DE19717492A1

DE19717492A1 - Optimising efficiency of hydroelectric power station

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Publication number: DE19717492A1
Application number: DE19717492A
Authority: DE
Original assignee: WEISMANN MARTIN
Current assignee: WEISMANN MARTIN
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 1998-11-12

Abstract

The method involves supplying power from at least one three-phase machine into a supply network. The three-phase field is coupled to the generator via a constant transmission ratio. The efficiency is optimised by varying the revolution rate of the generator continuously, cyclically or in steps and depending on one or more operating parameters. The mains supply arrangement consists of several components which fulfil the overall function, whereby an AC machine or AC converter with a DC intermediate circuit is used to stimulate the three-phase machine and or as an intermediate energy store. A DC or AC converter is used for resupplying the network.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement and a method according to the Preamble of claim 1.

State of the art

Wasserkraftanlagen werden schon seit mehreren tausend Jahren als Arbeitsmaschinen und Energielieferant eingesetzt.Hydropower plants have been around for several thousand years Machines and energy supplier used.

Bei der Auslegung und Konstruktion einer Wasserkraftanlage wird in praktisch allen bisherigen Konzepten in aller Regel eine konstante Maschinendrehzahl vorgesehen. Dies ergab sich bisher hauptsächlich aus den technischen Möglichkeiten, mit denen drehzahlvariable Konzepte wirtschaftlich nicht realisiert werden konnten. When designing and building a hydropower plant, practically everything previous concepts usually provided a constant machine speed. So far, this has mainly resulted from the technical possibilities with which Variable-speed concepts could not be implemented economically.

Die Fortschritte und Weiterentwicklungen im Bereich der Leistungselektronik haben mittlerweile dazu geführt, daß effektive, kostengünstige und leistungsstarke Halbleiterbauteile zur Verfügung stehen, die drehzahlvariable Konzepte ermöglichen und diese ökonomisch als realisierbar erscheinen lassen.The advances and advancements in power electronics have meanwhile, has become effective, inexpensive and powerful Semiconductor components are available that enable variable-speed concepts and make them appear economically feasible.

Erste Versuche, die Drehzahl von Wasserkraftmaschinen im Betrieb zu variieren, wurden 1991 in einer Anlage in Rottenburg am Neckar gemacht, in der erstmals die Drehzahl als Betriebsparameter verändert wurden (Siehe auch Wasserwirtschaft 82. Jahrgang, Ausgabe Mai 1992).First attempts to vary the speed of hydropower machines in operation were made in 1991 in a facility in Rottenburg am Neckar, in which the Speed were changed as operating parameters (see also water management 82. Volume, May 1992 edition).

Eingesetzt wurde ein Umrichter, in dem als Stromventile Thyristoren verwendet wurden.A converter was used in which thyristors were used as current valves were.

In der o.g. Anlage sollte versucht werden ob es maschinentechnisch und energetisch günstiger ist, doppelt regulierte Wasserkraftmaschinen (Kaplan) einfachreguliert auszuführen, und durch eine Anpassung der Drehzahl den Wirkungsgrad der Wasserkraftmaschine oder Anlage wieder auf Werte doppeltregulierter Maschinen zu bringen.In the above Plant should be tried whether it is mechanical and is more energy efficient, double regulated hydropower machines (Kaplan) easy to perform, and by adjusting the speed Efficiency of the hydropower machine or system back to values bring double-regulated machines.

Da eventuell dabei das Getriebe kleiner ausfällt oder ein kompletter Verzicht möglich ist, reduzieren sich eventuell auch die Kosten der Gesamtanlage. In dieser Anordnung ist es möglich die Wasserkraftmaschine drehzahlvariabel zu betreiben.As the gearbox may turn out smaller or a complete waiver is possible the costs of the entire system may also be reduced. In this Arrangement, it is possible to operate the hydropower machine at variable speeds.

