Effizienterer und flexiblerer Betrieb von Wasserkraftwerken mit Varspeed-Generatoren

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1 Effizienterer und flexiblerer Betrieb von Wasserkraftwerken mit Varspeed-Generatoren In Wasserkraftwerken arbeiten Turbinen im sogenannten Bestnkt am effizientesten, da hier Drehzahl, Fallhöhe und Wasserdurchfluß am besten aufeinander abgestimmt sind. Je weiter entfernt eine Turbine von diesem Bestnkt betrieben wird, um so stärker sinkt der Wirkungsgrad. Der Gesamtwirkungsgrad kann jedoch trotz Schwankungen bei Fallhöhe und Durchfluß optimiert werden, wenn die Turbinen mit variabler Drehzahl betrieben werden. Das als ilotprojekt gewählte Wasserkraftwerk Comerto in Spanien wurde mit einem Varspeed-Generator von ABB ausgerüstet einer drehzahlregelbaren Maschine mit unter-/übersynchroner Stromrichterkaskade. Es wurde nachgewiesen, daß mit Varspeed ein höherer Anlagenwirkungsgrad, eine bessere Netzfrequenzregelung und eine flexiblere Leistungsregelung im umpbetrieb erreicht werden. B ei großen elektrischen Maschinen, die von Wasserturbinen angetrieben bzw. zum Antrieb von Speichermpen oder umpenturbinen eingesetzt werden, ist es durch Drehzahlverstellung möglich, einen höheren Gesamtwirkungsgrad der Anlage, eine flexiblere Leistungsregelung im umpbetrieb und eine bessere Netzfrequenzregelung zu erreichen. Für die Drehzahlverstellung bieten sich bei großen Maschinen mehrere Möglichkeiten an: olumschaltung, Ständerspeisung mit variabler Frequenz über einen lastgeführten Frequenzumrichter oder Einsatz einer unter-/übersynchronen Stromrichterkaskade, bei der eine Asynchronmaschine zweifach, d. h. über Ständer und Läufer, gespeist wird. ABB hat die Entwicklung in allen drei Bereichen maßgeblich mitbestimmt und jedes dieser Verfahren inzwischen erprobt. Die in Wasserkraft- und umpspeicherwerken eingesetzten Francis- und umpenturbinen haben ein Laufrad mit genau definierter Geometrie. Mit Hilfe von modernen Rechnerprogrammen und Laborversuchen mit maßstabgerechten Modellen wird die Laufradausführung für eine bestimmte Fallhöhe, einen bestimmten Durchfluß und eine bestimmte Drehzahl optimiert. Obwohl auf diese Weise sehr hohe Wirkungsgrade erzielt worden sind, gelten diese nur im sogenannten Bestnkt. Bei Abweichungen vom Bestnkt nimmt der Wirkungsgrad stark ab. Da der Betrieb einer Wasserturbine von Durchfluß und Fallhöhe abhängig ist und deshalb sehr starken Schwankungen unterworfen ist, machen die Turbinenkonstrukteure unter Berücksichtigung der herrschenden Betriebsbedingungen technische und wirtschaftliche Kompromisse. Auch etwaigen Instabilitäten und Kavitationszonen ist dabei Rechnung zu tragen. Der Betrieb der Maschine außerhalb des Bestnktbereichs führt nicht nur zu einem Abfall des José M. Merino Ángel López Asea Brown Boveri S.A. Wirkungsgrades, sondern auch zu einer Erhöhung der Gefahr von Kavitation oder Instabilität. Ferner besteht bei einer Maschine, die im umpbetrieb mit nur einer Drehzahl betrieben wird, keine Möglichkeit, die Fördermenge und damit die dem Netz entnommene Energie zu regeln. Synchronmaschinen haben naturgemäß eine Drehzahl und werden in Wasserkraftanlagen entweder von Turbinen angetrieben oder dienen als Antriebsmaschinen für umpen. ABB bietet folgende Ausführungen an, die eine Drehzahlverstellung gestatten [1 3]: olumschaltbare Synchronmaschinen Synchronmaschinen, deren Ständer