SWV Fachtagung Wasserkraft

Transkript

1 SWV Fachtagung Wasserkraft PSW mit variabler Pumpleistung Thomas Kunz Luzern, 08. November 2012

2 Agenda Maschinen mit variabler Drehzahl Seite 3 Technische Herausforderungen Seite 10 Zusammenfassung Seite 19 Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 2

3 Maschinen mit variabler Drehzahl Marktanforderungen Integration von Erneuerbare Energien Neue Bedürfnisse Mehrere e e Starts ts pro Tag Teillastbetrieb Primärregulierung im Pumpbetrieb Höhere Flexibilität Anforderungen Maschinensätze Lebensdauer für hohe h Anzahl Zyklen P/T mit grossem Betriebsbereich Maschinensätze für variable Pumpenleistung Flexibel, zuverlässig und mit hohem Wirkungsgrad Hydro Wind Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 3 Solar

4 Maschinen mit variabler Drehzahl Marktanforderungen Charakteristik von Pumpspeicherwerken Generelle Charakteristik Reaktionszeit Kapazität für Regulierung 5 to 500 MW > 8 Stunden Vollast 10 to 2000 m > 80% ~ 15 sec < 2/4 Minuten 25% to 100% 70% to 100% Leistung Speicherkapazität Fallhöhen Zyklus-Wirkungsgrad 50% to 100% Produktion Startzeiten (T/P) Regelbarer Produktionsbereich Regelbarer Pumpbereich (Variable speed Maschinen) Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 4

5 Maschinen mit variabler Drehzahl Technisches Konzept Fallhöhe H max Pumpbetrieb Variation Fallhöhe H 1.25 H max H min n sync 1 Betriebspunkt n max Fixe Drehzahl Variable Drehzahl H min Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 5 H min n min Durchfluss-Variation Leistungsanpassung Durchfluss

6 Maschinen mit variabler Drehzahl Technisches Konzept Lösung mit DASM und AC Erregung Doppeltgespeiste Asynchronmaschine + Drehzahl hlvariabel + Leistungsregelung im Turbinen- und Pumpbetrieb Kleinere Leistungsdichte (Kosten) Reversible Francis P/T Statischer Frequenzumrichter (VSI) DASM rotor GE Energy, power conversion (Deutschland) Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 6

7 Maschinen mit variabler Drehzahl Technisches Konzept Übersicht der Vorteile Leistungsregelung im Pumpbetrieb Höherer Zyklus-Wirkungsgrad Verbesserte Netzstabilität Bessere Betriebsbedingungen Höhere Flexibilität (Primär-Frequenzregelung) Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 7

8 Maschinen mit variabler Drehzahl Aktuelle Projekte Neuanlagen in der Schweiz Nant de Drance Linthal 2015 Leistung 6 x 150 MW Leistung 4 x 250 MW Fallhöhe m Fallhöhe m Drehzahl ± 7 % min -1 Drehzahl 500 ± 6 % min -1 Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 8

9 Agenda Maschinen mit variabler Drehzahl Seite 3 Technische Herausforderungen Seite 10 Zusammenfassung Page 19 Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 9

10 Technische Herausforderungen Pump-Turbine Best practice im Hydraulischen Design ALSTOM Erfahrung Preliminary Hydraulic Design (geometry) Kunden Spezifikation Modification NO NO i S k C l l i d Definition iti und Optimierung i vom hydraulischen Design Navier Stokes Calculation and Design Optimisation In Pump & in Turbine modes OK Mechanical Validation OK Design Methodik CFD Simulationen Modelversuche Model Manufacturing NO Preliminary Model Test OK Contractual Model Test Model Versuch Validierung ld der garantierten Wirkungsgrade und Charakteristik Industrialisation Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 10

11 Technische Herausforderungen Motor Generator Entwicklungsschritte (Übersicht) Technische Konzepte und Design Labortests für Einzelkomponenten und Materialien Rotormodelle (reduzierte Grösse) Prototype-Rotor (250 MW, 500 rpm) Design-Optimierung und Validierung unter Einbezug von Fabrikation, at Beschaffung und Montage Rotor für Linthal 2015 PSW Limmern (Schweiz) Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 11

12 Technische Herausforderungen Motor Generator Beispiel Rotorwicklung Entwicklungsbedarf Angepasste gp Isolation und Glimmschutz für den Betrieb mit VSI (Spannungsform) Konstruktionsrichtlinien für Luftabstände Labortests Lebensdauer, Hochspannungstest und PD für unterschiedliche Frequenzen und Spannungsspitzen p Einzelstabprüfung und Rotor bewickelt Qualifikation von Isolationssystem und Glimmschutz Testen vom Glimmschutz Spannungsform VSI Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 12

13 Technische Herausforderungen Integration Transmission code Fault ride through Fault Ride Through 3-phasiger Kurzschluss am Maschinen-Trafo 150 Millisekunden Dimensionierung VSI Während FRT muss der Schutz im Betrieb sein Grid Voltage [% ] Time [ms] (Konventionelle Anlagen erfüllen diese Anforderungen nicht zwingend) Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 13

14 Technische Herausforderungen Integration Verluste vom VSI und Betriebspunkte Turbinenbetrieb Variable Pumpleistung Auslegungskriterien für VSI (AC Erregung) Transmission i Code (Blindleistung, Spannungsbereich, FRT) Startzeiten Bild: GE Energy, power conversion (Deutschland) Redundanz Bedeutender Einfluss auf die Optimierung des Gesamtsystems (Betrieb der Anlage vs Investitionen) Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 14

15 Technische Herausforderungen Integration Entwicklung und Echtzeit-Simulationen Kommunikation zwischen SPMax, AC Erregung und Leitsystem Testen von Hardware und Software Projektspezifische Optimierung (Sequenzen, Grid code) Testphase für Linthal 2015 Maschinensteuerung Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 15

16 Technische Herausforderungen Integration Konventionelle Wandler und Sensoren müssen optimiert i t werden (Rotor-Erdschlusserkennung) Am Markt vorhandene Standardrelais sind nicht ausreichend Af Anforderungen vom Grid GidCd Code (stabil im Fall von FRT) Schutz (Rotorerdschluss) Bestimmung der notwendigen Schutzeinrichtungen erfordert Kenntnis der Anlage in allen Betriebsarten Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 16

17 Technische Herausforderungen Integration Anwendungen Kurzschluss-Schalter (Anlauf) Generator-Leistungsschalter (Betrieb) Leistungsschalter Spezifikation Schalten von tiefen Frequenzen und DC-Komponenten IM Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 17

18 Agenda Maschinen mit variabler Drehzahl Page 3 Technische Herausforderungen Page 10 Zusammenfassung Page 19 Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 18

19 Zusammenfassung Die Optimierung von Pumpspeicheranlagen erfordert Erfahrung sowie übergeordnete Systemkenntnisse Neue Regulierungen der Netzbetreiber haben einen signifikanten Einfluss auf die Projektierung neuer Pumpspeicherwerke Alstom liefert zur Zeit mehr als 10 Maschinensätze mit variablen Drehzahl für grosse PSW. Die Industrialisierung der sowie Echtzeit-Simulationen sind im Gange Variable Speed Technologie Linthal /11/ P 19

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