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    • 专利摘要:
    Verfahren und Vorrichtung zur Leistungsregelung in einem Speicherkraftwerk, wobei die Leistungsanforderung eines Stromnetzes (33) überwacht und bei Netz-Leistungsbedarf mit Hilfe wenigstens einer Turbine (8) und eines damit gekuppelten Motorgenerators (9) erzeugter Strom unter Leistungsregelung an das Stromnetz (33) geliefert wird, hingegen bei Leistungsüberschuß im Stromnetz (33) Strom aus dem Stromnetz bezogen und zumindest einer Pumpe (10) zum Pumpen von Wasser aus einem Unterbecken (12) in ein Oberbecken (2) zugeführt wird, wobei bei Leistungsüberschuß auch die Turbine (8) in einem hydraulischen Kurzschluß mit der Pumpe (10) betrieben und hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe geregelt wird; dabei wird bei Erkennen eines Absinkens der Leistungsanforderung des Stromnetzes (33) auf einen vorgegebenen Wert, z. B. Null, die Pumpe (10) übergangsfrei auf volle Leistung eingeschaltet und die Turbine (8) auf Voll-Last gefahren sowie danach entsprechend den Schwankungen der sich bei der mit voller Leistung laufenden Pumpe (10) aufgrund der Netz-Schwankungen ergebenden Summen-Leistungsanforderung in der Leistung geregelt; bei einem Wiederanstieg der Netz-Leistungsanforderung auf über den vorgegebenen Wert wird die Pumpe (10) wieder übergangsfrei abgeschaltet.
    公开号:DE102004013907A1
    申请号:DE200410013907
    申请日:2004-03-22
    公开日:2004-11-04
    发明作者:Josef Hermann Dr. Nigsch；Johannes Amadeus Dipl.-Ing. Wiederin
    申请人:VORARLBERGER ILLWERKE AG；VORARLBERGER ILLWERKE AG BREGE；
    IPC主号:F03B13-06
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung in einemSpeicherkraftwerk, bei dem die Leistungsanforderung eines Stromnetzes überwachtwird, wobei bei Netz-Leistungsbedarfmit Hilfe wenigstens einer Turbine und eines damit gekuppelten Motorgeneratorserzeugter Strom unter Leistungsregelung an das Stromnetz geliefertund bei Leistungsüberschuß im StromnetzStrom aus dem Stromnetz zumindest einer Pumpe zum Pumpen von Wasseraus einem Unterbecken in ein Oberbecken zugeführt wird, wobei bei Leistungsüberschuß auch dieTurbine in einem hydraulischen Kurzschluß mit der Pumpe betrieben undhinsichtlich ihrer Leistungsabgabe geregelt wird.
    [0002] Weiterbezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung einessolchen Verfahrens, mit wenigstens einer Turbine, einem damit gekuppeltenMotorgenerator und wenigstens einer von der Turbine gesondertenPumpe.
    [0003] Speicherkraftwerkewerden eingesetzt, um zu Spitzenlast-Zeiten elektrische Leistungan ein Stromnetz zu liefern. Zu Zeiten eines Leistungsüberschussesim Stromnetz kann hingegen elektrische Leistung aus dem Netz genutztwerden, um mit Hilfe von Pumpen Wasser aus einem Unterbecken inein oberes Staubecken hoch zu pumpen, um so wieder mehr potentielleEnergie fürdie Stromerzeugung bei Spitzenlast im Netz verfügbar zu haben. Derartige Pumpspeicherkraftwerkesind hinlänglichbekannt, vgl. beispielsweise US4 282 444 A , DE195 34 786 A und JP 2001-271 736 A.
    [0004] Dader Leistungsverlauf im Stromnetz nicht gleichmäßig ist, sondern zum Teil sehrrasch und stark schwankt, ist in den Kraftwerken eine rasche Leistungsregelungerforderlich, die letztlich nur mit regelbaren Turbinen erzieltwerden kann. Solange daher elektrische Leistung an das Stromnetzabgegeben wird, ist eine solche Ausregelung mit Hilfe herkömmlicherWasserturbinen, wie z.B. Peltonturbinen oder Francisturbinen, problemlosmöglich.Schwierig wird jedoch die Situation, wenn im auszuregelnden Regelbandeines Netz-Leistungsverlaufs im negativen Leistungsbereich eineRegelung erforderlich ist, d.h. in jenem Bereich, in dem das Speicherkraftwerk ausdem Stromnetz elektrische Leistung entnimmt.
    [0005] Für eine solcheSituation wurde in der Praxis bereits ein hydraulischer Kurzschluß von Turbineund Pumpe vorgeschlagen, wobei mit Hilfe des aus dein Stromnetzgelieferten Stroms die Pumpe betrieben wird, die jedoch das Wasseraus dein Unterbecken teilweise der Turbine zuführt, die eine entsprechend regelbareelektrische Leistung abgibt. Dabei ist jedoch vorgesehen, ein solchesUmschalten vom Turbinenbetrieb, in dein elektrische Leistung andas Stromnetz geliefert wird, in den Pumpbetrieb, in dein elektrischeLeistung aus dein Stromnetz bezogen wird, nur zu mehr oder wenigerfest vorgegebenen Zeiten vorzunehmen, wobei zwischen diesen unterschiedlichenBetriebsweisen relativ lange Umschaltzeiten erforderlich sind.
    [0006] Aufgrunddieser Umschaltzeiten zwischen den verschiedenen Betriebsarten istbei dieser bekannten Technik mit hydraulischem Kurzschluß tatsächlich keineechte den Bedürfnissender Netzleistungsregelung entsprechende Leistungsregelung möglich, undinsbesondere kann nicht der gesamte Leistungsbereich von einer maximalenTurbinenleistung ohne Pumpleistung bis zu einer maximalen Pumpleistungohne Turbinenleistung geregelt werden.
