Aktive Kompensation von Oberschwingungen im elektrischen Eigenbedarf eines neuen 900- MW- Kraftwerkes

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1 1 Aktive Kompensation von Oberschwingungen im elektrischen Eigenbedarf eines neuen 900- MW- Kraftwerkes 1. Einleitung Durch die Liberalisierung der Energieversorgung sind alle Kraftwerksbetreiber zu höchster Kosteneffizienz gezwungen. Im Zusammenhang mit der damit verbundenen Anlagenoptimierung kommen in immer größerem Maße leistungselektronische Komponenten zum Einsatz. Wenn man die Neubauprojekte der Vattenfall Europe Generation chronologisch ordnet, zeigt sich dies beispielsweise in der zunehmenden Anzahl relativ leistungsstarker umrichtergespeister Antriebe. Diese Entwicklungstendenz ist Gegenstand der nachfolgenden Ausführungen. Besonders wird auf Möglichkeiten der aktiven Kompensation von daraus resultierenden Oberschwingungen im elektrischen Eigenbedarf eingegangen. 2. Eigenbedarf und Oberschwingungsbelastung in älteren Grundlastkraftwerken Konventionell ausgelegte Grundlast- Kraftwerksblöcke sind durch weitreichende Redundanzen im Eigenbedarf gekennzeichnet. Unterverteilungen und Verbraucher wurden mit dem Ziel einer gleichmäßigen Betriebsbelastung auf die Sammelschienen aufgeteilt. Ein weiterer Grund ist in der Reduzierung von Spannungseinsenkungen im Zusammenhang mit Umschaltvorgängen im Eigenbedarf oder beim Einschalten großer Motoren zu sehen. Nichtlineare Verbraucher hatten für der Auslegung der Eigenbedarfsnetze keine Bedeutung. Sie waren als elektrische Verbraucher nur mit irrelevanten Leistungen vertreten. Beispielhaft für Eigenbedarfskonzepte dieser Kraftwerksgeneration ist nachfolgend die Schaltung eines 500- MW- Blocks des Kraftwerks Jänschwalde dargestellt (Abbildung 1). Zwei Dampferzeugung speisen die 500-MW-Turbine. Der 10-kV-Block-Eigenbedarf teilt sich deshalb auf vier Teilschienen auf. Im Zuge der Modernisierung erhielt das Kraftwerk für jeden Block eine Rauchgasentschwefelungsanlage (REA).

2 2 Abbildung 1: vereinfachter Übersichtsschaltplan KW Jänschwalde 3. Der elektrische Eigenbedarf der neuen 800/ 900-MW- Kraftwerksblöcke der Vattenfall Europe Generation Zur Veranschaulichung der dem elektrischen Eigenbedarf dieser Kraftwerke zugrunde liegenden Philosophie, wird nachfolgend ein kurzer Überblick über Gemeinsamkeiten und Unterschiede gegeben. 3.1 Gemeinsame konzeptionelle Grundlagen Gemeinsame konzeptionelle Grundlage für die Gestaltung des elektrischen Eigenbedarfes der 800- und 900- MW- Braunkohleblöcke war der sogenannte Doppelblock mit gegenseitiger Eigenbedarfsreservierung und zusätzlicher Fremdnetzeinspeisung (Abbildung 2). Ausgangspunkt war das unter Punkt 2 beschriebene Grundkonzept. Es fand uneingeschränkte Anwendung im zuerst geplanten 900- MW- Block, Kraftwerk Boxberg. In der 10-kV- Ebene gibt es deshalb ausschließlich gemischte Sammelschienen. Das bedeutet, dass von ein und derselben 10-kV- Sammelschiene sowohl Niederspannungstransformatoren, als auch 10-kV- Motoren, FU- Antriebe und 10-kV- Unterverteilungen eingespeist werden.

