Diseño de un sistema de control automático del nivel de agua en la cámara de carga en la Central Hidroeléctrica Cahua

Abstract

La Central Hidroeléctrica de Cahua actualmente es operada remotamente desde el centro de control ubicado en Lima. Esta es una central de pasada con una capacidad instalada de 44 MW, y debido a que normalmente no cuenta con personal operativo en sitio es importante garantizar que el nivel de agua de la cámara de carga se mantenga dentro de los límites de operación segura de manera confiable. Es por esta razón que el título de tesis del presente trabajo de investigación es “DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DEL NIVEL DE AGUA EN LA CÁMARA DE CARGA EN LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA CAHUA” y el objetivo es diseñar el sistema de control del nivel de agua en la cámara de carga para mantener un valor mínimo y constante y así garantizar una operación remota confiable y segura en la Central Hidroeléctrica de Cahua. El controlador a diseñar es del tipo Proporcional-Integral (PI), y podrá ser implementado en el actual sistema de control de la C.H. Cahua ya que sus controladores lógicos programables soportan este tipo de bloques de control en su programación. Primero se realizó el modelado dinámico de la central hidroeléctrica, específicamente del conjunto regulador-turbina-generador y cámara de carga, cuyos parámetros se obtuvieron de los datos técnicos de cada equipo o subsistema. Después se diseñó el controlador PI y se adicionó al modelo de la central, siendo la señal de control igual a la potencia generada por las turbinas, la cual es proporcional al caudal turbinado por las mismas. La entrada del sistema es el setpoint de nivel de la cámara de carga. La salida es el nivel de la cámara de carga. Y para efectos de las simulaciones realizadas, se implementa una entrada que representa el caudal de agua que ingresa a la cámara de carga. Las simulaciones y sintonización del controlador se realizaron con la herramienta PID Tuning del software Matlab – Simulink®. Se simularon varios escenarios y con diferentes ajustes del controlador, para seleccionar el que mejor performance tuvo de acuerdo con los requerimientos del control de nivel en la cámara de carga. Al final, los resultados de las simulaciones son graficados y analizados. Se verificó la estabilidad del sistema de control mediante dos métodos de comprobación y se verificó que el sobrepaso máximo del nivel de agua no exceda los límites del rango operativo de la cámara de carga, por lo tanto, se comprueba la factibilidad de implementar el control automático del nivel de agua en la cámara de carga de la C.H. Cahua.

Cahua’s Hydropower Plant (Cahua HPP) is operated remotely from the control room ubicated in Lima, Peru. Cahua HPP is a run-of-river hydropower plant with a capacity of 44 MW, and due to that it hasn’t any operator in site it’s important to guarantee the water level of the forebay within the safety operation limits in a reliable way. Therefore, the objective of this research work is designing a water level controller to maintain a minimum and constant value. The designed controller is of the type proportional-integral (PI) and can be implemented in the actual control system of the Cahua HPP because its controllers support this kind of control blocks in their programming capacity. We started from the dynamic model of the Cahua HPP, specifically the grouping regulator-turbine-generator and forebay, whose parameters were obtained from the datasheets of each equipment or subsystem. The PI controller was designed, and it was added to the Cahua HPP model, being the control signal equal to the power generated by the turbines, which is proportional to the turbinated flow. The input of the model is the water level setpoint in the forebay. The output of the model is the water level of the forebay. For simulation purposes, it was implemented and input representing the water flow entering the forebay. The simulations and tuning of the PI controller were made with the toolbox PID Tuning of the software Matlab – Simulink®. Were simulated some scenarios and with different controller adjustments, to select those one that had better performance according to the requirements of the water level operation of the forebay. The results of the simulations were graphed and analyzed. It was obtained good results within expected and the feasibility of implementing an automatic water level control in the Cahua HPP forebay is checked