Model based control of water flow and level in a river system with hydropwer plant

Abstract

Enkle regulatorer som en PI-regulator er ofte brukt i implementasjon av vannstandsregulering på elvekraftverk. Slike enkle regulatorer kan være vanskelig å bruke til å implementere mer avanserte regulator funksjoner. I denne oppgaven presenteres en måte å implementere en MPC regulator for vannstandsregulering på elvekraftverk. MPC gjør det enklere å implementere funksjoner som begrensning av vannstandsendring, og å opprettholde et konstant pådrag. I tillegg kan MPC bruke målinger som er tatt lenger opp elvestrekning, for å forutse hvordan de vil påvirke vannstanden og på denne måten respondere kjappere på framtidige forstyrrelser. Modellen av elven som brukes i MPC-en er basert på "St. Venant equations". Denne modellen er også brukt i en MHE, som estimerer tilstander og forstyrrelser i systemet som er nødvendige for å kunne kjøre MPC-en. MHE-en kan også bli degradert til en åpen sløyfe estimator som kan bli brukt blant annet ved tap av data. Løsningen som er presentert har blitt testet ved hjelp av simulasjoner som brukte ekte data fra kraftverkene i Funnefoss, Rånåsfoss og Bingsfoss, med gode resultater. MPC-en har ikke blitt testet på et ekte kraftverk, noe som er nødvendig for å bekrefte dens faktiske reguleringsevne.

Simple controllers like PI controllers are most common in the implementation of water level control systems at hydropower plants. Such simple controllers have limitations, especially when more advanced control behaviors are desirable. In this thesis, a way to implement a model predictive controller (MPC) on a run-of-river hydropower plant is presented. The MPC allows for easier implementation of some features such as constraining water level change rate, and keeping the control inputs constant. In addition, the MPC is able to utilize upstream measurements to improve the controller response by predicting future behaviors. To implement an MPC, a river model has been built using St. Venant equations. This model is also used by a moving horizon estimator (MHE) that can estimate states and disturbances based on available measurements, which is necessary to run the MPC. The MHE can also be degraded to an open-loop estimator that can be used in case of data loss. The presented solution has been tested on simulations with real data from powerplants Funnefoss, Rånåsfoss, and Bingsfoss, with good results. The MPC has not been tested on a real powerplant, which is necessary to confirm its performance.