    [0007] Wünschenswertist es daher, eine Leistungsregelung so vorzusehen, daß eine Regelungmit einer definierten Geschwindigkeit möglichst gleichmäßig vonder maximalen Turbinenleistung (ohne Pumpleistung) bis zur maximalenPumpleistung (ohne Turbinenleistung) erzielt wird. Wenn daher beispielsweiseeine Turbine mit einer Leistung von 130 MW und eine Pumpe mit einerLeistung von –100 MWvorliegen, so soll eine Leistungsregelung im Bereich von +130 MWbis –100MW möglichsein; in der Betriebsart "HydraulischerKurzschluß" ist damit die Möglichkeiteiner Regelung von –100MW bis +30 MW gegeben.
    [0008] Aufgabeder Erfindung ist es daher, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtungwie eingangs angegeben vorzusehen, um die volle Spannweite der Leistungvon maximaler Turbinenleistung bis zur vollen Pumpleistung als Regelleistungnutzen zu können, d.h.eine echte Leistungsregelung vom betragsmäßig größten negativen Leistungswertbis zum höchsten positivenLeistungswert zu ermöglichen,ohne daß hierfür aufwendige,trotzdem nur sehr beschränktregelbare Pumpen eingesetzt werden müssen, vielmehr die eigentlicheLeistungsregelung nur mit Hilfe der Turbine erfolgen kann.
    [0009] Daserfindungsgemäße Verfahrender eingangs angeführtenArt ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Erkennen eines Absinkensder Leistungsanforderung des Stromnetzes auf einen vorgegebenen Wert,z.B. Null, die Pumpe übergangsfreiauf volle Leistung eingeschaltet wird und die Turbine auf Voll-Lastgefahren sowie danach entsprechend den Schwankungen der sich beider mit voller Leistung laufenden Pumpe aufgrund der Netz-Schwankungen ergebendenSummen-Leistungsanforderung in der Leistung geregelt wird, und daß die Pumpebei einem Wiederanstieg der Netz-Leistungsanforderung auf über denvorgegebenen Wert wieder übergangsfrei abgeschaltetwird.
    [0010] Inentsprechender Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gekennzeichnetdurch eine die Leistungsanforderung des Stromnetzes überwachendeund die Turbinenleistung regelnde Regel- und Steuereinheit, dieeingerichtet ist, die Pumpe bei Absinken der Netz-Leistungsanforderungauf den vorgegebenen Wert übergangsfreieinzuschalten, beim Einschalten der Pumpe auch die Turbine auf Voll-Lastzu fahren und danach in ihrer Leistung zu regeln, sowie bei einemWiederanstieg der Netz-Leistungsanforderung auf über den vorgegebenen Wert diePumpe wieder übergangsfreiabzuschalten.
    [0011] Mitder vorliegenden Technik ist die Regelung weder auf den positivenBereich des "Turbinenbetriebes" noch auf den negativenLeistungsbereich der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluß" beschränkt, sondernes ist die volle Regelfähigkeiteines Leistungsbandes von ± 100% (voller Turbinenbetrieb bis voller Pumpbetrieb) erzielbar; diesist im Hinblick auf die Liberalisierung des Strommarktes und derin diesem Zusammenhang erforderlichen Netzregelung von wesentlichemVorteil. Bei dem auf diese Weise gemäß der Erfindung erzielten sog. "Pumpentakten" würde sichdemgemäß beispielsweisefolgender Regelungsverlauf ergeben.
    [0012] Essei angenommen, daß derMaschinensatz im Turbinenbetrieb vorliegt, d.h. es wird elektrischeLeistung an das Stromnetz geliefert. Wenn dann der Leistungsbedarfim Netz abnimmt, wird die Turbine, vorzugsweise eine Peltonturbine,entsprechend in der Leistung abwärtsgeregelt,bis zur Leistung Null, d.h. bis zu dein Moment, wo im Netz statt einesLeistungsbedarfs ein Leistungsüberschuß eintritt;es wird nun die Pumpe mit ihrer vollen Leistungsfähigkeit(Leistung –100%)eingeschaltet, und unmittelbar darauf, so rasch als es die Regelfähigkeitzuläßt, dieTurbine auf Voll-Last gefahren, so daß die Summe der Leistung ausdem vollen Pumpbetrieb und dein vollen Turbinenbetrieb gleich Nullist.
    [0013] Beiweiter zunehmendem Leistungsüberschuß im Netzwird dann die Turbine zurückgeregelt, wobeieine Regelung entsprechend den schnellen Schwankungen im Netz erfolgenkann, so daß beispielsweisebei Zurückregelnder Turbinenleistung eine zunehmend höhere Leistungsaufnahme durch denMaschinensatz insgesamt und bei Aufwärtsregeln der Turbine einekleiner werdende Leistungsaufnahme aus dein Netz (entsprechend derDifferenzleistung Pumpleistung minus Turbinenleistung) erfolgt undbei Leistungsbedarf des Netzes die Pumpe übergangsfrei ausgeschaltetund die Turbine entsprechend der Netzanforderung geregelt wird.Dieses "Pumpentakten" sieht somit, andersals der herkömmlichehydraulische Kurzschluß,eine volle Regelfähigkeiteines Leistungsbandes von ±100%vor.
