Analytical model and experimental validation of the mechanical fatigue in the penstock of an hydropower plant during primary and secondary frequency regulation

The displacement of electrical power production from conventional sources to renewable sources will require more flexibility and regulation duties to the remaining dispatchable generation, such as HydroPower Plants (HPP). Hydropower plants are a crucial generation asset providing a significant portion of electricity in certain countries and critical services to the grid, such as balancing power and ancillary services to the power grid. The increasing regulation duties required to HPPs providing regulation services to the grid will lead to increased wear and tear of mechanical components. In medium- and high- head plants a critical component for mechanical stress and fa- tigue is the pressurized pipe delivering water to the turbine, the so-called penstock. The stresses are due to hydraulic transients, also known as water hammer, which are generated in the penstock during sudden variations of the guide vane position. In the long run water hammer will cause fatigue in the pressurized conduits. Different solutions have been proposed. For example, low-pass filtering the grid fre- quency or applying a deadband might be effective solutions; however, they require manual tuning of the parameters and might lead to suboptimal plant operations. The work in [1] proposed a Model Predictive Control (MPC) that explicitly models the hydraulic transients within the penstock and that can predict water hammer and reduce guide-vane regulations to reduce fatigue. This thesis presents a methodological framework to enable the experimental validation of such an MPC in a Hardware- In- The- Loop (HIL) setting. In particular, it develops a digital twin of a 230 MW medium-head HPP with a Francis turbine, which is then used to emulate production in a reduced-scale power system model, considering also frequency regulations. HIL experiments show substantially reduced penstock fatigue, and problem resolution times compatible with real-time control requirements (less than 50 ms). This model is then used to emulate production in a reduced-scale power system model. This work also proposes a new model to consider the fatigue in the penstock based on the crack propagation theory. This novel fatigue model is compared against the already used approach based on the Wöhler curve. The crack propagation model is able to consider the damage more accurately and less conservatively but requires a more detailed knowledge about the initial state of the penstock (i.e., the exact geometry with also the shape deformations, the initial crack shape and dimension), which implies the need for Non-Destructive Inspections (NDI).

Lo spostamento della produzione di energia elettrica da fonti convenzionali a fonti rinnovabili richiederà una maggiore flessibilità e la necessità di regolazione da parte della restante generazione dispacciabile, come le centrali idroelettriche. Le centrali idroelettriche sono un asset di generazione cruciale che fornisce una parte significativa dell’elettricità in alcuni Paesi e servizi critici alla rete, come l’energia di bilanciamento e i servizi ausiliari alla rete elettrica. L’aumento dei compiti di regolazione richiesti alle centrali idroelettriche che forniscono servizi di regolazione alla rete porterà a una maggiore usura dei componenti meccanici. Negli impianti a media e alta prevalenza, un componente critico per le sollecitazioni meccaniche e la fatica è il condotto pressurizzato che porta l’acqua alla turbina, la cosiddetta condotta forzata. Le sollecitazioni sono dovute ai transitori idraulici, noti anche come colpi d’ariete, che si generano nella condotta forzata durante le variazioni improvvise della posizione delle palette di guida. A lungo andare, i colpi d’ariete causano l’affaticamento dei condotti pressurizzati. Sono state proposte diverse soluzioni. Ad esempio, usare il filtro passa-basso sulla frequenza di rete o l’applicazione di una banda morta potrebbero essere soluzioni efficaci; tuttavia, richiedono la regolazione manuale dei parametri e potrebbero portare a un funzionamento non ottimale dell’impianto. Il lavoro di [1] ha proposto un Model Predictive Control (MPC) che modella esplicitamente i transitori idraulici all’interno della condotta forzata e che può prevedere i colpi d’ariete e ridurre le regolazioni delle palette di guida per ridurre la fatica. Il presente lavoro presenta un quadro metodologico per consentire la validazione sperimentale di tale MPC in un ambiente HIL (Hardware-In-The-Loop). In particolare, viene sviluppato un twin digitale di una cen- trale idroelettrica di media potenza da 230 MW con turbina Francis, che viene poi utilizzato per emulare la produzione in un modello di sistema elettrico in scala ridotta, considerando anche le regolazioni di frequenza. Gli esperimenti HIL mostrano una riduzione sostanziale dell’affaticamento della condotta forzata e tempi di risoluzione dei problemi compatibili con i requisiti di controllo in tempo reale (meno di 50 ms). Questo modello viene poi utilizzato per emulare la produzione in un modello di sistema elettrico in scala ridotta. Questo lavoro propone anche un nuovo modello per considerare la fatica nella condotta forzata, basato sulla teoria della propagazione delle cricche. Questo nuovo modello di fatica viene confrontato con l’approccio già utilizzato basato sulla curva di Wöhler. Il modello di propagazione delle cricche è in grado di considerare il danno in modo più accurato e meno conservativo, ma richiede una conoscenza più dettagliata dello stato iniziale della condotta forzata (cioè, la geometria esatta con anche le deformazioni di forma, la forma e la dimensione iniziale della cricca), il che implica la necessità di ispezioni non distruttive (NDI).