Taajuuden vakautusreservien uusien teknisten vaatimusten mukaisen turbiinisäätimen kehittäminen
Kankkunen, Tuomas (2023)
2023
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-12-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202311149659
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202311149659
Tiivistelmä
Pohjoismaisen sähköjärjestelmän taajuuden laatu on viime vuosina heikentynyt. Heikentymisen syynä on pidetty etenkin suuntaajakytketyn uusiutuvan energiantuotannon osuuden kasvua ja siitä aiheutuvaa sähköjärjestelmän inertian pienenemistä. Tästä johtuen sähköjärjestelmän tehotasapainon hallinnassa käytettävien taajuuden vakautusreservien teknisiin vaatimuksiin on täytynyt tehdä muutoksia, jotta sähköjärjestelmän toimintakyky kyetään turvaamaan myös tulevaisuudessa. Vesivoimalaitokset muodostavat merkittävän osan taajuuden vakautusreserveistä. On kuitenkin herännyt epäilyksiä siitä, riittääkö vesivoimalaitoksille aikoinaan suunniteltujen säätimien suorituskyky uusien vaatimusten täyttämiseen.
Tässä työssä tutkitaan, minkälaisella vesiturbiinin säätöpiirillä kyetään vastaamaan taajuuden vakautusreservejä koskeviin uusiin teknisiin vaatimuksiin. Siihen liittyen on lisäksi oleellista selvittää, kuinka suuri merkitys toimilaitteiden hitaudella ja kulumisella on turbiinisäädön hyvyyteen.
Tutkimus aloitetaan suorittamalla prosessikokeita vesivoimalaitoksella ja luomalla mittausdatan pohjalta vesivoimalaitoksen toimintaa jäljittelevä prosessimalli Simulink-ohjelmointiympäristöön. Systeemin säätöpiiri koostuu PID-säätimestä ja myötäkytkennästä. Myötäkytkennän avulla pyritään kompensoimaan vesivoimalaitosten säätöön tyypillisesti liittyvää hidasta dynamiikkaa. Säätöpiirin suorituskykyä arvioidaan simulointiympäristössä suorittamalla uusien vaatimusten mukaiset reservikokeet. Lisäksi tarkastellaan johtopyörän välyksen vaikutusta turbiinisäädön nopeuteen.
Myötäkytkentä todetaan hyväksi keinoksi nopeaan asetusarvon seurantaan, kunhan käytetty myötäkytkentäfunktio on riittävän tarkka. Simulointiympäristössä suoritettujen kokeiden perusteella säätöpiiri on vaatimusten mukainen. Tulosten käsittelyssä nostetaan esiin myös toimilaitteiden suorituskyky, jonka alentuessa koko säätöpiirin dynaaminen suorituskyky voi huonontua merkittävästi. Työssä käytetyn metodologian todetaan soveltuvan tutkimuskysymyksiin vastaamiseen.
Tässä työssä tutkitaan, minkälaisella vesiturbiinin säätöpiirillä kyetään vastaamaan taajuuden vakautusreservejä koskeviin uusiin teknisiin vaatimuksiin. Siihen liittyen on lisäksi oleellista selvittää, kuinka suuri merkitys toimilaitteiden hitaudella ja kulumisella on turbiinisäädön hyvyyteen.
Tutkimus aloitetaan suorittamalla prosessikokeita vesivoimalaitoksella ja luomalla mittausdatan pohjalta vesivoimalaitoksen toimintaa jäljittelevä prosessimalli Simulink-ohjelmointiympäristöön. Systeemin säätöpiiri koostuu PID-säätimestä ja myötäkytkennästä. Myötäkytkennän avulla pyritään kompensoimaan vesivoimalaitosten säätöön tyypillisesti liittyvää hidasta dynamiikkaa. Säätöpiirin suorituskykyä arvioidaan simulointiympäristössä suorittamalla uusien vaatimusten mukaiset reservikokeet. Lisäksi tarkastellaan johtopyörän välyksen vaikutusta turbiinisäädön nopeuteen.
Myötäkytkentä todetaan hyväksi keinoksi nopeaan asetusarvon seurantaan, kunhan käytetty myötäkytkentäfunktio on riittävän tarkka. Simulointiympäristössä suoritettujen kokeiden perusteella säätöpiiri on vaatimusten mukainen. Tulosten käsittelyssä nostetaan esiin myös toimilaitteiden suorituskyky, jonka alentuessa koko säätöpiirin dynaaminen suorituskyky voi huonontua merkittävästi. Työssä käytetyn metodologian todetaan soveltuvan tutkimuskysymyksiin vastaamiseen.