Weitere Entwicklungen im Bereich der Leistungselektronik führten zu eigenständigen Komponenten, die mit hohem Wirkungsgrad verschiedene Umrichteraufgaben erfüllen. Die beiden für diese Anmeldung wesentlichen Baugruppen, sind zum einen ein (auch in Rottenburg eingesetzter) Zwischenkreisumrichter und zum anderen Wechselrichter, die selbständig aus einem Gleichstromenergiespeicher elektrische Energie in ein Wechselstromnetz einspeisen können.Further developments in the field of power electronics led to independent components that different with high efficiency Perform converter tasks. The two essential for this registration Assemblies are on the one hand (also used in Rottenburg) DC link converter and other inverter, which independently a direct current energy store electrical energy in an alternating current network can feed.

Der wesentliche Einfluß der Maschinendrehzahl auf den Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ist seit langem bekannt. Daher wäre es bezogen auf den Wirkungsgrad vorteilhaft, Wasserkraftanlage drehzahlvariabel zu betreiben. The main influence of the machine speed on the efficiency of a Hydropower plant has been known for a long time. Therefore it would be related to the Efficiency advantageous to operate the hydropower plant at variable speeds.

Disadvantage to the prior art

Der zum gegenwärtigen Zeitpunkt letztendlich nach dem Stand der Technik gewählte Auslegungspunkt der Wasserkraftanlage ist bezüglich der Drehzahl immer noch konstant und ein Kompromiß aller im Betrieb erwarteten Einzelbetriebspunkte.The state of the art at the present time The selected design point of the hydropower plant is always regarding the speed still constant and a compromise of all the individual operating points expected in operation.

Neben dem prinzipiellen Nachteil (starre Drehzahl ist Kompromiß), den ein drehzahl starrer Betrieb mit sich bringt ergeben sich für Betriebszustände mit Wasser überschuß Jahresarbeitsverluste, da nur ein Teil des Wassers genutzt werden kann.In addition to the fundamental disadvantage (rigid speed is a compromise), the speed Rigid operation entails operating conditions with water surplus annual labor losses since only part of the water can be used.

Weiterhin ist eine Überprüfung oder Kontrolle des gewählten Auslegungspunktes mit einfachen Mitteln nicht möglich.Furthermore, a review or control of the selected design point is included simple means not possible.

Nicht zuletzt ist auch die fehlende Möglichkeit eines automatischen wasserstands- und drehzahlgeregelten Betriebes der Wasserkraftanlage, ein Grund für den fehlenden Einsatz teilweise bereits in anderen technischen Bereichen eingesetzter und bekannter Techniken.Last but not least, the lack of an automatic water level and speed-controlled operation of the hydropower plant, a reason for the Missing use partially already used in other technical areas and known techniques.

problem

Die Grundproblematik für die Optimierung von Wasserkraftanlagen im o.g. Betriebsmodus (drehzahlvariabel), ist die fehlende Kenntnis des tatsächlich herrschenden Zuflusses (Wassermenge pro Zeit). Dieser Umstand verhindert die Vergleichbarkeit verschiedener Betriebssituationen und läßt zur Optimierung einen in sich geschlossenen Regelkreis als nicht praktikabel erscheinen.The basic problem for the optimization of hydropower plants in the above Operating mode (variable speed), the lack of knowledge of the actual prevailing inflow (amount of water per time). This prevents the Comparability of different operating situations and leaves one for optimization closed loop appear to be impractical.

Darüber hinaus fehlt es auch für einfache Systeme an Steuer- oder Regelmechanismen, die den vollautomatischen drehzahlvariablen Betrieb der Anlage ermöglichen, oder mit denen es möglich ist, die Drehzahlauslegung auf ihre Vorteilhaftigkeit zu überprüfen.In addition, there is also a lack of control or simple systems Control mechanisms that ensure the fully automatic, variable-speed operation of the Facility, or with which it is possible to interpret the speed on their To check advantageousness.

Approach

An dieser Stelle soll ein Optimierungsverfahren für drehzahlvariable Wasserkraftma schinen vorgestellt werden, welches die Problematik der unbekannten absoluten Abflußwerten umgeht, indem nicht der absolute, sondern der relativer Zufluß verwendet wird. Dazu dient eine oder mehrere Skalierungs- oder Zwischengrößen als Vergleichswerte. At this point, an optimization process for variable-speed hydropower is to be carried out machines are presented, which addresses the problem of the unknown absolute Discharge values bypasses not the absolute, but the relative inflow is used. One or more scaling or intermediate sizes are used for this as comparative values.

