DE3601289A1 - Leistungsregelung eines wassergetriebenen maschinensatzes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Maschinensatz, der aus einer Wasserturbine mit je einer ortsfesten und einer rotierenden Schaufelgruppe, Leit- und Laufradschaufeln genannt, und einem fest angekuppelten Generator besteht, der über einen frequenzregelbaren Umrichter ein elektrisches Netz konstanter Frequenz speist, wobei durch Einstellung der Drehzahl des Maschinensatzes über einen Drehzahlregler ein gewünschter Betrag an Wirkleistung abgegeben wird.

Eine ähnliche Anordnung ist bereits aus der deutschen Patentschrift 30 05 375 bekannt. Eine von Wasser durchflossene Propellerturbine mit nicht verstellbaren Laufradschaufeln ist dabei mit einem Generator gekuppelt. Die Drehzahl dieses Maschinensatzes wird stufenlos über einen frequenzregelbaren Stromrichter so eingestellt, daß die abgegebene elektrische Leistung in gewünschter Weise beeinflußt werden kann. Eine solche Anordnung ermöglicht es, den Generator für eine Nennfrequenz auszulegen, die kleiner ist als die Netzfrequenz. So wird der Turbinensatz in dem betrachteten Patent mit einer Frequenz von weniger als 20 Hz an den Generatorklemmen betrieben. Hierdurch treten merklich geringere Wechselstromverluste auf, was beim Generatorbau konstruktiv in einer Erhöhung der Ausnutzungsziffer berücksichtigt werden kann. Da die Leistungsabgabe nur durch Vorgabe der Turbinendrehzahl auf der elektrischen Seite geregelt wird, kann die früher hierfür verwendete aufwendige mechanische Regelung der Laufradschaufelöffnung entfallen. Aus der Patentschrift sind allerdings keinerlei Angaben darüber zu entnehmen, wie eine hierfür notwendige Einrichtung zur Vorgabe des gewünschten Drehzahlsollwertes praktisch aufgebaut ist. Ebensowenig ist eine Regelung der Übergabeleistung an das Netz Gegenstand der DE-PS 30 05 375.

Der vorliegenden Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsregelung für den gesamten Maschinensatz anzugeben, die als Regelstrecke die Turbinen-Generatoreinheit bis hin zum Leistungsübergabepunkt an das zu versorgende Netz umfaßt. Über eine entsprechende Ansteuerung der dem Generator zugewandten Seite des als Stellglied dienenden steuerbaren Umrichters soll der Drehzahlsollwert des Maschinensatzes unter Berücksichtigung aktueller turbinenarbeitspunktspezifischer und hydraulischer Verhältnisse entsprechend einem Wirkleistungssollwert vorgegeben werden. Falls es die Bauart der jeweils vorliegenden Turbine zuläßt, können zusätzlich die Öffnungen einer der beiden Schaufelgruppen in die Regelung mit einbezogen werden. Auf der dem Netz zugewandten Seite des Umrichters soll der Leistungsfaktor im Netzanschlußpunkt auf einen gewünschten Wert geregelt werden. So geht es um die Schaffung einer kompakten, universell einsetzbaren Leistungsregeleinheit für wassergetriebene, drehzahlvariable Maschinensätze.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Mittel, das Turbinenkennlinien nachbildet und einen Drehzahlsollwert abhängig von einem gewünschten Wirkleistungssollwert vorgibt. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn ein einen Wirkleistungsistwert auswertenden Maximum-Power-Point-Regler (MPP-Regler) die Vorgabe des Drehzahlsollwertes durch sukzessives Aufschalten inkrementaler Korrekturwerte auf das Mittel verändert, bis maximale Wirkleistung ans Netz abgegeben wird.

Auf der Netzseite wird der gewünschte Leistungsfaktor über eine Leistungsfaktorregelung mit dem Umrichter als Stellglied eingestellt, während auf der Turbinenseite bevorzugt der Drehzahlsollwert durch einen Radizierer bereitgestellt wird, der die dritte Wurzel bildet aus dem Quotienten des Wirkleistungssollwertes bezogen auf die Summe aus Korrekturwert des MPP-Reglers und einem Turbinenkennwert. Dieser Turbinenkennwert legt den Kennlinienzusammenhang zwischen gewünschtem Leistungspunkt und dazugehöriger Drehzahl unter Berücksichtigung des maximal möglichen Wirkungsgrades des jeweiligen Maschinensatzes als Funktion der vorliegenden Stellungen der Schaufelgruppen fest. Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Kennliniengeber für den Wirkleistungssollwert diesen abhängig von der aktuellen Fallhöhe und dem maximal möglichen Wirkungsgrad der Turbine bereits optimal vorgibt.

