Analysis of cascaded hydropower system control in Simulink

Abstract

Hydropower Systems (HES) fall into the 'green' and renewable energy sources. Unfortunately, most of the quality sites are either already occupied or have significant physical limitations, so lately, utilization of the less favorable locations is analyzed. Such locations include lowland rivers, where the solutions with small falls, accumulations of small volume and with a number of power plants connected in cascade, are imposed. Cascaded HPS stands out amongst other solutions, because of its complexity from the control point of view. Hydropower system composed of several connected hydropower plants in a row makes a complex, nonlinear system where practically work of all hydropower plants affect some part of the system. Bearing in mind the complex hydraulic connections between the individual elements of these systems, it is essential to establish an appropriate algorithm for system control. For this purpose, in this paper, a model of a hypothetical cascaded hydropower system is presented, developed within the MATLAB's subenvironment, SIMULINK. The mathematical model of diffusive wave is used for the modeling of river hydraulics and proportional - integrative - derivative (PID) control was used for the modeling of the operation of overflow facilities. The analysis of the influence of different parameters of the PID on the control decisions and changes of hydraulic parameters, is presented. Also, different maneuverability characteristics of overflow facilities were tested in order to determine their impact on the operation of the control system. Results are shown for the fictitious HPS with small head and a small storage volume.

Hidroenergetski sistemi (HES) spadaju u 'zelene' i obnovljive izvore energije. Na žalost, većina kvalitetnih lokacija je ili već iskorišćeno ili imaju značajna ograničenja, tako da se u poslednje vreme razmišlja o iskorišćenju i manje povoljnih lokacija. U takve lokacije spadaju i ravničarske reke, gde se nameću rešenja sa malim padovima, akumulacijama male zapremine i sa nizom elektrana povezanih u kaskadu. Kaskadni tip HES se od drugih rešenja izdvaja, između ostalog, i zbog svoje složenosti sa stanovišta pravilnog upravljanja. Hidroenergetski sistem sastavljen od više povezanih hidroelektrana u nizu čini jedan složen, nelinearan sistem u kome praktično rad svake hidroelektrane utiče na ceo sistem. Imajući u vidu složene hidrauličke veze između pojedinih elemenata ovih sistema, bitno je uspostaviti odgovarajući algoritam za upravljanje sistemom. U tu svrhu u okviru ovog rada je predstavljen model hipotetičkog kaskadnog hidroenergetskog sistema, razvijen u okviru MATLAB-ovog podokruženja SIMULINK. Matematičkim modelom difuzionog talasa modelirana je hidraulika rečnih deonica a proporcionalno - inegrativno - derivativnom (PID) kontrolom modelirano je upravljanje radom prelivnih objekata. Prikazana je analiza uticaja različitih parametara PID kontrole na upravljačke odluke i na promene hidrauličkih parametara. Takođe ispitane su različite manevarske sposobnosti prelivnih objekata, kako bi se odredio njihov uticaj na rad upravljačkog sistema. Rezultati su prikazani za fiktivni HES sa malim padovima i malim akumulacionim prostorom.