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Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein Strömungskraftwerk, Insbesondere für einen Gezeitenkraftwerk, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Ausführung des Verfahrens, die insbesondere einen Anlagenbetrieb anhand einer Drehmoment-/Drehzahlkennlinie ohne die Verwendung einer zusätzlichen Strömungsmesseinrichtung ermöglicht.
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Die im Folgenden betrachteten Strömungskraftwerke entnehmen als freistehende Einheiten einem Fließgewässer kinetische Energie, ohne dass Dammstrukturen vorgesehen sind. Dabei kann es sich um eine Flusswasserturbine oder um ein Meereskraftwerk handeln, das eine permanente Meeresströmung oder eine zyklisch wechselnde Gezeitenströmung zur Energiegewinnung nutzt. Als eine mögliche Bauform derartiger Strömungskraftwerke wurden axial durchströmte, mit propellerförmigen Turbinen und einer horizontalen Drehachse versehene Anlagen vorgeschlagen. Dabei kann die eigentliche Wasserturbine frei in der Gewässerströmung platziert werden oder es wird zur Strömungsbeschleunigung ein Mantelgehäuse zur Ausbildung eines Venturi-Strömungskanals um die Turbine vorgesehen.
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Gattungsgemäße Strömungskraftwerke müssen für die effiziente Nutzung langsamer Gewässerströmungen möglichst großbauend ausgebildet sein, sodass eine Bergung zur Ausführung von Wartungsarbeiten aufwendig ist. Das Anheben und die erneute Installation derartiger Anlagen bei einem Meeresstandort werden zusätzlich durch Wetter- und Strömungseinflüsse erschwert. Daher werden möglichst wartungsfreie Anlagen mit einer hohen Standzeit angestrebt. Diese Anforderung an die Robustheit betrifft neben den mechanischen Anlagenkomponenten auch die Regelungs- und Steuerungseinrichtungen des Strömungskraftwerks.
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Aus der
WO 2010 13 29 56 A1 ist ein Steuerungsverfahren für eine Unterwasserturbine bekannt, das zur Drehzahlführung die Anströmungsgeschwindigkeit berücksichtigt. Dabei kommen die bekannten Verfahren zur Messung eines Strömungsfelds in Frage. Anwendbar sind beispielsweise Messeinrichtungen, die mit einem Differenzdruckverfahren arbeiten, etwa Pitotrohre oder Prandtlsonden. Alternativ können indirekte Verfahren verwendet werden, die beispielsweise mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen axiale Schublasten auf ausgewählte Anlagenteile zur Abschätzung der Anströmungsgeschwindigkeit bestimmen. Denkbar ist auch die Ausführung thermischer Massendurchflussmessungen. Ferner können Turbinendurchflussmesser oder andere Bauformen von Anemometern verwendet werden. Generell ist es wünschenswert, dass Strömungsmessungen in einer gewissen Distanz zur Wasserturbine vorgenommen werden, um den Einfluss der Turbine auf das Strömungsfeld klein zu halten. Darüber hinaus saute die Vermessung des Strömungsfelds über die gesamte von der Wasserturbine überstrichene Fläche und nicht punktuell erfolgen. Zu diesem Zweck können Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser verwendet werden.
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Auf der Grundlage eines bekannten Strömungsfelds kann ein Strömungskraftwerk leistungsoptimal betrieben werden. Allerdings stellt die zur Messung des Strömungsfelds notwendige Sensorik eine mögliche Fehlerquelle dar, sodass für ein wartungsarmes Kraftwerk ein Konzept ohne eine Messeinrichtung zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit bevorzugt wird. Zu diesem Zweck stellt die Wasserturbine selbst den Strömungsmesser dar.
