OPTYMALIZACJA PRZETWARZANIA ENERGII DLA MAŁYCH ELEKTROWNI WODNYCH Z GENERATORAMI PRACUJĄCYMI ZE ZMIENNĄ PRĘDKOŚCIĄ OBROTOWĄ

Transkrypt

1 Zezyty oblemowe Mazyny Elektyczne N 9/ Daiuz Bokowki, Tomaz Węgiel olitechnika Kakowka OTYMALZACJA RZETWARZANA ENERG DLA MAŁYC ELEKTROWN WODNYC Z GENERATORAM RACUJĄCYM ZE ZMENNĄ RĘDKOŚCĄ OBROTOWĄ ENERGY CONVERSON OTMZATON N SMALL WATER LANTS WT VARABLE SEED GENERATORS Abtact: Electical geneato fo today Small ydopowe lant (S) ae deigned fo a contant otation peed. Change of enegy povided by wate depend on wate flow, which i vey uneliable fo mall ive. Theefoe, full efficiency can be achieved fo powe technology with geneato woking at a vaiable peed. Thi pape peent a concept of a enegy conveion ytem optimization fo application in a S which i baed on a pemanent magnet (M) geneato with a popelle tubine integated with the geneato oto. Thee M geneato can wok at a vaiable peed and theefoe enegy poduced by the M geneato have to be conveted by mean of a powe electonic unit to fit to the thee-phae powe gid paamete. The element of uch S ae decibed. Due to non-linea tubine chaacteitic it i neceay to fomulate a uitable contol algoithm fo the whole ytem of enegy conveion theefoe the contol ytem pinciple fo optimal powe dividing on two exemplay hydo-et ae dicued.. Wtęp W tadycyjnych ozwiązaniach Małych Elektowni Wodnych (MEW), tubiny wodne pacują pzy tałych pędkościach obotowych, gdy układ geneacji opaty jet na geneatoze ynchonicznym lub pzy pędkościach obotowych pawie tałych i zmieniających ię w badzo małym zakeie, kiedy touje ię geneatoy indukcyjne klatkowe. aca tubin pzy makymalnych watościach pawności pzy jednoczenym utzymaniu tałej pędkości obotowej dla zmieniających ię waunków hydologicznych zeki jet możliwa dzięki pecjalnym układom teowania kieownicą oaz łopatami tubiny wodnej (tubiny Kaplana, Deiaza) []. Taki ytem podwójnej egulacji jet układem mechanicznym tounkowo złożonym i koztownym zaówno w budowie jak i w ekploatacji. Upozczenia mechanicznego ytemu egulacji tubin popzez zatoowanie jedynie pojedynczej egulacji w układzie otwacia kieownicy (tubiny Fancia, śmigłowe) lub w układzie utawienia łopat (tubiny śmigłowe) powadzą do znacznego obniżenia koztów budowy i ekploatacji tubin, lecz nie zapewniają uzykiwania optymalnych watości pawności pzy fluktuacjach pzepływu jak i ównież padu [], [], []. ewnym ozwiązaniem tego poblemu jet odejście od, pzyjmowanej powzechnie w MEW, zaady utzymywania tałej pędkości obotowej geneatoa enegii elektycznej. Geneacja enegii elektycznej pzy zmiennej pędkości obotowej geneatoów (jak to ma miejce w iłowniach wiatowych) wymaga zatoowania odpowiedniego układu enegoelektonicznego dopaowujące paamety enegii geneowanej do wymagań ieci elektoenegetycznej [4], [5]. Obecnie do geneacji enegii elektycznej pzy zmiennej pędkości obotowej używane ą głównie geneatoy indukcyjne dwutonnie zailane, geneatoy indukcyjne klatkowe pzyłączone do ieci pzez układ enegoelektoniczny oaz w otatnich latach pojawiły ię też nowe ozwiązania wykozytujące wolnoobotowe geneatoy z magneami twałymi pzęgnięte z iecią ównież popzez układ pzekztałtnikowy [4], [5]. Z uwagi na pecyfikę pacy MEW o małych padach dobymi ozwiązaniami ą hydozepoły, w któych tubina śmigłowa o utawionych na tałe łopatach jet zintegowana z geneatoem z magneami twałymi [6], [7]. Tego typu aplikacje, w chwili obecnej mają chaakte ekpeymentalny, dla któego itotnym poblemem jet zagadnienie optymalnego wykozytania enegii wody, co pzedtawione zotanie w dalzej części pacy na pzykładzie MEW wypoażonej w dwa jednakowe hydozepoły.

