DE102019109992B3

DE102019109992B3 - Hydropower plant

Info

Publication number: DE102019109992B3
Application number: DE102019109992.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Schabasser
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: WO2020212034A1

Abstract

Wasserkraftanlage mit einer hydraulische Maschine, welche wenigstens ein Regelorgan zum Regulieren der hydraulischen Maschine, eine Vielzahl von Schaufeln und wenigsten ein elektrisches Antriebssystem zum Betätigen des Regelorganes umfasst, und wobei das Antriebssystem eine Gewindespindel, ein Getriebe, wenigstens zwei Elektromotoren, wenigstens zwei Steuereinheiten und einen elektrischen Energiespeicher umfasst, welcher so mit den Steuereinheiten verbunden ist, dass er dieselben speisen kann, wobei das Antriebssystem eine mechanische Bremse umfasst, welche auf einer Antriebswelle der Elektromotoren angeordnet ist, und wobei die Antriebswellen mit dem Getriebe verbunden sind, und wobei jede Steuereinheit einen Frequenzumrichter umfasst und Sicherheitsfunktionen bereitstellt, und wobei jede der Steuereinheiten so mit einem der Elektromotoren elektrisch verbunden ist, dass sie den jeweiligen Elektromotor antreiben kann, und wobei das Antriebssystem wenigstens zwei Positionserfassungseinheiten umfasst, wobei jeweils eine der Positionserfassungseinheiten an einem der Elektromotoren angeordnet und mit der zum jeweiligen Elektromotor gehörigen Steuereinheit verbunden ist.Hydroelectric power plant with a hydraulic machine, which comprises at least one control element for regulating the hydraulic machine, a plurality of blades and at least one electric drive system for actuating the control element, and wherein the drive system comprises a threaded spindle, a gearbox, at least two electric motors, at least two control units and one comprises electrical energy storage, which is connected to the control units in such a way that it can feed them, the drive system comprising a mechanical brake which is arranged on a drive shaft of the electric motors, and the drive shafts being connected to the transmission, and wherein each control unit has one Frequency converter includes and provides safety functions, and wherein each of the control units is electrically connected to one of the electric motors so that it can drive the respective electric motor, and wherein the drive system includes at least two position detection units side comprises, wherein in each case one of the position detection units is arranged on one of the electric motors and is connected to the control unit associated with the respective electric motor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einer hydraulischen Maschine und wenigstens einem elektrischen Antriebssystem, wobei das elektrische Antriebssystem zum Regulieren der hydraulischen Maschine verwendet wird. Dazu umfasst die hydraulische Maschine eine Vielzahl von Schaufeln und ein Regelorgan zum Schwenken der Schaufeln, wobei das elektrische Antriebssystem zum Betätigen des Regelorgans mit demselben verbunden ist. Je nach Bauart der hydraulischen Maschine kann es sich bei den Schaufeln um Leitschaufeln und bei dem Regelorgan um einen Regelring des Leitapparates (Francis, Propeller oder Kaplan) oder bei den Schaufeln um Laufradschaufeln und bei dem Regelorgan um einen Kreuzkopf handeln (Kaplan).The invention relates to a hydropower plant with a hydraulic machine and at least one electric drive system, the electric drive system being used to regulate the hydraulic machine. For this purpose, the hydraulic machine comprises a plurality of blades and a control element for pivoting the blades, the electrical drive system for actuating the control element being connected to the same. Depending on the design of the hydraulic machine, the blades can be guide blades and the control element can be a control ring of the guide apparatus (Francis, propeller or Kaplan) or the blades can be impeller blades and the control element can be a crosshead (Kaplan).

