Modellierung, Optimierung und Regelung eines Wasserkraftwerkes mit einer Kaplanturbine

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Regelung von einem Laufkraftwerk mit einer Kaplanturbine. Diese Art der Turbine besitzt zwei Stellorgane, den Leitapparat und das Laufrad. Beide können den Volumenstrom und den Wirkungsgrad beeinflussen. Ein Ziel dieser Arbeit ist, den Wirkungsgrad im Bezug auf den Volumenstrom zu optimieren und eine Strategie für eine Steuerung zu entwerfen. Für dieses Vorhaben wird ein Modell der Turbine benötigt. Da ein physikalisch-basierte Modellierung jedoch nicht zielführend ist, wird ein Modell aus den Messdaten approximiert. Mithilfe einer Optimierung wird dann eine Volumenstromsteuerung erstellt, die auch auf Frequenzschwankungen und eine notwendige Wirkleistungsreduktion berücksichtigt. Da ein Laufkraftwerk die zufließende natürliche Wassermenge verarbeiten und dabei den Pegel stabil halten muss, wird ein Pegelregler benötigt. Dieser gibt einen Sollwert für die Volumenstromsteuerung vor. Dazu wird ein PI-Regler mit Störgrößenaufschaltung verwendet. Diese Aufschaltung wird für bekannte Abflüsse aus dem Staubereich verwendet. Das entwickelte Modell wird mit der Realität verglichen und die entwickelten Strategien werden in der Simulation getestet und validiert. Die Steuerung des Volumenstroms zeigt ein ausgezeichnetes Führungsverhalten, das mit einer messtechnisch basierten Regelung nicht möglich wäre. Der entworfene Pegelregler kann den Sollwert des Staubeckens bei einem realistischen Verlauf auf unter 0.3% halten.

This thesis deals with the modeling and control of a run-of-river power plant with a Kaplan turbine. This type of turbine consists of two actuators, the wicket gate and the runner blades. Both can affect the flow rate and the efficiency. A goal of this work is, to optimize the efficiency in relation to the flow rate and to design a control strategy. For this purpose, a model of the turbine is needed. An analytical derivation of such a model is not feasible, so an approximation from measured data is used. With an optimization algorithm, a control for the flow rate is then created, which also accounts for frequency fluctuations and the necessary reduction in active power. Such a hydro power plant must process the incoming natural water and keep the level of the inlet stable, which requires a level controller. This controller provides a setpoint for the flow rate control. A PI controller with a disturbance feedforward control is used for this purpose. A feedforward control is used for known outflows from the storage area. The developed model is compared with real measurements and the developed strategies are tested and validated in a simulation. The flow rate control shows excellent tracking behavior, which would not be possible if it were based on the measurement and a feedback control strategy. The designed level controller can maintain the set point of the reservoir within a range of 0.3% in a realistic simulation.