Bei einem Maschinensatz mit einer einfach- bzw. doppeltregulierbaren Turbine erhöht ein Funktionsgeber für den Turbinenkennwert diesen bei Überschreiten eines Grenzwertes des Wirkleistungssollwertes derart, daß der Drehzahlsollwert des Maschinensatzes auf einem maximal zulässigen Wert konstant gehalten wird. Ein erster Kennliniengeber für eine der beiden Schaufelgruppen führt nach Erreichen des maximal zugelassenen Drehzahlsollwertes vorteilhaft deren Öffnung abhängig von der Summe aus Korrekturwert des MPP-Reglers und des Turbinenkennwertes nach. Bei einer doppeltregulierbaren Turbine ist es dabei von besonderem Vorteil, wenn ein zweiter Kennliniengeber für die andere der beiden Schaufelgruppen deren Öffnung dem Ausgangssignal des ersten Kennliniengebers so nachführt, daß die für die Aufrechterhaltung eines optimalen Turbinenwirkungsgrades erforderliche Zuordnung von Leit- und Laufradschaufelstellung erhalten bleibt.

Der maximal zulässige Drehzahlsollwert des Maschinensatzes wird insbesondere durch einen Begrenzer bevorzugt auf dessen spezifische Nenndrehzahl begrenzt.

Der Grundschwingungsleistungsfaktor auf der Netzseite insbesondere eines Maschinensatzes der betrachteten Art wird geregelt durch einen Kennliniengeber für das Produkt aus einem Generatorflußsollwert mit dem Sollwert der Cosinus-Funktion des Phasenverschiebungswinkels zwischen Strom und Spannung an den Generatorklemmen, der an seinem Ausgang das Produkt abhängig von einem Sollwert der Drehzahl des Maschinensatzes je nach dem gewünschten Sollwert des Grundschwingungsleistungsfaktors bereitstellt, und durch einen Leistungsfaktorregler, der in Abhängigkeit der Regelabweichung des Phasenverschiebungswinkels zwischen Strom und Spannung auf der Netzseite den vom Kennliniengeber bereitgestellten Sollwert korrigiert, und durch einen Dividierer, der den vom Leistungsfaktorregler korrigierten Sollwert des Kennliniengebers durch einen vorgegebenen Sollwert für den Generatorfluß dividiert und einer dem Umrichter zugeordneten Steuerung als Stellsignal vorgibt.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn als Regelabweichung für den Leistungsfaktorregler die Differenz der Sinus-Funktionen von Soll- und Istwert des Phasenverschiebungswinkels auf der Netzseite herangezogen wird. Ferner gibt vorteilhaft ein weiterer Kennliniengeber den Generatorfluß abhängig vom aktuellen Drehzahlsollwert des Maschinensatzes an seinem Ausgang vor.

Eine Vorsteuerung des Stromsollwertes für die Umrichtersteuerung besteht aus einem Multiplizierer zur Bildung des Produktes aus dem Drehzahlsollwert des Maschinensatzes mit dem Ausgangssignal des Kennliniengebers für das Produkt aus Generatorflußsollwert und der Cosinus- Funktion des Phasenverschiebungswinkels zwischen Strom und Spannung an den Generatorklemmen, und aus einem Dividierer, der einen Wirkleistungssollwert durch das Ausgangssignal des Multiplizierers dividiert, und aus einer Summationsstelle, die auf den vom Drehzahlregler als Stellsignal vorgegebenen Stromsollwert das Ausgangssignal des Dividierers aufschaltet.

Die Regelabweichung der Sinus-Funktion des Phasenverschiebungswinkels zwischen Strom und Spannung auf der Netzseite wird vorteilhaft durch Division mit dem gewünschten Wirkleistungssollwert angepaßt. Es ist vorteilhaft, durch einen weiteren Dividierer die Stellgröße des Drehzahlreglers durch Division mit dem Generatorflußsollwert anzupassen. Schließlich ist es von Vorteil, eine Kondensatorbatterie zwischen Umrichter und Netz als Filtereinrichtung anzuschließen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der unten aufgeführten Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein allgemeines Blockschaltbild des Maschinensatzes,

Fig. 2 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen wirkleistungsabhängigen Drehzahlsollwertbildung,

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 erweiterte Ausgestaltung der Erfindung mit einem zusätzlichen MPP-Regler,

Fig. 4 eine gegenüber Fig. 3 erweiterte Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Wirkleistungssollwert wirkungsgradoptimal vorgesteuert wird, zusätzlich der Drehzahlsollwert begrenzt wird, und beispielhaft die Turbinenkennlinien durch eine Rechenschaltung zusammen mit einem Turbinenkennwert nachgebildet werden,

Fig. 5 den Verlauf des Turbinenkennwertes abhängig vom Wirkleistungssollwert,

Fig. 6 eine gegenüber Fig. 4 erweiterte Ausgestaltung der Erfindung, bei der mit Erreichen des maximalen Drehzahlsollwertes der Turbinenkennwert vorgesteuert wird, diesem beispielhaft die Leitradschaufelstellung und wiederum dieser zusätzlich die Laufradschaufelstellung nachgeführt wird,

Fig. 7 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Regelung des Grundschwingungsleistungsfaktors,

Fig. 8 eine gegenüber Fig. 7 erweiterte Ausgestaltung der Erfindung, bei der zusätzlich der Flußsollwert abhängig vom Drehzahlsollwert vorgesteuert wird,

Fig. 9 eine gegenüber Fig. 8 erweiterte Ausgestaltung der Erfindung mit zusätzlicher Vorsteuerung des Stellsignales des Drehzahlreglers, und

Fig. 10 eine gegenüber Fig. 9 erweiterte Ausgestaltung der Erfindung mit je einer zusätzlichen Korrektur des Eingangsignales des Leistungsfaktorreglers und des Ausgangssignals des Drehzahlreglers.

