Betrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage, welche zur schnellen Regelung der Netzfrequenz geeignet ist, und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wasserkraftanlage.

Klassische Wasserkraftanlagen können aufgrund der Trägheit der Wassersäule, sowie des maximalen und minimalen zulässigen Wasserdruckes in den Wasserwegen und in der Turbine, die elektrische Leistung nur verhältnismäßig langsam regeln - typischerweise auf einer Zeitskala von 10 - 30 Sekunden. Dies reicht nicht aus um bei den gestiegenen Anforderungen einen Beitrag zur kurzzeitigen Regelung der Netzfrequenz leisten zu können. So fordert beispielsweise der National Grid Code von Großbritannien, dass eine bestimmte elektrische Leistung in Abhängigkeit von der Netzfrequenz in weniger als einer Sekunde ins Netz einzuprägen bzw. zu absorbieren ist, um an der entsprechenden Vergütung zu partizipieren. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wasserkraftanlage anzugeben, die Regelleistung auf einer Zeitskala von unter einer Sekunde bereitstellen kann. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wasserkraftanlage anzugeben.

Die Erfinder haben erkannt, dass die gestellte Aufgabe durch eine Wasserkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst werden kann. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer solchen Wasserkraftanlage ergibt sich aus dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus abhängigen Verfahrensansprüchen. Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt: Figur 1 Erfindungsgemäße Wasserkraftanlage;

Figur 2 Ablaufdiagramm zum Betrieb einer erfindungsgemäßen

Wasserkraftanlage.

Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage. Die Wasserkraftanlage umfasst ein Oberwasserbecken, welches mit 1 bezeichnet ist, und ein Unterwasserbecken, welches mit 2 bezeichnet ist, wobei der Wasserspiegel im Oberwasserbecken 1 über dem Wasserspiegel des Unterwasserbeckens 2 liegt. Bei den Becken 1 und 2 kann es sich auch um natürliche Gewässer wie beispielsweise Seen oder Flüsse handeln. Die Wasserkraftanlage umfasst ferner einen Wasserweg, welcher mit 3 bezeichnet ist und das Oberwasserbecken 1 mit dem Unterwasserbecken 2 verbindet. Im Wasserweg 3 ist eine Turbine angeordnet, welche mit 4 bezeichnet ist. Dadurch wird der Wasserweg 3 in zwei Teilstücke geteilt. Der oberhalb der Turbine 4 gelegene Teil - die Druckrohrleitung - ist mit 31 bezeichnet, und der unterhalb der Turbine gelegene Teil - das Saugrohr - ist mit 32 bezeichnet. Die Turbine 4 verfügt über ein Turbinenlaufrad, einen Leitapparat und eine Einrichtung zum Ausblasen des Raumes um das Turbinenlaufrades, so dass im ausgeblasenen Zustand das Turbinenlaufrad in Luft rotieren kann, wobei der geschlossene Leitapparat ein Entweichen der Luft in Richtung Oberwasser verhindert. Die Turbine kann optional noch über weitere Schließorgane neben dem Leitapparat verfügen, wie z.B. einen Kugelschieber. Die Turbine 4 ist an eine elektrische Synchronmaschine gekoppelt, welche mit 5 bezeichnet ist. Die elektrische Synchronmaschine 5 ist elektrisch mit einem Frequenzumrichter verbunden, welcher mit 6 bezeichnet ist. Der Frequenzumrichter 6 ist mittels eines Netz- Transformators, welcher mit 7 bezeichnet ist, mit dem Stromnetz verbunden. Der Frequenzumrichter 6 kann gegebenenfalls über geeignete Schalter und Leitungen aus der elektrischen Leitung zwischen Synchronmaschine 5 und dem Netz- Transformator 7 herausgenommen werden, so dass die Synchronmaschine 5 direkt über den Netz-Transformator 7 am Netz angeschlossen ist. Dadurch kann in bestimmten Betriebszuständen (s.u.) die Verlustleistung des Frequenzumrichters 6 eingespart werden. In Figur 1 sind diese Schalter und Leitungen nicht dargestellt. Im Gleichstromzwischenkreis des Frequenzumrichters 6 befindet sich ein Widerstand, welcher so geschaltet werden kann, dass er die Stränge des Gleichstromzwischenkreises miteinander verbindet. Der Widerstand ist mit 8 bezeichnet. Ferner umfasst die Wasserkraftanlage optional wenigstens eine Pumpe, welche mit 9 bezeichnet und so angeordnet ist, dass sie Wasser aus dem Unterwasserbecken 2 in das Oberwasserbecken 1 fördern kann. Die Pumpe 9 kann eigene Schließorgane umfassen und besitzt einen eigenständigen Antrieb mit Netzanschluss.