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Wird ein Anlagenkonzept zugrunde gelegt, für das das Generatormoment eines elektrischen Generators direkt oder mittelbar bremsend auf die Wasserturbine wirkt, so kann durch die Vorgabe eines Generatormoments die Wasserturbine kennlinienbasiert geführt werden. Dies ist insbesondere für einen Direktantrieb mit einer drehstarren Verbindung zwischen der Wasserturbine und dem Läufer eines elektrischen Generators der Fall. Grundlage des Betriebsverfahrens stellt demnach eine vorgegebene Drehmoment-/Drehzahlkennlinie dar, wobei durch die Vorgabe des Generatormoments unter Berücksichtigung der Reibungsverluste im Antriebsstrang und den Lagern der Anlage das Turbinenmoment an der Wasserturbine so eingestellt wird, dass eine zugeordnete Drehzahl entsprechend der hinterlegten Drehmoment-/Drehzahlkennlinie resultiert. Eine kennlinienbasierte Anlagenführung auf der Grundlage eines vorgegebenen Turbinenmoments an der Wasserturbine kann durch die Einstellung des vom elektrischen Generator erzeugten bremsenden oder beschleunigenden Drehmoments ausgeführt werden, sodass auch Betriebsphasen auftreten können, für die der elektrische Generator motorisch betrieben wird.
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Zur Steuerung oder Regelung des Generatormoments wird typischerweise ein Frequenzumrichter verwendet, der zur Netzaufschaltung des elektrischen Generators dient. Dabei liegt typischerweise ein Vallumrichter mit einem generatorseitigen Umrichter, einem Gleichspannungszwischenkreis und einem netzseitigen Umrichter vor. Wird beispielsweise eine Synchronmaschine als elektrischer Generator verwendet, kann durch eine Steuerung und/oder Regelung des generatorseitigen Umrichters der Laststrom am elektrischen Generator und damit das Generatormoment durch eine Vorgabe für die Spannungskomponenten d, q für die Statorspannung im 2-Achssystem der Synchronmaschine festgelegt werden.
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Eine Alternative zum Anlagenbetrieb mit einer vorgegebenen Drehmoment-/Drehzahlkennlinie stellt die Verwendung eines MPP-Reglers zur Realisierung eines leistungsoptimalen Betriebs dar. Hierzu wird beispielhaft auf die
DE 10 2008 053 732 B3 verwiesen. Ein MPP-Regler setzt ein oszillierendes Generatormoment ein, wobei mittels eines Gradientensuchverfahrens das Leistungsoptimum einer mit dem elektrischen Generator verbundenen Wasserturbine ermittelt wird. Nachteilig ist das bekannte MPP-Verfahren dann, wenn starke Fluktuationen in der Anströmung vorliegen. Diese sind bei einem Anlagenstandort im Meer aufgrund der Wind- und Welleneinflüsse stark ausgeprägt, sodass MPP-Regler vielfach keinen stabilen Anlagenbetrieb ermöglichen.
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Der Nachteil eines einfachen und robusten Kennlinienbetriebs besteht darin, dass eine bei der Anlageninstallation hinterlegte Drehmoment-/Drehzahlkennlinie zu einer verschlechterten Leistungsausbeute führt, wenn sich die Anlagencharakteristik dauerhaft ändert. Eine Ursache hierfür kann maritimer Bewuchs, insbesondere an dem sich langsam bewegenden oder feststehenden, für die Anströmung jedoch relevantem Anlagenteil sein. Des Weiteren können sich Veränderungen des Anlagenverhaltens durch Beschädigungen an der Wasserturbine oder durch einen zunehmenden Lagerverschleiß ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsverfahren für ein Strömungskraftwerk, Insbesondere ein Gezeitenkraftwerk, anzugeben, das einen robusten Betrieb ohne eine Messeinrichtung für das Geschwindigkeitsfeld an der Wasserturbine der Anlage ermöglicht. Das Verfahren soll kennlinienbasiert ausgeführt werden, und Veränderungen der Anlagencharakteristik so berücksichtigen, dass sich eine möglichst hohe Leistungsausbeute im leistungsoptimalen Betrieb über einen längeren Betriebszyklus ergibt. Ferner ist eine Steuerungseinrichtung zur Ausführung des Verfahrens anzugeben.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dabei gehen die Erfinder zunächst von einem kennlinienbasierten Verfahren mit einer Betriebsführung anhand einer vorgegebenen Drehmoment-/Drehzahlkennlinie aus. Die Wasserturbine ist demnach der Strömungsmesser der Anlage. Das stützende Moment des elektrischen Generators und ein damit resultierendes Turbinenmoment an der Wasserturbine werden so eingestellt, dass in Abhängigkeit der vorliegenden Anströmung eine zum Turbinenmoment korrespondierende Drehzahl auf der Kennlinie resultiert.
