Einsatz von modellgestützten Regelungen in der Wasserkraft. Dr. Klaus Krüger

Transkript

1 Einsatz von modellgestützten Regelungen in der Wasserkraft Dr. Klaus Krüger

2 Einsatz von modellgestützten Regelungen in der Wasserkraft 1. Einführung 2. Wasserhaushaltsregler 3. Regelung von drehzahlvariablen Maschinen am Beispiel Goldisthal

3 Systematische und modellgestützte Regelungssynthese Stellgrößen Störgrößen Reglersynthese: Modell der Regelstrecke Regelungsstruktur Regelungsparameter Regelgrößen Führungsgrößen Test und Tuning der Regelung innerhalb einer Integrationsumgebung (z.b. Hardware-in-the-loop)

4 Einsatz von modellgestützten Regelungen in der Wasserkraft 1. Einführung 2. Wasserhaushaltsregler 3. Regelung von drehzahlvariablen Maschinen am Beispiel Goldisthal

5 Wasserhaushaltsregler dezentraler Wasserhaushaltsregler Pegel Abfluss dezentraler Wasserhaushaltsregler Pegel Abfluss Zufluss dezentraler Wasserhaushaltsregler Abfluss

6 Hardware-in-the-loop Simulation zur Auslegung und Optimierung von Wasserhaushaltsreglern Flussmodell Regler (Zielsystem) serielle Kommunikation

7 Beispiele Wasserhaushaltsregler (Simulationsergebnisse) Staustufe Tschboksary Zufluss ---- Abfluss ---- Staustufe Gorky Zufluss ---- Abfluss ---- SW-Pegel ---- IW-Pegel ---- SW-Pegel ---- IW-Pegel ---- Führungsgröße Wasserstand Q Zufl. T t Q ab T R H Ist - H Soll Wasserstandsregelung Q Zufl. Q Reg - Q ab Abflußregler Abflußregler HN-Modell HN-Modell erweiterte Abflussregelung Regelschemata stammen aus der Dissertation Theobald, Univ. KA OW / Q-Regelung

8 Einsatz von modellgestützten Regelungen in der Wasserkraft 1. Einführung 2. Wasserhaushaltsregler 3. Regelung von drehzahlvariablen Maschinen am Beispiel Goldisthal

9 Größen, die durch die Hauptstellorgane der Maschine im Netzbetrieb eingestellt werden können ~ konventioneller Synchrongenerator: Wirkleistung Blindleistung HWL = G Tu TWL drehzahlvariabler Asynchrongenerator: Wirkleistung Blindleistung Drehzahl der der Welle Welle

10 Anlagenschema eines Halbwerks im Pumpspeicherwerk Goldisthal drehzahlvariable Pumpturbine mit Asynchrongenerator Nenndaten: Nenndaten: H = = m n = = /min 1/min Q = = m 3 /sec 3 /sec D = = m P = = MW MW γ γ = = grd grd T oeffn = oeffn = sec sec T schl = schl = sec sec Pumpturbine mit Synchrongenerator

11 Simulation als Basis zur Auslegung und Optimierung von Regelungsstrategien SIPROHS Realtimesimulator für hydraulische Systeme realer Turbinenregler y P n Wasserkraftwerk hydraulischer Teil n n P Wasserkraftwerk Ersatzgenerator P Q f U Netz 1 Netz 3 Netz 2 Netz mit Ersatzkraftwerken Schnittstelle G einfaches Netz- und Generatormodell reines Inselnetz mit P=f(n) G... in Kombination mit Netzsimulation realer Turbinenregler beliebig vermaschtes System mit detaillierten Modellen für sämtliche hydraulischen Komponenten oder G ~ starres Netz mit f, n=const. d.h. eingeprägte Drehzahl

12 Regelungskonzept für drehzahlvariable Maschinen im Turbinenbetrieb (vereinfachte Darstellung) P f weitere elektrische Größen Psoll + - PI Leistungsregler Msoll Umrichterregelung Drehmomentregler ASY Übergeordneter Regler Turbinenbetrieb Umrichter Filter Zündwinkel Hnet PT1 Drehzahl n ist Regelgröße n Hnet Turbinenregler Psoll Drehzahloptimierung γ opt n opt γ opt (Vorsteuerung) + + nopt n - PID(P) Drehzahlregler + PT

13 Regelungskonzept für drehzahlvariable Maschinen im Pumpbetrieb (vereinfachte Darstellung) Pist fist weitere elektrische Größen Psoll + - PI Leistungsregler Msoll Umrichterregelung Drehmomentregler ASY Übergeordneter Regler Pumpbetrieb Zündwinkel Umrichter Hnet PT1 Drehzahl n stellt sich frei ein! n Filter Optimierung der Pumpöffnung Turbinenregler Hnet Psoll γ opt γ opt + γ - P(D) Lageregelkreis PT

14 Messergebnisse: Laständerungen im Turbinenbetrieb schnelle Laständerungen Drehzahl [%] elektr. Leistung [MW] Anpassung der optimalen Drehzahl Leistung [MW] 93 Drehzahl [%] Zeit [sec] 0

15 Messergebnisse: Pumpen mit variabler Leistungsaufnahme Öffnung [%], Drehzahl [%] Leitradöffnung [%] Drehzahl [%] Leistungsaufnahme [MW] 20 elektrische Leistungsaufnahme [MW] (beachte negatives Vorzeichen!) Zeit [sec] -350

16 Gegenseitige Beeinflussung von Nachbarmaschinen Volllastabschaltung der Asynchronmaschine 110 Drehzahl synchr. [%] Drehzahl [%], Druck [bar] Drehzahl asynchr.[%] Leistung synchr. [MW] Leistung [MW] 20 Leistung asynchr. [MW] Druck vor der Maschine [bar] Zeit [sec] 30

17 Gegenseitige Beeinflussung von Nachbarmaschinen Volllastabschaltung der Synchronmaschine Drehzahl asynchr. [%] Drehzahl [%], Druck [bar] Leistung asynchr. [MW] Drehzahl synchr. [%] Leistung [MW] Leistung synchr. [MW] Druck vor der Maschine [bar] Zeit [sec] 30

18 Hardware-in-the-loop Testumgebung Vor-Ort-Bedienung für den späteren Reglerschrank PC mit SIPRHOS Software Regler SW + HW (Zielsystem)

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