DE102018107225B3 - Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerkes, umfassend ein Oberwasserbecken, ein Unterwasserbecken, einen Wasserweg, welcher zwischen dem Oberwasserbecken und dem Unterwasserbecken verbindend angeordnet ist, eine im Wasserweg angeordnete reversible Pumpturbine, eine Synchronmaschine, einen Transformator, über welchen die Synchronmaschine mit einem Übertragungsnetz verbunden ist, einen Anfahrumrichter und einen Leistungsregler zur Steuerung des Pumpspeicherkraftwerkes, wobei das Verfahren den Schritt umfasst:V1: Festlegen des Betriebsmodus des Anfahrumrichters durch den Leistungsregler; und das Verfahren die folgenden Betriebsmodi des Anfahrumrichters umfasst:V2: Beschleunigen der Pumpturbine durch den Anfahrumrichter; Wobei das Pumpspeicherkraftwerk einen Speicher für elektrische Energie umfasst, welcher im Gleichstromzwischenkreis des Anfahrumrichters angeordnet ist, und das Verfahren den folgenden weiteren Betriebsmodus des Anfahrumrichters umfasst:V4: Bereitstellen von Regelleistung durch den Anfahrumrichter zur Netzfrequenzstabilisierung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Betriebsverfahren eines Pumpspeicherkraftwerkes mit einer Synchronmaschine und einem Anfahrumrichter.
  • Die WO 2005/073550 A1 offenbart ein Pumpspeicherkraftwerk mit einem Oberwasserbecken, einem Unterwasserbecken, einem Wasserweg, welcher die Becken verbindet, einer reversiblen Pumpturbine, welche im Wasserweg angeordnet ist, und einem Motorgenerator, welcher mit der Pumpturbine verbunden und als Synchronmaschine ausgeführt ist. Das Pumpspeicherkraftwerk umfasst ferner einen Anfahrumrichter zum Anfahren der Pumpturbine im Turbinen- und im Pumpenmodus.
  • Die WO 2014/195138 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerkes, umfassend ein Oberwasserbecken, ein Unterwasserbecken, einen Wasserweg, welcher zwischen dem Oberwasserbecken und dem Unterwasserbecken verbindend angeordnet ist, eine im Wasserweg angeordnete reversible Pumpturbine, ein mit der Pumpturbine verbundener Motorgenerator, eine elektrische Verbindung des Motorgenerators mit einem Übertragungsnetz, einen Umrichter, welcher einen netzseitigen Umrichter und einen maschinenseitigen Umrichter umfasst, und einen Leistungsregler zur Steuerung des Pumpspeicherkraftwerkes, wobei das Pumpspeicherkraftwerk einen Speicher für elektrische Energie umfasst, welcher im Gleichstromzwischenkreis des Umrichters angeordnet ist.
  • Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Pumpspeicherkraftwerkes anzugeben, wodurch die Rentabilität eines solchen Pumpspeicherkraftwerkes erhöht werden kann.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass der Anfahrumrichter eines solchen Pumpspeicherkraftwerkes die meiste Zeit nicht in Betrieb ist. Dadurch dass im Gleichspannungszwischenkreis des Anfahrumrichters eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie angeordnet wird, kann der netzseitige Umrichter des Anfahrumrichters zur aktiven Netzregelung verwendet werden, wenn er nicht zum Anfahren der Pumpturbine benötigt wird.
  • Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
    • 1 Pumpspeicherkraftwerk, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann;
    • 2 Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks gemäß 1 in einer ersten Ausführungsform;
    • 3 Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks gemäß 1 in einer zweiten Ausführungsform.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung ein für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren geeignetes Pumpspeicherkraftwerk, welches mit 1 bezeichnet ist. Das Pumpspeicherkraftwerk 1 umfasst ein Oberwasserbecken 3 und ein Unterwasserbecken 4, einen Wasserweg 5, welcher das Oberwasserbecken 3 mit dem Unterwasserbecken 4 verbindet, eine im Wasserweg 5 angeordnete reversible Pumpturbine 6, eine Synchronmaschine 7, welche mit der Pumpturbine 6 verbunden ist. Ferner umfasst das Pumpspeicherkraftwerk 1 einen Anfahrumrichter 8 zum Anfahren der Pumpturbine 6. Der Übersichtlichkeit halber sind benötigte Schalter zum Zuschalten des Anfahrumrichters 8 in der Figur nicht dargestellt. Dem Fachmann ist die Anbindung eines Anfahrumrichters 8 jedoch hinlänglich bekannt. Ferner umfasst das Pumpspeicherkraftwerk 1 einen Transformator 9, welcher mit der Synchronmaschine 7 verbunden ist und über welchem das Pumpspeicherkraftwerk 1 mit dem Übertragungsnetz verbunden ist, welches mit 2 bezeichnet ist.