über einen lastgeführten Frequenzumrichter mit variabler Frequenz gespeist wird Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer, der mit variabler Frequenz über eine unter- bzw. übersynchrone Stromrichterkaskade gespeist wird ilotprojekt Comerto ABB hat mit unter- bzw. übersynchronen Stromrichterkaskaden in Verbindung mit Frequenzumrichtern, wie sie bereits verschiedenen europäischen Eisenbahngesellschaften geliefert wurden, umfangreiche Erfahrungen gesammelt [4]. Ausgehend von diesem Erfahrungsschatz, wurde beschlossen, ein ilotprojekt in Angriff zu nehmen, mit dem die Vorteile der unter- bzw. übersynchronen Stromrichterkaskade für Wasserkraftanlagen aufgezeigt werden können. Als Standort für das ilotprojekt wurde das Wasserkraftwerk Comerto in Spanien gewählt. Dieses Kraftwerk gehört der Iberdrola S.A., die das rojekt über den spanischen Verband der Elektrizitätsversorgungsunternehmen (IE) zum Teil finanzierte. Das Wasserkraftwerk Comerto liegt am Oberlauf des Flusses Carrión in Velilla de Rio Carrión, rovinz alencia. Die wesentlichen Anlagendaten sind: Fallhöhe zwischen 102 und 63 m Zwei Maschinen mit je einer Francisturbine mit horizontaler Welle für 600 min 1 Nenndurchfluß 12 m 3 /s je Maschine Generatoren mit einer Nennleistung von 12,5 MVA ABB Technik 3/

2 n min % 82 % m 3 /s % 86 % Das Wasserkraftwerk befindet sich seit 1967 in Betrieb und ist über eine 3 km lange 46-kV-Leitung an die Freiluftschaltanlage eines benachbarten fossilen Kraftwerks angeschlossen. Sein Wasser erhält es vom größten Stausee des Carrión, der ein Fassungsvermögen von 95 Mio. m 3 hat. Die Wasserkraftanlage wurde ursprünglich für Bewässerungszwecke errichtet. Die Stromgewinnung hat nur zweitrangige Bedeutung. Aus diesem Grund wird das rogramm für die Wasserentnahme von der Flußverwaltungsbehörde bestimmt und primär auf die Erfordernisse der Landwirtschaft ausgerichtet. In der Regel reicht der Bewässerungszeitraum vom 1. April bis 1. Oktober, und während der restlichen Zeit des Jahres kann sich der Stausee wieder füllen. Dieses Jahresprogramm mußte bei der Entwicklung des ilotprojektes berücksichtigt werden. Höhere Leistung durch drehzahlvariablen Betrieb Eine Wasserkraftmaschine wird in [5] durch B.e.p. = 87 % η D folgende Werte gekennzeichnet: Drehzahl n 11 = n D / H (1) Durchfluß 11 = /(D 2 H ) (2) In diesen Gleichungen bezeichnet H die Nennfallhöhe, den Nenndurchfluß, n die Nenndrehzahl und D den Durchmesser des Turbinenläufers. Unter Zugrundelegung dieser Werte kann der Wirkungsgradverlauf für eine Wasserturbine oder eine im Turbinenbetrieb arbeitende umpenturbine wie in Diagramm 1, das auch als «Muschelkurven-Diagramm» bekannt ist, dargestellt werden. Wenn man für H,, n und D in den Gln. (1) und (2) die entsprechenden Zahlenwerte einsetzt, ergeben sich für n 11 und 11 Werte, die nahe beim Bestnkt liegen, bei dem die energetische Umwandlung optimal ist. Wenn die Werte für und n gleichbleiben und H nur bei 60% seines ursprünglichen Wertes liegt, zeigt 1, daß sich der Betriebsnkt nach A verlagert, was mit einer Wirkungsgradeinbuße von 87 auf 80% verbunden ist. Durch Senkung der Drehzahl auf 88% des ursprünglichen Wertes verlagert sich A C B Das Muschelkurven-Diagramm zeigt den Wirkungsgradverlauf einer umpenturbine bei Betrieb als Turbine. Eine Verschiebung des Betriebsnktes nach A (Wasserdurchfluß und Drehzahl bleiben gleich, Fallhöhe 60% des