Implementation of a turbine governor on the Francis test rig at The Waterpower Laboratory

Abstract

Målet for denne masteroppgaven er å implementere en turbinregulator på Francis-testriggen ved Vannkraftlaboratoriet ved NTNU, så den kan bli driftet som en francisturbin i et ekte kraftverk driftes. For å kunne drifte turbinen i Vannkraftlaboratoriet som en turbin i et ekte kraftverk, må det settes passende reguleringsparametere. Disse er funnet basert på teori om vannkraft og reguleringsteknikk. Blokkdiagram og APF-diagram er analysert for både stivt og elastisk system. Regulatoren er testet i henhold til krav fra Statnett SF, slik som for alle ekte vannkraftverk. Disse testene inkluderer lukketid, frekvensstegtest og isolert nett-test. Frekvensen på strømnettet må holdes stabilt på 50 Hz, og må ikke variere mer enn 0.1 Hz. Regulatorens jobb er å holde frekvensen stabil, som betyr at produsert effekt og effektbehov må være av samme størrelse. Effektproduksjonen bestemmes av åpningsgraden på ledeapparatet, som bestemmer mengden vann som strømmer gjennom turbinen. Vanligvis er turbinaggregatet koblet til strømnettet sammen med mange andre aggregat, der jobben med å holde frekvensen stabil deles mellom aggregatene. Likevel kan ett kraftverk isoleres fra de andre på et isolert nett, kalt øydrift. Øydrift er sjelden, men blir brukt for å dimensjonere vannkraftverk, siden det verste som kan skje er at ett aggregat er den eneste effektprodusenten på nettet, og dermed må holde frekvensen stabil selv.

Stabiliteten i et vannkraftsystem kan undersøkes ved hjelp av et Amplitude-Fase-Frekvens-diagram, kalt APF-diagram. Transferfunksjonene for de viktigste delene av systemet settes inn i et blokkdiagram, og reduseres til én transferfunksjon for hele systemet. Transferfunksjonen kan ta hensyn til elastisiteten i systemet om nødvendig, og APF-diagrammet viser stabilitetsmarginene. Nyquist-kriteriet er brukt for å finne ut om systemet er stabilt eller ikke. Tidskonstanter for de roterende massene, vannmassene og refleksjonstiden, i tillegg til PID-parametere, bestemmer om systemet er stabilt.

Selv om APF-diagrammene for Vannkraftlaboratoriet viser stabile systemer, viser resultatene fra testene ustabil regulering, og tilfredsstiller dermed ikke kravene. Dette er på grunn av slark i mekaniske deler mellom servomotoren og ledeskovlene. Det betyr at ledeskovlene ikke er i stand til å følge bevegelsen til servomotoren, og finner derfor ikke riktig vinkel for å kunne stabilisere frekvensen.

The aim of this master thesis is to implement a turbine governor on the Francis turbine test rig at the Waterpower Laboratory at NTNU, so it can be operated as a Francis turbine in an actual hydropower plant. To be able to operate the turbine in the Waterpower Laboratory as a turbine in an actual hydropower plant, a set of governor parameters is set. These are found based on theory about hydropower and control engineering. Block diagrams and APF diagrams are analysed for both rigid and elastic systems. The governing system is tested according to requirements set by Statnett SF, as for all real hydropower plants. These tests include closing time, frequency step test and isolated grid test.

The frequency on the electrical grid must maintain stable at 50 Hz and not deviate by more than 0.1 Hz. The governor's most important task is to keep the frequency stable, which means that the power production must match the power demand. The power production is controlled by changing the guide vane angle to control the water flow rate through the turbine. Usually, the turbine unit is connected to a grid with many other units, sharing the job of keeping the frequency stable, which is called parallel operation. However, sometimes one power plant can be isolated from the others on an isolated grid, called island mode. Island mode is rare, but is used for sizing hydropower plants, as the worst case scenario is that the production unit is the only power production unit on the grid, and hence must keep the frequency stable all by itself.

Hydropower stability can be investigated using an Amplitude-Phase-Frequency (APF) diagram. The transfer functions for the most important parts of the system are put into a block diagram, and reduced to one transfer function for the total system. The transfer function can consider the elasticity of the system if necessary, and the APF diagram presents the stability margins. The Nyquist criterion is used to establish whether a hydropower system is stable or not. Time constants for the rotating masses, water masses and reflection time, as well as PID parameters, decide if the system is stable.

Even though the APF diagrams for the Waterpower Laboratory show stable systems, the results from the tests show unstable governing, and do not satisfy the requirements. This is because of backlash in the mechanical parts between the servomotor and the guide vanes. This means that the guide vanes are not able to follow the servomotor's movement, and can therefore not find the correct angle to stabilize the frequency.