DE102022212031A1 - Verfahren zur wirkungsgradbestimmung und zur kalibrierung einer drehmomentmessung eines wasserkraftwerks - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung einer Motor-Generator-Einheit (2) eines Wasserkraftwerks. Ferner betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur Kalibrierung einer Drehmomentmessung eines Antriebsstrangs eines Wasserkraftwerks. Das Wasserkraftwerk umfasst einen Antriebsstrang mit einer Hauptwelle (4) und die Hauptwelle (4) hat ein erstes Ende mit einer Motor-Generator-Einheit (2) und ein zweites Ende mit einer Pumpe-Turbine-Einheit (3). In einem ersten Versuch A wird die Motor-Generator-Einheit (2) als Motor und die Pumpe-Turbine-Einheit (3) als Pumpe betrieben und in einem zweiten Versuch B wird die Motor-Generator-Einheit (2) als Generator und die Pumpe-Turbine-Einheit (3) als Turbine betrieben. Während des ersten und zweiten Versuches werden jeweils eine elektrische Leistung der Motor-Generator-Einheit (2) P_elec am ersten Ende, eine Drehzahl n der Hauptwelle (4) und eine vom Hauptwellen-Drehmoment abhängige Größe bestimmt, wobei aus der bestimmten Leistung P_elec, der Drehzahl n der Hauptwelle (4) und der vom Hauptwellen-Drehmoment abhängigen Größe des ersten Versuches A und des zweiten Versuches B der Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit (2) ermittelt wird.

Description

• Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung einer Motor-Generator-Einheit eines Wasserkraftwerks. Ferner betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur Kalibrierung einer Drehmomentmessung eines Antriebsstrangs eines Wasserkraftwerks.
• Große Wasserkraftwerke haben typischerweise Nennleistung von mehreren Hundert Megawatt und duzend bis mehrere Hundert RPM als Nenndrehzahlen sodass sich ein sehr hohes Nenndrehmomentniveau ergibt. Beispielsweise hat die Turbine in einem großen Wasserkraftwerk ein Nenndrehmoment von circa 90 MNm. Eine Kalibrierung des Drehmoments ist wegen des hohen Drehmoment-Niveaus und des dazu notwendigen Umbaus schwierig. Entsprechend weisen derartige Wasserkraftwerke einen großen Generator auf. Der Rotor und Stator des Generators werden daher oft separat gebaut und vor Ort installiert. Ebenso wird die Wasserturbine des Wasserkraftwerks oft erst vor Ort zusammengesetzt und installiert. Ein Test der Bauteile auf einem Prüfstand ist daher meist nicht möglich.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung sich dieser Problematik zu widmen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung der Motor-Generator-Einheit eines Wasserkraftwerks gemäß Anspruch 1 und/oder durch ein Verfahren zur Drehmomentkalibrierung für ein Wasserkraftwerk gemäß einem nebengeordneten Anspruch.
• Das vorgeschlagene Verfahren dient zur Wirkungsgradbestimmung einer Motor-Generator-Einheit eines Wasserkraftwerks. Das Wasserkraftwerk umfasst einen Antriebsstrang mit einer Hauptwelle. Die Hauptwelle weist ein erstes Ende mit einer Motor-Generator-Einheit und ein zweites Ende mit einer Pumpe-Turbine-Einheit auf.
• In einem ersten Versuch A wird die Motor-Generator-Einheit als Motor und die Pumpe-Turbine-Einheit als Pumpe betrieben.
• In einem zweiten Versuch B wird die Motor-Generator-Einheit als Generator und die Pumpe-Turbine-Einheit als Turbine betrieben.
• Während des ersten Versuches A und des zweiten Versuches B werden jeweils eine elektrische Leistung der Motor-Generator-Einheit P_elec am ersten Ende, eine Drehzahl n der Hauptwelle und eine vom Hauptwellen-Drehmoment abhängige Größe bestimmt. Aus der bestimmten Leistung P_elec, der Drehzahl n der Hauptwelle und der vom Hauptwellen-Drehmoment abhängigen Größe des ersten Versuches A und des zweiten Versuches B wird der Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit ermittelt.
• Die Versuche A und B können jeweils derart durchgeführt werden, dass der Antriebsstrang auf der gleichen oder zumindest im Wesentlichen gleichen Leistungsstufe angetrieben wird.
• Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner ein Verfahren zur Kalibrierung einer Drehmomentmessung eines Antriebsstrangs eines Wasserkraftwerks. Das Wasserkraftwerk umfasst einen Antriebsstrang mit einer Hauptwelle. Die Hauptwelle weist ein erstes Ende mit einer Motor-Generator-Einheit und ein zweites Ende mit einer Pumpe-Turbine-Einheit auf.
• In einem ersten Versuch A wird die Motor-Generator-Einheit als Motor und die Pumpe-Turbine-Einheit als Pumpe betrieben.
• In einem zweiten Versuch B wird die Motor-Generator-Einheit als Generator und die Pumpe-Turbine-Einheit als Turbine betrieben. Zum Ermitteln eines Wirkungsgrads können die Versuche A und B insbesondere derart durchgeführt werden, dass der Antriebstrang auf der gleichen oder zumindest im Wesentlichen dergleichen Leistungsstufe angetrieben wird.
• Während des ersten Versuches A und zweiten Versuches B werden jeweils eine elektrische Leistung der Motor-Generator-Einheit Pelec am ersten Ende, eine Drehzahl n der Hauptwelle und eine vom Hauptwellen-Drehmoment abhängige Größe bestimmt. Aus der bestimmten Leistung Pelec, der Drehzahl der Hauptwelle und der vom Hauptwellen-Drehmoment abhängigen Größe des ersten Versuches A und des zweiten Versuches B werden Kalibrierparameter a und b ermittelt. Der erste Versuch A und der zweite Versuch B werden für zumindest zwei Drehmomentenstufen durchgeführt.
• Die vom Hauptwellen-Drehmoment abhängige Größe kann beispielsweise mittels eines Sensors, vorzugsweise mit einem Dehnungsmessstreifen, gemessen werden. Der Sensor kann beispielsweise an der Hauptwelle, insbesondere zwischen der Motor-Generator-Einheit und der Pumpe-Turbine-Einheit angeordnet sein. Ist die vom Drehmoment abhängige Größe beispielsweise durch einen Dehnungsmessstreifen ermittelt, kann die vom Drehmoment abhängige Größe eine Dehnung ε sein. Das Drehmoment T kann sich ergeben zu $$\text{T}=\text{a}\cdot \mathrm{\epsilon }+\text{b}$$

