WO2018172153A1 - Reduzierung des verschleisses der rotorwicklung von generatoren durch messung und regelung der rotorwicklungstemperatur - Google Patents

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a method for keeping constant the temperature of the gas-cooled rotor winding of a generator by temperature-dependent or load-dependent control of the cooling gas pressure.
  • the invention also relates to a method for reducing the wear of the rotor winding of generators by closed-loop control of the rotor winding temperature.
  • the wear of the rotor winding can be reduced by oversizing the generator. Early renewal of the rotor windings can reduce the risk of failure due to wear of the rotor winding during operation with many load changes.
  • Premature wear of the rotor winding can in principle be counteracted by increased cooling, such as water cooling of the rotor winding, reduction of the cold gas temperature or by additional cooling devices.
  • increased cooling such as water cooling of the rotor winding, reduction of the cold gas temperature or by additional cooling devices.
  • Weite- Re measures are given by over-dimensioning of the generator or by frequent rewinding of the rotor.
  • the invention is based on the problem of specifying for a gas-cooled generator a method which counteracts the excessive wear of the rotor winding by alternating excitation currents.
  • thermo-mechanical stress on the rotor winding since the rotor winding is largely driven at a constant temperature
  • the excitation current and the excitation voltage are measured and from this the current rotor winding temperature over the ohmic resistance of the winding as well as over the time theoretically adjusting rotor winding temperature determined by the electrical heating power. From the determination of the theoretically adjusting rotor winding temperature over time, the pressure of the cooling gas can be influenced at an early stage such that the practical change in the rotor winding temperature is minimized.
  • a preemptive, predictive Be ⁇ influencing the gas pressure is realized whereby the amendments tion of the rotor winding temperature further reduced.
  • Figure 1 shows the minimum necessary gas pressure per operating point based on the rotor temperature.
  • thermo-mechanical loads on the gas-cooled generator rotor winding with strongly fluctuating excitation currents due to constant variation of the cooling gas pressure.
  • the rotor winding is heated to an approximately constant temperature by means of regulated the cooling gas pressure, whereby the frequency of high thermo-mechanical stresses is reduced.
  • the continuous variation of the cooling gas pressure makes it possible to control and limit the rotor winding temperature to a predefinable setpoint value.
  • the setpoint of the temperature for the control is determined plant-specific, depending on the operating mode (base load, peak load, phase shifter et cetera). As the load on the generator increases, the cooling gas pressure on the generator rotor is increased and the rotor winding temperature is kept constant as far as possible by increased heat removal capacity of the cooling gas or the temperature change is minimized.
  • the current average rotor winding temperature is determined in a variant indirectly from the measurement of the excitation current and the excitation voltage of the rotor winding.
  • the current rotor winding temperature is compared with the temperature setpoint.
  • the temperature setpoint is the above specified temperature.
  • the excess generator pressure is reduced or kept to a minimum pressure, such as 0 bar or 0.03 bar, by discharging the gas in the generator housing.
  • the discharge of the gas contained in the genes can be controlled via ⁇ ratorgephaseuse geeig ⁇ designated valves and lines, above the roof or uncontrolled leakage about the passage of the wave generator through the generator housing and the generator housing itself can be realized Siert.
  • the overpressure of the cooling gas in the generator is increased, optionally to a maximum pressure, such as 1 bar in air or 4 bar in hydrogen, or held. This can be realized for example by the connection of a compressor or by the removal of the cooling gas from a tank with higher pressure.
  • Generators with slip ring excitation are synchronous generators in which the exciter current is supplied via slip rings from the outside. The supply of excitation current via slip rings allows easy measurement of the
  • the invention described here is also applicable to generators in which the excitation current and the excitation voltage can not be measured directly in a simple manner.
  • the excitation current and the excitation voltage can not be measured directly in a simple manner.
  • Figure 1 shows in a pressure diagram (pressurization pattern) the minimum necessary gas pressure in bar per operating point relative to the rotor temperature, wherein the line Lim indicates the limit of the performance diagram, within which the generator may be operated permissible. This is realized in the control via a logic.
  • the assignment between the operating point of the generator on the one hand and the required pressure of the cooling gas on the other hand for a constant Rotorwicklungstem ⁇ temperature is stored in a map of the control system for the generator and is used for the control.
  • Under gas-cooled rotor windings rotor windings are to be understood here, which are cooled with air, hydrogen or nitrogen.
