Математическое и компьютерное моделирование микро - ГЭС башенного типа
Автор: Рустамов У.С.
Журнал: Экономика и социум @ekonomika-socium
Рубрика: Основной раздел
Статья в выпуске: 12-2 (79), 2020 года.
Бесплатный доступ
Использование малых гидроэлектростанций является одним из направлений развития возобновляемых источников энергии и уже сегодня конкурирует с традиционными источниками электрической энергии. В статье приведена блок схема предложенной микро-ГЭС башенного типа, математическая модель для водонапорной башни. С учетом поставленных требований разработана компьютерная модель по расчету и оптимизацию режимов работы микро - ГЭС с учетом их основных технико-технологических характеристик в широком диапазоне эксплуатационных условий
Потребности, альтернатива, возобновляемые источники энергии, микрогэс, гидроэнергетика, стабилизация, математическая модель, компьютерная модель
Короткий адрес: https://sciup.org/140258213
IDR: 140258213
Текст научной статьи Математическое и компьютерное моделирование микро - ГЭС башенного типа
Как и во всём мире, в Республике Узбекистан особое внимание уделяется обеспечению устойчивого и безопасного развития общества, где решающее значение имеют достаточность, надежность обеспечения электричеством растущих потребностей хозяйства и населения. Достигнуты ощутимые результаты при создании возобновляемых источников энергии, энергоэффективности за счет применения специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе [1-3].
Использование малых гидроэлектростанций является одним из направлений развития возобновляемых источников энергии и уже сегодня конкурирует с традиционными источниками получения электрической энергии, являясь эффективным направлением развития альтернативной энергетики.
Объекты малой гидроэнергетики условно делят на два типа: «мини» -обеспечивающие единичную мощность до 5000 кВт, и «микро» -работающие в диапазоне от 0.3 до 100 кВт.
Микро-ГЭС – это электростанции, обладающие малой мощностью (до 100,0 кВт), служащие для производства электрической энергии, путем преобразования кинетической энергии воды и являются технологически зрелой отраслью: большинство технологий были масштабированы еще в 1970-х гг (а разработаны в начале 20 века);
В комплект Микро-ГЭС, как правило, входят следующие элементы:
-
1. Гидротурбина;
-
2. Мультипликатор, для увеличения оборотов вала генератора по
-
3. Устройство, обеспечивающее саморазгон турбины;
-
4. Комплект трубопроводов;
-
5. Генератор;
-
6. Система управления и автоматики-шкаф возбуждения -
- автоматического управления, шкафа нагрузок.
отношению к оборотам турбины или редуктор;
Микро-ГЭС предназначен для автономного электроснабжения электрической энергией, фермерских хозяйств, молочных ферм, малых предприятий по обработке сельхозпродуктов, теплиц, дачных участков, пасек и других малых объектов.
Источником энергии могут служить:
Реки различных размеров и интенсивности течения и ручьи;
Перепады высот на водосбросах водоемов различного назначения;
Технологические водотоки;
Перепады высот на трубопроводах различного назначения.
Для установки Микро-ГЭС могут быть использованы малые водотоки свободным потоком воды или с напором от 1до 10 м при расходе воды не менее 0,2 м куб в сек (200 л/с). Напор воды создается путем устройства водозаборного устройства в русле реки, строительства деривационного канала, напорного бассейна и водоподводящего напорного трубопровода.
Конструктивное исполнение Микро-ГЭС позволяет легко проводить его монтаж, демонтаж и не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала в процессе эксплуатации.
Блок схема предложенной микро-ГЭС башенного типа, приведена на рис.1. Микро ГЭС включает себя, водонапорную башню -1, вентиль -2, трубу -3, гидротурбину -4, гидрогенератор -5, уровнемер -6, контролер -7 и скважину – 8.