  

  wobei T das Drehmoment ist, a und b zu kalibrierende Parameter sind und ε die Dehnung ist.
• Mit demselben Sensor, der auch für die Messung der vom Hauptwellen-Drehmoment abhängigen Größe genutzt wird, kann eine Drehzahl der Hauptwelle bestimmt werden. Alternativ kann ein weiterer Sensor verwendet werden, um die Drehzahl n zu messen. Die Drehzahl n der Hauptwelle kann mit einem Drehzahlmesser gemessen werden. Beispielsweise kann eine Winkelposition der Hauptwelle Θ und/oder eine Drehgeschwindigkeit, insbesondere mit einem Inkrementalgeber, gemessen werden. Der Inkrementalgeber kann insbesondere an der Hauptwelle, insbesondere zwischen der Motor-Generator-Einheit und der Pumpe-Turbine-Einheit angeordnet sein.
• Die elektrische Leistung kann anhand von Messungen des Stroms und der Spannung ermittelt werden. Zur Bestimmung der elektrischen Leistung kann eine Spannung und ein Strom am generatorseitigen Ende zwischen der Motor-Generator-Einheit und einem mit dieser verbundenen Umrichter oder an der von der Motor-Generator-Einheit abgewandten Seite des Umrichters gemessen werden. So kann ein Verlust des Umrichters in die Effizienzbestimmung mit einbezogen oder vernachlässigt werden. Im ersten Versuch kann die gemessene elektrische Leistung P_elec eine Abtriebleistung und während des zweiten Versuchs eine Antriebleistung sein.
• In einer Ausführung wird der Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit und/oder der Pumpe-Turbine-Einheit unter Berücksichtigung mindestens einer aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmten Annahme ermittelt. Diese Annahme kann als Faktor k berücksichtigt werden.
• Unter einer Annahme, beispielsweise dass der Verlust der Motor-Generator-Einheit im ersten Versuch gleich dem Verlust der Motor-Generator-Einheit im zweiten Versuch ist, kann der Wirkungsgrad berechnet werden. k kann also beispielsweise als 1 angenommen werden.
• In einer Ausführungsform können die Kalibrierparameter a und b unter Berücksichtigung mindestens einer aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmten Annahme ermittelt werden, wobei die aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmte Annahme als Faktor k berücksichtigt wird.
• In einer Ausführung kann für den ersten Versuch und für den zweiten Versuch jeweils eine Versuchs-Verlustleistung ermittelt werden. Diese beiden ermittelten Versuchs-Verlustleistungen können zu einer Gesamtverlustleistung addiert werden. Der Wirkungsgrad kann unter Verwendung der Gesamtverlustleistung berechnet werden.
• Die Gesamtversuchsverlustleistung der Motor-Generator-Einheit kann sich berechnen aus $${\text{P}}_{\text{Verlust},\text{all}}=-{\text{P}}_{\text{Welle},\text{A}}+{\text{P}}_{\text{elec},\text{A}}+{\text{P}}_{\text{Welle},\text{B}}-{\text{P}}_{\text{elec},\text{B}}$$

  

  wobei der Index A für die ermittelte Leistung des ersten Versuches und der Index B für die ermittelte Leistung des zweiten Versuches stehen. P_{welle. A} kann dabei die mechanische Leistung an der Hauptwelle zwischen der Generator-Motor-Einheit und der Pumpe-Turbine-Einheit im ersten Versuch sein. P_{welle. B} kann dabei die mechanische Leistung an der Hauptwelle zwischen der Generator-Motor-Einheit und der Pumpe-Turbine-Einheit im zweiten Versuch sein.
• Der Verlust in Versuch A kann als $${\text{P}}_{\text{Verlust},\text{A}}={\text{P}}_{\text{elec},\text{A}}-{\text{P}}_{\text{Welle},\text{A}},$$

  

  der Verlust in Versuch B kann als $${\text{P}}_{\text{Verlust},\text{B}}={\text{P}}_{\text{Welle},\text{B}}-{\text{P}}_{\text{elec},\text{B}}$$

  

  definiert sein, da im Versuch A die Motor-Generator-Einheit also Motor arbeitet und im Versuch B als Generator. Die Eingangsleistung im Versuch A kann also eine elektrische Leistung sein. Die Eingangsleistung im Versuch B kann eine mechanische Leistung (P_Welle) sein.
• Der Gesamtverlust kann also umgeschrieben werden zu $${\text{P}}_{\text{Verlust},\text{all}}={\text{P}}_{\text{Welle},\text{B}}-{\text{P}}_{\text{Welle},\text{A}}+{\text{P}}_{\text{elec},\text{A}}-{\text{P}}_{\text{elec},\text{B}}$$