  • Das Pumpspeicherkraftwerk 1 verfügt ferner über einen Leistungsregler, welcher mit 10 bezeichnet ist. Der Leistungsregler 10 nimmt Anforderungen durch das Übertragungsnetz 2 entgegen, was durch den Pfeil vom Übertragungsnetz 2 zum Leistungsregler 10 angedeutet ist. Im Prinzip können die Anforderungen auch von anderer Stelle kommen, z.B. von der nationalen Netzagentur, oder die Anforderungen können auch vom Leistungsregler 10 selbst auf der Basis von aus dem Internet abgerufenen Informationen (z.B. den aktuellen Preisen an der Strombörse) beruhen. Anhand dieser Anforderungen steuert der Leistungsregler 10 die steuerbaren Bestandteile des Pumpspeicherkraftwerks 1.
  • Der Anfahrumrichter 8 umfasst einen netzseitigen Umrichter, welcher mit 8.1 bezeichnet und mit dem Transformator 9 verbunden ist, und einen maschinenseitigen Umrichter, welcher mit 8.2 bezeichnet und mit der Synchronmaschine 7 verbunden ist. Zwischen den Gleichstromseiten der Umrichter 8.1 und 8.2 erstreckt sich der Gleichstromzwischenkreis des Anfahrumrichters 8, in welchem ein Speicher für elektrische Energie angeordnet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Batterie oder um einen Superkondensator handeln. Es sind jedoch alle anderen bekannten Speicher für elektrische Energie geeignet, die in einen Gleichstromkreis eingebunden werden können.
  • Wie im Detail der Leistungsregler 10 das Pumpspeicherkraftwerk 1 steuert, hängt vom jeweilig gültigen nationalen Vergütungsschema ab. Außerdem können die national unterschiedlichen grid codes ebenfalls das Steuerverhalten des Leistungsreglers 10 beeinflussen. Weiterhin können Notsituationen, wie zum Beispiel der Ausfall von einem bedeutenden Stromerzeuger im Übertragungsnetz, zu einem abgewandelten Verhalten des Kraftwerks 1 führen. Daher adressiert das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eines solchen Kraftwerks 1 nur die unterschiedlichen Betriebsmodi des Anfahrumrichters 8.
  • 2 zeigt die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Kraftwerks 1 gemäß 1 in einer ersten Ausführungsform. Im mit V1 bezeichneten Schritt setzt der Leistungsregler 10 den Betriebsmodus des Anfahrumrichters 8 fest. In einem Betriebsmodus, welcher mit V2 bezeichnet ist, beschleunigt der Anfahrumrichter 8 die Pumpturbine 6 mit Hilfe der Synchronmaschine 7. In einem weiteren Betriebsmodus, welcher mit V4 bezeichnet ist, stellt der Anfahrumrichter 8 elektrische Leistung zur aktiven Netzfrequenzregelung zur Verfügung. Dabei wird der netzseitige Umrichter 8.1 entsprechend vom Leistungsregler 10 angesteuert. Die dabei vom Netz 2 aufgenommene Energie wird im Energiespeicher 8.3 gespeichert. Gibt der Anfahrumrichter 8 dabei Energie ins Netz 2 ab, dann wird diese dem Energiespeicher 8.3 entnommen. Im Betriebsmodus V4 kann die gesamte Leistung des Anfahrumrichters 8 zur Netzstabilisierung zur Verfügung gestellt werden.
  • 3 zeigt die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Kraftwerks 1 gemäß 1 in einer zweiten Ausführungsform. Die Schritte V1, V2 und V4 entsprechen den Schritten aus der 2. In einem weiteren zusätzlichen Betriebsmodus, welcher mit V3 bezeichnet ist, bremst der Anfahrumrichter 8 die Pumpturbine 6 mit Hilfe der Synchronmaschine 7, wobei die kinetische Energie der Drehbewegung der Pumpturbine 6 in elektrische Energie umgewandelt wird, welche ins Übertragungsnetz 2 eingespeist wird.
  • Optional kann der Anfahrumrichter 8 im Betriebsmodus V4 bei Bedarf auch als statischer Blindleistungskompensator am Netz 2 fungieren.
  • Durch den zusätzlichen Betriebsmodus V4 kann ein solches Pumpspeicherkraftwerk zusätzliche Einnahmen erzielen, wodurch sich die Rentabilität deutlich erhöht.