Anfangswertes) hat einen Wirkungsgradabfall von 87% auf 80% zur Folge. Der Wirkungsgrad kann durch Reduzierung der Drehzahl auf 88% wieder auf 83% (B) erhöht werden. Eine weitere Verbesserung ist durch Verringerung der Durchflußmenge möglich (C, D). n 11 Drehzahl (s. Gl. 1) B.e.p. Bestnkt 11 Durchfluß (s. Gl. 2) η Wirkungsgrad 1 der Betriebsnkt von A nach B, was eine Wirkungsgradsteigerung auf 83% zur Folge hat. Weitere Wirkungsgradverbesserungen konnten durch eine Verringerung des Wasserdurchflusses erzielt werden, wodurch sich der Betriebsnkt nach C und D verlagerte. Somit erhält der Bediener durch Änderung der Drehzahl im Turbinenbetrieb eine neue Möglichkeit, einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen. Im umpbetrieb verhält sich der Wirkungsgrad ähnlich. Bei umpen mit fester Laufradgeometrie sind die Möglichkeiten, die Förderleistung z. B. durch den Leitschaufelmechanismus zu steuern, begrenzt, doch lassen sich Förderhöhe, Fördermenge und Wellenleistung leicht durch Verstellen der Drehzahl ändern. Als Faustregel gelten folgende Beziehungen: Änderung der Förderhöhe H = k h n 2 (3) Änderung der Fördermenge = k q n (4) Änderung der Leistung = k p. n 3 (5) k h, k q und k p sind roportionalitätsfaktoren. 2 zeigt die Förderhöhe beim umpen in Abhängigkeit der Fördermengenkurven für vier verschiedene Drehzahlen zwischen 1,015 und 0,925. Dieses Diagramm zeigt, wie eine gegen einen konstanten statischen Druck arbeitende umpe unter Berücksichtigung der durch die Rohrleitung bedingten dynamischen Druckverluste gesteuert werden kann. In 3 sind die resultierenden Fördermengen sowie der Leistungsstellbereich als Funktion der Drehzahl dargestellt. Aus 2 ist leicht zu erkennen, daß eine umpe mit einer Drehzahl nur einen Arbeitsnkt hat und daß keine Eingriffsmöglichkeit besteht. Als Betriebsnkt gilt der Schnittnkt der Anlagenkennlinie S mit der Kurve für die Förderhöhe H in Abhängigkeit von der Fördermenge. Ein Betrieb mit veränderlicher Drehzahl ermöglicht nicht nur erheblich breitere Betriebsbereiche für Förderdruck und Fördermenge, sondern verhindert auch Kavitation und instabile Verhältnisse, die sich auf die Schwingungsverhältnisse, die Anlagenwartung und Lebensdauer sowie auf die 34 ABB Technik 3/1996

3 Flora und Fauna im Wasser auswirken können [3] n = n = Wichtigste technische Daten des n = ilotprojekts Comerto 1.1 n = Für das ilotprojekt Comerto wurde bei einem der beiden vorhandenen Wasserkraftgeneratoren S der Schenkelpolläufer durch einen Drehstrom-Schleifringläufer neuer Bauart ersetzt. Dabei kam ein Verfahren zur Anwendung, das auch für künftige Nachrüstprojekte H dieser Art geeignet ist Aus verständlichen Gründen konnte die Nennleistung des Generators nicht geändert werden. Allerdings haben die Be- schränkungen, die eine zweifach gespeiste Maschine in bezug auf den Magnetisierungsstrom mit sich bringt, zur Erkenntnis umpbetrieb mit variabler Drehzahl. Die Kennlinien für die Gesamtförderhöhe und die Wellenleistung gelten für eine optimale Öffnung der Leitschaufeln. 