  
• Daraus kann gesehen werden, dass die jeweiligen Delta-Werte von der mechanischen Leistung (P_Welle) und der elektrischen Leistung (P_elec) genutzt werden. Dies kann den Vorteil haben, dass sich Messunsicherheiten herauskürzen können. Dadurch können Messunsicherheiten in den Leistungen durch die Delta-Berechnung reduziert sein.
• Die aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmte Annahme kann als Faktor k berücksichtigt werden.
  k kann definiert sein als $$\text{k}={\text{P}}_{\text{Verlust},\text{A}}/{\text{P}}_{\text{Verlust},\text{B}}$$

  

  wobei P_{Verlust, A} der Leistungsverlust im ersten Versuch und P_{Verlust, B} der Leistungsverlust im zweiten Verlust ist.
• k kann aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmt sein. Beispielsweise kann k zumindest 0,5 und/oder zumindest 0,6 und/oder zumindest 0.8 sein. K kann beispielsweise 1 und/oder maximal 0,95 und/oder maximal 0,85 sein.
• Der Leistungsverlust des ersten Versuches P_{Verlust, A} kann $${\text{P}}_{\text{Verlust},\text{A}}={\text{k P}}_{\text{Verlust},\text{all}}/\left(1+\text{k}\right)$$

  

  und der Leistungsverlust des zweiten Versuches P_{Verlust, B} kann $${\text{P}}_{\text{Verlust},\text{B}}={\text{P}}_{\text{Verlust},\text{all}}/\left(1+\text{k}\right)$$

  

  sein. P_{Verlust, all} kann die gesamte Versuchsverlustleistung im ersten und zweiten Versuch sein.
• In einer Ausführung kann der Wirkungsgrad η_A des ersten Versuches A ermittelt werden anhand $${\mathrm{\eta }}_{\text{A}}=\left({\text{P}}_{\text{elec},\text{A}}-{\text{P}}_{\text{Verlust},\text{A}}\right)/{\text{P}}_{\text{elec},\text{A}}$$

  

  und/oder der Wirkungsgrad η_B des zweiten Versuches B kann ermittelt werden anhand $${\mathrm{\eta }}_{\text{B}}={\text{P}}_{\text{elec},\text{B}}/\left({\text{P}}_{\text{elec},\text{B}}+{\text{P}}_{\text{Verlust},\text{B}}\right)$$

  
• P_{Verlust, A} und P_VerlustB können durch k und P_{Verlust, all} berechnet werden. Der gesamte Verlust kann durch P_{Verlust, all}= P_{elec, A} - P_{elec, B} + P_{Welle, B} - P_{Welle, A} bestimmt werden. Der wesentliche Vorteil kann dabei sein, dass, wie oben beschrieben, die Messunsicherheiten durch die Subtraktion reduziert werden können.
• In einer Ausführung kann eine Annahme zur Bestimmung des Wirkungsgrades bzw. zur Kalibrierung einer Drehmomentmessung sein, dass die Verluste des ersten Versuchs A gleich den Verlusten des zweiten Versuchs B sind, k also gleich 1 ist.
• Anhand der ermittelten Werte für P_{Verlust, all} kann dann der Wirkungsgrad bestimmt werden.
• Die vom Hauptwellen-Drehmoment abhängige Größe kann mittels eines Sensors, vorzugsweise mittels eines Dehnungsmessstreifens oder Inkrementalgebers, gemessen werden.
• Der Sensor kann zwischen dem ersten und dem zweiten Ende auf der Hauptwelle angeordnet sein.
• Beispielsweise kann eine Dehnung ε mit einem Dehnungsmessstreife gemessen werden.
• Ein Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit kann beispielsweise auf zwei Wegen bestimmt werden.
• Weg 1: Wenn bereits eine Drehmomentmessung durchgeführt wurde, auch wenn es sehr ungenau ist, kann direkt eine mechanische Leistung (P_Welle)anhand eines Drehmoments T und einer Drehzahl n berechnet werden.
• Weg 2: Wenn kein Drehmomentsignal vorhanden ist, aber eine Messung mit einem Rohsignal ε (beispielsweise gemessen mit einem Dehnungsmessstreifen), kann das Rohsignal zu einem Drehmomentsignal konvertiert werden. Dabei kann es eine Aufgabe der Kalibrierung sein, die Parameter in T = aε +b, also a und b zu bestimmen, wobei T das Drehmoment der Hauptwelle ist. Nach der Kalibrierung kann wie oben die mechanische Leistung berechnet werden.
• Zur Bestimmung der elektrischen Leistung kann zumindest eine Spannung und zumindest ein Strom , insbesondere mindestens drei Spannungen und mindestens drei Ströme, der Motor-Generator-Einheit gemessen werden. Anhand der Spannung- und Strommessungen kann die elektrische Leistung (P_elec) gemessen werden.
• In einer Ausführung kann zur Kalibrierung des Drehmoments der erste Versuch A und der zweite Versuch B für zumindest zwei Drehmomentstufen durchgeführt werden. Beide Drehmomentstufen können jeweils einem unterschiedlichen Last-Zustand entsprechen. Insbesondere kann eine Drehmomentstufe ein Drehmoment größer Null aufweisen. Eine weitere Drehmomentstufe kann ein weiteres Drehmoment größer Null aufweisen. Bei einer Drehmomentstufe wird vorzugsweise ein im Wesentlichen konstantes Drehmoment aufgebracht. Vorzugsweise wird der Versuch A bei einem Drehmoment deutlich kleiner oder deutlich größer dem Drehmoment bei dem der Versuch B durchgeführt wird, durchgeführt. Die Drehmomente bei einer Wiederholung der Versuche A und B können insbesondere auf einem möglichst großen Drehmoment-Bereich gestreut sein.
• In einer Ausführung des Verfahrens kann eine Leistung der Hauptwelle P_Welle bestimmt werden. P_Welle kann wie folgt berechnet werden: $$P_{welle}={\displaystyle \int Td\theta .}$$

