Adequacy of Lyapunov Control of Power Systems Considering Modelling Details and Control Indices

doi:10.60692/w0jdq-ey676

Published May 1, 2023 | Version v1

Publication Open

Adequacy of Lyapunov Control of Power Systems Considering Modelling Details and Control Indices

1. Indian Institute of Technology Roorkee
2. University of Southampton
3. Imperial College London
4. Indian Institute of Technology Delhi

Nonlinear excitation controllers for power systems are considered as promising replacements for their linear counterparts, such as power system stabilizers (PSSs). However, Lyapunov based nonlinear controllers currently available in literature have been derived using simplified third order machine dynamics and have not been tested on realistic power system models, and the costs associated with these controllers have also not been studied. The paper aims to assess the performance of existing Lyapunov controllers for a detailed benchmark power system model. Two new Lyapunov based nonlinear controllers have been derived using IEEE recommended subtransient machine model, and their performance and costs have been compared with existing methods. The controllers have been evaluated using metrics for both small signal stability and transient stability. It has been proven theoretically (via stability analysis) and demonstrated via simulations that proposed Lyapunov controllers are more viable options for control of power system oscillatory dynamics. It has also been demonstrated that detailed subtransient model is required for accurate estimation of states via dynamic state estimation for use in the realization of Lyapunov controllers.

Translated Descriptions

This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعتبر وحدات التحكم في الإثارة غير الخطية لأنظمة الطاقة بدائل واعدة لنظيراتها الخطية، مثل مثبتات نظام الطاقة (PSSs). ومع ذلك، تم اشتقاق وحدات التحكم غير الخطية القائمة على ليابونوف المتوفرة حاليًا في الأدبيات باستخدام ديناميكيات آلة مبسطة من الدرجة الثالثة ولم يتم اختبارها على نماذج واقعية لنظام الطاقة، كما لم تتم دراسة التكاليف المرتبطة بوحدات التحكم هذه. تهدف الورقة إلى تقييم أداء وحدات تحكم ليابونوف الحالية للحصول على نموذج نظام طاقة معياري مفصل. تم اشتقاق وحدتي تحكم غير خطيتين جديدتين تعتمدان على ليابونوف باستخدام نموذج الآلة شبه المؤقتة الموصى به من IEEE، وتمت مقارنة أدائهما وتكاليفهما بالطرق الحالية. تم تقييم وحدات التحكم باستخدام مقاييس لكل من استقرار الإشارة الصغيرة والاستقرار العابر. لقد ثبت نظريًا (من خلال تحليل الاستقرار) وتبين من خلال المحاكاة أن وحدات التحكم المقترحة في ليابونوف هي خيارات أكثر قابلية للتطبيق للتحكم في الديناميكيات التذبذبية لنظام الطاقة. كما ثبت أن النموذج الفرعي المؤقت التفصيلي مطلوب للتقدير الدقيق للحالات عن طريق تقدير الحالة الديناميكي لاستخدامها في تحقيق وحدات تحكم ليابونوف.

Translated Description (French)

Les contrôleurs d'excitation non linéaires pour les systèmes d'alimentation sont considérés comme des remplacements prometteurs pour leurs homologues linéaires, tels que les stabilisateurs de système d'alimentation (PSS). Cependant, les contrôleurs non linéaires basés sur Lyapunov actuellement disponibles dans la littérature ont été dérivés en utilisant la dynamique simplifiée des machines du troisième ordre et n'ont pas été testés sur des modèles réalistes de système d'alimentation, et les coûts associés à ces contrôleurs n'ont pas non plus été étudiés. L'article vise à évaluer les performances des contrôleurs Lyapunov existants pour un modèle de système d'alimentation de référence détaillé. Deux nouveaux contrôleurs non linéaires basés sur Lyapunov ont été dérivés à l'aide du modèle de machine subtransient recommandé par l'IEEE, et leurs performances et leurs coûts ont été comparés aux méthodes existantes. Les contrôleurs ont été évalués à l'aide de métriques pour la stabilité du petit signal et la stabilité transitoire. Il a été prouvé théoriquement (via une analyse de stabilité) et démontré via des simulations que les contrôleurs Lyapunov proposés sont des options plus viables pour le contrôle de la dynamique oscillatoire du système d'alimentation. Il a également été démontré qu'un modèle subtransient détaillé est nécessaire pour une estimation précise des états via une estimation d'état dynamique à utiliser dans la réalisation des contrôleurs Lyapunov.

Translated Description (Spanish)

Los controladores de excitación no lineales para sistemas de energía se consideran reemplazos prometedores para sus contrapartes lineales, como los estabilizadores del sistema de energía (PSS). Sin embargo, los controladores no lineales basados en Lyapunov actualmente disponibles en la literatura se han derivado utilizando dinámicas simplificadas de máquinas de tercer orden y no se han probado en modelos realistas de sistemas de energía, y los costos asociados con estos controladores tampoco se han estudiado. El documento tiene como objetivo evaluar el rendimiento de los controladores Lyapunov existentes para un modelo detallado de sistema de alimentación de referencia. Se han derivado dos nuevos controladores no lineales basados en Lyapunov utilizando el modelo de máquina subtransitoria recomendado por el IEEE, y su rendimiento y costes se han comparado con los métodos existentes. Los controladores se han evaluado utilizando métricas tanto para la estabilidad de la señal pequeña como para la estabilidad transitoria. Se ha demostrado teóricamente (mediante análisis de estabilidad) y mediante simulaciones que los controladores Lyapunov propuestos son opciones más viables para el control de la dinámica oscilatoria del sistema de potencia. También se ha demostrado que se requiere un modelo subtransitorio detallado para la estimación precisa de estados a través de la estimación dinámica de estados para su uso en la realización de controladores Lyapunov.

Files