STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEM OF SMALL GS IN SHUNTING MODES OF OPERATION BY MEANS OF COMPLEX MODELLING
A comprehensive mathematical model of a small hydroelectric power plant for a simulation modelling system has been devel-oped.  The model consists of the following simulation mathematical models: a hydraulic turbine with an adjustable guide device, its hydraulic network, an electromecha...
Saved in:
| Date: | 2024 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/477 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103801985859584 |
|---|---|
| author | Popovych , O. Golovan, I. |
| author_facet | Popovych , O. Golovan, I. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "O. Popovych ",
"institution": "Institute of renewable energy, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine; Institute of Electro-dynamics NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": " I. Golovan",
"institution": "Institute of renewable energy, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine; Institute of Electro-dynamics NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Popovych , O. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:20Z |
| description | A comprehensive mathematical model of a small hydroelectric power plant for a simulation modelling system has been devel-oped.  The model consists of the following simulation mathematical models: a hydraulic turbine with an adjustable guide device, its hydraulic network, an electromechanical system, and a reservoir model. These simulation models are based on the differential equations of electrical, mechanical, and hydraulic equilibrium and are designed to determine the values of currents, speeds, and performance of steady-state operating modes, taking into account the nonlinear properties of the equation parameters. To im-prove the adequacy of the complex model, a refined simulation model of an induction machine with loss detailing was applied and verified to specify the efficiency and permissible heating power in the motor and generator modes. The losses in steel are ac-counted for by their equivalent circuits. The information on the calculated values of the operating mode parameters allows deter-mining the value of the efficiency indicators of the hydroelectric power plant system under different operating conditions, which makes it possible to formulate optimal modes. Based on the results of a series of calculations with varying static head and open-ing of the blades of the axial guide apparatus, the regularities of changes in their optimal ratio according to the criterion of maximum electric power generated per unit of reservoir water flow used in the formation of the power plant's shunting mode were investigated. Based on the information on the value of the natural flow and the characteristics of the turbine unit, a stable level of static head is determined, which ensures the maximum generated electric power. The power plant's shunting mode was studied to determine the impact of changing the number of simultaneously operating units on the amount of electricity generated and changes in its capacity (the possibility of reducing the unevenness of the generated power by almost two times and increasing the minimum capacity by 30% was shown). Compared to the steady-state flow, the shunting mode provides an almost twofold increase in electricity generation and a threefold increase in efficiency, taking into account the differential cost of electricity by time of day. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2024.3(78).122-131 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
122
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
УДК 621.311.24:621.313 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.3(78)122-131
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНОЇ СИСТЕМИ МАЛИХ ГЕС
У МАНЕВРОВИХ РЕЖИМАХ РОБОТИ ЗАСОБАМИ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
Отримано 29 лип. 2024 р.; рекомендовано до публікації 16 вер. 2024 р.
Доступно онлайн 01 жов. 2024 р.
Попович О. М.1, Головань І. В.2
Автор для кореспонденції: Олександр Попович,
e-mail: popovich1955@ukr.net
Розроблено комплексну математичну модель малої гідрое-
лектростанції для системи імітаційного моделювання. Мо-
дель складається з імітаційних математичних моделей: гі-
дравлічної турбіни з регульованим напрямним апаратом, її гідравлічної мережі, електромеханічної
системи, моделі водосховища. Ці імітаційні моделі побудовано на основі дифере-нціальних рівнянь еле-
ктричної, механічної, гідравлічної рівноваги й призначено для визначення величин струмів, швидко-стей,
продуктивності усталених режимів роботи з урахуванням нелінійних властивостей параметрів рів-
нянь. Для підвищення адекватності комплексної моделі застосовано й верифіковано уточнену іміта-
ційну модель асинхронної машини з деталізацією втрат для уточнення ККД і допустимої за нагрівом
потужності в режимі двигуна і генератора. Втрати у сталі враховано їх еквівалентними контурами.
Інформація про розраховані величини параметрів робочих режимів забезпечує визначення величини по-
казників ефективності системи гідроелектростанції за різних умов роботи, що надає можливість фо-
рмувати оптимальні режими. За результатами серії розрахунків із варіюванням статичного напору і
відкриття лопатей осьового напрямного апарату досліджено закономірності зміни їх оптимального
співвідношення за критерієм максимуму виробленої електричної потужності на одиницю витрат води
водосховища, яке використано при формуванні маневрового режиму електростанції. За інформацією
щодо величини природного стоку й характеристик турбінного агрегату визначено сталий рівень ста-
тичного напору, який забезпечує максимум виробленої електроенергії. Досліджено маневровий режим
роботи електростанції з визначенням впливу зміни кількості одночасно працюючих агрегатів на вели-
чину виробленої електроенергії та зміну її потужності (показано можливість зменшення нерівномір-
ності генерованої потужності практично в два рази і збільшення мінімальної потужності на 30 %). По-
рівняно зі сталим стоком маневровий режим забезпечує майже двократне збільшення вироблення
електроенергії й трикратне збільшення ефективності з урахуванням диференційованої за часом доби
вартості електроенергії.
Ключові слова: гідравлічна електрична станція, імітаційна модель, комплексне проєктування, елект-
ромеханічна система, динамічні математичні моделі, усталені режими роботи, енергетична ефекти-
вність.
STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEM OF SMALL GS
IN SHUNTING MODES OF OPERATION BY MEANS OF COMPLEX MODELLING
Received Jul. 29, 2024; accepted Sep. 16, 2024
Available online Oct. 01, 2024
Popovych O.1, Golovan I.2
Author for correspondence: Mykola Kuznietsov,
e-mail: popovich1955@ukr.net
A comprehensive mathematical model of a small hydroelectric
power plant for a simulation modelling system has been devel-
oped. The model consists of the following simulation mathematical
1 д-р. техн. наук
https://orcid.org/0000-0002-9238-5782
2 канд. техн. наук
https://orcid.org/0000-0002-5250-6981
1, 2 Інститут відновлюваної енергетики НАН
України, м. Київ, Україна; Інститут електро-
динаміки НАН України, м. Київ, Україна
1 Dr. of Tech. Science
https://orcid.org/0000-0002-9238-5782
2 Cand. Of Tech. Science
https://orcid.org/0000-0002-5250-6981
1, 2 Institute of renewable energy, NAS of
Ukraine, Kyiv, Ukraine; Institute of Electro-
dynamics NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine
123
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
models: a hydraulic turbine with an adjustable guide device, its hydraulic network, an electromechanical system,
and a reservoir model. These simulation models are based on the differential equations of electrical, mechanical,
and hydraulic equilibrium and are designed to determine the values of currents, speeds, and performance of
steady-state operating modes, taking into account the nonlinear properties of the equation parameters. To im-
prove the adequacy of the complex model, a refined simulation model of an induction machine with loss detailing
was applied and verified to specify the efficiency and permissible heating power in the motor and generator
modes. The losses in steel are ac-counted for by their equivalent circuits. The information on the calculated values
of the operating mode parameters allows deter-mining the value of the efficiency indicators of the hydroelectric
power plant system under different operating conditions, which makes it possible to formulate optimal modes.
