Generatorkonzepte für Maschinen mit variabler Drehzahl

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1 6. Seminar Kleinwasserkraft Praxis und aktuelle Entwicklung IHS - Universität Generatorkonzepte für Maschinen mit variabler Drehzahl Dipl. Phys. Jochen Bard Leiter Energiewandlungsverfahren Bereich Energiewandlung und Regelungstechnik Institut für Solare Energieversorgungstechnik jbard@iset.uni-kassel.de gefördert durch: Europäische Kommission DG Research, DGTREN

2 Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.v. Systemtechnik für die Nutzung Erneuerbarer Energien und die Rationelle Energieverwendung Anwendungsnahe Forschung und Entwicklung Windenergie, Wasserkraft, Meeresenergie Biomassenutzung, Photovoltaik Energiewandlung und Speicher Hybridsysteme Energiewirtschaft Information und Weiterbildung Vorstand: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid Prof. Dr.-Ing. Peter Zacharias Dr. rer. nat. Oliver Führer Personal: ca. 125 Beschäftigte Jahreshaushalt: ca. 8 Mio. Euro Information:

3 Marktsituation der Kleinwasserkraft (< 10 MW) Deutschland: ca. 7 TWh/a aus 1600 MW Europa: über 40 TWh/a aus Anlagen mit 14,5 GW Weißbuch der Kommission: 51 TWh/a Langfristig bis zu 60 TWh/a China: 30 GW in mehr als Anlagen versorgen 300 Mio. Menschen Welt (Rest): weitere 25 GW zur Zeit etwa 70 GW installierte Kleinwasserkraft weltweit mit typischen Steigerungsraten von etwa 3%/a Beschäftigte für den Bau Beschäftigte für den Unterhalt

4 Situation der Kleinwasserkraft: Kostendruck bei Niederdruckanlagen Häufigkeit [%] > Fallhöhenstufe 6 [m] >20 Fallhöhe [m] überwiegend Niederdruckanlagen In Deutschland 2/3 des Ausbaupotenzials der EU 15 P Q*H niedrige Fallhöhe bedeutet hohe spezifische Kosten Hochwasserproblematik wachsende Auflagen zum Umweltschutz

5 Motivation für den drehzahlvariablen Betrieb doppeltregulierte Kaplanturbine unregulierte Propellerturbine

6 Generator-Frequenzumrichter-Systeme gear box ASG Asynchrongenerator (Käfigläufer) mit Frequenzumrichter gearbox ASG Doppelt gespeister Asynchrongenerator kommerzielle Systeme 50 W bis 250 MW Fremderregter Synchrongenerator SG Permanenterregter Synchrongenerator motorisch in der Antriebstechnik generatorisch in Windkraftanlagen, BHKWs, µ-gasturbinen, Stromaggregaten, Wasserkraftanlagen,

7 Realisierte drehzahlvariable Wasserkraftanlagen bis zum Jahr 2000 WKA Baujahr Turbine Fallhöhe, Leistung Planung, Anlagenbau Rottenburg 1991 Rohrturbine (Sulzer Hydro) 5,2 m, 2 520kW Dr. Hutarew, Sulzer Hydro, ABB Hüfingen 1994 Francis (Voith) 1 m,18 kw GEDEA, ETI Universität Karlsruhe Ingelfingen 1995 semi-kaplan (Kössler Iberica) 6,9 m, 2 358kW Energieversorgung Schwaben, Kössler, Walcher Waldenfels 1996 Propeller (Fella) 5 m, 85 kw Fella Anlagenbau, Amorbach Rupboden 1997 Propeller (Fella) 6 m, 110 kw Fella Anlagenbau, Amorbach Mühle Vogel, Lohra * 1996 oberschlächtiges Wasserrad 3,6 m, 12 kw Hydrowatt, Karlsruhe Katlenburg Ende '99 Francis (Voith) 3,2 m, 105 KW EAM, IEE Universität Gh Kassel Bettborn, LU 1999 unterschlächtiges Wasserrad Ing.-Schule Biehl, CH 1994 Francis Druckreduzierung Trinkwasserversorgung Hydrowatt, Karlsruhe, IEE Gesamthochschule Kassel Prof. Biner, Ingenieurschule Biehl