  
• Dabei kann T das Drehmoment der Hauptwelle sein, wobei gilt: $$\text{T}=\text{a}\cdot \mathrm{\epsilon }+\text{b}$$

  
• Wobei ε die Drehmomentabhängige Größe, beispielsweise die von dem Dehnungsmessstreifen gemessene Dehnung, ist.
• Per Definition kann gelten: $$P_{verlust.A}=P_{welle.A}-P_{gen.A},$$

  

  $$P_{verlust.B}=P_{gen.B}-P_{welle.B}$$

  

  und $$k=P_{verlust.A}/P_{verlust.B}$$

  
• Nun können die Terme substituiert werden, sodass sich ergibt: $$P_{welle.A}-P_{gen.A}=k{P}_{gen.B}-k{P}_{welle.B}$$

  

  $$P_{welle.A}+k{P}_{welle.B}=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  
• Für die mechanische Leistung kann gelten P_welle = T·n, wobei T das Drehmoment und n die Drehzahl sein kann.
• Somit kann sich ergeben: $$T_A{n}_A+k{T}_B{n}_B=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  
• Unter der Annahme, dass T= a·ε + b, wobei ε die Drehmomentabhängige Größe ist, beispielsweise eine Dehnung ermittelt von einem Dehnungsmessstreifen, kann sich ergeben $$a{\epsilon }_A{n}_A+b{n}_A+ka{\epsilon }_B{n}_B+kb{n}_B=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}.$$

  
• Dies kann umgeschrieben werden zu $$\left({\epsilon }_A{n}_A+k{\epsilon }_B{n}_B\right)a+\left(n_A+k{n}_B\right)b=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}.$$

  
• In dieser Gleichung können insbesondere alle Variablen außer a und b sind bekannt sein.
• Das gleiche Verfahren kann auf mindestens zwei unterschiedlichen Drehmomentstufen wiederholt werden, sodass zwei oder mehr Gleichungen erstellt werden können. Mit mindestens zwei erstellten Gleichungen kann sich ein Gleichungssystem ergeben, mit dem die Parameter a und b bestimmt werden können.
• Mit etwas strenger Herleitung kann das Drehmoment auf der Winkel-Domain integriert werden: $$P_{welle}={\displaystyle \int Td\theta }$$

  

  Substituieren in $$P_{welle.A}+k{P}_{welle.B}=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  kann ergeben $${\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}Td\theta }+k{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}Td\theta }=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}.$$

  
• Mit T= a·ε + b, kann sich ergeben $${\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}\left(a\epsilon +b\right)d\theta }+k{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}\left(a\epsilon +b\right)d\theta }=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  $$a{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}\epsilon d\theta }+b{\theta }_A+ka{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}\epsilon d\theta }+kb{\theta }_B=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  $$\left({\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}\epsilon d\theta +k{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}\epsilon d\theta }}\right)a+\left({\theta }_A+k{\theta }_B\right)b=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  wobei außer a und b alle anderen Variablen bekannt oder berechenbar sein können.
• θ_A und θ_B können die gesamt gelaufenen Winkel in Test A und B sein.
• Die Unbekannten a und b können zur Kalibrierung ermittelt werden anhand der Formel: $$\left({\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}\epsilon d\theta }+k{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}\epsilon d\theta }\right)a+\left({\theta }_A+k{\theta }_B\right)b=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  wobei ε die Drehmomentabhängige Größe, beispielsweise die von dem Dehnungsmessstreifen gemessene Dehnung ist. ε kann über die Winkeländerung θ integriert werden. ε kann über die Winkeländerung θ integriert werden. θ_A bzw. θ_B können dabei die gesamt gelaufenen Winkel in Test A und B sein.
• k kann wie oben bereits erwähnt eine aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmte Annahme sein.
• Der erste Versuch A und der zweite Versuch können bei einer ersten Leistungsstufe durchgeführt werden. Der erste Versuch und der zweite Versuch können bei einer zweiten Leistungsstufe durchgeführt werden.
• So kann die obige Gleichung $$\left({\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}\epsilon d\theta }+k{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}\epsilon d\theta }\right)a+\left({\theta }_A+k{\theta }_B\right)b=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  für je eine Drehmomentstufe zum Ermitteln der unbekannten Kalibrierparameter a und b verwendet werden.
• Zusätzlich oder alternativ kann die obige Gleichung $$\left({\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}\epsilon d\theta }+k{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}\epsilon d\theta }\right)a+\left({\theta }_A+k{\theta }_B\right)b=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  bei einer Drehmomentstufe mit einem Drehmoment größer Null und die Gleichung beim Null-Drehmoment-Zustand $$\text{a}{\mathrm{\epsilon }}_0+\text{b}=0$$

  

  können verwendet werden, um die unbekannten Kalibrierparameter a und b zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich zum Null-Drehmoment-Zustand kann die obige Gleichung $$\left({\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}\epsilon d\theta }+k{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}\epsilon d\theta }\right)a+\left({\theta }_A+k{\theta }_B\right)b=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  bei einer oder mehreren weiteren Drehmomentstufe/n mit einem Drehmoment größer Null verwendet werden.
• Mithilfe der ermittelten Kalibrierparameter kann anhand von $$T=a\epsilon +b$$

