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Verfahren zur Regelung von zusammenarbeitenden Wasserkraftwerken In
Kraftnetzen mit mehreren zusammenarbeitenden Wasserkraftwerken wird gewöhnlich ein
Werk, und zwar das größte, auf die Periodenzahl geregelt, während die übrigen auf
ein vorbestimmtes Entleerungsprogramm des Wasserspeichers geregelt werden. Diese
Kraftwerke werden deshalb ohne Rücksicht auf die Belastung geregelt, außer in gewissen
Sonderfällen, wenn sie durch manuelle Eingriffe zur Regelung der Frequenz herangezogen
werden. Sie werden also nicht direkt zur Frequenzregelung beitragen, sondern die
Turbinengeschwindigkeit wird ganz von dem führenden Kraftwerk bestimmt.
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Man kann auch mehrere parallel arbeitende Kraftwerke so regeln, daß
ein oder mehrere an das Netz angeschlossene Kraftwerke, die an ein bestimmtes Entleerungsprogramm
gebunden sind, vorübergehend so geregelt werden, daß sie zum Aufrechterhalten der
Frequenz auf einen bestimmten Wert beitragen. Diese Kraftwerke werden dann individuell
so geregelt, daB sie bei einer Frequenzsenkung im Netz zu der Energieversorgung
mit einem zusätzlichen, zur Frequenzsenkung proportionalen, momentan einsetzenden
und nachher abnehmenden Leistungsbetrag beitragen. Bei einer Frequenzerhöhung im
Netz erfolgt in entsprechender Weise eine momentan einsetzende und nachher abnehmende
Verminderung der von dem Kraftwerk abgegebenen Leistung.
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Bei den bisher gebräuchlichen Turbinenreglern liegt es auf der Hand,
die Regelung so vorzunehmen, daß die Leistungserhöhung mit einer konstanten Geschwindigkeit
abnimmt. Eine derartige Regelung ist aber mit dem Nachteil verbunden, daB
der
Energiezuschuß, der einer gewissen Frequenzsenkung entspricht, dem Quadrat dieser
Senkung proportional wird. Hieraus folgt, daß die Entnahme von Energie aus dem Kraftwerk,
die bei einer plötzlichen Senkung der Frequenz erfolgt, nicht gleich der Verminderung
der Energieentnahme wird, die eine Folge eines nachher eintretenden Rückganges der
Frequenz auf den Normalwert ist, sofern dieser Rückgang nicht momentan erfolgt,
sondern in mehreren Schritten oder kontinuierlich innerhalb einer gewissen Zeit
stattfindet.
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Das oben Gesagte dürfte aus folgenden Überlegungen klar sein: Wenn
die Netzfrequenz zunächst um einen gewissen Betrag d fa momentan vermindert
wird, wird die vom Kraftwerk abgegebene Leistung um einen zu dieser Frequenzz3 proportionalen
Betrag dP erhöht. Wenn die Leistungserhöhung nachher mit konstanter Geschwindigkeit
abnimmt, entspricht sie einer Energiemenge, die dem Ouadrat des Anfangswertes der
Leistung proportional ist, also E = a (J P)2, und entspricht einer Wassermenge,
die auch dem Quadrat der Leistungserhöhung proportional ist. Diese Wassermenge ihrerseits
entspricht einer ihr proportionalen Senkung des Wasserspiegels, 1i. in dem Wasserspeicher.
Wenn nachher die Frequenz im Netz mit einem Schritt um denselben Betrag
An
steigt, wird die vom Kraftwerk entnommene Leistung um einen Betrag d P
momentan vermindert, und da die Leistungsverminderung auch in derselben Weise wie
vorher die Leistungserhöhung mit einer konstanten Geschwindigkeit abklingt, wird
hierdurch derselbe Energiebetrag gespart. Hierdurch wird wieder der Wasserspiegel
um den Betrag d h erhöht, und in diesem Falle wird also die Höhe des Wasserspiegels
in dem-Speicher beibehalten.
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Würde dagegen die Frequenzerhöhung im Netz zurück zu der Normalfrequenz
nicht in einem, sondern in zwei gleich großen Schritten 1/2d sa erfolgen, so daß
die Verminderung der Leistungsentnahme aus dem Kraftwerk mit jedem Schritt 112,4P
wird, so wird die bei jedem Schritt gesparte Energiemenge E1= a (1/2,4 P)
2, und wenn die Normalfrequenz erreicht ist, ist also nur eine Energiemenge
a E1= 1/2 a (d P)2 gespart, das heißt nur die Hälfte der Energie bzw.
Wassermenge, die bei der vorhergehenden Frequenzsenkung verbraucht wurde.