Darüber hinaus wird ein für einfache Systeme anwendbarer Steuermechanismus vorgeschlagen, der es ermöglicht, die Jahresarbeit zu erhöhen und dabei die Drehmomentenbelastung des Antriebsstranges zu begrenzen (keine Anlagenüber lastung).In addition, a control mechanism applicable to simple systems proposed, which makes it possible to increase the annual work while doing the Limit the torque load on the drive train (no system over load).

Description of the solutions Basics

Kern- und Ausgangspunkt der Optimierung ist zunächst die Kombination von Standardbauteilen der Leistungselektronik und deren sinnvolle Anordnung, die zunächst den drehzahlvariablen Betrieb ermöglichen.The core and starting point of the optimization is initially the combination of Standard components of power electronics and their sensible arrangement, the first enable variable-speed operation.

In Verbindung mit einem vorerst noch nicht näher beschriebenen Steuer- oder Regelalgorithmus gelingt eine Optimierung der Gesamtanlage bezüglich des momentanen Wirkungsgrades oder der Jahresarbeit.In connection with a tax or Control algorithm succeeds in optimizing the entire system with regard to the current efficiency or annual work.

In den meisten Fällen kann die Optimierung darüber hinaus durch einen in sich geschlossenen Regelalgorithmus ermöglicht werden, was wiederum die Voraussetzung für den vollautomatischen Betrieb der Anlage ist.In most cases, the optimization can also be done by itself closed control algorithm are enabled, which in turn the The prerequisite for the fully automatic operation of the system is.

Wird das Gesamtsystem als mobile Einrichtung aufgebaut, ist es möglich an bereits bestehenden Anlagen die Drehzahlauslegung zu überprüfen.If the entire system is set up as a mobile device, it is already possible to check the speed rating of existing systems.

Optimization control

Die an dieser Stelle beschriebene Steuerung soll die Nutzung eines höheren Wasserangebotes durch Erhöhung der Drehzahl ermöglichen. Die Drehzahlerhöhung entlastet dabei auch die Drehmomentenbelastung des Antriebsstranges.The control described here is intended to use a higher one Enable water supply by increasing the speed. The Increasing the speed also relieves the torque load on the Drive train.

Die Grundidee stützt sich auf den Umstand, daß nach dem Erreichen der Maximalleistung noch zusätzlich verfügbares Wasser nicht genutzt werden kann, da einenseits das Schluckvermögen der Wasserkraftanlage den maximalen Durchfluß vorgibt, und andererseits die Drehmomentenbelastung des Antriebsstranges eine wesentliche mechanische Belastungsgrenze definiert. The basic idea is based on the fact that after reaching the Maximum output of additionally available water cannot be used because on the one hand the swallowing capacity of the hydropower plant the maximum flow specifies, and on the other hand, the torque load of the drive train essential mechanical load limit defined.

Durch die Erhöhung der Betriebsdrehzahl einer Wasserkraftmaschine steigt bei fast allen Wasserkraftmaschinen das Schluckvermögen. Dieser Zusammenhang stimmt ca. bis zur Durchgangsdrehzahl des jeweiligen Maschinentyps. Als grober Anhaltspunkt kann für die Durchgangsdrehzahl die doppelte Nenndrehzahl bei klassischer Auslegung angesehen werden. Wird dabei gleiche Leistung angenommen, sinkt das Wellenmoment.By increasing the operating speed of a hydropower machine almost increases the swallowing ability of all hydroelectric machines. This connection is correct approx. up to the through speed of the respective machine type. As a rough one The point of reference for the through speed is twice the nominal speed classic interpretation. Doing the same assumed, the shaft torque drops.

Anders ausgedrückt kann mit einer schnelleren Drehzahl und gleicher Momentenbe lastung mit der Maschine eine höhere Leistung erzielt werden. Ursächlich wird die Leistungssteigerung durch die Steigerung des Schluckvermögens der Wasserkraftanlage möglich.In other words, with a faster speed and the same torque load can be achieved with the machine. The cause is Increased performance by increasing the ability to swallow Hydropower plant possible.

