Modeling and analysis of a pump controlled system for speed governor in hydroelectric power plants

Abstract

Esta dissertação aborda as ineficiências e limitações dos sistemas hidráulicos tradicionais usados nos reguladores de velocidade de turbinas Francis em usinas hidrelétricas. Em particular, destaca-se a necessidade desses sistemas por grandes volumes de fluido hidráulico, o que apresenta desafios ambientais e de manutenção significativos. Além disso, os componentes complexos dos reguladores de velocidade convencionais são difíceis de modernizar e manter, com peças de reposição muitas vezes sendo caras ou indisponíveis em virtude de uma fabricação personalizada para cada planta. Buscando sanar esses problemas, esta pesquisa propõe um sistema descentralizado baseado em atuadores eletro-hidrostáticos (EHA). Essa abordagem elimina a necessidade de uma válvula distribuidora e reduz significativamente o volume de fluido hidráulico necessário. O estudo começa com uma breve revisão bibliográfica sobre usinas hidrelétricas, com foco nas turbinas Francis e seus reguladores de velocidade, seguida de uma revisão das configurações de EHA, identificando uma arquitetura adequada para reguladores de velocidade em usinas hidrelétricas com turbinas do tipo Francis. O sistema proposto utiliza exclusivamente produtos comerciais disponíveis, o que simplifica a implementação e reduz os custos de manutenção. A modelagem do sistema, realizada utilizando os softwares Hopsan e Matlab Simulink, avalia o desempenho da nova arquitetura. Os resultados mostram que o sistema é capaz de atender as necessidades comuns de reguladores de velocidade, como limitação de sobrevelocidade e mudanças rápidas de posição causadas por pequenas flutuações na demanda de energia pela rede elétrica. Além disso, a arquitetura simplificada do sistema proposto facilita a manutenção ao eliminar componentes complexos, aumentando sua adaptabilidade para futuras modernizações e manutenções.

Abstract: This thesis addresses the inefficiencies and limitations of traditional hydraulic systems used in speed governors for Francis turbines in hydroelectric power plants. Particularly, their need forlarge volumes of hydraulic fluid, which presents significant environmental and maintenance challenges. Additionally, the complex components of conventional speed governors are difficult to modernize and maintain, with replacement parts often being expensive or unavailable. To address these issues, this master?s thesis proposes a decentralized system based on electro-hydrostatic actuators (EHA). This approach eliminates the need for traditional control valves and significantly reduces the hydraulic fluid required. The study begins with a brief literature review on hydroelectric power plants, focusing on Francis turbines and their speed governors, followed by a review on EHA configurations, identifying a suitable architecture for speed governors in hydroelectric power plants. The proposed system relies solely on off-the-shelf products, simplifying implementation and reducing maintenance costs. The system modelling, performed using Hopsan and Matlab Simulink, assesses the performance of the new architecture. The results show that the system effectively manages common challenges in speed governors, such as overspeeding and fast position changes caused by minor fluctuations in electrical power demand. Furthermore, the proposed system?s simplified architecture makes maintenance easier by eliminating complex components, enhancing its adaptability for future modernization and maintenance.