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Werden also mehrere solche Regelungseingriffe wiederholt, so wird
der Wasserspiegel des Speichers sinken.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von zusammenarbeitenden
Wasserkraftlverken, von welchen mindestens eines, das nach einem vorbestimmten Programm
arbeitet, so geregelt wird, daß es bei einer Änderung der »,Netzfrequenz vorübergehend
durch eine Leistungserhöhung bzw. -verminderung zum Zurückführen der Netzfrequenz
auf ihren Nennwert beiträgt. Nach der Erfindung erfolgt die Regelung so, daß der
Anfangswert der Leistungserhöhung bzw. -verminderung proportional der Frequenzänderung
wird. und daB die Leistungsänderung nachher mit einer Geschwindigkeit herabgeregelt
wird, die der Leistungsänderung selbst proportional ist. Dies bedeutet, mit anderen
Worten, dar die Leistungsänderung nach einer e-Funktion abnehmen soll.
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Bei Regelung von Kraftwerken, wo der Wirkungsgrad der Turbinen von
der Belastung abhängig ist und somit keine Proportionalität zwischen Energiemenge
und Wassermenge besteht, kann man trotzdem durch besondere Mittel leicht eine solche
Regelung erhalten, daß man eine Proportionalität zwischen der Frequenzänderung des
Netzes und der entsprechenden Wassermenge und somit auch in diesem Falle eine konstante
Höhe des Wasserspiegels im Speicher erhält.
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Die obengenannte Regelung kann z. B. dadurch erhalten werden, daß
die Veränderung in der Stellung des Leitapparates, die ,durch eine Frequenzänderung
auf dem Netz herbeigeführt wird, mit einer Geschwindigkeit zurückgeführt wird, die
in jedem Augenblick der Abweichung -der Stellung des Leitapparates von der Stellung,
welche der normalen Leistungsabgabe entspricht, proportional ist. Dies bedeutet
mit anderen Worten, daß der Leitapparat in die Normallage nach einer fallenden e-Funktion
der Zeit zurückgeführt wird.
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Diese Regelung kann auf verschiedene Weise erfolgen, abhängig von
der Beschaffenheit des Reglers, der für die Turbinenregelung verwendet wird. Wird
z. B. ein gewöhnlicher mechanischhydraulischer Regler mit einem elektrischen Drehzahlv
erstellmotor für die Umstellung der Spannung der Pendelfeder benutzt, so wird dieser
Motor so geregelt, daß er die Spannung der Pendelfeder so ändert, daß der Leitapparat
trotz der Frequenzänderung des Netzes in die ursprüngliche Lage zurückgeführt wird,
d. h. in die Lage, die er vor der auftretenden Frequenzänderung hatte, wobei der
Motor so geregelt wird, daß der Leitapparat mit einer Geschwindigkeit zurückgeführt
wird, die in jedem Augenblick der Abweichung des Leitapparates von der ursprünglichen
Lage proportional ist.
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In der Zeichnung ist in Fig. i eine Anordnung für die Regelung des
Drehzahlverstellmotors auf die erwähnte Weise schematisch gezeigt. In der Zeichnung
bezeichnet i den Drehzahlverstellmotor mit einem konstanten Feld a. Dieser Motor
wird mit dem Spannungsunterschied zwischen zwei Kontakten 3 und q. auf zwei Spannungsteilern
5 und 6 gespeist, die ihrerseits von einer konstanten Gleichstromquelle gespeist
werden. Die Lage des Kontaktes 3 ist fest, kann jedoch auf irgendeinen gewünschten
Wert eingestellt werden, der von der gewünschten mittleren Strömung durch die Turbine
abhängig ist, wogegen die Lage des Kontaktes q. durch die Stellung des Leitapparates
bestimmt ist. Die notwendige Proportionalität zwischen der Geschwindigkeit des Drehzahlverstellmotors
i und der Abweichung des Leitapparates von der Normalstellung des Leitapparates
wird dadurch erreicht, daß der Spannungsunterschied zwischen den Kontakten 3 und
4 - proportional zur
Abweichung der Stellung des Leitapparates ist.
Eine Bedingung für diese Regulierung besteht darin, daß eine direkte Proportionalität
einerseits zwischen den Umdrehungen, um welche sich der Motor i bewegt hat, und
der dadurch bewirkten Änderung der Spannung der Reglerpendelfeder und andererseits
zwischen dieser Änderung der Federspannung und der entsprechenden Bewegung des Leitapparates
bei unveränderter Netzfrequenz besteht.
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In Fig. 2 ist eine für praktische Zwecke besonders geeignete Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, welche besonders für die Regulierung auf konstanten mittleren
Durc.hfluß durch die Turbine geeignet ist. In dieser Figur bezeichnet. gleich wie
in Fig. 1, 6 einen Widerstand mit einem Kontakt .4, dessen Lage von der Einstellung
des Leitapparates abhängig ist. 5 ist ein Widerstand mit einem Kontäkt 3, dessen
Lage für eine gewisse mittlere Strömung eingestellt werden kann. Zwischen den Kontakten
q. und 3 sind zwei impulsgebende Milliamperestundenzähler 17 und 18 eingeschaltet.