2 Zezyty oblemowe Mazyny Elektyczne N 9/. Zintegowany hydozepół pacujący ze zmienną pędkością obotową Zintegowany hydozepół kłada ię z dwóch zaadniczych elementów tj. tubiny śmigłowej oaz geneatoa ynchonicznego z magneami twałymi (MSG). W ozwiązaniach tych winik geneatoa z magneami twałymi jet nabudowany bezpośednio na zewnętznym pieścieniu tubiny i pacuje w całkowitym zanuzeniu. hydologicznych, czyli bieżącej watości pzepływu Q. [kw] max max max max α α α α max 5 45 n [pm] Ry.. Upozczony pzekój hydozepołu Magney twałe chonione ą pzed wodą za pomocą tulei niemagnetycznej, natomiat wodozczelny od wewnątz tojan geneatoa ma klayczną budowę i umiezczony jet w obudowie całego hydozepołu na zewnątz głównego kanału pzepływu wody. Ry.. zykładowe chaakteytyki mocy w funkcji obotów tubiny śmigłowej dla óżnych kątów otwacia kieownicy - Geneato hydozepołu powinien być tak zapojektowany, by mógł pokyć watość makymalnej mocy wytwazanej pzez tubinę pzy pełnym otwaciu układu kieowniczego. Zaznaczona linia pacy hydozepołu (yunek ) powinna pokywać punkty makymalnej mocy tubiny w zależności od kąta otwacia kieownicy. Zgodnie z powzechnie obowiązującymi pawidłowościami, któe dotyczą tubin śmigłowych [], zależność makymalnej mocy będzie popocjonalna do tzeciej potęgi pędkości ( max ~ n ). max [kw] max ~,8,6 Ry.. Winik hydozepołu Tubina hydozepołu jet pojektowana na zaadach indywidualnego dopaowania do waunków natualnych. odtawą dobou paametów tubiny jet tzw. kzywa um czaów twania pzepływów, wyznaczona na podtawie danych hydologicznych dla danej lokalizacji. Jedynym elementem kontolującym pzepływ wody jet kieownica, teowana tak, aby zapewnić makymalną podukcję enegii, niezależnie od pędkości obotowej. Kąt otwacia apaatu kieowniczego uzależniony jet głównie od aktualnych możliwości n [pm] 4 5 n min n max Ry. 4. zykładowe chaakteytyki mocy makymalnej w funkcji obotów tubiny śmigłowej dla zmian padu Zmiana padu pociągają za obą ównież zmiany mocy hydozepołu [] zgodnie z zależnością: max ~ (yunek 4). Znajomość tych chaakteytyk jet badzo itotna zczególnie dla MEW o małych padach. Zależność tę apokymuje natępujące fomuła

3 Zezyty oblemowe Mazyny Elektyczne N 9/ max ( k n )( k ) () p Dla tubin śmigłowych obowiązuje zależność popocjonalności pomiędzy pędkością a pzepływem: n ~ Q [], więc zależność () można zapiać ównież natępująco: max ( k Q )( k ) () Q L DC D T DC C F u DC ( u, i G G) U DC U DC Ry. 5. Schemat blokowy pzykładowego układu pzekztałtnikowego ( u, i ) Zintegowany hydozepół jet pzewidziany do pacy pzy pędkościach obotowych zmiennych w tounkowo dużym pzedziale od 4% do % pędkości znamionowej. W takich waunkach wytwazana zotaje enegię elektyczną o zmiennej czętotliwości oaz zmiennej watości napięcia. W celu dotoowania paametów tej enegii do wymagań ieci elektoenegetycznej wykozytywany jet pzekztałtnikowy układ enegoelektoniczny (yunek 5), któy w itocie zatępuje mechanizm teowania kątem utawienia łopat klaycznej tubiny wodnej. Układy enegoelektoniczne tego typu chaakteyzują ię małymi gabaytami, dużą niezawodnością pacy oaz łatwością i zybkością teowania pzepływem mocy czynnej za pomocą efeencyjnego pądu pzy zadanym poziomie wpółczynnika mocy co. Na ynku itnieją gotowe ozwiązania układów enegoelektonicznych, pzekztałcających paamety enegii elektycznej, któe mogą być wykozytane w MEW, lecz wymagają one modyfikacji poobów teowania mocą, któe ze względu na pecyficzny chaakte pacy iłowni wodnych uwzględniałyby chaakteytyki tubin pzy fluktuacjach pzepływu (yunek ) oaz zmianach padu (yunek 4). Należy ównież uwzględnić ponadto zake opłacalności pacy hydozepołu w ganicach ( max n min,n ) ze względu na taty ozuchowe. g ( u G, ig ) ( u, i ) ( u G, ig) ( u, i ) d Ry. 6. Schemat blokowy pzykładowej MEW o dwóch hydozepołach

4 4 Zezyty oblemowe Mazyny Elektyczne N 9/. Optymalizacja wpółpaca dwóch hydozepołów w MEW W celu pzedtawienia zagadnienia optymalnej wpółpacy hydozepołów założono, pzypadek pacy dwóch jednakowych jednotek na tym amym padzie (yunek 6). zyjmuje ię, że paca MEW odbywa ię na zadany poziom wody gónej, natomiat pzepływ egulowany jet pzez układy kieownic hydozepołów w zależności od aktualnego tanu hydologicznego zeki, co wywołuje w konekwencji zmiany pędkości obotowych tubin. Celem nadzędnym ealizowanym pzez układ teowania zaimplementowanym w teowniku LC (yunek 6) jet uzykiwanie makymalnej mocy wypadkowej MEW. Związane to jet z okeśleniem eguł ozdziału mocy na pozczególne jednotki w funkcji zmian pzepływu oaz padu pzy zachowaniu makymalnych pawności pzetwazania enegii wody na enegię elektyczną. W związku z tym pzeanalizowania wymaga zależność mocy makymalnej hydozepołu w funkcji pędkości: (yunki i 4). Dla analiz ozdziału wytwazanej mocy na dwa hydozepoły można założyć utzymywanie ię na tałym zadanym poziomie watości chwilowej padu, więc zależność () można upościć dla pozczególnych jednotek do potaci: k Q () Wpowadzając watość całkowitego pzepływu, Q Q Q, można wzó (5) zapiać, jako:, Q) k Q k ( Q ) ( Q Q (6) ozukując makimum funkcji ( Q, Q), ze względu na Q, należy pzyównać do zea piewzą pochodną, któa wkaże miejca wytępowania ektemów ( Q, Q) kq (Q Q) Q (7) Jedyne ektemum wytępuje dla Q Q / Jak pokazuje duga pochodna: ( Q Q, Q) 6kQ (8) jet to minimum. Rozdzielenie pzepływu na dwa jednakowe pzepływy Q Q Q / dla pozczególnych hydozepołów jet, więc najgozym ozwiązaniem (min). Makimum dla nieoganiczonej funkcji badanej nie itnieje, jednak dla oganiczonego pzedziału pzepływu Q (,Qmax ) jet okeślone. Aby wybać najlepze ozwiązanie należy pzyjzeć ię, więc wykeowi funkcji badanej ( Q, Q) wpowadzając jednocześnie oganiczenie pzepływu pozczególnych hydozepołów Q Q (,Q / )., max k Q (4) Q min Q max Q Q min Q max Q Ry. 7. Chaakteytyki tubin dla zadanego padu Moc umayczna obu hydozepołów wynoi: k Q k Q (5) Ry. 8. Chaakteytyki mocy wypadkowej w funkcji pzepływów tubin

