System models and water power plant turbine-generator unit automatic control

Transkript

1

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakula srojního inženýrsví Úsav auomaizace a informaiky Ing. Zdeněk Němec, CSc. ODELY SYSTÉU A AUTOATICKÉ ŘÍZENÍ TURBOSOUSTROJÍ VODNÍ ELEKTRÁRNY Sysem models and waer power plan urbine-generaor uni auomaic conrol Zkrácená verze habiliační práce Brno 8

3 KLÍČOVÁ SLOVA aemaické modely, auomaické řízení, urbosousrojí, vodní urbína, hydraulická sousava, elekrizační sousava, silová čás regulace urbíny, regulace výkonu. KEY WORDS ahemaical models, auomaic conrol, urbine-generaor uni, waer urbine, hydraulic pipe se, elecriciy supply sysem, se for urbine opening conrol, power conrol. ÍSTO ULOŽENÍ ULOŽENÍ HABILITAČNÍ PRÁCE Oddělení pro vědu a výzkum, Fakula srojního inženýrsví, Vysoké učení echnické v Brně. Technická, Brno. Zdeněk Němec, 8 ISBN ISSN 3-48X

4 OBSAH Předsavení auora Seznam použiého označení Úvod Přehled problemaiky Vývoj oboru regulace vodních urbín Řídicí sysém a řízená sousava odely vodní urbíny Lineární model vodní urbíny Nelineární model vodní urbíny Elekrizační sousava odely hydraulické sousavy Popis porubí pomocí přenosu Savový popis porubí odely silové čási Lineární model Nelineární model Turbosousrojí jako regulovaná sousava Řešení časových průběhů s modely regulované sousavy Regulace výkonu Klasická regulace, sandardní řešení Regulace výkonu s adapací dle oevření urbíny Regulace výkonu s kompenzačními obvody Regulace výkonu s korekčním obvodem Savová regulace výkonu Predikivní regulace výkonu Závěr Lieraura Anoace, Absrac

5 PŘEDSTAVENÍ AUTORA Zdeněk Němec se narodil v roce 948 v Hrušovanech nad Jevišovkou. V roce 967 absolvoval Sřední průmyslovou školu exilní, obor srojní. V období 967 až 97 sudoval na Vysokém učení echnickém v Brně, Fakulě elekroechnické, obor echnická kyberneika, specializaci měřicí a řídicí echniky. Sání závěrečnou zkoušku vykonal s výborným prospěchem a diplomová práce byla oceněna česným uznáním. Po skončení sudií nasoupil do oddělení vodních elekráren Organizace pro racionalizaci provozu energeických závodů v Brně ORGREZ k. ú. o., koncern ČEZ. V éo organizaci pracoval le. Pracovní náplní byly echnické služby pro provozy vodních elekráren, zejména zkoušky účinnosí urbín, seřizování regulací, vývoj jednoúčelových zařízení ad. Čás prací se ýkala výzkumných a vývojových prací pro hydroenergeiku v rámci podnikových, rezorních a sáních úkolů vědeckoechnického rozvoje. Akivně se zúčasňoval vynálezeckého a zlepšovaelského hnuí, je auorem dvou vynálezů. Souběžně se zaměsnáním v období le 985 až 99 absolvoval exerní vědeckou aspiranuru v oboru echnická kyberneika na Fakulě elekroechnické VUT v Brně. Diserační práce se ýkala problemaiky regulace vodních urbín. Od počáku roku 993 až doposud pracuje jako vědeckopedagogický pracovník na Úsavu auomaizace a informaiky Fakuly srojního inženýrsví VUT v Brně. Hlavní činnosí jsou přednášky a cvičení z oborů auomaizace a elekroniky, posupně vyučoval celkem 8 předměů. V současné době jde hlavně o předměy Prosředky auomaického řízení, Reguláory a programovaelné auomay, Regulace a auomaizace energeických zařízení, Aplikovaná elekronika. V rámci pedagogické činnosi byl vedoucím 9 závěrečných magiserských a bakalářských prací. Takéž byl posupně a dlouhodobě vedoucím čyř úsavních laboraoří, v nichž nově navrhl a realizoval celkem 7 laboraorních úloh. Již le je členem komisí sáních závěrečných zkoušek na fakulách FEKT a FSI VUT v Brně. Odborná a související publikační činnos Zdeňka Němce má dvě rozdílná období. Z dřívější praxe v energeice jsou jeho vývojové práce mimo jiné shrnuy v 86 echnických zprávách s převažujícím plným auorsvím a v mnoha dalších s čásečným auorsvím. Významná čás echnických zpráv se ýká experních služeb při uvádění do provozu přečerpávacích vodních elekráren PVE Dalešice, PVE Čierny Váh, PVE Lipovská ara ad.. Z doby působení na škole od roku 993 je auorem 5 vývojových zpráv, 5 konferenčních příspěvků a 5 článků v odborných časopisech. Dlouhodobě je zapojen v řešeních výzkumných záměrů celkem 3 a granových úkolů celkem 3. Tyo práce jsou zaměřeny hlavně na problemaiku auomaického řízení energeických zařízení a na aplikace programovaelných prosředků v auomaizaci. 4

6 Seznam použiého označení A [-] maice dynamiky savového popisu a [m s - ] rychlos šíření lakové vlny hydraulického rázu B b [-] váhová maice vekor vsupu savového popisu C c T [-] váhová maice vekor savového popisu c H [s] poměrná hodnoa odporu vody proi deformaci hydraulická kapacia G ij s [-] operáorový přenos mezi výsupem i a vsupem j h [-] poměrná hodnoa užiečného spádu vody lakové výšky J [kgm ] momen servačnosi roujících hmo sousrojí K ij [-] koeficien závislosi veličiny i na veličině j; plaí K ij i/j K pg,n [-] jednokové výkonové číslo elekrizační sousavy K P [-] proporcionální konsana reguláoru zesílení L [m] délka porubí nebo hydraulické rasy l H [s] poměrná hodnoa odporu vody proi zrychlení hydraulická indukčnos n [-] poměrná hodnoa oáček úhlové rychlosi sousrojí, poče úseků porubí p G [-] poměrná hodnoa výkonu generáoru elekrický výkon na svorkách generáoru p Gs [-] saická složka výkonu generáoru poměrná hodnoa p Gd [-] dynamická složka výkonu generáoru poměrná hodnoa p T [-] poměrný výkon urbíny mechanický výkon na spojce urbíny p Z [-] poměrný příkon záěží elekrizační sousavy PID [-] yp regulace; proporcionálně inegračně derivační PIDP [-] yp regulace; PID s rvalou odchylkou v usáleném savu [-] poměrný průok vody urbínou nebo porubím r H [-] poměrná hodnoa odporu vody proi pohybu hydraulické zráy řením s [-] operáor Laplaceovy ransformace [s] čas; pro diskréní čas plaí k T v T a [s] časová konsana rozběhu sousrojí T b [s] časová konsana rozběhu elekrizační sousavy záěží T ab [s] úhrnná časová konsana rozběhu; plaí T ab T a +T b T f [s] doba závěru servomooru rozváděcího kola urbíny T g [s] doba oevírání servomooru rozváděcího kola urbíny T I [s] inegrační časová konsana reguláoru T L [s] doba běhu lakové vlny vody; plaí T L L/a T S [s] časová konsana silové čási regulace T W [s] časová konsana náběhu vody pro jmenoviý průok u [-] vekor akčních veličin vsupy do regulované sousavy w n [-] žádaná hodnoa oáček w pg [-] žádaná hodnoa výkonu generáoru urbosousrojí w y [-] žádaná hodnoa oevření urbíny x [-] vekor savových veličin poměrné veličiny y [-] vekor výsupních veličin poměrné veličiny y, y RK [-] oevření urbíny poměrná hodnoa; ev. zdvih servomooru rozváděcího kruhu y o [-] pracovní bod oevření urbíny bod linearizace y v [-] volnoběžné oevření urbíny Osaní použié označení o dolní index označující hodnou veličiny v pracovním bodě; např. y o r dolní index pro referenční zpravidla jmenoviou hodnou veličiny značka odchylky veličiny od pracovního bodu; plaí např. y y - y o ω [s - ] úhlová frekvence rychlosi oáčení hřídele, úhlový kmioče přenosu 5

