WO2013075882A1 - Wasserkraftwerk und verfahren zu primärregelung eines wasserkraftwerks - Google Patents

Wasserkraftwerk und verfahren zu primärregelung eines wasserkraftwerks Download PDF

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WO2013075882A1
WO2013075882A1 PCT/EP2012/070039 EP2012070039W WO2013075882A1 WO 2013075882 A1 WO2013075882 A1 WO 2013075882A1 EP 2012070039 W EP2012070039 W EP 2012070039W WO 2013075882 A1 WO2013075882 A1 WO 2013075882A1
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turbine
power
plant
generator
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Oliver Hesse
Ralf Grether
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Voith Patent GmbH
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Voith Patent GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/103—Purpose of the control system to affect the output of the engine
    • F05B2270/1033—Power (if explicitly mentioned)
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a hydroelectric plant according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art also relates to a method for
  • Hydroelectric power plants are known from the general state of the art. They use a height difference between a so-called upper water and a so-called underwater, to guide the water when flowing from the upper water to the underwater through a turbine. The pressure difference resulting from the height difference is converted into mechanical energy in the area of the turbine. The turbine then drives a generator, which converts the mechanical energy into electrical energy to make it available for electrical consumers.
  • hydroelectric power plants are used in such a way that the hydroelectric power plants generated in the area of hydropower plants
  • electrical power is provided to an electrical power grid. Now it is like that electrical power grids
  • the supplied electrical power is regulated so that it contributes to the support of a stable network frequency. In power plant engineering this is called primary control.
  • the primary control in the area of a hydroelectric power plant is now typically carried out so that actuators for influencing the electrical power at the turbine in dependence on an actual value of the grid frequency for influencing the
  • Turbine power adjusted to achieve a target value of the grid frequency. This procedure is known from the general state of the art. It requires turbines with corresponding actuators, which adjusted with a comparatively large number of actuating movements per unit time be able to meet the requirements of the primary control to the turbine.
  • the object of the present invention is now a
  • the hydroelectric power plant according to the invention uses a flywheel storage device coupled to the generator, which, for example in the case of a pumped storage power plant, can also be designed as a motor generator.
  • Flywheel accumulator in coupling with the generator can be used to equalize the power output of the generator.
  • one is such structure very well suited for the flywheel storage is used in the primary control, ie the maintenance of a constant grid frequency, by a variation of the power of the hydroelectric power plant.
  • Flywheel accumulator can be decelerated from an existing energy content to provide additional power and so on
  • Flywheel storage also be used for other applications. If, for example, the turbine and the generator in the hydropower plant are shut down, then the flywheel of the turbine can be slowed down during deceleration
  • Flywheel accumulator can be charged to a maximum energy content. It can then for example during the standstill of the turbine for
  • Own energy supply within the hydroelectric power plant can be used.
  • it can also be used to supply energy when restarting the at least one turbine and generator set.
  • the energy efficiency of the hydroelectric power plant as a whole can thus be increased.
  • Flywheel accumulator has an electric machine with which a
  • Flywheel of the flywheel accumulator is connected, wherein the electric Machine and the at least one generator are electrically coupled.
  • Such an electrical coupling makes it possible to arrange the flywheel independently of the generator in the hydroelectric power plant and to couple one or more generators, for example via a flywheel, to a plurality of generators or also via a plurality of flywheels.
  • This is advantageous in terms of spatial flexibility and the design of the flywheel storage, since such a flywheel storage can be used, which is structurally independent of the generator realized.
  • This is particularly advantageous because the generators are typically designed as a one-off and thus adaptation effort can be saved at the flywheel storage.
  • the electric machine is designed as an external rotor, wherein a rotor is rotatably connected to the flywheel of the flywheel storage.
  • a rotor is rotatably connected to the flywheel of the flywheel storage.
  • the flywheel rotates in a space under negative pressure, so as to reduce deceleration by air friction.
  • the rotor of the electric machine is disposed within the negative-pressure space and the stator of the electric machine outside the negative-pressure space. The boundary of the space under negative pressure or vacuum, in which the flywheel rotates, is thus placed between the rotor and the stator of the electric machine designed as an external rotor. Without additional effort, and without the space under vacuum through seals or To have to penetrate the like, so a very energy-efficient design can be realized.
  • a flywheel of the flywheel storage is magnetically mounted.
  • Such a magnetic bearing, which is non-contact, is also in terms of
  • flywheel storage are each formed in modular units, depending on the required power and / or energy content required a corresponding number of modular units is used. This structure with several flywheel storage in the
  • Hydroelectric power plant allows a modular construction of the flywheel storage.
  • the individual modular units can be designed in particular exactly the same and with the same energy content or the same performance.
  • the required storage capacity through the
  • flywheel storage for example, the power required due to the primary control in the requirements of the respective power grid. Modularization of the units makes them simple and efficient in their design. Cost advantages in terms of larger numbers can be realized and an adjustment of the required storage capacity is easy and without the construction of special flywheel storage for the particular application possible.
  • Part of the invention is also a method for primary control of a
  • Hydroelectric power plant wherein the electrical power output from the hydroelectric power plant in response to an actual value of a mains frequency of the electrical power receiving electrical supply network is adjusted.
  • the primary control is therefore as far as possible in the manner already described above via a
  • actuators and bearings can be made simpler and easier, so that overall a cost-effective structure with
  • the regulation of the first and possibly second actuators takes place in such a way that the required power is dependent on the frequency as well as a power requirement for charging the flywheel storage or a supply of power is supplied by braking the flywheel storage.
  • Hydroelectric power plant as always optimized in terms of efficiency case can be used for the control of the turbine, while the required by the primary control balancing the power of the hydropower plant via stored and output power of the flywheel storage takes place. Since due to the primary control unneeded power is not completely regulated, but is stored in the flywheel storage, this can be used at least in part the next need for extra power, so that the primary control in the hydropower plant according to the invention not only very gentle for the actuators of the turbine, but also very energy efficient is possible. Further advantageous embodiments of the hydroelectric power plant according to the invention and of the method will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figures.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a relevant to the invention section of a hydroelectric power plant
  • FIG. 2 shows a measured course of a network frequency
  • Figure 3 shows an alternative embodiment of the relevant section of a hydroelectric plant
  • FIG. 4 is an illustration of the power curve and the energy content of the
  • Figure 5 is a schematic representation of an exemplary hydropower plant according to the invention.
  • FIG. 1 In the illustration of Figure 1 is a relevant to the invention section of a hydroelectric power plant 1, which is not shown in its entirety, to recognize.
  • the core of the section shown forms a machine set 2, which comprises a generator 3 and, by way of example, a Kaplan turbine 4. These are via a common shaft 5, which in the illustrated
  • Embodiment is formed parallel to gravity connected.
  • the Kaplan turbine 4 itself has so-called turbine blades 6, which are also referred to as wings on. These turbine blades 6 are, as it is indicated by the example of one of the turbine blades 6 by a double arrow, adjustable educated. They form the first actuators of the Kaplan turbine 4, which is designed as a double-regulated turbine 4 in total.
  • the second actuators are formed by vanes 7 in a nozzle, which influences the supply of water to the Kaplan turbine 4.
  • these vanes 7 are adjustable. They thus influence the amount of water which flows through the so-called pressure pipe from an upper water of the hydroelectric power plant 1 via the spiral 9 to the Kaplan turbine 4. After the turbine 4 has passed, the water flows through a so-called suction pipe 10 into the underwater.
