Lade- und Entladeregelung

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Christina Hoch
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1 Lade- und Entladeregelung Qualitative Bewertung der Dynamik eines Stülpmembranspeichers und seines Beitrags zu positiver / negativer Regelenergie Sebastian Streit 1

2 Gliederung 1. Motivation 2. Annahmen 3. Stülpmembranspeicher (schematisches Schaltbild) 4. Volumenstromregelung Pumpturbine 5. Trägheit des Kolbens 6. Ausspeicherung 7. Einspeicherung 8. Fazit 9. Quellen Sebastian Streit 2

3 Motivation el. Leistung erneuerbarer Energien unabhängig vom Lastfall Leistungsdifferenz Andere Kraftwerke müssen diese ausgleichen schnelles An- / Abfahren notwendig! (Im Sekundenbereich) Negative Leistungsdifferenz Frequenzabsinken schädlich für Verbraucher Netzqualität in DE: ±0,2 Hz, bereits ab ±0,1 Hz 10 15% Lastabwurf Anforderung: hohe Dynamik bei Speichern Weiteres Kriterium der Netzqualität: Blindleistungsregelung Erfolgt über Erregerstrom des Motorgenerators keine Neuerung durch das System Stülpmembranspeicher Sebastian Streit 3

4 Annahmen (Vereinfachungen) Stülpmembranspeicher im Inselbetrieb (Gesamtträgheit des Netzes nicht bekannt) Strömungsträgheit ohne Wassermasse (siehe Watters) Regelung des Volumenstroms über Arbeitsraum der Turbine (BA Westphal) Keine Reibungsverluste Ladevorgang der Spule Motorgenerators vernachlässigt (zu kleine Zeitkonstanten) Sebastian Streit 4

5 Stülpmembranspeicher (schematisches Schaltbild) R L T/P Poppware p S = m k A k g p R = ሶ V 2 R p L = ሷ V L p T/P = ρ Y sch Sebastian Streit 5

6 Volumenstromregelung Pumpturbine ሶ V = c 1 A 1 ሶ V = c 2 A 2 Nur Änderung der Strömungsgeschwindigkeit im Arbeitsraum möglich Keine Änderung des Volumenstroms Pumpturbine: Regelung der Konstanz der Geschwindigkeit im Arbeitsraum Teillastverhalten Sebastian Streit 6

7 Trägheit des Kolbens (6,412 bar) Sebastian Streit 7

8 Trägheit des Kolbens (0.002 bar) Sebastian Streit 8

9 Ausspeicherung Aus Netzlast resultiert Bremsmoment auf Welle Differenz zwischen antreibendem Turbinenmoment und Bremsmoment senkt Drehzahl Drehzahl durch Bauteilphysik des Motorgenerators direkt proportional zur Netzfrequenz Spezifische Schaufelarbeit sinkt: Y Sch = ω u 1 c 1u Druckgefälle steigt Volumenstrom steigt Turbinengleichung: M = mሶ (r 1 c 1u ) Turbinenmoment steigt Selbstregeleffekt M = ωሶሶ J Sebastian Streit 9

10 Problem System mit zwei Speichern (L & J) instabil Sebastian Streit 10

11 Lösung der Ausspeicherung Externe Regelung des Volumenstroms über Druckabfall an Ventil (Regelventil) Schwierigkeit: Kompensation des Druckabfalls an der Turbine Sebastian Streit 11

12 Einspeicherung Aus Residuallast resultiert Beschleunigungsmoment auf Welle Differenz zwischen antreibendem Beschleunigungsmoment und Pumpenmoment erhöht Drehzahl Drehzahl durch Bauteilphysik des Motorgenerators direkt proportional zur Netzfrequenz Spezifische Schaufelarbeit steigt: Y Sch = ω u 1 c 1u Druckgefälle sinkt Volumenstrom sinkt Pumpengleichung: M = mሶ (r 2 c 2u ) Pumpenmoment steigt Selbstregeleffekt M = ωሶሶ J Sebastian Streit 12

13 Problem System mit zwei Speichern (L & J) instabil Sebastian Streit 13

14 Fazit Stülpmembranspeicher wie erwartet sehr schnell reagierendes System Als Regelkraftwerk geeignet um Schwankungen auszugleichen Trägheit der Welle resultiert im Netzbetrieb aus Trägheit aller Erzeuger und Verbraucher keine Oszillation Volumenstromregelung über Pumpturbine nicht möglich Arbeitsraumregelung der Pumpturbine für Erhalt der Strömungsdreiecke Teillastfähigkeit Dennoch empirischer Beleg notwendig Konzeptionierung der Einspeicherung noch nicht erledigt Für weitere Untersuchungen: Reibungskräfte in Abhängigkeit der Drehzahl Strömungsverluste in Abhängigkeit des Volumenstroms Sebastian Streit 14

15 Quellen Watter H. (2015) Hydraulik und Pneumatik Heuck K., Dettmann K., Schulz D. (2005) Elektrische Energieversorgung Schwab A. (2015) Elektroenergiesysteme Oeding D., Oswald B.R (2011) Elektrische Kraftwerke und Netze Menny K. (2005) Strömungsmaschinen Thomann R. (1931) Die Wasserturbinen Stand: Sebastian Streit 15

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