MODELNO PREDIKTIVNO VODENJE TURBIN NA HIDROELEKTRARNAHNAGODE, KLEMEN (Avtor) Murovec, Boštjan (Mentor) Škrjanc, Igor (Komentor) modelno prediktivno vodenjemodeliranje hidroelektrarneidentifikacija prenosne funkcije vodne turbineregulacija delovne moči in frekvencemodel z izhodnim pogreškommehko vodenje z notranjim modelomposplošeno prediktivno vodenjesimulacija otočnega obratovanja hidroelektrarneMed prvenstvene naloga avtomatizacije hidroelektrarn uvrščamo regulacijo vodnih turbin. Le-ta omogoča avtomatski zagon vodnih turbin in običajno togo povezanih sinhronskih generatorjev, spremljanje obratovalnih parametrov ter različne regulacijske in varnostne funkcije (kot so npr. hitre zapore). V doktorski nalogi se osredotočamo na obravnavo regulacijskih funkcij, ki s prediktivnimi in mehkimi algoritmi vodenja ob uporabi modelov celostnega sistema hidroelektrarn izboljšajo zaprtozančni odziv regulacije frekvence in delovne moči tako v paralelnem kot v otočnem režimu obratovanja. Študija temelji na 15-letnih delovnih izkušnjah avtorja na področju avtomatike in meritev na hidroelektrarnah ter izsledkih in priporočilih dosedanjih raziskav in standardov na obravnavanem področju, ki nakazujejo smernice nadaljnjega razvoja. Vodna turbina skupaj s servomotorji vodilnika in, v primeru dvojno regulirane turbine, gonilnika spreminja kot lopatic, ki uravnavajo pretok vode na turbino, kar posledično spreminja frekvenco togo povezanega generatorja ali, v primeru sinhroniziranega generatorja, oddajo delovne moči v električno omrežje. Modeliranje Fancisove in Kaplanove vodne turbine ter identifikacija frekvence generatorja v odvisnosti od odprtja servomotorja vodilnika na štirih različnih hidroelektrarnah, opremljenih s Francisovo, Kaplanovo in cevno turbino, razkriva fazno neminimalnost procesa pri regulaciji delovne moči. Pri krmiljenju frekvence generatorja je proces v odprti zanki pri večjih spremembah servomotorja vodilnika lahko nestabilen ter v primeru hidroelektrarn z daljšimi cevovodi vsebuje podkritično dušene dominantne pole, ki povzročajo podkritično dušen prehodni pojav sistema. Pri obravnavanih tipih turbin je proces nelinearen s prisotnim mrtvim časom, za katerega na osnovi meritev ugotavljamo, da ni vedno enak, kar posledično zmanjša robustnost sistema. Dodatno dimenzijo problematike predstavlja prehod v otočno obratovanje, kjer so sistemi podvrženi večjim frekvenčnim nihanjem in bremenskim motnjam. Obstoječa znanstvena literatura večino opisane problematike naslavlja z vidika sistemskega operaterja prenosnega omrežja. Regulacija delovne moči in frekvence na tem nivoju sta obravnavani na večjem številu proizvodnih enot in z uporabo poenostavljenih modelov. Različni pristopi modelno prediktivnega vodenja so uporabljeni pri regulaciji napake, ki vključuje delovno moč in frekvenco posameznega regulacijskega območja. Izpostavimo centraliziran in necentraliziran pristop, multi-agentni sistem za aktivno distribucijsko omrežje, stohastično modelno prediktivno vodenje s sprotnim učenjem za linearne časovno-invariantne sisteme z dodano stohastično motnjo, izraženo z modelom mešanega Dirichletovega procesa, robustno nelinearno modelno prediktivno vodenje z uporabo razširjenega Kalmanovega filtra, robustno modelno prediktivno vodenje regulacije delovne moči in frekvence na večobmočnem energetskem sistemu z upoštevanjem negotovosti preko politopskega modela, notranje vodenje z dvema prostostnima stopnjama in dvonivojski regulator za aktivno odpravo motenj. Na osnovi proučene znanstvene literature poskušamo z mehkim vodenjem