7 ÚVOD Řízení chodu elekrizační sousavy je velmi obížnou úlohou auomaického řízení. Složios je dána principiální fyzikální nunosí udržova rvale a v každém okamžiku rovnováhu mezi úhrnným výkonem zdrojů elekrické energie na jedné sraně a proměnlivým příkonem všech spořebičů na sraně druhé. Řízení musí éž zohledňova echnické a organizační požadavky vyplývající z mezinárodního charakeru elekrizační sousavy. Jakékoliv nezvládnuí rovnováhy mezi dodávkou a odběrem energie vede k rozpadu síě, což má za následek velké ekonomické škody. To vše klade vysoké nároky na kvaliu a operaivnos řízení éo sousavy na všech úrovních, přičemž nejvěší díl náročnosi se přesouvá na základní úroveň řízení samoných zdrojů elekrické energie. U vodních elekráren je základní úroveň řízení sousředěna do regulace urbosousrojí vodní urbína a generáor. Vodní elekrárny mají specifickou roli v elekrizační sousavě. Jejich přednosí je schopnos poskyova dynamické služby, j. v případě pořeby doda poměrně rychle elekrickou energii do sysému. Osaní zdroje v elekrizační sousavě epelné a jaderné elekrárny z principu nemohou nabídnou srovnaelnou mobiliu a změny výkonu. Aby yo nesporné výhody vodních elekráren byly řádně využiy, je nuné hleda cesy k dosažení co nejvyšší kvaliy řízení jejich urbín. Specifickým a závažným problémem v řízení vodních urbín je vliv servačnosi proudící vody a s ím související výsky vodního rázu při rychlejších změnách oevření urbíny. Z hlediska eorie auomaického řízení se jedná o regulovanou sousavu s neminimální fází, jejíž dynamické vlasnosi jsou navíc časově proměnné v širokém rozmezí podle oevření urbíny a evenuálně i podle skladby připojené elekrizační sousavy. Řízení vodních urbín pomocí moderní mikropočíačové echniky předsavuje speciální oblas aplikace diskréního auomaického řízení. Prakické a smysluplné využií je ale podmíněno vypracováním odpovídajících eoreických podkladů pro návrhy pokročilých řídicích algorimů a pro vorbu uživaelského programového vybavení. Z pořeby vyplni uo mezeru znalosí vychází i éma předložené habiliační práce. Z hlediska oborů je obsah práce inerdisciplinární, proože zahrnuje problemaiky z auomaického řízení, vodních urbín a energeiky. PŘEHLED PROBLEATIKY. VÝVOJ OBORU REGULACE VODNÍCH TURBÍN Nejsarší formou regulace vodních i parních urbín byl direkní reguláor, kerý obsahoval čidlo oáček na principu odsředivých sil zv. Waův reguláor a síly ohoo čidla působily na přesavný mechanismus oevření urbíny přímo, j. bez pomocné energie. Později se vyráběly mechanickohydraulické reguláory s pohonem od hřídele urbíny a s hydraulickým čidlem oáček, jehož měronosným výsupem byl lak oleje zpracovávaný v navazující řídicí čási s mechanickými a hydraulickými prvky. Teorie k éo regulaci a popis konsrukčních prvků jsou uvedeny v lierauře [] a [3]. Přibližně od roku 97 se celosvěově začaly prosazova elekrohydraulické reguláory. V jejich elekronické čási jsou sousředěny veškeré řídicí funkce a hydraulická čás realizuje silové působení na lopaky urbíny. Až do nedávné doby se používaly regulace jen s analogovou činnosí a s konsanními paramery. Bližší popis je v [4], [5]. Současný a budoucí vývoj zákoniě spěje k regulacím s číslicovou řídicí čásí. Z hlediska prosředků auomaického řízení lze očekáva řídicí jednoky urbosousrojí v podobě programovaelných auomaů, keré budou součásí věšího disribuovaného řídicího sysému celé elekrárny. Uvedené vývojové rendy jsou éž zřeelné i z maeriálů nejvýznamnějších firem oboru, viz [W] až [W6]. 6

8 . ŘÍDICÍ SYSTÉ A ŘÍZENÁ SOUSTAVA Hlavní funkce řídicího sysému vodní urbíny a jeho návaznos na řízenou sousavu urbosousrojí lze znázorni blokovým schémaem na obr. -. Obr. - Srukura řízení urbosousrojí vodní elekrárny, obecně Řízení urbosousrojí v sobě sdružuje kombinační a sekvenční logické řízení a regulační funkce. V předložené práci je hlavní pozornos věnována regulaci výkonu, kerá má dominanní význam, proože je v činnosi éměř po celou dobu běžného provozu. Druhou v pořadí důležiosi je regulace oáček, kerá je nezbyná pro rozběh sousrojí, pro jeho synchronizaci a fázování, pro volnoběh a pro zv. osrovní provoz. Poslední uvedený režim je vůbec nejnáročnějším případem regulace a její řešení je obecně rozšířením regulace výkonu. Řízenou sousavu je vhodné rozděli na několik dílčích čásí. Návrhy maemaických modelů ěcho čásí pro účely řízení jsou uvedeny v dalších kapiolách. V habiliační práci [53] jsou zpracovány i počíačové modely pro prosředí alab-simulink. Z hlediska dynamických vlasnosí řízené sousavy je dominující hydraulická sousava s komplikovanou vazbou mezi průokem vody v porubí a spádem vody h. Projevuje se zde negaivní vliv servačnosi proudící vody a s ím spojený zv. vodní ráz. 7

9 3 ODELY VODNÍ TURBÍNY Dále uvedené popisy jsou pro Francisovu urbínu. Pro Kaplanovu urbínu je posup odvození modelování analogický, jen vsupní veličiny je pořeba ješě rozšíři o oevření oběžného kola. První návrhy auora práce zde uvedených modelů jsou obsaženy v [3] a [3]. Z hlediska eorie řízení je vodní urbína saickou sousavou, proože dynamické děje uvniř urbíny lze zanedba. 3. LINEÁRNÍ ODEL VODNÍ TURBÍNY Lineární model je vhodné používa, jsou-li změny vsupních i výsupních veličin relaivně malé např. pod % z rozsahu. Pracuje-li edy urbína s malými změnami veličin v okolí určiého pracovního bodu označení indexem o, můžeme její průokovou a výkonovou charakerisiku linearizova pomocí oálních diferencí: δ δ y δ p pt δ y T δ δ y + h + n δ h n δ δ pt δ pt y + h + n δ h δ n Pro daný pracovní bod jsou parciální derivace konsanní, proo můžeme psá: K y y + K h h + K n n, 3/ p T K py y + K ph h + K pn n. 3/ Tomuo řešení odpovídá srukura lineárního modelu dle obr. 3-, přičemž volba paramerů K ij pro přibližné i přesné řešení je odvozena a popsána v habiliační práci [53]. y změna oevření K y h n změna spádu změna oáček K h K n změna průoku K py K ph p T změna výkonu K pn Obr. 3- Schéma lineárního modelu urbíny 3. NELINEÁRNÍ ODEL VODNÍ TURBÍNY Průokové a výkonové charakerisiky předpokládáme ve varu y + K y y [y-y ] + K h y [h-h ] + K n y [n-n ], 3/3 p T p T y + K py y [y-y ] + K ph y [h-h ] + K pn y [n-n ]. 3/4 8

10 y pracovní bod oevření y saická složka průoku průok p T y saická složka výkonu p T výkon urbiny y změna oevření K y h změna spádu K h n změna oáček K n K py p T K ph K pn Obr. 3- Schéma nelineárního modelu vodní urbíny 4 ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVA Za elekrizační sousavu považujeme veškeré spořebiče a zdroje, keré jsou navzájem propojené elekrickým vedením. Předpokládáme, že generáor daného urbosousrojí vodní elekrárny je součásí éo sousavy a předsavuje v něm jeden z mnoha možných zdrojů elekrické energie. odel musí bý obecný a musí zahrnova různé rozsahy a složení elekrizační sousavy. Je-li např. urbosousrojí jediným zdrojem, pak mluvíme o samosaném chodu a model bude slouži k analýze hlavně regulace oáček. Je-li naopak v sousavě zapojeno mnoho zdrojů s velkými výkony, pak mluvíme o paralelním provozu a model bude využi v souvislosi s regulací výkonu. V diserační práci [53] jsou odvozeny pohybové rovnice samoného urbosousrojí a osaních servačných hmo zdrojů a spořebičů, výsledný navržený lineární model je na obr. 4-. elekrizační sousava vně urbosousrojí p Z s p Gs s K pg,n p Z s p Gd s T b s T a + Tb s + KpG, n ns p G s p T s p T s Ta s ns Obr. 4- Lineární model elekrizační sousavy a odpovídající přenos modelu 9

11 Navrhovaný model obsahuje 3 paramery T a, T b, K pg,n, keré jsou dále specifikovány. A Časová konsana rozběhu sousrojí T a se vzahuje k servačným hmoám sousrojí rooru generáoru, hřídele a urbíny, proo je konsanní a je dána výrazem Ja ω r Ta [ s; kgm, s, W ] 4 / Pr Konsana T a předsavuje dobu pořebnou k rozočení servačných hmo J a na jmenovié oáčky jmenoviým výkonem P r. Věšinou má hodnou v rozsahu 5 až s. B Časová konsana zdrojů a záěží T b zahrnuje všechny servačné hmoy elekrizační sousavy vně urbosousrojí. Je-li jejich celkový poče m, dílčí momeny servačnosi J bi a jim příslušející dílčí referenční úhlové rychlosi ω ir, pak plaí: T b m m Jbi ωir Jbi ω r ωir ω r Pr Pr ω r i i [ s; kgm, s, W ] 4 / Jelikož je zde T b definováno k referenčnímu výkonu sousrojí P r a nikoliv k celkovému výkonu sousavy, bude T b závise na rozsáhlosi elekrizační sousavy vliv poču m. T b je doba pořebná k rozočení všech servačných hmo v elekrizační sousavě na jmenovié oáčky jen jmenoviým výkonem P r vyšeřovaného sousrojí. Limině může T b nabýva hodno od jde-li o samosaný chod s odporovými záěžemi až éměř do nekonečna je-li sousrojí spojeno s evropskou elekrizační síí. C Jednokové výkonové číslo elekrizační sousavy K pg,n je součem saických závislosí výkonů všech zdrojů a příkonů všech spořebičů na frekvenci elekrizační sousavy a ím i na oáčkách. Určuje edy v usálených podmínkách vzah mezi výkonem daného urbosousrojí a kmiočem celé sousavy. V názvu zavedené označení jednokové výkonové číslo má zdůrazni skuečnos, že u K pg,n vzahujeme změny výkonu k referenčnímu výkonu P r vyšeřované jednoky, j. jen k doyčnému sousrojí. Paramer K pg,n souvisí s charakerisikami na obr. 4- a je definován vzahem 4/3. p Gsz zdroje p Gss spořebiče p Gsz p kz n Gsz < p Gss p ks n Gss n n n n f/f r n Obr.4- Saické charakerisiky zdrojů a spořebičů ypické závislosi n f/f r K pg, n p n Gs p n Gsz p + n Gss 4 / 3 Ze závislosi na provozních podmínkách mohou paramery T b a K pg,n nabýva hodno od nuly éměř do nekonečna. Nulové hodnoy odpovídají případu, kdy elekrizační sousava neobsahuje další zdroje vyšeřované sousrojí je jediným zdrojem a spořebiče mají výhradně odporový charaker. Takový sav je regulačně nejnepříznivější, proože pak sousava má asaický charaker. Naopak velké hodnoy T b a K pg,n odpovídají provozu ve velké elekrizační síi a G n,pt s G n,pz s se limině blíží nule.

12 5 ODELY HYDRAULICKÉ SOUSTAVY Hydraulickou sousavou zde rozumíme soubor hydroechnických objeků pro přívod vody z horní nádrže vodní elekrárny k urbíně a akéž objeky pro odvod vody od urbíny do dolní nádrže nebo řečišě. Základem odvození modelů je analýza vlasnosí proudící vody v porubí pomocí rovnic koninuiy a pohybových rovnic. Pro přesnější řešení je žádoucí rozděli celý hydraulický sysém na dílčí čási, keré mají homogenní vlasnosi průměr porubí, maeriál a loušťka sěn,... Vlasnosi dílčí čási porubí lze maemaicky popsa buď v prosoru komplexních obrazů pomocí Laplaceovy ransformace kap. 5., nebo v časové oblasi pomocí savového popisu kap. 5.. První přísup má význam hlavně pro návrh regulací, druhý je vhodnější pro simulaci regulačních pochodů. 5. POPIS POTRUBÍ POOCÍ PŘENOSU Pro účely synézy auomaického řízení časo pořebujeme zná závislos obrazu lakové výšky hs a obrazu průoku s v libovolném mísě porubí na hodnoách ěcho veličin v jiném mísě porubí. Teno přísup je použielný i pro řešení složiě členěných sousav, kdy na sebe navazující úseky mají ve spojích společné veličiny a výpoče se uskuečňuje po úsecích od známých počáečných hodno hs,, s, posupně až k vyšeřovanému mísu. Sysémovou nevýhodou je zanedbání lakových zrá v porubí. Horní nádrž l hs, s, hs,l s,l L l Dolní nádrž hs, s, Turbina Obr. 5- Schéma jednoduché sousavy pro výpoče přenosu Zpravidla lze vycháze ze znalosi lakové výšky hs, a průoku s, na začáku porubí. Obecně ve vzdálenosi l pak mají veličiny lakové výšky a průoku hodnoy dle vzahu TW cosh, sinh, TL s l TL s l h s l T h s, L 5 /,, s l TW s sinh TL s l, cosh TL s l T L Jde-li o jednoduchý případ s počákem porubí v nádrži obr. 5-, pak hs,, akže pro konec porubí l s urbínou můžeme získa pořebný přenos G h h s, TW s anh TL s s, TL 5/