Diesem Effekt wirkt mit steigender Drehzahl ein abnehmender Wirkungsgrad der Wasserkraftmaschine entgegen. So kann die Leistung zwar vergrößert aber nicht beliebig erhöht werden. Bezüglich der Jahresarbeit läßt sich aber eine gewisse Steigerung erreichen, wenn bei entsprechendem Wasserangebot und nach dem Erreichen eines Ausgangspunktes die Leistung über eine Erhöhung der Drehzahl gesteigert werden kann.This effect affects the decreasing efficiency with increasing speed Hydroelectric machine counter. So the performance may increase but not can be increased arbitrarily. With regard to the annual work, there is a certain one Achieve an increase if there is adequate water supply and after Reaching a starting point of performance by increasing the speed can be increased.

Example of optimization control

Ein einfaches, leicht einsehbares Beispiel ist eine Wasserkraftanlage, deren Wasserkraftmaschine als oberschlächtiges Wasserrad ausgeführt ist. Mit steigendem Zufluß und entsprechender Zellenfüllung (die Analogie bei Turbinen ist das Schluckvermögen) kann noch vorhandenes Wasser nicht genutzt werden, und schießt über das Wasserrad hinaus (die Analogie bei Turbinen ist eine Leerschuß- oder Wehrentlastung der Wasserkraftanlage).A simple, easily visible example is a hydropower plant, whose Hydropower is designed as an overshot water wheel. With increasing inflow and corresponding cell filling (the analogy with turbines is the swallowing ability) water still available cannot be used, and shoots beyond the waterwheel (the analogy with turbines is a blank shot or weir relief of the hydropower plant).

Die Bezeichnung Steuerung ergibt sich aus dem rückwirkungsfreien Einfluß der Maschinenleistung auf die Betriebsdrehzahl. D.h. oberhalb einer festen Leistung wird mit der Leistung auch die Maschinendrehzahl erhöht.The term control results from the non-reactive influence of Machine output to the operating speed. I.e. above a fixed performance the machine speed increases with the power.

Steigt im beschriebenen Fall nun die Drehzahl des Wasserrades, erhöht zunächst auch die Leistung, bevor bei weiterer Drehzahlerhöhung die Verschlechterung des Wirkungsgrades diesen Effekt zunächst reduziert und schließlich ganz aufhebt. Der sich im Endeffekt stabil einstellende Betriebspunkt kann bei gleicher Drehmomentenbelastung der Abtriebswelle höhere Leistungswerte erreichen, und nutzt einen größeren Teil des verfügbaren Wassers. If the speed of the waterwheel increases in the described case, it increases initially also the performance, before the deterioration of the Efficiency initially reduced this effect and finally canceled it completely. Of the in the end, a stable operating point can be set at the same Torque load of the output shaft reach higher performance values, and uses a larger part of the available water.

Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Leistung könnte beispielsweise fein abgestuft oder linear sein, wodurch das Drehmoment an der Abtriebswelle gemäß der grundlegenden Beziehung M = P/ω konstant gehalten werden könnte.The relationship between speed and power could be fine, for example graded or linear, whereby the torque on the output shaft according of the basic relationship M = P / ω could be kept constant.

Optimization scheme

Für das im folgenden beschriebene, automatisch ablaufende Optimierungsverfahren wird davon ausgegangen, daß ein in begrenzter Zeit durchführbarer Versuch auch ohne Kenntnis des absoluten Zuflusses dann ausgewertet werden kann, wenn sich zu Beginn und am Ende des Versuches die gleiche Zulaufsituation einstellt, bzw. einstellen läßt. In diesem Fall (Zufluß zu Versuchsbeginn und Versuchsende gleich) kann der Zufluß während des gesamten Optimierungsversuches als konstant betrachtet werden.For the automatic optimization process described below it is assumed that an experiment that can be carried out in a limited time also can be evaluated without knowing the absolute inflow if sets the same inflow situation at the beginning and at the end of the experiment, or can be adjusted. In this case (inflow at the beginning and end of the experiment is the same) the inflow can be considered constant during the entire optimization attempt to be viewed as.

