Modellierung und Simulation des dynamischen Verhaltens von Wasserkraftanlagen

Abstract

The aim of this thesis is to develop a model for simulating the dynamic behaviour of hydropower plants, especially in isolated operations. The focus is on the investigation of the water hammer effect in the pipeline system and the determination of the behaviour of the turbine-generator system in different operating modes of the plant, e.g. in case of load steps or an emergency shutdown. Furthermore, modelling is limited to plants equipped with a Pelton turbine. For the modelling and simulation, the MATLAB/Simulink software environment is used, which is a simple but also flexible form of plant modelling. All underlying quantities and equations, including their software-supported use to form a library consisting of model building blocks, are explained in the first part of this thesis. The emphasis is on the use of the method of characteristics for determining the flow state in the pipeline. In the second part, the model building blocks are combined into plant models and the results are then simulated and evaluated. A comparison of the results with the marketable software Alab confirms the functionality of the modelling and simulation tool in Simulink for determining water hammer effects. The influence of the nozzle closing time on the dynamic behaviour of the flow in the pipe becomes apparent. In addition, an island operation simulation shows the essential influence of load steps or a flywheel on the dynamic behaviour of the turbine generator system. The simulation model thus proves to be quite helpful in the design as well as in the recalculation of hydropower plants.

Ziel dieser Diplomarbeit ist die Erstellung eines Modells zur Simulation des dynamischen Verhaltens von Wasserkraftanlagen speziell im Inselbetrieb. Insbesondere dient dieses Modell der Untersuchung von Druckstößen im Rohrleitungssystem und der Ermittlung des Verhaltens des Turbine-Generator-Systems bei unterschiedlichen Betriebsformen der Anlage, wie z.B. bei Lastsprüngen oder einer Notabschaltung. Die Modellbildung beschränkt sich dabei auf Anlagen ausgestattet mit einer Pelton-Turbine. Die Modellierung und Simulation im Zuge dieser Arbeit erfolgt in der Softwareumgebung MATLAB/Simulink und bildet eine einfache aber auch flexible Form der Anlagenmodellierung. Alle zugrunde liegenden Größen und Gleichungen inklusive deren softwareunterstützte Verwendung zur Bildung einer Bibliothek mit Modellbausteinen, werden im ersten Teil dieser Arbeit erläutert. Den Schwerpunkt bildet dabei die Rechenmethode der Charakteristiken zur Bestimmung des Strömungszustands in der Rohrleitung. Im zweiten Teil erfolgt die Kombination der Modellbausteine zur Modellierung von Anlagen und die anschließende Simulation und Beurteilung der Resultate. Ein Vergleich der Resultate mit der marktfähigen Software Alab bestätigt die Funktionsfähigkeit des Modellierungsund Simulationstools zur Berechnung von Druckstößen. Dabei wird der Einfluss der Düsenschließzeit auf das dynamische Verhalten der Strömung in der Rohrleitung ersichtlich. Zusätzlich zeigt eine abschließende Inselbetriebssimulation den wesentlichen Einfluss von Lastsprüngen oder einer Schwungmasse auf das dynamische Verhalten des Turbine-Generator-Systems. Damit erweist sich das erstellte Simulationsmodell als durchaus hilfreich, sowohl in der Auslegung als auch im Fall einer Nachrechnung einer Wasserkraftanlage.