ИМИТАЦИОННАЯ  МОДЕЛЬ  МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Кунелбаев  Мурат  Меркебекович

магистр  физики,  старший  преподаватель  кафедры  физики,  Казахский  государственный  женский  педагогический  университет,  Республика  Казахстан,  г.  Алматы

Мекебаев  Нурбапа  Отанович

магистр  информатики,  старший  преподаватель  кафедры  информатики  и  прикладной  математики,  Казахский  государственный  женский  педагогический  университет,  Республика  Казахстан,  г.  Алматы

E-mail:  

SIMULATION  MODEL  OF   MICRO   HYDRO  POWER  PLANTS

Kunelbayev   Murat

senior  Lecturer,  Department   of  Physics,  Master  of  Physics  Kazakh  State  Women's  Teacher  Training  University,  Republic  of  Kazakhstan,  Almaty

Mekebaev   Nurbapa

senior  Lecturer,  Department   of  Computer  Science  and  Applied  Mathematics,  Master  of  Computer  Science  Kazakh  State  Women's  Teacher  Training  University,  Republic  of  Kazakhstan,  Almaty

АННОТАЦИЯ

В  данной  работе  используется  пакет  имитационного  моделирования  MATLAB  Simulink.  По  разработанной  программе  MATLAB  на  базе  микроГЭС  проведена  серия  экспериментов  имитационной  модели  автономной  системы  электроснабжения  сельского  дома,  с  установленной  мощностью  3кВт.  В  результате  проведенных  экспериментов  исследованы  и  выявлены  возможные  режимы  работы  рассматриваемой  системы  электроснабжения.

ABSTRACT

This  paper  uses  simulation  package  MATLAB  Simulink.  According  to  the  developed  program  MATLAB-based  micro  hydro  series  of  experiments  simulation  model  of  autonomous  power  supply  system  of  the  rural  house,  with  an  installed  capacity  of  3kW.  The  experiments  investigated  and  identified  the  possible  modes  of  operation  of  the  system  power  supply.

Ключевые  слова:  вода;  имитационное  моделирование;  MATLAB  Simulink;  микрогидроэлектростанция;  генератор. 

Keywords:   water;  simulation;  MATLAB  Simulink;  micro  hydroelectric  station;  generator.

Введение.   Электричество  является  наиболее  важным  товаром,  который  имеет  важное  значение  для  любой  экономики.  Один  из  наиболее  важных  и  достижимых  методов  для  производства  электроэнергии  —  внедрение  автономного  производства  электроэнергии  с  использованием  возобновляемых  ресурсов  [5].  Технология  микрогидроэлектростанции  является  относительно  дешевой,  и  окружающая  среда,  другие  механизмы  генерации  возобновляемой  энергии  меньшей  мощности  могут  электрифицировать  несколько  дворов,  сел  или  придорожные  коммерческие  предприятие,  а  также  имеют  возможность  применения  к  механическим  приводам  для  фрезерования  и  токарной  обработки  [6;  8].  Это  становится  зрелой  технологией,  которая  теперь  может  рассматриваться  как  альтернатива  в  технически  возможных  областях,  по  сравнению  с  дизель-генераторами  и  солнечной  энергией  фотоэлектрических  станции.  Одной  из  основных  задач  разработки  методических  основ  и  проектирования  микрогидроэлектростанции  малой  мощности  для  питания  автономных  потребителей,  жилищ  пастухов  и  прочих  маломощных  потребителей  в  удаленных  районах  является  разработка  имитационной  модели  микрогидроэлектростанции  для  определения  выработки  энергии  в  зависимости  от  основных  параметров  микрогидроэлектростанции  и  водных  условий.

  В  предлагаемой  схеме  микрогидроэлектростанции  представлена  система  выработки  энергии,  которая  производит  3  кВт  мощности,  которая  может  быть  использована  для  сельской  электрификации.

Гидротурбина  является  одним  из  наиболее  важных  аспектов  энергосистемы.

Гидравлическая  мощность,  доступная  из  гидравлической  турбины,  может  быть  выражена  следующим  образом  [7]

    (1)

При  проведении  исследований  и  разработок  в  области  гидроэнергетики  широко  используются  физические  и  математические  модели,  так  как  натурные  эксперименты  не  всегда  возможны  как  по  техническим,  так  и  по  экономическим  соображениям.  Математическая  модель  описывает  реальный  объект  лишь  с  некоторой  степенью  приближения  (детализации).  При  этом  вид  модели  зависит  как  от  природы  исследуемого  объекта,  так  и  от  задач  исследования,  методики  моделирования,  необходимой  точности  описания  объекта.  Общепринятым  является  разделение  математического  моделирования  на  три  основных  вида:  аналитическое,  имитационное  и  комбинированное  [1;  4].  Характерной  особенностью  аналитического  моделирования  является  описание  процессов  функционирования  элементов  моделируемой  системы  в  виде  некоторых  соотношений  —  дифференциальных,  интегро-дифференциальных,  конечно-разностных  либо  логических  условий.  Аналитическая  модель  может  быть  исследована  следующими  методами  [3]:  а)  аналитическим  (при  этом  целью  является  получение  различных  зависимостей  для  искомых  характеристик  в  общем  виде);  б)  численным  (в  этом  случае  целью  является  получение  численных  результатов  при  определенных  начальных  данных,  и  решение  в  общем  виде  не  находится);  в)  качественным  (решение  в  явном  виде  отсутствует,  но  можно  оценить  некоторые  свойства  решения).