Based on the results of a series of calculations with varying static head and open-ing of the blades of the axial
guide apparatus, the regularities of changes in their optimal ratio according to the criterion of maximum electric
power generated per unit of reservoir water flow used in the formation of the power plant's shunting mode were
investigated. Based on the information on the value of the natural flow and the characteristics of the turbine unit,
a stable level of static head is determined, which ensures the maximum generated electric power. The power
plant's shunting mode was studied to determine the impact of changing the number of simultaneously operating
units on the amount of electricity generated and changes in its capacity (the possibility of reducing the unevenness
of the generated power by almost two times and increasing the minimum capacity by 30% was shown). Compared
to the steady-state flow, the shunting mode provides an almost twofold increase in electricity generation and a
threefold increase in efficiency, taking into account the differential cost of electricity by time of day.
Key words: hydraulic power plant, simulation model, complex design, electromechanical system, dynamic math-
ematical models, steady-state operation, energy efficiency.
Перелік використаних скорочень
ГЕС – гідравлічна електрична станція
ТА – турбінний агрегат
АМ – асинхронна машина
ККД – коефіцієнт корисної дії
ЕМС – електромеханічна система
H – напір
Q – подача
Р – потужність
Ω – кутова швидкість
η – ККД генератора
a0 – відкриття лопатей осьового напрямного
апарату
Вступ. Проблема забезпеченості енергетичними ресур-
сами розв’язується залученням нових генерувальних по-
тужностей і раціональним використанням існуючих. Ефе-
ктивність використання енергетичного обладнання
пов’язана з: покращенням його робочих характеристик,
забезпеченням умов роботи в режимах з максимумом
ККД, узгодженням графіків генерування й споживання
енергії. Остання задача потребує наявності систем гене-
рування, які здатні ефективно працювати у маневрових
режимах зі зміною потужності вироблення електричної
енергії відповідно до потреб у ній у поточний момент. Гі-
дроенергетика має найкращі маневрові властивості для
забезпечення пікових режимів енергосистем [1, 2] за-
вдяки використанню водосховищ ГЕС як акумуляторів
первинної енергії великої ємності й мінімальному часу
виходу енергетичного обладнання на оптимальні ре-
жими роботи. Недоліком маневрових режимів водосхо-
вищ є значні коливання рівня води у водоймах [3, 4], що
негативно впливає на навколишнє середовище й може
ускладнювати роботу обладнання гідротехнічних споруд
[5, 6], наприклад водозабору систем водопостачання.
Для створення умов балансу між негативними і позитив-
ними наслідками роботи ГЕС у маневрових режимах, для
покриття пікових потреб в електричній енергії, треба ро-
зробляти засоби комплексного дослідження й викорис-
товувати їх для формування й обґрунтування ефективних
режимів роботи обладнання.
Стосовно малих ГЕС проблеми формування ефективних
режимів роботи мають особливості, які пов’язані зі зна-
чущістю наявності локальних пікових потужностей для
забезпечення стійкості й ефективності енергетичних сис-
тем. Щоби збільшити величину таких пікових потужнос-
тей, доцільно використовувати водосховища з більшою
глибиною. Для прийняття рішення щодо вибору того чи
того режиму експлуатації ГЕС потрібна інформація про
величину комплексних показників ефективності їх режи-
мів роботи для врахування інтегрального ефекту корис-
ної дії протягом робочого циклу з урахуванням взаєм-
ного впливу різних груп обладнання [7]. Такі задачі
розв’язують застосуванням комплексних математичних
моделей [8]. У роботі [9] розроблено засоби комплекс-
ного моделювання електромеханічної системи (ЕМС)
ГЕС, які в системі імітаційного моделювання забезпечу-
ють (з урахуванням взаємного впливу складових сис-
теми) визначення параметрів робочого режиму гідравлі-
чної турбіни з регулювальним напрямним апаратом і
124
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
приєднаним через мультиплікатор асинхронним генера-
тором її навантаження, а також гідравлічної системи ГЕС.
Засоби [9] забезпечують визначення параметрів робо-
чого режиму турбінного агрегату (ТА) за зміни статичного
напору. При цьому швидкість обертання визначається з
розв’язку рівняння механічної рівноваги з урахуванням:
передавального відношення мультиплікатора, кількості
полюсів асинхронної машини (АМ), її механічної харак-
теристики, частоти електричної мережі АМ.
Режим роботи ТА впливає на обсяг води у водосховищі
й, відповідно, на величину статичного напору. Враху-
вання цієї залежності потрібне для порівняльного дослі-
дження режимів ГЕС, яке має забезпечити визначення
кращого варіанту за величиною показника ефективності
системи. Ефективність режиму визначається за зістав-
ленням обсягів виробленого корисного продукту сис-
теми і спожитих ресурсів [7] протягом робочого циклу (у
цій роботі – доби). Забезпечення більшої точності кількі-
сної оцінки потребує застосування математичних моде-
лей складових системи ГЕС з високим рівнем адекватно-
сті. Достовірна кількісна оцінка ефективності вибраного
варіанта режиму роботи ГЕС потрібна для визначення те-
рміну окупності вкладень у технічне забезпечення цього
варіанта.
Метою роботи є дослідження ефективності маневрових
режимів перетворення потенційної енергії води у водос-
ховищі малої ГЕС на електричну енергію в порівнянні з
режимом природного стоку, розробка засобів комплек-
сного моделювання для їх порівняльного дослідження
(математичні моделі складових системи, їх програмна
реалізація, вираз і алгоритм визначення критерію ефек-
тивності системи і комплексна математична модель для
розрахунку його величини), проведення чисельного екс-
перименту і розробка рекомендацій з формування ефе-
ктивних режимів ГЕС.
Умови дослідження визначимо для прикладу застосу-
вання пропелерної гідротурбіни Пр 15/1100-5-25 з діа-
метром D1 = 1,2 м [10, 9]. Для дослідження закономірно-
стей зміни робочих режимів ГЕС потрібно враховувати
зміну статичного напору, яка є функцією величини запов-
нення корисного об’єму водосховища, що залежить від
продуктивності всіх турбін ГЕС і припливу річки. Вели-
чину природного стоку річки й корисного об’єму водос-
ховища Vk оцінимо, для прикладу застосування цих тур-
бін, з використанням даних [10] про зв’язок корисного
об’єму з добовим стоком маловодного року Qnat розра-
хункової забезпеченості і з добовою пропускною спро-
можністю Qпс усіх турбін (у кількості Кт):
Vk = (0,4±0,1)Qnat*24*3600, (1)
Vk = (0,075±0,025)*Кт*Qпс*24*3600. (2)
Пропускну спроможність турбіни Qпс оцінимо, за резуль-
татами серії розрахунків її робочих режимів, з варіюван-
ням статичного напору HCT і відкриття лопатей осьового
напрямного апарату а0. Зміну цих чинників будемо спря-
мовувати на пошук умов роботи ТА з максимальною
ефективністю з обмеженням ККД ТА на мінімальному
заданому за нагрівом рівні, а потужність АМ – на макси-
мальному допустимому. Для цього в діапазонах: [a0] =
[23 … 31], [HCT] = [3 … 8] дослідимо параметри робочих
режимів пропелерної турбіни Пр 15/1100-5-25 (діаметр
D1 = 1,2 м) з використанням засобів імітаційного моде-
лювання [9], отриманих шляхом апроксимації її довідни-
кових характеристик.
