АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
1 ВЫБОР И АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Г идроэлектростанции 10
1.2 Гидравлический двигатель 13
1.3 Г идравлическая турбина для малой ГЭС 15
1.4 Г енератор для малой ГЭС 18
1.5 Автоматическое регулирование частоты в энергосистемах РФ 20
1.6 Сравнение отечественных и передовых зарубежных технологий и
решений 21
1.7 Разработка функциональной схемы САРЧ гидротурбины 24
2 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 26
2.1 Выбор контроллерного оборудования 26
2.2 Выбор исполнительного устройства 28
2.3 Выбор измерительного устройства 29
3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ САРЧ ГИДРОТУРБИНЫ 31
3.1 Математическая модель двигателя постоянного тока 31
3.2 Математическая модель редуктора 36
3.3 Математическая модель тахогенератора 36
3.4 Математическая модель гидроагрегата 37
3.5 Математическая модель усилителя 44
4 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА САРЧ ГИДРОТУРБИНЫ 45
4.1 Передаточная функция ДПТ и редуктора 45
4.2 Передаточная функция гидроагрегата 48
4.3 Передаточная функция тахогенератора 49
5 ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ САРЧ ГИДРОТУРБИНЫ 51
5.1 Расчет параметров системы 51
5.2 Проверка на устойчивость системы 65
5.3 Настройка ПИД-регулятора 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 79
ПРИЛОЖЕНИЕ А 84
Человечество еще с древних времен осознавало потенциал использования водяных потоков. Об этом свидетельствует тот факт, что количество гидросиловых установок в Европе в период их расцвета в конце 18 столетия насчитывало от 500 000 до 600 000 водяных мельниц, которые преимущественно применялись в мукомольном производстве. Тем не менее большое количество других рабочих машин и станков также приводились в движение водяными колесами [1,2].
Сегодня несмотря на то, что количество гидросиловых установок меньше, чем в период их расцвета, энергия воды все еще является важнейшим возобновляемым источником энергии во всем мире, том числе и в России.
Принятый еще с ноября 2009 г. и вступивший в силу 261-ФЗ- федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» определяет развитие малой энергетики с использованием возобновляемых источников энергии как одно из направлений энергетической стратегии Российской Федерации вплоть до 2030 года [3] .
Одним из наиболее перспективных направлений развития в нетрадиционной энергетике является использование энергии малых рек. Связано это прежде всего с уменьшением гидроэнергетического потенциала крупных рек и с желанием сохранить экологический ландшафт и окружающей среды в районе эксплуатации гидроэлектростанции. Также малая гидроэнергетика более экономически целесообразное решение для энергообеспечения территорий, относящихся к зонам децентрализованного электроснабжения, так как гораздо меньше зависит от погодных условий в отличие от солнечной или ветряной энергетики.
Для использования экономического потенциала малых рек необходимо строительство специальных установок: малых гидроэлектростанций, которые характеризуются обеспечением сравнительно небольшой выходной мощности менее и ином способе установки. В соответствии с ГОСТ IEC 60034-1-2014, гидроэлектростанции необходимо обеспечить потребителю требуемые параметры выходной мощности, напряжения и частоты, что приводит к необходимости создания автоматической системы регулирования [4].
Цель выпускной квалификационной работы: разработать автоматическую систему регулирования частоты вращения гидротурбины для управления ГЭС малой мощности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) изучить предметную область;
2) описать принцип работы гидроэлектростанции;
3) разработать функциональную схему гидроэлектростанции;
4) составить математическую модель автоматической системы;
5) составить структурную схему автоматической системы;
6) проверить систему на устойчивость и настроить автоматический регулятор.
При этом, согласно техническому заданию, должны выполняться следующие условия и допущения:
1) конструкция ГЭС малой мощности не должна наносить ощутимый вред окружающей среде и обеспечить минимальное изменение экологического ландшафта реки;
2) конструкция ГЭС малой мощности должна быть пригодна для работы, преимущественно в гористой местности;
3) уровень воды, образующийся в водохранилище на всем промежутке времени эксплуатации, остается постоянным ;
4) ГЭС малой мощности должна быть с высоким КПД и обеспечивать потребителей электроэнергией со стабильной угловой частотой вращения гидроагрегата: 314 ± 0,2 (рад/с) при широком диапазоне изменения нагрузки.
В ходе данной работы был выбран объект исследования, проанализирована технология технической системы ГЭС малой мощности. Были разработаны функциональная схема управления, математическая модель САРЧ гидротурбины, был произведен подбор исполнительного, измерительного и контроллерного оборудования. Также был произведен расчет основных параметров системы.
Также особенностью данной работы является определение недостающих параметров путем создания цифрового двойника объекта управления. В результате была смоделирована система автоматического регулирования скорости вращения гидротурбины, получены её частотные характеристики, а также динамические. Был произведён анализ устойчивости данной системы с помощью частотного критерия устойчивости, определены запасы устойчивости по амплитуде и фазе. Для данной системы были подобраны коэффициенты н для ПИД-регулятора, сначала методом Циглера-Никольса, а затем и доопределены ручным подбором. Были определены прямые показатели качества системы, в результате время выхода на рабочую точку составило tp = 6,2 с с перерегулированием а = 10.1%. Также было показано, что изменение потребляемой мощности, в целом приводит к изменению угловой частоты вращения в пределах ±0,2 (рад/с), что соответствует техническому заданию.
