Control de minicentrales hidroeléctricas fluyentes : modelado y estabilidad

Sarasúa Moreno, José Ignacio (2009). Control de minicentrales hidroeléctricas fluyentes : modelado y estabilidad. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM).

Descripción

Título: Control de minicentrales hidroeléctricas fluyentes : modelado y estabilidad
Autor/es:
  • Sarasúa Moreno, José Ignacio
Director/es:
  • Wilhelmi Ayza, José Román
  • Garrote de Marcos, Luis
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2009
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Departamento: Ingeniería Civil: Hidráulica y Energética [hasta 2014]
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Resumen de la tesis La implantación de minicentrales hidroeléctricas está experimentando un considerable impulso en los últimos años. En los países desarrollados las minicentrales permiten obtener energía en aquellas localizaciones donde una gran central no sería viable además de minimizar el impacto ambiental que produce la obra civil (presa, edificio de la central…). En los países en vías de desarrollo las minicentrales permiten la electrificación de zonas rurales alejadas de los grandes núcleos de población proporcionando un empuje decisivo para su crecimiento socioeconómico. La gran mayoría de minicentrales son fluyentes, es decir, carecen de un elemento almacenador suficientemente grande que les permita la regulación del caudal turbinado o de la energía producida. La pequeña potencia instalada (menos de 10 MW) tampoco les permite contribuir al mantenimiento de la frecuencia de la red, salvo que operen en isla, lo que ocurre en muy contadas ocasiones. Por tanto, en el caso de minicentrales fluyentes, es recomendable la operación de la central con el control de nivel en el azud de derivación o en la cámara de carga, porque posibilita la reducción de la superficie del embalse o de la cámara y permite combinar su uso hidroeléctrico con otros como puede ser el regadío. El primer objetivo de la presente tesis es la elaboración de un modelo matemático en el entorno de programación MATLAB, que simule la operación de una minicentral hidroeléctrica fluyente con control de nivel. Dicho modelo se aplica a las tres tipologías de minicentrales más comunes: a pie de presa, en derivación con canal en lámina libre y cámara de carga y en derivación con galería en presión y chimenea de equilibrio. Todos los modelos se implantan en una central de referencia y mediante simulaciones se comprueba su comportamiento dinámico. Merece especial mención el modelo de canal obtenido a partir de la linealización de las ecuaciones de Saint Venant y el posterior desarrollo de su matriz de transferencia que permite su conexión con los demás componentes del modelo. Una vez elaborados los modelos se procede al estudio de la estabilidad en pequeña perturbación de la central en condiciones normales de operación. Para ello, siguiendo las teoría de control clásico, se linealizan las ecuaciones que reflejan la dinámica de cada componente de la central dando lugar a su formulación canónica y a la matriz dinámica del sistema. A partir de dicha matriz y aplicando el criterio de estabilidad de Routh-Hurwitz se puede llegar a las siguientes conclusiones: Centrales en derivación con canal y centrales a pie de presa: Las dimensiones de la cámara de carga y del azud de derivación no influyen en la estabilidad de la central. Se mejora la estabilidad de la central conforme se turbina menor caudal. Centrales en derivación con galería y chimenea: El control de nivel resulta más estable que el control de frecuencia-potencia. La estabilidad empeora cuando se reduce el caudal turbinado. La superficie del azud y de la chimenea sí intervienen en la estabilidad de la central. El vertido del caudal ecológico entre el azud de toma y la descarga mejora la estabilidad de la central. Una vez estudiada la estabilidad de la minicentral es sus tres tipologías se propone un criterio heurístico que permite la sintonización de las ganancias del controlador PI que acciona el distribuidor del la turbina. La técnica del lugar de raíces, ampliamente utilizada en la teoría del control clásico, permite establecer una relación a priori entre las ganancias del controlador y las oscilaciones que aparecen en la respuesta de la central. Las ganancias propuestas permiten la minimización de la oscilación así como del tiempo de establecimiento de la respuesta, en función de las dimensiones de los principales componentes de la central así como de su punto de operación. De la aplicación del criterio se concluye: En la central con canal y cámara de carga la variación del punto de operación apenas modifica las ganancias, por lo que no se considera necesario el control adaptativo. En la central con galería y chimenea de equilibrio el ajuste del controlador para un punto de operación puede generar inestabilidades en otras circunstancias de funcionamiento, por lo que sí se aconseja el control adaptativo en este caso. En la central a pie de presa el criterio propuesto no es aplicable ya que exige una precisión excesiva en el sensor de nivel y una