WO2019185267A1 - Verfahren zum betrieb eines pumpspeicherkraftwerks - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to the method of operation of a pumped storage power plant with a double-fed asynchronous machine.
  • Pumped storage power plants with an upper water basin, an underwater pool, a waterway connecting the basins, a reversible pump turbine located in the waterway, and a motor generator connected to the pump turbine and designed as a double-fed asynchronous machine are of the general state of the art known.
  • the inventors have set themselves the task of providing a method for operating such a pumped storage power plant, whereby the profitability of such a pumped storage power plant can be increased.
  • the inventors have recognized that the converter of such a pumped storage power plant, which feeds the rotor of the asynchronous machine, can be used in addition to the active grid control.
  • FIG. 2 Method according to the invention for operating a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a pumped storage power plant suitable for the operating method according to the invention, which is designated by 1.
  • the pumped storage power plant 1 comprises an upper water basin 3 and an underwater basin 4, a waterway 5 which connects the upper water basin 3 with the lower water basin 4, a reversible pump turbine 6 arranged in the water path 5, a double-fed asynchronous machine 7, which is connected to the pump turbine 6.
  • the pumped-storage power plant 1 comprises a converter 8 for feeding the rotor of the asynchronous machine 7.
  • required switches for connecting the converter 8 are not shown in the figure.
  • the connection of such an inverter 8 is well known. Furthermore, this includes
  • Pumped storage power plant 1 a transformer 9, which is connected to the asynchronous machine 7 and on which the
  • Pumped storage power plant 1 is connected to the transmission network, which is designated 2.
  • the pumped storage power plant 1 also has a power regulator, which is designated 10.
  • the power regulator 10 accepts requests by the transmission network 2, which is indicated by the arrow from the transmission network 2 to the power controller 10.
  • the requirements may also come from elsewhere, e.g. from the national network agency or the requirements may also be based on the power controller 10 itself based on information retrieved from the internet (e.g., current prices on the power exchange).
  • the power controller 10 controls the controllable components of the pumped storage power plant 1.
  • the inverter 8 comprises a network-side converter, which is denoted by 8.1 and connected to the transformer 9, and a machine-side converter, which is denoted by 8.2 and with the rotor of the asynchronous machine 7 is connected. Between the DC sides of the converters 8.1 and 8.2 extends the DC intermediate circuit of the inverter 8, in which a memory for electrical energy is arranged. This may be, for example, a battery or a supercapacitor. However, all other known memories are suitable for electrical energy that can be incorporated into a DC circuit.
  • the power controller 10 controls the pumped storage power plant 1 in detail depends on the respective national compensation scheme.
  • the nationally different grid codes can also influence the control behavior of the power controller 10.
  • emergency situations such as the failure of a major power generator in the transmission network, lead to a modified behavior of the power plant 1. Therefore, the operating method according to the invention of such a power plant 1 only addresses the different operating modes of the converter 8.
  • FIG. 2 shows the steps of the method according to the invention for operating a power plant 1 according to FIG. 1.
  • the power controller 10 determines the operating mode of the converter 8.
  • the inverter 8 feeds the rotor of the asynchronous machine in turbine mode.
  • the inverter 8 feeds the rotor of the asynchronous machine in pump mode.
  • the inverter 8 provides electrical power for active power frequency control.
  • the network-side converter 8.1 is driven in accordance with the power controller 10.
  • the energy absorbed by the network 2 is stored in the energy store 8.3. If the start-up converter 8 delivers energy to the network 2, then it is taken from the energy store 8.3.
  • the entire power of the inverter 8 can be made available for network stabilization.
  • the converter 8 can also function as a static reactive power compensator on the network 2 if required.
  • the additional operating mode V4 such a pumped storage power plant can generate additional revenue, which significantly increases the profitability.
  • the inventors have further recognized that even in the operating modes V2 and V3, the inverter 8 is often not operated at full power. Therefore, the profitability can be increased even further, that even in these operating modes, the power reserve of the converter 8 is provided for frequency control of network 2.
  • the operating mode V4 may be provided by the power controller 10 even if the power plant is at a standstill, e.g. for maintenance work on the pump turbine 6 or the asynchronous 7.
  • Condition for the operating mode V4 is only the functionality of the power controller 10, the energy storage 8.3 and the power supply converter 8.1. This also contributes to the higher profitability of the pumped storage power plant.
  • the arrangement described in FIG. 1 can also be used additionally for power control.
  • the total power can be varied (of course, depending on the state of charge of the energy storage).
  • the start-up converter operates as described above in step V4, except that the electrical power provided or received is used for the power control of the power plant and not for the line frequency control.
  • this also applies to turbine operation, whereby, for example, the feed-in capacity of the power plant can be increased.
  • a corresponding control unit is to be provided which coordinates the powers of the electrical machine and the energy store. Retrofitting inverters from existing pumped storage plants will give them greater profitability. In new power plant arise through the operating method of the invention, the advantages mentioned from the beginning.