3 3 HS - Netz HS - Netz NLS-A NLS-B BT-A BT-B G GLS-A BET-A BET-B GLS-B G BV-A1 BV-A2 RUV-1 RUV-2 BV-B1 BV-B2 BUV-A3 BUV-B3 RV 1 RV 2 BUV-A1 BUV-A2 BUV-B2 BUV-B1 Doppelblock mit gegenseitiger Eigenbedarfsreservierung und zusätzlicher Fremdnetzspeisung RT Fremdnetz VPC-E/Wei Abbildung 2: vereinfachter Übersichtsschaltplan Doppelblock Zur Veranschaulichung der in allen Neubauprojekten grundsätzlich angewendeten Eigenbedarfsstruktur wird nachfolgend das Beispiel Kraftwerk Schwarze Pumpe kurz erläutert: Kernstück der Eigenbedarfsversorgung sind die beiden 10- kv- Blockschienen 0BBB und 0BBC jedes Blockes. Diese versorgen alle nachgeschalteten Block- und Allgemeinschaltanlagen. Die Einspeisung erfolgt jeweils über zwei Eigenbedarfstransformatoren 0BBT01 und 0BBT02. Die Verbindung mit der Generatorableitung erfolgt zwischen Generatorleistungsschalter und Maschinentransformator 0BAT01 mittels nicht schaltbarer Abgänge. Bei Betrieb des jeweiligen Generators wird der Eigenbedarf also direkt von diesem Turbosatz versorgt. Bei Stillstand und geöffnetem Generatorleistungsschalter wird die erforderliche Leistung über den Maschinentransformator aus dem 400- kv- Netz bezogen. Die Eigenbedarfstransformatoren sind als Dreiwickler ausgeführt und versorgen neben der o. g. Blockschiene jeweils eine 10- kv- Schiene 0BBA bzw. 0BBD für große Motoren. Aus wirtschaftlichen Gründen werden möglichst viele Betriebsfälle ohne die 110- kv- Fremdnetzversorgung abgedeckt. Deshalb können beide Blöcke von nur einer Anlage versorgt werden. Fällt die Eigenbedarfseinspeisung eines Blockes aus, werden die zugehörigen 10- kv- Schienen automatisch mit denen des anderen Blockes gekuppelt. Für diese Umschaltung sind insgesamt vier Eigenbedarfs- Schnellumschalteinrichtungen pro Block eingesetzt. Diese Einrichtungen sind sowohl in der Lage durch Schutzbefehle angeregte Störumschaltungen in Richtung Block A nach Block B auszuführen, als auch durch Handanregung z. B. von der Warte gewollte Handumschaltungen in beiden Richtungen auszuführen.

4 4 Dies bedeutet, dass Umschaltungen von blockzugeordnetem Eigenbedarf zu gekuppeltem Eigenbedarf prinzipiell automatisch erfolgen können, wohingegen Rückschaltungen aus dem gekuppelten Betrieb in den blockzugeordneten Betrieb von Hand erfolgen. Die oben gemachten Aussagen für den ersten Block gelten analog für den Nachbarblock. Bei Nichtvorhandensein der 400- kv- Netzspannung wird von Hand mit Eigenbedarfsumschaltung die Kupplung der 10- kv- Blockschienen mit den 10- kv- Fremdnetzschienen Y0BCA und Y0BCB angeregt. Damit übernimmt der Fremdnetztransformator die Stillstandsversorgung der beiden Blöcke und die komplette Versorgung der Hilfskessel einschließlich Fernwärmestation. Die Aufrechterhaltung der Prozeßdampf- und Fernwärmeversorgung wird so gesichert. Diese Eigenbedarfsversorgung vom 110- kv- Fremdnetz ist nicht für den Blockbetrieb sowie ein planmäßiges An- oder Abfahren des Blockes vorgesehen. Um die Anzahl der erforderlichen Eigenbedarfs- Schnellumschalteinrichtungen für diesen Anwendungsfall zu minimieren, wurden hier keine eigenen Schnellumschalteinrichtungen eingesetzt. Stattdessen sind in den Eigenbedarfs- Schnellumschalteinrichtungen der Blöcke A und B jeweils Vorwahlmöglichkeiten ausgeführt (bei Block A Vorwahl Block B oder Fremdnetz, bei Block B Vorwahl Block A oder Fremdnetz). Weitere zwei Eigenbedarfs- Schnellumschalteinrichtungen wurden für im Bereich Bekohlung, Ver- und Entsorgung vorgesehen. Bei Ausfall einer Einspeisung werden zwei Halbschienen gekuppelt. Das Anfahren des Blockes erfolgt über das 400- kv- Netz, das von Hand durchgeschalten wird. 3.2 Leistungsstarke nichtlineare Verbraucher im Eigenbedarf der neuen Kraftwerksblöcke Unter dem Aspekt des Einsatzes von Leistungselektronik in den o.g. Kraftwerksblöcken, wird nachfolgend auf Unterschiede zwischen den Kraftwerken eingegangen. Aufgrund anlagentechnischer Optimierungen wurden in diesen Kraftwerken erstmalig über Frequenzumrichter drehzahlgeregelte Antriebe für Kohlemühlen eingesetzt. Konventionell erfolgte die Realisierung dieser Aufgabe mittels sogenannter Drehzahlregelkupplungen. Nichtlineare Verbraucher wurden zunehmend ein Kriterium für die Auslegung des elektrischen Eigenbedarfes x 900-MW-Kraftwerk Boxberg IV In der 10-kV-Ebene gibt es ausschließlich gemischte Sammelschienen (Abbildung 3). Das bedeutet, dass von ein und derselben 10-kV-Sammelschiene sowohl Niederspannungstransformatoren, als auch 10-kV-Motoren, FU-Antriebe und 10-kV- Unterverteilungen eingespeist werden. Insgesamt sind 8 drehzahlgeregelte Antriebe mit einer maximalen Umrichterleistung von jeweils kw seit ca. 6 Jahren in Betrieb. Die Drehzahl kann im Bereich von Upm verändert werden. Jeder Antrieb wird über einen Gießharztransformator von einer 10-kV- Schaltanlage eingespeist. Die verwendeten Drehstrom- Asynchronmotoren sind als 6- strängige Maschinen ausgeführt.