  

  und $$P_{welle}={\displaystyle \int Td\theta }$$

  

  die Leistung der Hauptwelle P_Welle bestimmt werden.
• In einer Ausführungsform kann ein Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit η_MGE bestimmt werden zu $${\mathrm{\eta }}_{\text{MGE}}={\text{P}}_{\text{elec}}/{\text{P}}_{\text{Welle}}.$$

  
• Zusätzlich oder alternativ kann ein Wirkungsgrad der Pumpe-Turbine-Einheit η_PTE bestimmt werden zu $${\mathrm{\eta }}_{\text{PTE}}={\text{P}}_{\text{Welle}}/{\text{P}}_{\text{Wasser}}$$

  
• P_Wasser kann eine Eingangsleistung von Wasser eines Wasserkraftwerks, insbesondere eines Pumpspeicherkraftwerks, sein. Die Eingangsleistung kann vor einer Pumpe-Turbine-Einheit gemessen werden.
• Die Gleichung η_PTE= P_Wasser/P_Welle kann für den Modus gelten, indem die Pumpe-Turbine-Einheit im Turbine-Modus betrieben wird. Für den Pump-Modus kann gelten: η_PTE= P_Welle/P_Wasser
• Die oben beschriebenen Verfahren können, insbesondere gegenüber den aus der IEC60041 („Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines“) bekannten Verfahren, insbesondere vorteilhaft sein, da der Wirkungsgrad während eines Betriebs des Wasserkraftwerks, insbesondere Pumpspeicherkraftwerks, möglich ist. Insbesondere ist kein Prüfstand notwendig. Ferner kann das Verfahren den Vorteil haben, dass wenig Umbau und Instrumentation nötig sind. Das Verfahren zur Bestimmmung des Wirkungsgrads und/oder die Drehmomentkalibrierung kann eine bessere Genauigkeit der Wirkungsgradbestimmung und/oder Drehmomentkalibrierung als herkömmliche Verfahren ermöglichen.
• Nachfolgend werden anhand von Figuren beispielhaft ein Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung sowie das Verfahren zur Drehmomentkalibrierung näher erläutert. Die nachfolgende Figurenbeschreibung ist lediglich exemplarischer Natur. Die dort beschriebenen Merkmale sind nicht als zwingend zu betrachten und dienen lediglich der Veranschaulichung beispielhafter Ausführungen.
• Es zeigen
• 1 eine schematische Zeichnung eines Antriebstrangs eines Wasserkraftwerks,
• 2 die schematische Zeichnung des Antriebsstrangs der 1, wobei der Kraftfluss umgekehrt ist,
• 3 schematische Treppenkurven, die die Energie in drei verschiedenen Testszenarien zeigt, wobei jeweils ein Versuch A und ein Versuch B durchgeführt wurde,
• 4 eine schematische Darstellung des Antriebstrangs des Wasserkraftwerks nach 1 bzw. 2 zur Veranschaulichung der direkten Bestimmung des Wirkungsgrads der Motor-Generator-Einheit,
• 5 eine schematische Darstellung des Antriebstrangs des Wasserkraftwerks nach 1 bzw. 2 zur Veranschaulichung der direkten Bestimmung des Wirkungsgrads der Pumpe-Turbine-Einheit.
• 1 und 2 zeigen eine schematische Ansicht eines Pumpspeicherkraftwerks 1 mit einer Motor-Generator Einheit 2, einer Pumpe-Turbine-Einheit 3 und einer Hauptwelle 4. Die Motor-Generator Einheit 2 und die Pumpe-Turbine-Einheit 3 sind über die Hauptwelle 4 miteinander verbunden. Auf der Hauptwelle 4 ist ein Sensor 5 zum Messen einer Drehmomentabhängigen Größe und zum Messen der Drehzahl angeordnet. Vorliegend ist der Sensor 5 ein Dehnungsmessstreifen. In einer Wasserzuleitung 6 fließt Wasser 7 in Richtung des Pfeils 7'. Die elektrische Leistung P_elec kann beispielsweise an der Stelle 8 am Generator gemessen werden. In der Wasserzuleitung 7 kann beispielsweise an der Stelle 9 die Wasserleistung gemessen werden.
• In 1 ist das Pumpspeicherkraftwerk in einem Betrieb gezeigt, in dem die Motor-Generator-Einheit 2 als Motor betrieben wird und die Pumpe-Turbine-Einheit 3 als Pumpe. Die Drehrichtung der Pumpe ist anhand des Pfeils 3' gezeigt. In 1 treibt der Motor die Pumpe über die Hauptwelle 4 in Drehrichtung 3' an. Die elektrische Energie wird also umgewandelt in mechanische Energie und das Wasser wird in Richtung des Pfeils 7' gepumpt.
• In 2 ist das Pumpspeicherkraftwerk in einem Betrieb gezeigt, in dem die Motor-Generator-Einheit 2 als Generator betrieben wird und die Pumpe-Turbine-Einheit 3 als Turbine. Die Drehrichtung der Turbine ist anhand des Pfeils 3' gezeigt. In 2 wird die Turbine von dem Wasserfluss in Richtung 7' angetrieben. Dies führt zu einer Drehung der Hauptwelle 4 in Drehrichtung 3' und zu einer Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie durch die als Generator arbeitende Motor-Generator Einheit 2. Die elektrische Leistung P_elec kann am Generator gemessen werden.
• Die 1 zeigt einen Betrieb des Pumpspeicherkraftwerks während des Versuches A und 2 zeigt einen Betrieb des Pumpspeicherkraftwerks während des Versuches B.
• Der erste Versuch wird daher nachfolgend durch die Indizes A und der zweite Versuch wird durch die Indizes B gekennzeichnet.
• Der gesamte Verlust P_{verlust. all} der Motor-Generator-Einheit in dem ersten Versuch A und dem zweiten Versuch B kann bestimmt werden zu $${\text{P}}_{\text{verlust}.\text{all}}=-{\text{P}}_{\text{welle}.\text{A}}+{\text{P}}_{\text{elec}.\text{A}}+{\text{P}}_{\text{welle}.\text{B}}-{\text{P}}_{\text{elec}.\text{B}}$$