Der betrachtete Maschinensatz 1 besteht gemäß der Fig. 1 aus einer Wasserturbine 2 mit einem daran fest angekuppelten Generator 3. Beide haben dieselbe Drehzahl n. An die Auswahl der Turbinenbauart und des Generatortyps werden keine besonderen Anforderungen gestellt. So können bevorzugt Francis- oder Kaplan-Turbinen eingesetzt werden. Die Schaufeln des Leitapparates zwischen Wassereinlaufspirale und Laufrad, auch Leitradschaufeln genannt, können feststehend oder auch verstellbar ausgeführt sein. Bei Kaplan-Turbinen können stattdessen auch die Schaufeln des Laufrades verstellbar ausgeführt sein. Man spricht in diesen Fällen von Turbinen mit "Einfachregulierung". Sind insbesondere bei Kaplan-Turbinen beide Schaufelgruppen verstellbar ausgeführt, so spricht man von "Doppelregulierung". Als Generator 3 wird bevorzugt eine Synchronmaschine eingesetzt. Es ist aber auch denkbar, hierfür eine Asynchronmaschine vorzusehen. Dieser Generator speist über einen in seiner Frequenz regelbaren Umrichter 4 ein Netz 5 konstanter Frequenz. Als Umrichtertyp kommt hierbei bevorzugt ein Zwischenkreisumrichter oder auch ein Direktumrichter in Frage. Eine in ihren Schnittstellen an die jeweils vorliegende Kombination Umrichter-Generatortyp angepaßte Drehzahlregulierung greift so in die Umrichtersteuerung und eine eventuell vorhandene Generatorerregung ein, daß innerhalb der technologisch zulässigen Grenzen im Prinzip jede gewünschte Drehzahl für den Maschinensatz einstellbar ist. Auf der dem Netz zugewandten Seite des Umrichters ist zusätzlich eine Kondensatorbatterie 6 als Filtereinrichtung angeschlossen. Sie sorgt als Kompensationsanlage für eine kapazitive "Vorspannung" des Umrichterausganges.

Gemäß Fig. 2 wird der Sollwert n* für die Drehzahlregelung erfindungsgemäß über ein die Kennlinie der Turbine 3 nachbildendes Mittel 7 durch Vorgabe eines gewünschten Wirkleistungssollwertes P* _w eingestellt. Dieser Sollwert dient nach Subtraktion des Drehzahlistwertes n in der Mischungsstelle 9 als Regelabweichung für den Drehzahlregler 10, und dessen Ausgangssignal Y _n wiederum als Stellsignal für die Umrichtersteuerung 43. Mit einer solch einfachen Anordnung ist es prinzipiell bereits ohne großen Aufwand möglich, z. B. Laufwasserkraftwerke im Rahmen der ihnen innerhalb der überregionalen Energieversorgung zukommenden Aufgabe zu betreiben. Bekanntlich sollen Kraftwerke dieser Art das Netz mit einer möglichst großen Grundlast versorgen. So ist nicht mit einer schnellen Änderung von Betriebsparametern zu rechnen, zumal die in der Regel jahreszeitabhängigen Schwankungen in der Wasserführung recht langsam erfolgen.

Für die praktische Ausführung des turbinenkennliniennachbildenden Mittels 7 bieten sich bevorzugt analoge Rechenschaltungen an. Es können aber auch in geeignet aufgebauten und organisierten Speichereinheiten Wertegruppen auf digitale Weise hinterlegt werden, die die Kennlinie punktförmig abbilden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kennlinie unmittelbar am Maschinensatz selbst auf meßtechnische Weise aufgenommen, oder an einem Modell auf dem Wege der Simulation nachgebildet wird. Es ist prinzipiell auch möglich, die Turbinenkennlinie unter Berücksichtigung bekannter auslegungsbedingter Daten aus physikalischen und maschinenbaulichen Gleichungssystemen per Berechnung, oder auf andere Weise zu bestimmen.

