Verfahren zum Betreiben einer elektrische Einheit für ein Pumpspeicherkraftwerk

TECHNISCHED GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk, insbesondere eine elektrische Einheit hierfür umfassend einen Frequenzumrichter und eine rotierende elektrische Synchronmaschine und Verfahren zum Betrieb der elektrischen Einheit.

STAND DER TECHNIK

Regenerative Energiequellen wie beispielsweise Wind- und Solarenergie liefern einen stetig zunehmenden Anteil am Elektrizitätsbedarf. Diese Energiequellen weisen dabei unstetige Betriebszeiten auf. Somit kann eine direkte und dauerhafte Versorgung von Verbrauchern mit Elektrizität aus diesen Energiequellen nicht gewährleistet werden. Hierzu müssen Energiespeicher verwendet werden, welche schnelle Wechsel zwischen Elektrizitätsüberschuss und Elektrizitätsdefizit erlauben und deren Leistung und Energieflussrichtung rasch und kontinuierlich verändert werden können.

Als Energiespeicher stehen hierbei unterschiedliche Systeme zur Verfügung, welche sich jeweils für bestimmte Energiemengen und Anwendungs fälle besonders eignen. Für kleine Energiemengen bis etwa 20 MWh werden, je nach Anwendung, vorzugsweise kinetische Speicher (z.B. Schwungräder), elektrochemische Speicher (Batterien, Redox- Flusszellen), oder elektromagnetische Speicher (Kondensatoren, Superkondensatoren, supraleitende Spulen) verwendet. Für mittlere Energiemengen bis einige 100 MWh sind prinzipiell thermodynamische Speicher (Druckluftspeicher, elektrothermische Speicher) besonders gut geeignet. Für große Energiemengen typischerweise über 100 MWh und meist über 1 GWh werden Pumpspeicher eingesetzt.

Pumpspeicher oder Pumpspeicherkraftwerke sind auf Grund der großen speicherbaren Energiemenge besonders interessant. Dabei wird mit überschüssiger Elektrizität Wasser von einem ersten natürlichen oder künstlich hierfür angelegtem Speicherbecken in ein zweites, höher gelegenes Speicherbecken gepumpt. Die elektrische Energie wird dabei in potenzielle Energie umgewandelt. Zur Rückgewinnung von Elektrizität wird Wasser vom höher gelegenen Speicherbecken über eine Turbine zurück ins niedrigere Speicherbecken geleitet. Für dieses System ist eine Minimierung der Verluste bei den Umwandlungsprozessen besonders wichtig.

Moderne Pumpspeicher weisen drehzahlvariable Antriebe auf. Durch eine Entkoppelung der Drehzahl der Maschinen von einer Netzfrequenz können Pump- und Turbinendrehgeschwindigkeiten so eingestellt werden, dass diese nahe am optimalen Wirkungsgrades betrieben werden. Zudem erlaubt es die Variation der Drehzahl im Pumpbetrieb, die Leistungsaufnahme frei einzustellen. Insbesondere können Systeme mit variabler Drehzahl schnell aus dem Stillstand mit dem Netz verbunden oder synchronisiert werden.

Pumpspeicher gemäss dem Stand der Technik weisen doppelt gespeiste Asynchronmaschinen und leistungselektronische Frequenzumformer auf, womit eine Drehzahlregelung einer Pumpe und einer Turbine möglich ist. Damit wird zum Einen eine Pumpleistung geregelt und zum Anderen kann bei Bedarf der Wirkungsgrad der Anlage erhöht werden.

In einer Ausführungsform zur Drehzahlregelung der Pumpe oder der Turbine wird eine Synchronmaschine verwendet deren Stator mittels eines Drehstroms mit einstellbarer Frequenz gespeist wird. Die Frequenzumformung wird dabei mit Hilfe einer Kombination eines Gleichrichters und eines Wechselrichters erzeugt, welche über einen Spannungs- oder Stromzwischenkreis miteinander verbunden sind.

Zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks beispielsweise zum Anfahren im Turbinenbetrieb, zum Anfahren im Pumpbetrieb und zum Umschalten von Turbinenbetrieb auf Pumpbetrieb oder von Pumpbetrieb auf Turbinenbetrieb sind aufwendige Verfahren notwendig.

Zum Anfahren im Turbinenbetrieb wird beispielsweise zuerst langsam Wasser aus dem Speicherbecken auf die Turbine gegeben um diese Anzufahren. Erst wenn Statorspannungen der Maschine synchron mit dem Stromnetz sind und ein eine korrekte Phasenlage aufweisen, kann die Maschine Leistung in das Stromnetz einspeisen.

