Entwicklungen für das Elektrizitätssystem der Zukunft

Wasserkrafttechnologie:
Entwicklungen für das Elektrizitätssystem der Zukunft
Mirjam Sick, Global R&D program manager, ANDRITZ HYDRO
Wasserkrafttechnologie
Entwicklungen für das Elektrizitätssystem der Zukunft
Netzstabilität und Versorgungssicherheit
Die Rolle der Wasserkraft im elektrischen Netz
Technische Weiterentwicklungen
Zusammenfassung
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Netzstabilität und Versorgungssicherheit
Schwerpunkt: Ausbau der volatilen erneuerbaren Energiequellen…
Rovigo 70 MW photovoltaic (PV) power plant
w [m]
l [m]
Stromproduktion mittels PV
Dunkelrot: >450 W/Einwohner
Bayern: ~ 10% des Verbrauchs
Quelle: IEA PVPS, Task 14
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Elektrisches Netz
Ökonomische und technologische Treiber
Erzeugung
Verbraucher
Netz
Kohle, Gas
Stabilität
Schwungmasse
Solar, Wind
Wasserkraft
Wasserkraft
Erneuerbare
Energien
Stromnetz Elektromobilität
der
Zukunft
Künftige Netze
Speicher
Supergrid
Lastmanagement
Grid-Code
Meeresenergie
Smartgrid
Wirtschaft, Umwelt, Politik
Förderungen
Energiepreise
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Energiewende
Wegwerfstrom
“Energiewende”
Atomausstieg
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Netzdienstleistung
Unbundling
Energiewende zu erneuerbaren Energiequellen
Auswirkungen auf das elektrische Netz
■ Volatile erneuerbare Energiequellen: Garantierte Einspeisetarife dominieren Markt
■
Windenergie
■ Offshore Nutzung erfordert neue Konzepte der Leistungsübertragung (HVDC)
■ Fluktuierende Stromerzeugung macht kurz- und langfristige Kompensation
notwendig
■ Solarenergie
■ Installierte Leistung in D grösser als Windenergie
■ Gezeitenenergie
■ Technologie vorhanden
■ Neue Konzepte der Energieübertragung sind notwendig (DC)
■ Wasserkraftwerke sind wichtiges Element im elektrischen Netz
■
Stromerzeugung ist vorhersagbar
■ Verlässlich und flexibel einsetzbar
ANDRITZ Hammerfest HS1000
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Schwerpunkt Netzstabilität
Netzdienstleistungen zur Sicherung des stabilen Netzbetriebes
■ Bedarf
■
Reserve (rotierend)
■ Primärregelung
■ Sekundärregelung
■ Anforderungen
■
Frequenzstabilität
■ Balancierte Wirkleistung
■ Spannungsstabilität
■ Balancierte Blindleistung
■ Rotorwinkelstabilität
■ Synchroner Betrieb der Systeme
■ Mittel- und langfristig sicherer Betrieb
■ Management schwerwiegender Fehler im Netz
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Wasserkrafttechnologie
Entwicklungen für das Elektrizitätssystem der Zukunft
Netzstabilität und Versorgungssicherheit
Die Rolle der Wasserkraft im elektrischen Netz
Technische Weiterentwicklungen
Zusammenfassung
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Die neue Wasserkrafttechnologie
Anforderungen an das System
Flexibilität /
Dynamik
Start/Stopp
Blindleistung
Netzstabilität
Kurze
Antwortzeiten
weiter
Betriebsbereich
Trägheit
Speicherfähigkeit
Kontrolle komplexer
Systemen
Automation
Turbine
Netzstabilität
Generator
Umrichter
Systemlösung
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Datenaustausch und
Verarbeitung
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Transformator
Wasserkraftwerk im System «water – to – wire»
Innovationen und technische Dienstleistungen
■ Hydraulisches System
■
Fingerprint Messungen
■ Reglermodul zum Schutz des Wasserschlosses
■ Betrieb 0-100%
■ Pumpspeichersysteme
■ Mechanische Integrität (Turbine und Generator)
■
Dynamische Last und Lebensdaueranalyse Laufräder
■ Verstellmechanismus Kaplanlaufrad
■ Mechanische Belastung Rotor
■ Generator und elektrische Elemente
■
Generatorwicklung: Thermisch verursachte Spannungen
Synchronous condenser zur Netzstabilisierung
■ Leistungselektronik, Frequenzumrichter für variable Drehzahl
■ Dynamische Systemanalyse elektrisch – hydraulisches System
■
■ Automation
■
■
■
■
■
Qualifizierungstests
Innovativer Regelalgorithmus für Kaplanmaschinen
Leistungsstabilisierung
Automatisierung der Produktionsregelung
250 SCALA Automatisierung der Leitzentralen
■ Betrieb und Unterhalt
■
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Neuentwicklung: Monitoring des Betriebs
zur Optimierung der Unterhaltsintervalle
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Wasserkrafttechnologie
