Mit Wasserkraft zu mehr Netzstabilität

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1 Mit Wsserkrft zu mehr Netzstilität Technologien zur optimlen Integrtion der neuen erneuerren Energien Mit der Energiewende wird in den kommenden Jhren uch die Wichtigkeit eines stilen und sicheren Stromnetzes zunehmen. Flexile und schnell regelre Wsserkrftwerke können dei wesentlich zur Netzstilität eitrgen. Dies erfordert einen optimlen Einstz der elektromechnischen Ausrüstung. Der vorliegende Artikel wirft einen Blick uf die ktuellen technologischen Entwicklungen. Mirjm Sick, Johnn Hell, Werner Ldstätter Energie- und Strommrkt ent wickeln sich zurzeit rsch und wenig vorhersehr. Der Ausu und die Förderung der neuen erneuerren Energien, insesondere Wind und Fotovoltik, spielen hierei in Europ eine herusrgende Rolle. Vieles ist ddurch unsicher: die zukünftige Strompreisgestltung und dmit die Wirtschftlichkeit von Krftwerken, der zukünftige Bedrf n Energiespeicherung und dmit uch die Frge, wie sich Einstz, Ausu und Wirtschftlichkeit von Wsserkrftwerken in Zukunft gestlten werden. Zwr ht der Schweizer Ntionlrt eschlossen, Investitionen in Wsserkrft zu fördern. Dennoch sind die Betreier mit Investitionen in die Erneuerung estehender Anlgen und noch mehr in neue Anlgen sehr vorsichtig geworden. Bei ller Plnungsunsicherheit eines lässt sich mit grosser Sicherheit in die Zukunftsszenrien einplnen: Stilität und Sicherheit des Stromnetzes, schon jetzt dominnte Themen, werden uch in Zukunft eine gnz grosse technische Herusforderung sein. Denn die erneuerren Energien werden weiter usgeut und ds Stromnetz wird stärker ensprucht werden. Stromtrnsport üer weite Strecken in nur edingt vorhersgren Quntitäten wird n Bedeutung gewinnen, und die Hltung von Frequenz und Spnnung im Netz wird ein zentrles Them leien. Dmit können Investitionen in Wsserkrftnlgen hinsichtlich der technischen Spezifiktionen sehr gut in die Zukunft geplnt werden: Mssnhmen, die zur Netzstilität eitrgen und zu einem flexileren, esser und schneller regelren Einstz der Krftwerke führen, sind eine gute Investition in die Zukunft. In diesem Artikel werden die wesentlichen technologischen Weiterentwicklungen der elektromechnischen Ausrüstung von Wsserkrftwerken vorgestellt, mit denen die Anforderungen hinsichtlich eines stilen und sicheren Netzetries zukunftsweisend erfüllt werden können, nämlich die schnelle Bereitstellung von Blindleistung zur Spnnungshltung sowie von Wirkleistung zur Frequenzhltung. Regelung und Stilität der elektrischen Energiesysteme Wir sind es gewohnt, Auslegung und Einstz von Wsserkrftwerken optiml uf die Gegeenheiten der Topogrfie und des Wsserhushltes uszurichten. Mittlerweile sind er die Regelung und Stilität der elektrischen Energiesysteme für die Krftwerksetreier eine eenso edeutungsvolle Rndedingung für die Optimierung der elektromechnischen Ausrüstung geworden. Dies wird m Beispiel einer Studie von Ederer et l. [1] deutlich, die ds Verhlten des elektrischen Netzes von Neufundlnd je nch Typ der eingesetzten elektrischen U / p.u. 1,0 U rec2 U rec1 U cler U ret 0 t cler t rec1 t rec2 t rec3 t / sec Bild 1 Rohrturine (links), chrkteristische Spnnungsverläufe m Netzverknüpfungspunkt (rechts). Rechte Seite: Schwrz: Bsiskurve Entso-E, Netzetreier legen die konkreten Werte fest; Grün: zulässiger Spnnungsverluf; Rot: Spnnungsverluf, ei dem die Mschine vom Netz genommen wird. 35