Es ist besonders vorteilhaft, die Anordnung der Fig. 2 um einen zusätzlichen Maximum-Power-Point-Regler (MPP- Regler) 11 entsprechend Fig. 3 zu ergänzen. Er beaufschlagt das kennliniennachbildende Mittel 7 in zeitlich aufeinanderfolgenden Abständen mit Korrekturwerten kleinen Betrags und geeigneten Vorzeichens, sogenannten "inkrementalen Korrekturwerten" Δ _p . Je nachdem, ob ein solcher Korrekturwert tatsächlich eine Erhöhung der an den Generatorklemmen abgegebenen Wirkleistung P _w hervorgerufen hat oder nicht, wird er im nachfolgenden Zeitintervall um einen weiteren inkrementalen Schritt erhöht, oder dieser wieder zurückgenommen. Wie im Block 7 der Fig. 3 angedeutet, verändern diese Korrekturwerte die Turbinenkennlinie derart, daß unabhängig vom voreingestellten Sollwert P _w * immer der zum maximalen Wirkleistungspunkt gehörige optimale Drehzahlsollwert n* _OPT gefunden wird. Es erübrigt sich somit, ein unter Umständen notwendiges Nachjustieren des Sollwertes P _w *. Eventuelle in den Turbinenkennlinien enthaltene Ungenauigkeiten werden automatisch ausgeglichen. Ferner machen sich langfristige, beinahe unmerkliche Verschiebungen der tatsächlichen Betriebsbedingungen gegenüber den im Mittel 7 unter Umständen bereits zur Zeit der Erstinbetriebnahme hinterlegten Kennlinie nicht bemerkbar, welche z. B. auf einem Verschleiß der Anlage beruhen können. Schließlich ist es besonders vorteilhaft, daß durch den MPP-Regler 11 auch der Generator 3 mit in die Optimierung einbezogen wird, indem auch mögliche zusätzliche Verluste auf der Generatorseite berücksichtigt werden, die den maximalen Leistungspunkt verschieben können. Erfahrungsgemäß werden die zeitlichen Abstände zwischen dem Aufschalten der Korrekturwerte relativ groß gewählt, damit der Regelkreis durch die ständigen inkrementalen Sollwertveränderungen nur wenig gestört wird.

Der Wirkleistungssollwert P* _w am Eingang des Mittels 7 in Fig. 2 wird in der Regel unter Berücksichtigung der momentan zur Verfügung stehenden Wasserkraft ausgewählt. Als ein Maß für die ausnutzbare Wassermenge kann vorteilhaft die Fallhöhe H dienen, die aus der Pegeldifferenz zwischen dem Ober- und Unterwasser vor und nach der Turbine gebildet wird. So ist es besonders vorteilhaft, wenn in Weiterbildung der Erfindung der Wirkleistungssollwert P* _w in Abhängigkeit der aktuellen Fallhöhe H mit einem gesonderten Kennliniengeber optimal vorgesteuert wird. Dieser ermittelt bei gegebener Fallhöhe den für den Betriebspunkt mit maximalem Turbinenwirkungsgrad gehörigen Leistungssollwert P* _wOPT . Ein Kennliniengeber dieser Art ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 dargestellt und mit 15 bezeichnet. Er kann auch in den Anordnungen gemäß den Fig. 2 und 3 zusätzlich eingebracht werden.

Ist zusätzlich noch ein MPP-Regler vorhanden, wie z. B. in Fig. 3, so hat dieser nur noch "Feinarbeit" zu leisten. Obwohl dieser, wie bereits oben ausgeführt, nur relativ langsam eingreift, ergibt sich wegen der wirkungsgradoptimalen Vorsteuerung des Leistungssollwertes nun ein gutes dynamisches Verhalten der gesamten Regelung. So kann eine solche Anordnung auch bei Speicher- bzw. Pumpspeicherwerken eingesetzt werden, die bekanntlich zur Deckung von Lastspitzen dienen, wobei auch mit größeren auf die Regelung einwirkenden Störungen zu rechnen ist.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehzahlsollwertbildung. Das Mittel 7 ist dabei in Weiterbildung der Erfindung nachgebildet als analoge Rechenschaltung aus einem Dividierer 13, einem Radizierer 14 und einer Mischungsstelle 12, welche die Summe bildet aus dem Ausgangssignal des MPP-Reglers 11 und einem "Turbinenkennwert" K _OPT genannten Verstärkungsfaktor. Aus gemessenen Turbinenkennlinien ist zu ersehen, daß sich die Bildung des Drehzahlsollwertes allgemein durch die dritte Wurzel des Wirkleistungssollwertes annähern läßt. Die genaue Abstimmung auf die auslegungsbedingten Daten eines vorliegenden Maschinensatzes insbesondere auf die vorliegenden Stellungen a _o und ϕ der Schaufelgruppen erfolgt dann über eine geeignete Einstellung des Turbinenkennwertes. Dieser kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, daß der MPP-Regler vorübergehend außer Eingriff gebracht und bei gegebener Fallhöhe bevorzugt der Betriebspunkt maximalen Wirkungsgrades ermittelt wird. Hierbei können die Leit- und Laufschaufelstellungen nachjustiert werden, wenn dies möglich ist. Insbesondere wegen der im Bereich kleiner Wirkleistung stärker ins Gewicht fallenden Generatorverluste sorgt auch hier ein MPP-Regler für eine Korrektur. Aus Gründen der Betriebssicherheit und Lebensdauer des Maschinensatzes wird vorteilhaft dessen Drehzahl nach oben begrenzt. Als maximal zulässiger Drehzahlsollwert ist die baureihenspezifische Nenndrehzahl der Turbine bzw. des Generators n _N besonders geeignet. Ein im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zusätzlich vorhandener Begrenzer 8 verhindert somit, daß deren Wert insbesondere infolge von Korrektureingriffen des MPP-Reglers 11 überschritten wird.