In der Regel werden zur Regulierung von hydraulischen Maschinen von Wasserkraftanlagen Antriebssysteme mit ölhydraulischen Servomotoren in Form von Hydraulikzylindern verwendet. Im Schadensfall ergibt sich dadurch das Risiko der Verschmutzung des Gewässers durch das Hydrauliköl. Zur Lösung dieses Problems wurden im Stand der Technik elektrisch betriebene Servomotoren zur Regulierung von Wasserkraftanlagen vorgeschlagen.As a rule, drive systems with oil-hydraulic servomotors in the form of hydraulic cylinders are used to regulate hydraulic machines in hydropower plants. In the event of damage, this results in the risk of pollution of the water by the hydraulic oil. To solve this problem, electrically operated servomotors for regulating hydropower plants have been proposed in the prior art.

Die WO 2016/145 541 A1 offenbart beispielsweise eine Wasserkraftanlage mit elektrischen Servomotoren zum Bewegen der Leitschaufeln. Die DE 464 551 A offenbart eine Wasserkraftanlage mit einem elektrischen Servomotor zum Bewegen der Laufradschaufeln.The WO 2016/145 541 A1 discloses, for example, a hydropower plant with electric servomotors for moving the guide vanes. The DE 464 551 A discloses a hydropower plant with an electric servo motor for moving the impeller blades.

Da die sicherheitsrelevanten Funktionalität, wie z.B. die Notschlussfähigkeit, der Regulierung einer hydraulischen Maschine einer Wasserkraftanlage unter allen Umständen gegeben sein muss, ergibt sich bei elektrisch betrieben Servomotoren das Problem der Gewährleistung der Funktionalität bei einem Stromausfall. In der Regel werden dazu elektrische Energiespeicher und die dazugehörige Ausstattung zur Überwachung und Ladung benötigt (vgl. die WO 2016/145 541 A1 ). Es sind jedoch noch weitere Ausfallursachen denkbarSince the safety-relevant functionality, such as the emergency shutdown capability, of regulating a hydraulic machine in a hydropower plant must be given under all circumstances, the problem of ensuring functionality in the event of a power failure arises in the case of electrically operated servomotors. As a rule, electrical energy storage and the associated equipment for monitoring and charging are required (cf. WO 2016/145 541 A1 ). However, other causes of failure are also conceivable

Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, eine Wasserkraftanlage mit einer hydraulischen Maschine und einem elektrischen Antriebssystem zur Regulierung anzugeben, das ohne Hydrauliköl betrieben wird und eine höhere Betriebssicherheit aufweist, als die bekannten Wasserkraftanlagen mit einem elektrischen Antriebssystem.The inventors have set themselves the task of specifying a hydropower plant with a hydraulic machine and an electric drive system for regulation, which is operated without hydraulic oil and has a higher level of operational safety than the known hydropower plants with an electric drive system.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Wasserkraftanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den davon abhängigen Unteransprüchen.The task is solved by a hydropower plant with the features of the independent claim. Advantageous embodiments result from the dependent claims dependent thereon.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:

1 Gattungsgemäße Wasserkraftanlage;
2 Elektrisches Antriebssystem zum Regulieren der hydraulischen Maschine einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in einer ersten Ausführungsform;
3 Elektrisches Antriebssystem zum Regulieren der hydraulischen Maschine einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in einer weiteren Ausführungsform.

The solution according to the invention is explained below with reference to figures. The following is shown in detail:

1 Generic hydropower plant;
2nd Electric drive system for regulating the hydraulic machine of a hydropower plant according to the invention in a first embodiment;
3rd Electric drive system for regulating the hydraulic machine of a hydropower plant according to the invention in a further embodiment.