2 Strt Stop 0% Lst Teillst Optimum Sttisch mn ds gesmte System nschut viele Lösungen möglich, mechnische, elektrische, und uch Komintionen. Mit dieser gnzheitlichen Betrchtung wird es möglich, eine sowohl technisch ls uch wirtschftlich optimle Lösung zu entwickeln und ereitzustellen. Betriesweise Mschinen untersucht. Dieser Fll ist technisch sehr herusfordernd, weil ds Inselnetz Neufundlnd üer eine Hochspnnung-Gleichstrom-Üertrgungsleitung (HGÜ) mit dem kndischen Stromnetz verunden ist, lso nicht synchron, und drum nicht im Verund eines grossen elektrischen Netzes stilisiert wird. Im Fll eines schwerwiegenden Fehlers (Wirkleistungsfehlers) im Netz zeigt sich, dss Wirk- und Blindleistungsilnz gemeinsm etrchtet werden müssen, und dss dfür dynmische Simultionen notwendig sind. Mit solchen Simultionen ist es möglich, die Effizienz verschiedener elektrischer Mschinentypen, zum Beispiel von Synchronmschinen oder doppelt gespeisten Asynchronmschinen, ezüglich Ausregelung von Leistungseinrüchen im Netz zu üerprüfen, und optimle Prmeter für die elektrischen Mschinen zu estimmen. D ds Stromnetz in Europ wesentlich grösser ist und ddurch Schwnkungen esser usgeglichen werden, sind die Regelnforderungen n die Krftwerke heute nicht so hoch wie in Inselnetzen. Wir dürfen er dvon usgehen, dss die Regelnforderungen steigen, und dss technische Lösungen, die heute für Inselnetze entwickelt werden, morgen uch in den europäischen Krftwerken gefrgt sein werden. Schwungmsse der Rohrturine Am Beispiel des Inselnetzes Neufundlnd wird deutlich, dss die Fähigkeit einer elektrischen Mschine, kurzfristig Wirkleistung zu speichern und zugeen, neen der Blindleistungsregelung unedingt notwendig ist, um ds elektrische Netz stil zu hlten. Die kurzfristige Age oder Aufnhme von Wirkleistung erfolgt in den konventionellen Anlgen, lso uch in den Wsserkrftwerken, Leensduernlyse Mterileigenschften Bild 2 Berechnungsmethodik für die Leensduernlyse eines Turinenlufrdes für unterschiedliche Betriesereiche: Strt-Stopp, 0 % Lst is Teillst: stochstische Ansätze, üer 50 % Lst hrmonische Anlyse. durch die Schwungmsse der rotierenden Mschine. Mit der Zunhme von Windkrftnlgen und Fotovoltiknlgen fehlt im Netz zusehends die Schwungmsse und dmit Stilität und Regelrkeit. Dieser Entwicklung wird von Netzetreierseite us Rechnung getrgen: Die Anforderungen n die Stromerzeugungsnlgen ezüglich Spnnungs- und Frequenzhltung werden im Grid Code der Entso-E neu definiert. [2] Eine Anforderung n die Anlgen wurde verschärft, nämlich die Fähigkeit der Mschine, ei einem unvorhergesehenen Spnnungsfll m Netzverknüpfungspunkt synchron weiteretrieen werden zu können (Low Voltge Ride Through, LVRT). Mschinen mit geringer Schwungmsse eschleunigen in einem solchen Fehlerfll sehr schnell und können nicht mehr eingefngen werden. Rohrturinen hen ufgrund ihrer Buform eine geringe Schwungmsse und werden generell die neuen Anforderungen der Netzetreier nicht erfüllen (Bild 1). Auch wenn die estehenden Anlgen heute noch nicht umgerüstet werden müssen in nher Zukunft wird eine neue technische Lösung gerucht. Für den Hersteller des gesmten elektromechnischen Systems ist dies eine idele Herusforderung, denn