  • Die Erfinder haben weiter erkannt, dass auch in den Betriebsmodi V2 und V3 der Anfahrumrichter 8 oft nicht mit voller Leistung betrieben wird. Daher kann die Rentabilität dadurch noch weiter gesteigert werden, dass auch in diesen Betriebsmodi die Leistungsreserve des Anfahrumrichters 8 zur Frequenzregelung des Netzes 2 zur Verfügung gestellt wird.
  • Es ist anzumerken, dass der Betriebsmodus V4 auch dann durch den Leistungsregler 10 bereitgestellt werden kann, wenn das Kraftwerk still steht, z.B. bei Wartungsarbeiten an der Pumpturbine 6 oder der Synchronmaschine 7. Voraussetzung für den Betriebsmodus V4 ist nur die Funktionsfähigkeit des Leistungsreglers 10, des Energiespeichers 8.3 und des netzseitigen Umrichters 8.1. Auch das trägt zur höheren Rentabilität des Pumpspeicherkraftwerks bei.
  • Durch die Nachrüstung der Anfahrumrichter von bestehenden Pumpspeicherkraftwerken mit elektrischen Energiespeichern im Gleichstromzwischenkreis können diese durch das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eine vergleichbare Dynamik wie drehzahlvariable Pumpspeicherkraftwerke bezüglich Momentanreserve und Primärfrequenzregelung erhalten. Bei Kraftwerksneubauten ergeben sich durch das erfindungsgemäße Betriebsverfahren die genannten Vorteile von Anfang an.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerkes (1), umfassend ein Oberwasserbecken (3), ein Unterwasserbecken (4), einen Wasserweg (5), welcher zwischen dem Oberwasserbecken (3) und dem Unterwasserbecken (4) verbindend angeordnet ist, eine im Wasserweg (5) angeordnete reversible Pumpturbine (6), eine mit der Pumpturbine (6) verbundene Synchronmaschine (7), einen Transformator (9), der mit der Synchronmaschine (7) verbunden ist, und über welchen die Synchronmaschine (7) mit einem Übertragungsnetz (2) verbunden ist, einen mit der Synchronmaschine (7) und dem Transformator (9) verbundenen Anfahrumrichter (8), welcher einen netzseitigen Umrichter (8.1) und einen maschinenseitigen Umrichter (8.2) umfasst, und einen Leistungsregler (10) zur Steuerung des Pumpspeicherkraftwerkes (1), wobei das Verfahren den Schritt umfasst: V1: Festlegen des Betriebsmodus des Anfahrumrichters (8) durch den Leistungsregler (10); und das Verfahren die folgenden Betriebsmodi des Anfahrumrichters (8) umfasst: V2: Beschleunigen der Pumpturbine (6) durch den Anfahrumrichter (8) mittels der Synchronmaschine (7); wobei das Pumpspeicherkraftwerk (1) einen Speicher für elektrische Energie (8.3) umfasst, welcher im Gleichstromzwischenkreis des Anfahrumrichters (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden weiteren Betriebsmodus des Anfahrumrichters (8) umfasst: V4: Bereitstellen von Regelleistung durch den Anfahrumrichter (8) zur Netzfrequenzstabilisierung; wobei im Betriebsmodus V4 bei der Abgabe von elektrischer Leistung an das Übertragungsnetz (2) Energie dem Speicher (8.3) entnommen wird, und bei der Aufnahme von elektrischer Leistung aus dem Übertragungsnetz (2) Energie dem Speicher (8.3) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren den folgenden zusätzlichen Betriebsmodus des Anfahrumrichters (8) umfasst: V3: Abbremsen der der Pumpturbine (6) durch den Anfahrumrichter (8) mittels der Synchronmaschine (7).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Betriebsmodus V4 durch den Anfahrumrichter (8) dem Übertragungsnetz (2) auch Blindleistung zur Blindleistungskompensation zur Verfügung gestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in den Betriebsmodi V2 und V3 die Leistungsreserve des Anfahrumrichters (8) zur Netzfrequenzstabilisierung bereitgestellt wird, wobei bei der Abgabe von elektrischer Leistung an das Übertragungsnetz (2) Energie dem Speicher (8.3) entnommen wird, und bei der Aufnahme von elektrischer Leistung aus dem Übertragungsnetz (2) Energie dem Speicher (8.3) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Speicher für elektrische Energie (8.3) einen Superkondensator umfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Speicher für elektrische Energie (8.3) eine Batterie umfasst.
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