Рис.1. Блок-схема микро- ГЭС башенного типа.
Модель гидравлической части.
Сначала мы напишем математическую модель для водонапорной башни.
Учитывая объем воды водонапорной башне - V , поверхность S и уровень h , можно записать соотношение:
dV
= qx - qv dt
Соотношение между давлением Δ h и расходом q v имеет вид:
Δ h v
q 0 2 ⋅ g ⋅ C d 2 ⋅ A g 2
⋅ qv = kv ⋅ qv
где: Cd и Ag – данные геотермальной воды, а q0 - поток установившегося состояния.
Результаты отношения: q v = ⋅ Δ h v
k v
Чтобы смоделировать принцип управления включением-выключением вентиля, введем в вышеприведенном отношении поправку h , в результате чего:
Используя обозначения м V = S ⋅ h , Δ h = h , TV = kV ⋅ S , y, получаем математическую модель, башни и лопасти:
q v = г ’л hv 0 ( x ) (4)
kv
Итак, передаточная функция водонапорной башни и вентиля имеет вид:
T v ' dh + h 'Q ( x ) = k v ’ q x
Учитывая заданную точку у на подающем трубопроводе, мы получим следующее соотношение между потоком qy и давлением hy:
c h ( s ) kv
G == = 5
q x ( s ) 0 ( x )+ T v • s
^- ; 0 ( x ) = 0 ( closedvane )
-—^—; 0 ( x ) = 1 ( openedvane )
d q y ( y , t ) _ _r shAyA d t 0 d t
где Lq, C0, Rq - гидравлическая индуктивность, емкость, сопротивление на единицу длины трубы.
Результаты уравнения:
d hy ( y , t ) Tdq y ( y , t )
— = - L o -- R • q y ( y , t ) (8)
д t d t
Это уравнение можно решить, применив преобразование Лапласа к аргументу t. Используя обозначение hy для входного давления турбины, получаем:
d h ( y , t ) T
2 L o
• C 0
d 2 h ( y , t ) dt2
- R o • c o
dhiyA = 0 d t
С учетом этих требований разработана компьютерная модель по расчету и оптимизацию режимов работы микро - ГЭС с учетом их основных технико-технологических характеристик в широком диапазоне эксплуатационных условий; в том числе скорости вращения ротора, напряжение возбуждения генератора, фазные токи генератора и выходные напряжения в целом.
Модель микро - ГЭС состоящая из гидравлической турбины и синхронного генератора представлена на рис 2.
На первые два входа блока подаются требуемые значения угловой частоты ращения (w ref ) и мощности (P ref ). На третий и четвертые входы блока поступают фактические значения угловой частоты вращения (w e ) и активной мощности (Ре). На пятый вход подается отклонение угловой частоты вращения ротора синхронного генератора (d w ). Выходными сигналами являются механическая мощность, которая должна подаваться на соответствующий вход блока синхронной машины (Рm), и величина открытия затвора гидротурбины (gate). Входы 2 и 4 могут оставаться неподключенными, если в качестве обратной связи будет использоваться сигнал о положении затвора, а не отклонении частоты вращения. Все входные и выходные величины измеряются в относительных единицах.

Рис.2. Общая схема модели.

Рис.3. Выходное напряжение фазы
С генератора
Компьютерная модель микро-ГЭС башенного типа позволяет исследовать влияние величины и характера нагрузки на величину выходного напряжения микро ГЭС. Сравнение результатов исследования на моделях и экспериментальной установке, показавшие их адекватность и возможность использования этих моделей при проектирование микроГЭС башенного типа для конкретных потребителей и нагрузок (рис. 2, 3).
Список литературы Математическое и компьютерное моделирование микро - ГЭС башенного типа
- A. A. Abdurakhmanov, K. K. Zainutdinova, M. A. Mamatkosimov, M. S. Paizullakhanov, and G. Saragoza, "Solar technologies in Uzbekistan: State, priorities, and perspectives of development", Appl. Sol. Energy (English Transl. Geliotekhnika), 2012, DOI: 10.3103/S0003701X1202003X
- N. Avezova, A. Khaitmukhamedov, and A. Vokhidov, "uzbekistan renewable energy short overview: programs and prospects", Int. J. Energy Smart Grid, 2017, DOI: 10.23884/ijesg.2017.2.2.03
- E. Y. Rakhimov, S. E. Sadullaeva, Y. G. Kolomiets, K. K. Tashmatov, and N. O. Usmonov, "Analysis of the solar energy potential of the Republic of Uzbekistan", Appl. Sol. Energy (English Transl. Geliotekhnika), 2017, DOI: 10.3103/S0003701X17040120
- СФ Эргашев, АК Тожибоев, "Автоматическое регулирование суммарной нагрузки для инвертора с ограниченной выходной мощностью", Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации, 311-318.