es sind wenn Primärregelenergie us Wsserkrft Schnelle Regelrkeit grosser Leistungen ist neen der Schwrzstrtfähigkeit der wesentliche Beitrg der Wsserkrft zur Sicherheit und Stilität des elektri schen Netzes. Die Anforderung seitens Entso-E n Primärregelenergie lutet, innerhl von 30 Sekunden die Leistung vollumfänglich ns Netz zu liefern, und diese Leistung für 15 Minuten lng zu hlten. Zur Frequenzhltung und Gewährleistung genügender Leistung enötigt der Netzetreier usreichende Primärregelungskpzitäten. Zurzeit wer den diese von thermischen Krftwerken und von Wsserkrftwerken gestellt, die dfür häufig in Teillst oder, ls rotierende Reserve, ohne Lst etrieen werden. Für die elektrische Mschine ist dies kein Prolem, für die Turinen edeutet ein solch flexiler Betrie er eine extreme Belstung, weil die Strömung weit vom optimlen Betriespunkt sehr viel turulenter und wireldominiert ist, Kvittion uftreten knn, und weil in Zonen hoher Druckpulstionen gefhren werden muss. Die wesentlich unruhigere Strömung ewirkt wesentlich höhere Spnnungsmplituden und veränderte mechnische Spnnungsverläufe in den Turinenkomponenten und vor llem im Turinenlufrd. Um den Trend der vergngenen Jhre zu kompkterer Buweise und höherer Leistungsdichte der Mschinen zusmmen mit dem flexileren Betrie der Mschinen technisch möglich zu mchen, Bild 3 Polleche einer estehenden Anlge (links) und FEM-Modell einer Modifiktion zur Reduktion der Spnnungen (rechts). 36

3 Tempertur / C Copper Insultion Teeth ,5 1 1,5 2 2,5 3 Insulted Copper Strnds Roeel Br Yoke Air Inner Potentil Grding Ground Lyer sind hydrulische und mechnische Weiterentwicklungen notwendig gewesen, die mit den lten Berechnungsmethoden jedoch viel zu risknt gewesen wären. Die Berechnungsmethoden für Strömung und mechnische Belstung wurden in der Hydro-Industrie intensiv weiterentwickelt und nhnd von Messungen vlidiert, um heute flexiel und sicher etreire Turinen zu liefern. In Bild 2 sind n der Turinenschufel gemessene mechnische Spnnungsverläufe für verschiedene Betriespunkte drgestellt. Aufgrund des hohen Turulenzgrdes ei niedriger Lst und Anfhren (Strt-Stopp) ist die Belstung der Struktur strk und stochstisch. Für die Leensduernlyse sind hier entsprechend sttistische Methoden ent wickelt worden. Für den Betrie ei hoher Teillst, Optimum und Volllst ist die dynmische Belstung der Turine von der hrmonischen Anregung durch die Interktion von sttionärem Leitpprt und rotierendem Lufrd dominiert. Entsprechend siert die Leensduer nlyse des Luf rdes uf der Anlyse der hrmonischen Anregung Stunden / h Min Insultion Outer Coron Protection Elstic Winding Support Slot Wedge Bild 4 Temperturverluf in den einzelnen Komponenten der HV-Isoltion der Sttorwicklung (oen), Aufu der HV-Isoltion (unten). Slot Wll und den ddurch induzierten Spnnungen. Die Auswirkung unter schiedlicher Betriesweisen uf die Leens duer der Turinen wird derzeit intensiv und systemtisch untersucht [3], um den sicheren Betrie und die Leens duer estehender und neuer Anlgen zu gewährleisten. Für die Betreier von Wsserkrftwerken ist es essenziell, dss ihr Liefernt die Leensduer der M schinen eherrscht und gewährleistet. D noch nicht lle Grenzen des flexilen Betriees usgelotet sind, wird uf diesem Geiet intensiv geforscht. Im Rhmen des Forschungsprojektes