  • various gases such as air, hydrogen or a mixture, at least consisting of helium or nitrogen, can be used.
  • the invention is also given by a method for controlling the gas-cooled rotor winding of a particular slip-excited generator to a constant temperature by temperature-dependent or load-dependent control of the cooling gas pressure.
  • Incr - increase the gas pressure to control the rotor winding temperature

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelung der gasgekühlten Rotorwicklung von Generatoren auf eine konstante Temperatur durch temperaturabhängige oder lastabhängige Regelung (closed loop control) des Kühlgasdruckes. Die Erfindung bringt eine deutlich reduzierte thermo-mechanische Beanspruchung der Rotorwicklung mit sich, da die Rotorwicklung weitgehend auf konstanter Temperatur gefahren wird.

Description

Beschreibung
Reduzierung des Verschleißes der Rotorwicklung von Generatoren durch Messung und Regelung der Rotorwicklungstemperatur
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstanthaltung der Temperatur der gasgekühlten Rotorwicklung eines Generators durch temperaturabhängige oder lastabhängige Regelung des Kühlgasdruckes .
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Reduzierung des Verschleißes der Rotorwicklung von Generatoren durch Regelung (closed loop control) der Rotorwicklungstemperatur.
Durch den steigenden Anteil der erneuerbaren Energieerzeuger werden die Generatoren der fossilen Energieerzeuger im Verbundnetz immer stärker dynamisch mit wechselnden Leistungen (viele Laständerungen und Start/Stopp Zyklen) beansprucht. Hierbei ändern sich nicht nur die Wirkleistungen sondern auch die Blindleistungen, mit denen die Generatoren beaufschlagt werden. Dies führt zu einer zunehmenden thermo-mechanischen Beanspruchung der Rotorwicklungen der Generatoren, da immer wieder entsprechend der geänderten Leistungsanforderung der Erregerstrom angepasst werden muss. Als Folge stellt sich ein wesentlich höherer Verschleiß bei den Rotorwicklungen ein.
Bei hohen Beanspruchungen der Rotorwicklung durch stark wechselnde Erregerströme kann der Verschleiß der Rotorwicklung durch Überdimensionierung des Generators reduziert werden. Frühzeitige Erneuerungen der Rotorwicklungen können das Ausfallrisiko durch Verschleiß der Rotorwicklung bei Betrieb mit vielen Laständerungen reduzieren.
Einem vorzeitigen Verschleiß der Rotorwicklung kann prinzipiell durch verstärkte Kühlung, wie zum Beispiel Wasserkühlung der Rotorwicklung, Senkung der Kaltgastemperatur oder durch zusätzliche Kühleinrichtungen, entgegengewirkt werden. Weite- re Maßnahmen sind durch eine Überdimensionierung des Generators oder durch häufige Neuwicklungen des Rotors gegeben.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für einen gasge- kühlten Generator ein Verfahren anzugeben, das dem übermäßigen Verschleiß der Rotorwicklung durch wechselnde Erregerströme entgegenwirkt.
Das Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird vorgeschlagen, durch Regelung der Rotorwicklung auf eine konstante Temperatur die Häufigkeit von hohen thermo- mechanischen Spannungen zu reduzieren.
Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich:
- Deutlich reduzierte thermo-mechanische Beanspruchung der Rotorwicklung, da die Rotorwicklung weitgehend auf konstanter Temperatur gefahren wird,
- Durch Regelung der Rotorwicklung auf eine konstante Temperatur wird die Häufigkeit von hohen thermo- mechanischen Spannungen reduziert,
- Einhaltung der erlaubten Temperaturbereiche entsprechend der spezifizierten Isolierstoffklasse der Rotorwicklung, - Verbessertes Schwingungsverhalten des Generatorrotors durch reduzierten thermischen Einfluss,
- Reduziertes Ausfallrisiko und bessere Verfügbarkeit des Generators ,
- Robuste und aufwandeffiziente Lösung,
- Gute Eignung für den Einsatz des Generators in Netzsta¬ bilitätsanwendungen als rotierender Phasenschieber,
- Reduzierter Service-Aufwand und somit niedrigere Lang¬ zeit-Wartungskosten .
