Αναπτυξη Μοντελων Αεριοστροβιλων Για Μελετες Ευσταθειας Σηε

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη μοντέλων αεριοστροβίλων στο Simulink του Matlab κατάλληλων για μελέτες ευστάθειας συχνότητας συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα αναπτύχθηκε η αρχή λειτουργίας και ελέγχου ενός αεροφυλακίου που αποθηκεύει συμπιεσμένο αέρα. Στη συνέχεια σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα μοντέλο αεριοστροβίλου με χρήση ενός τέτοιου αεροφυλακίου - αφού επελέχθησαν οι κατάλληλες τιμές των παραμέτρων λειτουργίας - και μελετήθηκε η συμπεριφορά της μονάδας σε απομονωμένη λειτουργία. Διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο λειτουργεί ικανοποιητικά ενώ έγιναν φανερά τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής. Το πρώτο είναι η δυνατότητα μεταβατικής αύξησης της ισχύος του αεριοστροβίλου ανάλογα με το μέγεθος του αεροφυλακίου. Το δεύτερο είναι η δυνατότητα περιορισμού των μεταβατικών υποσυχνοτήτων και η βελτίωση της απόκρισης συχνότητας.Υλοποιήθηκε επίσης ένα μοντέλο αεριοστροβίλου διπλού άξονα, όπου πλέον τα καυσαέρια παράγονται από μια αεριογόνο μηχανή και εκτονώνονται σε ένα στρόβιλο ισχύος - που περιστρέφεται με διαφορετική ταχύτητα από την αεριογόνο - παράγοντας την ωφέλιμη ισχύ. Αναπτύχθηκαν λεπτομερείς θερμοδυναμικές σχέσεις που περιγράφουν τη λειτουργία του και σχεδιάστηκε το σύστημα ελέγχου του. Επίσης υλοποιήθηκε η λειτουργία της αεριογόνου του αεριοστροβίλου διπλού άξονα και ο έλεγχος της ταχύτητάς της. Αφού επελέχθησαν οι τιμές των παραμέτρων του μοντέλου, εξετάστηκε η επίδραση της αδράνειας του άξονα της γεννήτριας και δείχτηκε ότι η αύξηση της τιμής της - σε απομονωμένη λειτουργία - βελτιώνει την απόκριση συχνότητας σε απότομη μεταβολή του φορτίου. Επίσης επανασχεδιάστηκε ο ρυθμιστής στροφών του μοντέλου και το σύστημα καυσίμου ώστε να βελτιωθεί περαιτέρω η απόκριση συχνότητας. Μετά τις απαραίτητες βελτιώσεις διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο λειτουργεί ικανοποιητικά και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μελέτες ευστάθειας συχνότητας συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. The subject of this diploma thesis is the development of dynamic models for gas turbines in the Simulink environment of Matlab which can be used for frequency stability power systems studies. In particular, the concept and control system of a compressed air chamber is introduced. A gas turbine model which incorporates such an air chamber was designed and implemented and - after the proper values of its parameters were chosen - its behavior was examined considering autonomous operation. The model was found to function satisfactorily and the advantages of this method were shown. The first is the capability of transient increase of the gas turbine mechanical power depending on the size of the air chamber. The second is the capability of reducing the transient frequency drops and the improvement of the frequency response.The model of an aeroderivative gas turbine was also developed. The difference from a gas turbine is that a gas generator produces the necessary exhaust gases which are expanded on a power turbine (which rotates at a different speed) to produce the useful power. Detailed thermodynamic relations, which describe the operation of the unit, were developed and its control system was designed. Additionally, the operation of the gas turbine was implemented as well as the control of its speed. After the proper values of the model’s parameters were chosen, the effect of the inertia of the generator-power turbine shaft was examined and it was shown that its increase (in autonomous operation) improves the frequency response in a rapid change of the load. The governor and fuel system were also redesigned in order to further improve the frequency response. After the necessary improvements it was shown that the model functions satisfactorily and it can be used for frequency stability power systems studies.