МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРО - ГЭС БАШЕННОГО ТИПА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 620.9

Рустамов У.С. ассистент

Ферганский политехнический институт

Узбекистан, Фергана

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРО - ГЭС БАШЕННОГО ТИПА

Аннотация: Использование малых гидроэлектростанций является одним из направлений развития возобновляемых источников энергии и уже сегодня конкурирует с традиционными источниками электрической энергии. В статье приведена блок схема предложенной микро-ГЭС башенного типа, математическая модель для водонапорной башни. С учетом поставленных требований разработана компьютерная модель по расчету и оптимизацию режимов работы микро - ГЭС с учетом их основных технико-технологических характеристик в широком диапазоне эксплуатационных условий

Ключевые слова: потребности, альтернатива, возобновляемые источники энергии, микро-ГЭС, гидроэнергетика, стабилизация, математическая модель, компьютерная модель

Rustamov U.S. assistant

Fergana Polytechnic Institute Uzbekistan, Fergana

MATHEMATICAL AND COMPUTER MODELING OF MICRO -HYDROPOWER POWER PLANT TOWER TYPE

Abstract: The use of small hydroelectric power plants is one of the directions for the development of renewable energy sources and already today competes with traditional sources of electrical energy. The article provides a block diagram of the proposed tower-type micro-hydroelectric power station, a mathematical model for a water tower. Taking into account the set requirements, a computer model has been developed for calculating and optimizing the operating modes of micro-hydroelectric power plants, taking into account their main technical and technological characteristics in a wide range of operating conditions

Key words: needs, alternative, renewable energy sources, micro-hydroelectric power plants, hydropower, stabilization, mathematical model, computer model

Как и во всём мире, в Республике Узбекистан особое внимание уделяется обеспечению устойчивого и безопасного развития общества, где решающее значение имеют достаточность, надежность обеспечения электричеством растущих потребностей хозяйства и населения. Достигнуты ощутимые результаты при создании возобновляемых источников энергии, энергоэффективности за счет применения специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе [1-3].

Использование малых гидроэлектростанций является одним из направлений развития возобновляемых источников энергии и уже сегодня конкурирует с традиционными источниками получения электрической энергии, являясь эффективным направлением развития альтернативной энергетики.

Объекты малой гидроэнергетики условно делят на два типа: «мини» -обеспечивающие единичную мощность до 5000 кВт, и «микро» -работающие в диапазоне от 0.3 до 100 кВт.

Микро-ГЭС - это электростанции, обладающие малой мощностью (до 100,0 кВт), служащие для производства электрической энергии, путем преобразования кинетической энергии воды и являются технологически зрелой отраслью: большинство технологий были масштабированы еще в 1970-х гг (а разработаны в начале 20 века);

В комплект Микро-ГЭС, как правило, входят следующие элементы:

1. Гидротурбина;

2. Мультипликатор, для увеличения оборотов вала генератора по отношению к оборотам турбины или редуктор;

3. Устройство, обеспечивающее саморазгон турбины;

4. Комплект трубопроводов;

5. Генератор;

6. Система управления и автоматики-шкаф возбуждения -автоматического управления, шкафа нагрузок.

Микро-ГЭС предназначен для автономного электроснабжения электрической энергией, фермерских хозяйств, молочных ферм, малых предприятий по обработке сельхозпродуктов, теплиц, дачных участков, пасек и других малых объектов.

Источником энергии могут служить:

Реки различных размеров и интенсивности течения и ручьи;

Перепады высот на водосбросах водоемов различного назначения;

Технологические водотоки;

Перепады высот на трубопроводах различного назначения.

Для установки Микро-ГЭС могут быть использованы малые водотоки свободным потоком воды или с напором от 1до 10 м при расходе воды не менее 0,2 м куб в сек (200 л/с). Напор воды создается путем устройства водозаборного устройства в русле реки, строительства деривационного канала, напорного бассейна и водоподводящего напорного трубопровода.

Конструктивное исполнение Микро-ГЭС позволяет легко проводить его монтаж, демонтаж и не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала в процессе эксплуатации.

Блок схема предложенной микро-ГЭС башенного типа, приведена на рис.1. Микро ГЭС включает себя, водонапорную башню -1, вентиль -2, трубу -3, гидротурбину -4, гидрогенератор -5, уровнемер -6, контролер -7 и скважину - 8.