5 Zezyty oblemowe Mazyny Elektyczne N 9/ 5 Z yunku 8 widać wyaźnie, iż uzykanie makymalnej mocy jet możliwe, gdy jeden z hydozepołów jet makymalne wykozytany. Zaada ta jet podtawową egułą podziału mocy. Jeżeli natomiat całkowity pzepływ pzekoczy makymalny pzepływ jednej tubiny (np. Q Q ), to ta nadwyżka max ( Q Qmax ) powinna zotać wykozytana na napędzenie dugiej tubiny. () Q =Q Q = ( =) () Q =Q( =) Q = ( =) () Q max ( max ) () Q =Q-Q Q max ( max ) Q =Q-Q ( =) Q max / Q max Ry. 9. Chaakteytyka optymalnego podziału mocy na dwa hydozepoły w funkcji pzepływu Na yunku 9 pzedtawiono w poób jednowymiaowy zaadę ozdzielania pzepływu pomiędzy dwie tubiny w funkcji całkowitego pzepływu tak, aby ich umayczna moc była makymalna (linia ciągła). onadto na wykeie pzedtawiony zotał pzypadek ównomienego obciążania obydwu hydozepołów ( Q Q Q / ) (linia pzeywana), co jak zotało udowodnione wcześniej jet najgozym ozwiązaniem. Linia pzeywana odpowiada także pzypadkowi Q zatoowania tylko jednego hydozepołu o dwukotnie więkzej mocy, co potwiedza ównież zaadność zatoowania pzynajmniej dwóch hydozepołów w celu lepzego wykozytania potencjału enegetycznego pzepływającej wody. Zgodnie z yunkiem 9 można wydzielić cztey pzedziały pacy układu dwóch hydozepołów: gdy cały pzepływ podany jet na jeden hydozepół, jednak jet on mniejzy niż watość minimalna ( Q Qmin ). Żaden z hydozepołów nie geneuje mocy (=). gdy cały pzepływ podany jet na jeden hydozepół ( Q Q, Q ). Całkowita moc jet ówna mocy pacującego hydozepołu ). ( gdy hydozepół poiada pzepływ makymalny ( Q max ) natomiat na dugi hydozepół podana jet ezta pzepływu ( Q Q Qmax ). zepływ ten jet na tyle mały ( Q Qmin ) iż nie pozwala na podukcję mocy pzez hydozepół ( ). " gdy hydozepół poiada pzepływ makymalny ( Q max ) natomiat na dugi hydozepół podana jet ezta pzepływu ( Q Q Qmax ). Moc całkowita jet ówna umie mocy pozczególnych hydozepołów ). ( max ( u G, ig ) ( u, i ) R g d g g d R, max / max n G n G G ~ n G ~ n / / R ( u, i G G) ( u, i ) Ry.. Układu automatyki z wyzczególnieniem głównych ygnałów pomiaowo-teujących

6 6 Zezyty oblemowe Mazyny Elektyczne N 9/ 4. Sytem egulacji MEW Rozpatywany ytem automatyki MEW to ytem centalizowany. Centalizacja funkcji ytemu polega na ealizacji zadanego algoytmu popzez jedną jednotkę obliczeniową (teownik LC yunek 6) pacującą ekwencyjnie w czaie zeczywitym. Funkcje ytemu muzą ealizować natępujące zadania: - egulacja na zadany poziom wody gónej g z podziałem pzepływu pomiędzy dwie tubiny; - obciążenie pozczególnych geneatoów optymalnymi poziomami mocy dla aktualnych watości pzepływu oaz padu. Na yunku zotał pzedtawiony zaimplementowany w teowniku LC układ egulacji pzepływu (z ujemnym pzężeniem