13 Přímé použií hyperbolické funkce ypu anhx pro vyjádření přenosu není možné, proo ji nahrazujeme rozvojem v řadu. Smysluplné je uvažova jen první členy rozvoje. A Přenos prvního řádu vychází z aproximace anhx x, proo po úpravě 5/ plaí: h s Gh s TW s 5/ 3 s V časové oblasi omu odpovídá vzah derivace mezi vsupním průokem a výsupním lakem: d h TW [ ; s, s ] 5/ 4 d Ke sejným výsledkům bychom došli při odvozování z fyzikální podsay hydraulického rázu bez uvažování slačielnosi vody a pružnosi porubí viz li. [], [3]. Teno velmi zjednodušený přenos vyhovuje pro elekrárny s krákou hydraulickou rasou a v případech vyšeřování pomalých regulačních změn. Výhodou modelu je jeho jednoduchos a použií jen jednoho parameru T W. B Přenos druhého řádu se získá ím, že v rozvoji anhx uvažujeme první i druhou mocninu argumenu x. Pak po úpravách 5/ plaí: h s TW s Gh s 5/5 s +,5 TL s Teno přenos je přesnější a je vhodné jej používa pro elekrárny s delšími přiváděcími porubími orienačně nad sovky merů a bez vyrovnávacích komor. Přenos již zahrnuje rezonanční charaker porubí. Při éo aproximaci vychází úhlová rychlos rezonance porubí ω r /T L míso skuečné hodnoy ω r π//t L. 5. STAVOVÝ POPIS POTRUBÍ Popis savovými rovnicemi je vhodný hlavně pro simulační účely, j. pro vyšeřování časových průběhů regulačních pochodů a je nezbyný při synéze auomaického řízení vodní urbíny meodami savového prosoru. Ve srovnání s popisem pomocí přenosu kap. 5.. jde o univerzálnější a přesnější přísup. Další výhodou savového popisu je možnos zahrnou do modelu porubí i hydraulické zráy, j. vliv ření vody o sěny porubí. Celou hydraulickou sousavu rozdělíme na několik dílčích úseků, viz obr. 5-, přičemž hlediskem dělení je homogennos vlasnosí úseků, ale i požadovaná přesnos modelování. Například pro synézu regulace věšinou posačí úseky do 4 m, ale pro přesnější simulace pochodů je lépe voli úseky do délky m orienačně, viz habiliační práce auora. h T h T r H o l H h h i h i+ i- r Hi o i l Hi h n n- r Hn o l Hn h n+ h VN n VN c H c Hi c Hn r VN o urbina. úsek porubí i-ý úsek porubí n-ý úsek porubí poslední úsek horní nádrž Obr. 5- odel hydraulické sousavy, rozdělení na úseky, návaznosi Podsaou popisu je sesavení akového poču lineárně nezávislých rovnic pro nezávislé uzly a smyčky, jaký je poče neznámých. Popisy vycházejí z přeměn lakové energie na jiné formy energie epelné, kineické, deformační na hydraulických odporech. Z ohoo důvodu zavedeme hydraulické odpory rojího druhu, jejichž popis je shrnu do ab. 5-.

14 Tab.5- Tabulka hydraulických odporů pro poměrné veličiny Název odporu Značka Základní výpočení vzah Hodnoa odporu pro porubí Poznámka Odpor proi pohybu vody Odpor proi zrychlení vody hydraulická indukčnos Odpor proi deformaci vody hydraulická kapacia r H o pro lin. model r H h rh o h změna výškové zráy h r H pro nelin. model h výšková zráa l H c H h l c H H d d dh d o T λ d rh ch * l H [s] je konsanní, nezávislý na pracovním bodě c H [s] je konsanní, nezávislý na pracovním bodě λ [-] součiniel ření vody v porubí; dle [] jsou obvyklé hodnoy v inervalu. až.3 ρ [kg m -3 ] měrná hmonos vody; ao hodnoa je dosi přesně kg/m 3 d [m] vniřní průměr porubí S [m ] průřez porubí K [N m - ] modul objemové pružnosi vody a porubí; - uvažujeme-li jen pružnos vody, je K K V,3 9 [N m - ] - uvažujeme-li i pružnos porubí, je /K /K V + /E d/s, kde E je modul pružnosi maeriálu porubí, pro ocel E [N m - ], a kde s [m] je loušťka sěny porubí. v N [m s - ], H N [m] rychlos proudění vody a výškový spád při jmenoviých podmínkách * Lze éž sanovi z údajů hrubého H B a čisého spádu H N : r H o H B - H N /H N o rh lh W lh TW c v N T λ d QN L S g H H L T W ρ K L g H vn N o W vn N ρ h h o h o h h o + h r H o V popisu je použio poměrných odchylek veličin a poměrných paramerů. Veličiny s indexem o značí pracovní bod proo nejsou funkcí času a odchylky od pracovního bodu jsou označeny symbolem. Například pro i-ý úsek porubí pak plaí: i io + i h i h io + h i Takéž pro dále uvažované veličiny na začáku a na konci porubí plaí: T To + T h T h To + h T VN VNo + VN h VN h VNo + h VN Za savové veličiny volíme poměrnou změnu spádu h i a poměrnou změnu průoku i. Základem popisu celé sousavy je rovnice dynamiky pro i-ý úsek porubí viz obr. 5-: 3

15 d h d c i Hi i i d d l o r h h h i Hi i Hi i i + + 5/6 Po úpravě omu odpovídá maicový zápis ve varu 5/7 + + h l c h l o r l c d d d h d i i Hi Hi i i Hi Hi Hi Hi i i Pro začáek porubí u urbíny dosadíme h h T a pro konec u nádrže dosadíme n VN, h n+ h VN. Vícenásobnou aplikací vzahu 5/7 a uvedených koncových podmínek lze odvodi obecný maicový popis dynamiky hydraulické sousavy sesávající z n úseků porubí. c h h h l r r l c c l l r l c c l l r l c d d d h d d d d h d d d d h d T H VN n T Hn Hno VNo Hn Hn Hn H H o H H H H H H o H H H VN n T + L L O L L L K 5/8 Obecný savový popis lineárního sysému má maicový var u + b x A x& u + d x C y. rovnice dynamiky,. rovnice výsupů, kde x je vekor savových veličin, zde poměrné změny spádů a průoků, j. [h T, VN ] T, A je maice dynamiky dané hydraulické sousavy, zde je vořena řemi druhy odporu jednolivých úseků porubí, b je váhový vekor vsupu, zde má jen jeden nenulový prvek, u je jediná vsupní veličina, přičemž vsupem je změna průoku od urbíny T, y je výsupní vekor, v éo práci volíme za výsupní veličiny y i savové veličiny, C je váhová maice vsupu, vzhledem k volbě y je C jednoková a diagonální, d je vekor vsupu, ale zde je nulový. K odvozenému savovému popisu byl auorem zpracován v [53] obecnější počíačový model s volielným počem n úseků porubí v prosředí alab-simulink. Teno model je důležiým subsysémem modelu celého sousavy. 4

16 6 ODELY SILOVÉ ČÁSTI Silová čás je z hlediska auomaického řízení akčním členem s vlasnosmi polohového servomechanismu ovládajícího oevření urbíny signálem z reguláoru urbíny. Technologicky jde o náročné elekrohydraulické zařízení s několikasupňovým zesilovačem na lakový olej s výkonovým zesílením řádově 6 až LINEÁRNÍ ODEL Lineární model je použielný jen při současné planosi všech následujících podmínek: změny oevření jsou dosaečně malé a dosaečně pomalé, j. pro přesavnou rychlos servomooru plaí: -/Tf < dy/d < /Tg, pracovní bod je uvniř normální oblasi oevření: < w y <, lze zanedba nelineariy ypu necilivosi u hydraulických zesilovačů. Chování silové čási lze přijaelně přesně aproximova sousavou. řádu buď přenosem v operáorové oblasi, nebo diferenciální rovnici v časové oblasi viz rovnice 6/ a obr. 6-. y s GS s y y + wy wy s + TS s TS TS 6 / w y s G S s + TS s ys u w y /T S x x y -/T S a Operáorový model b odel v časové oblasi Obr. 6- Lineární modely silové čási Pro absoluní oevření a žádané oevření plaí: y y o + y, w y w o + w y. 6. NELINEÁRNÍ ODEL Výsky nelineárního režimu silové čási je relaivně časý. Příčiny výskyu nelineari: Působení omezení oevření. Při omo je oevření urbíny maximální y, nebo je urbína naopak zavřena y. Žádané oevření w y leží vně pracovního rozsahu. Působení omezení přesavné rychlosi. Řídicí sysém požaduje rychlejší změnu oevření než je fyzikálně možné. ezní přesavná rychlos je časo odlišná pro směr na zavírání a pro směr na oevírání: - oevírání : y max /T g při w y > /T g - zavírání : y min -/T f při w y < - /T f w y /T S Omezení rychlosi /T g - -/T f x x Omezení oevření y /T S Obr. 6- Nelineární model silové čási 5