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Erfindungsgemäß wird das kennlinienbasierte Verfahren so weiterentwickelt, dass wenigstens zwei Drehmoment-/Drehzahlkennlinien vorliegen und ein zyklischer Wechsel zwischen Arbeitspunkten auf den unterschiedlichen Kennlinien ausgeführt wird. Nach dem Einstellen eines Arbeitspunkts werden die am elektrischen Generator erzeugten Energieteilerträge separat summiert, das heißt der jeweiligen Drehzahl-/Drehmomentkennlinie zugeordnet. Bevorzugt wird hierzu die Bestimmung der jeweiligen Energieteilerträge erst dann vorgenommen, wenn dynamische Effekte nach der Einstellung eines neuen Arbeitspunkts, das heißt vom Wechsel einer ersten Kennlinie zu einer zweiten Kennlinie, so weitgehend abgeklungen sind, dass die im jeweiligen Arbeitspunkt für die vorliegende Anströmung repräsentativen Energieteilerträge bestimmt werden können. Typischerweise können die Energieteilerträge nach einer Totzeit von einigen Sekunden hinreichend genau bestimmt werden.
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Die zyklischen Kennlinienwechsel werden permanent oder wenigstens über ein vorbestimmtes Zeitintervall ausgeführt und die den jeweiligen Drehzahl-/Drehmomentkennlinien zugeordneten Energieteilerträge fortlaufend und über eine vorbestimmte Zeitdauer summiert. Auf der Grundlage der summierten Energieteilerträge erfolgt eine adaptive Nachführung der Drehmoment-/Drehzahlkennlinien. Im einfachsten Fall ist dies ein Wechsel zu einer bestimmten Drehmoment-/Drehzahlkennlinie für einen Betrieb ohne Kennlinienwechsel über einen vorgegebenen Zeitraum, an den sich dann wiederzyklische Kennlinienwechsel und eine erneute adaptive Nachführung der Kennlinien anschließen können.
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Denkbar ist auch, die zyklischen Kennlinienwechsel im Dauerbetrieb beizubehalten und die hierfür verwendeten Drehmoment-/Drehzahlkennlinien anzupassen. Hierzu kann beispielsweise die Drehzahl-/Drehmomentkennlinie, der der niedrigste summierte Energieteilbetrag zugeordnet wird, bei der adaptiven Nachführung korrigiert werden. Ferner ist es denkbar, lediglich die Drehmoment-/Drehzahlkennlinie mit dem höchsten summierten Teilenergiebetrag beizubehalten. Außerdem ist eine Weitergestaltung möglich, für die ein zyklischer Kennlinienwechsel zwischen mehr als zwei Kennlinien ausgeführt wird.
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Bevorzugt wird das Zeitintervall für den Kennlinienwechsel an die Geschwindigkeitsfluktuation der Anströmung angepasst. Geeignet sind Wechsel im Minutenbereich, wobei Zeitintervalle von weniger als fünf Minuten, besonders weniger als einer Minute, bevorzugt werden, um zu einem möglichst präzisen Verfahren zu gelangen. Für eine bevorzugte Ausgestaltung sind die Zeitintervalle für den zyklischen Kennlinienwechsel konstant gewählt. Dies führt zu einer besonders einfachen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Damit können periodische Schwankungen unabhängig der Phasenlage des Abtastzeitpunkts bis zu einer Grenzfrequenz, die der halben Abtastfrequenz entspricht, erfasst werden. Um noch schnellere periodische Schwankungen in der Anströmung, die durch ein besonderes Relief am Gewässergrund entstehen können, in ihrer Wirkung auf das erfindungsgemäße Verfahren ausschließen zu können, können die zyklischen Kennlinienwechsel mit stochastisch variierenden Zeitintervallen ausgeführt werden. Für diesen Fall muss für die Summierung der Energieteilerträge ein zeitlicher Gewichtungsfaktor berücksichtigt werden.