  • the grid frequency in the electrical supply grid 12 is kept constant within comparatively narrow limits.
  • the typical mains frequency in Europe is about 50 Hz, in the United States about 60 Hz.
  • the hydroelectric power plant 1 supports the constancy of the grid frequency by the so-called primary control. This means that the power output of the generator 3 in the electrical network 12 based on the
  • Mains frequency is tracked. For this purpose, a control of the
  • Turbine blades 6 as the first actuators of the so-called optimal context applies. This means that the adjusting movements always in an optimal
  • a flywheel storage 13 is provided with a flywheel 14 in the hydropower plant 1 shown here.
  • the flywheel accumulator 13 and its flywheel 14 are in the embodiment shown here with the extended beyond the generator 3 addition shaft 5 via a switchable
  • This switchable magnetic coupling 15 can be formed, for example, from permanent magnets in the region of the flywheel 14, which can be "connected” with switchable (electric) magnets in the region of the shaft 5 if required directly mechanically or via a magnetic interaction 5 and the flywheel 14 to match each other, also in the here in principle executed representation not recognizable gear stage between the shaft 5 and the flywheel 14 and the magnetic clutch 15 may be present.
  • switchable magnetic coupling 15 would of course also alternatives such as a mechanical or a
  • Flywheel accumulator 13 to the generator 3 shown in principle.
  • the coupling is electrically formed in the embodiment shown in Figure 3.
  • the flywheel storage device 13 is for this purpose via an inverter 16 in the power plant internal part of an electrical network 17, which is hereinafter referred to as internal network 17, coupled. Also here only
  • flywheel accumulator 13 The design of the flywheel accumulator 13 with the flywheel 14 is shown here in somewhat greater detail.
  • the massed flywheel 14 runs in a space under negative pressure 18, in particular a space under vacuum or high vacuum, about an axis of rotation 19 to.
  • the axis of rotation 19 can, as indicated here, run in the direction of gravity. In this case, this is referred to as a "vertical axis of rotation.”
  • a so-called “horizontal axis of rotation” that is to say a rotation axis extending perpendicularly to the axis of gravity, would also be conceivable.
  • the evacuated space 18 is to be evacuated, for example via a vacuum pump, not shown here, to an absolute pressure of less than 0.01 mbar.
  • the flywheel 14 itself which in the illustration of Figure 3 from fiber-reinforced, in particular carbon fiber reinforced, plastic is to be formed, is mounted on magnetic bearings 20, 21.
  • the magnetic bearing with the reference numeral 20 shown above in the figure of Figure 3 is to be designed as a magnetic radial bearing 20.
  • the magnetic bearing with the reference numeral 21 shown below in the illustration of Figure 3 should be designed as a combined radial / axial bearing 21. She is in the process
  • the magnetic bearings 20, 21 can be formed both active and passive. In particular, the magnetic bearings 20, 21 so
  • the carrying capacity of the flywheel 14 and its basic storage ensured.
  • the storage stability is ensured and it can be dynamically adjusted fluctuations, positional deviations, vibrations and the like, since such "disturbances" by means of an active
  • triggered magnetic bearing 20, 21 can be reacted by a control in a conventional manner.
  • a magnetic bearing 20, 21 allows a very low-loss storage of the flywheel 14, so that the energy on the inertia of the mass flywheel 14 can be stored in the flywheel storage 13 over a relatively long period of time with minimal losses.
  • the flywheel accumulator 13 shown in FIG. 3 now also has an electric machine 22.
  • This in turn has a rotor 23 and a Stator 24 on.
  • the structure of the electric machine 22 is realized as a so-called external rotor.
  • the stator 24 is fixed in the interior of the electric machine 22 and is connected via the indicated line to the inverter 16, which in turn is in turn connected to the internal network 17 and above with the supply network 12.
  • the structure can be used in various supply networks 12, for example in medium-voltage networks with voltages of the order of 5 to 15 kV or in so-called high-power networks in the medium-voltage range, which usually have a voltage level of 34 kV.
  • the magnetic coupling which is present anyway between the rotor 23 and the stator 24 of the electric machine 22 is used to store energy in the flywheel accumulator 13 or from there
  • flywheel accumulator 13 for example, by a mechanical, magnetic or hydrodynamic coupling, as described in the illustration of Figure 1, or with the electrical coupling, as described in Figure 3, there is now the
  • the hydroelectric power plant 1 can always provide a power required as a function of the grid frequency f or its nominal value A, in order thus to ensure the most constant grid frequency f in the electrical grid 12.
  • the hydroelectric power plant 1 uses two different mechanisms. These mechanisms are coupled with one another in terms of control engineering. They consist on the one hand, as already described above and common in the conventional constructions, from a power control of the turbine 4 by adjusting the
  • Turbine blades 6 and the guide vanes 7 of the distributor will typically always adjusted together to the so-called
  • the flywheel accumulator 13 can in fact be used in both embodiments described so far to absorb power from the internal network 17, whereby the flywheel 14 is accelerated accordingly, or to deliver power to the internal network 17, whereby the flywheel 14 is decelerated accordingly.
  • Hydroelectric power plant 1 now depending on the actual value A of the grid frequency f of the electrical supply network 12, the power that the hydroelectric power plant 1 outputs to the outside, must vary very dynamically, this must dynamic
  • Flywheel storage 13 leads to a reduction of power in the internal network 17.
  • a variation of the power by means of the flywheel storage 13 thus allows highly dynamic, to pursue the required power values as a function of the actual value A of the network frequency f.
  • this is shown for a section of the profile A of the network frequency f shown in FIG.
  • the section corresponds approximately to the first third of the frequency profile A shown in Figure 2.
  • On the X-axis of the diagram in Figure 4 is here
  • the time t applied On the first Y-axis shown on the right, the power P of the flywheel 13 is shown. This varies by a designated zero line between -100 and +100%, ie the maximum maximum or maximum achievable power of the flywheel storage 13. On the second Y-axis shown on the left, the energy content E of the flywheel storage is shown. The curve labeled e shows the energy content at the time.
  • Curve shows the performance curve of the flywheel storage 13. Now it is so that at time zero, the flywheel storage with a predetermined
  • Flywheel 14 or with these speeds corresponding quantities is determined, then must be influenced by a common control 25, which is exemplified in the later explained illustration of Figure 5, the first and second actuators 6, 7 of the turbine 4 for primary control , The times at which this is necessary are marked x in the representation of FIG. 4 in the region of the time axis t. It can clearly be seen that such readjustment of the actuators 6, 7 is only necessary at six times. If one now considers that the representation of the frequency f in FIG.
  • flywheel storage 13 In addition to the application to the primary control of the flywheel storage 13 can of course also be used to power the internal network 17 when the machine set 2 of the hydroelectric power plant 1 is at a standstill, if the energy storage 13 has been previously loaded. Depending on the configuration of the flywheel storage 13, energy can thus be supplied from the flywheel storage 13 for the internal network and thus the own energy supply of the hydroelectric power plant 1 over a more or less long time.
  • the stored in the flywheel storage 13 energy can also be used in a restart of the engine set 2 to the
  • hydroelectric power plant 1 As is common in hydroelectric power plants 1, the hydroelectric power plant 1 has several sets of machines 2, in this case
  • the turbines 4 may in turn be designed as Kaplan turbines.