Результати розрахунку робочих режимів ТА в разі варі-
ювання величини HCT і а0 наведено на рис. 1. Відповідно
до моделі [9] здійснюється аналіз динамічного режиму
ЕМС до усталеного стану. На відміну від використань рі-
внянь статики, такий підхід забезпечує ефективний
розв’язок в умовах складних систем з нелінійними пара-
метрами [11‒13]. При отриманні залежностей рис. 1 ва-
ріювались задані величини вихідних умов для розраху-
нку режиму (HCT і а0) і розв’язувались до закінчення
перехідних процесів диференціальні рівняння електрич-
ної, механічної й гідравлічної рівноваги [9]. Після цього
визначались параметри усталеного режиму роботи ТА:
витрати води (Q), активна потужність на виході ТА ( еP ),
потужність втрат асинхронного генератора ( TP ) на на-
грів. Для визначення умов максимуму енергетичної ефе-
ктивності режиму було розраховано величину виробле-
ної електричної потужності ГЕС на одиницю витрат води
водосховища ( QPе / , розмірність 0,01 МВт/(м3/с) =
0,01 МДж/м3 відповідає залежності на рис. 1). Порядок
розрахунку: 1) задаємо сталу величину статичного на-
пору HCT; 2) задаємо величину відкриття лопатей а0 і ро-
зраховуємо перехідний процес до усталеного режиму; 3)
фіксуємо величину параметрів робочого режиму; 4) змі-
нюємо а0 з кроком 1 мм і повторюємо розрахунок до ста-
лого стану; 5) за результатом порівняння величини кри-
терію ефективності з попереднім розрахунком змінюємо
а0 у напрямі збільшення ефективності й визначаємо
умови її максимуму; 6) змінюємо дискретно статичний
напір (з кроком 1 м) і повторюємо кроки з пошуку умов
режиму максимальної ефективності. Після зміни вели-
чини вихідних умов для розрахунку режиму (HCT і а0) по-
чатковими умовами змінних перехідного режиму прий-
мались результати попереднього розрахунку (для
мінімізації часу перехідних процесів).
Обґрунтування критерію ефективності. У загальному
вигляді критерій енергетичної ефективності [7] визначає
співвідношення виробленого протягом робочого циклу
корисного продукту (у цьому прикладі – активної елект-
ричної енергії) з витраченим ресурсом (обсяг води) і за-
безпечує порівняння енергетичної ефективності режимів
(тут за різних статичних напорів для умов варіювання ве-
личини відкриття лопатей осьового напрямного апарата
а0). У цьому дослідженні проблема компенсації реактив-
ної потужності асинхронних генераторів [14] не розгля-
далась. На рис. 1 оптимальні параметри режиму відпові-
дають результатам розрахунку, які показано на перетині
з вертикальними переривчастими лініями (позначені ко-
льором). Видно, що в разі зменшення статичного напору
з 8 до 3 м енергоефективність режиму зменшується
практично втричі, що кількісно обґрунтовує доцільність
125
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
роботи ГЕС з максимальним рівнем статичного напору.
Фактично графік QPе / відображає залежність зміни
ККД ТА в умовах розрахунку зі сталим напором і змінною
величиною відкриття лопатей напрямного апарата, але
на відміну від ККД ТА (який в разі зміни напору визнача-
тиме лише співвідношення між електричною і гідравліч-
ною енергіями: ККД при різних напорах може бути одна-
ковим, а корисний продукт – різним), графік QPе / дає
змогу оцінити поточну ефективність використання води
ГЕС. Далі в роботі коефіцієнт енергетичної ефективності
буде використаний для інтегральної оцінки за добу ефе-
ктивності різних режимів ГЕС, а також для врахування
впливу на ефективність ГЕС зміни вартості виробленого
продукту (електричної енергії) протягом доби, що може
бути в разі зонного диференціювання її ціни.
Закономірності зміни параметрів режиму на всьому діа-
пазоні варіювання величини а0 можна простежити на
рис. 2, на якому, як приклад, відображено результати
для HCT = 8 м (масштаб відповідає рис. 1). З рис. 2 видно,
що максимуми вироблення електричної енергії та енер-
гоефективності не збігаються. Тобто можна вибрати ре-
жим з максимальною поточною потужністю електричної
генерації, або з максимальною ефективністю перетво-
рення енергії води на електричну енергію.
Пошук режимів максимальної енергетичної ефективно-
сті виконаємо завдяки можливості зміни структури ЕМС.
Будемо враховувати можливість варіювання кількістю
працюючих у паралель ТА, а також приймаємо, що вал
мультиплікатора кожного ТА з’єднано з валами двох аси-
нхронних машин 4A355M2 з паралельним електричним
підключенням до мережі для можливості дискретного
регулювання ступеня завантаженості електричної ма-
шини з метою максимізації її ККД. На рис. 1 момент від-
ключення однієї асинхронної машини (в разі зниження
потужності до допустимого за нагрівом рівня) відповідає
п’ятій секунді модельного часу.
Під час цього порівняльного дослідження варіантів ро-
боти ЕМС малих ГЕС уточнено розрахунок залежності
ККД електричної машини від ступеня її завантаження. З
цією метою для комплексного моделювання ЕМС [9] за-
стосовано уточнену імітаційну модель АМ у генератор-
ному режимі, яка враховує нелінійну залежність елект-
ромагнітних параметрів від ступеня насичення
магнітного кола [15, 16], забезпечує визначення складо-
вих втрат у машині: механічних mP і на нагрів (в обмот-
ках статора і ротора – rs PP , , у сталі – stP , додаткових –
dP ). Відповідно до енергетичної діаграми асинхронної
машини [17] ККД у режимі генератора можна визначити:
dmre
stse
g
PPM
PPM
++
−−
=
0 , (3)
де eM – електромагнітний момент; r ,0 – кутові шви-
дкості поля і ротора.
Hст, м
Q,м3/с
Hст
Q
Ре, 0,1МВт
РТ, 0,01МВт
а0, см
Ре
РТ
а0
Ре/Q
t, с
Рис. 1. Моделювання усталених режимів ЕМС малої ГЕС
Fig. 1. Modeling of steady-state modes of the electromechanical system of a small hydroelectric power plant
126
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
Ефективність режиму визначається за результатами ма-
тематичного моделювання при зіставленні розрахунко-
вої величини виробленої енергії зі спожитими ресур-
сами. При цьому повинен виконуватись енергетичний
баланс комплексного моделювання: параметри робочих
режимів мають визначатися з урахуванням всіх процесів
енергоперетворення. Це забезпечено введенням до мо-
делі АМ еквівалентних контурів втрат у сталі, визначен-
ням швидкості ротора з рівняння механічної рівноваги,
яка буде мати місце в разі рівності механічної потужності
на валу АМ (визначається знаменником виразу (6)) і ме-
ханічної потужності гідротурбіни.