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden der Erregerstrom und der Erregerspannung gemessen und daraus die aktuelle Rotorwicklungstemperatur über den ohmschen Widerstand der Wicklung sowie die sich über die Zeit theoretisch einstellende Rotorwicklungstemperatur über die elektrische Heizleistung ermittelt. Aus der Ermittlung der sich über die Zeit theoretisch einstellenden Rotorwicklungstemperatur kann der Druck des Kühlgases frühzeitig beeinfusst werden derart, dass die praktische Änderung der Rotorwicklungstemperatur minimiert wird. Hierbei ist eine vorauseilende, prediktive Be¬ einflussung des Gasdruckes realisiert, wodurch sich die Ände- rung der Rotorwicklungstemperatur weiter reduziert.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Ständerwicklung direkt mit einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, zu kühlen, was in vorteilhafter Wei- se eine thermische Entkoppelung der Ständerwicklung von der gasgekühlten Rotorwicklung bewirkt. Diese Maßnahme gestattet in Kombination mit einer gezielten Regelung der Rotorwicklungstemperatur bei erhöhtem Gasdruck und damit verstärkter Kühlung an der Grenze zur maximal zulässigen Rotorwicklungs- temperatur eine Leistungssteigerung des Generators. Hierbei sind Einhaltung und optimale Ausnutzung der erlaubten Temperaturbereiche entsprechend der spezifizierten Isolierstoff¬ klasse der Rotorwicklung gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Fi- gur näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig 1 den minimal nötigen Gasdruck je Betriebspunkt bezogen auf die Rotortemperatur.
Erfindungsgemäß wird für Generatoren vorgeschlagen, die ther- mo-mechanischen Belastungen der gasgekühlten Generatorrotorwicklung bei stark schwankenden Erregerströmen durch laufende Variation des Kühlgasdruckes zu reduzieren. Die Rotorwicklung wird auf eine annähernd konstante Temperatur mittels Verände- rung des Kühlgasdruckes geregelt, wodurch die Häufigkeit von hohen thermo-mechanischen Spannungen reduziert wird.
Die laufende Variation des Kühlgasdruckes ermöglicht eine Re- gelung und Begrenzung der Rotorwicklungstemperatur auf einen vorgebbaren Sollwert. Der Sollwert der Temperatur für die Regelung wird anlagenspezifisch, je nach Betriebsart (Grundlast, Spitzenlast, Phasenschieber et cetera) festgelegt. Mit steigender Belastung des Generators wird der Kühlgasdruck am Generator-Rotor erhöht und die Rotorwicklungstemperatur durch gesteigertes Wärmeabfuhrvermögen des Kühlgases nach Möglichkeit konstant gehalten oder die Temperaturänderung minimiert.
Die aktuelle mittlere Rotorwicklungstemperatur wird in einer Variante indirekt aus der Messung des Erregerstromes und der Erregerspannung der Rotorwicklung ermittelt. Die aktuelle Rotorwicklungstemperatur wird mit dem Temperatur-Sollwert verglichen. Der Temperatur- Sollwert ist die oben genannte vorgebbare Temperatur.
Liegt die aktuelle mittlere Rotorwicklungstemperatur unter dem Temperatur- Sollwert, so wird der Generatorüberdruck durch Ablassen des im Generatorgehäuse befindlichen Gases auf einen Minimaldruck, wie zum Beispiel 0 bar oder 0,03 bar, ab- gesenkt, beziehungsweise gehalten. Das Ablassen des im Gene¬ ratorgehäuse befindlichen Gases kann kontrolliert über geeig¬ nete Ventile und Leitungen, über Dach oder unkontrolliert über Undichtigkeiten am Durchtritt der Generatorwelle durch das Generatorgehäuse und des Generatorgehäuses selbst reali- siert werden.
Ist die aktuelle mittlere Rotorwicklungstemperatur größer als der Temperatur- Sollwert, wird der Überdruck des Kühlgases im Generator gesteigert, gegebenenfalls auf einen Maximaldruck, wie zum Beispiel 1 bar bei Luft oder 4 bar bei Wasserstoff, beziehungsweise gehalten. Dies kann zum Beispiel durch das Zuschalten eines Kompressors oder durch die Entnahme des Kühlgases aus einem Tank mit höherem Druck realisiert werden. Bei Generatoren mit Schleifringerregung handelt es sich um Synchrongeneratoren, bei denen der Erregerstrom über Schleifringe von außen zugeführt wird. Die Zuführung des Erreger- Stromes über Schleifringe erlaubt die einfache Messung des
Erregerstromes und der Erregerspannung an einer feststehenden Stelle des Generators.