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Im Folgenden wird anhand von Ausführungsbeispielen und Figurendarstellungen die Erfindung genauer erläutert. In den Figuren ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
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1 zeigt ein kennlinienbasiertes Betriebsverfahren anhand eines Diagramms des Leistungsbeiwerts.
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2 zeigt ein kennlinienbasiertes Verfahren anhand des Diagramms für den Momentenbeiwert.
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3 zeigt ein kennlinienbasiertes Verfahren anhand des Turbinenmomenten-Diagramms der Wasserturbine im Verhältnis zur Drehzahl.
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4 zeigt das erfindungsgemäße Umschalten zwischen zwei vorgegebenen Drehmoment-/Drehzahlkennlinien im Turbinenmomenten-Diagramm.
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5 zeigt die Ermittlung von Energieteilerträgen für das erfindungsgemäße Verfahren für konstante Zeitintervalle für den Kennlinienwechsel.
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6 zeigt erfindungsgemäß ermittelte Energieteilerträge für zeitlich variabel gewählte Zeitintervalle für den Kennlinienwechsel.
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1 stellt ein Diagramm des Leistungsbeiwerts cp gegen die Schnelllaufzahl λ dar. Unter der Schnelllaufzahl λ wird das Verhältnis zwischen der Blattspitzengeschwindigkeit und der Anströmungsgeschwindigkeit an der Wasserturbine verstanden. Exemplarisch ist eine cp-Verlaufskurve 1 für eine vorgegebene Geschwindigkeit dargestellt, wobei die cp-Verlaufskurve 1 der Anlagenauslegung entspricht. Dem Scheitelpunkt der cp-Verlaufskurve 1 ist ein Arbeitspunkt 15 zugeordnet, wobei die weiteren cp-Verlaufskurven, die der Anlagenauslegung zugrunde gelegt werden, im Einzelnen nicht dargestellt sind. Ihre jeweiligen Scheitel liegen auf der cp-Kennlinie 2.
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Des Weiteren skizziert 1 gestrichelt dargestellt eine zweite cp-Verlaufskurve 3 sowie strichpunktiert dargestellt eine dritte cp-Verlaufskurve 4. Diese stellen Abweichungen von der ursprünglichen Anlagenauslegung dar, die nicht in der hinterlegten cp-Kennlinie 2 berücksichtigt werden.
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Entsprechend stellt sich die Situation im Diagramm für den Momentenbeiwert cm dar. Dabei repräsentiert die cm-Kennlinie 6 den Verlauf der hinterlegten Arbeitspunkte. Hierzu ist exemplarisch der Arbeitspunkt 16 skizziert, der zu einer der Anlagenauslegung entsprechenden cm-Verlaufskurve 5 gehört. Ferner sind mit der gestrichelt dargestellten zweiten cm-Verlaufskurve 7 und der strichpunktiert dargestellten, dritten Verlaufskurve 8 übertrieben dargestellte Abweichungen von der Anlagenauslenkung gezeigt. Insbesondere die zu höheren Schnelllaufzahlen hin verschobene dritte cm-Verlaufskurve 8 führt die Anlage bei einem Betrieb entlang der dargestellten cm-Kennlinie 6 nahe an einen kritischen Arbeitspunkt 17.