Для визначення активного опору навантаження еквіва-
лентних контурів втрат сталі kr на початку розрахунку за-
дається величина опору 0kr , яка надалі корегується
змінним коефіцієнтом stk ; stkk krr 0= . Цю величину 0kr
визначимо для АД 4A355M2У3 відносно опору фази ста-
тора: 00 stsk krr = . Тоді в номінальному режимі:
( )
( ) 2464cos110
cos31/1
33
3
3 2
2
2
2
2
2
2
2
0
0 =−=
−
===
−
nn
nnf
n
nnsst
f
n
sn
stn
f
s
k
st
U
P
PPP
U
I
P
P
U
r
r
k
,
де sstsnstn PPPP ,,, – номінальні величини втрат у сталі й
обмотці статора, а також їх значення відносно загальних
номінальних втрат у АД ; nnnfn IUP cos,,,,2 – номі-
нальні потужність на валу, напруга і струм фази, коефіці-
єнти корисної дії та потужності. Якщо прийняти умову,
що вказані відносні втрати складають приблизно тре-
тину від повних, то можна визначити: ( ) 10
1
= −
sstPP . Ця
умова близька до реальних співвідношень потужностей
серійних асинхронних машин і повністю забезпечує ви-
значення початкової величини опору еквівалентних кон-
турів утрат у сталі. Результати застосування розробленої
моделі для дослідження режимів роботи АМ
4A355M2У3 наведено у табл. 1.
У табл. 1 позначено: 2P , 2M – потужність і момент на
валу; TP
– втрати на нагрів. Для оцінки адекватності ма-
тематичної моделі АМ наведено дані довідника. Розра-
хунок режиму двигуна виконано з моментом наванта-
ження на валу, який дорівнює номінальному. Перший
рядок результатів розрахунку в режимі генератора отри-
мано з варіюванням моменту на валу для умов збігу з
утратами на нагрів режиму двигуна. Для другого рядка
ці втрати збільшено відповідно до співвідношення шви-
дкості режиму з номінальною швидкістю (враховано ін-
тенсифікацію вентиляції).
Рис. 2. Зміна параметрів режиму на повному діапазоні зміни а0
Fig. 2. Changing the mode parameters on the full range of change а0
Hст
Q
Ре/Q
Ре
а0
РТ
127
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
Таблиця 1. Результати моделювання режимів роботи АМ 4A355M2У3
Table 1. Results of simulation of ІM 4A355M2У3 operating modes
Джерело
інформації 2P , кВт s , % 2M ,
Нм sІ , А cos
r , с-1 TP , кВт B ,
Тл
Довідник 315 2 1023 326.5 0,93 0,91 307,88 - -
р
о
зр
ах
ун
о
к
Режим дви-
гуна
314,95 2,003 1023 325.8 0,932 0,911 307,87 16,77 0,716
Режим гене-
ратора
350,3 -1,956 -1094 316,5 0,9322 -0,9044 320,3 16,77 0,7291
361,4 -2,024 -1128 324,6 0,9323 -0,9097 320,5 17,47 0,7294
Порівняльне дослідження ефективності режимів ГЕС
здійснимо за критерієм добового максимуму виробле-
ного корисного продукту – електричної енергії, яку відп-
равлено споживачу. Величину спожитого ресурсу – ене-
ргію води оцінювати нема потреби, оскільки
дослідження виконується в умовах сталого природного
стоку, однакового для усіх варіантів.
За результатами аналізу режимів приймемо Qпс = 6,5 м3/с.
Зі співвідношень (1) і (2), приймаючи Кт = 4, маємо:
0,4*Qnat*24*3600 = 0,075*Кт*24*3600*Qпс;
Qnat = 0,75*Qпс;
Vk = 0,075*4*Qпс*24*3600 = 168480 м3.
Розглянемо варіант ГЕС із можливістю зміни статичного
напору в широких межах. Практична реалізація такого
варіанта може вимагати додаткових витрат. Їх доціль-
ність може бути обґрунтована за результатами комплек-
сного моделювання. Приймаємо такі межі зміни статич-
ного напору: HCTмах = 8,0 м; HCTмін = 3,0 м. Його залежність
від обсягу води V у межах корисного об’єму, [10] апрок-
симуємо виразом:
HCT = HCTмін + кV, (4)
де к = (HCTмах - HCTмін)/Vк – стала.
Зміна обсягу води V(t) за деякий час tk визначається за
інформацією про максимальний обсяг V0 початку розра-
хунку (і про відповідний напір HCT0), а також про різницю
витрат Q і припливу Qnat води з і до водосховища:
( )dtQQVV
kt
nat −−=
0
0 3600 . (5)
V0 = (HCT0 - HCTмін)/к, (6)
Витрати Q визначаються за результатами комплексного
аналізу процесів зміни параметрів робочих режимів ГЕС
за допомогою комплексної моделі її ЕМС [9] (з уточнен-
ням втрат у моделі АМ для визначення за (3) її ККД), яку
доповнено блоком урахування зміни статичного напору
в разі зміни втрат відповідно до (4) – (6).
Дослідження в умовах витрат, що відповідають при-
родному стоку
Постановка задачі: в умовах сталих витрат води водосхо-
вища (природній стік) Qnat = 0,75*Qпс= 4,875 м3/с визначити
параметри робочого режиму з максимумом добового ви-
роблення електроенергії. Для цього за комплексною мате-
матичною моделлю ГЕС виконується серія розрахунків із
плавним варіюванням HCT і дискретним а0 для отримання
режиму з Q = Qnat. У результаті чисельного експерименту
визначено, що максимум енергетичної ефективності в разі
витрат Q = 4,875 м3/с має місце за умов: a0 = 23 мм;
HСТ = 4,078 м з параметрами робочого режиму:
Pe = 114,8 kW; PT = 6,8 kW; Ре/Q = 2,354*102 МДж/м3. При
цьому добова вироблена електрична енергія становить
We = 24*Ре = 2,755 МВт*год.
Порівняння ефективності режимів ГЕС за величиною We
відповідає умовам сталої вартості електроенергії протя-
гом доби. Але для зменшення піків добового графіка
споживання енергії застосовують зонне диференцію-
вання її ціни (наприклад, тризонне: 150 % фіксованої
ціни – з 8:00 до 11:00 та з 20:00 до 22:00 (години макси-
мального навантаження); 100 % фіксованої ціни – з 7:00
до 8:00, з 11:00 до 20:00 та з 22:00 до 23:00 (напівпіковий
період); 40 % фіксованої ціни – з 23:00 до 7:00). У такому
разі доцільно порівнювати диференційовані за ціною об-
сяги електроенергії. В умовах природного стоку вони ста-
новлять: Wгрн = 114,8*(1,5*5 + 11 + 0,4*8) = 114,8*21,7 =
2,49 МВт*год.
Дослідження в умовах генерування в піковий період
Вибираємо режим генерування, наближений до режиму
тризонного диференціювання ціни, що складатиметься з
двох однакових періодів (загальна тривалість – прибли-
зно 5 год на добу), розподілених однаковими періодами
накопичення води у водосховищі. Вироблення електри-
чної енергії протягом годин пікового періоду супрово-
джується зміною HCT, Ре. Задача: визначення добового
вироблення електроенергії та зміни інших параметрів
робочого режиму ГЕС. Приймаємо, що добовий цикл
зміни HCT починається з початкового максимального зна-
чення HCTмах. Зміна HCT обумовлена зміною протягом
доби різниці natQQ− , регулюванням а0, можливою
зміною структури ЕМС (кількість одночасно працюючих
ТА). Обов’язковою умовою роботи в піковий період є рі-
вність середньодобового споживання води водосхо-
вища і величини природного стоку Qnat.