Entwicklungen für das Elektrizitätssystem der Zukunft
Netzstabilität und Versorgungssicherheit
Die Rolle der Wasserkraft im elektrischen Netz
Technische Weiterentwicklungen
Zusammenfassung
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Technische Weiterentwicklungen
Hydraulisches System
■Komponenten
■ Druckleitung
■ Wasserschloss
■ Turbine
■ Saugrohr
■Entwicklungen
■ Fingerprint
Messungen
■ Reglermodul zum Schutz des Wasserschlosses
■ Stabilität des Betriebs 0-100% Last
■ Pumpspeichersysteme
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Reglermodul zum Schutz des Wasserschlosses
Schnelle und sichere Lasterhöhung
Hintergrund:
Lösung:
Nutzen:
Wasserschloss kann wegen häufigen und schnellen Lasterhöhungen leerlaufen
Stufenweises Öffnen abhängig von Füllungsgad
Sicheres und möglichst schnelles Öffnen
Surge tank level
Load command
Actual load
SPM blocking
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Grosser Betriebsbereich
Francis 0 – 100% Betrieb: Betriebsgrenzen erweitern
■ Für Netzdienstleistungen müssen Maschinen flexibel betrieben werden
■
■
Drehende Reserve
Tiefer Teillastbetrieb
Francisturbine: Betriebsgrenzen
Full load vortex (draft tube)
■ Technische Herausforderungen
■
Mechanische Themen
■
■
■
Hohe dynamische Belastung in Teillast
Ermüdungsrisiko
Hydraulische Themen
■
■
Druckpulsationen und Stabilität
Kavitation
■ Betriebsbereich muss während
der Offertphase spezifiziert werden,
■ Laufende Forschungsprojekte
■ Ziel: Design für 0-100% Betrieb
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Francis Rehab Hoover Dam mit Modellversuch
Betrieb von 0 bis 100% Last
■ Lafraddesign und Modellversuch in 2010
■
Nachweis ruhiger Betrieb über den gesamten
Betriebsbereich
■ Installation neues Laufrad in 2012
■
Wirkungsgrad in der Anlage nachgewiesen
■ Gewünscht e flache Wirkungsgradkurve
nachgewiesen.
■ Neues Laufad uneingeschränkt für 0-100%
Betrieb geeignet.
Expected Proto
Efficiency
■ Drei weitere Laufräder bestellt
Measured Proto
Poly. (Measured
Proto)
Power
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Pumpspeicherwerke liefern Primärregelung
Variable Drehzahl
Schneller Wechsel vom Pump- zum Turbinenbetrieb
Übergang
 Pumpbetrieb 150MW
zu
 Turbinenbetrieb -150MW
power
Herausforderungen
 Regelung von Turbine und
Generator
 Systemoptimierung
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speed
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Technische Weiterentwicklungen
Mechanische Integrität
■Komponenten
■ Turbine
■ Generator
■Entwicklungen
■ Dynamische
Last und
Lebensdaueranalyse Laufräder
■ Verstellmechanismus Kaplanlaufrad
■ Mechanische Belastung Rotor
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Lebensdauer abhängig vom Betrieb
Francislaufräder bei Start-Stopp
Anlagenmessung mit Dehnmessstreifen
■ Lebensdauerverbrauch von 1h Leerlauf äquivalent zu 10 Millionen h Vollastbetrieb
■ Ein Start-Stopp Zyklus äquivalent zu 240 Millionen h full Volllastbetrieb
18
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Sicherer Betrieb unter den neuen Betriebsbedingungen
Neue Berechnungsmethoden der Lebensdauer
Neuer Modellierungsansatz
Start Stop
SNL
Operating
Regime
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Part Load
Fatigue Analysis
Full Load /
RSI
dominant
Static
Load
Material
Properties /
Condition
Technische Weiterentwicklungen
Generator und elektrische Netzelemente
■Komponenten
■ Generator
■ Elektrische
Netzelemente
■ Elektrisch -hydraulisches System
■Weiterentwicklungen
■ Generatorwicklung:
Thermisch verursachte Spannungen
■ Phasenschieber zur Netzstabilisierung
■ Leistungselektronik, Frequenzumrichter für variable Drehzahl
■ Dynamische Systemanalyse elektrisch – hydraulisches System
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Häufiger Start-Stopp grosser Generatoren
Herausforderung Statorwicklung
Run of River Power Plant
Power
Power
(Pump) Storage Power Plant
Time
Time
1. Zusätzliche mechanische Spannungen an
hochbelasteten Teilen im Rotor
2. Zusätzliche thermische Spannungen an
der Hochspannungsisolation der
Statorwicklung
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Ermüdungsbeanspruchung
Herausforderung
■ Vergangenheit
■ Statische Spannungsanalyse ausreichend, um sicheren Betrieb zu garantieren.
