INVESTIGATION OF RESERVES FOR ENHANCING THE ENERGY EFFICIENCY OF A SMALL HYDROPOWER PLANT UNDER VARIATIONS IN TURBINE GENERATOR CURRENT FREQUENCY
A comprehensive mathematical model of the electromechanical system of a small hydropower plant has been substantiated for the purpose of investigating its energy efficiency under varying parameters: the opening degree of the axial guide vane apparatus, the current frequency of the induction generato...
Saved in:
| Date: | 2025 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/587 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1856543205965692928 |
|---|---|
| author | Popovych, O. Golovan, I. |
| author_facet | Popovych, O. Golovan, I. |
| author_sort | Popovych, O. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-12-30T22:29:08Z |
| description | A comprehensive mathematical model of the electromechanical system of a small hydropower plant has been substantiated for the purpose of investigating its energy efficiency under varying parameters: the opening degree of the axial guide vane apparatus, the current frequency of the induction generator, and the static head. A methodology for conducting numerical experiments aimed at studying the domain of effective application of frequency control of turbine-generator units has been developed. The search for optimal operating conditions is carried out according to the criterion of maximum energy efficiency—the ratio of generated power to water consumption—determined from the steady-state operating parameters obtained by solving the system of differential equations of electrical, mechanical, and hydraulic equilibrium until the steady state is reached, with consideration of the mutual influence of system components and the nonlinearity of their equations. The first stage of the numerical experiment is intended to determine the optimal values of the asynchronous generator current frequency variation under constant static head. It is shown that the expediency of applying frequency control to turbine-generator units increases as the operating point approaches the boundary of the turbine’s energy-efficient operating region. The second stage of the numerical experiment is related to identifying the conditions for efficient operation of the hydropower plant with frequency control under a natural flow regime. It has been determined that, under optimal frequency control modes, water discharge is reduced, thereby increasing the reservoir water level and, consequently, the hydropower plant's energy output. A specific case study demonstrates that, in natural flow conditions, the application of frequency control resulted in a 53% increase in generated power. |
| first_indexed | 2026-02-08T07:59:32Z |
| format | Article |
| id | veorgua-article-587 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-02-08T07:59:32Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | veorgua-article-5872025-12-30T22:29:08Z INVESTIGATION OF RESERVES FOR ENHANCING THE ENERGY EFFICIENCY OF A SMALL HYDROPOWER PLANT UNDER VARIATIONS IN TURBINE GENERATOR CURRENT FREQUENCY ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗЕРВІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ МАЛОЇ ГЕС ЗА ЗМІНИ ЧАСТОТИ СТРУМІВ ТУРБОАГРЕГАТУ Popovych, O. Golovan, I. small hydropower plant, simulation model, electromechanical system, dynamic mathematical models, steady-state operating modes, energy efficiency, frequency control. гідравлічна електрична станція, імітаційна модель, електромеханічна система, динамічні математичні моделі, усталені режими роботи, енергетична ефективність, частотне регулювання. A comprehensive mathematical model of the electromechanical system of a small hydropower plant has been substantiated for the purpose of investigating its energy efficiency under varying parameters: the opening degree of the axial guide vane apparatus, the current frequency of the induction generator, and the static head. A methodology for conducting numerical experiments aimed at studying the domain of effective application of frequency control of turbine-generator units has been developed. The search for optimal operating conditions is carried out according to the criterion of maximum energy efficiency—the ratio of generated power to water consumption—determined from the steady-state operating parameters obtained by solving the system of differential equations of electrical, mechanical, and hydraulic equilibrium until the steady state is reached, with consideration of the mutual influence of system components and the nonlinearity of their equations. The first stage of the numerical experiment is intended to determine the optimal values of the asynchronous generator current frequency variation under constant static head. It is shown that the expediency of applying frequency control to turbine-generator units increases as the operating point approaches the boundary of the turbine’s energy-efficient operating region. The second stage of the numerical experiment is related to identifying the conditions for efficient operation of the hydropower plant with frequency control under a natural flow regime. It has been determined