Green Storge Grid [4], ds sich mit zukünftigen Energiesystemen und Energiespeicherung efsst, werden n Speicherkrftwerken umfssende Messungen durchgeführt, um die Auswirkungen der flexilen Betriesweise uf die Leensduer der Turinen zu erfssen und zukünftig genuere Leensduernlysen durchführen zu können. Insesondere werden die Strömungssimultion und mechnische Anlyse der trnsienten Vorgänge Anfhren und Herunterfhren der Mschinensätze weiterentwickelt. Ziel dieser Entwicklungstätigkeit ist, Turinen optiml für flexile Betriesweisen zu entwickeln, die dei sehr roust sind. Anfhrvorgng Strt-Stopp Mit den gestiegenen Anforderungen zur Regelung des elektrischen Netzes werden die Mschinensätze in Wsserkrftwerken sehr viel häufiger ngefhren und wieder gestoppt. Bei neuen Mschinensätzen werden heute ülicherweise mehrere Anfhrvorgänge pro Tg spezifiziert. Ds Anfhren edeutet für ds Lufrd der Turine eine extreme Belstung, wie ds in Bild 2 links gut zu erkennen ist. Eenso sind Genertoren eim Anfhren hohen Belstungen usgesetzt, und zwr mechnischen Belstungen in den hoch elsteten Buteilen des Rotors (Polendpltten und Polleche) und thermisch-mechnischen Belstungen in der Hochspnnungsisoltion des Sttors. [5] Die Leensduernlyse des Rotors ist entsprechend der Brisnz dieser Prolemtik sehr viel weiter entwickelt worden und wird von den Betreiern der Krftwerke zum Teil schon eingefordert, gerde uch für estehende Anlgen, die heute flexiler etrieen werden, ls ei der Plnung der Anlge vorgesehen wr. Ein konkretes Beispiel ist in Bild 3 zu sehen. Die Leensduernlyse des Rotors zeigte die Notwendigkeit einer Revision des Genertors, ws dnn ei der Inspektion estätigt wurde: Es wurden Risse in den Pollechen festgestellt, und so konnten die notwendigen Reprturmssnhmen rechtzeitig eingeleitet werden. Jeder Anfhrvorgng führt zu thermischen Spnnungen in der Isoltion, wie in Bild 4 oen zu sehen ist. Die einzelnen Komponenten der Sttorwicklung erwärmen sich unterschiedlich strk, ws zu thermisch edingten Spnnungen zwischen den einzelnen Lgen führt. Drus resultiert ds Risiko einer Alösung der Isoltionslgen von den Kupferteilleitern und dmit einher gehend Teilentldungen und zusätzlicher Belstung der Isoltion, die je nch Design uch Schädigungen verurschen können. Die Weiterentwicklung der Hochspnnungsisoltion der Sttorwicklung von Hydrogenertoren ist ein vitles Forschungsthem, um immer flexileren Betrie der Krftwerke ohne Proleme zu ermöglichen. Eine weitere Anforderung n die Isoltion entsteht eim Einstz von Frequenzumrichtern für den Betrie mit vriler Drehzhl und die resultierenden Spnnungsspitzen in der Sttorwicklung. Auch uf diesem Geiet wird ktiv geforscht und entwickelt. 37

4 Bilder: Andritz Hydro pu 1,01 c MW 1 0,99 0,98 0,97 0, Hydro Power Sttion FIXED speed VARIABLE speed turine genertor turine genertor converter Trnsmission line 400 kv 400 kv time / s Susttion 400 kv FIX VAR time / s FIX VAR Bild 5 Oen: Üersicht üer ds System Wsserkrftwerk elektrisches Netz; Mitte/unten: Simultionsergenisse für fixe Drehzhl (rot) und vrile Drehzhl (lu). grid Systeme mit vriler Drehzhl Die Technologie «vrile Drehzhl» ist im Bereich Wsserkrft zunächst in erster Linie zur Optimierung des Pumpetriees in Pumpspeicherwerken entwickelt worden, um die Leistungsufnhme der Pumpe üer die Drehzhl