    [0014] Selbstverständlich sinddabei, um das übergangsfreieEinschalten der Pumpe zu ermöglichen sowieauch die rasche Leistungsregelung der Turbine zu erzielen, entsprechendeAuslegungen dieser Maschinenkomponenten vorzusehen, wobei insbesonderedie Pumpe mit einem entsprechend druckfesten Pumpengehäuse auszustattenist. Wie hoch die Druckfestigkeit des Pumpengehäuses im Einzelnen jeweils seinmuß, ergibtsich aus der Auslegung des Kraftwerkes an sich. Auch der Triebwasserweg unddas Wasserschloß,das üblicherweisebei solchen Speicherkraftwerken vorliegt, sind mit einer entsprechendenBetriebsfestigkeit bzw. Kapazitätvorzusehen, um entstehenden Druckschwingungen oder Druckanstiegenim Triebwasserweg standzuhalten und einen Überlauf des Wasserschlossesoder das Einziehen von Luft zu verhindern, d.h. die rasche und inrascher Folge auftretende Umkehr der Fließrichtung bedingt auch einleistungsfähigeresWasserschloß.
    [0015] Ähnlich sindauch andere Komponenten des Maschinensatzes des Kraftwerkes ausreichendleistungsfähigauszulegen, wie etwa eine Anwurfvorrichtung für die Pumpe, die das Zuschaltender Pumpe in der gewünschtenkurzen Regelzeit ermöglicht,d.h. die Pumpe in entsprechend kurzer Zeit auf die Synchrondrehzahlbeschleunigt und dann mit dem übrigenMaschinensatz (Turbine, Motorgenerator) kuppelt. Auch die im Leistungssystemvorhandenen Schieber sind so auszulegen, daß sie innerhalb kurzer Zeitgeöffnetund geschlossen werden, wobei zusätzliche Druckstöße zu vermeidensind.
    [0016] ImPrinzip kann die Pumpe eine unterschiedliche, insbesondere kleinereLeistung im Vergleich zur Turbinenleistung haben, für eine symmetrische Regelungum einen Nullwert als Mittelwert kann es jedoch von Vorteil sein,wenn die Pumpe eine maximale Leistungsaufnahme gleich der maximalenLeistungsabgabe der Turbine hat.
    [0017] Weiterist es vorteilhaft, wenn ergänzenddie Fördermengeder Pumpe mit Hilfe einer Drosseleinheit geregelt wird. Durch dieAnwendung einer solchen Drosselregelung, beispielsweise mittelseines Schiebers als Drosseleinheit, kann zusätzlich erreicht werden, daß beispielsweisein einem Leistungsbereich zwischen –50 % und –100 % (Pumpenbetrieb) dieZuschaltung der Turbine nicht erforderlich ist und in einem Leistungsbereichvon 0 bis +50 % (Turbinenbetrieb) die Pumpe noch gekuppelt bleibenkann. Dadurch kann die Anzahl der Zu- und Abschaltvorgänge für die Turbineund fürdie Pumpe reduziert werden. Entsprechend ist erfindungsgemäß dahermit Vorteil vorgesehen, daß dieDrosselregelung auch bei einem niedrigen Netz-Leistungsbedarf, beiWeiterlaufen der Pumpe, durchgeführtwird.
    [0018] Für die Regelungist es weiter günstig,wenn die Zeit fürdas Erreichen der vollen Leistung der Pumpe nach deren Einschaltenim Wesentlichen dem Kehrwert der Regelgeschwindigkeit der Turbine entspricht.Wenn daher die Regelgeschwindigkeit für die Turbine mit x% pro Sekundeangegeben wird, erreicht in diesem Fall die Pumpe ihre volle Leistung (–100% Leistung)in einer Zeit von 100/x Sekunden (s). Die Größe x kann dabei beispielsweise5 betragen, d.h. die Regelgeschwindigkeit beträgt z.B. 5%/s, so daß dementsprechenddie Pumpe innerhalb von 20 s auf Voll-Last gebracht wird.
    [0019] Für das gewünschte schnelleEinschalten der Pumpe ist es überdiesvorteilhaft, wenn alle zum Betrieb der Pumpe erforderlichen Hilfsantriebebereits vor Erreichen des vorgegebenen Werts aktiviert werden.
    [0020] Schließlich istes auch von Vorteil, wenn die Pumpe mit einer den Druck auf ihrerZulaufseite erhöhendenVorpumpe betrieben wird. Dies ist dann zweckmäßig, wenn die Pumpe – die einenbestimmten Zulaufdruck (z.B. 3 bis 5 bar) benötigt – nicht tief genug, relativzum Unterbecken, angeordnet werden kann.
    [0021] DieErfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen,auf die sie jedoch nicht beschränktsein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Inder Zeichnung zeigen im Einzelnen:
    [0022] 1 ein Schema eines Speicherkraftwerkes;
    [0023] 2 in einem Diagramm einen üblichen Leistungsverlaufim Netz übereinen Zeitraum von 24 Stunden;
    [0024] 3 in einem gegenüber 2 größeren Maßstab ein Detail des Leistungsverlaufsinnerhalb des zugehörigenRegelbandes;
    [0025] 4 in einem Diagramm denLeistungsverlauf übereinen Teil eines Tages bei einem bekannten Kraftwerk mit hydraulischemKurzschluß;
    [0026] 5 ein Schema eines Speicherkraftwerkes,bei dein die erfindungsgemäße TechnikAnwendung findet;
    [0027] 6 eine schematisierte, zurVorrichtung gemäß 5 gehörige Regelkurve;
    [0028] 7 ein Schema ähnlich jenemgemäß 5, wobei nun jedoch derPumpe eine Vorpumpe zur Erhöhungdes zulaufseitigen Drucks zugeordnet ist;
    [0029] einezur Anordnung gemäß 7 gehörende Regelkurve ähnlich derDarstellung in 6;
    [0030] 9 in einem Diagramm einenAusschnitt aus dein Leistungsverlauf innerhalb des Regelbandes beiAnwendung der erfindungsgemäßen Technik;und
    [0031] 10 ein ähnliches Diagramm wie in 9, wobei verschiedene Parameterverdeutlicht sind.