Die hier beschriebene Erfindung ist auch anwendbar auf Gene- ratoren, bei denen der Erregerstrom und die Erregerspannung nicht direkt auf einfache Weise gemessen werden können. Hier können ersatzweise von der Rotorwicklung, etwa durch Funk oder Infrarot, nach außen übertragene Messwerte des Erreger¬ stromes und der Erregerspannung oder der Rotorwicklungstempe- raturen an verschieden Stellen, einzeln oder verknüpft, als Kenngrößen für die aktuelle mittlere Temperatur der Rotorwicklung genutzt werden.
Figur 1 zeigt in einem Druckdiagramm (pressurization pattern) den minimal nötigen Gasdruck in bar je Betriebspunkt bezogen auf die Rotortemperatur, wobei die Linie Lim die Begrenzung des Leistungsdiagramms angibt, innerhalb derer der Generator zulässig betrieben werden darf. Dies ist in der Steuerung über eine Logik realisiert. Die Zuodnung zwischen Betriebs- punkt des Generators einerseits und erforderlicher Druck des Kühlgases andererseits für eine konstante Rotorwicklungstem¬ peratur ist in einem Kennfeld der Leittechnik für den Generator abgespeichert und wird für die Regelung herangezogen. Unter gasgekühlten Rotorwicklungen sollen hier Rotorwicklungen verstanden werden, die mit Luft, Wasserstoff oder Stickstoff gekühlt werden.
Als Kühlmedium des Generatorrotors können verschiedene Gase wie Luft, Wasserstoff oder ein Gemisch, zumindest bestehend aus Helium oder Stickstoff, eingesetzt werden. Die Erfindung ist auch gegeben durch ein Verfahren zur Regelung der gasgekühlten Rotorwicklung eines, insbesondere schleifringerregten, Generators auf eine konstante Temperatur durch temperaturabhängige oder lastabhängige Steuerung des Kühlgasdruckes.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren .
Bezugs zeichenliste
Incr - Erhöhung des Gasdrucks zur Regelung der Rotorwicklungstemperatur
Lim - Begrenzung des Leistungsdiagramms
P - Wirkleistung, active power
Q - Blindleistung, reactive power
TCG _ Kaltgastemperatur, temperature cold gas

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Reduzierung des Verschleißes der Rotor- wicklung eines Generators, der einen Rotor und einen Stator aufweist,
demzufolge
der Kühlgasdruck derart geregelt wird, dass die Rotorwick¬ lungstemperatur vergleichmäßigt oder konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Sollwert für die Rotorwicklungstemperatur vorgegeben wird .
3. Verfahren nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sollwert nach Maßgabe der Betriebsart des Generators vor¬ gegeben wird, wobei die Betriebsart Grundlast, Spitzenlast, Phasenschieber umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die aktuelle Rotorwicklungstemperatur ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotorwicklungstemperatur aus der Messung des Erregerstromes und der Erregerspannung der Rotorwicklung ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass
Rotorwicklungstemperatur mittels eines oder mehrerer Temperatursensoren gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet, dass mittels mehrerer Temperatursensoren die Temperaturen an verschieden Stellen der Rotorwicklung ermittelt werden und hieraus die aktuelle mittlere Rotorwicklungstemperatur ermittelt wird .
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Messwerte vom Rotor zu einem feststehenden Teil des Gene¬ rators berührungslos übertragen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8
dadurch gekennzeichnet, dass
die berührungslose Übertragung der Messwerte vom Rotor zu ei¬ nem feststehenden Teil des Generators mittels Funk oder Inf- rarot erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Generator mit Schleifringerregung gegeben ist und die Messung von Erregerstrom und Erregerspannung im feststehenden Teil des Generators erfolgt.
11 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
gekennzeichnet durch
Ausführung im Leitsystem des Generators.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zuordnung von Rotorwicklungstemperatur zur Abhängigkeit von den Parametern Lastpunkt des Generators und Kühlgasdruck in einem Kennfeld abgespeichert ist.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotorwicklungstemperatur in Abhängigkeit von dem Parameter Temperatur des Kühlgases (TCG) in einem Kennfeld abge¬ speichert ist.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzei chnet , das s
die Ständerwicklung des Generators mit Flüssigkeit gekühlt wird .
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