Figur 2 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage. Im Schritt, der mit VI bezeichnet ist, befindet sich die Wasserkraftanlage in folgendem Zustand: Das Laufrad der Turbine 4 ist ausgeblasen, so dass sich dasselbe in Luft drehen kann. Die Synchronmaschine 5 läuft im sogenannten Phasenschieber-Betrieb, d.h. der Läufer derselben dreht sich gemäß der Netzfrequenz (d.h. mit Nenndrehzahl) und je nach Erregungszustand kann Blindleistung kapazitiv oder induktiv ans Netz abgegeben werden. Durch die Kopplung von Synchronmaschine 5 und Turbine 4 dreht sich das Laufrad der Turbine 4 mit derselben Rotationsgeschwindigkeit wie der Läufer der Synchronmaschine 5. In diesem Betriebszustand kann der Frequenzumrichter 6 aus der Verbindung zwischen Synchronmaschine 5 und Netz- Transformator 7 herausgeschaltet sein. Im Schritt, der mit V2 bezeichnet ist, ergeht an die Wasserkraftanlage die Aufforderung, schnelle Regelleistung aktiv zur Verfügung zu stellen. Die Aufforderung kann dahin gehen, Leistung schnell ans Netz abzugeben oder Leistung schnell vom Netz aufzunehmen. Im ersten Fall werden die Schritte des linken Astes des Ablaufdiagramms durchlaufen, im zweiten Fall die Schritte des rechten Astes. Leistungsabgabe an das Netz: Im mit V31 bezeichneten Schritt wird der Frequenzumrichter 6 ggf. zugeschaltet und bremst die Synchronmaschine 5 und die verbundene Turbine 4 ab. Dabei wird die im Drehimpuls der rotierenden Komponenten gespeicherte Energie vom Frequenzumrichter 6 absorbiert und an das Netz abgegeben. Die in Schritt V31 ablaufenden Vorgänge sind sehr schnell und daher kann unterhalb von einer Sekunde die angeforderte Leistung ans Netz abgeben werden. Im mit V32 bezeichneten Schritt wird der Leitapparat und ggf. weitere Schließorgane der Turbine 4 geöffnet. Dadurch kann Wasser in den zuvor ausgeblasenen Bereich um das Laufrad der Turbine 4 vom Oberwasser 1 her gelangen. Die Luft wird in Richtung Unterwasser 2 ausgetrieben. Durch den Wasserfluss wird die Turbine 4 und die Synchronmaschine 5 wieder auf Nenndrehzahl beschleunigt und so kann dauerhaft Leistung ans Netz abgegeben werden. Die Vorgänge von Schritt V32 werden simultan mit den Vorgängen von Schritt V31 initiiert. Da die Vorgänge von Schritt V32 jedoch viel langsamer ablaufen als die Vorgänge von Schritt V31, kommen diese erst viel später zum Tragen - in der Regel erst nach ca. 15-20 Sekunden. Davor wird die Leistungsabgabe an das Netz durch die Vorgänge von Schritt V31 bestimmt. Im Schritt V31 wird die Leistungsabgabe an das Netz durch den Frequenzumrichter 6 geregelt und im Schritt V32 durch den Regler der Turbine 4 mit Hilfe des Leitapparats. In Schritt V32 kann ggf. der Frequenzumrichter 6 aus der elektrischen Verbindung zwischen Synchronmaschine 5 und Netz-Transformator 7 herausgeschaltet werden, sobald die Leistungsabgabe an das Netz komplett im durch den Leitapparat geregelten Turbinenbetrieb erfolgt.