    [0032] In 1 ist ganz schematisch eineim Prinzip herkömmlicheSpeicherkraftwerksanlage 1 gezeigt, bei der Wasser auseinem Oberbecken (Staubecken) 2 über einen Druckstollen 3,dein ein Wasserschloß 4 zugeordnetist, und übereinen Druckschacht 5 einem Kraftwerk G zugeführt wird.Das eigentliche Kraftwerk G umfaßt dabei als Maschinenkomponentenan einer gemeinsamen Welle 7 wenigstens eine Turbine 8,wenigstens einen zugehörigenMotorgenerator 9 sowie weiter wenigstens eine Pumpe 10.Die Turbine 8 ist dabei einem Turbinen-Unterwasserkanal 11 zugeordnet,der zu einem Unterbecken 12 führt. Von diesem Unterbecken 12 führt einPumpwasserstollen 13 zur gegenüber dein Unterbecken 12 tieferangeordneten Pumpe 10, die ablaufseitig mit dein Druckschacht 5 bzw.der Turbine 8 verbunden ist. In herkömmlicher Weise zusätzlich angeordneteAbsperrorgane (Schieber) sind in 1 derEinfachheit halber weggelassen worden.
    [0033] In 2 ist ein beispielhafterLeistungsverlauf in einem Stromnetz über einen Zeitraum von 24 Stundenveranschaulicht. Da das Stromnetz selbst keine Energie speichernkann, muß dievom Netz an Verbraucher abgegebene Leistung immer ganz genau mitder in den Kraftwerken erzeugten Leistung im Gleichgewicht sein.Wenn dies nicht der Fall ist, ändertsich die Frequenz andauernd.
    [0034] Wieersichtlich ist der Verlauf der Leistung nicht ausgeglichen undgleichmäßig, vielmehr schwanktdie Leistung um einen – sich ändernden – Mittelwert 14 innerhalbeines Regelbandes 15. Diese Leistungsänderungen können bei gleichzeitiger Einhaltungder Netzfrequenz bei der derzeitigen Technik nur mit rasch regelbarenTurbinen ausgeregelt werden.
    [0035] In 2 ist weiter angedeutet,daß ein Grundlastbereich 16 gegebenist, in dein die elektrische Leistung durch Kernkraftwerke, Laufkraftwerke oderBraunkohlekraftwerke erbracht wird; in einem Mittellastbereich 17 (leichtpunktierter Bereich im Diagramm von 2)wird die elektrische Leistung durch Steinkohlekraftwerke oder Erdölkraftwerkeerbracht; in einem Spitzenlastbereich 18, der durch eng punktierteBereiche veranschaulicht ist, wird die elektrische Leistung durchHochdruck-Wasserkraftanlagen und Gaskraftwerke erbracht.
    [0036] In 3 ist mehr im Detail derLeistungsverlauf innerhalb des Regelbandes 15 gezeigt,wobei der tatsächlicheLeistungsverlauf 19 stark um den Mittelwert 14 herumschwankt, was nicht nur auf den schwankenden Verbrauch, sondernvielfach auch darauf zurückzuführen ist,daß andas Netz liefernde Erzeuger, wie insbesondere Windkraftwerke, ihre Leistungrasch und ungeplant verändernoder auch kurzfristig ausfallen. Weiter ist der prognostizierte Leistungsbedarf 20 eingezeichnet,wobei sich aus den Abweichungen des tatsächlichen Leistungsverlaufs 19 daserforderliche Ausmaß derRegelleistung 21 ergibt.
    [0037] Wiesomit ersichtlich ist es erforderlich, einen Ausgleich für dieseSchwankungen vorzusehen, die wie erwähnt außer auf rasch wechselnde Lastender Verbraucher auch auf nicht regelfähige Leistungen von Einspeisern,wie Windenergiekraftwerken, die plötzlich abschalten müssen, zurückzuführen sind. Hierfür wäre es denkbar,thermische oder hydraulische Maschinensätze derart in Teillast zu betreiben, daß die minimaleLeistung der unteren Grenze des Regelbandes entspricht und die abgegebeneelektrische Leistung rasch entsprechend dem Bedarf hoch geregeltwird. Diese Betriebsweise führtaber bei thermischen Maschinensätzenzu hohen Wirkungsgradverlusten im Teillastbereich und bei hydraulischenMaschinen zu einem hohen Wasserverbrauch und zur Lieferung von geringwertigerBandenergie. Der Betriebspunkt (Nullpunkt) des Regelkraftwerkes solldaher Idealerweise in der Mitte des Regelbandes liegen. Auf dieseWeise wird das ganze Regelband bedient und in Summe gleich vielEnergie geliefert wie bezogen.
    [0038] Ansich sind hydraulische Turbinen für rasche Regelaufgaben im positivenLeistungsbereich sehr gut geeignet. Überschußleistung im Netz kann vonPumpen aufgenommen werden. Derartige Pumpen in Pumpspeicheranlagensind jedoch nur mit großemAufwand und auch dann bloß ineinem sehr engen Bereich ihrer Leistungsfähigkeit – z.B. mittels Drehzahlregelung – regelbar,vgl. z.B. DE 40 25 168 C .
    [0039] Für die Leistungsregelungim negativen Bereich wurde bereits grundsätzlich eine Regelung mit einemsog. hydraulischen Kurzschluß vorgeschlagen,bei dem gleichzeitig Pump- und Turbinenbetrieb gefahren wird; dabeikann geregelt Leistung vom Netz aufgenommen werden. Wird nun einMaschinensatz als Turbine betrieben und parallel dazu ein weitererMaschinensatz mit Turbine und Pumpe in der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluß", dann ist eine Leistungsregelungvon plus 100 % (max. Turbinenleistung) bis minus 100% (max. Pumpenleistung) derartmöglich,daß einhoher Wasserverbrauch insgesamt vermieden werden kann.