Zum Anfahren im Pumpbetrieb wird beispielsweise die Pumpe zuerst entwässert. Hierzu werden häufig zusätzliche Hilfsvorrichtungen eingesetzt. Dies ist notwendig, da beim Stand der Technik nicht genügend Drehmoment zur Verfügung steht um die Pumpe unter Last anzufahren. Weiterhin ist es notwendig bei beispielsweise drehzahlstarren Synchrongeneratoren die Pumpe zusätzlich mit einem Hilfsantrieb wie einer Hilfsturbine oder einem leistungselektronischen Starter zu starten. Erst wenn die Pumpe im Betrieb ist wird Wasser aus dem Speicherbecken in die Pumpe gelassen und ein Absperrorgan geöffnet. Dies belastet darüber hinaus die Pumpe deutlich, da beim Einlassen des Wassers ein starker Impuls auf die Pumpe übertragen wird, wodurch Verschleiß der Pumpenteile erhöht wird.

Zum Umschalten der Betriebsarten wie von Turbinenbetrieb auf Pumpbetrieb oder von Pumpbetrieb auf Turbinenbetrieb werden beispielsweise Polschalter verwendet um die Orientierung des Drehfeldes in der elektrischen Maschine umzuschalten. Diese sind aufwendig und kostenintensiv in Herstellung und Wartung.

Der Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks ist daher sehr aufwendig und zeitintensiv. Insbesondere für Pumpspeicher ist es wichtig schnell auf Wechsel zwischen Elektrizitätsüberschuss und Elektrizitätsdefizit zu reagieren und den Betriebsmodus zu ändern.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, den Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks zu vereinfachen und Betriebswechsel zu beschleunigen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Anfahren im Turbinenbetrieb gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Anfahren im Pumpbetrieb gemäß Anspruch 2, ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks gemäß Anspruch 3 und eine elektrische Einheit für ein Pumpspeicherkraftwerk gemäss Anspruch 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, wobei die Rückbezüge der Ansprüche keine weiteren sinnvollen Anspruchskombinationen ausschliesst.

Die Erfindung sieht dabei ein Verfahren zum Anfahren im Turbinenbetrieb einer elektrische Einheit für ein Pumpspeicherkraftwerk vor. Das Pumpspeicherkraftwerk umfasst eine rotierende elektrische Synchronmaschine und einen Frequenzumrichter, wobei die Maschine mit einer Turbine und einer Pumpe oder einer kombinierten Pumpturbine verbindbar ist. Weiterhin ist die Maschine über den Frequenzumrichter mit einem Stromnetz verbindbar. Das Verfahren sieht dabei vor, dass der Frequenzumrichter zum Anfahren der Turbine verwendet wird und Leistung der elektrischen Maschine unmittelbar beispielsweise nach dem Anfahren in das Stromnetz eingespeist wird. Weiterhin ist ein Verfahren zum Anfahren im Pumpbetrieb einer elektrische Einheit für ein Pumpspeicherkraftwerk vorgesehen. Das Pumpspeicherkraftwerk umfasst eine rotierende elektrische Synchronmaschine und einen Frequenzumrichter, wobei die Maschine mit einer Turbine und einer Pumpe oder einer kombinierten Pumpturbine verbindbar ist. Weiterhin ist die Maschine über den Frequenzumrichter mit einem Stromnetz verbindbar. Das Verfahren sieht dabei vor, dass der Frequenzumrichter zum Anfahren der Pumpe verwendet wird und die Pumpe unmittelbar aus dem Stand und unter Last beispielsweise einer gefluteten Pumpe oder einer Wassersäule angefahren wird.

Des Weiteren ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrische Einheit für ein Pumpspeicherkraftwerk vorgesehenen. Das Pumpspeicherkraftwerk umfasst eine rotierende elektrische Synchronmaschine und einen Frequenzumrichter, wobei die Maschine mit einer Turbine und einer Pumpe oder einer kombinierten Pumpturbine verbindbar ist. Weiterhin ist die Maschine über den Frequenzumrichter mit einem Stromnetz verbindbar. Das Verfahren sieht dabei vor, dass die elektrischen Maschine unabhängig vom Betriebszustand der Pumpe oder Turbine mit dem Stromnetz synchron betrieben wird und Wirkleistung und Blindleistung liefert.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine elektrische Einheit für ein Pumpspeicherkraftwerk. Das Pumpspeicherkraftwerk umfasst eine rotierende elektrische Synchronmaschine und einen Frequenzumrichter, wobei die Maschine mit einer Turbine und einer Pumpe oder einer kombinierten Pumpturbine verbindbar ist. Weiterhin ist die Maschine über den Frequenzumrichter mit einem Stromnetz verbindbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Einheit ist vorgesehen, dass der Frequenzumrichter aus zumindest zwei elektrisch verbindbaren Elementen besteht, wobei in Abhängigkeit des Betriebs der Maschine jeweils ein Element als ein Gleichrichter und ein Element als ein Wechselrichter verwendbar ist und der Frequenzumrichter als selbstkommutierter Konverter mit einem Spannungszwischenkreis oder mit einem Stromzwischenkreis ausgebildet ist. In Abhängigkeit des Betriebs der Maschine ist jeweils ein Element als ein Gleichrichter und ein Element als ein Wechselrichter verwendbar, wobei das maschinenseitige Element auch Inverter Unit INU und das netzseitige Element auch Active Rectifier Unit ARU genannt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figur.

Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten anhand des nachfolgenden Textes mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt Fig.l eine schematische Darstellung einer elektrischen Einheit mit einer elektrischen

Synchronmaschine und einem Frequenzumrichter.

Die Bezugszeichen und deren Bedeutung sind zusammengefasst in der Bezugszeichenliste. Im allgemeinen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Teile.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig.1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Einheit 1 umfassend eine rotierende elektrische Synchronmaschine 2 und einen Frequenzumrichter 3. Die Maschine 2 ist dabei beispielsweise auf Grund von örtlichen Gegebenheiten oder zum Schutz in einer Kaverne untergebracht. Die Maschine weist weiterhin einen Stator auf, der mittels einem Drehstrom mit einstellbarer Frequenz gespeist wird.

Der Betrieb der Maschine 2 mit dem Frequenzumrichter 3 in Pumpspeicherwerken erlaubt eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens, damit können Start-, Stopp- und Umschaltzeiten reduziert werden.

Die Erfindung sieht dabei ein Verfahren zum Anfahren im Turbinenbetrieb der elektrischen Einheit 1 für ein Pumpspeicherkraftwerk vor. Das Verfahren sieht dabei vor, dass der Frequenzumrichter 3 zum Anfahren der Turbine verwendet wird und Leistung der elektrischen Maschine 2 unmittelbar beispielsweise nach dem Anfahren in das Stromnetz 6 eingespeist wird.

Dabei ist keine Wartezeit bis zum Synchronbetrieb notwendig, da die Spannung netzseitig über den Frequenzumrichter 3 stets synchron ist unabhängig von der Frequenz der maschinenseitig generierten Spannung. Damit kann sofort Leistung in das Stromnetz 6 eingespeist werden. Während dem Start entsteht keine Pause zur Synchronisation der Maschine zwischen Start und Betrieb wie bei Lösungen aus dem Stand der Technik.

Weiterhin ist ein Verfahren zum Anfahren im Pumpbetrieb der elektrischen Einheit 1 für ein Pumpspeicherkraftwerk vorgesehen. Das Verfahren sieht dabei vor, dass der Frequenzumrichter 3 zum Anfahren der Pumpe 5 verwendet wird und die Pumpe 5 unmittelbar aus dem Stand und unter Last beispielsweise einer gefluteten Pumpe oder einer Wassersäule angefahren wird.

Der Frequenzumrichter 3 kann die Pumpe 5 mit ausreichend Drehmoment versorgen um direkt aus dem Stand ohne vorheriges Entwässern der Pumpe 5 anzufahren. Die Pumpe 5 kann ohne Verzögerung sofort betrieben werden und ein Anfahren ist ohne grossen Aufwand möglich. Beispielsweise kann die aus dem Stromnetz 6 bezogene Leistung rampenförmig ansteigen und ein Unterbrechen der Versorgung zur Synchronisation ist nicht notwendig.

Des Weiteren ist ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Einheit 1 für ein Pumpspeicherkraftwerk vorgesehenen. Das Verfahren sieht dabei vor, dass die elektrischen Maschine 2 mit einer Frequenz des Stromnetzes 6 synchronisiert wird und unabhängig vom Betriebszustand der Pumpe 5 oder der Turbine 4 mit dem Stromnetz 6 synchron betrieben wird und Wirkleistung und Blindleistung liefert.

Die Verfahren zum Anfahren und Umschalten des Betriebs sind durch die Verwendung des Frequenzumrichters 3 deutlich schneller als im Stand der Technik. Darüber hinaus ist bei der elektrischen Einheit 1 kein zusätzlicher Transformator zwischen Frequenzumrichter 3 und der Maschine 2 vorgesehen, dadurch können die Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik zusätzlich beschleunigt werden.