17 7 TURBOSOUSTROJÍ JAKO REGULOVANÁ SOUSTAVA Regulovanou sousavu voří bloky, keré byly popsány v předchozích kapiolách 3 až 6, jejich vzájemné propojení je uvedeno na obr. 7-. p Z Elekrizační s. h Hydraulická vnější el. síť kap. 4 sousava kap. 5 p G T w y Silová čás kap. 6 y Vodní urbina kap. 3 p T Sousrojí servačné hm. kap. 4 n y o prac. bod Obr. 7- Regulovaná sousava propojení a hlavní veličiny odel celé regulované sousavy byl zpracován ve více varianách, keré se navzájem liší v dále uvedených ohledech. Hledisko řádu sousavy. To se ýká hlavně hydraulické sousavy od prvního řádu nepružný hydraulický ráz, pro kráká porubí až po sousavy vysokého řádu pro přesná řešení. Hledisko nelineari. Lineární model je použielný pro malé nebo pomalu se měnící změny oevření urbíny. Linearia umožňuje obecnější řešení, je možno použí přenosů a v časové oblasi jednodušší savové popisy sousavy. Reálné procesy jsou ale časěji nelineární. Hledisko přesnosi a účelu použií. Nižší přesnos modelu posačuje při synéze regulace, ale naopak vysokou přesnos vyžadujeme při simulacích regulačních pochodů garance vlasnosí. w y s G pg, wy s y o T s + T S s +,5 T w s w p G s regulace výkonu w y s p Z s G n, wy G s n, pz y o T s + T S s +,5 T w s T a s s Ta s w ns regulace oáček odporové záěže Obr. 7- Nejjednodušší možný model lineární model, s hydraulickou sousavou. řádu Nejobecnější model byl zpracován jako savový popis pro hydraulickou sousavu n-ého řádu: x& A x + B u, y C x + D u, kde savový vekor je x [y, h T,, h,, h n, VN, n] T, výsupní vekor y [y, h T, T, n, p G ] T a vsupní vekor u [w y, p Z ] T. 6

18 aice dynamiky A, váhové maice vsupu B a výsupu D a váhová maice C savového vekoru jsou časově varianní vliv nelineariy a kvůli rozsahu jsou popsány jen v základní práci [53]. 8 ŘEŠENÍ ČASOVÝCH PRŮBĚHŮ S ODELE SOUSTAVY Vlasnosi regulované sousavy lze zkouma ve frekvenční nebo časové oblasi. V éo práci je dána přednos druhé možnosi, proože regulační pochody jsou ve značné míře nelineární. Vychází se ze savového popisu sysému a k řešení příslušných sousav diferenciálních a algebraických rovnic se používá prosředí alab-simulink [W]. Počíačové modely v několika varianách jsou obsaženy v habiliační práci [53] a z důvodu omezeného rozsahu ohoo spisu jsou zde uvedeny jen vybrané příklady řešení. Není-li uvedeno jinak, je pro simulace použio přesného řešení s řádem hydraulické sousavy o velikosi porubí rozděleno do 5 úseků. Lze zjišťova časové průběhy libovolných veličin, ale pro řízení má nejvěší význam výkon p G. Zde uvedené příklady vycházejí ze zjednodušeného modelu Francisovy vodní urbíny K y, K py., K h.5, K ph.5, K n K pb T L perioda. Tgs Tgs y[-] T L p G [-] y.5 % Společné paramery: y o.8 L 7 m T W.5 s y[-] pg[-] y % Obr. 8- Výkon p G po skoku oevření vliv velikosi změny oevření y a doby oevření Tg Na obr. 8- je demonsrován vliv nelineárního režimu, kerý vznikne při velkých změnách žádaného oevření urbíny. Z obr. 8- jsou parné dva dominanní vlivy na zkoumanou dynamiku pochodů. Z ovlivnielných fakorů je o pracovní bod urbíny, j. počáečního oevření y o a dále daná časová konsana náběhu vody T W. Při věších oevřeních je výrazný efek podregulování, j. záporný výkon na začáku pochodu. 7

19 .8 pg[-].7.6 pg[-] y[-] y o..4. y[-] T W s T W.7s T W 3s y o Společné paramery: L 7 m T g s Obr. 8- Výkon p G po skoku oevření - vliv oevření urbíny y o a konsany náběhu vody T W.5 p G [-].8.7 p G [-].4.3. y[-] Oevření.6 y o h.s..ř. h.s..ř..4 h.s..ř. y[-] Porubí L 5 m.3 h.s.4.ř. Porubí L 5 m Společné paramery: T W.5 s T g s h.s..ř Obr. 8-3 Výkon p G po skoku oevření - vliv délky porubí L a přesnosi řádu modelu Na obr. 8-3 a obr. 8-4 jsou časové průběhy výkonu p G i spádu vody h a záměrně jsou vybrány případy porubí s výrazně rozdílnými délkami. S ím ěsně souvisí i volba řádu modelu hydraulické sousavy, přičemž výsledky lze shrnou následovně. Řád modelu hydraulické sousavy by měl bý volen hlavně s ohledem na délku porubí L a dále s ohledem na požadovanou přesnos modelu. Pro simulace je vhodnější vyšší řád než pro synézu regulace. Objekivní časový průběh podregulování je zjisielný jen použiím modelů vysokého řádu. odel hydraulické sousavy. řádu nepružný ráz je využielný jen pro kráká porubí. Vyšeřování při malých oevřeních je méně přesné, což se ýká hlavně spádu h. Při malých oevřeních a dlouhých porubích má sousava rezonanční charaker způsobený šířením lakových vln v porubí. Perioda kmiů je dána čyřnásobkem doby běhu lakové vlny T L po délce porubí. 8