  • the use of other turbines would be conceivable, for example the use of Francis turbines, which can then be influenced only via a diffuser with vanes 7 as a single actuator in their performance.
  • generators 3 and motor-generators could be used, especially when it comes to the hydroelectric power plant 1 to a
  • the three sets of machines 2 and their generators 3 are connected via the internal network 17 with an electrical network coupling 11 and via this to the electrical supply network 12.
  • the electrical network coupling 11 may in particular comprise a converter and various switching devices.
  • four flywheel storage 13 can be seen, which are connected via their respective inverter 16 to the internal network 17. They can be used in the manner described above first and foremost for the primary control of the hydropower plant 1. The control takes place in the by the reference numeral 25th
  • Modules in the exemplary embodiment illustrated here, four such modules are then integrated into the internal network 17 in each case via their integrated converter 16.
  • the number of modules can be varied according to the rated power of all generators 3 used accordingly, for example, so that the power of all flywheel storage 13 is formed together in the order of 1/100 to 1/20 to the rated power of all generators 3 together. Due to the modular structure of the individual flywheel storage 13, these can be formed independently of the machine sets 2 of the hydroelectric power plant 1 and produce simple and efficient using numerous identical parts. Depending on the required storage capacity of the flywheel storage 13 then the appropriate number of flywheel storage 13 or modules of the flywheel storage 13 is installed in the hydroelectric power plant 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk mit - wenigstens einer Turbine, welche - mit wenigstens einem Generator mechanisch verbunden ist. Dabei ist wenigstens ein Schwungradspeicher mit dem wenigstens einen Generator gekoppelt. Der Schwungradspeicher weist eine elektrische Maschine auf, mit welcher ein Schwungrad verbunden ist. Die elektrische Maschine und der wenigstens eine Generator sind elektrisch gekoppelt.

Description

Wasserkraftwerk und Verfahren zu Primärregelung eines Wasserkraftwerks
Die Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
Primärregelung eines solchen Wasserkraftwerks.
Wasserkraftwerke sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie nutzen einen Höhenunterschied zwischen einem sogenannten Oberwasser und einem sogenannten Unterwasser, um das Wasser beim Strömen vom Oberwasser zum Unterwasser durch eine Turbine zu leiten. Der aus der Höhendifferenz stammende Druckunterschied wird dabei in mechanische Energie im Bereich der Turbine umgewandelt. Die Turbine treibt dann einen Generator an, welcher die mechanische Energie in elektrische Energie wandelt, um diese für elektrische Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Typischerweise werden Wasserkraftwerke dabei so eingesetzt, dass die im Bereich der Wasserkraftwerke erzeugte
elektrische Leistung einem elektrischen Energieversorgungsnetz zur Verfügung gestellt wird. Nun ist es so, dass elektrische Energieversorgungsnetze
typischerweise eine vorgegebene Netzfrequenz aufweisen. Um die Funktionalität des Netzes zu gewährleisten ist es wichtig, diese Netzfrequenz in gewissen vorgegebenen Grenzen zu halten. Dafür wird die eingespeiste elektrische Leistung so geregelt, dass diese zur Unterstützung einer stabilen Netzfrequenz beiträgt. In der Kraftwerkstechnik wird dies als Primärregelung bezeichnet.
Die Primärregelung im Bereich eines Wasserkraftwerks erfolgt nun typischerweise so, dass Stellglieder zur Beeinflussung der elektrischen Leistung an der Turbine in Abhängigkeit eines Ist-Werts der Netzfrequenz zur Beeinflussung der
Turbinenleistung nachgestellt werden, um einen Zielwert der Netzfrequenz zu erreichen. Diese Vorgehensweise ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie erfordert Turbinen mit entsprechenden Stellgliedern, welche mit einer vergleichsweise großen Anzahl von Stellbewegungen je Zeiteinheit nachgestellt werden können, um die Anforderungen der Primärregelung an die Turbine erfüllen zu können.
Die Belastung für derartige Stellglieder, beispielsweise den Leitschaufeln eines Leitapparats und/oder den verstellbaren Turbinenschaufeln beziehungsweise Turbinenflügeln, ist vergleichsweise hoch. Die Lagerung und Auslegung dieser Bauteile als Stellglieder muss entsprechend robust erfolgen. Damit sind
typischerweise ein hohes Gewicht sowie vergleichsweise hohe Kosten zur
Erzielung der gewünschten Lebensdauer verbunden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein
Wasserkraftwerk mit wenigstens einer solchen Turbine anzugeben, welches hinsichtlich der Kosten und Materialien für die Stellglieder der Turbine optimiert ist und dennoch eine sehr hohe Lebensdauer bei den Lagerungen der Stellglieder gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den hiervon abhängigen
Unteransprüchen.
Außerdem löst ein Verfahren zur Primärregelung eines solchen Wasserkraftwerks mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 die Aufgabe. Eine vorteilhafte Weiterbildung hiervon ist im abhängigen Unteranspruch angegeben.
Das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk nutzt ein mit dem Generator, welcher beispielsweise im Falle eines Pumpspeicherkraftwerks auch als Motor-Generator ausgebildet sein kann, gekoppelten Schwungradspeicher. Dieser
Schwungradspeicher in Kopplung mit dem Generator kann zur Vergleichmäßigung der Leistungsabgabe des Generators eingesetzt werden. Insbesondere ist ein solcher Aufbau sehr gut dafür geeignet, dass der Schwungradspeicher bei der Primärregelung, also der Aufrechterhaltung einer konstanten Netzfrequenz, durch eine Variation der Leistung des Wasserkraftwerks eingesetzt wird. Der
Schwungradspeicher kann ausgehend von einem vorhandenen Energieinhalt abgebremst werden, um zusätzliche Leistung bereitzustellen und so die
Leistungsabgabe des Wasserkraftwerks zu erhöhen, wenn dies aufgrund der Primärregelung erforderlich ist. Er kann genauso gut dafür verwendet werden, Leistung des Generators aufzunehmen und das Schwungrad dadurch zu
beschleunigen. Die von dem Wasserkraftwerk insgesamt abgegebene Leistung wird dadurch reduziert. In beiden Fällen kann so, ohne dass die mit dem
Generator verbundene Turbine in ihrer Leistung beeinflusst werden muss, eine Variation der Leistungsabgabe zur Primärreglung durch das Wasserkraftwerk erfolgen. Neben diesem besonders vorteilhaften Einsatz des Schwungradspeichers in dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk zur Primärregelung kann der
Schwungradspeicher außerdem für weitere Anwendungen genutzt werden. Kommt es beispielsweise zu einem Stillsetzen der Turbine und des Generators in dem Wasserkraftwerk, dann kann beim Abbremsen das Schwungrad des
Schwungradspeichers auf einen maximalen Energieinhalt aufgeladen werden. Es kann dann beispielsweise während des Stillstands der Turbine zur
Eigenenergieversorgung innerhalb des Wasserkraftwerks genutzt werden. Es kann insbesondere auch zur Energieversorgung bei einem Wiederanfahren des wenigstens einen Maschinensatzes aus Turbine und Generator (mit-)genutzt werden. Die Energieeffizienz des Wasserkraftwerks insgesamt lässt sich so steigern.
