DE102017223326A1

DE102017223326A1 - Ersatz des Anfahrumrichters einer Gasturbine durch den Ladeumrichter eines Batteriespeichers

Info

Publication number: DE102017223326A1
Application number: DE102017223326.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Tully
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage (1) umfassend eine Gasturbine (2), einen mit der Gasturbine (2) verbundenen Generator (3), sowie einen Speicher (4) für elektrische Energie, insbesondere eine Batterie, und einen mit dem Speicher (4) verbundenen ersten Umrichter (5) zum Laden des Speichers (4) aus einem elektrischen Versorgungsnetz (6), wobei der Speicher (4) und der erste Umrichter (5) dazu ausgelegt sind, über den Generator (3) die Gasturbine (2) anzufahren. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftwerksanlage (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
Gasturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie und Verfahren zum Betrieb dieser Gasturbinen sind aus dem verfügbaren Stand der Technik bekannt. Diese Gasturbinen weisen in der Regel einen axial durchströmbaren Verdichter, eine oder mehrere Brennkammern und eine Turbineneinheit auf. Im Betrieb wird ein der Brennkammer zugeführter Brennstoff mit Hilfe der vom Verdichter verdichteten Umgebungsluft zu einem Heißgas verbrannt, welches sich in der Turbineneinheit an dem Rotor der Gasturbine arbeitsleistend entspannt. Der Rotor treibt dann einen Generator an, welcher die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und in ein elektrisches Versorgungsnetz einspeist.
Beim Starten der Gasturbine - dem sogenannten Anfahren oder Hochfahren - wird deren Rotor mit Hilfe einer Antriebsvorrichtung über den Generator auf eine Zünddrehzahl gebracht. Das kann beispielsweise über einen mit dem Versorgungsnetz gekoppelten Anfahrumrichter geschehen, das kann aber auch, insbesondere bei einem Schwarzstart, ein entsprechendes Dieselaggregat mit Umrichter sein. Alternativ können hier auch Batterien mit entsprechenden Umrichtern eingesetzt werden. Danach wird durch Einspeisen eines Pilot-Brennstoffstroms in die Brennkammer dieser gezündet. Anschließend zündet die Pilotflamme einen Haupt- Brennstoffstrom, welcher über separate Brenner und/ oder Brennstoffdüsen auch in die Brennkammer(n) einspritzt wird. Typischer Weise wird die Antriebsvorrichtung bei einer Drehzahl unterhalb der Nenndrehzahl vom Rotor entkoppelt. Der Rotor wird dann nur noch von dem bei der Verbrennung entstehenden Heißgas beschleunigt. Mit Erreichen der Nenndrehzahl, zumeist 3000 min^-1 oder 3600 min^-1, endet der Startvorgang der Gasturbine. Anschließend kann der Generator mit der Netzfrequenz des Versorgungsnetzes synchronisiert und diesem aufgeschaltet werden.
Auch bei unvorhergesehenen Ereignissen im Stromnetz sollen die Stromkunden mit der elektrischen Leistung versorgt werden können, die sie benötigen. Zu diesem Zweck müssen einzelne Kraftwerke kurzfristig ihre Leistung innerhalb definierter Fristen und für eine bestimmt Dauer anpassen können, beispielsweise durch Leistungserhöhung oder Einspeisung gespeicherter Energie in das Versorgungsnetz über beispielsweise Batterien oder Pumpspeicherkraftwerke. Bei der Primärregelung sollen physikalisches Leistungsangebot und -nachfrage ausgeglichen werden, um die Frequenz im Versorgungsnetz wieder zu stabilisieren (bei minimalen Schwankungen sind die Trägheiten, insbesondere rotierende Massen, im Versorgungsnetz ausreichend, um diese Schwankungen abzudecken). Hier können sich nicht alle Kraftwerke beteiligen, da die Bereitstellung der hierzu benötigten Leistung garantiert werden muss. Windkraft- und Solaranlagen können somit nicht zur Primärregelung herangezogen werden. Auch bei der Sekundärregelung sollen physikalisches Leistungsangebot und -nachfrage wieder ins Gleichgewicht gebracht werden, allerdings werden hier einzelne Regelzonen betrachtet und deren Stromaustausch untereinander. Primär- und Sekundärregelung sollten hierbei natürlich nicht gegeneinander arbeiten und die Sekundärregelung soll nach einer definierten Zeit auch den primären Regelvorgang ablösen, so dass dieser wieder für andere Ereignisse verfügbar ist. Die Tertiärregelung (Minutenreserve) dient im Wesentlichen wirtschaftlicher Optimierung und kann angefordert werden.