Ist die Turbine des Maschinensatzes einfach- bzw. doppeltregulierbar ausgeführt, so kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dessen Leistungsabgabefähigkeit weiter erhöht werden. Liegen besonders günstige Wasserzuflußverhältnisse mit einem hohen Wert an ausnutzbarer Fallhöhe H vor, so kann am Ausgang des Kennliniengebers 15 ein so großer Wirkleistungssollwert auftreten, daß der dazugehörige Drehzahlsollwert aufgrund der Begrenzung nicht mehr einstellbar ist. In diesem Fall kann durch Nachstellung der Öffnung eine der beiden Schaufelgruppen die Leistungsabgabefähigkeit des Maschinensatzes weiter erhöht werden, auch wenn die Drehzahl auf dem Nennwert konstant gehalten werden muß. Am Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 6 wird diese Betriebsweise erläutert.

Wird vom Kennliniengeber 15 ein Wirkleistungssollwert P* _WOPT = P* _N ausgegeben, der einen Drehzahlsollwert n* von der Größe der Nenndrehzahl n _N hervorruft, so beginnt bei weiterer Erhöhung des Wirkleistungssollwertes ein zusätzlicher Funktionsgeber für den Turbinenkennwert 16 zu wirken. Ähnlich dem in Fig. 5 prinzipiell dargestellten Verlauf erhöht er dessen Wert von dem im Leistungsbereich bis P* _N konstanten Betrag K _OPT bis zu einem Höchstwert K _Max so, daß das Ausgangssignal des Dividierers 13 und damit der Betrag der Nenndrehzahl n _N konstant gehalten wird. Das Ausgangssignal des Funktionsgebers 16 dient gleichzeitig über einen weiteren sogenannten ersten Kennliniengeber 20 als Stellsignal für die Öffnung der entsprechenden Schaufelgruppe. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 wird für die vorliegende Betriebsweise die Leitradschaufelgruppe als Stellglied verwendet, deren Öffnung a _o durch den Kennliniengeber 20 in Abhängigkeit von K geführt wird. Es ist auch denkbar, hierfür die Laufradschaufelgruppe zu verwenden, deren Öffnung ϕ dann entsprechend einer anderen im Kennliniengeber 20 hinterlegten Steuerfunktion vorgegeben wird. Der größtmögliche Turbinenkennwert K _Max und damit der absolut maximale Wert der Wirkleistungsabgabe ist abhängig von der größtmöglichen Öffnung der entsprechenden Schaufelgruppe, bei der noch keine unzulässigen Strömungsverhältnisse auftreten. Im Leistungsbereich unterhalb P* _N soll der MPP-Regler nur über die Mischungsstelle 12 und den Dividierer 13 auf den Drehzahlsollwert einwirken, und die Öffnung der benutzten Schaufelgruppe konstant bleiben. Aus diesem Grund werden die auf K aufgeschalteten Korrekturwerte Δ _p unmittelbar vor dem Kennliniengeber 20 über eine weitere Mischungsstelle 19 bei geschlossenem Schalter 18 wieder abgezogen. Ein Komparator 17 erkennt das Erreichen der Nenndrehzahl n _N und öffnet den Schalter 18. In diesem Betriebszustand wirkt der MPP-Regler über die nun veränderliche Öffnung der jeweiligen Schaufelgruppe korrigierend, da der bisherige Signalweg über den Drehzahlsollwert n* insbesondere durch den Begrenzer 8 verschlossen ist.

Die wirkungsgradoptimierte Drehzahlvorgabe gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 liefert ein Höchstmaß an Wirkleistung. Selbst außergewöhnliche Betriebszyklen mit großem Oberwasserpegel können bei Vorliegen einer einfach- bzw. doppeltregulierbaren Turbine trotz Konstanthaltung des Drehzahlsollwertes auf n* _N durch Schaufelverstellung zur erhöhten Energiegewinnung ausgenutzt werden, auch wenn hierdurch insgesamt der Wirkungsgrad des Maschinensatzes etwas abnimmt.