Ефективність роботи ГЕС у піковий період залежить від
алгоритму зміни відкриття лопатей осьового напрям-
ного апарату а0 в разі зміни статичного напору, який, у
128
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
загальному випадку, можна визначити засобами опти-
мального проєктування за критерієм максимуму добо-
вого вироблення енергії. На цьому етапі виконаємо порі-
вняльні дослідження режимів при спрощеному алгорит-
мі зміни а0, який спирається на результати аналізу ефек-
тивності усталених режимів ЕМС малої ГЕС (див. рис. 1)
за критерієм максимуму генерованої електричної поту-
жності на одиницю витрат води. Параметри оптималь-
них режимів за цим критерієм зведено до табл. 2. Видно,
що для підтримування максимуму ефективності потрі-
бно зменшення статичного напору супроводжувати пос-
туповим збільшенням величини а0.
Таблиця 2. Оптимальні параметри усталених режимів за рис. 1
Table 2. Optimal parameters of stable modes according to Fig. 1
Параметри режиму
HСТ, м
8 7 6 5 4 3
Q, м3/с 6,75 6,4 6,25 5,95 5,8 5,63
a0, мм 24,5 25 26 27 29 31
Pe, 0,1 МВт 4,2 3,5 2,9 2,35 1,75 1,2
Ре/Q, 0,01 МДж/м3 6,2 5,5 4,75 3,9 3 2,05
Закономірність зміни оптимальної величини а0 у функції
статичного напору HСТ визначимо за даними табл. 2. Для
цього застосуємо поліном другого порядку з величи-
нами коефіцієнтів, які визначено розв’язком системи
трьох алгебраїчних рівнянь для умов статичного напору:
3, 5, 7 м:
a0 = 40,75 – 4HCT + HCT
2/4. (7)
Отримане рівняння (7) реалізовано блоком регулювання
відкриття лопатей осьового напрямного апарату в разі
зміни статичного напору, який застосовано при комплек-
сному моделюванні маневрового режиму ГЕС. Дослі-
дження цього режиму здійснимо за допомогою розроб-
леної комплексної моделі ГЕС з одночасною роботою всіх
чотирьох ТА. Моделювання починається, коли водосхо-
вище повністю заповнене, HСТ = 8 м, а закінчується – при
мінімальному рівні води, HСТ = 3 м. На початку інтегру-
вання диференціальних рівнянь комплексної моделі ГЕС
застосовано затримку зміни об’єму водосховища тривалі-
стю 1 с модельного часу (відповідає 1 год робочого ре-
жиму). Це практично забезпечує затухання перехідних
процесів у системі для можливості дослідження закономі-
рностей зміни виробленої електричної енергії We (визна-
чається інтегруванням сумарної електричної потужності
ТА, також із затримкою 1 с модельного часу для затухання
перехідних процесів) за умовами усталених режимів зі
зміною HСТ і а0, починаючи з часу t = 1 с модельного часу.
Слід зазначити, що співвідношення між модельним і реа-
льним часом визначається коефіцієнтом 3600, перераху-
нку годин до секунд, який враховано при програмній реа-
лізації моделі (при цьому фактично час інтегрування
диференціальних рівнянь – години, а одиниці розрахова-
ної електричної енергії – кВт*год).
Результати дослідження режиму генерування в разі од-
ночасної роботи усіх чотирьох ТА наведено на рис. 3, 4.
Залежності досліджено протягом періоду зниження ве-
личини статичного напору від 8 до 3 м. Це відбувається
за час приблизно 2,4 год (відтинок на шкалі часу від 1 до
3,4). На рис. 3 показано залежності зміни сумарної гене-
рованої потужності чотирьох ТА і виробленої ними
електричної енергії, а на рис. 4 – зміни статичного на-
пору і витрат води водосховища. За час генерування
(див. рис. 3, 4) обсяг води в корисному об’ємі
водосховища зменшується до нуля. Повторне
заповнення його природним стоком відбувається за
такий час: Vk/(3600*Qnat) = 168 480 м3 ÷ 4,875 м3/с ÷
3600 с/год = 9,6 год.
Дослідження показало, що за розглянутих умов маневро-
вий режим роботи ГЕС для покриття пікових потреб здійс-
нюється два рази на добу. Добова вироблена електроене-
ргія становить: We = 2*2,579 = 5,158 МВт*год, що більше,
ніж у режимі природного стоку, в: 5,158 ÷ 2,755 = 1,87 раза.
Диференційований за ціною обсяг електроенергії стано-
вить: Wгрн = 1,5*5,158 МВт*год = 7,74 МВт*год, що більше,
ніж у режимі природного стоку, в: 7,74 ÷ 2,49 = 3,1 раза.
Недоліком реалізації маневрового режиму (див.
рис. 3, 4) є значна зміна потужності протягом періоду ге-
нерації (більш ніж утричі). Це обмежує прогнозний стабі-
льний рівень генерованої потужності й може знижувати
доходність електростанції. Рівномірність потужності ге-
нерації можна збільшити завдяки зміні кількості одноча-
сно працюючих ТА. Розроблені засоби комплексного мо-
делювання режимів ГЕС забезпечують аналіз варіантів
таких режимів і обґрунтований вибір кращого з них.
Приклад зміни розрахункових параметрів маневрового
режиму ГЕС зі зміною кількості одночасно працюючих ТА
(з метою зменшення нерівномірності потужності) наве-
дено на рис. 5, 6. За період генерації кількість працюю-
чих ТА (послідовно: 2, 3, 4) змінюється два рази, про що
свідчать збурення у графіках потужності PeГЕС і витрат
QГЕС. Момент збільшення кількості ТА визначався при
зниженні потужності до обумовленого рівня (в цьому
разі 750 кВт). Аналіз виконували, спираючись на усталені
режими роботи ТА з нехтуванням перехідними проце-
сами при включенні ТА, внаслідок їх відносної коротко-
часності. За потреби можливе врахування впливу дина-
мічних режимів, наприклад [18, 19]. З рис. 5, 6 видно, що
за три години режиму генерування вироблення електри-
чної енергії практично еквівалентно варіанту, наведе-
129
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
ному на рис. 3, 4. При цьому витрати води менші – стати-
чний напір зменшується лише до 3,7 м. Перевагами
цього режиму, порівняно з режимом на рис. 3, 4, є зме-
ншення нерівномірності генерованої потужності,
практично вдвічі і збільшення мінімальної потужності на
30 %. Збільшення стабільності графіка генерування зме-
ншує обсяги використання баластних опорів для узго-
дження потужностей генерування і споживання [10, 20].
КтPe ,
kW
We ,
МВт*год
HСТ ,
м
КтQ,
м3/c
t, год t, год
Рис. 3. Зміна електричної потужності й виробле-
ної енергії протягом годин періоду пікового ре-
жиму
Fig. 3. Change in electric power and produced energy
during the hours of the peak mode period
Рис. 4. Зміна статичного напору й витрат води
водосховища протягом годин періоду пікового
режиму
Fig. 4. Change in static pressure and water flow of the
reservoir during the hours of the peak mode period
t, год.
Pe ГЕС,
kW
We ,
МВт*год
HСТ ,
м
QГЕС,
м3/с
t, год.