odpraviti nelinearno karakteristiko vodnih turbin. Z inferenčnim mehanizmom in centroidno metodo določimo ostre vrednosti treh spremenljivk pripadnostnih funkcij prenosne funkcije (ojačenje in dve časovni konstanti) v odvisnosti od turbinske moči v poljubni obratovalni točki. Neželen vpliv fazne neminimalnosti turbinske moči poskušamo minimizirati z uporabo vodenja z notranjim modelom in uglasitvenim parametrom (časovno kontanto). Le-ta je sprva uglašen v treh delovnih točkah, ob nadgradnji z mehkim vodenjem pa se njegova vrednost določi v poljubni vmesni obratovalni točki. To doprinese k manj skokovitem začetnem odzivu izvršnega člena (vodilnika turbine) ter manjšim tlačnim konicam v cevovodu v celotnem področju obratovanja vodne turbine. Simulacije zasnovanega algoritma na primeru nelineranega modela Francis turbine 1 z vključenim tlačnim cevovodom in vodostanom HE Moste potrjujejo manjše podvzpone turbinske moči, dosegajo manjše spremembe padca na vstopu v turbino in posledično znižujejo nihanje tlaka v tlačnem cevovodu v primerjavi s klasičnim PI regulatorjem, ki je pogosto uporabljen v praksi. Za regulacijo frekvence generatorja je izpeljan model z izhodnim pogreškom s parametrično identifikacijo na turbini in prvem generatorju hidroelektrarne Mavčiče preko avtoregresijskega modela z zunanjim vhodom. Slednji predstavlja osnovo za izpeljavo modela predikcije in dveh algoritmov posplošenega prediktivnega vodenja. Regulirni signali zasnovanih algoritmov so zapisani v obliki diferenčnih enačb in so primerni za implementacijo na industrijskih krmilnikih. V okviru raziskav sta bila razvita in implementirana dva GPC algoritma. Prvi je računsko manj zahteven in primernejši za implementacijo na splošnonamenskih industrijskih krmilnikih. Drugi algoritem z večjo računsko intenzivnostjo in s prehitevanjem referenčnega signala dodatno minimizira napake v prehodnem pojavu pri odzivu na spremembo reference. Posledično zaradi prehitevanja referenčnega signala, pričakujemo manjše prevzpone in krajše umiritvene čase, kot pri prvem GPC algoritmu. Izpeljan regulirni signal je podan v diferenčni obliki in je prav tako primeren za implementacijo v splošnonamenskih industrijskih krmilnikih. Izračunana vrednost regulirnega signala je odvisna od dveh preteklih vrednosti regulirnega signala, dveh preteklih vrednosti reguliranega signala in N vrednosti vektorja referenčnega signala, ki so zamaknjeni v desno za dolžino vhodno-izhodne zakasnitve diskretnega modela. Velikost referenčnega signala je enaka velikosti opazovanega horizonta pri GPC algoritmu. Rezultati GPC vodenja izkazujejo izboljšane odzive pri sledenju reference in pri odzivu na motnjo v primerjavi z načrtanim PID regulatorjem z delnim redom, kot tudi s klasičnim PID regulatorjem, optimiziranim z integralskima cenilkama ITAE in IAE. Raziskava simulacije otočnega obratovanja vključuje kompleten model HE Mavčiče z uporabo posplošenega prediktivnega vodenja v treh različnih scenarijih. Pri variaciji delovne moči bremena in dolžine 110 kV daljnovoda sta ugotovljena odziv na sistematično spremenjeno motnjo in meja stabilnosti obratovanja. Simulacija otočnega obratovanja v realnem otoku s 25 vozlišči prikazuje 50 % krajši umiritveni čas frekvence in 51 % krajši umiritveni čas delovne moči generatorja 1 HE Mavčiče kot pri uporabi PID vodenja s cenilko ITAE. Opisana metodologija izboljšuje pokazatelje kakovosti regulacijskega sistema v otočnem obratovanju in zmanjšuje verjetnost razpada otoka.20242024-06-28 08:17:42Doktorsko delo/naloga159026VisID: 45122COBISS_ID: 200113667sl