Modelling and nonlinear control of voltage frequency of hydroelectric power plants

Abstract

Las centrales hidroeléctricas, como sistemas reales, tienen un comportamiento no lineal. Con el objetivo de diseñar controladores para turbinas, fue una práctica normal en el pasado considerar o simplificar estos comportamientos no lineales linealizando en un punto de operación las ecuaciones diferenciales que representan la dinámica de la central hidroeléctrica. La principal motivación de esta tesis nace como consecuencia y la necesidad de mejorar y optimizar las respuestas dinámicas de las plantas hidroeléctricas, considerando estos comportamientos no lineales, conduciendo a modelos dinámicos más realistas del sistema de la turbina hidráulica, además, desarrollar y diseñar controladores más eficientes. Esta tesis considera en general el caso de sistemas de operación aislados, este es el caso de una central hidroeléctrica alimentando una carga aislada. <br/>En esta tesis se cubren dos objetivos principales: 1) Profundizar el Conocimiento de los Modelos de Sistemas Hidroeléctricos, 2) Diseñar Controladores a Partir de Modelos Probados.<br/>Profundizar el Conocimiento de los Modelos de Sistemas Hidroeléctricos<br/>Este objetivo consiste en desarrollar un análisis comparativo de diferentes modelos de centrales hidroeléctricas aplicados al control de la velocidad de giro de la turbina, y proponer nuevos modelos. Con este propósito se utilizan parámetros tomados de diferentes centrales hidroeléctricas referenciadas en la bibliografía. Además, se propone la identificación de la central hidroeléctrica de Susqueda (Río Ter, Girona) usando estos modelos previamente refinados. Un paso previo muy importante para el diseño de un controlador es obtener un modelo dinámico de un sistema hidráulico confiable.<br/>Diseñar Controladores a Partir de Modelos Probados<br/>El segundo objetivo es el desarrollo y diseño de controladores de la frecuencia (velocidad de giro) para centrales hidroeléctricas usando técnicas de control no lineal basadas en técnicas de la geometría diferencial y de la función de Lyapunov. En ambos casos los controladores son diseñados a partir de modelos de sistemas hidráulicos no lineales. Los resultados demuestran que usando dos funciones de coste, los controladores no lineales mejoran el comportamiento dado por los clásicos controladores PID entre un veinte y un doce por ciento, y con respecto a un controlador Gain Scheduling la mejora es entre un quince y un doce por ciento.

Hydroelectric power plants, like real systems, have nonlinear behaviour. In order to design turbine controllers, it was normal practice in the past to consider or simplify these nonlinear behaviours by linearizing at an operating point the differential equations that represent the dynamics of the hydroelectric plant. The main motivation of this dissertation was born as a consequence and necessity of improving and optimising the dynamic responses of hydroelectric plants, by taking into account these nonlinear behaviours, leading to more realistic dynamic models of the hydraulic turbine system and to the development and design of more efficient controllers. This dissertation considers in general the case of isolated system operations; it is therefore the case of a hydroelectric power plant supplying an isolated load. <br/>Two objectives are covered in this dissertation: 1) To Deepen the Knowledge of Hydroelectric System Models, 2) To Design Controllers from Well Proven Models.<br/>To Deepen the Knowledge of Hydroelectric System Models<br/>This objective consists of performing a detailed comparative analysis of different existent hydroelectric models applied to speed control and propose new ones. For this purpose real parameters taken from many hydroelectric power plants referenced in the bibliography are utilised. <br/>Moreover, the identification of a hydroelectric power plant on the Ter River (Susqueda) is proposed by using these previously refined models. To obtain a reliable dynamic model of hydraulic turbine systems is an important step prior to the controller design. <br/>To Design Controllers from Well Proven Models<br/>The second objective is the development and design of frequency (speed) controllers for hydroelectric power plants by using nonlinear control techniques based on differential geometry and on the Lyapunov function. For both cases the controllers are designed from nonlinear dynamic models of hydraulic turbine systems. The results demonstrate that using two cost functions the nonlinear controllers improve the behaviour given by classical PID controllers between a twenty and a twelve per cent, and with respect a Gain Scheduling controller the improvement is between a fifteen and a twelve per cent.