Model hidraulične turbine i identifikacija 120MWtne...

Identifikacija sistema

Elektrotehnički fakultet u Sarajevu 1

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET U SARAJEVU UNIVERZITET U SARAJEVU Postdiplomski studij Predmet: Identifikacija sistema Predmetni nastavnik: Prof. Dr. Adnan Salihbegović

Model hidraulične turbine i identifikacija 120MWtne elektrane

Adnan Tahirović, dipl. el. ing.



1. Zadatak B. MODELIRANJE Koristeći matematski model i opis : model hidraulične turbine i gavernora date u MATLAB toolboksu Sim PowerSystems u primjeru hydraulic turbine and governor Analizirati dati Simulnk model : psbturbine.mdl i provesti simulaciju sistema i interpretirati dobijene rezultate uzimajući različite vrijednosti parametara modela. Analizirati i interpretirati dinamičko ponašanje objekta simulacije

B. Modeliranje Model prikazan na slici 1, predstavlja model kreiran u SIMULINKu i ilustrira primjenu modela trofaznog asihronog generatora zajedno sa hidrauličnom turbinom.



Slika 1

Synchronous Machine Blok modela trofazne sinhrone mašine ima dva slijedeća ulaza:

• Pm - Narinuta mehanička snaga koja se prizvodi hidrauličnom turbinom • Vf - Napon na statoru koji se regulira blokom 'Excitation System'

Pored izlaza za tri faze A, B i C, iz bloka sihrone mašine možemo dobijati informacije o slijedećim veličinama i to preko izlaza m_pu:

• 1-3: Stator currents (flowing out of machine) isa, isb, and isc • 4-5: q- and d-axis stator currents (flowing out of machine) iq, id • 6-8: Field and damper winding currents (flowing into machine)ifd, ikq, and ikd • 9-10: q- and d-axis magnetizing fluxes φmq, φmd • 11-12: q- and d-axis stator voltages vq,vd • 13: Rotor angle deviation ∆θ , also known as power angle δ • 14: Rotor speed ωr • 15: Electrical power Pe • 16: Rotor speed deviation dw

U sistemu prikazanom na slici 1, potrebne veličine mjerene na sihronoj mašini su: statorske struje, naponi statora u smjeru d i q osa, brzina vrtnje rotora (wm), devijacija brzine vrnje rotora dw i električna snaga Pe. Ove varijabe se mogu ekstraktovati iz izlaza m_pu korištenjem bloka 'Machine Measurement Demux', što se jasno vidi na slici 1.



Sinhroni generator je podešen na nominalnu snagu 200MVA i linijski napon od 13.8kV. Ulazna energija Pm dolazi u formi informacije mehaničke snage proizvedene u hidrauličnoj turbini čiji je model u SIMULINKU dat blokom 'HTG', dok napon statora Vf dolazi iz bloka 'Excitation System'. Hydraulic Turbine and Governor, HTG Blok modela hidraulične turbine ima slijedeće ulaze:

• wref : željena brzina vrtnje rotora generatora • Pref: željena električna snaga • we stvarna brzina vrtnje rotora generatora • Pe: stvarna električna energija generatora • dw devijacija brzine vrtnje rotora generatora

Izlazi iz bloka modela hidraulične turbine su:

• Pm : Postignuta mehanička snaga, narinuta na sinhroni generator • Gate: Signal za otvaranje vrata

Shema bloka hidraulične turbine je data na slici 2.

Slika 2

Na shemi se vidi da se ulazne informacije koriste radi regulacije električne snage, bilo preko povratne sprege realizirane regulacijom brzine vrtnje generatora we bilo direktno preko informacije o električnoj snazi generatora Pe. Mehanička snaga Pm, postignuta na izlazu turbine, predstavlja posrednu veličinu preko koje se reguliše električna snaga sinhrone mašine. Shema servomotora, njegova unutarnja kontura regulacije pozicije, kao i izlaz za otvaranje gate-a je data na slici 3.

Slika 3



Excitation System Blok 'Excitation System' ima slijedeće ulaze:

• Vref : željeni napon statora generatora • Vd : d komponenta napona statora generatora • Vq : q komponenta napona statora generatora • Vstab: ulaz koji se može koristiti za dodatnu stabilizaciju oscilacija sistema

Shema bloka excitora je data na slici 4,

Slika 4

gdje su:

• Low Pass Filter: Model transdjusera napona statora u formi sistema prvog reda • Lead Lag Compensator: .... u formi diferncijalno-integralnog bloka • Main Regulator: Blok regulatora u formi sistema prvog reda • Exciter: ..... u formi sistema prvog reda • Damping Filter: Filter povratne sprege u formi diferencijatora

Uloga ovog bloka je da obezbijedi stabilan napon statora trofazne sinhrone mašine. Three-phase Transformer Ovaj blok predstavlja model transformatora. U naznačenom primjeru, linijski napon od 13.8kV se transformiše u napon od 230kV. Prije i poslije transformatora se nalaze 5MW i 10MW potrošači, respektivno. Shema priključenja ovih potrošača je prikazana na slici 5.



