P/PID Wasserkraftturbinenregelung

[Karl Reiber (Gast)]

Guten Tag,

ich stehe vor der Aufgabe die Regelung einer Wasserkraftturbine zu 
optimieren.
Das Problem hierbei ist, dass momentan der Wasserstand geregelt wird, 
steigt dieser wird der Druchfluss zur Turbine mit einem Ventil erhöht. 
Sinkt dieser, wird er verringert. Hierdurch soll der Wasserstand 
konstant bleiben.
Dies führt jedoch zu starken Leistungsschwankungen der Turbine
(bspw. 30KW, dann steigt der Wasserstand und der Zufluss zur Turbine 
wird geöffnet und diese bringt am Ende 50-60KW, ehe sie wieder 
geschlossen wird.)
Sprich es befinden sich kleinere Schwingungen beim Wasserstand +-0,5% 
des Sollwertes und dadurch große Schwingungen bei der Turbinenleistung 
wie oben beschrieben.
Geregelt wird dies momentan lediglich über einen P Regler. Nun zu meiner 
Frage:
Bekomme ich das ständige Schwingen der Leistung heraus, wenn ich den 
Wasserstand mit einem PID Regler genauer regeln könnte? Oder wie sollte 
man diese Regelung angehen?

Wasserstand sollte relativ konstant bleiben (+-2% sind aber egal) und 
die Leistung sollte hingegen gleichmäßiger über den Durchfluss geregelt 
werden.

Vielen Dank für eure Tipps.

MfG Karl

[Günter Lenz (Gast)]

Karl Reiber schrieb:
>(bspw. 30KW, dann steigt der Wasserstand und der Zufluss zur Turbine
>wird geöffnet und diese bringt am Ende 50-60KW, ehe sie wieder
>geschlossen wird.)

Verstehe ich nicht ganz.
Die Leistung hängt doch von den Verbrauchern ab, wenn kein
Verbraucher dran ist, ist die Leistung 0kW und die Maschine
ist im Leerlauf. Was für Verbraucher
sind denn da dran?

[Julian .. (juliank)]

Karl Reiber schrieb:
> Das Problem hierbei ist, dass momentan der Wasserstand geregelt wird,
> steigt dieser wird der Druchfluss zur Turbine mit einem Ventil erhöht.

Du willst den Stand in einem sehr großen Behälter regeln.
Das bedeutet zwangsweise große Änderungen beim Durchfluss.

> Sprich es befinden sich kleinere Schwingungen beim Wasserstand +-0,5%
> des Sollwertes und dadurch große Schwingungen bei der Turbinenleistung
> wie oben beschrieben.

Wie zu erwarten.

> Bekomme ich das ständige Schwingen der Leistung heraus, wenn ich den
> Wasserstand mit einem PID Regler genauer regeln könnte?

Wenn du genauer == besser als 0,5% regeln willst beutete das
noch größere Durchfluss Änderungen. Was willst du denn nun?

> Wasserstand sollte relativ konstant bleiben (+-2% sind aber egal) und
> die Leistung sollte hingegen gleichmäßiger über den Durchfluss geregelt
> werden.

Also brauchst du nur einen extrem langsamen Regler. PI mit
kleinem Kp (<0,2) und Tn im Stundenbereich wäre die Lösung.
Nachteil: Du musst das Ding von Hand starten sonnst dauert
es ewig bis die Turbine auf Leistung kommt.
Einen D Anteil willst du nicht, da der erst mal Vollgas gibt.

Wenn du den Durchfluss hast kannst du auch eine Kaskade
aufbauen. Kommt auf exakte Problemstellung (Zahlen!) an.

[Matthias K. (kannichauch)]

Ich würde sagen, wenn die Leistung der Turbine mit dem Ventil geregelt 
wird, um den Wasserstand gleich zu halten, kann die Leistung nicht 
konstant gehalten werden, da auch der Wasserzufluss ständig schwankt.
Etwas "bügeln" wäre möglich, wenn der Wasserstand schwanken darf und das 
Ventil wird etwas mehr auf die Gleichförmigkeit der abgegebenen Leistung 
optimiert.
P/PID Regler kenne ich nicht genau, aber es wird bei Anlagen dieser 
Größenordnung sicher angebracht sein, etwas intelligenteres zur 
Steuerung zu verwenden. Auch sind dabei die voraussichtlichen 
Wassermengen von Interesse.