Bei dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk ist es vorgesehen, dass der
Schwungradspeicher eine elektrische Maschine aufweist, mit welcher ein
Schwungrad des Schwungradspeichers verbunden ist, wobei die elektrische Maschine und der wenigstens eine Generator elektrisch gekoppelt sind. Eine solche elektrische Kopplung ermöglicht es, das Schwungrad unabhängig vom Generator in dem Wasserkraftwerk anzuordnen und so beispielsweise über ein Schwungrad mehrere Generatoren oder auch über mehrere Schwungräder einen oder mehrere Generatoren zu koppeln. Dies ist hinsichtlich der räumlichen Flexibilität und der Bauform des Schwungradspeichers von Vorteil, da so ein Schwungradspeicher eingesetzt werden kann, welcher baulich unabhängig von dem Generator realisiert ist. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, da die Generatoren typischerweise als Einzelanfertigungen ausgeführt sind und somit Anpassungsaufwand beim Schwungradspeicher eingespart werden kann.
In einer sehr günstigen Ausgestaltung dieses Aufbaus ist es dabei vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Außenläufer ausgebildet ist, wobei ein Rotor drehfest mit dem Schwungrad des Schwungradspeichers verbunden ist. Ein solcher Aufbau ist besonders einfach und effizient zu realisieren. Die elektrische Maschine als Außenläufer sitzt dann in der Mitte eines typischerweise als
Hohlzylinder ausgebildeten Schwungrads. Die Kopplung zwischen dem drehfest mit dem Schwungrad verbunden Rotor und dem Stator des Außenläufers erfolgt dann über die Magnetkräfte.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es dabei vorgesehen sein, dass das Schwungrad in einem unter Unterdruck stehenden Raum umläuft, umso ein Abbremsen durch Luftreibung zu reduzieren. In diesem Fall kann es ferner vorgesehen sein, dass der Rotor der elektrischen Maschine innerhalb des unter Unterdruck stehenden Raumes und der Stator der elektrischen Maschine außerhalb des unter Unterdruck stehenden Raumes angeordnet ist. Die Grenze des unter Unterdruck beziehungsweise Vakuum stehenden Raumes, in welchem das Schwungrad umläuft, wird also zwischen den Rotor und den Stator der als Außenläufer ausgebildeten elektrischen Maschine gelegt. Ohne zusätzlichen Aufwand, und ohne den unter Unterdruck stehenden Raum über Dichtungen oder dergleichen durchdringen zu müssen, kann so ein sehr energieeffizienter Aufbau realisiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es dabei vorgesehen, dass ein Schwungrad des Schwungradspeichers magnetisch gelagert ist. Eine solche magnetische Lagerung, welche berührungslos erfolgt, ist ebenfalls hinsichtlich von
Reibungsverlusten ideal, um ein sehr energieeffizientes Schwungrad aufzubauen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wasserkraftwerks kann es außerdem vorgesehen sein, dass mehrere der Schwungradspeicher in jeweils modularen Einheiten ausgebildet sind, wobei je nach benötigter Leistung und/oder benötigtem Energieinhalt eine entsprechende Anzahl der modularen Einheiten eingesetzt ist. Dieser Aufbau mit mehreren Schwungradspeichern in dem
Wasserkraftwerk ermöglicht einen modularen Aufbau der Schwungradspeicher. Die einzelnen modularen Einheiten können dabei insbesondere exakt gleich und mit gleichem Energieinhalt beziehungsweise gleicher Leistung ausgebildet sein. So lässt sich unabhängig vom Bautyp des oder der Generatoren durch eine geeignete Anzahl derartiger Module die benötigte Speicherkapazität durch die
Schwungradspeicher bereitstellen, beispielsweise die aufgrund der Primärregelung bei den Anforderungen des jeweiligen Energieversorgungsnetzes benötigte Leistung. Durch die Modularisierung der Einheiten werden diese einfach und effizient in ihrem Aufbau. Kostenvorteile hinsichtlich der größeren Stückzahl lassen sich realisieren und eine Anpassung der benötigten Speicherkapazität ist einfach und ohne den Aufbau von speziellen Schwungradspeichern für die jeweils vorliegende Anwendung möglich.
Teil der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Primärregelung eines
Wasserkraftwerks, wobei die von dem Wasserkraftwerk abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit eines Ist-Werts einer Netzfrequenz eines die elektrische Leistung aufnehmenden elektrischen Versorgungsnetzes nachgestellt wird.
Erfindungsgemäß wird dabei die erforderliche Änderung der abgegebenen elektrischen Leistung zuerst durch Leistungsabgabe durch Abbremsen und
Leistungsaufnahme vom Generator durch Beschleunigen des Schwungradspeichers erreicht, wonach ab einer oberen oder unteren Grenzdrehzahl des Schwungrads des Schwungradspeichers oder einer damit korrelierenden Größe erste und gegebenenfalls zweite Stellglieder der Turbine zur Beeinflussung der abgegebenen elektrischen Leistung genutzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Primärregelung also soweit wie möglich in der oben bereits beschriebenen Art und Weise über eine
Leistungsanpassung durch Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe aus dem Schwungradspeicher realisiert. Dies funktioniert typischerweise so lange, wie Leistung im Schwungradspeicher eingespeichert oder aus diesem entnommen werden kann. Sobald der Schwungradspeicher eine obere oder untere Grenze, welche typischerweise anhand einer Drehzahl eines Schwungrads des
Schwungradspeichers festgemacht wird, erreicht hat, ist die Leistungsveränderung zur Primärregelung über den Schwungradspeicher nicht mehr möglich, dann muss eine Leistungsanpassung durch die Stellglieder der Turbine in an sich bekannter Art und Weise erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Primärregelung eines solchen Wasserkraftwerks nutzt genau diese vorteilhafterweise möglichen Schritte zur Realisierung einer Primärregelung, welche die Stellbewegungen durch die Stellglieder der Turbine auf ein absolutes Minimum reduziert.
Dementsprechend können Stellglieder und Lagerungen einfacher und leichter ausgelegt werden, sodass insgesamt ein kostengünstiger Aufbau mit
vergleichbarer Lebensdauer oder beim vergleichbaren Aufbau eine sehr viel höhere Lebensdauer ermöglicht wird.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Regelung der ersten und gegebenenfalls zweiten Stellglieder so erfolgt, dass die erforderliche Leistung in Abhängigkeit der Frequenz sowie eines Leistungsbedarfs zum Aufladen des Schwungradspeichers oder eines Leistungsangebots durch Abbremsen des Schwungradspeichers geliefert wird. Diese besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es durch eine Art„Überreaktion" beim Nachstellen der ersten und gegebenenfalls zweiten Stellglieder die von der Turbine gelieferte Leistung über den benötigten Leistungswert hinaus zu ändern. Wurde eine Leistungsanpassung über die Stellglieder erforderlich, weil der
Schwungradspeicher„leer" geworden ist, kann so mit der zusätzlichen Leistung der Schwungradspeicher wieder aufgeladen werden. Wurde die Anforderung der Leistungsanpassung über die Stellglieder ausgelöst, weil der Schwungradspeicher keine weitere Aufnahmekapazität mehr hatte, dann kann die Leistung über die Stellglieder so eingeregelt werden, dass zusätzliche Leistung von dem
Schwungradspeicher benötigt wird, um die benötigte Stabilisierung der
Netzfrequenz zu erreichen. In diesem Fall wird der Schwungradspeicher etwas entladen und steht so wieder sowohl zur Abgabe als auch zur Aufnahme von Leistung zur Primärregelung des Wasserkraftwerks zur Verfügung.
