ШАҒЫН СУ ЭЛЕКТР СТАНЦИЯЛАРЫН БАСҚАРУҒА АРНАЛҒАН ЖАСАНДЫ ИНТЕЛЛЕКТТІ ҚҰРУ

Дата публикации: 02.05.2022

Мақсотова Наргиз Мақсотқызы

Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің

2 курс магистранты, Нұр-Сұлтан, Қазақстан

Ғылыми жетекшісі – ф.-м.ғ.к., Н.М.Кисикова

Қазіргі таңда өнеркәсіптік нысандарды да, елді мекендерді де арзан электр энергиясымен қамтамасыз ету мәселесі өте өзекті болып отыр. Шағын ГЭС (ШГЭС) құрылысы адамдардың өмір сүру жағдайларын өзгерте алады, өңірлердің энергетикалық қауіпсіздігін қамтамасыз етеді және экономиканың дамуына ықпал етеді. Электр энергиясын алудың жалғыз көзі - дизель-электр станциялары. Алайда, 1 квт / сағ электр энергиясын алу үшін шамамен 250 г дизель отыны жұмсалатыны белгілі, ол үнемі қымбаттайды және көптеген шығындарды талап етеді.

ДЭС-ды перспективалы бағытқа ауыстыру кезінде шағын қуатты су электр станцияларын салу қажет болып табылады, олар құрылыс кезінде үлкен күрделі шығындарды талап етпейді және тұтынушыны арзан электр энергиясымен қамтамасыз ете алады. Сондықтан арзан электр энергиясымен қамтамасыз ету мәселесі өте өзекті болып қалуда. Бұл проблема әсіресе шалғай аудандар үшін маңызды. Шағын ГЭС-да оларды тиімді басқару және қорғау үшін функционалдық мүмкіндіктер көзделуге тиіс. Осыған байланысты шағын ГЭС жұмысын автоматтандыруды және қашықтықтан басқаруды енгізу қажет, бұл өз кезегінде қызмет көрсетуші персоналдың тұрақты қатысуынсыз дербес жұмысты қамтамасыз етеді.

Су электр станциясы - электр генераторын айналдыратын гидравликалық турбинамен су ағынының механикалық энергиясын электр энергиясына түрлендіретін электр станциясы.Қазақстандағы ең алғашқы СЭС 1902 жылы Зырян кенішін энергиямен қамтамасыз ету мақсатында Тұрғысын өзенінде салынды.Қазақстандағы ірі СЭС-тердің барлығы энергия жүйесі құрамындағы жылу станцияларымен үйлестіріле пайдаланылады. Бұл жағдайда олардың жоғары дәрежедегі кешенді үнемділігі, пайдаланудағы сенімділігі артады. Сондықтан СЭС салу өзеннің ағынсуын су көлігі және сумен қамтамасыз ету және т.б. мақсаттарда кешенді пайдалануға мүмкіндік береді. Электр станцияларында өндірілетін электр энергиясы түрлендіріліп, тұтынушылар арасында таратылады және оны ұзақ аралықтарға жеткізу электр желісі мен электр қосалқы станциялары арқылы іске асады.

Гидроэлектростанция электр энергиясын өндіру үшін гидравликалық су энергиясын пайдаланады. Бұл қондырғыдан алынған қуат гидроэлектростанция деп аталады. Әлемде тұтынылатын барлық электр энергиясының шамамен 16% - ы гидроэнергетикаға тиесілі. Гидроэлектростанциялар электр энергиясын өндіру үшін құлаған судың энергиясын алады. Турбина құлаған судың кинетикалық энергиясын механикалық энергияға айналдырады. Содан кейін генератор турбинаның механикалық энергиясын электр энергиясына айналдырады.

Су электр станциясы өндіретін электр энергиясының мөлшері екі факторға байланысты:

1. Су неғұрлым көп түссе, соғұрлым оның күші көп болады. Әдетте, су түсетін қашықтық бөгеттің мөлшеріне байланысты болады. Бөгет неғұрлым жоғары болса, соғұрлым су азаяды және соғұрлым көп қуат алады. Ғалымдар судың күші ол түсетін қашықтыққа "тура пропорционал" дейді.

2. Турбина арқылы көбірек су көп энергия шығарады. Қолжетімді судың мөлшері өзеннен ағып жатқан судың мөлшеріне байланысты. Үлкен өзендерде ағынды су көп, олар көп қуат өндіре алады. Қуат сонымен қатар өзен ағынына "тура пропорционал". Басқа өзенге қарағанда екі есе көп ағынды суы бар өзен екі есе көп энергия өндіре алады.

Электр энергетикасын дамытудың заманауи тұжырымдамасы смарт желілер мен есептегіштерді құруға, көп деңгейлі генерацияны басқаруға, сондай-ақ электр энергиясын бөлу мен тұтынуға, цифрлық технологияларды қолдануға және т.б. негізделеді. Жасанды интеллект (AI) негізінен математика, статистика және биология сияқты ғылыми нәтижелерден жасалған әдіс ретінде алгоритмдер мен модельдерге негізделген. Жасанды интеллект бірнеше модельдер негізінде жұмыс істейді.