1 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine gattungsgemäße Wasserkraftanlage gemäß dem Stand der Technik. Dabei ist die Wasserkraftanlage mit 1 bezeichnet. Die Wasserkraftanlage 1 umfasst eine hydraulische Maschine, welche mit 2 bezeichnet ist. Die hydraulische Maschine 2 umfasst wenigstens ein Regelorgan zum Regulieren der hydraulischen Maschine 2. Dabei ist das schematisch dargestellte Regelorgan mit 3 bezeichnet. Die hydraulische Maschine 2 umfasst eine Vielzahl von Schaufeln, von denen eine mit 4 bezeichnet ist, und welche mit dem Regelorgan 3 verbunden sind. Die hydraulische Maschine 2 umfasst ferner wenigsten ein elektrisches Antriebssystem zum Betätigen des Regelorganes 3, welches mit 5 bezeichnet und mit dem Regelorgan 3 verbunden ist. Durch die Betätigung des Regelorganes 3 reguliert das elektrische Antriebssystem 5 die hydraulische Maschine 2, indem durch die Betätigung des Regelorgans 3 die Schaufeln 4 geschwenkt werden. 1 shows a very schematic representation of a generic hydropower plant according to the prior art. The hydropower plant is included 1 designated. The hydropower plant 1 includes a hydraulic machine, which with 2nd is designated. The hydraulic machine 2nd comprises at least one control element for regulating the hydraulic machine 2nd . The schematically represented control element is designated 3. The hydraulic machine 2nd comprises a plurality of blades, one of which is designated 4, and which with the control element 3rd are connected. The hydraulic machine 2nd further includes at least an electric drive system for actuating the control element 3rd , which with 5 designated and with the regulatory body 3rd connected is. By operating the control element 3rd regulates the electric drive system 5 the hydraulic machine 2nd by operating the control element 3rd the shovels 4th be pivoted.

Als Regelorgan kommen bei den bekannten Bauarten von hydraulischen Maschinen beispielsweise der Regelring eines Leitapparates (Francis, Propeller oder Kaplan) oder ein Kreuzkopf (Kaplan) in Frage. Dabei werden mit einen Regelring die Leitschaufeln und mit einen Kreuzkopf die Laufradschaufeln geschwenkt.In the known types of hydraulic machines, for example, the control ring of a guide device (Francis, propeller or Kaplan) or a crosshead (Kaplan) can be used as a control element. The guide blades are swiveled with a control ring and the impeller blades with a crosshead.