Alles in allem erlaubt eine Primärregelung über wenigstens einen
Schwungradspeicher dabei einen sehr energieeffizienten Betrieb des
Wasserkraftwerks, da für die Ansteuerung der Turbine immer der hinsichtlich des Wirkungsgrads optimierte Fall verwendet werden kann, während der durch die Primärregelung geforderte Ausgleich der Leistung des Wasserkraftwerks über eingespeicherte und abgegebene Leistung des Schwungradspeichers erfolgt. Da aufgrund der Primärregelung nicht benötigte Leistung nicht gänzlich abgeregelt wird, sondern in dem Schwungradspeicher eingespeichert wird, kann diese zumindest zum Teil beim nächsten Bedarf an Mehrleistung wieder verwendet werden, sodass die Primärregelung bei dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk nicht nur sehr schonend für die Stellglieder der Turbine, sondern auch sehr energieeffizient möglich ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks sowie des Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines für die Erfindung relevanten Ausschnitts aus einem Wasserkraftwerk;
Figur 2 einen gemessenen Verlauf einer Netzfrequenz;
Figur 3 eine alternative Ausführungsform des relevanten Ausschnitts aus einem Wasserkraftwerk;
Figur 4 eine Darstellung des Leistungsverlaufs sowie des Energieinhalts des
Schwungradspeichers bei der Primärregelung; und
Figur 5 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Wasserkraftwerks gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein für die Erfindung relevanter Ausschnitt aus einem Wasserkraftwerk 1, welches in seiner Gesamtheit nicht dargestellt ist, zu erkennen. Den Kern des dargestellten Ausschnitts bildet ein Maschinensatz 2, welcher einen Generator 3 sowie beispielhaft eine Kaplanturbine 4 umfasst. Diese sind über eine gemeinsame Welle 5, welche in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel parallel zur Schwerkraft ausgebildet ist, verbunden. Die Kaplanturbine 4 selbst weist sogenannte Turbinenschaufeln 6, welche auch als Flügel bezeichnet werden, auf. Diese Turbinenschaufeln 6 sind, wie es am Beispiel einer der Turbinenschaufeln 6 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, verstellbar ausgebildet. Sie bilden die ersten Stellglieder der Kaplanturbine 4, welche insgesamt als doppeltgeregelte Turbine 4 ausgebildet ist. Die zweiten Stellglieder werden durch Leitschaufeln 7 in einem Leitapparat ausgebildet, welcher die Zufuhr des Wassers zu der Kaplanturbine 4 beeinflusst. Über prinzipmäßig angedeutete Aktuatoren 8 sind diese Leitschaufeln 7 verstellbar. Sie beeinflussen so die Menge an Wasser, welche durch das sogenannte Druckrohr von einem Oberwasser des Wasserkraftwerks 1 über die Spirale 9 zu der Kaplanturbine 4 strömt. Nachdem die Turbine 4 passiert ist, strömt das Wasser über ein sogenanntes Saugrohr 10 in das Unterwasser ab.
Durch das Gefälle zwischen dem Oberwasser und dem Unterwasser kommt es zu einer Druckdifferenz in dem Wasser, welches die Kaplanturbine 4 antreibt. Über die gemeinsame Welle 5 wird dann der Generator 3 angetrieben und stellt elektrische Leistung bereit. Über eine angedeutete elektrische Netzkopplung 11, welche einen Umrichter umfassen kann, gelangt diese elektrische Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz 12, welches in der Darstellung der Figur 1 anhand eines Masten einer Überlandleitung beispielhaft angedeutet ist.
Um im Bereich des elektrischen Versorgungsnetzes 12 nun für eine ausreichende Netzstabilität zu sorgen ist es wichtig, dass die Netzfrequenz in dem elektrischen Versorgungsnetz 12 in vergleichsweise engen Grenzen konstant gehalten wird. Die typische Netzfrequenz in Europa liegt dabei bei ca. 50 Hz, in den Vereinigten Staaten bei ca. 60 Hz. Das Wasserkraftwerk 1 unterstützt die Konstanz der Netzfrequenz durch die sogenannte Primärregelung. Dies bedeutet, dass die Leistungsabgabe des Generators 3 in das elektrische Netz 12 anhand der
Netzfrequenz nachgeführt wird. Hierfür erfolgt eine Ansteuerung der
doppeltgeregelten Turbine 4 beziehungsweise ihrer beiden Stellglieder, nämlich der Turbinenschaufeln 6 als erste Stellglieder und der Leitschaufeln 7 als zweite Stellglieder. Bei der Primärregelung gemäß dem Stand der Technik ist es nun so, dass zur Optimierung des Wirkungsgrads der doppeltgeregelten Turbine 4 zwischen den Stell beweg ungen der Leitschaufeln 7 als zweite Stellglieder und der
Turbinenschaufeln 6 als erste Stellglieder der sogenannte Optimalzusammenhang gilt. Dies bedeutet, dass die Stellbewegungen immer in einem optimalen
Zusammenhang zueinander ausgeführt werden. Dadurch lässt sich der
Wirkungsgrad der Turbine 4 optimieren. Die Ansteuerung der doppeltgeregelten Turbine 4 durch die Netzfrequenz führt zu einer sehr hohen Anzahl von
Stellbewegungen, da in der typischen Netzfrequenz sehr schnelle Schwankungen auftreten und darüber hinaus ein Rauschen auftreten kann. Am Beispiel der hier dargestellten Kaplanturbine 4 wurden bei einem aus der Praxis aufgezeichneten Frequenzverlauf f über der Zeit t, wie er in der Darstellung der Figur 2 anhand der mit A bezeichneten Linie zu erkennen ist, innerhalb einer Betriebsstunde ca. 2500 bis 3000 Änderungen der Ansteuerung der Flügelschaufeln 6 beziehungsweise der Leitschaufeln 7 registriert. Die Lager der Flügelschaufeln 6 und der Leitschaufeln 7 müssen also auf eine vergleichsweise hohe Anzahl von Stellbewegungen, welche teilweise nur sehr geringe Verfahrwege aufweisen, ausgelegt sein. Dies macht die Lagerung vergleichsweise groß, aufwändig und teuer. Um dieser Problematik der sehr hohen Anzahl von Änderungen der Ansteuerung der Flügelschaufeln 6 beziehungsweise der Leitschaufeln 7 entgegenzuwirken, ist bei dem hier dargestellten Wasserkraftwerk 1 ein Schwungradspeicher 13 mit einem Schwungrad 14 vorgesehen. Der Schwungradspeicher 13 beziehungsweise sein Schwungrad 14 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit der über den Generator 3 hinaus verlängerten Welle 5 über eine schaltbare
magnetische Kupplung 15 verbunden. Diese schaltbare magnetische Kupplung 15 kann beispielsweise aus Permanentmagneten im Bereich des Schwungrads 14 ausgebildet sein, welche mit schaltbaren (Elektro-)Magneten im Bereich der Welle 5 bei Bedarf direkt mechanisch oder über eine magnetische Wechselwirkung „verbunden" werden können. Um die Drehzahl der Welle 5 und des Schwungrads 14 aneinander anzugleichen, kann außerdem eine in der hier prinzipmäßig ausgeführten Darstellung nicht erkennbare Getriebestufe zwischen der Welle 5 und dem Schwungrad 14 beziehungsweise der magnetischen Kupplung 15 vorhanden sein. Neben der magnetischen Kupplung 15 wären selbstverständlich auch Alternativen wie beispielsweise eine mechanische oder eine
hydrodynamische Kupplung zur Ankopplung des Schwungradspeichers 13 an den Generator 3 denkbar.