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Des Weiteren illustriert 3 ein kennlinienbasiertes Verfahren anhand des von der Wasserturbine aufgenommenen Turbinenmoments M im Verhältnis zur Drehzahl ω der Wasserturbine. Durchgezogen dargestellt sind Turbinenmoment-Verlaufskurven 9.1, 9.2, 9.3 für unterschiedliche Anströmungsgeschwindigkeiten v1 > v2 > v3. Auf der Drehzahl-/Drehmomentkennlinie 10 sind hierzu die Arbeitspunkte 11.1, 11.2 und 11.3 zugeordnet. Zusätzlich ist gestrichelt eine von der Anlagenauslegung abweichende Turbinenmoment-Verlaufskurve 12 skizziert, die der Anströmungsgeschwindigkeit v1 zugeordnet ist. Diese schneidet die zur Anlagenführung verwendete Drehzahl-/Drehmomentkennlinie 10 im Arbeitspunkt 11.3, der der durchgezogen dargestellten, auslegungsgemäßen Turbinenmoment-Verlaufskurve 9.3 für die Anströmungsgeschwindigkeit v3 zugeordnet ist. Demnach ist bei einem kennlinienbasierten Verfahren keine Unterscheidungsmöglichkeit zwischen einer Veränderung der Anströmungsgeschwindigkeit oder einer Veränderung der Anlagencharakteristik gegeben. Ein ineffizienter Betrieb der Anlage kann daher nicht erkannt werden.
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4 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Diagramms für das Turbinenmoment M gegen die Drehzahl ω der Wasserturbine. Dargestellt sind zwei hinterlegte Drehmoment-/Drehzahlkennlinien 10.1, 10.2, zwischen denen beim Betrieb des Strömungskraftwerks ein zyklischer Kennlinienwechsel ausgeführt wird. Skizziert dargestellt ist der zyklische Wechsel zwischen den Arbeitspunkten 13.1, 13.2, denen ein übereinstimmendes Turbinenmoment M0 und unterschiedliche Umlaufgeschwindigkeiten ω1 und ω2 zugeordnet sind. Dabei erfolgt die Anlagensteuerung anhand der jeweils aktuellen Drehmoment-/Drehzahlkennlinien 10.1, 10.2 zur Berücksichtigung einer zeitlich variierenden Anströmungsgeschwindigkeit an der Wasserturbine, wobei die von einem durch die Wasserturbine wenigstens mittelbar angetriebenen elektrischen Generator erzeugten Energieteilerträge für die jeweilige Drehzahl-/Drehmomentkennlinie 10.1, 10.2 separat summiert werden. Dies ist anhand der Figurendarstellungen 5 und 6 skizziert.
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5 stellt den Verlauf der aus der Anströmung entnehmbaren kinetischen Energie 14 dar. Die Anströmungsgeschwindigkeit ist zeitlich variabel, wobei im Falle eines Gezeitenkraftwerks neben den Tidenzyklen schnelle Strömungsfluktuationen die Anströmungscharakteristik prägen. Die beim Betrieb mit der ersten Drehmoment-/Drehzahlkennlinie 10.1 resultierenden Energieteilerträge P1, P3, ..., Pm sind als nicht schraffierte Säulendiagramme dargestellt. Schraffiert gezeigt sind die Energieteilerträge P2, P4, ..., Pm+1, die beim Betrieb mit der Turbinenmoment-Kennlinie 10.2 erzielt werden. Fortlaufend oder nach einem vorbestimmten Zeitintervall werden die jeweiligen Energieteilerträge separat für die jeweils zugeordnete Drehmoment-/Drehzahlkennlinie 10.1, 10.2 summiert und verglichen. Danach erfolgt eine adaptive Nachführung der Drehmoment-/Drehzahlkennlinien 10.1, 10.2. Im einfachsten Fall ist dies eine Auswahl einer bestimmten Drehmoment-/Drehzahlkennlinie, wobei gemäß einer Weitergestaltung die erfindungsgemäß ausgeführten zyklischen Kennlinienwechsel zwischen mehr als zwei Kennlinien ausgeführt werden. Die für die aktuelle Anlagencharakteristik am besten passende Drehmoment-/Drehzahlkennlinie kann dem weiteren Betrieb zugrunde gelegt werden.