8 Wasserkraftwerk Zum Preußischen, Neckar, Rottenburg Neubau mit drehzahlvariabler Kaplanturbine Leistung [kw] Fallh. [m] Leistungssteigerung drehzahlvariabel in [%] Leistung: kw Turbinen: 2 Kegelrad-Rohrturbinen, Sulzer Hydro Fallhöhe: 5,2 m Ausbauwassermenge: 2 12m³/s Generatoren: kw, Asyn., 8-polig, ABB Frequenzumrichter: kva, I-Umrichter, ABB Muscheldiagramm im Propellerbetrieb Betreiber: Stadtwerke Rottenburg Planung: Dr. Hutarew & Partner, Pforzheim Baujahr: 1991

9 WKW Rupboden: Neubau mit drehzahlvariabler Propellerturbine Betreiber: Projektleitung: Baujahr: Turbine: Leistung: Fallhöhe: Ausbauwasser: Drehzahl: Generator: FU: Fürstlich Salm-Horstmar sche Forstverwaltung Fella Anlagenbau GmbH, Amorbach Reaktivierung 1997 (nach 30 a Stillstand) Propellerturbine (leitradreguliert), Fella max. 100 kw 6 m 2,1 m³/s 500 ± 200 U/min doppeltgespeister ASG, Oswald Siemens Simovert

10 Wasserkraftanlage Hüfingen: Modernisierung mit PMSG und FU 1 0,9 0,8 0,7 efficiency 0,6 0,5 0,4 PME generator ASG+gearbox 0,3 0,2 0,1 Abb.: Köhler, ETI Leistung: 18 kw Fallhöhe: 1,0 m Ausbauwasser: 2,9 m³/s Drehzahl: 42 U/min Generator: 22 kw, PMSG, Bartholdy AG, CH FU: Eigenbau ETI efficiency/maximum efficieny 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, power [kw] variable speed relative increase of efficiency turbine operating range constant speed 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 discharge/rated dischrage Betreiber: Gesellschaft für dezentrale Energieanlagen mbh (GEDEA) Planung: ETI, Universität Karlsruhe, Prof. Dr.-Ing. H. Späth Baujahr: 1948, Reaktivierung 1994, Francis Schachtturbine, Voith

11 Wasserkraftanlage Katlenburg, Rhume (Harz): Zubau eines FUs Francis Schachtturbine, Voith Leistung105 kw, Fallhöhe3,7 m Ausbau 4,5 m³/s, Drehzahl 60 U/min Generator: 115 kw ASG, 8 Pole Typisches Ausleitungskraftwerk an einem alten Mühlenstandort gearbox generator +137, ,6 Francisturbine ,25

12 Wasserkraftanlage Katlenburg: Konzept

13 WKA Katlenburg: Hardwarekomponenten 4Q-Industriestromrichter mit Motorschutzfilter, EMV-und Netzdrossel direkter Netzanschluß als Bypass Erhalt des alten Triebstranges Digitale Steuerung vollautomatischer Betrieb Drehzahlsteuerung nach Kennlinie

14 WKA Katlenburg: Labormessungen elektrisches System 1,00 0,95 Wirkungsgradvermessung Komponenten 1,00 0,90 0,90 0,80 efficiency 0,85 0,80 0,75 efficiency 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Efficiency 0,70 0,60 0, rpm 650 rpm 750 rpm 850 rpm 950 rpm generator direct gridcon. frequency converter input power [kw] 0, mech power [kw] 0,40 A: Netzspannung B: Generatorstrom C: Strom FU 0, P mech [kw] Wirkungsgradvermessung Generator-FU-System Laboraufbau Generator-FU-Vermessung Spannungsanstieg mit/ohne du/dt Filter

15 WKA Katlenburg: Betriebsergebnisse Hydrologie power [kw] opening [%] power [kw] guide vane [%] head [m] head [m] time [date in 2000] geringe Variation der hydrologischen Randbedingungen Fallhöhe und Wassermenge im Beobachtungszeitraum von 12 Monaten