5 5 Die Antriebe der drei Hauptkondensatpumpen haben jeweils eine Leistung von kw. Der grundsätzliche Aufbau entspricht den weiter oben für die Kohlemühlen beschriebenen Konzept. Abbildung 3: vereinfachter Übersichtsschaltplan Kraftwerk Boxberg x 800-MW-Kraftwerk Schwarze Pumpe Hier wurden sogenannte Motorschienen definiert. Von diesen Sammelschienen werden ausschließlich 10-kV-Motoren versorgt (Abbildung 4). Die FU-Antriebe werden gemeinsam mit den Niederspannungstransformatoren von Sammelschienen eingespeist. Die acht geregelten Antriebe für die Kohlemühlen sind typgleich wie Boxberg installiert. Abbildung 4: vereinfachter Übersichtsschaltplan Kraftwerk Schwarze Pumpe x 900-MW-Kraftwerk Lippendorf

6 6 Die Frequenzumrichter-Antriebe sind mit den 10-kV-Motoren an gemeinsame Sammelschiene geschalten (Abbildung 5). Die Niederspannungstransformatoren werden separat versorgt. Zusätzlich zur Drehzahlregelung der Kohlemühlen und Hauptkondensatpumpen werden hier auch die Kesselumwälzpumpen über Frequenzumrichter geregelt. Abbildung 5: vereinfachter Übersichtschaltplan Kraftwerk Lippendorf Insgesamt wird deutlich, dass der Anteil von nichtlinearen Verbrauchern im elektrischen Eigenbedarf stetig größer wird. Dies gilt nicht nur für Antriebe mit relativ großer Leistung, sondern in gleichem Maße für kleinere Einheiten. 3.3 Vergleich der Eigenbedarfsstrukturen vor dem Hintergrund der Oberschwingungsproblematik Die immer größere Anzahl nichtlinearer Verbraucher verteilt sich auf praktisch alle Spannungsebenen im elektrischen Eigenbedarf. Dadurch kommt es zunehmend zum Einprägen von Stromoberschwingungen, die die Netzspannung verzerren. Auch sind Spannungseinbrüche durch Kommutierung die Folge. Es besteht auch grundsätzlich die Gefahr, in Resonanzbereiche des gesamten Eigenbedarfsnetzes zu gelangen, wobei hier die jeweiligen Kapazitäten des Kabelsystems eine entscheidende Rolle spielen. Trotz dieser Nachteile werden FU- geregelte Antriebe zukünftig immer mehr Aufgaben im Kraftwerksprozess übernehmen müssen, um somit bestehende Potentiale in der Anlagenoptimierung zu heben. Besonders deshalb ist es erforderlich, die negativen Auswirkungen bereits in der Planungsphase entsprechend zu berücksichtigen. Dabei kommt es nach unseren Erfahrungen entscheidend auf die Anschaltung der linearen und nichtlinearen Verbraucher an die Schaltanlagen an. Um dies zu belegen und aufgrund einiger Störungen, besonders von 400-V-Motoren und Schaltnetzteilen, wurde