    [0040] In 4 ist ausschnittsweise einbeispielhafter Regelungsverlauf bei hydraulischem Kurzschluß veranschaulicht,wobei beispielsweise übereinen Zeitraum 22 von fünfStunden nur eine Pumpe betrieben wird, die eine Leistungsaufnahmevon 100 MW hat (bloßerPumpbetrieb). Danach folgt eine Stillstandsphase 23, diebeispielsweise mehr als eine Stunde dauert, wonach eine Leistungsregelung durchRegelung einer Turbine in Überlagerungzu einem Pumpbetrieb (hydraulischer Kurzschluß) erfolgt (Zeitintervall 24).Oberhalb dieses Leistungsverlaufs 25 ist in 4 schematisch mit strichpunktierterLinie der Verlauf des Wasserstandes 26 im Oberbecken veranschaulicht,wobei ersichtlich ist, daß inder Phase 22 mit reinem Pumpbetrieb der Wasserpegel ansteigt,in der Stillstandsphase 23 der Wasserpegel konstant bleibtund danach in der Phase 24 in der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluß" weiter leicht ansteigt,da die Pumpe mehr Wasser ördertals die Turbine abarbeitet.
    [0041] Wirddann nach entsprechender Umschaltzeit 23' in den Turbinenbetrieb (vgl. diePhase 24' rechtsin 4) gewechselt, sinktder Wasserpegel 26 wieder. Es ist hieraus erkennbar, daß beim hydraulischenKurzschluß dieLeistung auch in einem negativen Leistungsbereich geregelt werdenkann. Wenn beispielsweise die Leistung der Turbine (z.B. 130 MW)größer istals die Leistung der Pumpe (z.B. –100 MW), so ist die Regelbandbreitewährenddieses hydraulischen Kurzschlusses gleich der Differenz dieser beidenLeistungen, also beispielsweise –100 MW (Turbinenleistung 0)bis +30 MW (Turbinenleistung 130 MW).
    [0042] Nachteiligist bei der bekannten Technik mit hydraulischem Kurzschluß, daß zwischenden verschiedenen Betriebsarten "Turbinenregelung" und "Hydraulischer Kurzschluß mit Turbinenregelung" relativ lange Umschaltzeitenoder Totzeiten vorliegen, so daß eineechte Netzregelung nicht möglichist. Für einesolche Netzregelung wäreein kontinuierliches Leistungsband von +100 % (wenn das Netz dievolle Leistung benötigt)bis –100% (im Netz ist die maximal aufnehmbare Überschußleistung vorhanden) notwendig,und innerhalb dieses Leistungsbandes ist eine Regelung ohne zeitlicheVerzögerungenund mit einer definierten Regelgeschwindigkeit von x % pro Sekundeerforderlich. Eine solche Technologie ist bei der vorliegenden Anlagevorgesehen und wird nun nachfolgend anhand der 5 bis 10 nochnäher erläutert.
    [0043] In 5 ist der erforderlicheMaschinensatz etwas mehr im Detail, verglichen mit 1, dargestellt, wobei entsprechende Komponentenmit den selben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnetsind. Der gemeinsamen Welle 7 sind wieder eine Turbine 8 undein Motorgenerator 9 sowie eine Pumpe 10 zugeordnet.In 5 ist weiter eineAnwurfvorrichtung 27 fürdie Pumpe 10 schematisch dargestellt; hierbei kann es sichim Wesentlichen um einen hydraulischen Wandler handeln, der beiEinschalten der Pumpe 10 möglichst rasch gefüllt wird,um schließlich diePumpe 10 auf Synchrondrehzahl zu beschleunigen und über dieWelle 7 mit dein Motorgenerator 9 zu kuppeln.Erst wenn die Pumpe 10 gekuppelt ist, kann ein Schieber 28 ander Ablaufseite der Pumpe 10 geöffnet werden. Standardmäßig sindzwei weitere Schieber 29 und 30 im Zulauf zurTurbine 8 vorgesehen.
    [0044] Wieaus 5 ersichtlich ist,ist die Pumpe 10 überden Schieber 28, eine Steigleitung 13' und die Turbinenzulaufleitung 11' über denSchieber 30 mit der Turbine 8 verbunden. Auf dieseWeise kann überdie Komponenten 11, 12, 13, 28, 13', 11' und 30 einhydraulischer Kurzschluß vonPumpe 10 und Turbine 8 herbeigeführt werden.Es ist hierbei jedoch nicht notwendig, daß die gesamte von der Pumpe 10 gepumpteWassermenge überdie Turbine 8 dem Unterbecken 12 wieder zugeführt wird,vielmehr kann ein Teilstrom überden Schieber 29 dein Stausee oder Oberbecken 2 zugeführt werden,um dort den Wasserstand zu erhöhen.
    [0045] DerSchieber 28 hat als regelbare Drosseleinheit einen nurschematisch angedeuteten Regeleingang 28', welcher ebenso wie Regel- bzw.Steuereingänge 10', 27', 8' und 9' der Pumpe 10,der Anwurfvorrichtung 27, der Turbine 8 und desMotorgenerators 9 an eine Regel- und Steuereinheit 31 angeschlossenist. Diese Regel- und Steuereinheit 31 überwacht auch über eineLeitung 32 die Anschaltung des Netzes 33 und erhält über eineLeitung 34 Informationen betreffend die Leistungsanforderung desNetzes zugeführt.Schließlichist der Vollständigkeithalber in 5 auch eineSchaltanlage 35 veranschaulicht.
