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

= q_x - q_v 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

⋅ q_v = k_v ⋅ q_v

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 h}v 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 q_y и давлением h_y:

_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 h}y ( y , t )      _T^dq 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).