In der Darstellung der Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform des
Schwungradspeichers mit einer alternativen Art der Ankopplung des
Schwungradspeichers 13 an den Generator 3 prinzipmäßig dargestellt. Die Kopplung ist bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel elektrisch ausgebildet. Der Schwungradspeicher 13 ist dafür über einen Umrichter 16 in den kraftwerksinternen Teil eines elektrischen Netzes 17, welches nachfolgend als internes Netz 17 bezeichnet wird, eingekoppelt. Auch der hier lediglich
angedeutete Maschinensatz 2 mit dem Generator 3 ist elektrisch mit diesem internen Netz 17 verbunden.
Die Ausgestaltung des Schwungradspeichers 13 mit dem Schwungrad 14 ist hier etwas detaillierter dargestellt. Das massen behaftete Schwungrad 14 läuft in einem unter Unterdruck stehenden Raum 18, insbesondere einem unter Vakuum beziehungsweise Hochvakuum stehenden Raum, um eine Drehachse 19 um. Die Drehachse 19 kann wie hier angedeutet in Richtung der Schwerkraft verlaufen. Man spricht in diesem Fall von einer„senkrechten Drehachse". Alternativ dazu wäre auch eine sogenannte„waagrechte Drehachse", also eine senkrecht zur Schwerkraft verlaufende Drehachse denkbar.
Der evakuierte Raum 18 soll beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Vakuumpumpe auf einen absoluten Druck von weniger als 0,01 mbar evakuiert sein. Das Schwungrad 14 selbst, welches in der Darstellung der Figur 3 aus faserverstärktem, insbesondere kohlefaserverstärktem, Kunststoff ausgebildet sein soll, ist über magnetische Lagerungen 20, 21 gelagert. Die im Bild der Figur 3 oben dargestellte magnetische Lagerung mit dem Bezugszeichen 20 soll als magnetische Radiallagerung 20 ausgebildet sein. Die in der Darstellung der Figur 3 unten gezeigte magnetische Lagerung mit dem Bezugszeichen 21 soll als kombinierte Radial-/Axiallagerung 21 ausgebildet sein. Sie ist dabei in der
Darstellung der Figur 3 rein beispielhaft zu verstehen, da je nach der Dimension des Aufbaus eine solche Lagerung durch schräge Lagerungselemente konstruktiv gegebenenfalls schwer zu realisieren wäre. Die kombinierte Radial-/Axiallagerung 21 könnte auch aufgetrennt in ein Radiallager und ein in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Schwungrads 14 angebrachtes Axiallager realisiert sein.
Die magnetischen Lagerungen 20, 21 können dabei sowohl aktiv als auch passiv ausgebildet sein. Insbesondere sollen die magnetischen Lager 20, 21 so
ausgebildet sein, dass sie sowohl aktive als auch passive Elemente umfassen. Durch den passiven Teil der magnetischen Lagerung 20, 21 wird dann
beispielsweise die Tragfähigkeit des Schwungrads 14 und dessen grundsätzliche Lagerung sichergestellt. Über den aktiven Teil der magnetischen Lagerung 20, 21 wird die Lagerstabilität gewährleistet und es können dynamisch auftretende Schwankungen, Positionsabweichungen, Vibrationen und dergleichen aktiv ausgeregelt werden, da auf derartige„Störungen" mittels einer aktiv
angesteuerten magnetischen Lagerung 20, 21 durch eine Regelung in an sich bekannter Art und Weise reagiert werden kann. Insgesamt ermöglicht eine solche magnetische Lagerung 20, 21 eine sehr verlustarme Lagerung des Schwungrads 14, sodass die Energie über die Trägheit des massenbehafteten Schwungrads 14 in dem Schwungradspeicher 13 über einen vergleichsweise langen Zeitraum mit minimalen Verlusten gespeichert werden kann.
Der in Figur 3 dargestellte Schwungradspeicher 13 weist nun außerdem eine elektrische Maschine 22 auf. Diese weist wiederum einen Rotor 23 und einen Stator 24 auf. Der Aufbau der elektrischen Maschine 22 ist als sogenannter Außenläufer realisiert. Der Stator 24 steht dabei im Inneren der elektrischen Maschine 22 fest und ist über die angedeutete Leitung mit dem Umrichter 16 verbunden, welcher seinerseits wiederum mit dem internen Netz 17 und darüber mit dem Versorgungsnetz 12 verbunden ist. Der Aufbau kann je nach Anforderung in verschiedenen Versorgungsnetzen 12 eingesetzt werden, beispielsweise in Mittelspannungsnetzen mit Spannungen in der Größenordnung von 5 bis 15 kV oder in sogenannten Hochleistungsnetzen im Mittelspannungsbereich, welche üblicherweise ein Spannungsniveau von 34 kV aufweisen.
Bei dem Schwungradspeicher 13 in der Ausführungsform gemäß Figur 3 wird nun die magnetische Kopplung, welche zwischen dem Rotor 23 und dem Stator 24 der elektrischen Maschine 22 ohnehin vorhanden ist, genutzt, um Energie in den Schwungradspeicher 13 einzuspeichern beziehungsweise aus diesem zu
entnehmen.