Für die beschriebenen Anwendungsfälle werden im Kraftwerk zahlreiche Komponenten benötigt, die für den eigentlichen, störungsfreien Dauerbetrieb nicht benötigt werden, sondern nur gelegentlich zum Einsatz kommen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Kraftwerksanlage anzugeben, die möglichst kostengünstig und zuverlässig diese Anwendungsfälle abdeckt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Betreiben einer solchen Kraftwerksanlage.
Die Erfindung löst die auf eine Kraftwerksanlage gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Kraftwerksanlage umfassend eine Gasturbine, einen mit der Gasturbine verbundenen Generator, sowie einen Speicher für elektrische Energie, insbesondere eine Batterie, und einen mit dem Speicher verbundenen ersten Umrichter zum Laden des Speichers aus einem elektrischen Versorgungsnetz, der Speicher und der erste Umrichter dazu ausgelegt sind, über den Generator die Gasturbine anzufahren.
Auf diese Weise kann der ursprünglich vorhandene Anfahrumrichter eingespart werden. Ferner kann je nach Größe der Batterie evtl. aufgrund der höheren Leistung des ersten Umrichters im Vergleich zum Anfahrumrichter eine kürzere Hochlaufzeit der Gasturbine erreicht werden. Schließlich sind aufgrund zu erwartender höherer Thyristorleistungen beim ersten Umrichter im Vergleich zum üblicherweise eingesetzten Anfahrumrichter auch mehr Wiederholungs-Starts innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters der Gasturbine möglich. Diese Wiederholungs-Starts können dann nötig werden, wenn sich beim Startvorgang Probleme, beispielsweise bei der Zündung, ergeben und der Vorgang somit wiederholt werden muss.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Speicher und erster Umrichter ferner so ausgelegt, dass Regelleistung für das elektrische Versorgungsnetz bereitgestellt werden kann. Auf diese Weise kann das Kraftwerk ohne Probleme an der Primärregelung für das Versorgungsnetz teilnehmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kraftwerksanlage weiter einen mit dem elektrischen Speicher verbundenen zweiten Umrichter. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der zweite Umrichter mit einigen Hilfssystemen der Kraftwerksanlage elektrisch verbunden ist. Im Gegensatz zum Start der Kraftwerksanlage bei vorhandenem Versorgungsnetz muss beim sogenannten Schwarzstart nicht nur die Gasturbine über den ersten Umrichter angeschleppt werden, es müssen auch die Hilfssysteme versorgt werden. Letzeres kann über den zweiten Umrichter erfolgen.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftwerksanlage, umfassend eine Gasturbine, einen Generator, einen Speicher für elektrische Energie und einen ersten Umrichter, über den der Speicher geladen und Regelleistung für ein elektrisches Versorgungsnetz bereitgestellt werden kann, wobei die Gasturbine über den elektrischen Speicher, den ersten Umrichter und den Generator angefahren wird.
Vorteilhafter Weise wird bei Bedarf über Speicher und ersten Umrichter Regelleistung für das elektrische Versorgungsnetz bereitgestellt.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Speicher bei Bedarf auch über den ersten Umrichter aus dem Versorgungsnetz geladen wird.
Für den Fall eines Schwarzstarts der Kraftwerksanlage ist es zweckmäßig, wenn der Speicher über einen zweiten Umrichter Hilfssysteme der Kraftwerksanlage elektrisch versorgt.
Zu den Hilfssystemen für die Gasturbine gehören beispielsweise ein Schmierölsystem mit Kühler, ein Brennstoffsystem (Zuführung und Regelung) oder auch ein Kühlluftkühlsystem (wenn erforderlich).
Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung über ein erstes „Ladegerät“ sowohl Netzstützung, als auch ein Anschleppen der Gasturbine über den Generator (im Motorbetrieb). Falls Schwarzstarteigenschaften gewünscht sind, muss ein zweites „Ladegerät“ den Eigenbedarf über einen Eigenbedarfstransformator versorgen.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

1 ein Schema einer Kraftwerkanlage nach dem Stand der Technik und
2 ein Schema einer Kraftwerksanlage nach der Erfindung.

Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Kraftwerksanlage 1 nach dem Stand der Technik mit einer Gasturbine 2 und mit einem über eine Welle 9 mit der Gasturbine 2 verbundenen Generator 3. 1 deutet ferner ein Versorgungsnetz 6 an, in das die Kraftwerksanlage 1 über einen Transformator 10 geschaltet werden kann. Neben Schaltern 11 und Transformatoren 10 weist die Kraftwerksanlage 1 einen Anfahrumrichter 12 zum Anfahren der Gasturbine 2 aus dem Versorgungsnetz 6, sowie einen elektrischen Speicher 4 mit zugeordnetem erstem Umrichter 5 auf, welche zur Netzfrequenzstützung benutzt werden. Für den Schwarzstart der Turbine 2 steht ein Dieselaggregat 13 zur Verfügung.
2 zeigt eine Kraftwerksanlage 1 nach der Erfindung, umfassend eine Gasturbine 2, einen mit der Gasturbine 2 verbundenen Generator 3, sowie einen Speicher 4 für elektrische Energie, beispielsweise eine Batterie, und einen mit dem Speicher 4 verbundenen ersten Umrichter 5 zum Laden des Speichers 4 aus einem elektrischen Versorgungsnetz 6, wobei der Speicher 4 und der erste Umrichter 5 dazu ausgelegt sind, über den Generator 3 die Gasturbine 2 anzufahren, so dass der Anfahrumrichter 12 aus der Kraftwerksanlage 1 nach dem Stand der Technik entfällt.
Dabei sind Speicher 4 und erster Umrichter 5 so ausgelegt, dass Regelleistung für das elektrische Versorgungsnetz 6 bereitgestellt werden kann.
Für den Fall eines Schwarzstarts der Kraftwerksanlage 1 ist gemäß der Erfindung ein mit dem elektrischen Speicher 4 verbundener zweiter Umrichter 7 vorgesehen, der mit einigen Hilfssystemen 8 der Kraftwerksanlage 1 elektrisch verbunden ist, so dass diese über den zweiten Umrichter 7 elektrisch versorgt werden können.

Claims

Kraftwerksanlage (1) umfassend eine Gasturbine (2), einen mit der Gasturbine (2) verbundenen Generator (3), sowie einen Speicher (4) für elektrische Energie, insbesondere eine Batterie, und einen mit dem Speicher (4) verbundenen ersten Umrichter (5) zum Laden des Speichers (4) aus einem elektrischen Versorgungsnetz (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (4) und der erste Umrichter (5) dazu ausgelegt sind, über den Generator (3) die Gasturbine (2) anzufahren.
Kraftwerksanlage (1) nach Anspruch 1, wobei Speicher (4) und erster Umrichter (5) ferner so ausgelegt sind, dass Regelleistung für das elektrische Versorgungsnetz (6) bereitgestellt werden kann.
Kraftwerksanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen mit dem elektrischen Speicher (4) verbundenen zweiten Umrichter (7).
Kraftwerksanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Umrichter (7) mit einigen Hilfssystemen (8) der Kraftwerksanlage (1) elektrisch verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kraftwerksanlage (1), umfassend eine Gasturbine (2), einen Generator (3), einen Speicher (4) für elektrische Energie und einen ersten Umrichter (5), über den der Speicher (4) geladen und Regelleistung für ein elektrisches Versorgungsnetz (6) bereitgestellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (2) über den elektrischen Speicher (4), den ersten Umrichter (5) und den Generator (3) angefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei über Speicher (4) und ersten Umrichter (5) Regelleistung für das elektrische Versorgungsnetz (6) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei der Speicher (4) bei Bedarf auch über den ersten Umrichter (5) aus dem Versorgungsnetz (6) geladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei im Falle eines Schwarzstarts der Kraftwerksanlage (1) der Speicher (4) über einen zweiten Umrichter (7) Hilfssysteme (8) der Kraftwerksanlage (1) elektrisch versorgt.