Ist der Maschinensatz mit einer doppeltregulierbaren Turbine ausgerüstet, so ist es im Hinblick auf die Aufrechterhaltung einer wirkungsgradoptimalen Zuordnung von Leit- und Laufradschaufelstellung vorteilhaft, die im Betriebsbereich oberhalb des Nennleistungspunktes nicht zur Leistungserhöhung benutzte Schaufelgruppe mittels einem eigenen, zweiten Kennliniengeber 21 der als Stellglied dienenden Schaufelgruppe nachzuführen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 wird hierzu die Öffnung der Laufradschaufelgruppe ϕ der Öffnung der Leitradschaufelgruppe a _o über den Kennliniengeber 21 nachgeführt.

Bei der Einspeisung elektrischer Energie in ein Verbundnetz sind, abgesehen von der Notwendigkeit einer ausgeprägten zeitlichen Koordination, in der Regel insbesondere an die elektrischen Parameter im Netzübergabepunkt ganz bestimmte Anforderungen geknüpft. Eine wichtige Größe ist dabei der Leistungsfaktor cos ϕ _N der Grundschwingungen von Strom und Spannung im Anschlußpunkt. Da dem Netz durch diverse Verbraucher ohnehin ein Blindleistungsaustausch aufgezwungen wird, sollten kleinere Grundlastkraftwerke ihre Leistung möglichst als reine Wirkleistung mit einem cos ϕ _N = 1 bzw. mit einem leicht kapazitiven Leistungsfaktor von 0,9 abgeben. Aus diesem Grund ist es besonders wichtig, daß die erfindungsgemäße Leistungsregelung nicht nur am Maschinensatz selbst durch geeignete Drehzahlsollwertvorgabe für maximale Wirkleistungserzeugung sorgt, sondern daß diese auch mit einem gewünschten Leistungsfaktor an das Netz weitergegeben werden kann. Dies geschieht durch Einstellung des maschinenseitigen Leistungsfaktors cos ϕ _M über entsprechende Steuerung des Umrichters 4, wobei insbesondere eine zwischen Umrichter und Netz gemäß der Fig. 1 zusätzlich angebrachte, bevorzugt dreiphasige Kondensatorbatterie 6 als Kompensationseinrichtung für eine kapazitive Voreinstellung des Leistungsfaktors sorgt.

Die Vorrichtung nach Fig. 7 zeigt die für eine Regelung des Grundschwingungsleistungsfaktors erfindungsgemäß notwendigen Elemente. Durch Verstellen des Leistungsfaktors cos ϕ _M auf der Generatorseite wird der Ständerstrom so verändert, daß sich zusammen mit der Charakteristik der Kondensatorbatterie 6 der gewünschte Leistungsfaktors cos ϕ _N am Netzübergabepunkt einstellt. Dabei hat es sich zur Bildung des generatorseitigen Leistungsfaktors cos ϕ* _N als vorteilhaft erwiesen, abhängig vom vorliegenden Drehzahlsollwert n* und vom netzseitigen Leistungsfaktorsollwert cos ϕ* _N das Produkt cos ϕ _M * · ψ* über einen Kennliniengeber 30 vorzusteuern. Dessen Kennlinie ist abhängig vom jeweiligen Generator und berücksichtigt insbesondere den Verlauf des Maschinenflusses bzw. dessen Sollwert c*. Der Vorsteuerwert cos ϕ _M * · ψ* wird über einen Leistungsfaktorregler 31 durch Aufschalten von Korrekturwerten Δ _L in einer Mischungsstelle 32 korrigiert. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zur Umgehung der Uneindeutigkeit der Cosinus-Funktion um den Nullpunkt nach Umsetzung des Leistungsfaktorist- und Sollwertes in entsprechende Sinus-Funktionen der Winkel über zwei Umsetzer 34 und 35 der Leistungsfaktorregler 31 von der Regelabweichung

Δ sin ϕ _N = sin ϕ _N * - sin ϕ _N

angesteuert wird. Zur Versorgung der Umrichtersteuerung 43 mit dem gewünschten Sollwert des Leistungsfaktors an den Generatorklemmen cos ϕ* _M wird schließlich der korrigierte Vorsteuerwert cos ϕ _M * · ψ* in einem Dividierer 33 durch einen in erster Näherung konstant vorgegebenen Sollwert des Maschinenflusses ψ* dividiert, welcher zusätzlich noch in der Umrichtersteuerung 43 als Korrektursignal benötigt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es gemäß Fig. 8 vorteilhaft, den Generatorfluß über einen weiteren Kennliniengeber 37 in Abhängigkeit des vorliegenden Drehzahlsollwertes n* vorzusteuern. Insbesondere bei höheren Drehzahlen kann hiermit zur Berücksichtigung der Eisenverluste eine Feldschwächung vorgenommen werden.