2 zeigt ein elektrisches Antriebssystem zum Regulieren der hydraulischen Maschine einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in einer ersten Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem ist mit 5 bezeichnet. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst wenigstens eine Gewindespindel, welche mit 6 bezeichnet ist. Zum Betätigen des Regelorgans ist die Gewindespindel 6 mit dem Regelorgan verbunden. 2 zeigt weder das Regelorgan noch die Verbindung der Gewindespindel 6 mit demselben. In 2 sind jedoch durch die beiden kleinen Kreise die Angriffspunkte der Gewindespindel 6 angedeutet. Mit einem der Angriffspunkte wird die Gewindespindel 6 abgestützt, z.B. am einem Gehäuse oder Fundament, und mit dem anderen Angriffspunkt greift die Gewindespindel 6 am Regelorgan an. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst ferner wenigstens ein Getriebe, welches mit der Gewindespindel 6 verbunden und mit 7 bezeichnet ist. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst ferner wenigstens zwei elektrische Motoren mit je einer Antriebswelle, welche mit 10 und 11 bezeichnet sind. Dabei sind die Antriebswellen der Elektromotoren 10 und 11 so mit dem Getriebe 7 verbunden, dass beide Motoren die Gewindespindel 6 über das Getriebe 7 antreiben können. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst wenigstens eine mechanische Bremse, welche auf einer der Antriebswellen angeordnet und mit 8 bezeichnet ist. Die mechanische Bremse 8 ist vorzugsweise als Fliehkraftbremse ausgebildet. Die mechanische Bremse 8 fungiert als mechanische Drehzahlbegrenzung. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst ferner wenigstens zwei Steuereinheiten, welche mit 12 und 13 bezeichnet sind. Jede der Steuereinheiten umfasst einen Frequenzumrichter, welche mit 120 und 130 bezeichnet sind. Dabei stellen die Steuereinheiten 12 und 13 Sicherheitsfunktionen zur Verfügung (wenigstens SLS „safe limited speed“ und SLP „safe limited Position“). Jede der Steuereinheiten 12 und 13 ist dabei jeweils so mit einem der Elektromotoren 10 und 11 elektrisch verbunden, dass die Steuereinheit den jeweiligen Elektromotor antreiben kann. Die Steuereinheiten werden im Normalbetrieb aus einem Stromnetz gespeist. Das elektrische Antriebssystem umfasst einen elektrischen Energiespeicher, welcher mit 9 bezeichnet ist. Der Energiespeicher 9 ist so ausgeführt und mit den Steuereinheiten 12 und 13 verbunden, dass er dieselben im Falle eines Stromausfalls speisen kann. Der Energiespeicher 9 ist dabei so ausgelegt, dass im Falle eines Stromausfalls wenigstens eine Schließfunktion des Regelorgans ausgeführt werden kann. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst ferner wenigstens zwei Positionserfassungseinheiten, welche mit 20 und 21 bezeichnet sind. Dabei ist jeweils eine Positionserfassungseinheit 20 bzw. 21 an je einem der Elektromotoren 10 bzw. 11 angeordnet. Optional kann auch die Gewindespindel 6 eine weitere Positionserfassungseinheit umfassen. Zur Erfassung und Überwachung der Positionsmesswerte sind die an den Elektromotoren 10 und 11 angeordneten Positionserfassungseinheiten 20 und 21 jeweils mit der zum jeweiligen Motor gehörigen Steuereinheit 12 bzw. 13, und die optionale an der Gewindespindel 6 angeordnete Positionserfassungseinheit 22 mit beiden Steuereinheiten 12 und 13 verbunden. 2nd shows an electric drive system for regulating the hydraulic machine of a hydropower plant according to the invention in a first embodiment. The electric drive system is included 5 designated. The electric drive system 5 comprises at least one threaded spindle, which with 6 is designated. The threaded spindle is used to actuate the control element 6 connected to the regulatory body. 2nd shows neither the control element nor the connection of the threaded spindle 6 with the same. In 2nd are the points of attack of the threaded spindle due to the two small circles 6 indicated. The threaded spindle becomes one of the points of attack 6 supported, for example on a housing or foundation, and with the other point of engagement the threaded spindle engages 6 to the regulatory body. The electric drive system 5 further comprises at least one gear, which with the threaded spindle 6 connected and with 7 is designated. The electric drive system 5 further comprises at least two electric motors, each with a drive shaft, which with 10th and 11 are designated. The drive shafts of the electric motors 10th and 11 so with the gearbox 7 connected that both motors the threaded spindle 6 about the transmission 7 can drive. The electric drive system 5 comprises at least one mechanical brake which is arranged on one of the drive shafts and is designated by 8. The mechanical brake 8th is preferably designed as a centrifugal brake. The mechanical brake 8th acts as a mechanical speed limitation. The electric drive system 5 further comprises at least two control units, which with 12 and 13 are designated. Each of the control units comprises a frequency converter, which are designated 120 and 130. The control units 12 and 13 Safety functions available (at least SLS "safe limited speed" and SLP "safe limited position"). Each of the control units 12 and 13 is like this with one of the electric motors 10th and 11 electrically connected so that the control unit can drive the respective electric motor. The control units are fed from a power supply during normal operation. The electrical drive system comprises an electrical energy store, which is connected to 9 is designated. The energy storage 9 is designed and with the control units 12 and 13 connected that he can feed them in the event of a power failure. The energy storage 9 is designed so that in the event of a power failure, at least one closing function of the control element can be carried out. The electric drive system 5 further comprises at least two position detection units, which with 20th and 21st are designated. There is a position detection unit in each case 20th respectively. 21st on one of the electric motors 10th respectively. 11 arranged. The threaded spindle can also be used as an option 6 comprise a further position detection unit. These are on the electric motors for recording and monitoring the position measurements 10th and 11 arranged position detection units 20th and 21st each with the control unit belonging to the respective engine 12 respectively. 13 , and the optional one on the threaded spindle 6 arranged position detection unit 22 with both control units 12 and 13 connected.