    [0046] In 6 ist eine zu 5 gehörige beispielhafte Regelkurve(Leistung P überder Zeit t) schematisch veranschaulicht, wobei eine Regelkennlinie 36 für die Turbine 8 impositiven Leistungsbereich gezeigt ist. Im negativen Leistungsbereichist eine Regelkennlinie 37 für die Kombination von Pumpe 10 undTurbine 8 veranschaulicht. Wenn die Regelkennlinie 36 für die Turbine 8 mitder vorgegebenen Geschwindigkeit x % pro Sekunde absinkt und gegen Nullgeht, wird vor Erreichen des Null-Durchgangs (oder eines anderenvorgegebenen Werts) bei 38 ein Start von Pumpen-Hilfsantriebenoder -einrichtungen, wie z.B. Ventilen, Lagerölpumpen etc., veranlaßt, bevorbei 39 die Pumpe 10 eingeschaltet wird. Mit derZeitdifferenz 40 ist daher die Zeitspanne für den Anlaufder Pumpen-Hilfsantriebe verdeutlicht.
    [0047] Während in 6 mit geraden Linien dieideale Regelkennlinie 37 für die Pumpe plus Turbine angegebenist, ist mit der Kurve 41 die tatsächliche Leistungsaufnahme derPumpe 10 veranschaulicht, wobei in einer ersten Phase 42 dieBeschleunigung der Pumpe 10 erfolgt, bis sie zu einem Zeitpunkt 43 über dieAnlaufvorrichtung 27 mit der Welle 7, der Turbine 8 bzw.dem Motorgenerator 9 gekuppelt und sodann der Schieber 28 geöffnet wird.
    [0048] ZumZeitpunkt 44 ist der Schieber 28 endgültig offen,so daß für das gesamteZeitintervall beginnend beim Start 39 bis zum Vorliegendes Schiebers 28 in der Offenstellung im Zeitpunkt 44 einZeitintervall 45 verstrichen ist, das bevorzugt dein Kehrwert derRegelgeschwindigkeit x % pro Sekunde entspricht, d.h. 100/x Sekundenbeträgt.In einem praktischen Beispiel einer Computersimulation betrug die Regelgeschwindigkeit5 % pro Sekunde und dementsprechend das Zeitintervall 45 für das Erreichender Voll-Last derPumpe 10 (ab dem Nulldurchgang) 20 Sekunden.
    [0049] Wenndann der Leistungsbedarf im Netz 33 wieder steigt, wirdbeim Null-Durchgang, im Punkt 50, der Schaltbefehl "Pumpe AUS" für die Pumpe 10 aktiviert,und der Schieber 28 wird wieder geschlossen, was eine Zeit 51 dauert.Zum Zeitpunkt 52 ist der Schieber 28 dann geschlossen,und es kann die Pumpe 10 mit Hilfe der Anwurfvorrichtung 27 vonder Welle 7 abgekuppelt werden.
    [0050] Insgesamtergibt sich somit ein außerordentlichrasches Zu- und Abschalten der Pumpe 10, das sog. "Pumpentakten". Das Fahren einerLeistung P = 0 ist bei einem reinen Turbinenbetrieb ohne weiteres möglich, ebensojedoch in der Betriebsart "HydraulischerKurzschluß", wo dann eine außerordentlichrasche Leistungsaufnahme aus dem Netz möglich ist, da die Pumpe 10 bereitsläuft.Da in der Betriebsart "HydraulischerKurzschluß" sowohl die Pumpe 10 als auchdie Turbine 8 in Betrieb sind, kann jede negative Leistung(Leistungsaufnahme aus dein Netz 33) im Bereich von Nullbis –100%mit der Regelgeschwindigkeit x % pro Sekunde angefahren werden.
    [0051] MitHilfe des Schiebers 28 oder allgemein einer Drosseleinheitkann überdieseine zusätzliche Drosselregelungvorgesehen werden, wobei in einem niedrigen Leistungsbereich zwischenz.B. –50%und –100%einerseits die Zuschaltung der Turbine 8 nicht erforderlichist und so ein Drosselregelungsbereich 53 definiert wird,und andererseits im niedrigen positiven Leistungsbereich (z.B. 0bis +50 %, vgl. Drosselbereich 54 in 6) die Pumpe 10 noch gekuppelt bleibenkann. Auf diese Weise kann die Anzahl der Zuschaltvorgänge für die Turbine 8 unddie Pumpe 10 reduziert werden.
    [0052] In 7 ist eine Anlage ganz ähnlich jener gemäß 5 in einem vergleichbarenSchema gezeigt, wobei entsprechende Komponenten mit den selben Bezugszeichenbezeichnet sind, und wobei sich, soweit gleiche Komponenten gegebensind, eine Wiederholung der Beschreibung erübrigen kann. Im Unterschiedzu 5 ist bei der Anlagegemäß 7 nun der Pumpe 10 aufder Zulaufseite eine Vorpumpe 55 vorgeschaltet, um so zulaufseitig denDruck zu erhöhen.Eine solche Vorpumpe wird dann vorgesehen, wenn die Pumpe 10 zurVerhinderung von Kavitationen nicht tief genug, bezogen auf dasUnterbecken 12, angeordnet werden kann.
    [0053] 8 zeigt dann ein zugehöriges Regeldiagramm ähnlich jenemgemäß 6, wobei sich gegenüber 6 die folgenden Änderungenim Hinblick auf das Vorsehen der Vorpumpe 55 ergeben: ZumZeitpunkt 39 "Startder Pumpe 10" wirdauch die Vorpumpe 55 eingeschaltet. Gleichzeitig beginnt auchdie Beschleunigung der Pumpe 10 und damit die Leistungsaufnahme 41 derPumpe 10. Wenn bei steigendem Leistungsbedarf im Netz diePumpe 10 wieder abgeschaltet wird, wird bei 50 auch dieVorpumpe 55 wieder ausgeschaltet, was in 8 zusätzlichmit dem Befehl 57 angedeutet ist.