Die Regelung der Maschinendrehzahl n* ist über den Maschinenstrom I aufgrund der inneren Struktur der Strecke mit der Regelung des Leistungsfaktors cos d _M gekoppelt. Stelleingriffe des Leistungsfaktorrreglers 31 verändern die Verhältnisse in der Maschine derart, daß sich bei gegebener Wirkleistung der Strom I einstellt, der für den gewünschten netzseitigen Leistungsfaktor cos ϕ _N erforderlich ist. Der Sollwert I* für diesen Ständerstrom I wird aber vom Drehzahlregler 11 vorgegeben. Aus diesem Grund ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß der Fig. 9 vorteilhaft, den vom Stellsignal Y _n des Drehzahlreglers 10 vorgegebenen Stromsollwert I* entsprechend der Beziehung vorzusteuern. Hierdurch werden Stelleingriffe über das Produkt cos d _M * · ψ* direkt auf die eigentliche Veränderliche I aufgeschaltet, ohne daß es unter Umständen zu einer nennenswerten, vorübergehenden Änderung des Drehzahlistwertes kommt. Da nun der Drehzahlregler diese Störungen nicht mehr allein mit Hilfe seines Frequenzganges ausgleichen muß, wird das dynamische Verhalten der gesamten Regelung wesentlich verbessert. Zur Bereitstellung der gewünschten Vorsteuergröße Δ I* dient gemäß Fig. 9 der Multiplizierer 38 und der Dividierer 39, dessen Ausgangssignal schließlich über die Mischungsstelle 30 auf den Stromsollwert I* aufgeschaltet wird.

Aufgrund der nichtlinearen Streckenveränderung im Leistungsfaktorregelkreis hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, die Regelabweichung Δ sin ϕ _N am Eingang des Leistungsfaktorreglers 31 anzupassen. Mit Hilfe eines zusätzlichen Dividierers 41 gemäß Fig. 10 wird dieses Signal auf den vorhandenen Wirkleistungssollwert P* _wOPT bezogen, so daß die Regelkreisverstärkung nun konstant ist. Dem gleichen Zweck der Linearisierung der Verstärkung im Drehzahlregelkreis dient schließlich die Division des Ausgangssignals Y _n des Drehzahlreglers 10 durch den Sollwert des Maschinenflusses ψ*.

Claims (15)

1. Maschinensatz (1), der aus einer Wasserturbine (2) mit je einer ortsfesten und einer rotierenden Schaufelgruppe, Leit- und Laufradschaufeln genannt, und einem fest angekuppelten Generator (3) besteht, der über einen frequenzregelbaren Umrichter (4) ein elektrisches Netz konstanter Frequenz (5) speist, wobei durch Einstellung der Drehzahl des Maschinensatzes (n) über einen Drehzahlregler (10) ein gewünschter Betrag an Wirkleistung (P _w ) abgegeben wird, gekennzeichnet durch ein Mittel (7), das Turbinenkennlinien nachbildet und einen Drehzahlsollwert (n*) abhängig von einem gewünschten Wirkleistungssollwert (P _w *) vorgibt.

2. Maschinensatz nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einen Wirkleistungswert (P _w ) auswertenden Maximum-Power-Point-Regler (MPP-Regler) (11), der durch sukzessives Aufschalten inkrementaler Korrekturwerte (Δ _p ) auf das Mittel (7) die Vorgabe des Drehzahlsollwertes (n*) verändert, bis maximale Wirkleistung ans Netz abgegeben wird.

3. Maschinensatz mit einem Mittel (7) nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Radizierer (14) zur Bereitstellung des Drehzahlsollwertes (n*), der die dritte Wurzel bildet aus dem Quotienten (13) des Wirkleistungsollwertes (P _w *) bezogen auf die Summe aus Korrekturwert (Δ _p ) des MPP-Reglers (11) und einem Turbinenkennwert (K _OPT ).

4. Maschinensatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenkennwert (K _OPT ) den Kennlinienzusammenhang zwischen gewünschtem Leistungspunkt und dazugehöriger Drehzahl unter Berücksichtigung des maximal möglichen Wirkungsgrades des jeweiligen Maschinensatzes als Funktion der vorliegenden Stellungen der Schaufelgruppen (a _o , ϕ) festlegt.

5. Maschinensatz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kennliniengeber für den Wirkleistungssollwert (15) (P _w *), der diesen abhängig von der aktuellen Fallhöhe (H) und dem maximal möglichen Wirkungsgrad der Turbine (3) optimal (P _w *OPT) vorgibt.

6. Maschinensatz nach Anspruch 4 und 5 mit einer einfach- bzw. doppeltregulierbaren Turbine, gekennzeichnet durch

• a) einen Funktionsgeber für den Turbinenkennwert (16) (K _OPT ), der diesen bei Überschreiten eines Grenzwertes des Wirkleistungssollwertes (P _N *) derart erhöht, daß der Drehzahlsollwert des Maschinensatzes auf einem maximal zulässigen Wert konstant gehalten wird, und
• b) einen ersten Kennliniengeber für eine der beiden Schaufelgruppen (20, a _o bzw. 20, ϕ), welcher nach Erreichen des maximal zugelassenen Drehzahlsollwertes die Öffnung dieser Schaufelgruppe abhängig von der Summe (12) aus Korrekturwert (Δ _p ) des MPP-Reglers (11) und des Turbinenkennwertes (K _OPT ) nachführt.