7 7 entschieden, die Oberschwingungsproblematik in den Eigenbedarfsnetzen der Neubaukraftwerke messtechnisch zu erfassen und zu analysieren. Ziel war dabei, zu überprüfen, ob die in der folgenden Tabelle zusammengefassten Grenzwerte für die Klasse 3 der DIN EN (Industrienetz) im gesamten Eigenbedarf eingehalten werden. Später hat es sich dann als sinnvoll erwiesen, der Verbraucherstruktur in der 400-V- Ebene Rechnung zu tragen und hier sogar Grenzwerte gemäß Klasse 2 der DIN EN (öffentliches Netz) anzustreben Durchführung der Messungen Zur Durchführung der Messungen wurden Netzgüteanalysatoren vom Typ DEWETRON Port 2000 durchgeführt. In den Netzgüteanalysatoren ist u.a. ein Oberschwingungsanalysator bis zur 50. Harmonischen der Spannung nach DIN EN und Spannungsanalysator nach DIN EN integriert. Zur Erfassung der Oberschwingungspegel bis zur 80. Harmonischen kamen zusätzlich 8-kanalige Transientenmesskarten mit einer Kanalabtastrate von max. 1,25 MHz zum Einsatz. Vor Beginn einer Messung im Eigenbedarfsnetz eines Kraftwerks wurde zunächst in Zusammenarbeit mit dem Betreiber ein Messprogramm erarbeitet, in dem die zu messenden Anlagenteile und die Messverfahren fixiert wurden. Während der Messungen sollten die Kraftwerke im Normalbetrieb (Blockvolllast) gefahren werden. Es wurden zwei Messverfahren verwendet: - Kurzzeitmessung Während der Kurzzeitmessung werden die Messsignale für Strom und Spannung über den Zeitraum von 5 Sekunden mit 100 khz abgetastet. Anschließend wurde das gewonnene Zeitsignal über ein Zeitfenster von 5 Perioden mit einer Analysesoftware bis zur 80. Harmonischen analysiert und als Amplitudenspektrum protokolliert. - Langzeitmessung Die Langzeitmessung erfasst Oberschwingungen von Spannung und Strom bis zur 50. Harmonischen. Während der Messung wird ein Datenblock aus acht Perioden analysiert. Die Berechnungsdauer für die Analyse liegt unter 160 ms, so das eine lückenlose Erfassung möglich ist. Über Zeitintervall von einer Minute wurden die Ergebnisse dieser Analyse als Mittelwert gespeichert. Die Langzeitmessung wurde in der Regel über mindestens sechs Stunden an einer Anlage durchgeführt. 1 DIN EN (IEC ) v. Mai Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen 2 DIN EN (IEC ) v. August Allgemeiner Leitfaden für Verfahren und Geräte zur Messungen von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen in Stromversorgungsnetzen und angeschlossenen Geräten 3 DIN EN v. März 2000 Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen

8 Ergebnisse der Messungen Wie in den vorangegangenen Abschnitten erläutert, sind die Eigenbedarfsnetze der betrachteten Kraftwerke unterschiedlich aufgebaut. Daher ist ein direkter Vergleich einzelner Schienen nicht möglich. Nachfolgend sind die Messergebnisse der einzelnen Messungen zusammengefasst. Kraftwerk Jänschwalde Im Kraftwerk Jänschwalde wurden an 108 Eigenbedarfschienen Oberschwingungsmessungen durchgeführt. Verletzungen der Klasse 2 der DIN EN traten hauptsächlich an Schienen der Nebenanlagen und er E-Filter auf. Kraftwerk Boxberg Im Kraftwerk Boxberg wurden an 71 Eigenbedarfsschienen Oberschwingungsmessungen durchgeführt. Hier traten neben den Verletzungen der Klasse 2 der DIN EN auch Grenzwertüberschreitungen der Klasse 3 in allen Spannungsebenen auf. Kraftwerk Schwarze Pumpe Im Kraftwerk Schwarze Pumpe wurden aufgrund vorangegangener Messungen anderer Unternehmen durch ERI keine umfangreichen Messungen mehr vorgenommen. Die 10- kv-schienen des Kraftwerks Schwarze Pumpe erfüllen die Klasse 3 der DIN EN Überschreitungen der Klasse 3 der DIN EN konnten jedoch durch ERI im Zusammenhang mit den Vorbereitungen zum Einbau passiver Filter an den Niederspannungsschienen für die Abzugsbänder und Zuteiler nachgewiesen werden. Kraftwerk Lippendorf Im Kraftwerk Lippendorf wurden an 110 Eigenbedarfschienen Oberschwingungsmessungen durchgeführt. Von den 16 gemessenen 10kV-Schienen wurden an den Schienen (Kohlemühlen) R0BBD und S0BBC neben den Kurzeitmessungen auch Langzeitmessungen durchgeführt. Es konnten während der Messungen keine Verletzungen der Grenzwerte der Klasse 2 festgestellt werden, auch nicht an den 10-kV-Antriebsschienen. Die Verletzungen der Klasse 2 durch die vier 690V-Schienen sind Schienen für die Versorgung der Anlagen Wasser-Dampf-Kreislauf. Ursache hierfür sind die 690V- Frequenzumrichterantriebe für die Abzugsbänder und Zuteilerantriebe. Bei den 400V- Anlagen traten geringfügige Überschreitungen der Klasse 2 bei den gesicherten Schienen (Wechselrichter) auf.

9 9 Zusammenfassung der Messergebnisse Die nachfolgende Abbildung 6 gibt die prozentuale Verteilung der Messergebnisse für die einzelnen Kraftwerke wieder. Aufgrund von geringfügigen Verletzungen der Klasse 3 der DIN EN liegen 32% der Schienen des Kraftwerks Boxberg außerhalb der Klasse 3 der DIN EN Diese Verletzungen treten oberhalb der 50. Harmonischen der Spannung auf. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Jänschwalde Boxberg Lippendorf > Klasse 3 Klasse 3 Klasse 2 Abbildung 6: prozentuale Verteilung der Klassen nach DIN EN In Abbildung 7 sind die Spannungssignale gemeinsam mit ihren Oberschwingungspegeln für annähernd vergleichbar belegte 10-kV-Schienen der einzelnen Kraftwerke gegenübergestellt. Die günstigste Schaltungsvariante hinsichtlich Frequenzumrichtertechnik und Oberschwingungsbelastung wurde KW Lippendorf realisiert. Man war sich zu diesem Zeitpunkt bereits bewusst, dass nichtlineare Verbraucher besonders zu berücksichtigen waren. Die Frequenzumrichter- Antriebe sind deshalb mit den 10-kV- Motoren an gemeinsame Sammelschienen geschalten. Die Niederspannungstransformatoren werden separat versorgt.

10 10 Kraftwerk Jänschwalde E2BBB UL1 UL2 UL3 kv Kraftwerk Boxberg Q0BBB UL1 UL2 UL3 kv 10 ms Kraftwerk Schwarze Pumpe A0BBB ms Kraftwerk Lippendorf S0BBD UL1 UL2 UL3 kv ms Abbildung 7: Vergleichbare 10-KV-Schienen der Kraftwerke

11 11 4. Grundsätzliche Möglichkeiten der Kompensation Auf Grundlage der dargestellten Messergebnisse wurde entschieden, Oberschwingungen im elektrischen Eigenbedarf des 900- MW- Kraftwerkes Boxberg aktiv zu kompensieren. Die Anlage befindet sich derzeit in der Montage. Erste Auswertungen werden Ende 2003 vorliegen. UL1 UL2 UL3 kv ms Abbildung 8: Einsatz vom Netzspannungsrestaurator MARS im Kraftwerk Boxberg Autor Holger Weiland VATTENFALL EUROPE POWERCONSULT Vetschau 6/2003