Entwurf und Analyse der Regelung von Speicherkraftwerken basierend auf Optimalsteuerungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Regelung der Turbinenleistung von Speicherkraftwerken. Ist der Wasserweg von einer bestimmten Konfiguration, wird bei einem Arbeitspunktwechsel eine schwach gedämpfte Schwingung im Wasserschloss angeregt. Dadurch dauert es lange bis ein stationärer Betriebspunkt erreicht wird. In der Literatur wurde gezeigt, dass mit linearen Regelungsstrategien ein schnelles Einschwingen der Leistung oder des Pegels im Wasserschloss erreicht werden kann, aber nicht beides gleichzeitig. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher einen Arbeitspunktwechsel in der Leistung durchzuführen, ohne eine bleibende Schwingung des Wasserschlosspegels anzuregen. Dafür wird ein mathematisches Modell eines Speicherkraftwerks bestimmt, an welchem später entworfene Regelungsstrategien getestet werden. Für die Reglerentwürfe ist dieses Modell allerdings zu umfangreich, weshalb zusätzlich ein vereinfachtes Modell ermittelt wird. In einem weiteren Schritt wird das Verhalten des Kraftwerks mit einem PID Regler sowie der Erweiterung um eine Druckaufschaltung untersucht. Durch die Druckaufschaltung kann das Einschwingen von Leistung und Wasserstand geringfügig verbessert werden. Um eine weitere Verbesserung der Regelgüte zu erreichen, wird eine optimale Vorsteuerung entwickelt. Für die optimale Vorsteuerung werden zwei Ansätze verfolgt: Der erste Ansatz versucht den Arbeitspunktwechsel in minimaler Zeit durchzuführen. Es zeigt sich, dass die resultierende Leistung starke Schwankungen aufweist, die nicht in das Stromnetz eingespeist werden dürfen. Deshalb wird als zweiter Ansatz eine rampenförmige Leistungssteigerung untersucht, womit ein wesentlich besseres Verhalten erzielt werden kann. Um Modellfehler bzw. -abweichungen ausgleichen zu können, wird ein zusätzlicher PI Zustandsregler entwickelt. Für einen Arbeitspunktwechsel in der Leistung führt diese Regelungsstrategie mit dem nominellen System zu nur sehr geringen Schwingungen des Wasserstandes im Wasserschloss. Eine Analyse des Einflusses von Parameterschwankungen zeigt jedoch, dass große Abweichungen vom nominellen System zu einer wesentlichen Verringerung der Regelgüte führen. Deswegen müssen bei dieser Regelungsstrategie die wesentlichen Modellparameter hinreichend genau bekannt sein. Als alternative Regelungsstrategie werden passivitätsbasierte Regelungsansätze untersucht. Der entwickelte Dämpfungsregler erreicht für das nominelle System eine bessere Regelgüte als der PI Zustandsregler. Allerdings reagiert er wesentlich empfindlicher auf Parameterschwankungen. Zu guter Letzt wird ein Regler nach dem -energy shaping-Prinzip untersucht, doch dieser führt auf ein praktisch nicht umsetzbares Regelgesetz.

The present thesis deals with power control of hydro power storage plants. When the waterway is of a certain configuration, a low damped oscillation in the surge tank level is induced, when the operating point is changed. Therefore, achieving a stationary operating point takes a long time. It is reported in literature that by the means of linear control strategies either a quick transient oscillation of the power output or of the water filling level of the surge tank can be obtained, but not both goals simultaneously. The objective of this thesis is to perform a change of the operating point of the power output without exciting a oscillation of the surge tank filling level. As a starting point, a mathematical model that is based on momentum and mass equations is derived. With this model the proposed control strategies of the controller can be evaluated. For the controller design the derived model has to be simplified because of its high degree of complexity. In the following steps, the response of the power plant in combination with a PID controller and an additional feedback of the surge tank level is investigated. The feedback of the surge tank level can, under certain circumstances, slightly increase the performance. In order to further improve the control performance of the power output, a combination of a feedforward control and PI state controller is proposed. For the feedforward part, two different optimal approaches are considered: The first approach aims at a time optimal change of the operating points. This approach, however, results in high oscillation of the power output that are not allowed to be fed into the power supply system. In the second approach, the power is changed according to a ramp which yields significant improvements of the closed-loop behaviour. Due to the fact that the feedforward control cannot compensate modelling errors and parameter deviations, an additional feedback controller is required. For this purposes a PI state controller is chosen. For a change of the operating point, this control strategy leads to very small oscillations of the surge tank level with the nominal system. An investigation of parameter deviations shows that large variations may strongly deteriorate the control performance. Consequently, the major parameters need to be sufficiently accurate for the PI state controller to exhibit a good performance. As an additional control strategy passivity based control is chosen. The developed damping controller achieves better results than the PI state controller for the nominal system. However, it is much more sensitive to parameter variations and noise. Finally, also an energy shaping design is investigated but it does not lead to a practically applicable feedback controller.