Рис. 5. Зміна електричної потужності й виробле-
ної енергії у маневровому режимі зі зміною кіль-
кості одночасно працюючих ТА
Fig. 5. Change in electric power and generated energy
y in shunting mode with change in the number of sim-
ultaneously operating turbine units
Рис. 6. Зміна статичного напору й витрат води
водосховища у маневровому режимі зі зміною кіль-
кості одночасно працюючих ТА
Fig. 6. Change in the static pressure and water flow of the
reservoir in shunting mode with change in the number of
simultaneously operating turbine units
130
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
Висновки. Розроблені засоби комплексного моделю-
вання режимів роботи малих ГЕС з турбінами з регульо-
ваним напрямним апаратом і асинхронними генерато-
рами враховують зміну енергетичної ефективності
складових системи і забезпечують дослідження вели-
чини виробленої електричної енергії в разі зміни статич-
ного напору, величини стоку річки, відкриття лопатей
осьового напрямного апарату, кількості одночасно
працюючих турбінних агрегатів. На прикладі малої ГЕС з
чотирма пропелерними гідротурбінами Пр 15/1100-5-25
з діаметром D1 = 1,2 м порівняльне дослідження оптима-
льного за енергоефективністю режиму природного стоку
і маневрового режиму показало переваги маневрового
режиму за величиною виробленої електричної енергії –
майже вдвічі і трикратне збільшення ефективності з
урахуванням диференційованої за часом доби вартості
електроенергії. Реалізація маневрового режиму зі
зміною кількості одночасно працюючих турбінних
агрегатів забезпечує можливість зменшення нерівномір-
ності генерованої потужності практично вдвічі і збіль-
шення мінімальної потужності на 30 %.
ПОСИЛАННЯ
1. Васько П. Ф. Аспекти подальшого розвитку гідроене-
ргетики за матеріалами науково-практичної конфе-
ренції “Відновлювана енергетика та енергоефектив-
ність у ХХІ столітті” 2023. Відновлювана енергетика.
2023. № 2. С. 61–65. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2023.2(73).61-65
2. Перехід України на відновлювану енергетику до 2050
року / О. Дячук, М. Чепелєв, Р. Подолець, Г. Триполь-
ська та ін. ; за заг. ред. Ю. Огаренко та О. Алієвої //
Пред-во Фонду ім. Г. Бьолля в Україні. Київ : Вид-во
ТОВ «АРТ КНИГА». 2017. 88 с.
3. Васько П. Ф., Ибрагимова М. Р. Энергетическая эффе-
ктивность малой гидроэлектростанции при экологи-
ческих ограничениях на использование стока воды
реки для производства электроэнергии. Альтернати-
вная энергетика и экология. 2017. № 04–06(216–218).
С. 103–115. – ISSN 1608-8298.
4. Васько П. Ф. Енергетична ефективність навантажува-
льних режимів роботи гідротурбін малої потужності
за змінних витрат води. Відновлювана енергетика.
2022. № 1. С. 87–94. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2022.1(68).87-94
5. Самойленко Є. Г. Основи проектування гідроенергети-
чних вузлів: підручник. Запоріжжя: ЗДІА. 2011. 388 с.
6. Поташник С. І., Карамушка О. М. Безпечна експлуата-
ція гідротехнічних споруд гідроелектростанцій Ук-
раїни на сучасному етапі. Вісник Національного уніве-
рситету водного господарства та природокорис-
тування. 2013. № 2(62). С.11–19.
7. Popovych O. M., Golovan І. V. Complex design tools for
improvement of electromechanical systems with induc-
tion motors. Tekhnichna Elektrodynamika. 2022. No 2.
Pp. 52–59. https://doi.org/10.15407/tech-
ned2022.02.052
8. Gagnon R., Saulnier B., Sybille G., Giroux P. Modeling of
a Generic High–Penetration No–Storage Wind–Diesel
System Using Matlab/Power System Blockset. Global
Windpower Conference. April 2002. Paris. France.
9. Попович О. М., Головань І. В. Імітаційна модель гід-
ротурбіни для комплексного моделювання електро-
механічної системи ГЕС. Відновлювана енергетика.
2023. № 2. С. 51–60. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2023.2(73)51-60
10. Гидроэлектростанции малой мощности: Учеб. посо-
бие / Под. ред. В. В. Елистратова. СПб.: Изд-во Поли-
техн. ун-та. 2005. 432 с.
11. Фильц Р. В. Математические основы теории электро-
механических преобразователей. Киев: Наук. думка.
1979. 206 с.
12. Чабан В. И. Основы теории переходных процессов эле-
ктромашинных систем Львов: Вища шк. 1980. 200 с.
13. Чабан В. Й. Методи нелінійної електротехніки. Львів:
Світ. 1990. 168 с.
14. Лежнюк П. Д., Никиторович Р. В., Нгома Ж.–П. Ком-
пенсация реактивной мощности асинхронных гене-
раторов на малых гидроэлектростанциях. Энергетика
и электротехника. Наукові праці. ВНТУ. 2008. № 2. C.
1–7. 23.
15. Popovych O. M., Golovan I. V. Study of changed main
flux reactance of squirrel-cage induction motors using
field analysis of their starting characteristics. Tekhnichna
Elektrodynamika. 2018. No 5. Pp. 69–72.
https://doi.org/10.15407/techned2018.05.069
16. Popovych O. M., Golovan I. V. Study of starting regimes
of induction motors using equivalent parameters of
quasi-3D field model. Tekhnichna Elektrodynamika.
2019. No 1. Pp. 34–37.
https://doi.org/10.15407/techned2019.01.034
17. Вольдек А. И. Электрические машины. Ленинград:
Энергия. 1978. 832 с.
18. Брыль А. О., Васько В. П., Васько П. Ф., Соловьев П. Б.
Математическое моделирование пусковых режимов
синхронных и асинхронных генераторов малых ГЭС.
Альтернативная энергетика и екология (ISJAEE). 2014.
№ 15. С. 71–81.
19. Кривченко Г. И. Гидромеханические переходные
процессы в гидроэнергетических установках. Мос-
ква: Энергия. 1975. 366 с.
20. Вербовий А. П. Моделювання роботи гідроакумулю-
вальної електростанції в насосному режимі при жив-
лені від вітроелектростанції з асинхронним генерато-
ром. Відновлювана енергетика. 2019. № 4. С. 56–63.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.4(59).56-63
https://doi.org/10.36296/1819
https://doi.org/10.36296/1819-%20%20%20%20%20%208058.2022.1(68).87-94
https://doi.org/10.36296/1819-%20%20%20%20%20%208058.2022.1(68).87-94
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.2(73)51-60
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.2(73)51-60
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56252204600
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56418738100
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85052128213&origin=resultslist
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85052128213&origin=resultslist
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85052128213&origin=resultslist
https://doi.org/10.15407/techned2018.05.069
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56252204600
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56418738100
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85064915475&origin=resultslist
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85064915475&origin=resultslist
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85064915475&origin=resultslist
https://doi.org/10.15407/techned2019.01.034
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.4(59).56-63
131
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Гідро-воднева енергетика
REFERENCES
1. Vasko P. F. Aspekty podalʹshoho rozvytku hidroenerhetyky
za materialamy naukovo-praktychnoyi konferentsiyi «Vid-
novlyuvana enerhetyka ta enerhoefektyvnistʹ u 21 stolitti»
2023, [Aspects of the further development of hydropower
based on the materials of the scientific and practical con-
ference "Renewable energy and energy efficiency in the
21st century" 2023]. Vidnovlyuvana enerhetyka. 2023. №
2. S. 61–65. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.2
(73).61-65. [in Ukr].