    [0054] Im Übrigen entsprichtdas Diagramm von 8 jenemvon 6, so daß diesbezüglich aufdie vorstehend anhand der 6 erfolgteBeschreibung verwiesen wird.
    [0055] Insgesamtergibt sich somit ein Netz-Leistungsverlauf mit einer Regelung über dieBandbreite von –100% bis +100 %, wobei Beispiele hierfür in 9 und 10 gezeigtsind. Gemäß 9 ist mit einer voll ausgezogenenLinie der tatsächlicheNetz-Leistungsverlauf 58 (Leistung P) über der Zeit t veranschaulicht,mit einer strichpunktierten Linie ist der Turbinen-Leistungsverlauf 59 gezeigtund mit einer strichlierten Linie der Pumpen-Leistungsverlauf 60. Bei 61 istschließlichnoch eine kurzzeitige Leistungsregelung mit Hilfe des Schiebers 28 (Leistungsregelung "Drosselung Pumpe") veranschaulicht.In der Betriebsart "HydraulischerKurzschluß" ergibt sich somitder Netz-Leistungsverlauf 58 aus der Differenz 62 desTurbinen-Leistungsverlaufs 59 und des Pumpen-Leistungsverlaufs 60.
    [0056] Einsolcher Leistungsverlauf ist nochmals schematisch in 10 verdeutlicht, wobei bei 63 der vomNetz geforderte positive Leistungsverlauf, unter Regelung mittelsder Turbine 8, und bei 64 der negative Leistungsverlaufveranschaulicht ist, der sich bei einem Leistungsüberschuß im Netzergibt, wobei währenddieser Zeit eines Leistungsüberschussesim Netz die Pumpe 10 eingeschaltet wird, deren Leistungmit der vereinfacht dargestellten Kurve 65 in 10 veranschaulicht ist.Mit dein Pfeil 62' istin 10 beispielhaft dieDifferenzleistung angedeutet, die sich durch die Abgabe von Leistungdurch die Turbine 8 sowie bei Aufnahme von Leistung (100%) durch die Pumpe 10 ergibt; die jeweilige Turbinenleistungist ausgehend vom negativen Maximalwert der Pumpenleistung (beispielsweise –80 MW)positiv hinzuzurechnen. Beispielsweise beträgt die Turbinenleistung zumangegebenen Zeitpunkt (Pfeil 62') ca. 35 MW, so daß zu diesemZeitpunkt die netto aus dein Netz bezogene Leistung ca. (–)45 MWbeträgt.
    [0057] Damitdie volle Spannweite der Leistung, von der maximalen positiven Turbinenleistungbis zur vollen negativen Pumpleistung, als Regelleistung genutztwerden kann, sind alle Komponenten zwischen dein Oberbecken 2 unddem Unterbecken 12 entsprechend den erhöhten Belastungen auszulegen. Sohaben im Triebwasserweg 3, 5 die fortlaufenden Laständerungenunmittelbare Änderungender Fließgeschwindigkeitund Fließrichtungzur Folge, wodurch Druckschwingungen entstehen, die sich auf dieBetriebsfestigkeit des Triebwasserweges 3, 5 auswirken.Dementsprechend Betriebsfest muß dieserTriebwasserweg 3, 5 ausgebildet werden.
    [0058] Wichtigist hier auch die Auslegung des Wasserschlosses 4 (vgl. 1), das an sich zur Begrenzungderartiger Druckanstiege dient, wobei kinetische Energieüberschüsse und-defizite ausgeglichen werden, ohne daß es zu schädlichen Druckstößen, zueinem Überlaufdes Wasserschlosses 4 bzw. zu einem Lufteinzug durch Unterdruckkommen kann. Grundsätzlichsind Wasserschlössergemäß Stand derTechnik so dimensioniert, daß Regelvorgänge bei Turbinenbetriebmöglichsind. Bei diesen herkömmlichenRegelvorgängen ändert sichaber die Fließrichtungnicht. Da bei der vorliegenden Technologie eine rasche und in rascherFolge auftretende Richtungsumkehr gegeben ist, ist das Wasserschloß 4 entsprechendleistungsfähigauszulegen.
    [0059] Auchdie Anwurfvorrichtung 27 ist vergleichsweise leistungsstarkauszulegen, damit ausgehend vom Turbinenbetrieb das Zuschalten der Pumpe 10 inder definierten Regelzeit möglichist, d.h. die Pumpe 10 in der gewünschten kurzen Zeit auf dieSynchrondrehzahl beschleunigt und mit dem übrigen Maschinensatz gekuppeltwerden kann. In vergleichbarer Weise muß bei der anhand der 7 und 8 beschriebenen Variante mit Vorpumpe 55 der Antriebder Vorpumpe 55 fürein dauerndes Zu- und Abschalten in kurzen Zeitintervallen ausgelegtsein, wobei diese Schaltvorgängebeispielsweise in Minutenintervallen möglich sein müssen.
    [0060] Für die Pumpe(bzw. Hauptpumpe) 10 gilt, daß je komplexer und vielfältiger dieBetriebsarten und Regelvorgängesind, umso größer dieGefahr ist, daß esgenau in den ungünstigstenBetriebszuständenzu Störungenkommt (z.B. Öffnendes Leistungsschalters aufgrund einer Gefahrmeldung). Dabei kannes zu Drehzahlanstiegen kommen, und die dabei auftretenden Drücke undSchwingungen müssen vonden Bestandteilen der Pumpe 10 schadlos ausgehalten werden.So ist insbesondere das Gehäuse derPumpe 10 entsprechend druckfest auszuführen, da der Druck der Pumpe 10 ungefähr mit deinQuadrat der Drehzahl (bei geschlossenem Schieber 28) steigt.