steuern zu können. Prominentes Beispiel hierfür ist die Anlge Goldisthl, eines der grössten Pumpspeicherwerke Europs, in dem zwei von vier 340-MVA-Mschinen drehzhlvriel etrieen werden. [6] Mit der Möglichkeit, die Pumpenleistung flexiel steuern zu können, ist die Teilnhme m Primärregelenergiemrkt vollumfänglich möglich, die höhere Investition ist wirtschftlich. Während in der Anlge Goldisthl die Drehzhlvriilität mittels eines Umrichters im Rotorkreis einer Asynchronmschine relisiert wurde, ieten Vollumrichter n den Sttorklemmen einer Synchronmschine die Möglichkeit, die gesmte Leistung und die Drehzhl zu regeln. Ddurch wird der Mschinenstz vom Netz entkoppelt, der Leistungsfluss läuft komplett üer den Umrichter, und es eröffnen sich gnz neue Möglichkeiten ezüglich des Beitrges des Krftwerks zur Netzstilisierung. Wirk- und Blindleistung können unhängig geregelt werden, in der Primärregelung sind Rektionszeiten im Bereich von 1/10 Sekunden möglich. Gezeigt wird ds in einer Simultion des elektrisch-hydrulischen Systems eines 100 MW-(120 MVA)-Wsserkrftwerks im Inselnetz für den Fll einer mssiven Störung, in der eine Erzeugungseinheit usfällt (Bild 5). [7] Die Unterschiede zwischen fester und vriler Drehzhl lösung sind im Verluf von Drehzhl und gegeener Leistung des Wsserkrftwerkes nch dem Ausfll klr zu sehen. Im Fll des drehzhlgeregelten Krftwerkes wird der Leistungsfluss vorgegeen, ws die Regelung des Netzes wesentlich stilisiert. Verschieen wir die Perspektive jetzt wieder zur hydrulischen Mschine: Ws edeutet die schnelle Regelung üer vrile Drehzhl für ds hydrulische System und die mechnische Belstung in der Pumpturine? Im EU-FP7-Progrmm-geförderten interntionlen Forschungsprojekt «Hyperole» [8] unter Leitung des IMHEF der EPFL wird diese Frge untersucht, neen weiteren technischen Frgestellungen zum hydrulischmechnisch-elektrischen System Wsserkrftwerk, mit dem Ziel, es optiml zur Netzstilisierung einzusetzen. Für den Turinenetrie ist der Einstz von Vollumrichtern heute noch nicht wirtschftlich, weil der Zugewinn n Wirkungsgrd in der Teillst durch die Verluste des Umrichters kompensiert wird. Dies wird sich zukünftig mit dem Einstz von den neu entwickelten Multilevel-Umrichtern ändern, die deutlich geringere Verluste hen. Für Betreier von Pumpspeicherkrftwerken mit ternären Sätzen, die heute nur die Pumpe mit vriler Drehzhl etreien, wird es wirtschftlich ttrktiv werden, uch die Turine mit vriler Drehzhl zu etreien. Der Zugewinn n Jhresenergie ei grossen Fllhöhendifferenzen ist hier nur ein Aspekt, ein nderer ist die Möglichkeit, die Turine uch in Teillst ruhig zu etreien, und den kvittionsfreien Betriesereich zu erweitern. Referenzen [1] J. Ederer, H. Renner, J. Hell, Vergleich netzstilisierender Technologien in einem HGÜ-gespeisten Inselnetz, Elektrotechnik & Informtionstechnik Heft 7, 2014, Springer Verlg Wien. [2] Entso-E, Network Code for Requirements for Grid Connection pplicle to ll Genertors , [Online], [3] X. Hung, J. Chmerlnd-Luzon, C. Orm, A. Klopfer, N. Ruchonnet, Ftigue nlyses of the prototype Frncis runners sed on site mesurements nd simultions, Proceedings of IAHR Symposium, Montrel, [4] Vgl. [5] C. Riesterer, M. Sick, M. Sllerger, R. Schuerhuer, P. Nowicki, Wsserkrftnlgen flexiel und dynmisch, VGP Power Tech 9, 2013, S [6] W.Ldstätter, F. Neumyer, F. Rmsuer, Chllgenges for Hydro genertors cused y frequent strt-stop opertion, Hydro Conference Como, Octoer

