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.
Статья научная