Жасанды нейрондық желі (ANN) нейрондар арасындағы физикалық байланыс тұрғысынан ойлар мен мінез-құлықты түсінудің репрезентативті үлгісі болып табылады. Жасанды интеллект әртүрлі есептерді шешу үшін машинаға мидың тұрғысынан табиғи белсенділікті имитациялау үшін математикалық модельдер құруға мүмкіндік беру арқылы пайдаланылды. Бұл алгоритмді пайдалана отырып, құрылғы адам миы сияқты кез келген мәселенің шешімін анықтай алады. ЖИ көптеген алгоритмдер арқылы жобалануы мүмкін. Бұл алгоритмдер жүйеге күтілетін жауапты анықтауға көмектеседі, ол негізінен компьютерге не күтетінін айтады және соған сәйкес жұмыс істейді.

Жұмыста шағын су электр станцияларын басқаруға арналған жасанды интеллект құру қарастырылды. Сондай-ақ жұмыста су электр станцияларының екі негізгі құрамдас бөлігінің, синхронды генератордың және гидротурбинаның динамикалық модельдері қарастырылды. Синхронды машинаның өтпелі процесін модельдеу үшін әртүрлі басқару функцияларының жұмысын имитациялау үшін жаңа ішкі үлгілер қосылды. Бұл ішкі модельдер тұрақты күй, қоздырғыш тізбегі, турбина моделі және токтар сияқты синхронды машинамен байланысты әртүрлі мәндерді есептеуде қолданылады.

Жұмыста гидравликалық турбиналық қақпаның математикалық моделі ұсынылды. Гидравликалық жүйе турбинаны және басқару жүйесін қамтиды. Жылдамдықты басқару жүйесі жылдамдық генераторын анықтамалық параметрлерге қатысты ток жиілігі мен қуат ауытқуларының кіріс сигналдары негізінде реттейді. Жұмыста гидростанцияның компоненттерін динамикалық модельдеуде Matlab Simulink бағдарламалық моделі қолданылды. Simulink-тің басқа бағдарламалық жасақтамадан басты артықшылығы - оның орнына бағдарламалық кодты құрастыру модельдеу моделі негізгі функционалды блоктардың көмегімен жүйелі түрде жасалады. Гидроэлектростанциялардың динамикасын модельдеу үшін синхронды машинаның динамикалық әрекетін немесе дифференциалдық теңдеулерін және гидротурбиналарды ескеру қажет.

Модельде екі негізгі блок бар:

- гидравликалық турбинаны, қоршау блогын, контроллерді, гидравликалық сервомоторды, басқару клапанын және т.б. қамтитын механикалық орнату бөлігі;

- генератор мен жүктемеден тұратын электр блогы. Гидравликалық турбинаның, контроллердің және гидроэлектрлік сервожүйесінің аралас формасы гидротурбиналық реттегіш ретінде белгілі.

1- суретте гидроэлектростанцияның толық блок-схемасы, атап айтқанда, электр жүйесінің желісіне қосылған турбинаны басқарудың гидравликалық жүйесінің блок-схемасы көрсетілген. Резервуардағы сақталған судың құрамында потенциалдық энергия бар. Турбина жылдамдығын басқару жүйесі жүйенің жиілігі мен қуатының ауытқуларының кері байланыс сигналдарына және олардың тірек параметрлеріне негізделген генератор жылдамдығымен байланысты. Бұл синхронды жиілікте энергия өндіруді қамтамасыз етеді.

Су электр станциясы PID реттегіші бар гидравликалық турбинадан және қоздыру жүйесі бар синхронды генератордан тұрады. Электр станциясының моделі Matlab/Simulink ортасында жасалынды. Су электр станциясының динамикалық моделін пайдалана отырып, құрастырылған имитациялық зерттеудің көмегімен ол жүктеменің жоғарылауы, жүктеменің төмендеуі және электр станциясының терминалдарындағы үш фазалы қысқа тұйықталу сияқты параметрлердің әсерінен талданады. Гидравликалық өтпелі талдау PID реттегішінің әртүрлі күшейту параметрлерімен де орындалады (пропорционалды күшейту, интегралдық күшейту және туынды күшейту т.с.с).

Қазіргі заманғы сенімділігі жоғары элементтік базаны, деректерді беру құралдарын және жабдықты басқарудың жаңа алгоритмдерін пайдалану шағын су электр станцияларына параллель жұмыс үшін де, оқшауланған жүктеме үшін де қызмет көрсететін персоналдың тұрақты қатысуынсыз автоматты режимде жұмыс істеуге мүмкіндік береді.Интеллектуалды құрылғы шағын су электр станциялары үшін сумен жабдықтау, деректерді беру және қорғау жүйелерін қоса алғанда, электр және механикалық элементтерді басқарумен ықшам және интеграцияланған болуы тиіс. Зерттеу нәтижелері шағын су электр станцияларын басқарудың зияткерлік негізін, атап айтқанда Simulink моделін енгізу шығындарды азайтады, шағын су электр станцияларының сенімділігі мен олардың инвестициялық тартымдылығын арттырады.