5 [7] J. Hell, Ein Beitrg zur ktiven Netzstilisierung durch Wsserkrft, Tgungsnd zur 2. Pumpspeichertgung des EFZN für trnsdisziplinären Dilog, Goslr, 20. und 21. Novemer 2014, S , [8] Vgl. hyperole.epfl.ch. Autoren Dr. Mirjm Sick leitet ds R&D-Progrmm und Innovtionsmngement ei Andritz Hydro AG. Sie ht n der TU Krlsruhe ls Mschinenuingenieurin promoviert und den MBA mit einer Areit zum Them Pumpspeicherung zur Integrtion der Windenergie im europäischen Netz geschlossen. Andritz Hydro AG, 6010 Kriens mirjm.sick@ndritz.com Johnn Hell ist Principl Engineer und R&D Mnger für Elektrische Energiesysteme ei Andritz Hydro GmH in Wien. Er studierte Elektrische Energietechnik n der Technischen Universität Wien und wr in seiner eruflichen Lufhn für Vertrie und R&D drehzhlgeregelter Antriee und für die elektrische Auslegung von Genertoren zuständig. Andritz Hydro GmH, A-1120 Wien johnn.hell@ndritz.com Werner Ldstätter ht Elektrotechnik n der University of Sussex und TU Grz studiert und n Letzterer ls Diplomingenieur 1996 geschlossen. Er ist seit 2011 ei Andritz Hydro eschäftigt und für die Produkttechnologie von Wsserkrftgenertoren verntwortlich. Andritz Hydro GmH, A-8160 Weiz werner.ldstetter@ndritz.com Résumé Une meilleure stilité du réseu grâce à l force hydrulique Technologies permettnt l intégrtion optimle des nouvelles énergies renouvelles Bien qu il soit ctuellement difficile de prévoir l direction que vont prendre les mrchés de l énergie et de l électricité, une chose est sûre : l stilité et l sécurité du réseu électrique représentent un défi d envergure. Or, les centrles hydroélectriques flexiles dont l production peut être régulée rpidement peuvent y contriuer de fçon déterminnte. Les mesures llnt dns ce sens sont donc un excellent investissement pour le futur. Cet rticle présente les évolutions technologiques essentielles dns le domine des centrles hydruliques électromécniques permettnt de répondre ux exigences que pose l exploittion stle et sûre du réseu. Afin de mintenir l fréquence et de grntir une puissnce stisfisnte, le gestionnire du réseu doit disposer de cpcités de réglge primire suffisntes. Les centrles hydroélectriques sont insi souvent exploitées en chrge prtielle ou à vide. Etnt donné que l trnsmission hydrulique ccrue provoque des mplitudes de tension plus élevées, les turines sont mises à forte contriution. Il est donc nécessire de développer des modèles pouvnt être exploités de fçon flexile. Ce sujet fit d illeurs ctuellement l ojet d intenses recherches. L ccroissement des exigences reltives à l réglementtion du réseu électrique implique en outre des démrrges et des rrêts eucoup plus fréquents pour les groupes de mchines des centrles hydruliques, cusnt insi églement une chrge importnte pour les turines et les générteurs. Les modèles modernes destinés à ce type de centrles sont donc désormis conçus pour être remis en mrche plusieurs fois pr jour, ce qui leur permet de stisfire ux contrintes d une exploittion flexile. De nouveux défis se posent lors en mtière d isoltion. C est pourquoi le perfectionnement des technologies d hoc constitue dorénvnt un utre sujet de recherche cpitl. Se 39