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Für eine Weitergestaltung ist es denkbar, bei jedem Vergleich der summierten Energieteilerträge einige der zur Auswahl stehenden Drehmoment-/Drehzahlkennlinien auszusortieren und/oder neue Kennlinien als Zwischenwerte oder als Abwandlung zur bisher am besten angepassten Kennlinie neu zu generieren.
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In 5 ist jeweils zwischen den Energieteilerträgen eine Totzeit Δt eingezeichnet. Demnach wird für eine bevorzugte Ausgestaltung unmittelbar nach einem Wechsel des Arbeitspunkts, das heißt einem Übergang von einer ersten zu einer zweiten Drehmoment-/Drehzahlkennlinie 10.1, 10.2, die Erfassung der Energieteilerträge verzögert ausgeführt, um dynamische Effekte abklingen zu lassen. Dabei liegt die Totzeit typischerweise im Sekundenbereich. Beispielsweise haben sich Totzeiten im Bereich unterhalb von 30 Sekunden und besonders bevorzugt im Bereich von 5–10 Sekunden als geeignet erwiesen. Dabei hängt die Wahl der Totzeit vom Abstand der gewählten Arbeitspunkte, zwischen denen die zyklischen Wechsel ausgeführt werden, und der für die jeweilige Anlage vorliegenden Massenträgheiten ab.
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Für die in 5 dargestellte Ausgestaltung ist die Periodendauer, für die die Anlage mit einer bestimmten Drehmoment-/Drehzahlkennlinie betrieben wird, zeitlich konstant gewählt. Hiervon weicht die in 6 gezeigte Weitergestaltung ab, der stochastisch gewählte Periodendauern t2 – t1, t4 – t3, t6 – t5 zugeordnet sind. Dabei können die maximale Periodendauer und die minimale Periodendauer festgelegt werden, sodass die Periodendauern innerhalb einer vorgegebenen Schwankungsbreite stochastisch variieren.
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Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Steuereinrichtung verwendet, in der wenigstens zwei Drehzahl-/Drehmomentkennlinien hinterlegt sind und in der Mittel zur Umschaltung zwischen den beiden Drehzahl-/Drehmomentkennlinien sowie zur Erfassung, Aufsummierung und für den Vergleich der für die jeweiligen Kennlinien erzielten Energieteilerträge vorliegen.
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Weitere Ausgestaltungen im Rahmen der nachfolgenden Schutzansprüche sind denkbar. So kann insbesondere der adaptive Verlauf der Nachführung der Drehzahl-/Drehmomentkennlinien zur Überwachung eines Strömungskraftwerks und zur Festlegung von Wartungsintervallen herangezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- cp-Verlaufskurve
- 2
- cp-Kennlinie
- 3
- zweite cp-Verlaufskurve
- 4
- dritte cp-Verlaufskurve
- 5
- cm-Verlaufskurve
- 6
- cm-Kennlinie
- 7
- zweiten cm-Verlaufskurve
- 8
- dritte cm-Verlaufskurve
- 9.1, 9.2, 9.3
- Turbinenmoment-Verlaufskurve
- 10, 10.1, 10.2
- Drehzahl-/Drehmomentkennlinie
- 11.1, 11.2, 11.3
- Arbeitspunkt
- 12
- Turbinenmoment-Verlaufskurve
- 13.1, 13.2
- Arbeitspunkt
- 14
- aus der Anströmung entnehmbare kinetische Energie
- 15, 16
- Arbeitspunkt
- 17
- kritischer Arbeitspunkt
- M, M0
- Turbinenmoment
- P1, P2, ..., Pm+1
- Energieteilerträge
- ω, ω1, ω2
- Umlaufgeschwindigkeit
- cm
- Momentenbeiwert
- cp
- Leistungsbeiwert Schnelllaufzahl
- v1, v2, v3
- Anströmungsgeschwindigkeit
- Δt
- Totzeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010132956 A1 [0004]
- DE 102008053732 B3 [0008]