Ungeachtet der genauen Ausführungsform des Schwungradspeichers 13 beispielsweise durch eine mechanische, magnetische oder hydrodynamische Ankopplung, wie in der Darstellung der Figur 1 beschrieben, oder mit der elektrischen Ankopplung, wie in der Figur 3 beschrieben, besteht nun die
Möglichkeit, über den Schwungradspeicher 3 die Leistung des internen Netzes 17 des Wasserkraftwerks 1 zu beeinflussen. Dies lässt sich zur Primärregelung nutzen. Das Wasserkraftwerk 1 kann immer eine in Abhängigkeit der Netzfrequenz f beziehungsweise ihres Sollwerts A benötigte Leistung bereitstellen, umso für eine möglichst konstante Netzfrequenz f in dem elektrischen Versorgungsnetz 12 zu sorgen. Das Wasserkraftwerk 1 nutzt dazu zwei unterschiedliche Mechanismen. Diese Mechanismen sind regelungstechnisch miteinander gekoppelt. Sie bestehen einerseits, wie oben bereits beschrieben und bei den herkömmlichen Aufbauten üblich, aus einer Leistungsregelung der Turbine 4 durch ein Verstellen der
Turbinenschaufeln 6 und der Leitschaufeln 7 des Leitapparats. Diese werden typischerweise immer gemeinsam verstellt, um den sogenannten
Optimalzusammenhang einzuhalten und damit den bestmöglichen Wirkungsgrad des Wasserkraftwerks 1 zu gewährleisten. Wie bereits erläutert, sind jedoch sehr viele Stellbewegungen der Stellglieder 6, 7 für die Turbine 4 vergleichsweise belastend hinsichtlich der Lagerung der einzelnen Stellglieder 6, 7, insbesondere der Turbinenflügel 6. Bei dem hier beschriebenen Wasserkraftwerk 1 lässt sich die Anzahl der benötigten Stell beweg ungen der ersten und zweiten Stellglieder 6, 7 nun jedoch drastisch reduzieren. Der Schwungradspeicher 13 kann in beiden bisher beschriebenen Ausgestaltungen nämlich dazu genutzt werden, Leistung aus dem internen Netz 17 aufzunehmen, wodurch das Schwungrad 14 entsprechend beschleunigt wird, oder Leistung an das interne Netz 17 abzugeben, wodurch das Schwungrad 14 entsprechend abgebremst wird. Da die Primärregelung des
Wasserkraftwerks 1 nun in Abhängigkeit des Ist-Werts A der Netzfrequenz f des elektrischen Versorgungsnetz 12 die Leistung, welche das Wasserkraftwerk 1 nach außen hin abgibt, sehr dynamisch variieren muss, muss diese dynamische
Leistungsvariation durch das interne Netz 17 des Wasserkraftwerks 1 bereitgestellt werden. Auf eine dem Ist-Wert A der Frequenz f entsprechende
Leistungsanforderung kann bei dem hier beschriebenen Wasserkraftwerk 1 nun jedoch so reagiert werden, dass zuerst die benötigte zusätzliche Leistung über den Schwungradspeicher 13 bereitgestellt wird, oder ein eventueller
Leistungsüberschuss durch ein Einspeichern dieser Leistung in dem
Schwungradspeicher 13 zu einer Reduktion der Leistung im internen Netz 17 führt. Eine Variation der Leistung mittels des Schwungradspeichers 13 erlaubt so hochdynamisch, die benötigten Leistungswerte in Abhängigkeit des Ist-Werts A der Netzfrequenz f nachzufahren. In der Darstellung der Figur 4 ist dies für einen Ausschnitt des in Figur 2 gezeigten Verlaufs A der Netzfrequenz f gezeigt. Der Ausschnitt entspricht dabei in etwa dem ersten Drittel des in Figur 2 gezeigten Frequenzverlaufs A. Auf der X-Achse des Diagramms in Figur 4 ist dabei
vergleichbar zur Figur in Figur 2 die Zeit t aufgetragen. Auf der ersten rechts dargestellten Y-Achse ist die Leistung P des Schwungradspeichers 13 dargestellt. Diese schwankt um eine mit Null bezeichnete Linie zwischen -100 und +100 %, also der jeweils maximal aufnehmbaren beziehungsweise maximal abgebbaren Leistung des Schwungradspeichers 13. Auf der zweiten links dargestellten Y-Achse ist der Energieinhalt E des Schwungradspeichers aufgezeigt. Die mit e bezeichnete Kurve zeigt den Energieinhalt zum jeweiligen Zeitpunkt. Die mit B bezeichnete
Kurve zeigt den Leistungsverlauf des Schwungradspeichers 13. Nun ist es so, dass zum Zeitpunkt Null der Schwungradspeicher mit einem vorgegebenen
Energieniveau, welches beispielsweise aus einer vorherigen Beschleunigung oder einem in dem Schwungradspeicher 13 verbleibenden Restenergiegehalt herrührt, startet. Entsprechend der Linie B gibt der Schwungradspeicher nun Energie ab beziehungsweise nimmt Energie auf, je nach Anforderung durch die
Primärregelung des Wasserkraftwerks 1. Solange die aufgenommene
beziehungsweise abgegebene Leistung innerhalb des Bandes zwischen -100 % und +100 % verbleibt, reicht zur Primärregelung die Leistungseinspeicherung und Leistungsentnahme aus dem Schwungradspeicher 13 völlig aus. Die ersten und zweiten Stellglieder 6, 7 für die Turbine 4 müssen nicht bewegt werden und können in ihrem Zustand verharren. Lediglich dann, wenn die Leistung des Schwungradspeichers 13 an ihre Grenzen kommt, oder alternativ dazu der Energieinhalt nicht ausreicht, was typischerweise über Drehzahlen des
Schwungrads 14 oder mit diesen Drehzahlen korrespondierende Größen festgelegt wird, dann muss durch eine gemeinsame Regelung 25, welche in der später noch erläuterten Darstellung der Figur 5 beispielhaft dargestellt ist, auf die ersten und zweiten Stellglieder 6, 7 der Turbine 4 zur Primärregelung Einfluss genommen werden. Die Zeitpunkte, zu denen dies notwendig ist, sind in der Darstellung der Figur 4 im Bereich der Zeitachse t jeweils mit x gekennzeichnet. Deutlich ist zu erkennen, dass ein solches Nachstellen der Stellglieder 6, 7 lediglich zu sechs Zeitpunkten notwendig ist. Betrachtet man nun, dass die Darstellung der Frequenz f in der Figur 2 über die dort dargestellte Betriebsstunde ca. 2500 bis 3000 Änderungen der Ansteuerungen der Flügelschaufeln 6 beziehungsweise der Leitschaufeln 7 notwendig gemacht hat, so ergibt diese Notwendigkeit von lediglich sechs Stellbewegungen der Flügelschaufeln 6 und der Leitschaufeln 7 in dem hier abgebildeten Zeitraum von knapp einem Drittel der Betriebsstunde bereits eine signifikante Reduzierung der notwendigen Stellbewegung der ersten und zweiten Stellglieder 6, 7. Deutlich ist zu erkennen, dass sich die Anzahl der benötigten Stellbewegungen der mechanisch anzusteuernden Stellglieder in Form der Turbinenschaufeln 6 und der Leitschaufeln 7 signifikant reduziert wird.
Die Basis für die hier vorliegende Messung bildete dabei ein Wasserkraftwerk 1 mit einer Nennleistung von 40 MW in Kombination mit einem Schwungradspeicher 1 mit einer Leistung von 1 MW. Weiterführende Berechnungen zeigen, dass auch bei einer Reduzierung der Leistung des Schwungrads 13 auf ca. die Hälfte lediglich rund 100 - 150 Stellbewegungen der Stellglieder 6, 7 notwendig sind. Auch dies würde bereits zu einer signifikanten Reduzierung ausgehend von den ursprünglich benötigten 2500 bis 3000 Stellbewegungen führen. Auch dadurch lässt sich bereits eine deutliche Entlastung der Lager erreichen, sodass diese entsprechend einfacher konstruiert werden könnten und trotz kostengünstigerer Ausführung eine deutlich höhere Lebensdauer erzielen.
Neben der Anwendung zur Primärregelung kann der Schwungradspeicher 13 selbstverständlich auch zur Energieversorgung des internen Netzes 17 genutzt werden, wenn der Maschinensatz 2 des Wasserkraftwerks 1 im Stillstand ist, sofern der Energiespeicher 13 vorher geladen wurde. Je nach Ausgestaltung des Schwungradspeichers 13 kann so über eine mehr oder weniger lange Zeit hinweg Energie aus dem Schwungradspeicher 13 für das interne Netz und damit die Eigenenergieversorgung des Wasserkraftwerks 1 geliefert werden.
Die in dem Schwungradspeicher 13 vorgehaltene Energie kann außerdem bei einem Wiederstart des Maschinensatzes 2 verwendet werden, um die
Fremderregung des Generators 3 beim Anlauf sicherzustellen, sodass ein Anlauf des Wasserkraftwerks 1 prinzipiell auch ohne aus dem elektrischen Versorgungsnetz 12 zugeführte Energie denkbar ist.
