[論文レビュー] Implementation of an Innovative Bio Inspired GA and PSO Algorithm for Controller design considering Steam GT Dynamics

R. Shivakumar, R. Lakshmipathi|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2010

Power System Optimization and StabilityEngineering参考文献 16被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、蒸気タービン・ガバナ（GT）のダイナミクスを有する送電系統における低周波数振動の減衰を向上させるために、遺伝的アルゴリズム（GA）および粒子群最適化（PSO）を用いた新しい生物にまねられた制御アーキテクチャの設計を提案する。システムの減衰比に基づく最適化基準を定式化することで、最適な制御パラメータを計算し、非線形時領域シミュレーションにより、従来のリードラグ制御と比較して優れた安定性とロバスト性を示した。

ABSTRACT

The Application of Bio Inspired Algorithms to complicated Power System Stability Problems has recently attracted the researchers in the field of Artificial Intelligence. Low frequency oscillations after a disturbance in a Power system, if not sufficiently damped, can drive the system unstable. This paper provides a systematic procedure to damp the low frequency oscillations based on Bio Inspired Genetic (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO) algorithms. The proposed controller design is based on formulating a System Damping ratio enhancement based Optimization criterion to compute the optimal controller parameters for better stability. The Novel and contrasting feature of this work is the mathematical modeling and simulation of the Synchronous generator model including the Steam Governor Turbine (GT) dynamics. To show the robustness of the proposed controller, Non linear Time domain simulations have been carried out under various system operating conditions. Also, a detailed Comparative study has been done to show the superiority of the Bio inspired algorithm based controllers over the Conventional Lead lag controller.

研究の動機と目的

• 異常発生後の送電系統における低周波数振動を抑制することにより、不安定化を防ぐこと。
• 生物にまねられたアルゴリズムを用いた最適化に基づく制御アーキテクチャ設計手法を体系的に開発すること。
• 同期発電機および蒸気タービン・ガバナ（GT）ダイナミクスの詳細なモデルを制御アーキテクチャ設計プロセスに統合すること。
• さまざまな運転条件下での提案制御アーキテクチャのロバスト性を評価すること。
• 生物にまねられたGAおよびPSOが従来のリードラグ制御と比較して、減衰性能で優れていることを実証すること。

提案手法

• 制御パラメータ選定を導くために、システムの減衰比の向上に基づく最適化基準を定式化する。
• 蒸気タービン・ガバナ（GT）ダイナミクスを含む同期発電機の包括的な数学的モデルを統合する。
• 遺伝的アルゴリズム（GA）および粒子群最適化（PSO）を用いて、減衰比を最大化する最適な制御パラメータを探索する。
• 非線形時領域シミュレーションを用いて、多様なシステム運転条件下での制御性能を検証する。
• シミュレーションベースの性能指標を用いて、提案された生物にまねられた制御アーキテクチャと従来のリードラグ制御を比較する。
• 安定性と動的応答のバランスをとるための多目的最適化フレームワークを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GA や PSO などの生物にまねられた最適化アルゴリズムを、低周波数振動の減衰を向上させる送電系統制御アーキテクチャの設計に効果的に応用する方法は何か？
• RQ2 蒸気タービン・ガバナ（GT）ダイナミクスの詳細な取り扱いが、制御性能および安定性に与える影響は何か？
• RQ3 提案されたGAおよびPSOベースの制御アーキテクチャは、従来のリードラグ制御と比較して、減衰比および過渡応答の面でどのように異なるか？
• RQ4 さまざまなシステム運転条件下での提案制御アーキテクチャのロバスト特性は何か？
• RQ5 システムの減衰比に基づく最適化基準は、最適な制御パラメータの選定を効果的に導くことができるか？

主な発見

• 提案されたGAおよびPSOベースの制御アーキテクチャは、従来のリードラグ制御と比較して、顕著にシステムの減衰比を向上させた。
• 非線形時領域シミュレーションにより、提案制御アーキテクチャが複数の運転条件下でロバストであることが確認された。
• モデルに詳細な蒸気タービン・ガバナ（GT）ダイナミクスを組み込むことで、制御アーキテクチャ設計の正確性と有効性が向上した。
• 最適化プロセスにおいて、PSOアプローチはGAよりも高速に収束したため、計算効率が優れていることが示された。
• 比較研究により、生物にまねられたアルゴリズムが、優れた減衰性能とより速い過渡応答を実現していることが明らかになった。
• 減衰比に基づく最適化基準は、最適な制御パラメータの計算を効果的に導くことができ、結果としてシステムの安定性が向上した。