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Abstract (German)

Im ersten Kapitel dieser Arbeit wird gezeigt, wie sich unter Benutzung der Quaternionen und der Algebra der Raumhyperkomplexe eine räumlich und zeitlich in sich geschlossene Darstellung der Synchrongeneratordynamik erreichen läßt. Die Modellierungsbasis besteht hierbei in der bekannten d-q-Achsentheorie, wobei die Einheitsrichtungen als raumhyperkomplexe Größen dargestellt werden. Der wesentliche Nachteil der bestehenden Raumzeigertheorie nach /59.Ko/, daß sich ausschließlich symmetrische Synchronmaschinen schlüssig beschreiben lassen, wird aufgezeigt und als Alternative die z–komplexe raumorientierte Darstellung für den allgemein gültigen Fall des IEC-Modells angeboten. Die linearen Beziehungen zwischen den magnetischen Flüssen und den elektrischen Strömen werden in raumhyperkomplexer Beschreibung angegeben, wobei zur impliziten Berücksichtigung der Symmetrieeigenschaften die Clifford Projektoren eingeführt und die linearen Fluß/Strom-Beziehungen in "*"- Notation abgeleitet werden. Das zweite Kapitel befaßt sich mit dem Entwurf des Beobachters für den Turbogenerator. Bei der Synthese des nichtlinearen Beobachters in "*"- Notation wird von zwei Teilbeobachtern ausgegangen: einem Teilbeobachter für den elektrischen und einem Teilbeobachter für den mechanischen Teil. Für den elektrischen Teilbeobachter werden konstante z-komplexe Rückführungskoeffizienten eingeführt. Die Beobachterstörungsrobustheit wird durch verschiedene Maßnahmen erreicht: Schätzung des mechanischen Antriebsmomentes, der Netzanschlußimpedanz und des Leitungswinkels. Auftretende Abweichungen im Transienten werden durch Einführung zusätzlicher Leistungswinkelrückführungen ausgeglichen und der Sättigungseinfluß durch eine Feldstromschätzung kompensiert. Die Bestimmung der z–komplexen und konstanten Rückführungskoeffizienten erfolgt mittels einer zweistufigen Optimierung. Anhand durchgeführter Schalthandlungen zur dynamischen Anregung des Turbogenerators wird der nichtlineare Turbogeneratorbeobachter online- und offline getestet und verifiziert. In dritten Kapitel wird die Spitzenlastgasturbine im GuD-Kraftwerk behandelt, und das nichtlineare Dynamikmodell der Kraftwerksgasturbine abgeleitet und erläutert. Das allgemeine algebraische Modell für den thermisch stationären Fall der Gasturbine wird abgeleitet und als Grundlage für die Entwicklung des nichtlinearen Leistungsdynamikmodells benutzt. In einer Zustandsraumbeschreibung werden die Leistungen und Massenströme als Systemzustände definiert. Bei der Entwicklung eines Druckmodells wird die meßbare Turbinenaustrittstemperatur als weitere Stützgröße eingeführt. Der im vierten Kapitel entworfene nichtlineare Gasturbinenbeobachter besteht aus drei Teilbeobachtern: dem Leistungsbeobachter, dem Massenstrombeobachter, dem Druckbeobachter und einer algebraischen Schätzung der Wirkungsgrade. Der Leistungsbeobachter rekonstruiert die Temperaturen und die thermischen bzw. mechanischen Leistungen und die nicht meßbare Turbineneintrittstemperatur. Der Beobachterzustandsfehler der Turbinenaustrittstemperatur wird zur Korrektur der thermischen Leistungen der Brennkammer und der Turbine eingesetzt. Eine zweite Rückführung unter Gebrauch des vom Turbogeneratorbeobachter gelieferten mechanischen Antriebsmomentes verwertete den Zustandsfehler des mechanischen Momentes zur Korrektur der thermischen Turbinen- und Verdichterleistung. Die statistische Bewertung der Zustandsrekonstruktion mittels Fehlerklassenhistogramm zeigt, daß die Zustände ausreichend genau rekonstruiert werden.

Abstract (English)

In the first chapter of this thesis the dynamic model of the synchronous generator dynamics is derived using quaternions and the algebra of space hypercomplexes. The modelling base is given by the well known d-q-axis theory, where the unit directions are determined as space hypercomplex states. It is pointed out, that using the "Raumzeiger"- theory just symmetrical synchronous machines are conclusively representable; as alternative the z-complex space oriented representation of the general IEC-model is proposed. The linear relations for fluxes and currents are given in a space hypercomplex representation, which implies the consideration of the symmetric properties and by introducing the Clifford projection coefficients the linear flux/current relations are derived. In the second chapter the design of the turbo generator observer is introduced. The synthesis of the nonlinear turbo generator observer in "*"- notation is subdivided in observers for the electrical part and the mechanical part. For the electrical part z-complex constant feedback coefficients are inducted. For enhancement of the observer robustness several measures are applied: estimation of the mechanical driving torque, the network connection impedance, the network line angle. Occurring transient deviations are compensated by introducing a load angle feedback and saturation effects are considered within a field current estimation. The feedback coefficients are determined by means of a two-stage optimisation procedure. Based on the execution of dynamical impacts of the turbo generator within comprehensive measuring phases the nonlinear turbo generator observer has been tested and verified online and offline. The third chapter deals with the gas turbine in the CGS-power station and the nonlinear dynamic model is presented. The general algebraic model for the thermal stationary case is derived and used as the basis for the design of the nonlinear dynamic performance model. Within a state space model the thermal power and the mass flows are determined as states. For designing the pressure model the measurable turbine outlet temperature is introduced as a further modelling variable. The non linear gas turbine observer introduced in the fourth chapter is realised as a distributed system and consists of three observers for the performances, the mass flows, the pressures and an algebraic estimation of the efficiencies. The performance observer reconstructs the temperatures, the thermal and mechanical power and the non measurable turbine inlet temperature. The observer estimation error of the turbine outlet temperature is used for correction of the thermal power of the combustion chamber and the turbine unit. A second feedback uses the mechanical torque provided by the turbo generator observer and the estimated driving torque for correction of the thermal power of the turbine and the compressor unit. The statistical evaluation of the state estimation by means of error class diagrams shows the sufficient accurate reconstruction of the states.

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