2 geführt, daß der Leistungsfaktor im Nor- H Förderhöhe S Anlagenkennlinie malbetrieb 1 sein sollte. Dadurch werden Fördermenge Regelbereich der Fördermenge die Einsatzmöglichkeiten im umpbetrieb in n umpendrehzahl Regelbereich der Wellenleistung keiner Weise eingeschränkt. Der Läufer wird über drei Transformatoren von einem in Thyristortechnik ausgeführten Wellenleistung Direktumrichter gemäß 4 gespeist. Im Normalbetrieb sind die Hauptregelfunkgelaufgaben und die Turbinenregelung Das ilotprojekt hat folgende Nenndaten: tionen auf zwei Regler verteilt, von denen übernimmt. Nennleistung 10 MW jeder bestimmte Aufgaben hat. Für den Datenaustausch zwischen den Leistungsfaktor 1 Die zur Regelung des Direktumrichters Reglern sind analoge und digitale Ein-/ Ausgänge Synchrondrehzahl 600 min 1 und der Asynchronmaschine erforderlichen vorhanden. Betriebsdrehzahlbereich ±10% Funktionen sind in einem Regler realisiert, Um den Änderungsaufwand so gering An der elektrischen Ausrüstung waren mehrere Änderungen notwendig. Dies betraf u. a. den bereits erwähnten Austausch des während der andere Regler allgemeine Re- wie möglich zu halten, wird die Turbine vom Schenkelpolläufers gegen einen Turboläufer 5, dessen Dreiphasenwicklung an Schleifringe Wellenleistungsregelung mit Drehzahlverstellung. Die Ergebnisse gelten für ein hydraulisches System mit fester statischer Förderhöhe. 3 angeschlossen wurde, die neue Läu- ferkaskade mit Frequenzumrichter (in diesem Fall ein Direktumrichter) und die Montage Fördermenge n umpendrehzahl Wellenleistung von drei Drehstromtransformatoren zur Anpassung der 50-Hz-Spannungsseite des Stromrichters an die Generatorspannung von 13,8 kv. Ferner mußte ein neues Anlagenleitsystem installiert werden Regelung Das im Wasserkraftwerk Comerto eingesetzte Regelkonzept setzt auf Drehzahlregelung über die Turbine und Leistungsregelung über die Asynchronmaschine n ABB Technik 3/

4 G kva 230/133 V 125 V TA 46 kv 13.8 kv TR S Hz S1 3 x 4170 kva 13.8 kv 3 x 2338 kva 10 MW 600 m 1 S 52-2 S 52-2 G 2 ursprünglichen hydromechanischen Regler geregelt, der hierfür speziell angepaßt wurde. Im Kraftwerk Comerto läßt sich der Drehzahlsollwert am Leitstand von Hand einstellen, damit das Verhalten der Maschine bei verschiedenen Drehzahlen innerhalb des Arbeitsbereiches gesteuert werden kann. Der Betriebsbereich der Gesamtanlage ist aus dem --Diagramm 6 ersichtlich. Als Hardware dient ein programmierbarer schneller Regler (SR) von ABB ein busorientiertes, programmierbares Mikroprozessorsystem mit Schnittstelle und Überwachungsmodul [6]. Die Anwendungssoftware für den SR wurde in benutzerfreundlicher FULA-Technik erstellt. Diese Funktionsblock-rogrammiersprache ist objektorientiert und stellt eine leistungsfähige grafische Umgebung zur Verfügung, die auf Standard-Cs läuft. rinzipschaltbild des Varspeed-Generators im Wasserkraftwerk Comerto, Spanien G1 Konventionelle Synchronmaschine TR Transformatoren G 2 Varspeed-Generator für den Direktumrichter CC Direktumrichter S1, S2 Trennschalter TA Eigenbedarfstransformator S 52 2 Leistungsschalter Läufer des Varspeed-Generators beim Einbau im Kraftwerk Comerto 5 CC 4 Schwingungsverhalten Wie bereits erwähnt, ist der Betrieb des Wasserkraftwerks Comerto gewissen Zwängen unterworfen, da die Bewässerung Vorrang hat. Hinzu kam, daß aufgrund von Verzögerungen bei der Herstellung einiger Ausrüstungsteile für die Montagearbeiten und die notwendigen Einstellungen vor der Inbetriebnahme weniger Zeit zur Verfügung stand, als ursprünglich geplant war. Die am rojekt beteiligten artner beschlossen deshalb, die Maschine während der im Jahr 1993 zur Verfügung stehenden Zeit teilweise im Asynchronbetrieb zu betreiben. Während der Inbetriebnahme traten im Ständergehäuse und -blechpaket unzulässig hohe Schwingungen auf, die durch den kombinierten Effekt zweier Faktoren verursacht wurden: Die Ständerwicklung des Generators ist als Bruchlochwicklung ausgeführt, so daß durch die Ankerrückwirkung Subharmonische auftreten. Bei den ursprünglichen Synchronmaschinen verursachte dieses hänomen relativ kleine Anregungskräfte. Da jedoch der Synchronläufer durch eine Asynchronausführung ersetzt wurde, war es notwendig, den Luftspalt zu verkleinern, um 36 ABB Technik 3/1996

