controllers which continuously update their parameters to compensate for changes in operating points are proposed. The design method is based on a new power system model recently introduced by the authors. The main characteristic of the new model is that interactions between generators and changes in operating conditions are represented by time-varying parameters. The parameters have fixed parts, which depend on the steady-state active and reactive power delivered by each generator, and time-varying parts modelling the interactions between generators, which are treated as disturbances. More importantly, the new model permits the formulation of a control design scheme, which consists of applying the input-output linearization method and stabilizing the resulting partially linear system by a linear control law. The fixed linear gains are computed from an algebraic Riccati equation and considerably attenuate the disturbance effects. An adaptive law derived from the Lyapunov stability method ensures that the controller parameters are bounded and that the generator signals converge asymptotically to steady-state values. The robustness of the controller is used to compensate for the disturbances, while its adaptive nature is used to compensate for load variations that induce operating-point variations. A four-machine power system is used to assess the effectiveness of the multivariable regulator. Simulation results show that good performance in closed loop is achieved.

Cet article propose une approche multivariable au problème de la régulation de tension et à celui de la stabilité transitoire des réseaux électriques de fortes puissances. Ces derniers sont non linéaires, de grandes tailles et constitués de générateurs fortement couplés ayant une large plage de fonctionnement. On propose des compensateurs non linéaires adaptatifs et décentralisés qui actualisent leurs paramètres afin de compenser les variations du point de fonctionnement du réseau. La méthode de conception se base sur un nouveau modèle de réseaux électriques récemment proposé par les auteurs. La principale caractéristique de ce modèle est que les interactions entre générateurs sont représentées par des paramètres variants dans le temps. Ces derniers ont une composante constante qui dépend des puissances active et réactive fournies par les générateurs et une composante effectivement variante dans le temps qui modélise les interactions entre générateurs. Ces interactions sont traitées comme des perturbations. Ce nouveau modèle permet de formuler un schéma de conception qui consiste à appliquer la linéarisation entrée sortie par retour d'état et à stabiliser ensuite le système partiellement linéaire par une commande linéaire. Les gains de cette dernière sont déduits de la résolution d'une équation de Riccati et atténuent de façon significative l'effet des perturbations. La loi d’adaptation, dérivée d'une étude de stabilité basée sur la méthode de Lyapunov, assure que les paramètres du compensateur sont bornés et que signaux de chaque générateur convergent asymptotiquement vers leurs valeurs d'équilibre. Le compensateur est donc robuste afin d'atténuer l'effet des perturbations et adaptatif pour compenser les variations des points de fonctionnement induites par les variations de la charge du réseau électrique. Un réseau électrique de quatre générateurs est utilisé pour confirmer l'efficacité du régulateur multivariable. Les résultats de simulation montrent que de très bonnes performances transitoires sont atteintes en chaîne fermée.

Keywords: multimachine power systems, multivariable approach, robust adaptive control, speed regulator, voltage regulator

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