Erreichen also die Betriebsparameter nach Versuchsende den vorherigen Stand (z. B. gekennzeichnet durch Leistung, Öffnung oder Stellung der Einlaßvorrichtung, Wasserstand und Drehzahl) kann der Versuch ge- und ausgewertet werden.So the operating parameters reach the previous level after the end of the test (e.g. characterized by power, opening or position of the intake device, Water level and speed) the experiment can be evaluated and evaluated.

Die Überprüfung dieses Tatbestandes wird im folgenden als Durchflußkontrolle nach Test 1 bezeichnet.The verification of this fact is described below as a flow control Test 1 called.

Das Ergebnis jedes Einzelversuches ist eine Aussage darüber, ob der Ausgangsbetriebspunkt oder einer der Versuchsbetriebspunkte bezüglich des Anlagenwirkungsgrad der bessere ist.The result of each individual test is a statement as to whether the Starting operating point or one of the experimental operating points with respect to the Plant efficiency is the better.

example

Versuchsobjekt:
Einfach geregelte Turbine an Zulaufkanal
Test object:
Simply regulated turbine on inlet duct

Gemessene Werte:
(Ober-)Wasserstand, Leistung, Leitradstellung, Drehzahl
Measured values:
(Upper) water level, power, stator position, speed

Ausgangssituation:
Alle Werte sind konstant und bekannt
Initial situation:
All values are constant and known

Versuchsdurchführung:
Carrying out the experiment:

- The speed is varied
- The water level is corrected with the stator position (so it stays constant)
- The power, the speed and the stator position are measured and logged

Konstante Größen:
Constant sizes:

- water level

Variable Größen:
Variable sizes:

- Rotational speed
- Stator position

Optimierte Größe:
Optimized size:

- Power

Versuchsauswertung:
Die Werte für Leitradstellung und Drehzahl für den Punkt maximaler Leistung werden übernommen und gespeichert
Test evaluation:
The values for stator position and speed for the point of maximum power are adopted and saved

Versuchsüberprüfung:
nach Test 1
Test review:
after test 1

Endsituation:
Alle Werte wieder wie in Ausgangssituation
Final situation:
All values again as in the initial situation

Versuchsergebnis:
Optimale Einstellung für den untersuchten Durchfluß, dessen Absolutwert nicht bekannt ist, wohl aber die zugehörige Leitradstellung zu Versuchsbeginn.Test result:
Optimal setting for the flow examined, the absolute value of which is not known, but the associated stator position at the start of the experiment.

Als Vergleichs- und Skalierungsparameter für den Durchfluß muß nun mindestens ein Größe erfaßt werden, die von der Anlagensituation soweit unabhängig ist, daß sich deren Größe als Vergleichsmaß für den Zufluß verwenden läßt. Dies könnte bei komplexeren Systemen beispielsweise eine Kombination aus dem Oberwasserstand und der Zulaufgeschwindigkeit an einer beliebigen aber sinnvollen Stelle des Zulaufes sein. Diese beiden Informationen reichen in erster Näherung aus, um eine hinreichend genaue Zulaufskalierung vorzunehmen.The comparison and scaling parameters for the flow must now be at least a size can be recorded that is so far independent of the system situation that their size can be used as a comparison measure for the inflow. This could be the case with more complex systems, for example, a combination of the upper water level and the feed rate at any but sensible point of the Be influx. In the first approximation, these two pieces of information are sufficient to produce one to carry out sufficiently precise inflow scaling.

Es kann dabei davon ausgegangen werden, daß bei gleichem Wasserstand und gleicher Zulaufgeschwindigkeit (z. B. in der Zulaufmitte) auch der Zufluß gleich ist.It can be assumed that at the same water level and same inflow rate (e.g. in the middle of the inflow) the inflow is the same.