    [0061] Damitdie Pumpe 10 rasch zu- und abgeschaltet werden kann, muß auch derSchieber 28 innerhalb kurzer Zeit geöffnet und geschlossen werden können. Dabeiist insbesondere beim Schließvorgangein besonders gestuftes Schließgesetzzweckmäßig, umzusätzlicheDruckstöße zu vermeiden.
    [0062] Selbstverständlich sindim Rahmen der Erfindung Abwandlungen und Modifikationen der vorstehendbeschriebenen Ausgangsbeispiele möglich. So ist insbesondereauch ein Betrieb mit mehreren Turbinen und/oder mehreren Pumpen(z.B. in Parallelschaltung) möglich,und es ist auch nicht unbedingt notwendig, daß die volle Leistung der Pumpejener der Turbine entspricht.
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] Verfahren zur Leistungsregelung in einem Speicherkraftwerk,bei dein die Leistungsanforderung eines Stromnetzes (33) überwachtwird, wobei bei Netz-Leistungsbedarfmit Hilfe wenigstens einer Turbine (8) und eines damitgekuppelten Motorgenerators (9) erzeugter Strom unter Leistungsregelung andas Stromnetz (33) geliefert und bei Leistungsüberschuß im Stromnetz(33) Strom aus dein Stromnetz bezogen und zumindest einerPumpe (10) zum Pumpen von Wasser aus einem Unterbecken(12) in ein Oberbecken (2) zugeführt wird,wobei bei Leistungsüberschuß auch dieTurbine (8) in einem hydraulischen Kurzschluß mit derPumpe (10) betrieben und hinsichtlich ihrer Leistungsabgabegeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erkennen eines Absinkensder Leistungsanforderung des Stromnetzes (33) auf einenvorgegebenen Wert, z.B. Null, die Pumpe (10) übergangsfreiauf volle Leistung eingeschaltet wird und die Turbine (8)auf Voll-Last gefahren sowie danach entsprechend den Schwankungender sich bei der mit voller Leistung laufenden Pumpe (10)aufgrund der Netz-Schwankungen ergebenden Summen-Leistungsanforderung in der Leistunggeregelt wird, und daß diePumpe (10) bei einem Wiederanstieg der Netz-Leistungsanforderung auf über denvorgegebenen Wert wieder übergangsfreiabgeschaltet wird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß diePumpe (10) eine Leistungsaufnahme bis zur maximalen Leistungsabgabeder Turbine (8) hat.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß ergänzend dieFördermenge derPumpe (10) mit Hilfe einer Drosseleinheit (28, 28') geregelt wird.
    [4] Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß dieDrosselregelung auch bei einem niedrigen Netz-Leistungsbedarf, beiWeiterlaufen der Pumpe (10), durchgeführt wird.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,daß dieZeit fürdas Erreichen der vollen Leistung der Pumpe (10) nach deren Einschaltenim Wesentlichen dem Kehrwert der Regelgeschwindigkeit der Turbine(8) entspricht.
    [6] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß dieTurbine (8) mit einer Regelgeschwindigkeit von ca. 5 %der Voll-Last pro Sekunde in der Leistung geregelt wird.
    [7] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,daß zumKuppeln der Pumpe (10) mit der Turbine (8) vorgeseheneHilfsantriebe beim Absinken der Netz-Leistungsanforderung bereitsvor Erreichen des vorgegebenen Werts aktiviert werden.
    [8] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,daß diePumpe (10) mit einer den Druck auf ihrer Zulaufseite erhöhenden Vorpumpe(55) betrieben wird.
    [9] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einemder Ansprüche1 bis 8, mit wenigstens einer Turbine (8), einem damitgekuppelten Motorgenerator (9) und wenigstens einer vonder Turbine gesonderten Pumpe (10), gekennzeichnet durcheine die Leistungsanforderung des Stromnetzes überwachende und die Turbinenleistungregelnde Regel- und Steuereinheit (31), die eingerichtetist, die Pumpe (10) bei Absinken der Netz-Leistungsanforderung aufden vorgegebenen Wert übergangsfreieinzuschalten, beim Einschalten der Pumpe (10) auch die Turbine(8) auf Voll-Last zu fahren und danach in ihrer Leistungzu regeln, sowie bei einem Wiederanstieg der Netz-Leistungsanforderungauf überden vorgegebenen Wert die Pumpe (10) wieder übergangsfreiabzuschalten.
    [10] Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,daß diePumpe (10) eine Leistungsaufnahme bis zur maximalen Leistungsabgabeder Turbine (8) hat.
    [11] Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,daß derPumpe (10) eine regelbare Drosseleinheit (28)nachgeordnet ist, die einen mit der Regel- und Steuereinheit (31)verbundenen Regeleingang (28) zwecks Drosselregelung aufweist.
    [12] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet,daß einezum Kuppeln der Pumpe (10) mit der Turbine (8)vorgesehene Anwurfvorrichtung (27) und ein Schieber (28)für eine Aktivierungeingerichtet sind, bei der die Pumpe (10) nach 100/x Sekundendie volle Leistung aufnimmt, wobei x die in % pro Sekunde angegebeneRegelgeschwindigkeit ist.
    [13] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,daß aufder Zulaufseite der Pumpe (10) eine den Zulauf-Druck erhöhende Vorpumpe(55) vorgesehen ist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-11-04| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2005-12-22| 8364| No opposition during term of opposition|
    优先权:
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