5 den Magnetisierungsstrom so klein wie möglich zu halten. Der kleinere Luftspalt führte zu einer Vergrößerung der Ankerrückwirkung, was auch einen Anstieg der Anregungskräfte und größere Schwingungsamplituden zur Folge hatte. Die mechanische Resonanzfrequenz des Gehäuses und des Ständerblechpaketes der ursprünglichen Maschinen lag sehr nahe bei 100 Hz und fiel mit der Frequenz der Anregungskräfte zusammen. Da die Maschine innerhalb der Bewässerungssaison 1993 betrieben werden mußte, änderte man die Anschlüsse der Slen der Ständerwicklung derart, daß die durch die Ankerrückwirkung verursachten Subharmonischen und somit die Anregungskräfte reduziert wurden. Zwar erreichte man damit eine Verringerung des Schwingungspegels, doch war er immer noch zweimal so hoch wie der in den Normen erlaubte Höchstwert. Um die Schwingungsamplituden zu reduzieren, wurde die Maschine deshalb im Sommer 1993 nur mit 60% der Nennleistung betrieben. Zur Reduktion der unzulässigen Schwingungen wurden verschiedene Untersuchungen und rüfungen durchgeführt 7. Diese ergaben, daß zwischen Gehäuse und Bleckpaket eine starre Verbindung besteht, daß also die Schwingungen nur durch eine Verstärkung der Gehäuserippen gesenkt werden können. Man schweißte deshalb an jede einzelne Gehäuserippe eine radiale Verstärkung. Alle Änderungen am Gehäuse wurden vor Ort ausgeführt. Abschließende Schwingungsprüfungen ergaben, daß die Resonanzfrequenz durch diese Maßnahme auf 110 Hz verlagert wurde und das Schwingungsverhalten bei 100 Hz erheblich besser war. Die größte Schwingung, die an der Ständergehäuseabdeckung der drehzahlvariablen Maschine gemessen wurde, betrug 10 mm/s ein Wert, der mit den an der Synchronmaschine gemessenen 7,5 mm/s vergleichbar ist. Alle diese Werte liegen innerhalb der in den Normen für diese Art von Maschinen festgelegten Grenzwerte. Schwingungsprobleme können bei einer Nachrüstung mit Varspeed dann auftreten, wenn der Läufer geändert wird, aber die 4 Mvar MW 0 Leistungsdiagramm für das ilotprojekt Comerto unkte 1 8 Wirkleistung Blindleistung rüfnkte bei 100% Drehzahl Schwingungsprüfungen am Varspeed-Generator im Wasserkraftwerk Comerto Ständerkonfiguration unverändert bleibt. ABB hat auf diesem Gebiet umfangreiche Erfahrungen gesammelt und verfügt auch über alle Meß- und Analyseeinrichtungen, die erforderlich sind, um die Erfolgsaussichten von Nachrüstprojekten beurteilen zu können, d. h. um die Frage zu beantworten, ob es sich lohnt, vorhandene Maschinen für den Betrieb mit variabler Drehzahl nachzurüsten. 6 7 ABB Technik 3/