Mehrfachabhängigkeiten des Zuflusses von Skalierungsparametern können dabei aufgrund der Kontinuität der Zulaufsituation mit der Zeit aufgelöst werden. Da sich der Zufluß nicht sprunghaft ändert. Es ergeben sich nach und nach relativ zueinander stehende Zulaufsituationen, die nach dem Durchlaufen aller (üblichen oder sinnvollen) Betriebszustände nach dem Zufluß geordnet werden können.Multiple dependencies of the inflow of scaling parameters can due to the continuity of the inflow situation over time. That I the inflow does not change abruptly. Gradually, it turns out relative mutually related inflow situations, which after going through all (usual or meaningful) operating states can be ordered according to the inflow.

Natürlich, und sicherlich in den meisten Fällen, sind auch einfachere Skalierungen denkbar. Dies gilt insbesondere, wenn wie üblich, beispielsweise der Oberwasserstand geregelt wird und damit konstant bleibt. In diesem Fall wäre alleine die Zulaufgeschwindigkeit im Oberwasser als Maßstab der Skalierung denkbar und ausreichen.Of course, and certainly in most cases, scaling is easier conceivable. This applies in particular if, as usual, for example the Upper water level is regulated and thus remains constant. In this case the inflow rate in the headwater alone as a measure of scaling conceivable and sufficient.

In einer sicherlich einfachsten Variante (für einfachgeregelte Wasserkraftmaschinen mit Wasserstandsregelung) kann auch nur die Öffnungsstellung des Einlaßorgans zur Skalierung verwendet werden, wobei der Optimierungseffekt dadurch abnimmt.In one of the simplest variants (for simply regulated hydropower machines) with water level control) can only the open position of the inlet element be used for scaling, whereby the optimization effect decreases.

example

Die weiter oben beschriebenen Versuche (ab Zeile 146) lassen sich nach der Leitradstellung sortieren, und ergeben eine Reihe von optimalen Betriebssituationen als Funktion des Durchflusses. Eine genauere Zuordnung zwischen der Leitradstellung zu Versuchsbeginn und Durchfluß (z. B. zwischen 0 und 100%) läßt sich in aller Regel hinreichend genau auflösen.The experiments described above (from line 146) can be done after the Sort the stator position and result in a number of optimal operating situations as a function of flow. A more precise mapping between the Stator position at the start of the test and flow (e.g. between 0 and 100%) usually dissolve with sufficient accuracy.

Grundsätzlich läßt sich somit die Optimierung der Anlage nur durch den kontinuierlichen oder zyklischen Vergleich zwischen zwei oder mehrerer Betriebszuständen aufbauen. Die Ergebnisse decken im Laufe der Zeit den gesamten "sinnvollen" Betriebsbereich ab und ermöglichen eine Entscheidung über eventuell bessere Betriebszustände.Basically, the optimization of the system can only be done by continuous or cyclical comparison between two or more Build up operating states. The results cover the over time entire "meaningful" operating area and allow a decision on possibly better operating conditions.

Nach einer Aufbereitung der Meßwerte läßt sich eine Funktion erzeugen, mit der es gelingt die Anlage (bzgl. des Zuflusses) immer in einem optimalen Betriebszustand zu fahren.After the measured values have been processed, a function can be generated with which it the system always succeeds (in terms of the inflow) in an optimal operating condition to drive.

Es ist mit dem aufgezeigten Grundalgorithmus zum einen möglich, den Erfolg oder Mißerfolg einer Parameteränderung unter der Voraussetzung zu beurteilen, ob sich die Zuflußsituation geändert hat (Test 1), und zum anderen kann diese Optimierung prinzipiell eigenständig ablaufen.On the one hand, it is possible with the basic algorithm shown, success or Failure of a parameter change under the condition to assess whether has changed the inflow situation (test 1), and on the other hand this optimization principally run independently.

Es sind dabei je nach Anlagensituation und Optimierungsaufgabe auch andere Kombinationen aus konstanten und variablen Größen denkbar und sinnvoll. Auch diese Optimierungen können in der prinzipiell beschriebenen Lösung (Verwendung einer Skalierungsgröße) durchgeführt werden. Depending on the system situation and optimization task, there are also others Combinations of constant and variable sizes conceivable and sensible. Also These optimizations can be used in the solution described in principle (use a scaling variable).