20 .5 h[-] y[-] Porubí L 5 m.8.6 h[-] Porubí L 5 m -.5 h.s..ř..4 y[-]. Oevření y o. h.s..ř. h.s.4.ř h.s..ř. h.s..ř. Společné paramery: T W.5 s T g s h.s..ř. T L 4T L perioda Obr. 8-4 Spád vody h po skoku oevření vliv délky porubí L a přesnosi řádu modelu 9 REGULACE VÝKONU Regulace výkonu je základním a nejvíce využívaným provozním režimem urbosousrojí vodní elekrárny. U regulace výkonu je koncepčně důležié, že odchylka oáček od jmenovié hodnoy je rvale nulová n. Důležiý je zde přenos řízení, přenos poruchy je málo významný. 9. KLASICKÁ REGULACE, STANDARDNÍ ŘEŠENÍ Věšina sávajících reguláorů vodních urbín v uzemských i zahraničních vodních elekrárnách byla realizována analogovou echnikou, přičemž sandardní posup řešení vycházel a ješě dnes vychází z následujících předpokladů a principů. Hydraulická čás sousavy se uvažuje s nejjednodušším popisem dynamiky bez pružnosi vody a porubí, j. nahrazuje se modelem. řádu. Celá sousava má model dle obr. 7-. Při synéze regulace se vychází z nejnepříznivějších podmínek z hlediska sabiliy regulačního obvodu. Ten nasane při plném oevření urbíny y.. Regulace se navrhuje pro lineární režim, j. pro malé odchylky výkonu a oevření. Vlasní reguláor výkonu se navrhuje s přenosem inegračním I. Tím je zajišěna shoda žádaného a skuečného výkonu v usálených podmínkách a oevření urbíny je bez prudkých změn. Přenos proporcionálně inegrační PI je méně vhodný, proože proporcionální složka způsobuje nežádoucí rychlé změny oevření a v důsledku oho je věší podregulování na počáku regulačního pochodu. Reguláor výkonu Silová čás Regulovaná sousava hlavní čás w pg GR s I PI w y GS s + TS s y G pg, y y TW s s +.5 y TW s p G zde uvažováno jen y o. Obr. 9- Regulace výkonu, klasicky uvažovaná srukura regulačního obvodu 9

21 p G [%] y [%] jen počáek T I.5. T W T I.5. T W T I 3.7. T W aperiodické usálení mez y.98 L 3 m T W.5 s Obr. 9- Vliv nasavení reguláoru p G [%] y.4 y.7 y.98 L 3 m T W.5 s T I.7 T W Obr. 9-3 Vliv pracovního bodu K synéze reguláoru je v habiliační práci odvozeno doporučení voli inegrační konsanu T I.5 až 3. T W, viz éž obr. 9-. Nevýhodou éo klasické koncepce regulace je zbyečné zalumení při čásečném oevření urbíny viz obr REGULACE VÝKONU S ADAPTACÍ DLE OTEVŘENÍ TURBÍNY Cílem adapace je využií příznivých dynamických vlasnosí urbosousrojí i v oblasi čásečných oevření urbíny. Podsaa adapace je schemaicky znázorněna na obr Obecně jde o sanovení funkční závislosi inegrační časové konsany na souvisejících veličinách T I fy o,t W,T S,T L, ale adapace se ýká hlavně proměnného oevření urbíny, j. T I fy o. Adapace: T I f y o,t W,T S, T L y o w pg T I GR s TI s w y Silová čás GS s + TS s y G Regulovaná sousava, hlavní čás nejjednodušší možný přenos pg, y y TW s s +.5 y TW s p G Reguláor výkonu Obr. 9-4 Podsaa adapivní regulace výkonu Auor navrhuje variany adapace, přičemž obě byly rozsáhle ověřeny simulacemi. A Adapace s expliciním vyjádřením. Inegrační časová konsana se mění podle pracovního oevření y o, ale současně je zohledněna doba náběhu vody T W a časová konsana T S silové čási. Zákon adapace má var T I Ka TW + TS. 9/ Hodnoa koeficienu K a je závislá na požadované kvaliě regulace výkonu; pro sřední T W a malé T L je vhodné voli K a,4. B Adapace s omezeným rozsahem. Jde o obdobu předchozí adapace, ale se zmírněním lakových změn v oblasi malých oevření urbíny. Regulace je robusnější. Dosáhneme oho ím, že inegrační konsana T I se nezmenšuje při oevření pod zvolenou mez adapace y ma. Zákon adapace má var TI Ka TW yo yma + Ka TW yma yo yma. 9/ Při simulacích se osvědčily následující hodnoy koeficienů: Ka.7, y ma.4.

22 T I.9 T reg T Imax.6 T reg T I K a. T W. y o +T S A B.3 p G [%] h [%] y. T I K a. T W. y o pro y o>y ma -.3. K a T S y ma Obr. 9-5 Adapivní závislosi T I fy o y o bez adapace s adapací A T W.5 s L 3m Obr. 9-6 Účinek adapace na dobu regulace adap. A Adapaci reguláoru výkonu podle oevření urbíny lze celkově hodnoi jako přínosné opaření. Nuno však mí na zřeeli, že ke zlepšení dochází jen při provozu na výkonech menších než jmenoviých. Adapace akéž nezmenšuje nežádoucí efek podregulování při rychlých regulačních změnách. 9.3 REGULACE VÝKONU S KOPENZAČNÍI OBVODY Regulace s kompenzačními obvody je charakerisická ím, že čás nebo celý upravený model regulované sousavy je doplňkovou čásí reguláoru. Obecnou nevýhodou kompenzačních meod je malá robusnos řízení, j. výsky výrazných změn v chování regulace při nesouladu mezi vlasnosmi reálné regulované sousavy a vlasnosmi modelů, keré reguláor využívá ve své vniřní činnosi. Byly zkoumány 3 variany regulací se srukurami dle obr. 9-7 až 9-9. S kompenzací přenos G RKAs Sousava minimální fáze Sousava neminim. fáze w pg e G RA s TI s w y G s s GsN s TW s + Ts s +.5 TW s p G Reguláor výkonu G mn s TW s G m s + Ts s +.5 T W s Kompenzační obvod, z modelu sousavy Obr. 9-7 Regulační obvod výkonu s kompenzací dle Smiha

23 S kompenzací přenos G RKBs Sousava minimální fáze Sousava neminim. fáze w pg e w GRBs y + TW s s viz ex + Ts s +.5 TW s T N s + T W W s s p G Reguláor výkonu G KB TW s s + Ts s +.5 TW s Kompenzační obvod vodního rázu Obr. 9-8 Regulační obvod výkonu s kompenzací vodního rázu S kompenzací přenos G RKCs Sousava minimální fáze Sousava neminim. fáze w pg e GRCs viz ex w y G s s GsN s TW s + Ts s +.5 TW s p G Reguláor výkonu G mn s TW s G m s + Ts s +.5 T W s Vniřní model sousavy Obr. 9-9 Regulační obvod výkonu s vniřním modelem IC Inernal ode Conrol Z uvedených koncepcí bylo dosaženo nejlepších výsledků regulací s vniřním modelem a s přenosem GRC s, kde T + Ts s +.5 TW s n fc je konsana filrace a n je řád filrace. + TfC s Inenziou filrace lze ovlivňova dynamiku regulace a ím nepřímo i míru podregulování. 9.4 REGULACE VÝKONU S KOREKČNÍ OBVODE Podsaou korekce je omezení rychlých změn v signálu žádané hodnoy výkonu. Tím se nepřímo docílí polačení efeku podregulování, proože žádaná hodnoa se bude měni jen omezenou rychlosí, a o akovou, aby se přechodová charakerisika výkonu blížila monoónnímu průběhu jen v kladné oblasi bez výrazné záporné počáeční čási. Auor navrhuje použí korekci nelineárním obvodem s funkcí omezení derivace. Vlasnosi akového korekčního obvodu jsou definovány charakerisikami na obr. 9-. Paramerem je doba náběhu T NK korekčního obvodu. w pg vsup do korekce derivace výsupu /T NK dw pgk /d w pgk výsup korekce /T NK derivace vsupu dw pg /d T NK Obr. 9- Vysvělení činnosi korekčního obvodu výkonu