Auf diese Weise bilden jeweils eine Steuereinheit und ein Elektromotor ein Antriebsmodul. Durch die redundante Ausführung der Module ergibt sich eine hohe Robustheit gegen einen Ausfall in einem der Module. Die Betriebssicherheit wird weiter durch die zwei- bzw. dreifache Redundanz der Positionserfassung und die dreifache Redundanz in der Sicherung gegen Überdrehzahl (mechanisch durch die Bremse und elektronisch in den Steuereinheiten) erhöht.In this way, a control unit and an electric motor each form a drive module. The redundant design of the modules results in a high level of robustness against failure in one of the modules. The operational safety is further increased by the double or triple redundancy of the position detection and the triple redundancy in the protection against overspeed (mechanically by the brake and electronically in the control units).

3 zeigt ein elektrisches Antriebssystem zum Regulieren der hydraulischen Maschine einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in einer weiteren Ausführungsform. Die Bezeichnungen entsprechen denen von 2. Zusätzlich umfasst das elektrische Antriebssystem 5 eine weitere Gewindespindel, welche mit 16 bezeichnet ist und optional eine zusätzliche Positionserfassungseinheit umfasst, welche mit 23 bezeichnet ist. Ferner umfasst das elektrische Antriebssystem 5 ein weiteres Getriebe, welches mit 17 bezeichnet ist, und eine weitere mechanische Bremse, welche mit 18 bezeichnet ist. Die mechanische Bremse 18 ist vorzugsweise als Fliehkraftbremse ausgebildet. Dabei sind je ein Elektromotor 10 bzw. 11 mit je einem Getriebe 7 bzw. 17, und je eine Gewindespindel 6 bzw. 16 mit je einem Getriebe 7 bzw. 17 verbunden. Je eine mechanische Bremse 8 bzw. 18 ist dabei an der Antriebswelle von je einem Elektromotor 10 bzw. 11 angeordnet. 3rd shows an electric drive system for regulating the hydraulic machine of a hydropower plant according to the invention in a further embodiment. The names correspond to those of 2nd . In addition, the electric drive system includes 5 another threaded spindle, which with 16 is designated and optionally includes an additional position detection unit, which with 23 is designated. The electrical drive system also includes 5 another gear, which with 17th is designated, and another mechanical brake, which with 18th is designated. The mechanical brake 18th is preferably designed as a centrifugal brake. There are one electric motor each 10th respectively. 11 with one gear each 7 respectively. 17th , and one threaded spindle each 6 respectively. 16 with one gear each 7 respectively. 17th connected. One mechanical brake each 8th respectively. 18th is on the drive shaft of one electric motor each 10th respectively. 11 arranged.

In der Ausführungsform gemäß 3 bilden jeweils eine Steuereinheit, ein Elektromotor, eine mechanische Bremse, ein Getriebe und eine Gewindespindel ein Antriebsmodul. Die zusätzliche optionale Positionserfassungseinheit 23 ist dabei mit der zum selben Modul gehörigen Steuereinheit 13 verbunden. Durch die erhöhte Anzahl von redundanten Bauteilen erhöht sich die Betriebssicherheit weiter gegenüber der Ausführungsform gemäß 2.In the embodiment according to 3rd each form a control unit, an electric motor, a mechanical brake, a gearbox and a threaded spindle form a drive module. The additional optional position detection unit 23 is with the control unit belonging to the same module 13 connected. The increased number of redundant components further increases operational reliability compared to the embodiment according to 2nd .