Slika 5

3-Phase Fault Ovaj blok predstavlja simulaciju greške u kratkom trajanju na 230kV strani. Parametri bloka daju mogućnost biranja vrste greške. U prikazanom simulacionom modelu, korištena je pojava kratkog spoja svih faza sa uzemljenjem. Greška se javlja u trenutku t=0.1 i traje 0.1 sekundu, odnosno 6 ciklusa promjene veličina struja i napona mreže. Nakon startanja simulacije za vrijednosti parametara koji su dati u ovom modelu i za pojavu kratko spoja sa fazom A, dobijaju se slijedeći odzivi.

Slika 6



Slika 7

Slika 8

Slika 9



Ako promijenimo transformacioni odnos sa 13.8/230kV na 13.8/300kV, dobijamo veći napon na statoru generatora i veće fazne struje:

Slika 10

Slika 11

Slika 12



Slika 13

U slučaju da izaberemo parametre bloka '3-Phase Fault' da simuliraju grešku izazvanu kratkim spojem svih faza sa uzemljenjem, tada su vrijednosti struja u kritičnom vremenu mnogo veće nego u prethodnom slučaju. Slijedeći dijagram zorno ilustriraju ovaj zaključak.

Slika 14



Slika 15

Slika 16

Slika 17



A. IDENTIFIKACIJA Koristeći IDENT Toolkit u okviru MATLAB softwareskog paketa provesti neparametarsku i parametarsku identifikaciju sistema i analizu dobijenih modela za dati set eksperimentalno snimljenih ulazno-izlaznih podataka u filu: powerplant.dat snimljenih na objektu: 120 MW-ne termoelektrane čiji je opis dat u tekst file-u : powerplant.txt 1) Opis problema Dati objekat 120 MW-ne termoelektrane, koji se koristio za različite identifikacione metode i, se sastojao od 5 ulaza i 3 izlaza (slika 1).

Slika 1

Ulazi: • Gas flow • Turbine valves open • Super heats spray flow • Gas dampers • Air flow

Izlazi:

• Steam pressure • Main steam temperature • Reheat steam temperature

Vrijednosti podataka odgovarajućih ulaznih i izlaznih procesnih veličina je data na slikama koje slijede.



2) Frekventni spektar ulaznih i izlaznih promjenljivih procesnih veličina Određena informacija o samom sistemu se može dobiti i na osnovu spektra ulaznih i izlaznih veličina. MATLAB ident alat omogućava jednostavan prikaz frekventnog sadržaja. Ova informacija može biti značajna ako postoji problem oko neslaganja identifikacionog i identificirajućeg modela pri određenim frekvencijama. Npr. Ako pri spektralnoj identifikacionoj metodi ne dobijemo slaganja modela za visoke frekvencije, to često možemo zanemariti ako sami ulazi ne sadrže visoko-frekventne komponente. Ovo se ako može provjeriti uz upotreu bodeovih dijagrama koje takođe možemo lako dibiti u MATLAB ident alatu. Naravno, ovo važi za sve kombinacije ulaz-izlaz. Na slijedećim slikama je prikazan frekventni sadržaj svih procesnih veličina identificirajućeg sistema.



2) Neparametarksa identifikacija Nakon čitanja podataka iz odgovarajuće datoteke u MATLAB ident identikacioni alat, prvo se provela neparametarska, korealaciona, identifikaciona metoda. Ova metoda daje na jednostavan način odzive na dvije elementarne ispitne funkcije, step i impuls. Nakon ispitivanja odziva za svaku od kombinacija ulaz-izlaz, kako za djelovanje step, tako i za djelovanje impulsne funkcije, mogu se dobiti neke informacije o ponašanju sistema. Jedna od informacija koja se može prođitati iz odziva odgovarajućih ulaza, jeste nivo uticaja pojedinog ulaza na izlaz. Takođe, mogu se identificirati i elementi kašnjenja na svakoj realciji ulaz-izlaz. Prije provedenih identifikacija iskoristila se mogućnost MATLAB ident programa za odstranjivanje srednje vrijednosti (mean) kao i izmjerenih vrijednosti procesnih veličina koje dosta odstupaju od ostalih izmjerenih (trends). Odzivi na step i impulsne funkcije za sve kombinacije ulaz-izlaz su dati na slijedeće dvije slike.