Jeder dieser Zähler ist mit einer Sperrvorrichtung versehen, so daß der eine nur
in der einen und der andere nur in der umgekehrten Richtung laufen kann. Auf der
Welle der Zähler sind Kontakt: i9 bzw. 20 vorhanden, so daß die Impulsmotoren 21
bzw. 22 treibende Impulse erhalten. Die Impulsfrequenz wird somit proportional dem
Spannungsunterschied zwischen den Kontakten 3 und q. und damit proportional der
Abweichung des Leitapparates von der Normalstellung. Die Impulskontakte i9 und 20
sind in Reihe mit Impulsmotoren 211 und 22 eingescha'tet, die über ein Differentialgetriebe
einen Kontaktarm 24 am Widerstand 23 steuern. Eine gewisse Leistungsabweichung dP
entspricht einer Verschiebung des Kontaktes q. und damit einer gewissen Geschwindigkeit
der Impulsgeber 17 und i8 und damit der Impulsmotoren 21 und 22. Da diese über ein
Differentialgetriebe mit dem Kontakt 241 gekuppelt sind, wird dieser auf dem Widerstand
23 um eine Strecke verschoben, welche dem Zeitintegral der Leistungsabweichung proportional
ist. Zwischen diesem Kontaktarm und einem Kontakt 25 auf einem Widerstand 26 ist
ein Relais 27 mit Kontakten 28 und 29 eingeschaltet, welche ihrerseits in Reihe
mit dem Drehzahlverstellmotor i eingeschaltet sind. Das Relais 27 steuert über die
Kontakte 28 und 29 den Drehzahlverstellmotor i so, daß der mit ihm zusammengekuppelte
Kontakt 25 sich so einstellt, daß der Strom durch das Relais 27 Null wird. Der Kontakt
25 und die mit demselben verbundene Feder des Reglers folgt also stetig der Bewegung
des Kontaktes 2q..
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Bei elektrohydraulischer Regulierung der Turbine wirkt der Drehzah'lverstellmotor
nicht auf eine Feder, sondern bewegt statt dessen einen Kontakt eines Spannungsteilers,
von welchem eine Spannung zu einer Spule eines elektrischen Reglers abgenommen wird.
Eine solche Anordnung ist. in Fig. 3 gezeigt, wo 7 der Spannungsteiler und 8 der
durch den Motor i verschobene Kontakt und 9 die genannte Spule ist. Die vorstehend
erwähnten Anordnungen werden für Regulierung auf konstanten mittleren Turbinendurchfluß
benutzt.
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Will man aber auf konstante mittlere Wasserspiegelhöhe des Speichers
regeln, wird die durch die Frequenzänderung hervorgerufen-, Änderung der Stellung
des Leitapparates der Turbine in Abhängigkeit von der veränderten Höhe des Wasserspiegels
wiederhergestellt.
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Eine Anordnung für die Regelung auf eine konstante Wasserspiegelhöhe
ist schematisch in Fig. q. gezeigt, welche eine Anordnung für mechanischhydraulische
Regelung zeigt. io ist ein Widerstand mit einem Kontakt i i, ,dessen Lage von der
Spannung der Reglerpendelfeder abhängig ist. 12 ist ein Widerstand mit einem Kontakt
13, dessen Lage von der Lage eines Schwimmers im Wasserspeicher des Werkes abhängig
ist, und zwischen den Kontakten i i und 13 ist ein polarisiertes Relais 14 eingeschaltet,
welches über die Kontakte 15 und 16 den Drehzahlverstellmotor i für das Laufen in
der einen oder anderen Richtung einschaltet.. Dieser Motor wirkt auf die Reglerpendelfeder,
und die Anordnung wirkt auf die folgende Weise: Bei einer eintreffenden Frequenzveränderung
wird der Drehzahlregler die Stellung des Leitapparates verändern. Zufolge der Änderung
der Stellung des Leitapparates wird das Gleichgewicht zwischen Zufluß und Abfluß
aus dem Speicher gestört, so daß die Höhe des Wasserspiegels sich verändert und
somit die Lage des mit dem Schwimmer verbundenen Kontaktes 13. Wenn der Kontakt
13 bewegt wird, tritt eine Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten i i und 13
auf, so daß die Kontakte 15 oder 16 im Relais 14 je nach der Richtung des Spannungsunterschiedes
geschlossen werden und der =Motor i in der einen oder anderen Richtung angelassen
wird und den Kontakt i i so bewegt, daß sein Potential die ganze Zeit dem Potential
des Kontaktes 13 folgt.. Durch die Bewegung des Kontaktes i i wird jedoch die Stellung
des Leitapparates so verändert, daß die ursprüngliche Wasserspiegel'höhe wieder
hergestellt wird.