[Jan H. (j_hansen)]

Wenn 0,5% Änderung des Wasserstands schon große Änderungen der Leistung 
hervorrufen, aber 2% Änderung noch tolerierbar ist, dann würde ich 
einfach mal die Verstärkung (P-Anteil) um 50% reduzieren.
Ansonsten kann man natürlich schon auch mit einem zusätzlichen I-Anteil 
arbeiten.

[Uwe K. (kwe)]

Hallo Karl,

Du hast geschrieben:

Karl Reiber schrieb:
> Das Problem hierbei ist, dass momentan der Wasserstand geregelt wird,
> steigt dieser wird der Druchfluss zur Turbine mit einem Ventil erhöht.
> Sinkt dieser, wird er verringert. Hierdurch soll der Wasserstand
> konstant bleiben.

Karl Reiber schrieb:
> Geregelt wird dies momentan lediglich über einen P Regler. Nun zu meiner
> Frage:
> Bekomme ich das ständige Schwingen der Leistung heraus, wenn ich den
> Wasserstand mit einem PID Regler genauer regeln könnte? Oder wie sollte
> man diese Regelung angehen?
>
> Wasserstand sollte relativ konstant bleiben (+-2% sind aber egal) und
> die Leistung sollte hingegen gleichmäßiger über den Durchfluss geregelt
> werden.

1.
Deine Angaben zur Anlage beschreiben eine sogenannte I-Strecke, also ein 
System, das keine Beharrung kennt, sondern aufgrund kleiner 
Regelabweichungen immer einem Extremwert zustreben wird.

Diese Strecke ist mit einem P-Regler weder als Führungsregler, noch als 
Störgrößenregler beherrschbar (leicht erkennbar am Schwingverhalten)
Als Hauptstörgröße vermute mal den sich ständig ändernden Wasserzulauf 
an.

2.
Als Hauptziel der zu optimierenden Regelung definierst Du die 
Konstannthaltung des Wasserstandes. Wie andere auch schon schrieben, 
geht das nur, wenn Du die schwankende Generatorleistung akzeptierst.

Bitte beschreib doch mal etwas genauer Deine Anlage, unter 
Berücksichtigung der ermittelten Streckenparameter, Ventilverstärkung, 
Generatorkennlinie als Funktion von Durchfluss, etc).

Da Du bezüglich der Regelungstechnik offensichtlich wenig Fachkenntnis 
hast, könntest Du als Start-Up sozusagend, ein Ingenieursbüro zur 
Ermittlung der Streckengrößen, beratend als Unterstützung mit ins Boot 
nehmen.

3.
Wie andere schon schrieben, wäre die Realisierung Deines Projektes mit 
einer Kaskadenregelung möglich.
- Führungsregler (PID) zur Füllstandsregelung (Ausgabe Regelsollwerte an
  unterlagerte Stellungsregler, Öffnungsfläche Ablaufregelung).
  -unterlagerter Stellungsregler (PI) zum Turbinenregelventil
  -unterlagerter Stellungsregler (PI) zum Turbinenbypass 
(Überschussregelung)

MfG

kwe

[Hermann (Gast)]

Karl Reiber schrieb:
> Sprich es befinden sich kleinere Schwingungen beim Wasserstand +-0,5%
> des Sollwertes und dadurch große Schwingungen bei der Turbinenleistung

Du schreibst nicht, wie das bisher geregelt wird. Das sieht nach einem 
P-Regler mit zu großer Verstärkung aus. Ein Pi-Regler wäre sehr viel 
ruhiger. Der i-Anteil hält das Ventil offen und reagiert sehr langsam. 
Der p-Anteil kann dann klein sein und sorgt dafür, dass die Regelung 
nicht zu langsam wird.

Ich habe mal den gesamten Regelkreis im Anhang skizziert. Das 
Motorventil sollte im Vergleich zur Regelstrecke sehr schnell sein, 
damit man es durch ein PT1-Glied annähern kann. Denn 2 Integratoren in 
der Strecke lassen sich kaum regeln. Ein Pi-Regler mit einer i-Strecke 
hat systembedingt ein großes Überschwingen im Füllstand. Das bekommt man 
mit einer Sollwertverzögerung weg.

Du solltest mal alle Parameter messen oder schätzen. Dann kann man den 
Regelkreis simulieren und optimieren.