that, under optimal frequency control modes, water discharge is reduced, thereby increasing the reservoir water level and, consequently, the hydropower plant's energy output. A specific case study demonstrates that, in natural flow conditions, the application of frequency control resulted in a 53% increase in generated power. Обґрунтовано комплексну математичну модель електромеханічної системи малої ГЕС для цілей дослідження її енергетичної ефективності в умовах варіювання величин: відкриття лопатей осьового напрямного апарату, частоти струмів асинхронного генератора, статичного напору. Розроблено методику чисельного експерименту дослідження області ефективного застосування частотного регулювання турбоагрегатів. Пошук умов оптимальних режимів роботи здійснюється за критерієм максимуму енергетичної ефективності – співвідношення величини генерованої потужності й витрат води, які встановлюються за результатами визначення параметрів усталених режимів роботи завдяки розв’язку системи диференціальних рівнянь електричної, механічної, гідравлічної рівноваги до усталеного стану з урахуванням взаємного впливу складових системи, нелінійності їх рівнянь. Першій етап чисельного експерименту призначено для визначення оптимальних значень частоти зміни струмів асинхронного генератора за незмінної величини статичного напору. Показано, що доцільність застосування частотного регулювання турбоагрегатів зростає з наближенням до меж області енергоефективного використання турбіни. Другий етап чисельного експерименту пов’язаний з визначенням умов ефективної роботи ГЕС з частотним регулюванням у режимі природного стоку. Встановлено, що за оптимальних режимів частотного регулювання знижуються витрати, що дозволяє збільшити рівень води у водосховищі й енергетичний вихід ГЕС. На конкретному прикладі показано, що в режимі природного стоку застосування частотного регулювання забезпечило збільшення величини генерованої потужності на 53 %. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2025-12-28 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/587 10.36296/1819-8058.2025.4(83).249-262 Возобновляемая энергетика; № 4(83) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 249-262 Відновлювана енергетика; № 4(83) (2025): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 249-262 Vidnovluvana energetika ; No. 4(83) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 249-262 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2025.4(83) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/587/498 Copyright (c) 2025 Vidnovluvana energetika |
| spellingShingle | small hydropower plant simulation model electromechanical system dynamic mathematical models steady-state operating modes energy efficiency frequency control. Popovych, O. Golovan, I. INVESTIGATION OF RESERVES FOR ENHANCING THE ENERGY EFFICIENCY OF A SMALL HYDROPOWER PLANT UNDER VARIATIONS IN TURBINE GENERATOR CURRENT FREQUENCY |
| title | INVESTIGATION OF RESERVES FOR ENHANCING THE ENERGY EFFICIENCY OF A SMALL HYDROPOWER PLANT UNDER VARIATIONS IN TURBINE GENERATOR CURRENT FREQUENCY |
| title_alt | ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗЕРВІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ МАЛОЇ ГЕС ЗА ЗМІНИ ЧАСТОТИ СТРУМІВ ТУРБОАГРЕГАТУ |
| title_full | INVESTIGATION OF RESERVES FOR ENHANCING THE ENERGY EFFICIENCY OF A SMALL HYDROPOWER PLANT UNDER VARIATIONS IN TURBINE GENERATOR CURRENT FREQUENCY |
| title_fullStr | INVESTIGATION OF RESERVES FOR ENHANCING THE ENERGY EFFICIENCY OF A SMALL HYDROPOWER PLANT UNDER VARIATIONS IN TURBINE GENERATOR CURRENT FREQUENCY |
| title_full_unstemmed | INVESTIGATION OF RESERVES FOR ENHANCING THE ENERGY EFFICIENCY OF A SMALL HYDROPOWER PLANT UNDER VARIATIONS IN TURBINE GENERATOR CURRENT FREQUENCY |
| title_short | INVESTIGATION OF RESERVES FOR ENHANCING THE ENERGY EFFICIENCY OF A SMALL HYDROPOWER PLANT UNDER VARIATIONS IN TURBINE GENERATOR CURRENT FREQUENCY |
| title_sort | investigation of reserves for enhancing the energy efficiency of a small hydropower plant under variations in turbine generator current frequency |
| topic | small hydropower plant simulation model electromechanical system dynamic mathematical models steady-state operating modes energy efficiency frequency control. |
| topic_facet | small hydropower plant simulation model electromechanical system dynamic mathematical models steady-state operating modes energy efficiency frequency control. гідравлічна електрична станція імітаційна модель електромеханічна система динамічні математичні моделі усталені режими роботи енергетична ефективність частотне регулювання. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/587 |
| work_keys_str_mv | AT popovycho investigationofreservesforenhancingtheenergyefficiencyofasmallhydropowerplantundervariationsinturbinegeneratorcurrentfrequency AT golovani investigationofreservesforenhancingtheenergyefficiencyofasmallhydropowerplantundervariationsinturbinegeneratorcurrentfrequency AT popovycho doslídžennârezervívpídviŝennâenergetičnoíefektivnostímaloígeszazmíničastotistrumívturboagregatu AT golovani doslídžennârezervívpídviŝennâenergetičnoíefektivnostímaloígeszazmíničastotistrumívturboagregatu |