Slika: Step odzivi

Slika: Step odzivi



Sa datih grafika se može primjetiti da se slijedeći uticaji pojedinih ulaza na izlaze iz sistema mogu zanemariti:

• Super heater spray – Steam pressure • Gas dampers – Main steam temperature

U prikazu odziva se koristi 3s stadardna devijacija dobijena iz podataka za određenu procesnu veličinu. Takođe, iz dijagrama odziva na impulsnu funkciju se može primjetiti red veličine kašnjenja uticaja sa određenog ulaza na izlaz. 2) Parametarksa identifikacija Od svih parametarskih identifikacionih metoda čije korištenje omogućava MATLAB ident identifikacioni alat, prikazani su samo interesantni modeli dobijeni različitim tehnikama identifkacije. Za svaki slučaj identifikacije dat je dijagram slaganja dobijenog modela sa modelom direktno dobijenim sa neparametarskom metodom iz step i impulsnog odziva. Takođe, za svaki inteeresantan slučaj naznačen je i metod parametarske identifikacije. Za multivarijabilne sisteme na raspolaganju su bile metode predstave sistema u prostoru stanja, sa PEM metoda (minimiziranje kvadrata greške) i u obliku racionalne funkcije po jediničnom kašnjenju q-1 (ARX metoda). 2.1 Sesija 1: Radni podaci: 150 uzoraka . Validacioni podaci: 50 uzoraka Opis:

• Ime: pss3 model (3. red) • Vrsta: Model u prostoru stanja • Metod: PEM metoda • Kašnjenja odgovarajućih ulaza: 1 1 1 1 1 • Fit: 61.205 • Dijagram



Opis:

• Ime: arx130 model (1. red polinom brojnika, 3. red polinom nazivnika) • Vrsta: Model u obliku racionalne funkcije • Metod: ARX metoda • Fit: 64.6412 • Dijagram

2.2 Sesija 2: Radni podaci: 100 uzoraka . Validacioni podaci: 100 uzoraka Opis:

• Ime: pss3 model (3. red) • Vrsta: Model u prostoru stanja • Metod: PEM metoda • Kašnjenja odgovarajućih ulaza (0 0 0 0 0) • Fit: 71.3487 • Dijagram



Opis: • Ime: M4SID model (3. red) • Vrsta: Model u prostoru stanja • Metod: PEM metoda • Kašnjenja odgovarajućih ulaza (0 0 0 0 0) • Fit: 63.744 • Dijagram

Opis: • Ime: ARX130 model (1. red polinom brojnika, 3. red polinom nazivnika) • Vrsta: Model u obliku racionalne funkcije • Metod: ARX metoda • Fit: 66.2396 • Dijagram

Opis:

• Ime: ARX230 model (2. red polinom brojnika, 3. red polinom nazivnika)



• Vrsta: Model u obliku racionalne funkcije • Metod: ARX metoda • Fit: 63.5008 • Dijagram

Opis:

• Ime: ARX220 model (2. red polinom brojnika, 2. red polinom nazivnika) • Vrsta: Model u obliku racionalne funkcije • Metod: ARX metoda • Fit: 61.7933 • Dijagram

Zaključak: Najbolj rezultate je dao identifikacioni model pss3 u sesiji sa 100 uzoraka određenih za radne i 100 uzoraka određenih za validacione podatke. U ovom slučaju slaganje dobijenog modela sa modelom dobijenim direktno iz podataka neparametarskom korelacionom metodom odziva na impulsnu funkciju je imalo vrijednosti 71.3487. Dobijeni model je model realiziran u prostoru stanja i nakon eksportovanja modela u radnu memoriju MATLABa, odgovarajuće matrice prostora stanja su imale slijedeće vrijednosti:



��

�

�

��

�

�

=0.7333 0.0931- 0.1127 0.0083 0.7777 0.0030-0.2036- 0.2763 0.7650

A , ��

�

�

��

�

�

= −

0.1408 0.1624 0.2998 0.1687- 0.0782- 0.2129 0.0739 0.1423 0.1244 0.2692- 0.1603 0.0899 0.1503- 0.3013- 0.4011

10B 3

��

�

�

��

�

�

=19.1906 489.9516 571.5449 305.2059- 24.9299 590.6833 367.0235 978.5197- 340.3576

C , ��

�

�

��

�

�

=0.0976 0.0294 0.4331- 0.0175- 0.0639 0.0178 0.0027 0.0930 0.0689- 0.0108 0.0406- 0.0425- 0.5142 0.3552- 0.1348

D

Model hidraulične turbine i identifikacija 120MWtne...

Documents

Transcript of Model hidraulične turbine i identifikacija 120MWtne...