  
• Dabei ist P_elecA die gemessene elektrische Leistung im ersten Versuch und P_elecB die gemessene elektrische Leistung im zweiten Versuch.
• P_welle.A kann dabei die mechanische Leistung an der Hauptwelle im ersten Versuch sein und P_welle.B kann dabei die mechanische Leistung an der Hauptwelle im zweiten Versuch sein.
• Ein Faktor k kann definiert sein als: $$\text{k}={\text{P}}_{\text{verlust}.\text{A}}/{\text{P}}_{\text{verlust}.\text{B}}$$

  
• Dabei kann P_{verlust. A} der Verlust in dem ersten Versuch A und P_{verlust. B} der Verlust in dem zweiten Versuch B sein.
• Faktor k kann als 1.0 oder nahe 1 angenommen werden. Der genaue Wert kann durch Erfahrung, Analyse, Simulation oder Messung gewählt werden.
• Die Leistungsverluste sowie die Wirkungsgrade in Versuch A und Versuch B können mit folgenden Ableitungen bestimmt werden: $${\text{P}}_{\text{verlust}.\text{A}}={\text{k P}}_{\text{verlust}.\text{all}}/\left(1+\text{k}\right)$$

  

  $${\text{P}}_{\text{verlust}.\text{B}}={\text{P}}_{\text{verlust}.\text{all}}/\left(1+\text{k}\right)$$

  

  $${\mathrm{\eta }}_{\text{A}}=\left({\text{P}}_{\text{elec}.\text{A}}-{\text{P}}_{\text{verlust}.\text{A}}\right)/{\text{P}}_{\text{elec}.\text{A}}$$

  

  $${\mathrm{\eta }}_{\text{B}}={\text{P}}_{\text{elec}.\text{B}}/\left({\text{P}}_{\text{elec}.\text{B}}+{\text{P}}_{\text{verlust}.\text{B}}\right)$$

  
• Der Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit 2 kann sich also anhand der Formeln 5 und 6 berechnen lassen, wobei P_elecA die elektrische Leistung des ersten Versuches (wie in 1 dargestellt) ist, P_elecB die elektrische Leistung des zweiten Versuches (wie in 2 dargestellt), P_verlustA der Leistungsverlust im ersten Versuch und P_verlustB der Leistungsverlust im zweiten Versuch sind, η_A der Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit 2 im ersten Versuch und η_B der Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit 2 im zweiten Versuch sind.
• Zusätzlich oder alternativ kann eine Drehmomentkalibrierung für das Wasserkraftwerk, vorliegend das Pumpspeicherkraftwerk der 1 und 2, wie folgt durchgeführt werden. Dafür werden ein erster Versuch A wie oben beschrieben und in 1 gezeigt und ein zweiter Versuch B wie oben beschrieben und wie in 2 gezeigt, durchgeführt.
• Während des ersten Versuches A und zweiten Versuches B werden jeweils eine elektrische Leistung P_elec der Motor-Generator-Einheit 2 am ersten Ende, eine Drehzahl n der Hauptwelle und eine vom Hauptwellen-Drehmoment abhängige Größe bestimmt. Aus der bestimmten Leistung P_elec, der Drehzahl der Hauptwelle und der vom Hauptwellen-Drehmoment abhängigen Größe des ersten Versuches A und des zweiten Versuches B werden Kalibrierparameter a und b ermittelt. Der erste Versuch A und der zweite Versuch B werden für zumindest zwei Drehmomentenstufen durchgeführt.
• Per Definition gilt: $$P_{verlust.A}=P_{elec,A}-P_{welle.A}$$

  

  $$P_{verlust.B}=P_{welle.B}-P_{elec.B}$$

  
• Dabei ist P_elecA die gemessene elektrische Leistung im ersten Versuch und P_elecB die gemessene elektrische Leistung im zweiten Versuch.
• P_welle.A ist die mechanische Leistung an der Hauptwelle 4 im ersten Versuch und P_welle.B ist dabei die mechanische Leistung an der Hauptwelle 4 im zweiten Versuch.
• Dabei ist P_{veriust. A} der Verlust in dem ersten Versuch A und P_{veriust. B} der Verlust in dem zweiten Versuch B.
• Durch Substitution des entsprechenden Artikels in Formel 2, ergibt sich: $$P_{welle.A}+k{P}_{welle.B}=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  $$P_{welle}={\displaystyle \int Td\theta }$$

  
• Das Drehmoment T der Hauptwelle 4 ergibt sich zu: $$T=a\epsilon +b$$

  
• Anhand der nachfolgenden Formeln 12 und 13 können die Kalibrierparameter a und b bestimmt werden. $$a{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}\epsilon d\theta +b{\theta }_A+ka}{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}\epsilon d\theta +kb{\theta }_B=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}}$$