16 WKA Katlenburg: Betriebsergebnisse drehzahlvariabler Betrieb Eff. Max. [1/min] improvement [%] speed [rpm] improvement [%] guide vane opening [%] optimale Drehzahl über der Leitapparatöffnung: 650 bis 850 U/min Leistungssteigerung von 0 bis 8 %

17 Drehzahlvariables Wasserrad Bettborn (Lux), Hydrowatt (Karlsruhe) Leistung: 12 kw, Fallhöhe 2,4 m Ausbauwasser 0,8 m³/s ca. 20 U/min, kombiniertes Getriebe (Planetengetriebe /Riemen)

18 Wasserrad Bettborn: Betriebsergebnisse drehzahlvariabler Betrieb Funktionsprinzip unterschlächtiges Zuppinger Wasserrad movable weir trash rack higher water level lower water level constant variable 9 8 power [kw] head [cm] Leistungskennlinie als Funktion der Fallhöhe für feste Drehzahl und drehzahlvariabel Untersuchungen an 10 verschiedenen Standorten: Ertragssteigerung durch polumschaltbare Generatoren wirtschaftlicher

19 Systemwirkungsgrade verschiedener Generatorlösungen 1,00 1,00 0,95 0,95 0,90 0,90 efficiency 0,85 0,80 ASG+FC SG+FC PMSG+FC DFIG+FC 0,85 0,80 0,75 0,75 0, ,70 power [% of rated power] FC: Frequenzumrichter ASG: Asynchrongenerator (Käfigläufer) SG: fremderregter Synchrongenerator DFIG: doppeltgesp. Asynchrongenerator PMSG: Permanentmagnet erregter Synchrongenerator

20 Status Report on Variable Speed Operation in Small Hydropower General technical aspects Technologies and concepts 8 case studies kw Economic analysis Data based on year 2000 available on the DGTREN homepage (8 MB pdf)

21 Markterhebung in 2000: spezifische Investitionskosten Spezifische Kosten [ /kw] Komplette Frequenzumrichter- Systeme Bemessungsleistung [kw] kw generators (6-pole) 600 kw generators (6-pole) Gesamkosten Generator-FU-System 100 kw und 600 kw specific system cost [Euro/kW] Freq. Conv. Generator 50 0 ASG DFIG SG ASG DFIG SG

22 Neue Turbinenkonzepte: Low Cost Lösungen bis 10 m H F bis 300 kw Wasserkraftschnecke 14 kw Siphonturbine drehzahlvariabel

23 Neue Turbinenkonzepte: High Tech Lösungen Matrixturbine kw pro Einheit ECOBulb doppeltregulierte Kaplanturbine 500 kw-2 MW Abb. VATECH Hydro

24 Neue Turbinenkonzepte: High Tech Lösungen StrafloMatrix Pilotprojekt Agonitz Abb. VATECH Hydro 700 kw, 8,5 m Fallhöhe, 430 Upm, 1,12 m Laufraddurchmesser unregulierte Turbine Ringgenerator: Innenläufer mit PME Spalt wassergefüült Zielgröße > 1,5 MW

25 EU-Projekt VASOCOMPACT: Development of a commercial concept for variable speed operation of unregulated submersible compact turbines optimiertes Design für Laufrad und Leitbleche angepasster PME-Synchrongenerator für direkte Kopplung angepasster Frequenzumrichter für Generatorbetrieb in WKA skalierbare Lösung 50 bis 500 kw pro Turbine Installation und Test einer 50 kw Pilotanlage (Tirva, Finnland) Statorwicklungen mit direkter Kühlung Rotor Saugschlauch Permanentmagnete feste Laufradschaufeln feste Leitschaufeln

26 Laufradentwicklung: IHS, Uni Simulation unterschiedlicher Laufradgeometrien mittels CFD IHS, Uni Festlegung des endgültigen Designs Herstellung des Modelllaufrades Ermittlung der Charakteristik Vermessung im Teststand

27 Permanentmagnet erregter Synchrongenerator (Elmotec) Nenndrehzahl 600 Upm, 40 Pole Drehmoment 840 Nm Nennspannung 313 V Nennstrom 92 A Spezielles Generatordesign: hohe Nennfrequenz, Standard Blechschnitte (16 kw Asynchron), gesehnte Wicklungen, mechanisch stabil bis 3*N Nenn