7. Maschinensatz nach Anspruch 4 oder 5 mit einer doppeltregulierbaren Turbine, gekennzeichnet durch

• a) einen Funktionsgeber für den Turbinenkennwert (16) (K _OPT ), der diesen bei Überschreiten eines Grenzwertes des Wirkleistungssollwertes (P _N *) derart erhöht, daß der Drehzahlsollwert des Maschinensatzes auf einem maximal zulässigen Wert konstant gehalten wird,
• b) einen ersten Kennliniengeber für eine der beiden Schaufelgruppen (20, a _o bzw. 20, ϕ), welcher nach Erreichen des maximal zugelassenen Drehzahlsollwertes die Öffnung dieser Schaufelgruppe abhängig von der Summe aus Korrekturwert (Δ _p ) des MPP-Reglers (11) und des Turbinenkennwertes (K _OPT ) nachführt, und
• c) einen zweiten Kennliniengeber für die andere der beiden Schaufelgruppen (21, ϕ bzw. 21, a _o ), welcher die Öffnung dieser Schaufelgruppe dem Ausgangssignal des ersten Kennliniengebers so nachführt, daß die für die Aufrechterhaltung eines optimalen Turbinenwirkungsgrades erforderlichen Zuordnung von Leit- und Laufradschaufelstellung erhalten bleibt.

8. Maschinensatz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Begrenzer (8), der den maximal zulässigen Drehzahlsollwert des Maschinensatzes auf dessen spezifische Nenndrehzahl (n _N ) begrenzt.

9. Vorrichtung zur Regelung des Grundschwingungsleistungsfaktors (cos d _N ) auf der Netzseite eines Maschinensatzes, insbesondere eines Maschinensatzes nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• a) einen Kennliniengeber (30) für das Produkt aus einem Generaturflußsollwert (ψ*) mit dem Sollwert der Cosinus-Funktion des Phasenverschiebungswinkels (ϕ _M ) zwischen Strom und Spannung an den Generatorklemmen (cos ϕ _M *), der an seinem Ausgang das Produkt abhängig von einem Sollwert der Drehzahl (n*) des Maschinensatzes (1) je nach dem gewünschten Sollwert des Grundschwingungsleistungsfaktors bereitstellt,
• b) einen Leistungsfaktorregler (31), der in Abhängigkeit der Regelabweichung des Phasenverschiebungswinkels zwischen Strom und Spannung auf der Netzseite (d _N ) den vom Kennliniengeber (30) bereitgestellten Sollwert korrigiert, und
• c) einen Dividierer (33), der den vom Leistungsfaktorregler (31) korrigierten Sollwert des Kennliniengebers (30) durch einen vorgegebenen Sollwert für den Generatorfluß (ψ*) dividiert und einer dem Umrichter zugeordneten Steuerung (43) als Stellsignal vorgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelabweichung für den Leistungsfaktorregler (31) die Differenz der Sinusfunktionen von Soll- und Istwert des Phasenverschiebungswinkels auf der Netzseite (Δ sin ϕ _N ) herangezogen wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen weiteren Kennliniengeber für den Generatorfluß (37) (ψ*), der diese Größe abhängig vom aktuellen Drehzahlsollwert (n*) des Maschinensatzes an seinem Ausgang vorgibt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, gekennzeichnet durch

• a) einen Multiplizierer (38) zur Bildung des Produktes aus dem Drehzahlsollwert (n*) des Maschinensatzes mit dem Ausgangssignal des Kennliniengebers für das Produkt aus Generatorflußsollwert (ψ*) und der Cosinus-Funktion des Phasenverschiebungswinkels (ϕ _M ) zwischen Strom und Spannung an den Generatorklemmen (30),
• b) einen Dividierer (39), der einen Wirkleistungssollwert (P _w *) durch das Ausgangssignal des Multiplizierers (38) dividiert, und
• c) eine Summationsstelle (40) zur Vorsteuerung des Stromsollwertes für die Umrichtersteuerung, die auf den vom Drehzahlregler (10) als Stellsignal (Y _n ) vorgegebenen Stromsollwert (I*) das Ausgangssignal (Δ I*) des Dividierers (39) aufschaltet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch einen Dividierer (41), der die Regelabweichung der Sinus-Funktion des Phasenverschiebungswinkels zwischen Strom und Spannung auf der Netzseite (Δ sin d _N ) durch Division mit dem gewünschten Wirkleistungssollwert (P _w *) angepaßt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch einen Dividierer (42), der die Stellgröße (Y _n ) des Drehzahlreglers (10) durch Division mit dem Generatorflußsollwert (ψ*) angepaßt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine Kondensatorbatterie (6), die zwischen Umrichter (4) und Netz (5) als Filtereinrichtung angeschlossen ist.