6 H (m) (MWx10) A (%) s 2400 Inbetriebnahme Die Vorgabezeit für das Comerto-rojekt betrug bis zum Abschluß der Inbetriebnahme des Varspeed-Generators im März Monate. Aufgrund der wegen des Bewässerungsprogramms notwendigen Betriebseinschränkungen mußte die Inbetriebnahme in zwei hasen durchgeführt werden: Asynchronbetrieb der Maschine im Sommer 1993, Betrieb mit variabler Drehzahl nach der Bewässerungsperiode Der komplette Varspeed-Generator wurde im März 1994 in Betrieb genommen. Dabei hat man folgende rüfungen durchgeführt: Drehzahlreglerprüfung Synchronisier- und Zuschaltprüfung Wirk- und Blindleistungsmessung Lastabschaltversuche Drehzahl-Sollwertprüfungen bei verschiedenen Leistungen rüfung der Ein- und Ausschaltfolge rüfung der Fernbedienung Die rüfergebnisse bestätigten das gute Betriebsverhalten des Gesamtsystems vom Hydraulikkreis bis zum Stromnetz. Ein Oszillogramm, das die sich ändernde Drehzahl bei konstanter Leistung zeigt, ist in 8 dargestellt. t H A Drehzahländerungen bei konstanter Leistung n 160 % 140 H Fallhöhe A Öffnung der Turbinenleitschaufeln Wirkleistung n Drehzahl Betriebserfahrungen Das ilotprojekt Comerto läuft bereits seit drei Jahren. Die im Jahr 1993 beim Asynchronbetrieb erzielten Ergebnisse waren aus verständlichen Gründen weniger aufschlußreich als die im Jahr 1994 gesammelten Ergebnisse, als der umgebaute Generator mit variabler Drehzahl betrieben wurde. Die Übergabe an die Iberdrola S.A. erfolgte 1995; in diesem Jahr brachte es die Anlage auf ungefähr 2500 Betriebsstunden. Die Betriebszeit im Asynchronbetrieb betrug ebenfalls 2500 Stunden. In dieser Zeit wurden mit dem 10-MW-Asynchrongenerator wertvolle Erfahrungen gesammelt, da die Maschine konstant bei einem Schwingungspegel entsprechend dem Zweifachen des in den Normen angegebenen Höchstwerts betrieben wurde. Eine genauere Untersuchung hat man 1994 durchgeführt, weil der Generator in dieser Zeit ausschließlich mit variabler Drehzahl betrieben wurde. In dieser Zeit wurden 2855 Betriebsstunden bei einer durchschnittlichen Leistung von 7602 kw registriert. Seit Anfang 1995 läuft die Anlage Comerto mit dem Varspeed-Generator ohne jede betriebliche Einschränkung, d. h. daß die Schwingungsprobleme gelöst wurden. n 8 Die bisher aufgetretenen Betriebsstörungen waren unerheblich und konnten bereits durch kleine Änderungen an der Ausrüstung und der Software behoben werden. Heute weist der umgerüstete Varspeed-Generator die gleiche Verfügbarkeit auf wie die parallel dazu arbeitende ursprüngliche Synchronmaschine. Wegen seiner Flexibilität wird der Varspeed-Generator vorzugsweise dann eingesetzt, wenn das Kraftwerk im Teillastbereich betrieben werden muß. Literaturhinweise [1] Stemmler, H.; Vögele H.; Galasso G.: ump-turbines with pole changing or variable speed motor generators. CICEM, [2] Terens, L.; Schäfer R.: Variable speed in hydropower generation utilizing static frequency converters. Water ower 93. roceedings of the International Conference on Hydro ower, pp Nashville, Tennessee, August [3] Käling, B.; Schütte T.: Adjustable speed for hydropower applications. ASME Joint International ower Generation Conference. hoenix, Arizona, 2 6 October [4] Brugisser, W. L.: Größte rotierende Netzkupplungs-Umformer für Bahnnetze die Anlagen Kerzers und Seebach, Schweiz. Brown Boveri Mitt. 65 (1978) 11, [5] Raabe, J.: Hydro ower. The design, use and function of hydromechanical, hydraulic and electrical equipment. VDI Verlag, Düsseldorf, [6] Steimer,.; Hartmann.; errin, C.; Rufer, A.: SR das weltweit schnellste, nach Funktionsplan programmierte Regelungssystem. ABB Technik 2/93, Adresse der Autoren José M. Merino Ángel López Asea Brown Boveri S.A. División Imasde.O. box 1271 E Bilbao Telefax: ABB Technik 3/1996