مطالعه و شبیه‌سازی سیستم واحد تولید با توربین آبی و بررسی تاثیر جبران‌ساز گذرای افتی بر رفتار دینامیکی سیستم

فناوری های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

دوره 1، شماره 3، آذر 1401، صفحه 17-26   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30486/teeges.2022.1963559.1024

نویسندگان

هما موحدنژاد¹؛ سید محمد علی زنجانی^{* 2، 3}؛ مجید معظمی^{2، 3}؛ غضنفر شاهقلیان^{2، 3}

¹دانشکده مهندسی کامپیوتر، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

²دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

³مرکز تحقیقات ریزشبکه‌های هوشمند، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

چکیده

یکی از اجزای مهم و تجهیزات دوار در نیروگاه برق آبی، توربین آبی است. چرخش توربین باعث تبدیل انرژی پتانسیل موجود در آب به انرژی مکانیکی شده و سپس انرژی مکانیکی توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. در این مقاله هدف مطالعه رفتار دینامیکی یک سیستم واحد تولید با توربین آبی و بررسی اثر جبران‌ساز افتی بر رفتار دینامیکی سیستم است. در واحدهای آبی از جبران‌ساز گذرای افتی برای عملکرد پایدار کنترل سرعت استفاده می‌شویکی از اجزای مهم و تجهیزات دوار در نیروگاه برق آبی، توربین آبی است. چرخش توربین باعث تبدیل انرژی پتانسیل موجود در آب به انرژی مکانیکی شده و سپس انرژی مکانیکی توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. در این مقاله هدف مطالعه رفتار دینامیکی یک سیستم واحد تولید با توربین آبی و بررسی اثر جبران­ساز افتی بر رفتار دینامیکی سیستم است. در واحدهای آبی از جبران­ساز گذرای افتی برای عملکرد پایدار کنترل سرعت استفاده می­شود. معادلات سیستم در فضای حالت بیان شده و مدهای حقیقی و نوسانی با استفاده از ماتریس سیستم تعیین شده است. نتایج شبیه­سازی در اثر تغییرات پله­ای در بار مصرفی حالت پایدار سیستم با استفاده از جبران­ساز گذرای افتی را نشان می­دهند. همچنین نمودارهای بود تابع انتقال انحراف فرکانس سیستم نسبت به تغییرات بار مصرفی حالت پایدار سیستم را تایید می­کنند.د. معادلات سیستم در فضای حالت بیان شده و مدهای حقیقی و نوسانی با استفاده از ماتریس سیستم تعیین شده است. نتایج شبیه‌سازی در اثر تغییرات پله‌ای در بار مصرفی حالت پایدار سیستم با استفاده از جبران‌ساز گذرای افتی را نشان می‌دهند. همچنین نمودارهای بود تابع انتقال انحراف فرکانس سیستم نسبت به تغییرات بار مصرفی حالت پایدار سیستم را تایید می‌کنند.