Leistungsaufnahme vom Netz: Im mit V41 bezeichneten Schritt wird der Frequenzumrichter 6 ggf. zugeschaltet und zieht Leistung aus dem Netz. Diese Leistung wird mit Hilfe des Widerstandes 8 in Wärme umgewandelt. Dazu muss der Widerstand 8 gekühlt werden. Es ist von Vorteil, wenn ein Teil der Leistung, die der Frequenzumrichter 6 aus dem Netz zieht, dazu verwendet wird, um die Synchronmaschine 5 und das Laufrad der Turbine 4 zu beschleunigen. So muss weniger Energie im Widerstand 8 in Wärme umgewandelt werden. Die in Schritt V41 ablaufenden Vorgänge sind sehr schnell und daher kann unterhalb von einer Sekunde die angeforderte Leistung aus dem Netz absorbiert werden. Im Prinzip kann mit den in Schritt V41 beschriebenen Vorgängen allein auch über einen längeren Zeitraum Leistung aus dem Netz aufgenommen werden. Allerdings wird dabei ständig Energie in Wärme umgewandelt und somit sozusagen vernichtet. Es ist daher von Vorteil, wenn die Energie in V41 nur kurzzeitig in Wärme umgewandelt wird. Dazu wird im optionalen Schritt, welcher mit V42 bezeichnet ist, die optionale Pumpe 9 hochgefahren, um Wasser aus dem Unterwasserbecken 2 ins Oberwasserbecken 1 zu pumpen. Dadurch wird weiter Leistung aus dem Netz absorbiert, und die so von der Pumpe 9 aufgenommene Energie wird in Lageenergie des Wassers umgewandelt und zur späteren Verwendung im Turbinenbetrieb gespeichert. Die Vorgänge von Schritt V42 werden dabei simultan mit den Vorgängen von Schritt V41 initiiert. Da die Vorgänge von Schritt V42 jedoch viel langsamer ablaufen als die Vorgänge von Schritt V41, kommen diese erst viel später zum Tragen - in der Regel erst nach ca. 10 bis 15 Sekunden. Davor wird die Leistungsaufnahme aus dem Netz durch die Vorgänge von Schritt V41 bestimmt. Im Schritt V41 wird die Leistungsaufnahme aus dem Netz durch den Frequenzumrichter 6 geregelt. Im Schritt V42 kann die Leistungsaufnahme aus dem Netz auf zweierlei Weise geregelt werden: Entweder verfügt die Pumpe 9 über einen drehzahlvariablen Antrieb, der dadurch die von der Pumpe 9 aufgenommene Leistung regeln kann, oder die Pumpe 9 ist als Pumpe mit konstanter Drehzahl ausgebildet. Im letzteren Fall übernimmt der Leitapparat der Turbine 5 die Regelung der aus dem Netz aufgenommen Leistung. Dazu wird der Leitapparat und ggf. weitere Schließorgane der Turbine 4 geöffnet und die Turbine im geregelten Turbinenbetrieb gefahren. Dabei produziert die Synchronmaschine 5 eine entsprechende elektrische Leistung, die ins Netz eingespeist wird. Es ergibt sich eine Situation, die unter dem Namen hydraulischer Kurzschluss bekannt ist. Die aus dem Netz aufgenommen Netto-Leistung ergibt sich dann aus der Pumpenleistung minus der von der Synchronmaschine 5 produzierten Leistung. Es ist dabei klar, dass die von der Synchronmaschine 5 erzeugte Leistung dabei geringer sein muss als die Pumpenleistung. Da die Turbinenleistung und damit die von der Synchronmaschine 5 erzeugte Leistung durch den Leitapparat der Turbine 4 geregelt werden kann, kann somit auch die Netto-Leistungsaufnahme aus dem Netz geregelt werden. In Schritt V42 kann ggf. der Frequenzumrichter 6 aus der elektrischen Verbindung zwischen Synchronmaschine 5 und Netz-Transformator 7 herausgeschaltet werden, sobald die Leistungsaufnahme aus dem Netz komplett durch den wie gerade dargelegten geregelten Pumpenbetrieb erfolgt.

Nach Abarbeitung der im Schritt V2 ergangenen Aufforderung zur Bereitstellung von schneller Regelleistung, wird die Wasserkraftanlage wieder in den unter Schritt VI beschriebenen Betriebszustand versetzt. Dann ist die Wasserkraftanlage wieder bereit eine weitere Aufforderung zu bedienen.

Die konkrete Auslegung einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage hat ergeben, dass es vorteilhaft ist, wenn im Schritt V31 die Synchronmaschine 5 auf bis zu 50% der Nenndrehzahl abgebremst wird. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn im Schritt V41 die Synchronmaschine 5 auf bis zu 120% der Nenndrehzahl beschleunigt wird. Der Frequenzumrichter 6 kann als sogenannter„Voltage Source Inverter" (VSI) ausgebildet sein. Der VSI hat den Vorteil, dass er eine Leistungsfaktor-Regelung und eine Regelung im sogenannten„Low Voltage Ride Through" ermöglicht. Der Frequenzumrichter 6 kann auch als sogenannter„Load commutated Inverter" (LCI) ausgebildet sein. Ein solcher zeichnet sich durch geringe Gestehungskosten aus.

Damit die vom Grid Code geforderte Regelleistung durch die Wasserkraftanlage optimal zur Verfügung gestellt werden kann, muss die Anlage so ausgelegt sein, dass die Kapazität zur Leistungsabgabe an das Netz der Kapazität der Leistungsaufnahme aus dem Netz entspricht. Diese Anforderung muss sowohl im Kurzzeitbereich als auch im Langzeitbereich erfüllt sein. Die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage ist durch ihren Aufbau so flexibel, dass diese Anforderung durch eine entsprechende Auslegung der Komponenten erfüllt werden kann.