■ Heute
■
Häufige Start-Stopp Zyklen
■ Ermüdung kann Lebensdauer limitieren
■ Kritische Teile
■
Rotor Ring
■ Pol Endplatte
Pole endplate
Yoke ring
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Technische Weiterentwicklung
Netzstabilisierung durch Trägheit: Phasenschieber
Anwendung:



Stabilisierung von von langen Gleichspannungsleitungen
Zusätzlich Trägheit erforderlich
Trägheitsmoment:
> 2x konventioneller Hydrogenerator
Projekt in Kanada
3x 175MVAr
Simulation: outage of HVDC 200ms
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Technische Weiterentwicklungen
Automation
■Komponenten
■ Regelung
■ Schutz,
Erregung, Synchronisierung
■ Leitwarten, Zentralwarten
■Weiterentwicklungen
■ Qualifizierungstests
■ Innovativer
Regelalgorithmus für Kaplanmaschinen
■ Leistungsstabilisierung
■ Automatisierung der Produktionsregelung
■ 250 SCALA Automatisierung der Zentralwarte
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Technische Weiterentwicklung
Primärregelung mit Laufwasserkraftwerken – Kaplanmaschinen
Problem: Ermüdung des Regelmechanismus aufgrund häufiger Stellbewegungen
Pegelregulierung: Durchflussregelung
Typical flow variations 24 h
Primärregelung: Leistungsregelung
Typical network frequency variations 24h
Flow m3/s
2500
2400
2300
2200
0
5
10
15
20
25
time in h
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Technische Lösung
Neuer Algorithmus Turbinenregler
Messresultate
PID
frequency [%]
Wicket gate
set point [%]
power [%]
flow set point [%]
Turbine
Q/P
diagram
+
+
-
I
+
power
set point
-
PI
+
+
runner set
point [%]
CAM
position difference %
runner
modified unit
conventional
Primary
control
Correction
Power set point
calculation
flow [%]
Flow
calculation
Head
Dead Band 2%
position difference %
dead
band
wicket gate
modified unit
conventional
number of position changes
Technische Weiterentwicklung
Stabilisierung der Wirkleistung
■ Schwach gedämpfte Netzbereiche aufgrund
langer Gleichstrom-Leitungen
■ Schwingungen zwischen grossen, verbundenen
Netzen
■ Neu: Leistungselektronische Lösung zur
Leistungsstabilisierung (PSS) wird Standard
auch für Wasserkraftwerke.
■ Hohe Priorität bei Netzbetreibern weltweit.
no PSS
with PSS
Technische Weiterentwicklung
Automatische Erzeugungsregelung
■ Frequenz- und Spannungshaltung erfordert
schnelle Regelung der Leistunglieferung.
■ Die Automatic Generation Control (AGC) bietet
automatisches Management der erforderten
Leistungsproduktion.
Grid Control
Frequency
controller
Power balance
controller
Production
schedule
Automatic Generation Control
-
Compens.
of droop
Plant 1
Joint Control
G1
G2 ... Gn
Plant 2
Joint Control
G1
G2 ... Gn
Plant n
Joint Control
G1
PP1
G2 ... Gn
PS
PP2
Actual production
Control Hierarchy
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PS
Principle Controller Structure
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Set point
Automatic Generation Control
Set point
Distribution algorithm
Set point
Grid Operation
Secondary control
set point
PS
PPn
e.on Zentralwarte Landshut
250 SCALA wird mehr als 100 Kraftwerke
Kachlet
Finsing
■ 250 SCALA winning features
■
■
■
■
■
Multi-Sync
Revision decoupling for future emergency control center
Data-Conversion from multiple source formats into standard IEC 60870-5-104 formats
Extreme high performance (300.000 process variables with >3000 tel/sec)
Known quality from existing plants Finsing & Töging
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Netzstabilität und Versorgungssicherheit
Die Rolle der Wasserkraft im elektrischen Netz
Technische Weiterentwicklungen
Zusammenfassung
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Zusammenfassung
Wasserkraftwerke sind ein wertvoller Spieler im elektrischen Netz
■ Ausblick:
■
Weiterer Ausbau der volatilen erneuerbaren Energiequellen zu erwarten.
■ Wasserkraftwerke sind für Netzdienstleistungen zur Spannungs- und Frequenzhaltung
sehr gut geeignet.
■ Technische Weiterentwicklungen
■
Weiter Betriebsbereich bedeutet hohe dynamische Belastung auf den Maschinen,
Fokus Lebensdauer.
■ Auf Netzstabilisierung optimierte Maschinensätze, konstante oder variable Drehzahl
■ Automationslösungen für optimierte flexible Wasserkraftwerke.
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