In der einfachsten Form und unter der Voraussetzung, daß sich innerhalb eines erlaubten Betriebsbereiches nur ein Maximum des Wirkungsgrades ergibt kann auch durch zyklische und schrittweise Optimierung ein optimumsuchender Regelalgorithmus entstehen, der vollkommen eigenständig, und unabhängig von der dazu parallelen Wasserstandsregelung die Maschinendrehzahl regelt. Es kann dabei auch auf eine Speicherung und Auswertung der Versuchswerte verzichtet werden.In the simplest form and on the condition that within one allowed operating range only gives a maximum of efficiency through cyclical and gradual optimization an optimum seeker Control algorithm emerge that is completely independent, and independent of the parallel water level control regulates the machine speed. It can there is also no storage and evaluation of the test values will.

Die beschriebenen Optimierungen lassen sich allgemein für alle Wasserkraft maschinen verwenden, unabhängig, ob es sich um ein Wasserrad oder eine einfach- oder doppeltregulierte Turbine handelt (auch die Optimierung des Leitrad-Lau frad-Zusammenhangs einer Kaplanturbine mit konstanter Drehzahl ist möglich).The optimizations described can generally be applied to all hydropower use machines, regardless of whether it is a waterwheel or a single- or double-regulated turbine (also the optimization of the idler valve gear ratio of a Kaplan turbine with constant speed is possible).

Example of optimization control

Für kleine und einfache Wasserkraftanlagen mit konstantem Oberwasserstand kann die Stellung des Einlaßorgans als Skalierungsgröße für den Durchfluß heran gezogen werden.For small and simple hydropower plants with a constant headwater level the position of the inlet element as a scaling variable for the flow rate to be pulled.

Dies deckt sich auch mit allen Erfahrungen. Je mehr Wasser oberwasserseitig zufließt, desto weiter muß das Einlaßorgan (bzw. die Wasserkraftmaschine) geöffnet werden.This also coincides with all experiences. The more water on the upper water side inflows, the further the inlet member (or the hydropower machine) has to be opened will.

Die Konstantheit des Durchflusses ist durch den wasserstandsgeregelten Betrieb während des Versuches und den abschließenden Kontrollversuch (Test 1) gegeben.The constant flow is due to the water level controlled operation during the test and the final control test (test 1).

Da nun während der Optimierung konstanter Zufluß vorausgesetzt werden kann, kann durch Variation von Einlaßöffnung und Maschinendrehzahl im weiterhin wasserstandsgeregelten Betrieb ein optimaler Betriebspunkt definiert werden (Drehzahl wird vorgegeben bzw. variiert, Einlaßöffnung reguliert Wasserstand).Since constant inflow can now be assumed during the optimization, can continue by varying the inlet opening and engine speed an optimal operating point can be defined (Speed is specified or varied, inlet opening regulates water level).

Geschieht dies nun über den gesamten Öffnungsbereich des Einlaßorgans, läßt sich für jeden Zufluß eine optimale Drehzahl (und Öffnung) festlegen. Als korrespondierende Zwischengröße gilt die Maschinenöffnung zu Versuchsbeginn.If this happens now over the entire opening area of the inlet member, determine an optimal speed (and opening) for each inflow. As the corresponding intermediate size is the opening of the machine at the start of the test.

Handelt es sich bei der beschriebenen Anlage beispielsweise um eine einfach regulierte Schachtmaschine, läßt sich über die Leistung und ein Wirkungsgrad verlauf der Turbine annähernd ein Zusammenhang zwischen Leitradöffnung zu Versuchsbeginn und dem Zufluß finden. If the system described is, for example, a simple one regulated shaft machine, can be about the performance and efficiency the turbine almost has a relationship between the stator opening Find the beginning of the experiment and the inflow.