28 Frequenzumrichter (SMA Technologie AG) Variantenuntersuchung G 3~ = 3~ filter choke ungesteuerter Brückengleichrichter, DC-Zwischenkreis mit variabler Spannung G 3~ 3~ = = 3~ Sinus Choke gesteuerter Gleichrichter und Hochsetzsteller Aufbau des Frequenzumrichters aus Standardbaugruppen innerhalb von drei Monaten Implementierung der Software für die Maschinenregelung (vgl. feldorientierte Regelung) Aufbau Teststand und Vermessung Optimierung der Drehmomentregelung

29 Realisiertes Frequenzumrichterkonzept Synchrongenerator G -Q2 -K2 -G2 EUPEC PowerStack 220A 3~ = -G1 EUPEC PowerStack 220A = 3~ -Z2 Sinusfilter EMC Filter -Z1 I nenn,netz =72A -K1 -Q1 L1 L2 L3 Netz 3 x 400 V 50 Hz EUPEC-Treiber EUPEC-Treiber U, f Netz ok U Gen earth fault monitoring Adap ME earth fault Adap BFS Adap BFS Adap ME U Netz PE 24 V DC 24 V DC auxiliary supply 230 V AC auxiliary supply 3 L 230 V 50 Hz Mod5 BFS Mod5 BFS RS 485 Sunny Central Control RS 485 remote control by system controller Betriebsführungsbaugruppe 1 Betriebsführungsbaugruppe 2 RS 232 Abb. SMA Technologie AG Modem Telefonnetz

30 Pilotanlage Tirva Nennfallhöhe 3,5 m (2,5 bis 4,5 m) Ausbaudurchfluss 1,4 m³/s Nenndrehzahl 600 U/min (450 bis 750 U/min) Laufrad 600 mm Durchgangsdrehzahl 1500 U/min

31 Pilotanlage Tirva, Finnland m 3.81 m 4.44 m 30 grid power [kw] speed [rpm] Eingespeiste Leistung über der Drehzahl für verschiedene Fallhöhen

32 Pilotanlage Tirva: Betriebsergebnisse Feb 06 Jan 06 Mar 06 Apr power [kw] time [h] Leistung ins Netz Jan-Apr 2006

33 Machbarkeitsstudie mit VASOCOMPACT Turbinen Anwendungsbeispiel 3,18 m Fallhöhe 1510 mm Laufrad 12,4 m³/s Ausbauwasser 265 U/min 324 kw Nennleistung PME-Generator

34 Very Low Head Turbine ( ) MJ2 Technologies S.A.R.L. langsam laufende Turbine (15-20 U/min) Laufradregulierung PMG in der Nabe drehzahlvariabel Klappmechanismus Fischfreundlich geringes Bauvolumen Durchmesser Fallhöhen Durchfluss Leistung 3,5-5,6 m 1,4-2,8 m m³/s kw 450 kw Demoanlage Moulin de Troussy bei Millau im Testbetrieb

35 Vereinfachtes elektrisches Konzept der Pilotanlage Pitch ASG Last Frequenzumrichter Sensorik Drehrichter Bleiakkus periphere Verbraucher Navigationshilfen Power digital, analog I/O IPC Controller Profibus Sunny Islands Diesel Host WLAN Drehzahlvariabler Betrieb ohne Netzanschluss mit Hilfe von Standard Industrie-Komponenten

36 Testaufbau am ISET Rotornachbildung Antriebseinheit DEMOTEC Betriebsführung Monitoring Anlagenkomponenten

37 Nächste Generation: 1 MW Doppelrotoranlage Prototyp für kommerzielle Anlagen 2 Rotoren mit je 500 kw Netzeinspeisung ca MWh/a vgl. Offshore Windenergie Erster Park mit bis zu 10 Anlagen geplant ab 2007 Deutsche Beteiligung aus Industrie und Forschung Förderung durch das BMU Abb. MCT Photomontage am geplanten Standort Strangford, Nordirland