Рис.1. Блок-схема микро- ГЭС башенного типа.

Модель гидравлической части.

Сначала мы напишем математическую модель для водонапорной башни.

Учитывая объем воды водонапорной башне - V, поверхность 5 и уровень к, можно записать соотношение:

ау т

Соотношение между давлением Аку и расходом qv имеет вид:

^ -ттС^'9-(2)

где: Са и Аё - данные геотермальной воды, а qo - поток установившегося состояния.

Результаты отношения: ' --1 -АН' (3)

К

Чтобы смоделировать принцип управления включением -выключением вентиля, введем в вышеприведенном отношении поправку к, в результате чего:

Используя обозначения м V = 5 -к, Дк = к,ТУ=к¥ -5 , у, получаем математическую модель, башни и лопасти:

=1 в( х) (4)

К

Итак, передаточная функция водонапорной башни и вентиля имеет

вид:

иъ

Т • — + Ъв(х) = К • дх (5)

Учитывая заданную точку у на подающем трубопроводе, мы получим следующее соотношение между потоком qy и давлением

К

' ;в(х) = 0(с1о$еИуане)

а =h (s1

q, ( s ) в( x ) + T,

s

k (6)

-—^—; в ( x ) = 1 ( openedvane )

dqy ( y, t)_ dhy (y, t)

dt 0 dt K ) где Lq, C0, Rq - гидравлическая индуктивность, емкость, сопротивление на единицу длины трубы.

Результаты уравнения:

= Щр-Ъ-яМ (8)

Это уравнение можно решить, применив преобразование Лапласа к аргументу t. Используя обозначение hy для входного давления турбины, получаем:

0 (9)

су2 0 0 dt2 dt W

С учетом этих требований разработана компьютерная модель по расчету и оптимизацию режимов работы микро - ГЭС с учетом их основных технико-технологических характеристик в широком диапазоне эксплуатационных условий; в том числе скорости вращения ротора, напряжение возбуждения генератора, фазные токи генератора и выходные напряжения в целом.

Модель микро - ГЭС состоящая из гидравлической турбины и синхронного генератора представлена на рис 2.

На первые два входа блока подаются требуемые значения угловой частоты ращения (wref) и мощности (Pref). На третий и четвертые входы блока поступают фактические значения угловой частоты вращения (we) и активной мощности (Ре). На пятый вход подается отклонение угловой частоты вращения ротора синхронного генератора (dw). Выходными сигналами являются механическая мощность, которая должна подаваться на соответствующий вход блока синхронной машины ^m), и величина открытия затвора гидротурбины (gate). Входы 2 и 4 могут оставаться неподключенными, если в качестве обратной связи будет использоваться

v

сигнал о положении затвора, а не отклонении частоты вращения. Все входные и выходные величины измеряются в относительных единицах.

Рис.2. Общая схема модели. С генератора

Рис.3. Выходное напряжение фазы

Компьютерная модель микро-ГЭС башенного типа позволяет исследовать влияние величины и характера нагрузки на величину выходного напряжения микро ГЭС. Сравнение результатов исследования на моделях и экспериментальной установке, показавшие их адекватность и возможность использования этих моделей при проектирование микро- ГЭС башенного типа для конкретных потребителей и нагрузок (рис. 2, 3).

Использованные источники:

1.A. A. Abdurakhmanov, K. K. Zainutdinova, M. A. Mamatkosimov, M. S. Paizullakhanov, and G. Saragoza, "Solar technologies in Uzbekistan: State, priorities, and perspectives of development," Appl. Sol. Energy (English Transl. Geliotekhnika), 2012, doi: 10.3103/S0003701X1202003X.

2. N. Avezova, A. Khaitmukhamedov, and A. Vokhidov, "Uzbekistan renewable energy short overview: programs and prospects," Int. J. Energy Smart Grid, 2017, doi: 10.23884/ijesg.2017.2.2.03.

3.E. Y. Rakhimov, S. E. Sadullaeva, Y. G. Kolomiets, K. K. Tashmatov, and N. O. Usmonov, "Analysis of the solar energy potential of the Republic of Uzbekistan," Appl. Sol. Energy (English Transl. Geliotekhnika), 2017, doi: 10.3103/S0003701X17040120.

4. СФ Эргашев, АК Тожибоев, «Автоматическое регулирование суммарной нагрузки для инвертора с ограниченной выходной мощностью», Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации, 311318.