24 Korekční obvod Adapace dle 9/ y T I w pg T NK w pgk e G RD s TI s w y TW s Gs s + Ts s +.5 TW s p G Reguláor výkonu Regulovaná sousava Obr. 9- Příklad regulace výkonu s korekčním obvodem reguláor může bý i jiný Vlasnosi navrhovaného řešení jsou čásečně ukázány na příkladech přechodové charakerisiky v obr. 9-. Velikos podregulování je nepřímo úměrná době náběhu T NK korekčního obvodu. Druhou vlasnosí je, že absoluní velikos podregulování v uvedeném příkladě -p G. % není závislá na velikosi skokové změny výkonu. Díky omu je relaivní hodnoa podregulování -p G /w y pro sřední a velké změny již přijaelná.. p G [%] p G [%].8 bez korekce 4.6 I regul. s adap. T NK5s y o.95 y [%] 3 L 3m jen počáek T W.5s.4 5 bez korekce T NK5s T NK5s. alá změna výkonu wp G % Sřední změna výkonu wp G 5 % -. -p G. % p G. % podregulování je sejné jako u male změny Obr. 9- Účinek korekce a rozdílnos působení dle velikosi změn výkonu 9.5 STAVOVÁ REGULACE VÝKONU Savové řízení by obecně mělo dosahova nejlepších výsledků, proože má k dispozici úplné informace o vniřních savech řízené sousavy. Tao přednos je čásečně snížena věší složiosí návrhu řízení a akéž skuečnosí, že někeré savové veličiny nejsou měřielné a je nuné je zjišťova speciálním modelem, zv. rekonsrukorem. 3

25 w pg vsup žádaného výkonu /T S B d x d x d x 3 d x 4 -/T S -/c H -/c H.5 y o C y h T T.5 y o p G regulovaný.5 y o výkon Ie pg w y /c H akční zásah -/l H -r H o /l H - k A -.5 y o k k k 3 k 4 Obr. 9-3 Schéma savové regulace výkonu základní uvažovaná variana y [%] p G [%] h T [%] y o.98 L 3 m, T W.5 s H ydraulická sousava. řádu Regulace jen inegrační složkou Savová regulace, ale se zdůrazněnou lakovou složkou k Obr. 9-4 Srovnání přechodových charakerisik klasické a savové regulace výkonu klasická regulace má jen inegraci, savová zahrnuje i vliv spádu vody K analýze vlasnosí savové regulace výkonu byl použi model s hydraulickou sousavou. řádu a celá regulovaná sousava byla 4. řádu. Savové veličiny se odebírají přímo z modelu sousavy a jde edy o ekvivalenci případu úlohy s použiím ideálního rekonsrukoru. Srukura zkoumané regulace je zřejmá z obr. 9-3, výsledky k omuo příkladu jsou na obr Z hlediska velikosi nežádoucího podregulování nepřináší savová regulace zlepšení vůči jiným principům regulací z předchozích kapiol. Je o ím, že zpěnými vazbami k až k 4 ovlivňuje rozmísění pólů přenosových funkcí, ale neovlivňují se nuly přenosu, keré jsou zde rozhodující. 4

26 Synéza savové regulace je opimalizační úlohou, kerá mimo jiné vyžaduje definova i kriérium kvaliy regulace. Pro regulaci výkonu vodní urbíny musel auor navrhnou nesandardní kriérium, keré zvýšenou mírou zohledňuje pokuuje nežádoucí efek podregulování, viz [5]. 9.6 PREDIKTIVNÍ REGULACE VÝKONU Predikivní řízení je časo označováno zkrakou PC odel-based Predicive Conrol, proože je založeno na využií maemaického modelu řízeného objeku k predikci budoucích hodno regulovaných veličin pro určiou posloupnos akčních zásahů. Z množiny možných budoucích akčních zásahů jsou pak vybírány právě y, keré jsou opimální z hlediska zvolené účelové funkce funkcionálu. Teorie predikivního řízení je popsána např. v []. V habiliační práci bylo ke zkoumání použio prosředí alab-simulink a doplňující moduly odel Predicive Conrol Toolbox a Conrol Sysem Toolbox, viz [W]. Pred simulaci paramerizova sousavu i regulaor spusenim odpovidajicich m-files dht d dpg vykon skuecny Hydr. sousava n useku > rad *n Skok zadaneho vykonu dwpg mo PC mv ref PC regul. vykonu zadane oevreni dwy Silova cas Ts.s+ yo Prac. bod poc. oevr. dy oevreni urb. dh dy yo d dpg pg Turbina Franc. reg. vykonu dn dpg, dy dwy, dwpg Obr. 9-5 Schéma predikivní regulace výkonu v Simulinku univerzální, pro n > Byla uskuečněna řada simulačních experimenů, z nichž vyplývá, že pečlivou volbou paramerů predikivních reguláorů lze sice docíli lepších regulačních vlasnosí než s osaními regulacemi, ale zlepšení není výrazné. Poziivní čás přechodové charakerisiky nárůs výkonu je rychlejší a bez překmiu, ale pro oblas podregulování zůsává problém jako u osaních regulací rychlejší oevírání způsobuje věší podregulování výkonu. Nevýrazné zlepšení se ale ýká jen použié variany PC ve spojení s regulovanou sousavou s neminimální fází. Problém je v om, že dané PC má zabudované kriérium kvaliy pro sandardní sousavy a o není příliš vhodné pro zde uvažovanou sousavu vodní elekrárny. K výraznějšímu zlepšení kvaliy regulace je žádoucí, aby predikivní reguláor pracoval s modifikovaným kriériem kvaliy, keré výrazně více pokuuje zápornou oblas podregulování výkonu na začáku přechodové charakerisiky, např. dle návrhů v [5], [53]. Na obr. 9-6 je příklad přechodových charakerisik predikivní regulace výkonu. Plaí pro regulovanou sousavu s přesným modelem n 5 a přibližně opimální paramery paramerů PC. 5

27 y[-] p G [-] y.3 Čáry dle pokuy rychlosi: V.5 V3 vhodná V y[-] p G [-] y.98 Společné paramery: T W.5s, L7m, T S.s vzorkovací inerval T vr.s horizon predik. regulace P6 horizon řízení Obr. 9.6 Přechodové charakerisiky s PC vliv oevření y a pokuy rychlosi V ZÁVĚR Habiliační práce [53] je věnována auomaizaci vodních elekráren se zaměřením na auomaické řízení hlavního echnologického uzlu, j. urbosousrojí s vodní urbínou. Obsah práce má inerdisciplinární charaker, proože vedle hlavního oboru echnické kyberneiky vyžaduje znalosi hydraulických srojů urbíny, hydrodynamiky proudění vody v porubích, energeiky vlasnosi elekrizační sousavy a požadavky na její provoz, konsrukce srojních zařízení servomechanismus silové čási, silnoproudé elekroechniky generáor, prosředků auomaického řízení řídicí sysémy ad. Úvodní čás práce obsahuje přehled vývoje oboru auomaického řízení vodních urbín, včeně nedosaků sávajících koncepcí. Nejvěší pozornos je věnována regulaci výkonu. Druhá čás práce se ýká podrobné analýzy regulačních vlasnosí echnologických uzlů vodní elekrárny. Cílem bylo získa maemaické a počíačové modely doyčných čásí, zpravidla ve varianách pro lineární i nelineární provozní režimy. Byly zpracovány a převážně nově navrženy modely Francisovy vodní urbíny, elekrizační sousavy, hydraulické sousavy porubí a silové čási. V řeí čási práce se definuje skladba a vlasnosi celého urbosousrojí jako regulované sousavy. Takéž je navržena analýza časových průběhů veličin sousavy při simulacích regulačních pochodů. Jde o sousavu s neminimální fází, kerá je obížně řídielná. Nežádoucí je efek podregulování při oevírání urbíny zpočáku výkon urbíny krákodobě poklesne a eprve později dojde k usálení výkonu na nové zvýšené úrovni. Poslední čásí práce je rozbor možných řešení regulace výkonu urbosousrojí vodní elekrárny. Je uvažováno 6 koncepcí, každá je podrobněji popsána a jsou zváženy její přednosi a nedosaky. Při posuzování je značná pozornos věnována možnosi zmírni efek podregulování, kerý se sice vyskyuje jen při vyšších oevřeních urbíny, ale je nevýhodou při poskyování dynamických služeb vodních elekráren pro sabilní provoz elekrizační sousavy. Habiliační práce je příspěvkem k rozšíření znalosí z oboru auomaického řízení urbosousrojí vodních elekráren. Vychází vsříc rendu, při kerém je řada problémů řešena modelováním s následnou simulací zkoumaných procesů. Vyplňuje se ím exisující mezera v absenci eoreických podkladů, keré jsou pořebné pro kvalifikované projekování vodních elekráren a k vyššímu využií jejich kvali v energeice. 6