2. Perekhid Ukrayiny na vidnovlyuvanu enerhetyku do
2050 roku [Transition of Ukraine to renewable energy
until 2050] / O. Dyachuk, M. Chepelyev, R. Podoletsʹ,
H. Trypolʹsʹka ta in. ; za zah. red. YU. Oharenko ta O. Ali-
yevoyi // Pred-vo Fondu im. H. Bʹollya v Ukrayini. Kyyiv:
Vyd-vo TOV «ART KNYHA». 2017. 88 s. [in Ukr].
3. Vasko P. F., Ibragimova M. R. Energy Efficiency of Small
Hydropower Plant through Environmental Restrictions
on Water Use for Power Generation, International Scien-
tific Journal for Alternative Energy and Ecology(IS-JAEE).
2017. No 04–06. Pp. 103–115. https://doi: 10.15518/is-
jaee.2017.04-06.103-115.
4. Vasko P. F. Enerhetychna efektyvnistʹ navantazhu-
valʹnykh rezhymiv roboty hidroturbin maloyi potu-
zhnosti za zminnykh vytrat vody, [Energy efficiency of
loading modes of operation of low-power hydroturbines
with variable water flows]. Vidnovlyuvana enerhetyka.
2022 № 1. S. 87–94. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2022.1(68).87-94. [in Ukr].
5. Samoilenko E. H. Osnovy proektuvannia hidroener-
hetychnykh vuzliv, [Fundamentals of designing hydro-
power units]. Zaporizhzhia: ZDIA. 2011. 388 p. [in Ukr].
6. Potashnyk S. I., Karamushka O. M. Bezpechna eksplu-
atatsiia hidrotekhnichnykh sporud hidroelektrostantsii
Ukrainy na suchasnomu etapi. [Safe operation of hy-
draulic structures of hydroelectric power plants of
Ukraine at the present stage]. Visnyk Natsionalnoho uni-
versytetu vodnoho hospodarstva ta pryrodokorystuvan-
nia. 2013. No. 2(62). Pp.11–19. [in Ukr].
7. Popovych O. M., Golovan І. V. Complex design tools for
improvement of electromechanical systems with induc-
tion motors. Tekhnichna Elektrodynamika. 2022. No 2.
Pp. 52–59. https://doi.org/10.15407/tech-
ned2022.02.052. [in Eng].
8. Gagnon R., Saulnier B., Sybille G., Giroux P. Modeling of a
Generic High–Penetration No–Storage Wind–Diesel Sys-
tem Using Matlab/Power System Blockset. Global
Windpower Conference. April 2002. Paris. France. [in Eng].
9. Popovych O. M., Holovanʹ I. V. Imitatsiyna modelʹ hidro-
turbiny dlya kompleksnoho modelyuvannya elektromek-
hanichnoyi systemy HES, [A simulation model of a hydro
turbine for complex modeling of the electromechanical
system of a hydroelectric power station]. Vidnovlyuvana
enerhetyka. 2023. № 2. S. 51–60.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.2(73)51-60.
[in Ukr].
10. Hydroelektrostantsii maloy moshnosti,[ Small-scale hy-
droelectric power stations]:: Ucheb. posobiye / Pod. red.
V. V. Elystratova. SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta. 2005. 432
s. [in Rus].
11. Fil'ts R. V. Matematicheskiye osnovy teorii elektromek-
hanicheskikh preobrazovateley, [Mathematical founda-
tions of the theory of electromechanical converters]. Ki-
yev: Nauk. Dumka. 1979. 206 s. [in Rus].
12. Chaban V. I. Osnovy teorii perekhodnykh protsessov el-
ektromashinnykh sistem, [Fundamentals of the theory
of transient processes of electric machine systems].
L'vov: Vishcha shk. 1980. 200 s. [in Rus].
13. Chaban V. Y. Metody neliniynoyi elektrotekhniky, [Meth-
ods of nonlinear electrical engineering]. Lʹviv: Svit. 1990.
168 s. [in Ukr].
14. Lezhnyuk P. D., Nikitorovich R. V., Ngoma ZH.–P. Kompen-
satsiya reaktivnoy moshchnosti asinkhronnykh generato-
rov na malykh gidroelektrostantsiyakh, [Reactive power
compensation of asynchronous generators at small hydro-
electric power plants]. Energetika i elektrotekhnika. Nau-
koví pratsí. VNTU. 2008. № 2. C. 1–7. 23. [in Rus].
15. Popovych O. M., Golovan I. V. Study of changed main
flux reactance of squirrel-cage induction motors using
field analysis of their starting characteristics. Tekhnichna
Elektrodynamika. 2018. No 5. Pp. 69–72.
https://doi.org/10.15407/techned2018.05.069. [in Eng].
16. Popovych O. M., Golovan I. V. Study of starting regimes
of induction motors using equivalent parameters of
quasi-3D field model. Tekhnichna Elektrodynamika.
2019. No 1. Pp. 34–37. https://doi.org/10.15407/tech-
ned2019.01.034. [in Eng].
17. Vol'dek A. I. Elektricheskiye mashiny, [Electrical ma-
chines]. Leníngrad: Energiya. 1978. 832 s. [in Rus].
18. Bryl' A. O., Vas'ko V. P., Vas'ko P. F., Solovyov P. B. Ma-
tematicheskoye modelirovaniye puskovykh rezhimov
sinkhronnykh i asinkhronnykh generatorov malykh GES,
[Mathematical modeling of starting modes of synchro-
nous and asynchronous generators of small hydroelec-
tric power plants]. Al'ternativnaya energetika i
yekologíya (ISJAEE). 2014. № 15. S. 71–81. [in Rus].
19. Kryvchenko H. Y. Hydromechanical transients in hydro-
power plants. M.: Enerhyia. 1975. 504 s. [in Rus].
20. Verbovyy A. P. Modelyuvannya roboty hidroakumulyu-
valʹnoyi elektrostantsiyi v nasosnomu rezhymi pry
zhyvleni vid vitroelektrostantsiyi z asynkhronnym hener-
atorom, [Simulation of the operation of a hydro-accu-
mulating power plant in pumping mode when powered
by a wind power plant with an asynchronous generator]
// Vidnovlyuvana enerhetyka. 2019. № 4. S. 56–63.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.4(59).56-63.