acción de control considerable. Por último, cabe añadir, que todo el trabajo realizado se enmarca dentro la fase de diseño y predimensionamiento de una minicentral. Con ello se pretende facilitar un diseño de la planta que garantice una respuesta adecuada en condiciones normales de operación. Abstract The implementation of hydroelectric small hydropower plants is experiencing a major expansion in the last years. In developed countries, small hydropower plants enable the production of energy in those locations where a great power station would not be feasible. Moreover, the environmental impact of the civil work they require is smaller than in conventional hydroelectric power stations (dam, buildings…). In developing countries, small hydropower plants stations allow the electrification of rural areas far away from great cities, promoting their socioeconomic growth. The great majority of small hydropower plants are run-of-river: they lack of a sufficient storage element for the regulation of the turbined volume or the produced energy. As they have a small installed capacity (less than 10 MW), they can not contribute to the maintenance of the network frequency, unless they operate isolated, this situation being unusual. Therefore, the best option to operate run-of-river small power plants is to keep control of the water level at intake basin or at the head pond, as this allows the reduction of the reservoir surface or the head pond and enables the combination of this hydroelectric use with others as irrigation. The first goal of this doctoral thesis is the design of a mathematical model using MATLAB, in order to simulate the operation of a run-of-river small hydropower plant with water level control. This model is then applied to the three main typologies of small hydropower plants: dam site located power plant, diversion plant with open channel and surge tank, and diversion plant with head-race conduit and surge tank. Each of the resulting models are implemented in a reference power station and, by means of simulations, its dynamic behaviour is tested. Special consideration should be paid to the channel model, obtained through linearization of Saint Venant equations. The corresponding transfer matrix is determined, allowing its connection with the other components of the model. Then a small perturbation stability analysis is carried out using the developed models. The equations representing the dynamic of each plant component are then linearized, in order to apply the classic control theory. The model equations are expressed in state space form and the dynamic matrix is determined. From this matrix and according to Routh-Hurwitz stability criterion, the following conclusions are reached: In diversion plants with open channel as well as in dam site located power plants: Plant stability is not affected by the dimensions of head pond and the intake basin. Plant stability is improved if turbined flow is reduced. Diversion plants with head-race conduit and surge tank: Level control is more stable than load frequency control. Stability gets worse when turbined flow is reduced. The surface areas of intake reservoir and surge tank do take part in the stability of the plant The spillage of the ecological flow between the intake reservoir and the draft tube enhances the plant stability. Once the stability the small hydropower plant in its three typologies has been studied, a heuristic criterion is proposed in order to tune the gains of the PI controller that modifies the wicket gates of the turbine. The root locus technique, widely used in classical control theory, allows the establishment of an a priori relation between the controller gains and the oscillations appearing in plant response. The proposed gains allow the minimisation of the oscillations and of the settling time, depending on the dimensions of main plant elements as well as on the operating point. The following conclusions are drawn from the application of the heuristic criterion: In plants with channel and head pond, the variation of the operating point hardly modifies the gains and therefore adaptive control is not necessary. In plants with head-race conduit and surge tank, the controller tuned with respect to a specific operating point may generate instabilities in other operating conditions, so in this case adaptive control is recommended. In dam site located power plants, the proposed criterion is no longer applicable, as it demands an excessive accuracy in the water level sensor as well as a considerable control action. Finally, it is necessary to remark that the whole work focuses on the stage of design and early dimensioning of a small hydropower plant. The aim is to contribute to a plant design that guarantees a proper response in normal operating conditions.

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ID de Registro: 1568
Identificador DC: http://oa.upm.es/1568/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:1568
Depositado por: Archivo Digital UPM
Depositado el: 04 May 2009
Ultima Modificación: 20 Abr 2016 06:52
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