Die gemessenen Werte können nach Versuchsende ausgewertet und die optimalen Betriebspunkte durch eine Funktion von Leitradstellung und Drehzahl über dem Zufluß dargestellt werden. Nach dieser Funktion werden für die übergeordnete Wasserstandsregelung die Betriebsparameter nacheinander und entsprechend den Erfordernissen abgefahren, wobei sich die Anlage immer in einem optimalen Betriebszustand befindet.The measured values can be evaluated after the end of the test and the optimal ones Operating points through a function of stator position and speed above Inflow are shown. After this function will be for the parent Water level control the operating parameters one after the other and according to the Requirements, whereby the system is always in an optimal Operating state.

Prinzipiell ist auch eine unweiterverarbeitete Auswertung der Messungen möglich. Dabei wird nach einem Optimierungsversuch der bessere Betriebszustand eingestellt.In principle, an unprocessed evaluation of the measurements is also possible. After an attempt at optimization, the better operating state set.

Mobile speed optimization

Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Anordnung zur Optimierung ist die Überprüfbarkeit der Drehzahlauslegung von Wasserkraftanlagen. Es kann mit der beschriebenen und mobil aufgebauten Anordnung zu jedem Zeitpunkt überprüft werden, ob an einer Wasserkraftmaschine eine andere Betriebsdrehzahl bessere Betriebsergebnisse liefert.Another advantage of the arrangement for optimization described here is that Verifiability of the speed design of hydropower plants. It can be done with the described and mobile structure checked at any time whether a different operating speed is better on a hydropower machine Provides operational results.

Somit kann z. B. auch bei der Reaktivierung von Wasserkraftanlagen, bei denen die Betriebsparameter unbekannt sind zunächst die optimale Drehzahl ermittelt werden, bevor das endgültige Übersetzungsverhältnis festgelegt wird.Thus, e.g. B. also in the reactivation of hydropower plants, in which the Operating parameters are unknown, the optimal speed is first determined, before the final gear ratio is determined.

Die Betriebserfahrungen drehzahlgeregelter Wasserkraftmaschinen können darüber hinaus zur weiteren Entwicklung und Optimierung von formalen Zusammenhängen dienen.The operating experience of speed-controlled hydropower machines can also be used further development and optimization of formal relationships to serve.

Claims

1. The method and arrangement for optimizing the efficiency and / or the annual electrical work of a hydropower plant, characterized in that

1 energy from at least one induction machine is fed into a supply network and the induction field is connected to the water machine in a rotationally fixed manner (ie constant transmission ratio),
2 The efficiency is optimized by varying the speed of the hydropower machine
- 2.1 the speed variation or speed setting depending on one or more operating parameters and
- 2.2 takes place continuously, cyclically or discretely in time, and
3 the arrangement for feeding into the grid consists of several independent components that fulfill the overall function, whereby
- 3.1 an AC / AC converter with a DC link is used to excite the induction machine and / or as an energy buffer (e.g. for energy recovery) and
- 3.2 a DC / AC converter is used for regenerative power supply, which takes energy from the DC intermediate circuit of the AC / AC converter and feeds it into the supply network independently regulated.

2. The method and arrangement according to claim 1, characterized in that starting from an initial operating point, an experimental operating point for a possible improvement in efficiency is first approached, and the validity of the test depends on whether the initial operating point is stable again at the end of the experiment.
Possible variation parameters are, for example, the engine speed, the headwater level or the opening of the inlet element.

3. The method and arrangement according to claim 1, characterized in that the determination of the optimal or optimal operating point by the A performance signal is evaluated

4. The method and arrangement according to claim 1, characterized in that the hydropower speed depending on at least one Operating parameters (e.g. machine performance) is changed so that the in Drivetrain components are not overloaded.

5. The method and arrangement according to claim 2, characterized in that that of two operating points that recognized as better than new Operating point is determined and approached, which is a self-optimizing hydropower plant results.

6. The method and arrangement according to claim 2, characterized in that the one of two operating points that is recognized as the better one, and in further or unprocessed form as information for the selection later operating states is used, which makes itself optimizing hydropower plant results.

7. The method and arrangement according to claim 1, characterized in that it is built as a mobile unit and thus to check the optimal Operating speed of an existing hydropower machine can be used can.

8. The method and arrangement according to claim 1, characterized in that it is constructed as a stationary unit and to optimize a water power plant or to check the optimal operating speed of a existing hydropower can be used.