Beispielsweise bei einer kombinierten Pumpe 5 und Turbine 4 wie einer Pumpturbine wird der Frequenzumrichter 3 zum Umschalten der Drehrichtung eines Drehfeldes der Maschine 2 verwendet. Damit ist ein Polwendeschalter aus dem Stand der Technik nicht mehr notwendig. Der Frequenzumrichter 3 stellt sicher, dass das Kraftwerk während des Umschaltvorgangs immer am Stromnetz 6 und damit synchronisiert bleibt. Es ist daher möglich, die Umschaltzeit und den Leistungsgradienten zu kontrollieren. Über den gesamten Drehzahlbereich kann dabei die Maschine 2 so gespeist werden, dass die Drehzahlumkehr über das Drehmoment der Maschine 2 unterstützt wird. Darüber hinaus kann ein Umschalten zwischen Pumpen und Turbinieren sehr schnell erfolgen auch wenn bei einer Pumpturbine die Wassersäule zum Stillstand kommen muss, da Gravitation die Wassersäule zusätzlich bremst. Der Frequenzumrichter 3 und damit auch die Maschine 2 müssen für diesen Vorgang nicht vom Netz getrennt werden. Für ein Umschalten von Turbinieren zu Pumpen muss die Wassersäule mechanisch abgebremst werden. Dabei bleiben der Frequenzumrichter 3 und die Maschine 2 mit dem Stromnetz 6 verbunden. Des Weiteren kann eine Magnetisierung eines Block-Transformators zur Verbindung mit dem Stromnetz 6 über den Frequenzumrichter 3 zum stossfreien Zuschalten erfolgen.

Der Frequenzumrichter 3 umfasst beispielsweise zwei Elemente, welche je nach Betriebsart der Maschine beispielsweise im Motor- oder Generatorbetrieb als Wechselrichter oder Gleichrichter einsetzbar sind. Eine Drehzahlregelung wird dadurch ermöglicht, dass die Maschine 2 einen Stator aufweist, der mittels einem Drehstrom mit einstellbarer Frequenz gespeist wird. Das maschinenseitige Element oder Inverter Unit INU des Frequenzumrichters 3 wird als Wechselrichter im Pumpmodus und als Gleichrichter im Turbinenmodus betrieben. Das netzseitige Element oder Actife Rectifier Unit ARU des Frequenzumrichters 3 wird als Gleichrichter im Pumpmodus und als Wechselrichter im Turbinenmodus betrieben.

Die Frequenzumformung wird mittels einer Kombination eines Gleichrichters und eines Wechselrichters erzeugt, welche über einen konzentrierten oder verteilten Spannungszwischenkreis oder Stromzwischenkreis miteinander verbunden sind. Der Zwischenkreis weist dabei weiterhin Einheiten zur Energiespeicherung auf beispielsweise Kondensatoren bei einem Spannungszwischenkreis und Induktivitäten bei einem Stromzwischenkreis. Der Zwischenkreis ist zwischen den Elementen vorgesehen und kann dabei konzentriert oder verteilt ausgebildet sein.

Der Betrieb der Maschine mit einer frei wählbaren Drehzahl weist erhebliche Vorteile auf, insbesondere kann bei der Ausführungsform mit einem Frequenzumrichter und einer Synchronmaschine eine etablierte, zuverlässige und wartungsarme Generatortechnologie verwendet werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine Pumpe 5 und eine Turbine 4 unabhängig voneinander in deren optimalen Drehzahlbereich zu betreiben. Durch die Verwendung der Synchronmaschine 2 sind insbesondere auch bei hohen Leistungen hohe Drehzahlen beispielsweise für hohe Gefälle realisierbar. Darüber hinaus reicht der betrieblich zugängliche Drehzahlbereich kontinuierlich von Null bis zur maximalen Drehzahl und ist nur beschränkt durch die betrieblichen Grenzen der Pumpe 5 und der Turbine 4.

Insbesondere besteht die Möglichkeit einer Nachrüstung von älteren Anlagen auf variablen Frequenzbetrieb, ohne Austausch des bestehenden Generators. Ein weiterer Vorteil ist eine sehr rasche Netzkoppelung und die Möglichkeit positive und negative Blindleistung im Frequenzumrichter 3 zu erzeugen, damit kann der Generator ausschließlich mit Wirkleistung betrieben werden, wodurch dieser eine kompaktere Bauart aufweist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Elektrische Einheit

2 Maschine

3 Frequenzumrichter

4 Turbine

5 Pumpe

6 Stromnetz