In der Darstellung der Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform eines
Wasserkraftwerks 1 zu erkennen. Wie bei Wasserkraftwerken 1 häufig üblich, weist das Wasserkraftwerk 1 mehrere Maschinensätze 2, in diesem Fall
beispielsweise drei einzelne Maschinensätze 2, auf. Auch hier können die Turbinen 4 wiederum als Kaplanturbinen ausgebildet sein. Ebenso wäre die Verwendung anderer Turbinen denkbar, beispielsweise die Verwendung von Francis-Turbinen, welche dann lediglich über einen Leitapparat mit Leitschaufeln 7 als einziges Stellorgan in ihrer Leistung beeinflussbar sind.
Anstelle der Generatoren 3 könnten auch Motor-Generatoren eingesetzt werden, insbesondere wenn es sich bei dem Wasserkraftwerk 1 um ein
Pumpspeicherkraftwerk handelt. Dann könnte im generatorischen Betrieb bei einem Antrieb durch die Turbine 4 elektrische Leistung erzeugt werden, während im Pumpbetrieb und motorisch genutzten Generatoren 3 durch die Turbinen 4 Wasser zurück in das Oberwasser gepumpt werden könnte. Die drei Maschinensätze 2 beziehungsweise ihre Generatoren 3 sind über das interne Netz 17 mit einer elektrischen Netzkopplung 11 und über diese mit dem elektrischen Versorgungsnetz 12 verbunden. Die elektrische Netzkopplung 11 kann dabei insbesondere einen Umrichter sowie diverse Schalteinrichtungen umfassen. Zusätzlich sind in dem Wasserkraftwerk 1 in der Darstellung der Figur 5 vier Schwungradspeicher 13 zu erkennen, welche über jeweils ihren Umrichter 16 mit dem internen Netz 17 verbunden sind. Sie können in der oben beschriebenen Art und Weise zuallererst für die Primärregelung des Wasserkraftwerks 1 eingesetzt werden. Die Regelung erfolgt dabei in der mit dem Bezugszeichen 25
bezeichneten gemeinsamen Regelung. Diese erhält, wie es durch den
gestrichelten Pfeil dargestellt ist, in jedem Fall eine Rückmeldung über den Ist- Wert A der Netzfrequenz f und übernimmt die gemeinsame Regelung sowohl der Generatoren 3 als auch der Schwungradspeicher 13. Durch die in dem in Figur 5 dargestellten Wasserkraftwerk 1 elektrisch ausgebildete Kopplung zwischen den Schwungradspeichern 13 und den Generatoren 3 in dem Wasserkraftwerk 1 entsteht nun die Möglichkeit, eine passende Leistung der Schwungradspeicher 13 im Verhältnis zur Leistung aller Maschinensätze 2 einfach und effizient zu realisieren. Hierfür können die einzelnen hier dargestellten Schwungradspeicher 13 jeweils identisch als einzelne Module aufgebaut sein. Beispielsweise kann jedes der Module eine Leistung von 0,75 MW liefern. Eine geeignete Anzahl von
Modulen, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vier solcher Module, werden dann jeweils über ihren integrierten Umrichter 16 in das interne Netz 17 integriert. Die Anzahl der Module kann dabei entsprechend der Nennleistung aller eingesetzten Generatoren 3 entsprechend variiert werden, beispielsweise so, dass die Leistung aller Schwungradspeicher 13 zusammen in der Größenordnung von 1/100 bis 1/20 zu der Nennleistung aller Generatoren 3 zusammen ausgebildet ist. Durch den modularen Aufbau der einzelnen Schwungradspeicher 13 lassen sich diese von den Maschinensätzen 2 des Wasserkraftwerks 1 unabhängig ausbilden und unter Verwendung zahlreicher Gleichteile einfach und effizient herstellen. Je nach benötigter Speicherleistung der Schwungradspeicher 13 wird dann die hierfür geeignete Anzahl an Schwungradspeichern 13 beziehungsweise Modulen der Schwungradspeicher 13 in dem Wasserkraftwerk 1 installiert.

Claims

Patentansprüche
1. Wasserkraftwerk (1) mit
1.1 wenigstens einer Turbine (4), welche
1.2 mit wenigstens einem Generator (3) mechanisch verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
1.3 wenigstens ein Schwungradspeicher (13) mit dem wenigstens einen
Generator (3) gekoppelt ist, wobei
1.4 der Schwungradspeicher (13) eine elektrische Maschine (22) aufweist, mit welcher ein Schwungrad (14) des Schwungradspeichers verbunden ist, wobei die elektrische Maschine (22) und der wenigstens eine Generator (3) elektrisch gekoppelt sind.
2. Wasserkraftwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (22) als Außenläufer ausgebildet ist, wobei ein Rotor
(23) drehfest mit dem Schwungrad (14) verbunden ist.
3. Wasserkraftwerk (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (14) des Schwungradspeichers (13) in einem unter Unterdruck stehenden Raum (18) umläuft.
4. Wasserkraftwerk (1) nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (23) der elektrischen Maschine (22) innerhalb des unter
Unterdruck stehenden Raums (18) und der Stator (24) der elektrischen Maschine (22) außerhalb des unter Unterdruck stehenden Raums (18) angeordnet ist.
5. Wasserkraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das Schwungrad (14) des Schwungradspeichers (13) magnetisch gelagert ist.
6. Wasserkraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere der Schwungradspeicher (13) in jeweils modularen Einheiten ausgebildet sind, wobei je nach benötigter Leistung und/oder benötigtem Energieinhalt eine entsprechende Anzahl der modularen Einheiten eingesetzt ist.
7. Wasserkraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Turbine (4) als doppelt geregelte Turbine, insbesondere als doppelt geregelte Kaplan-Turbine, ausgebildet ist.
8. Verfahren zur Primärregelung eines Wasserkraftwerks (1) mit wenigstens einer Turbine (4), welche mit wenigstens einem Generator (3) mechanisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein
Schwungradspeicher (13) mit dem wenigstens einen Generator (3) gekoppelt ist, wobei der Schwungradspeicher (13) eine elektrische
Maschine (22) aufweist, mit welcher ein Schwungrad (14) des
Schwungradspeichers verbunden ist, wobei die elektrische Maschine (22) und der wenigstens eine Generator (3) elektrisch gekoppelt sind, wobei die von dem Wasserkraftwerk (1) abgegebene elektrische Leistung in
Abhängigkeit eines Ist-Werts (A) einer Netzfrequenz (f) eines die elektrische Leistung aufnehmenden elektrischen Versorgungsnetzes (12) nachgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Änderung der abgegebenen elektrischen Leistung zuerst durch Leistungsabgabe durch Abbremsen und Leistungsaufnahme vom Generator (3) durch
Beschleunigen des Schwungradspeichers (13) erreicht wird, wonach ab einer oberen oder unteren Grenzdrehzahl eines Schwungrads(14) des Schwungradspeichers (13), oder einer damit korrelierenden Größe, erste und gegebenenfalls zweite Stellglieder (6, 7) der Turbine (4) zur
Beeinflussung der abgegebenen elektrischen Leistung genutzt werden. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung anhand der ersten und gegebenenfalls zweiten Stellglieder (6, 7) der Turbine (4) so erfolgt, dass durch die Turbine die erforderliche Leistung in Abhängigkeit der Frequenz sowie eines Leistungsbedarfs zum Aufladen des Schwungradspeichers (13) oder eines Leistungsangebots durch Abbremsen des Schwungradspeichers (13) geliefert wird.
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