کلیدواژه‌ها

توربین آبی؛ جبران‌ساز گذرای افتی؛ تغییرات بار؛ پاسخ گذرا

مراجع

1. A. O. Aluko, R. P. Carpanen, D. G. Dorrell and E. E. Ojo, "Robust state estimation method for adaptive load frequency control of interconnected power system in a restructured environment", IEEE Systems Journal, vol. 15, no. 4, pp. 5046-5056, Dec. 2021, doi: 10.1109/JSYST.2020.3005979.
2. S. A. Seyed-Beheshti-Fini, S.M. Shariatmadar, V. Amir, "Frequency control in multi-carrier micr­og­r­i­ds with the presence of electric vehicles based on adaptive neuro fuzzy inference system controller", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 14, no. 55, pp. 27-42, Dec. 2023 
3. M. Tavoosi, B. Fani, M. Delshad, I. Sadeghkhani, “Decentralized coordination of distributed electric vehicles charger for distribution network harmonic mitigation”, Technovations in Electrical Engineering & Green Energy System, vol. 1, no. 2, pp. 1-16, 2022, doi: 10.30486/teeges.2022.1­959­178­.1014.
4.  S. A. Seyed-Beheshti-Fini, S.M. Shariatmadar, V. Amir, "Frequency control in multi-carrier micr­og­r­i­ds with the presence of electric vehicles based on adaptive neuro fuzzy inference system controller", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 14, no. 55, pp. 27-42, December 2023.
5. M. Mahdavian, N. Behzadfar, “A review of wind energy conversion system and application of various induction generators”, Journal of Novel Researches on Electrical Power, vol. 8, no. 4, pp. 55-66, 2020.
6. M. Zamanifar, B. Fani, M.E.H. Golshan, H.R. Karshenas, "Dynamic modeling and optimal control of DFIG wind energy systems using DFT and NSGA-II", Electric Power Systems Research, vol. 108, pp. 50-58, March 2014, doi: 10.1016/j.epsr.2013.10.021.
7. M. R. Miveh, A.H. Ahmadi,M. Pishvaei, "Design and construction of a water-free cleaning robot for solar panels with the ability to adjust the height", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 13, no. 51, pp. 53-73, Dec. 2022, dor: 20.1001.1.23223871.1401.13.51.4.7.
8. S. Shojaeean, H. Akrami, “Coordination between wind power, hydro storage facility and conventional generating units according to the annual growth load”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 4, no. 14, pp. 31-40, June 2013, dor: 20.1001.1.23223871.1392.4.14.4.0.
9. G. Shahgholian, “An overview of hydroelectric power plant: Operation, modeling, and control”, Journal of Renewable Energy and Environment, vol. 7, no. 3, pp. 14-28, July 2020, doi: 10.30501­/JREE.2020.221567.1087).
10. A. Das, K.B. Chimonyo, T.R. Kumar, S. Gourishankar, C. Rani, "Vertical axis and horizontal axis wind turbine- A comprehensive review", Proceeding of the IEEE/ICECDS, pp. 2660-2669, Chennai, India, Aug. 2017, doi: 10.1109/ICECDS.2017.8389937.
11. C. S. Rao, S.S. Nagaraju, P.S. Raju, "Automatic generation control of TCPS based hydrothermal system under open market scenario: A fuzzy logic approach", International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 31, no. 7–8, pp. 315–322, Sept. 2009, doi: 10.1016/j.ijepes.­2009­.03.007.
12. D. Tiomo and R. Wamkeue, "Dynamic modeling and analysis of a micro-hydro power plant for microgrid applications", Proceeding of the IEEE/CCECE, pp. 1-6, Edmonton, AB, Canada, May 2019, doi: 10.1109/CCECE.2019.8861875.
13. G. Zhang, Y. Cheng, N. Lu, Q. Guo, "Research of Hydro-Turbine Governor Supplementary Control Strategy for Islanding AC Grid at Sending Terminal of HVDC System", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 31, no. 4, pp. 1229-1238, Dec. 2016, doi: 10.1109/TEC.2016.2561958.
14. B. S. Thapa, O.G. Dahlhaug, B. Thapa, "Sediment erosion in hydro turbines and its effect on the flow around guide vanes of Francis turbine", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 49, pp. 1100–1113, Sept. 2015, doi:10.1016/j.rser.2015.04.178.
15. B. Xu, F. Zhu, P. Zhong, J. Chen, W. Liu, Y. Ma, L. Guo. X. Deng, “Identifying long-term effects of using hydropower to complement wind power uncertainty through stochastic programming", Applied Energy, Vol. 253, article number: 113535, Nov. 2019, doi: 10.1016/j.apenergy.2019.113535.
16. Z. Wang, Y. Liu, "Adaptive terminal sliding mode based load frequency control for multi-area interconnected power systems with PV and energy storage", IEEE Access, vol. 9, pp. 120185-120192, 2021, doi: 10.1109/ACCE­SS.2021.3109141.
17. A. Rahman, L.C. Saikia, N. Sinha, "Load frequency control of a hydro-thermal system under deregulated environment using biogeography-based optimised three-degree-of-freedom integral-derivative controller", IET Generation, Transmission and Distribution, vol. 9, no. 15, pp. 2284-2293, Nov. 2015, doi: 10.1049/iet-gtd.2015.0317.
18. A. Rezghi, A. Riasi, P. Tazraei, "Multi-objective optimization of hydraulic transient condition in a pump-turbine hydropower considering the wicket-gates closing law and the surge tank positi­on", Renewable Energy, vol. 148, pp. 478-491, April 2020, doi: 10.1016/j.renene.2019.10.054.
19. W. Guo, D. Zhu, "Setting condition of downstream surgetank of hydropower station with sloping ceiling tailrace tunnel", Chaos, Solitons and Fractals, vol. 134, Article 109698, May 2020, doi: 10.1016/j.chaos.2020.109698.
20. W.  Gil-González, O. DaniloMontoya, A. Garces, "Modeling and control of a small hydro-power plant for a DC microgrid", Electric Power Systems Research, vol. 180,  Article: 106104, pp. 1-6, March 2020, doi: 10.1016/j.epsr.2019.106104.