28 LITERATURA pro celou habiliační práci [] Baláě, J.: Auomaické řízení. Praha: BEN, s. ISBN [] ČSN EN 636: 999. Regulace vodních urbín Průvodce specifikací. Praha: ČNI, 56 s. [3] ČSN EN 638: Vodní urbíny Zkoušení řídicích sysémů. Norma je v přípravě. [4] ČSN EN 67: Auomaizace vodních elekráren Pokyn pro řízení pomocí počíače. Norma je v přípravě. 7 s. [5] Bobál, V. Böhm, J. Prokop, R. Fessl, J.: Prakické aspeky samočinně se nasavujících reguláorů: algorimy a implemenace. Brno: VUTIU, 999. [6] Fasol, K.: Forschrie bei Hardware und Sofware für Planung und Regelung von Wasserkrafanlagen. Öserreichische Zeischrif für Elekriziä. 988, Nr. 8. [7] Glafelder, R.: Freuency conrol for low head hydro unis in isolaed neworks. Waer Power and Dam Consrucion. 988, No. 3. [8] Hanuš, B. Olehla,. odrlák, O.: Číslicová regulace echnologických procesů. Brno: VUTIU,. [9] Hoppe,.: Die Regelung von Sysemen mi Allpass-Eigenschafen, dalgesell durch heoresche und experimenelle Unersuchung einer Wasserkrafanlage. Ruhr Universiä Bochum, 98. [] Huarew, G.: Regelungsechnik: Kurze Einführung am Beispiel der Drehzahlregelung von Wasserurbinen. Berlin Heidenberg: Springer Verlag, 969. [] Jurečka, J. Bína, J. Němec, Z.: aemaical odel of a Waer urbine Hydraulic Sysem and Is Experimenal Verificaion. In Sborník konference Hydrourbo 85, Olomouc [] Kubík, S. Koek, Z. Srejc, V. Šecha, J.: Teorie auomaického řízení I: Lineární a nelineární sysémy. Praha: SNTL, 98. [3] Kugler, R.: Synéza savového reguláoru výkonu vodní urbíny numerickou meodou. Diplomová práce, VUT v Brně, FSI, ÚAI. Brno, s. [4] Lamač, J.: Elekrohydraulická regulace vodních urbín. Praha: SNTL, 98. [5] Lamač, J.: Nový yp reguláorů Kaplanovy urbíny ve VE Vrané nad Vlavou. Energeika, roč. 985, č.. [6] Lazar, T.: Současné požadavky na řešení řídicího sysému vodní elekrárny. Energeika, roč. 984, č.. s [7] Lein, G. Hudovernik, W.: Verbesserung des dynamischen Verhalens von Wasserkrafanlagen durch Druck und Wasserspiegelaufschalung im Regelungsberieb. Öserreichische Zeischrif für Elekriziä. 989, Nr. 9. [8] acháček, J. Havlíček, L.: eodika IC pro nasavení PID reguláorů. Auomaizace, roč. 4, č.. s [9] ello, F. Koessler, R.: Hydraulic urbine und urbine conrol models for sysem dynamic sudies. IEEE Transacions on Power Sysems, No., 99. pp [] ikleš, J. Fikar,.: odelovanie, idenifikácia a riadenie procesov. Braislava: STU Braislava, 4. [] ikleš, J. Hula, V.: Teória auomaického riadenia. Braislava: Alfa, 986. [] Nechleba,.: Vodní urbíny, jejich konsrukce a příslušensví. Praha: SNTL, 96. [3] Nechleba,.: Základy regulace vodních urbín. Praha: SNTL,

29 [4] Němec, Z.: Hladinová regulace malých vodních elekráren. In Sborník konference Hydrourbo 83. Blansko, 983. [5] Němec, Z.: Linearizovaný model generáormooru pro vodní elekrárny v paralelním provozu. Technická zpráva Orgrez Brno s. [6] Němec, Z.: ěření frekvenčních charakerisik výkonu, laku a oáček Kaplanovy urbíny VE ohelno. Technická zpráva Orgrez Brno s. [7] Němec, Z.: odel generáoru VE ohelno pro paralelní chod a malé změny. Technická zpráva Orgrez Brno s. [8] Němec, Z.: Úvodní sudie k číslicovým řídicím sysémům vodních urbín. Technická zpráva Orgrez Brno s. [9] Němec, Z.: ožnosi zvýšení kvaliy regulace oáček vodní urbíny lineární regulací s proměnnými paramery. Technická zpráva Orgrez Brno s. [3] Němec, Z.: Použií mikropočíačové echniky k regulaci vodních urbín. In Sborník konference Hydrourbo 87. Trenčín, 987. [3] Němec, Z.: aemaické modely vodní urbíny, hydraulické sousavy a elekrizační sousavy. Technická zpráva Orgrez Brno s. [3] Němec, Z.: Řízení vodní urbíny a maemaické modely hlavních čásí řízené sousavy. Práce k aspiranské odborné zkoušce na FE VUT v Brně, 987. [33] Němec, Z.: Savový popis a analýza sousavy s Francisovou vodní urbínou. Technická zpráva Orgrez Brno s. [34] Němec, Z.: Savový popis a model sousavy s vodní urbínou pro malé změny veličin. Technická zpráva Orgrez Brno s. [35] Němec, Z.: odel řízené sousavy s Francisovou vodní urbínou pro velké změny veličin. Technická zpráva Orgrez Brno s. [36] Němec, Z.: Návrh jednoduchých diskréních regulací oáček vodních urbín. Technická zpráva Orgrez Brno s. [37] Němec, Z.: ožnosi zlepšení kvaliy řízení vodních urbín. In Sborník konference Hydrourbo 89. Brno, 989. [38] Němec, Z.: Regulace oáček vodní urbíny vyšší kvaliy. Technická zpráva Orgrez Brno s. [39] Němec, Z.: Srovnání několika principů regulace oáček vodní urbíny podle dosažielné kvaliy. Technická zpráva Orgrez Brno. 99. s. [4] Němec, Z.: Savová regulace oáček vodní urbíny. Technická zpráva Orgrez Brno s. [4] Němec, Z.: Simulace regulačních pochodů pro různé druhy regulací oáček vodních urbín. In Sborník konference Hydrourbo 9. Trenčín, 99. [4] Němec, Z.: Příspěvek ke zvýšení kvaliy regulace oáček vodních urbín. Kandidáská diserační práce, VUT v Brně, Fakula elekroechnická, s. [43] Němec, Z.: Provozní ověření primární regulace na PVE Dalešice a VE Slapy. Technická zpráva Orgrez Brno s, 33 s. příloh. [44] Němec, Z.: Adapivní regulace oáček vodní urbíny. In Sborník mezinárodní konference Hydrourbo 93, Brno