Su türbini hız regülatörleri için model referanslı uyarlamalı denetim eklentilerinin geliştirilmesi

Abstract

Hidroelektrik santraller dünyada yenilenebilir kaynaklı elektrik enerjisi üretiminde önemli bir yere sahiptir. Dünya genelinde toplam kurulu santral gücünün yaklaşık % 20'sini hidroelektrik santraller oluşturmaktadır. Türkiye'de ise bu oran biraz daha yüksektir ve hidroelektrik santraller kurulu gücün % 32'sini oluşturur. Dakikalar içinde devreye alınabilmesi ve elektrik şebekesinde meydana gelen arz-talep dengesizliklerine saniyeler içinde tepki verebilmesi sebebiyle hidroelektrik santraller termik ve nükleer santrallerin baz yükü beslemesinin aksine pik yükü besler ve rezerv tutan santraller olarak kullanılır. Özellikle kesikli bir üretim profiline sahip rüzgar ve güneş enerjisi santrallerinin elektrik şebekesindeki varlığı arttıkça, bu santrallerin istenildiğinde sağlayamayacağı arz ihtiyacı, elektrik şebekesinin sağlıklı işletimi için hidroelektrik ve doğalgaz santralleri ile doldurulur. Hidroelektrik santrallerde yer alan hız regülatörleri türbin çarkına giren su miktarını regüle ederek, şebeke senkronizasyonu için türbin hızını, paralel işletmede ise aktif güç çıkışını ayarlar. Hız regülatörünün, ünitenin hızlı bir şekilde devreye alınması ve şebeke senkronizasyonu sonrası kararlı elektrik üretimi için hız regülatörlerinin doğru çalışması gereklidir. Şebekede meydana gelen üretim ve tüketim arasındaki farkın bir sonucu olan şebeke frekansındaki sapmaları belirli sınırlar dahilinde tutmak için kullanılan en hızlı frekans kontrol yöntemi primer frekans kontrolüdür. Primer frekans kontrolü hız regülatörlerinin frekans sapmalarına verdiği otomatik tepki ile sağlanmaktadır. Göl ve kuyruksuyundaki su seviye değişimleri, santraldeki diğer ünitelerin çalışması gibi bozucu etkilerin varlığında anma değerlerine göre ayarlanan hız regülatörü kontrolcüsü düşük performans gösterir. Bu performans düşüklüğü ise ünitenin şebeke senkronizasyon süresinin uzamasına, verilen hedef aktif çıkış gücü değerini kararlı bir şekilde muhafaza edememesine veya primer frekans kontrolüne istenen şekilde katkı sağlayamamasına neden olur. Bu tip bozucu etkilerin hız regülatörü performansını etkilemesinin tespit edilmesi ve bu etkinin olumsuz sonuçlarının düzeltilmesi için uyarlamalı kontrol yöntemleri uygulanabilir. Ünitenin değişen santral koşullarına karşı kendini hızlı bir şekilde uyarlaması ve istenen performansı göstermesi için hız regülatörünün hız ve aktif güç çıkışı kontrollerine uyarlamalı eklentiler geliştirilmesi hedeflenmiştir. Uyarlamalı kontrol eklentilerinin geliştirilmesi için doğrusal olmayan hidroelektrik santral modeli iki farklı santral için karakteristik değerleri kullanılarak simülasyon ortamında oluşturulmuştur. Oluşturulan dinamik modeller saha testler yapılarak doğrulanmıştır. Ayrıca istenen performansın işlendiği referans modeller hız kontrolü ve primer frekans kontrolü için kurulmuştur. Geliştirilen uyarlamalı kontrol eklentileri önce simülasyon ortamında uygulanmıştır. Ardından yazılım döngülü simülasyon ortamında gerçek kontrolcü kodu ile eklentiler test edilmiştir. Nihayetinde saha testleri yapılarak geliştirilen eklentilerin saha koşullarındaki işlevselliği ve performansı değerlendirilmiştir. Yapılan çalışmalar sonucu geliştirilen uyarlamalı eklentilerin klasik PI kontrolcünün bozucu etkiler varlığında düşen performansını referans modele uygun şekilde düzelttiği görülmüştür.

Hydroelectric power plants have an important place in electricity generation through renewable resources in the world. Hydroelectric power plants account for about 20% of the total installed capacity of the power plants throughout the world. Also in Turkey, this rate is slightly higher and hydroelectric power plants constitute 32% of the total installed power. Due to the fact that the hydroelectric power plants could be activated in minutes and could react in seconds to supply-demand imbalances occurring in the electricity grid, hydroelectric power plants feed the peak load and are used as reserve-supplying plants in contrast to the base load supplied by the thermal and nuclear power plants. As the presence of wind and solar power plants with an intermittent generation profile increases in the electricity grid, the generation need that these type of power plants could not supply is satisfied by the hydroelectric and natural gas power plants for the reliable operation of the electricity grid. Speed regulators in hydroelectric power plants regulate the amount of water entering the turbine runner and adjust the turbine speed for network synchronization and active power output in parallel operation. The speed regulators must be operated correctly for the rapid start-up of the unit and for the stable generation of the electricity after mains synchronization. Primary frequency control is the fastest frequency control method in order to keep the network frequency deviations within the certain limits which is a result of the difference between the generation and consumption occurring in the network. Primary frequency control is provided by the automatic response to frequency deviations via the speed governors. The speed governor controller, which is tuned according to the rated values, shows poor performance in the presence of the disturbing effects such as the water level changes in the reservoir and tailwater, the operation of other units in the plant. This low performance causes the unit to prolong the network synchronization time, fail to maintain the given target active output power rating in a stable manner or to contribute to the primary frequency control in the desired way. Adaptive control methods could be applied to determine the effects of such disturbing effects on speed regulator performance and to correct the negative results of this effect. It is aimed to develop adaptive add-ons for the speed and active power output controls of the speed regulator in order to adapt the unit rapidly to changing power plant conditions and to perform the desired performance. In order to develop the adaptive control add-ons, a non-linear hydroelectric power plant model is established in the simulation platform using the characteristic values for two different power plants. The dynamic models are validated through the field tests. In addition, reference models for which the desired performance is processed are formed for the speed control and primary frequency control. The developed adaptive control add-ons are first applied in simulation environment. Then the add-ons are tested in the software-in-the-loop simulation environment with the actual controller code. Finally, field tests are performed and the functionality and performance of the add-ons under field conditions are evaluated. It has been observed that the adaptive add-ons developed in this study have corrected the poor performance of the classical PI controller in the presence of disturbing effects in accordance with the reference model.