[in Ukr].
https://doi.org/10.36296/1819
https://doi.org/10.36296/1819-%20%20%20%20%20%208058.2022.1(68).87-94
https://doi.org/10.36296/1819-%20%20%20%20%20%208058.2022.1(68).87-94
https://doi.org/10.15407/techned2022.02.052
https://doi.org/10.15407/techned2022.02.052
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.2(73)51-60
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56252204600
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56418738100
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85052128213&origin=resultslist
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85052128213&origin=resultslist
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85052128213&origin=resultslist
https://doi.org/10.15407/techned2018.05.069
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56252204600
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56418738100
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85064915475&origin=resultslist
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85064915475&origin=resultslist
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85064915475&origin=resultslist
https://doi.org/10.15407/techned2019.01.034
https://doi.org/10.15407/techned2019.01.034
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.4(59).56-63
|
| id | veorgua-article-477 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:13:59Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/e5/98e03f827415bdf5711e9286f44847e5.pdf |
| spelling | veorgua-article-4772026-07-18T06:32:20Z STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEM OF SMALL GS IN SHUNTING MODES OF OPERATION BY MEANS OF COMPLEX MODELLING ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНОЇ СИСТЕМИ МАЛИХ ГЕС У МАНЕВРОВИХ РЕЖИМАХ РОБОТИ ЗАСОБАМИ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛЮВАННЯ Popovych , O. Golovan, I. hydraulic power plant, simulation model, complex design, electromechanical system, dynamic mathemati-cal models, steady-state operation, energy efficiency. гідравлічна електрична станція, імітаційна модель, комплексне проєктування, електромеханічна система, динамічні математичні моделі, усталені режими роботи, енергетична ефективність. A comprehensive mathematical model of a small hydroelectric power plant for a simulation modelling system has been devel-oped.  The model consists of the following simulation mathematical models: a hydraulic turbine with an adjustable guide device, its hydraulic network, an electromechanical system, and a reservoir model. These simulation models are based on the differential equations of electrical, mechanical, and hydraulic equilibrium and are designed to determine the values of currents, speeds, and performance of steady-state operating modes, taking into account the nonlinear properties of the equation parameters. To im-prove the adequacy of the complex model, a refined simulation model of an induction machine with loss detailing was applied and verified to specify the efficiency and permissible heating power in the motor and generator modes. The losses in steel are ac-counted for by their equivalent circuits. The information on the calculated values of the operating mode parameters allows deter-mining the value of the efficiency indicators of the hydroelectric power plant system under different operating conditions, which makes it possible to formulate optimal modes. Based on the results of a series of calculations with varying static head and open-ing of the blades of the axial guide apparatus, the regularities of changes in their optimal ratio according to the criterion of maximum electric power generated per unit of reservoir water flow used in the formation of the power plant's shunting mode were investigated. Based on the information on the value of the natural flow and the characteristics of the turbine unit, a stable level of static head is determined, which ensures the maximum generated electric power. The power plant's shunting mode was studied to determine the impact of changing the number of simultaneously operating units on the amount of electricity generated and changes in its capacity (the possibility of reducing the unevenness of the generated power by almost two times and increasing the minimum capacity by 30% was shown). Compared to the steady-state flow, the shunting mode provides an almost twofold increase in electricity generation and a threefold increase in efficiency, taking into account the differential cost of electricity by time of day. Розроблено комплексну математичну модель малої гідроелектростанції для системи імітаційного моделювання. Модель складається з імітаційних математичних моделей: гідравлічної турбіни з регульованим напрямним апаратом, її гідравлічної мережі, електромеханічної системи, моделі водосховища. Ці імітаційні моделі побудовано на основі дифере-нціальних рівнянь електричної, механічної, гідравлічної рівноваги й призначено для визначення величин струмів, швидко-стей, продуктивності усталених режимів роботи з урахуванням нелінійних властивостей параметрів рівнянь. Для підвищення адекватності комплексної моделі застосовано й верифіковано уточнену імітаційну модель асинхронної машини з деталізацією втрат для уточнення ККД і допустимої за нагрівом потужності в режимі двигуна і генератора. Втрати у сталі враховано їх еквівалентними контурами. Інформація про розраховані величини параметрів робочих режимів забезпечує визначення величини показників ефективності системи гідроелектростанції за різних умов роботи, що надає можливість формувати оптимальні режими. За результатами серії розрахунків із варіюванням статичного напору і відкриття лопатей осьового напрямного апарату досліджено закономірності зміни їх оптимального співвідношення за критерієм максимуму виробленої електричної потужності на одиницю витрат води водосховища, яке використано при формуванні маневрового режиму електростанції. За інформацією щодо величини природного стоку й характеристик турбінного агрегату визначено сталий рівень статичного напору, який забезпечує максимум виробленої електроенергії. Досліджено маневровий режим роботи електростанції з визначенням впливу зміни кількості одночасно працюючих агрегатів на величину виробленої електроенергії та зміну її потужності (показано можливість зменшення нерівномірності генерованої потужності практично в два рази і збільшення мінімальної потужності на 30 %). Порівняно зі сталим стоком маневровий режим забезпечує майже двократне збільшення вироблення електроенергії й трикратне збільшення ефективності з урахуванням диференційованої за часом доби вартості електроенергії. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-09-29 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/477 10.36296/1819-8058.2024.3(78).122-131 Vidnovluvana energetika ; No. 3(78) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 122-131 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(78) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 122-131 Відновлювана енергетика; № 3(78) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 122-131 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.3(78) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/477/386 Copyright (c) 2024 O. Popovych , I. Golovan https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | hydraulic power plant simulation model complex design electromechanical system dynamic mathemati-cal models steady-state operation energy efficiency. Popovych , O. Golovan, I. STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEM OF SMALL GS IN SHUNTING MODES OF OPERATION BY MEANS OF COMPLEX MODELLING |
| title | STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEM OF SMALL GS IN SHUNTING MODES OF OPERATION BY MEANS OF COMPLEX MODELLING |
| title_alt | ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНОЇ СИСТЕМИ МАЛИХ ГЕС У МАНЕВРОВИХ РЕЖИМАХ РОБОТИ ЗАСОБАМИ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛЮВАННЯ |
| title_full | STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEM OF SMALL GS IN SHUNTING MODES OF OPERATION BY MEANS OF COMPLEX MODELLING |
| title_fullStr | STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEM OF SMALL GS IN SHUNTING MODES OF OPERATION BY MEANS OF COMPLEX MODELLING |
| title_full_unstemmed | STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEM OF SMALL GS IN SHUNTING MODES OF OPERATION BY MEANS OF COMPLEX MODELLING |
| title_short | STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEM OF SMALL GS IN SHUNTING MODES OF OPERATION BY MEANS OF COMPLEX MODELLING |
| title_sort | study of the energy efficiency of the electromechanical system of small gs in shunting modes of operation by means of complex modelling |
| topic | hydraulic power plant simulation model complex design electromechanical system dynamic mathemati-cal models steady-state operation energy efficiency. |
| topic_facet | hydraulic power plant simulation model complex design electromechanical system dynamic mathemati-cal models steady-state operation energy efficiency. гідравлічна електрична станція імітаційна модель комплексне проєктування електромеханічна система динамічні математичні моделі усталені режими роботи енергетична ефективність. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/477 |
| work_keys_str_mv | AT popovycho studyoftheenergyefficiencyoftheelectromechanicalsystemofsmallgsinshuntingmodesofoperationbymeansofcomplexmodelling AT golovani studyoftheenergyefficiencyoftheelectromechanicalsystemofsmallgsinshuntingmodesofoperationbymeansofcomplexmodelling AT popovycho doslídžennâenergetičnoíefektivnostíelektromehaníčnoísistemimalihgesumanevrovihrežimahrobotizasobamikompleksnogomodelûvannâ AT golovani doslídžennâenergetičnoíefektivnostíelektromehaníčnoísistemimalihgesumanevrovihrežimahrobotizasobamikompleksnogomodelûvannâ |