zwotnym) tałowatościowy ze względu na poziom wody gónej ealizujący ównież podział aktualnie dotępnego pzepływu pomiędzy dwie tubiny. odział ten mui być zgodny z egułą teowania (wypacowaną w ozdziale ) zapewniającą makymalną umayczną moc hydozepołów. odział ten jet ealizowany popzez egulację kąta otwacia kieownicy pozczególnych tubin. Regulato D w wyniku uchybu podaje watość zmiennej któa zotaje ozdzielona na dwie zmienne i. Obciążenie pozczególnych geneatoów, dla aktualnej watości padu, poziomami mocy będących funkcjami pędkości jet zapewniane pzez egulato mocy. Zadaniem jego jet dobó obciążenia na każdy hydozepół, w potaci natężenia pądów efeencyjnych ( i ), odpowiadających punktom apokymowanej funkcji mocy od pędkości () zgodnie z yunkami i odumowanie ydozepoły na bazie geneatoa z magneami twałymi w połączeniu z nowoczenymi układami pzekztałtnikowymi dają możliwość pzetwazania enegii pzy dużej zmiennej pędkości obotowej, co ma zczególne znaczenie dla podnieienia ogólnej pawności MEW o nikich padach pacujących na ciekach wodnych o dużych fluktuacjach pzepływu. totnym zagadnieniem taje ię w tym pzypadku dobó ilości hydozepołów o odpowiednich danych znamionowych oaz z uwagi na pecyfikę chaakteytyk tubin i waunki hydologiczne zeki opacowania algoytmów teowania ozdziałem mocy. Zapoponowana w pacy zaada teowania podziałem pzepływu oaz mocy obowiązuje dla dwóch identycznych hydozepołów, któych apokymacje chaakteytyk mocy od pzepływu lub pędkości ą ogólnie funkcjami potęgowymi. Metodyka ta może zotać z powodzeniem uogólniona dla MEW (pacujących ze zmienną pędkością obotową) wypoażonych w więcej hydozepołów ównież o óżnych mocach. 6. Liteatua [] Kzyżanowki W.: Tubiny wodne - kontukcja i zaady egulacji, WNT, Wazawa 97. [] Meino J.M., Lopez A.: ABB Vapeed geneato boot efficiency and opeating flexibility of hydopowe plant, ABB Review /96. pp. -8. [] Faile-Adanuy J., Wilhelmi J.R., Faile- Moa J.J., eez J..: Vaiable-Speed ydo Geneation: Opeational Apect and Contol, EEE Tanaction on Enegy Conveion, vol., no., June 6. [4] Kaźmiekowki M., Kihnan R., Blaabjeg F., win J.: Contol n owe Electonic, ACADEMC RESS,, SBN: [5] Koczaa W., Chlodnicki Z., Enet E.: Theoy of the adjutable peed geneation ytem. COMEL: The ntenational Jounal fo Computation and Mathematic in Electical and Electonic Engineeing, 7(5): 6-77, 8. [6] Binde A., Schneide T., emanent magnet ynchonou geneato fo egeneative enegy conveion - a uvey. oc. of th Euopean Conf. on owe Electonic and Application, Deden 5. [7] Noway atent No 5: nteget vanntubin og geneato uten nav, owne - TURBNOVA AS. Autozy D inż. Daiuz Bokowki * D inż. Tomaz Węgiel ** olitechnika Kakowka, Wydział nżynieii Elektycznej i Komputeowej, ntytut Elektomechanicznych zemian Enegii, -55 Kaków, ul. Wazawka 4 * tel , dbokowki@pk.edu.pl **tel , pewegiel@cyfonet.pl Recenzent of. d hab. inż. Ludwik Antal