  

  $$\left({\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_A}\epsilon d\theta }+k{\displaystyle \int {}_0^{{\theta }_B}\epsilon d\theta }\right)a+\left({\theta }_A+k{\theta }_B\right)b=P_{gen.A}+k{P}_{gen.B}$$

  

  wobei ε die Drehmomentabhängige Größe, beispielsweise die von dem Dehnungsmessstreifen gemessene Dehnung ist. ε kann über die Winkeländerung θ integriert werden. θ_A ist der gesamt gelaufene Winkel in Versuch A. θ_B ist der gesamt gelaufene Winkel in Versuch B.
• Formel 13 ist also eine Gleichung mit a und b als unbekannte Kalibrierparameter. Die weiteren Variablen sind gemessene Werte mit Ausnahme von Faktor k. Faktor k ist wie oben beschrieben durch Erfahrung, Analyse oder Messungen bestimmt.
• Mit mindestens zwei Gleichungen gemäß Formel 13 auf unterschiedlichen Drehmomentniveaus können die Parametern a und b bestimmt werden.
• Alternativ können a und b auch bestimmt werden mit mindestens einer Gleichung gemäß Formel 13 und einer Gleichung die den Null-Drehmoment-Zustand beschreibt: $$a{\epsilon }_0+b=0$$

  
• 3 zeigt Treppenkurvendiagramme drei verschiedener Testszenarien.
• In Scenario I wird die elektrische Leistung an der Motor-Generator Einheit zwischen den beiden Tests A und B gleich gehalten.
• Im Scenario II wird die mechanische Leistung an der Welle gleich gehalten zwischen den beiden Tests A und B.
• In Scenario III wird ein allgemeines Scenario gezeigt, bei dem weder die elektrische noch die mechanische Leistung gleich gehalten werden.
• Die Methode zur Kalibrierung und/oder Wirkungsgradbestimmung verlangt nicht, dass die Leistungen gleich gehalten werden müssen. Es kann empfohlen sein, die elektrischen Leistungen im ersten und zweiten Versuch gleich zu halten.
• 4 zeigt eine schematische Darstellung des Antriebstrangs des Wasserkraftwerks 1 nach 1 bzw. 2 zur Veranschaulichung der direkten Bestimmung des Wirkungsgrads der Motor-Generator-Einheit 2. Mit dem kalibrierten Drehmoment T und der Messung der Drehzahl n (oder dem Drehwinkel) kann eine Eingangsleistung P_Welle der im Generatormodus betriebenen Motor-Generator-Einheit 2 bestimmt werden. Zusammen mit der Messung der elektrischen Ausgangsleistung P_elec ist der Wirkungsgrad der im Generatormodus betriebenen Motor-Generator-Einheit 2 bestimmbar: $${\mathrm{\eta }}_{\text{generator}}={\text{P}}_{\text{elec}}/{\text{P}}_{\text{welle}}$$

  
• 5 zeigt eine schematische Darstellung des Antriebstrangs des Wasserkraftwerks 1 nach 1 bzw. 2 zur Veranschaulichung der direkten Bestimmung des Wirkungsgrads der Pumpe-Turbine Einheit 3. Mit dem kalibrierten Drehmoment T und der Messung der Drehzahl n (oder dem Drehwinkel) kann eine Ausgangsleistung P_Welle der im Turbinenmodus betriebenen der Pumpe-Turbine Einheit 3 bestimmt werden. Zusammen mit der Messung der Eingangsleistung P_Wasser ist der Wirkungsgrad der im Generatormodus betriebenen der Pumpe-Turbine Einheit 3 bestimmbar: $${\mathrm{\eta }}_{\text{Turbine}}={\text{P}}_{\text{Welle}}/{\text{P}}_{\text{Wasser}}.$$

  

Claims (16)

1. Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung einer Motor-Generator-Einheit (2) eines Wasserkraftwerks, wobei das Wasserkraftwerk einen Antriebsstrang mit einer Hauptwelle (4) umfasst und die Hauptwelle (4) ein erstes Ende mit einer Motor-Generator-Einheit (2) und ein zweites Ende mit einer Pumpe-Turbine-Einheit (3) aufweist, wobei in einem ersten Versuch (A) die Motor-Generator-Einheit (2) als Motor und die Pumpe-Turbine-Einheit (3) als Pumpe betrieben wird; wobei in einem zweiten Versuch (B) die Motor-Generator-Einheit (2) als Generator und die Pumpe-Turbine-Einheit (3) als Turbine betrieben wird; wobei während des ersten (A) und zweiten Versuches (B) jeweils eine elektrische Leistung (P_elec) der Motor-Generator-Einheit (2) am ersten Ende, eine Drehzahl (n) der Hauptwelle (4) und eine vom Hauptwellen-Drehmoment abhängige Größe bestimmt werden, wobei aus der bestimmten Leistung (P_elec), der Drehzahl (n) der Hauptwelle (4) und der vom Hauptwellen-Drehmoment abhängigen Größe des ersten Versuches (A) und des zweiten Versuches (B) der Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit (2) ermittelt wird.
2. Verfahren zur Kalibrierung einer Drehmomentmessung eines Antriebsstrangs eines Wasserkraftwerks, wobei das Wasserkraftwerk einen Antriebsstrang mit einer Hauptwelle (4) umfasst und die Hauptwelle (4) ein erstes Ende mit einer Motor-Generator-Einheit (2) und ein zweites Ende mit einer Pumpe-Turbine-Einheit (3) aufweist, wobei in einem ersten Versuch (A) die Motor-Generator-Einheit (2) als Motor und die Pumpe-Turbine-Einheit (3) als Pumpe betrieben wird; wobei in einem zweiten Versuch (B) die Motor-Generator-Einheit (2) als Generator und die Pumpe-Turbine-Einheit (3) als Turbine betrieben wird; wobei während des ersten und zweiten Versuches jeweils eine elektrische Leistung (P_elec) der Motor-Generator-Einheit (2) am ersten Ende, eine Drehzahl (n) der Hauptwelle (4) und eine vom Hauptwellen-Drehmoment abhängige Größe bestimmt werden, wobei aus der bestimmten Leistung (P_elec), der Drehzahl der Hauptwelle (4) und der vom Hauptwellen-Drehmoment abhängigen Größe des ersten Versuches (A) und des zweiten Versuches (B) Kalibrierparameter a und b ermittelt werden, wobei der erste und der zweite Versuch für zumindest zwei Drehmomentenstufen durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wirkungsgrad der Motor-Generator-Einheit (2) und/oder der Pumpe-Turbine-Einheit (3) unter Berücksichtigung mindestens einer aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmten Annahme ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kalibrierparameter a und b unter Berücksichtigung mindestens einer aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmten Annahme ermittelt werden, wobei die aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmten Annahme als Faktor k berücksichtigt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Versuch und für den zweiten Versuch jeweils eine Versuchs-Verlustleistung ermittelt wird, diese beiden ermittelten Versuchs-Verlustleistungen zu einer Gesamtverlustleistung addiert werden und der Wirkungsgrad unter Verwendung der Gesamtverlustleistung berechnet wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die gesamte Versuchsverlustleistung sich berechnet aus $${\text{P}}_{\text{Verlust},\text{all}}=-{\text{P}}_{\text{Welle},\text{A}}+{\text{P}}_{\text{elec},\text{A}}+{\text{P}}_{\text{Welle},\text{B}}-{\text{P}}_{\text{elec},\text{B}}$$

   

   wobei der Index A für die ermittelte Leistung des ersten Versuches und der Index B für die ermittelte Leistung des zweiten Versuches stehen
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmten Annahme als Faktor k berücksichtigt wird, wobei k definiert ist als $$\text{k}={\text{P}}_{\text{Verlust},\text{A}}/{\text{P}}_{\text{Verlust},\text{B}}$$

   

   wobei P_{Verlust, A} der Leistungsverlust im ersten Versuch und P_{Verlust, B} der Leistungsverlust im zweiten Verlust ist.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei k aufgrund von Experimenten oder Erfahrung vorbestimmt ist, und der Leistungsverlust des ersten Versuches P_{Verlust, A} $${\text{P}}_{\text{Verlust},\text{A}}={\text{k P}}_{\text{Verlust},\text{all}}/\left(1+\text{k}\right)$$

   

   und der Leistungsverlust des zweiten Versuches P_{Verlust, B} $${\text{P}}_{\text{Verlust},\text{B}}={\text{P}}_{\text{Verlust},\text{all}}/\left(1+\text{k}\right)$$

   

   sind, wobei P_{Verlust, all} die gesamte Versuchsverlustleistung im ersten und zweiten Versuch ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Wirkungsgrad η_A des ersten Versuches ermittelt wird anhand $${\mathrm{\eta }}_{\text{A}}=\left({\text{P}}_{\text{elec},\text{A}}-{\text{P}}_{\text{Verlust},\text{A}}\right)/{\text{P}}_{\text{elec},\text{A}}$$

   

   $$$$

   

   und der Wirkungsgrad η_B des zweiten Versuches ermittelt wird anhand $${\mathrm{\eta }}_{\text{B}}={\text{P}}_{\text{elec},\text{B}}/\left({\text{P}}_{\text{elec},\text{B}}+{\text{P}}_{\text{Verlust},\text{B}}\right).$$

   
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Annahme zur Bestimmung des Wirkungsgrades bzw. zur Kalibrierung einer Drehmomentmessung die Annahme ist, dass der Wirkungsgrad des ersten Versuchs gleich dem Wirkungsgrad des zweiten Versuchs ist.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die vom Hauptwellen-Drehmoment abhängige Größe mittels eines Sensors (5), vorzugsweise mittels eines Dehnungsmessstreifens oder Inkrementalgebers, gemessen wird.
12. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5) zwischen dem ersten und dem zweiten Ende auf der Hauptwelle (4) angeordnet ist.
13. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der elektrischen Leistung eine Spannung und ein Strom der Motor-Generator-Einheit (2) gemessen werden.
14. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung des Drehmoments der erste und der zweite Versuch für zumindest zwei Drehmomentenstufen durchgeführt werden, wobei beide Drehmomentstufen jeweils einem unterschiedlichen Last-Zustand entsprechen, insbesondere weist jede der Drehmomentstufen ein Drehmoment größer Null auf.
15. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistung (P_Welle) der Hauptwelle (4) bestimmt wird.
16. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Wirkungsgrad (η_MGE) der Motor-Generator-Einheit (2) bestimmt wird zu $${\mathrm{\eta }}_{\text{MGE}}={\text{P}}_{\text{elec}}/{\text{P}}_{\text{Welle}},$$

    

    und/oder ein Wirkungsgrad (η_PTE) der Pumpe-Turbine-Einheit (3) bestimmt wird zu $${\mathrm{\eta }}_{\text{PTE}}={\text{P}}_{\text{Welle}}/{\text{P}}_{\text{Wasser}}.$$

    

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