21. R.C.F. Mendes, R.R. Mac Donald, A.R.S. Miranda, R.H. Els, M.A. Nunes, A.C.P.B. Junior, "Monitoring a hydrokinetic converter system for remaining energy in hydropower plants", IEEE Latin America Transactions, vol. 18, no. 10, pp. 1683-1691, Oct. 2020, doi: 10.1109/TLA.2020.9387638.
22. A. Joseph, T.R. Chelliah, R. Selvaraj, K. Lee, "Fault diagnosis and fault-tolerant control of megawatt power electronic converter-fed large-rated asynchronous hydrogenerator", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 7, no. 4, pp. 2403-2416, Dec. 2019, doi: 10.1109/JESTPE.2018.2881427.
23. B. Xu, J. Zhang, M. Egusquiza, D. Chen, F. Li, P. Behrens, E. Egusquiza, “A review of dynamic models and stability analysis for a hydro-turbine governing system”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 144, Article Number: 110880, July 2021, doi: 10.1016/j.rser.20­21.110880.
24. F. Hedarpour, G. Shahgholian, "Design and simulation of sliding and fuzzy sliding mode controller in hydro-turbine governing system", Journal of Iranian Dam and Hedroelectric Powerplant, Vol. 4, No. 12, pp. 10-20, Aug. 2017.
25. S. Chatterjee, C. K. Shiva, V. Mukherjee, "Automatic generation control of multi-area hydropower system using moth flame optimization technique", Proceeding of the IEEE/RDCAPE, pp. 395-403, Noida, India, Oct. 2019, doi: 10.1109/RDCAPE47089.2019.8979090.
26. E.J. Oliveira, L.M. Honorio, A.H. Anzai, L.W. Oliveira, E.B. Costa, "Optimal transient droop compensator and PID tuning for load frequency control in hydro power systems", International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 68, pp. 345-355, June 2015, doi: 10.1016/j.i­je­pes.2014.12.071.
27. D.N. Konidaris, J.A. Tegopoulos, "Investigation of oscillatory problems of hydraulic generating units equipped with Francis turbines", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 12, no. 4, pp. 419-425, Dec. 1997, doi: 10.1109/60.638969.
28. C.D. Vournas, A. Zaharakis, "Hydro turbine transfer functions with hydraulic coupling", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 8, no. 3, pp. 527-532, Sept. 1993, doi: 10.1109/60.257069.
29. E. De Jaeger, N. Janssens, B. Malfliet F. Van De Meulebroeke, "Hydro turbine model for system dynamic studies", IEEE Trans. on Power Systems, vol. 9, no. 4, pp. 1709-1715, Nov. 1994, doi: 10.1109/59.331421.
30. A. Bensenouci, A.M.A. Ghany, "Optimal discrete-time output feedback control for multi-area load frequency control using evolutionary programming", Proceedings of the IEEE/ISIE, pp. 95-100, Dubrovnik, Croatia, June 2005, doi: 10.1109/ISIE.2005.1528894.
31. S. Bhuyan, S.H. Dey, S. Paul, S. Chaine, "Analysis of frequency regulation for a hydro-thermal system with ALFC-DR model", Proceeding of the IEEE/ICPEE, pp. 1-5, Bhubaneswar, India, Jan. 2021, doi: 10.1109/ICPEE50452.2021.9358728.
32. T. Deng, L. Tian, C. Zhou, X. Liu, W. Dou, "Compensation design of coordinated control system for supercritical once-through CHP plants based on energy analysis", IEEE Access, vol. 9, pp. 76965-76975, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3082518.
33. M. Alberdi, M. Amundarain, A.J. Garrido, I. Garrido, F.J. Maseda, "Fault-ride-through capability of oscillating-water-column-based wave-power-generation plants equipped with doubly fed induction generator and airflow control", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 58, no. 5, pp. 1501-1517, May 2011, doi: 10.1109/TIE.2010.2090831.
34. E.A. Bossanyi, P.A. Fleming, A.D. Wright, "Validation of individual pitch control by field tests on two- and three-bladed wind turbines", IEEE Trans. on Control Systems Technology, vol. 21, no. 4, pp. 1067-1078, July 2013, doi: 10.1109/TCST.2013.2258345.
35. E. Prieto-Araujo, A. Junyent-Ferré, D. Lavèrnia-Ferrer, O. Gomis-Bellmunt, "Decentralized control of a nine-phase permanent magnet generator for offshore wind turbines", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 30, no. 3, pp. 1103-1112, Sept. 2015, doi: 10.1109/TEC.2015.2412550.
36. G. Lei, X. Chang, Y. Tianhang, W. Tuerxun, "An improved mayfly optimization algorithm based on median position and its application in the optimization of PID parameters of hydro-turbine governor", IEEE Access, vol. 10, pp. 36335-36349, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3160714.
37. H. Fang, L. Chen, Z. Shen, "Application of an improved PSO algorithm to optimal tuning of PID gains for water turbine governor", Energy Conversion and Management, vol. 52, no. 4, pp. 1763–1770, April 2011, doi:10.1016/j.enconman.2010.11.005.
38. o.P. Malik, Y. Zeng, "Design of a robust adaptive controller for a water turbine governing system", IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 10, No. 2, pp. 354-359, June 1995, doi: 10.1109/60.391903.
39. D. Kosterev, "Hydro turbine-governor model validation in pacific northwest", IEEE Trans. on Power Systems, vol. 19, no. 2, pp. 1144-1149, May 2004, doi: 10.1109/TPWRS.2003.821464.
40. G. Shahgholian, "Power system stabilizer application for load frequency control in hydro-electric power plant", Engineering Mathematics, vol. 2, no. 1, pp. 21-30, Feb. 2017, doi: 10.11648/j.engmath.20170201.14.
41. M.Mahdavian, G. Shahgholian, M. Janghorbani, S. Farazpey, M. Azadeh, "Modelling and analysis of a PSS application for LFC in hydro-electric power plant", Proceeding of the IEEE/ECTI-CON, pp. 1-6, Chiang Mai, Thailand, June/July 2016, doi: 10.1109/ECTICon.2016.7560910.