Әр түрлі жұмыс жағдайындағы гидроэлектростанцияның математикалық моделі, соның ішінде осы зерттеу нәтижесінде жетілдірілген турбинаны басқару жүйесінің моделі және басқа компоненттердің қолданыстағы модельдері берілді.

Математикалық модель аналитикалық шешімдерді табу үшін қолданылады, бұл жүйенің әрекетін берілген параметрлер жиынтығынан және бастапқы шарттардан болжауға мүмкіндік береді. Компьютерлік модельдеу аналитикалық шешімдер мүмкін емес модельдеу жүйелерін ауыстыру ретінде қолданылады. Модельдеу негізінен келесі түрлерге бөлінеді:

- статикалық және динамикалық модельдеу;

- дискретті оқиғаларды және үздіксіз модельдеу;

- детерминделген және стохастикалық модельдеу.

Төменде гидроэлектростанцияның гидравликалық компоненттерін модельдеу сипатталған.

Резервуардағы судың мөлшері t+∆t

уақыт моментіне байланысты анықталады:

S⋅t+∆t=St+Qin⋅∆t-Qout∙∆t

, (1.1)

S⋅t+∆t-St∆t=Qin-Qout

, (1.2)

Жалпы түрде су қоймасының математикалық моделі келесі түрде болады:

dS(t)dt=dSdt =Qin-Qout

(1.3)

Мұндағы

Qin

- резервуарға ағу, м³/c;

Qout

- резервуардан ағу, м³/c;

S(t)

- резервуадағы судың көлемі, м³;

∆t

- резервуарды толтыру уақытының ұзақтығы, с.

Резервуар толтыру уақытына байланысты модельденеді. Су қоймасын математикалық модельдеу (1.1-1.3) теңдеулермен анықталады. Су қоймасының моделі 2-суретте көрсетілген.

Сурет 1. Су қоймасының моделі

Шағын ГЭС-ны модельдеу Matlab/Simulink бағдарламалық жасақтамасының көмегімен жүзеге асырылды. Нақты уақыт режимінде әртүрлі жағдайларда гидроэлектростанциялардың жұмысын модельдеу және талдау үшін Simulink пакеті қолданылды. Matlab / Simulink дамыған моделі көмегімен гидроэлектростанцияның жұмысы келесі жұмыс жағдайлары үшін тексерілді:

Жүктеуді арттыру;
Аз жүктеу;
Қысқа тұйықталу.

Сондай-ақ модельдеу барысында әртүрлі жұмыс жағдайларында құрылғының әртүрлі физикалық шамалары үшін сенімді модельдеу нәтижелерін бере алатындығын көрсетеді. Модельдеу қателерінің негізгі көзі өндірушіден шығатын қуаттың шамалы ауытқуын тудыратын және айналу жылдамдығы мен қысым мәндеріне әсер ететін сипаттамалық турбиналық қисықтар болып табылады. Себебі, сипаттамалық қисық іс жүзінде динамикалық процесті дәл сипаттамайды және қате әсіресе ашылу операцияларының кіші диапазонында айқын көрінеді.

Шағын ГЭС модельдеу қондырғылармен байланысты гидравликалық, басқару және электр жүйелерінің динамикалық реакциясын және динамикалық тәртібін зерттеу және модельдеу үшін қажет. Бұл сонымен қатар қондырғының оңтайлы жұмыс істеуі үшін жүйенің тұрақтылығын зерттеуге көмектесу үшін регулятордың параметрлерін гидравликалық және электр жүйелерінің параметрлерімен үйлестіру.

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі:

Karady G. G., Holbert K. E. Electric Generating Stations, in Electrical Energy Conversion and Transport: An Interactive Computer-Based Approach, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc. – 2013, 854 pages.
Paul B. Power System Energy Storage Technologies, 1st Edition, - 2018, 100 pages.
Groover, M. P. Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing, 3rd Edition, Prentice Hall., - 2007, 815 pages.
Гидромеханические переходные процессы в гидроэнергетических установках/ Под ред. Г. И. Кривченко. М.: Энергия, 1975.
Гидрологические основы гидроэнергетики/ А. Ш. Резниковский, Ю. А. Александровский, В. В. Ату- рин и др. М.: Энергия, 1979.
Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика/ Под ред. В. П. Недриги. М.: Стройиздат, 1983.
Гидроэнергетика/ Под ред. В. И. Обрезкова. М.: Энергоиздат, 1981.
Гидроэнергетика и комплексное использование водных ресурсов СССР/ Под ред. П. С. Непорожнего.— 2 — е изд., перераб. и дополи. М.: Энергоиздат, 1982.
Гидроэнергетические установки/ Под ред. Д. С. Щавелева. Л.: Энергоиздат, 1981.

По всем вопросам, просим написать на почту!