Методика.   Электрическая  часть  модели  машины  описывается  системой  уравнений,  с  ротором:

    =    (2)

    +    p  -    (3)

    =  1,5p  [  -    )    ]  (4) 

В  системе  уравнений  приняты  следующие  обозначения:

  —  индуктивность  статора  по  осям  d  и  q; 

R  —  активное  сопряжение  обмотки  статора;

  проекции  тока  статора  на  оси  d  и  q;

,—  проекции  напряжения  статора  на  оси  d  и  q;

  —  угловая  частота  вращения  ротора;

  —  магнитный  поток  постоянных  магнитов,  сцепленный  с  обмоткой  статора;

P  —  число  пар  полюсов;

  —  электромагнитный  момент.

Механическая  часть  модели  описывается 

    =    (5) 

    (6)

где:  j  —  суммарный  момент  инерций  ротора  и  нагрузки;

F  —  коэффициент  трения;

  —  момент  сопр-ия.

Мощность  микроГЭС  определяются  по  формуле:

P  =  Q  ·  (  (7)

где:  Р  —  мощность,  кВт;

Q  —  расход  воды  через  турбину,  куб  м/с;

геометрическая  высота  от  верхнего  до  нижнего  бьефа,  м;

  —  гидравлические  потери  в  трубопроводах;

—  коэффициент  полезного  вляния  (0,5...0,7);

—  ускорения  свободного  падения  (9,8м/с²).

С  развитием  вычислительной  техники  появилась  возможность  проводить  достаточно  точное  моделирование  различных  систем  численными  методами.  При  этом  значительно  сокращаются  расходы  на  проведение  непосредственного  эксперимента,  так  как  многие  параметры  модели  уточняются  еще  в  ходе  компьютерного  моделирования.  Кроме  того,  существует  ряд  задач,  при  решении  которых  постановка  опыта  на  реальной  модели  просто  невозможна  или  экономически  неоправданна.

Основная  часть.  В  большинстве  случаев  современные  средства  моделирования  позволяют  обеспечить  высокий  уровень  адекватности  модели.  Одним  из  таких  средств  является  Simulink  —  интерактивный  инструмент  для  моделирования,  имитации  и  анализа  динамических  систем,  который  дает  возможность  строить  графические  блок-диаграммы,  имитировать  динамические  системы,  исследовать  работоспособность  систем  и  совершенствовать  проекты.  Simulink  полностью  интегрирован  с  прикладным  пакетом  MATLAB,  обеспечивая  доступ  к  широкому  спектру  инструментов  анализа  и  проектирования. 

Для  того  чтобы  исследовать  эффективность  предложенных  моделей  и  алгоритмов  управления  цифровых  симуляций  МГЭС,  была  реализованы  структура  с  использованием  пакета  программ  Matlab  /  Simulink  [2].

Рисунок  1.  Имитационная  модель  микроГЭС

Рисунок  2.  Структура  математической  модели  для  микроГЭС

Заключение.  Анализ  полученных  кривых  изменения  частоты  вращения  ротора,  развиваемой  мощности,  напряжения  возбуждения  и  выходного  напряжения  микроГЭС  при  запуске  станции  позволяет  сделать  вывод  о  том,  что  разработанная  математическая  модель  адекватно  описывает  поведение  реального  объекта.

На  разработанной  в  программе  MATLAB  имитационной  модели  автономной  системы  электроснабжения  сельского  дома,  с  установленной  мощностью  3  кВт,  на  базе  микроГЭС  проведена  серия  экспериментов.  В  результате  проведенных  экспериментов  исследованы  и  выявлены  возможные  режимы  работы  рассматриваемой  системы  электроснабжения.

Список   литературы:

1.Веников  В.А.,  Веников  Г.В.  Теория  подобия  и  моделирования.  М.:  Высшая  школа,1984.  —  439  с.

2.Математическое  моделирование:  Методы,  описания  и  исследования  сложных  систем  /  под  ред.  А.А.  Самарского.  М.:  Наука,  1989.  —  271  с.

3.Симанков  B.C.,  Зангиев  Т.Т.  Системный  анализ  при  решении  структурных  задач  альтернативной  энергетики  /  Институт  современных  технологий  и  экономики.  Краснодар,2001.  —  151  с.,  ил.

4.Советов  Б.Я.,  Яковлев  С.А.  Моделирование  систем.  М.:  Высшая  школа,  1999.  —  271  с.

5.Archetti  R.  Micro  hydroelectric  power:  feasibiity  of  a  domestic  plant  //  Procedia  engineering.  —  2011.  —  №  21.  —  PP.  8—15. 

6.De-souza  A.C.  Assessment  and  statistics  of  Brazilian  hydroelectric  power  plants:  dam  areas  versus  installed  and  firm  power  //  Renewable  and  sustainable  energy  reviews.  —  2008.  —  №  12.  —  PP.  1843—1863. 

7.Fang  H.,  Chen  L.,  Dlakavu  N.,  Shen  Z.  Basic  modeling  and  simulation  tool  for  analysis  of  hydraulic  transients  in  hydroelectrically  power  plants  //  IEEE  Trans.  on  Energy  Conv.  —  2008.  —  №  23.  —  РР.  834—841.

8.Singh  G.,  Chauhan  D.S.  Simulation  and  Modeling  of  Hydro  Power  Plant  to  Study  Time  Response  during  Different  Gate  States  //  IJAEST.  —  2011.  —  Vol.  10,  —  Iss.  1.  —  PP.  042—047.