Während dem Betrieb der hydraulischen Maschine kann es zu hohen hydraulischen Momenten kommen, welche das Regelorgan auf das elektrische Antriebssystem überträgt. Im Normalbetrieb bringen dabei die Frequenzumrichter den notwendigen Bremswiderstand auf, indem sie elektrische Energie ins Stromnetz oder in den elektrischen Energiespeicher einspeisen. Optional kann jeder Frequenzumrichter einen im Gleichstromzwischenkreis angeordneten Bremswiderstand umfassen, der ein Bremsen ermöglicht, auch wenn keine Rückspeisung ins Stromnetz oder in den Energiespeicher möglich sein sollte. In 2 ist ein solcher Bremswiderstand schematisch angedeutet und mit 19 bezeichnet.During the operation of the hydraulic machine, high hydraulic moments can occur, which the control element transfers to the electric drive system. In normal operation, the frequency inverters apply the necessary braking resistance by feeding electrical energy into the power grid or into the electrical energy store. Optionally, each frequency converter can include a braking resistor arranged in the direct current intermediate circuit, which enables braking, even if it should not be possible to feed back into the power grid or into the energy store. In 2nd such a braking resistor is indicated schematically and with 19th designated.

Claims

Hydroelectric power plant (1) with a hydraulic machine (2), which has at least one control element (3) for regulating the hydraulic machine (2), a plurality of blades (4) and at least one electric drive system (5) for actuating the control element (3) The drive system (5) is connected to the control element (3), and the drive system (5) is a threaded spindle (6) which is connected to the control element (3), a gear (7) which is connected to the threaded spindle (6) is connected, at least two electric motors (10, 11) each with a drive shaft, at least two control units (12, 13) and an electric one Energy store (9), which is connected to the control units (12, 13) in such a way that it can feed them, characterized in that the drive system (5) comprises a mechanical brake (8) for speed limitation, which is on a drive shaft of the electric motors (10, 11), and wherein the drive shafts are connected to the gear (7) so that they can drive the threaded spindle (6) via the gear (7), and wherein each control unit (12, 13) has a frequency converter ( 120, 130) and provides safety functions (SLS and SLP), and wherein each of the control units (12, 13) is electrically connected to one of the electric motors (10, 11) in such a way that it can drive the respective electric motor (10, 11) , and wherein the drive system (5) comprises at least two position detection units (20, 21), one of the position detection units (20, 21) being arranged on one of the electric motors (10, 20) and with the respective electric motor r (10, 11) associated control unit (12, 13) is connected.

Hydropower plant (1) after Claim 1 The drive system (5) comprises a further position detection unit (22) which is arranged on the threaded spindle (6) and is connected to the control units (12, 13).

Hydropower plant (1) after Claim 1 , The drive system (5) comprises a further threaded spindle (16), a further gear (17) and a further mechanical brake (18), and in each case one of the brakes (8, 18) on one of the drive shafts of the electric motors (10, 11) and one of the gears (7, 17) is connected to one of the threaded spindles (6, 16), and one of the drive shafts of the electric motors (10, 11) is connected to one of the gears (7, 17) 17) is connected so that the electric motor (10, 11) in question can drive the associated threaded spindle (6, 16) by means of the associated gear (7, 17).

Hydropower plant (1) after Claim 3 , The drive system (5) comprises two further position detection units (22, 23), each of which is arranged on one of the threaded spindles (6, 16), and wherein each of the further position detection units (22, 23) is connected to the corresponding threaded spindle ( 6, 16) associated control unit (12, 13) is connected.

Hydroelectric power plant (1) according to one of the preceding claims, wherein each frequency converter (120, 13) comprises a braking resistor 19) arranged in the direct current intermediate circuit.

Hydropower plant (1) according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the blades (4) of the hydraulic machine (2) are guide blades, and the control member (3) is a control ring.

Hydropower plant (1) according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the hydraulic machine (2) is of the Kaplan type, and the blades (4) of the hydraulic machine (2) are impeller blades, and the control element (3) is a crosshead.