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerkes (1), umfassend ein Oberwasserbecken (3), ein Unterwasserbecken (4), einen Wasserweg (5), welcher zwischen dem Oberwasserbecken (3) und dem Unterwasserbecken (4) verbindend angeordnet ist, eine im Wasserweg (5) angeordnete reversible Pumpturbine (6), eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine (7), einen Transformator (9), über welchen die Asynchronmaschine (7) mit einem Übertragungsnetz (2) verbunden ist, einen mit dem Rotor der Asynchronmaschine (7) und dem Transformator (9) verbundenen Umrichter (8) zum Speisen des Rotors der Asynchronmaschine und einen Leistungsregler (10) zur Steuerung des Pumpspeicherkraftwerkes (1), wobei das Verfahren den Schritt umfasst: • VI: Festlegen des Betriebsmodus des Umrichters (8) durch den Leistungsregler (10); und das Verfahren die folgenden Betriebsmodi des Umrichters (8) umfasst: • V2: Speisen des Rotors der Asynchronmaschine (7) im Turbinenbetrieb; • V3: Speisen des Rotors der Asynchronmaschine (7) im Pumpenbetrieb; wobei das Pumpspeicherkraftwerk (1) einen Speicher für elektrische Energie (8.3) umfasst, welcher im Gleichstromzwischenkreis des Umrichters (8) angeordnet ist, und das Verfahren den folgenden weiteren Betriebsmodus des Umrichters (8) umfasst: • V4: Bereitstellen von Regelleistung durch den Umrichter (8) zur Netzfrequenzstabilisierung;

Description

Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks
Die vorliegende Erfindung betrifft das Betriebsverfahren eines Pumpspeicherkraftwerkes mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine.
Pumpspeicherkraftwerke mit einem Oberwasserbecken, einem Unterwasserbecken, einem Wasserweg, welcher die Becken verbindet, einer reversiblen Pumpturbine, welche im Wasserweg angeordnet ist, und einem Motorgenerator, welcher mit der Pumpturbine verbunden und als doppelt gespeiste Asynchronmaschine ausgeführt ist, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Pumpspeicherkraftwerkes anzugeben, wodurch die Rentabilität eines solchen Pumpspeicherkraftwerkes erhöht werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Umrichter eines solchen Pumpspeicherkraftwerkes, der den Rotor der Asynchronmaschine speist, zusätzlich zur aktiven Netzregelung verwendet werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 Pumpspeicherkraftwerk, welches mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren betrieben werden kann; Figur 2 Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines
Pumpspeicherkraftwerks gemäß Figur 1.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren geeignetes Pumpspeicherkraftwerk, welches mit 1 bezeichnet ist. Das Pumpspeicherkraftwerk 1 umfasst ein Oberwasserbecken 3 und ein Unterwasserbecken 4, einen Wasserweg 5, welcher das Oberwasserbecken 3 mit dem Unterwasserbecken 4 verbindet, eine im Wasserweg 5 angeordnete reversible Pumpturbine 6, eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine 7, welche mit der Pumpturbine 6 verbunden ist. Ferner umfasst das Pumpspeicherkraftwerk 1 einen Umrichter 8 zum Speisen des Rotors der Asynchronmaschine 7. Der Übersichtlichkeit halber sind benötigte Schalter zum Zuschalten des Umrichters 8 in der Figur nicht dargestellt. Dem Fachmann ist die Anbindung eines solchen Umrichters 8 jedoch hinlänglich bekannt. Ferner umfasst das
Pumpspeicherkraftwerk 1 einen Transformator 9, welcher mit der Asynchronmaschine 7 verbunden ist und über welchem das
Pumpspeicherkraftwerk 1 mit dem Übertragungsnetz verbunden ist, welches mit 2 bezeichnet ist.
Das Pumpspeicherkraftwerk 1 verfügt ferner über einen Leistungsregler, welcher mit 10 bezeichnet ist. Der Leistungsregler 10 nimmt Anforderungen durch das Übertragungsnetz 2 entgegen, was durch den Pfeil vom Übertragungsnetz 2 zum Leistungsregler 10 angedeutet ist. Im Prinzip können die Anforderungen auch von anderer Stelle kommen, z.B. von der nationalen Netzagentur, oder die Anforderungen können auch vom Leistungsregler 10 selbst auf der Basis von aus dem Internet abgerufenen Informationen (z.B. den aktuellen Preisen an der Strombörse) beruhen. Anhand dieser Anforderungen steuert der Leistungsregler 10 die steuerbaren Bestandteile des Pumpspeicherkraftwerks 1.
Der Umrichter 8 umfasst einen netzseitigen Umrichter, welcher mit 8.1 bezeichnet und mit dem Transformator 9 verbunden ist, und einen maschinenseitigen Umrichter, welcher mit 8.2 bezeichnet und mit dem Rotor der Asynchronmaschine 7 verbunden ist. Zwischen den Gleichstromseiten der Umrichter 8.1 und 8.2 erstreckt sich der Gleichstromzwischenkreis des Umrichters 8, in welchem ein Speicher für elektrische Energie angeordnet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Batterie oder um einen Superkondensator handeln. Es sind jedoch alle anderen bekannten Speicher für elektrische Energie geeignet, die in einen Gleichstromkreis eingebunden werden können.
Wie im Detail der Leistungsregler 10 das Pumpspeicherkraftwerk 1 steuert, hängt vom jeweilig gültigen nationalen Vergütungsschema ab. Außerdem können die national unterschiedlichen grid codes ebenfalls das Steuerverhalten des Leistungsreglers 10 beeinflussen. Weiterhin können Notsituationen, wie zum Beispiel der Ausfall von einem bedeutenden Stromerzeuger im Übertragungsnetz, zu einem abgewandelten Verhalten des Kraftwerks 1 führen. Daher adressiert das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eines solchen Kraftwerks 1 nur die unterschiedlichen Betriebsmodi des Umrichters 8.
Figur 2 zeigt die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Kraftwerks 1 gemäß Figur 1. Im mit V1 bezeichneten Schritt setzt der Leistungsregler 10 den Betriebsmodus des Umrichters 8 fest. In einem Betriebsmodus, welcher mit V2 bezeichnet ist, speist der Umrichter 8 den Rotor der Asynchronmaschine im Turbinenbetrieb. In einem weiteren Betriebsmodus, welcher mit V3 bezeichnet ist, speist der Umrichter 8 den Rotor der Asynchronmaschine im Pumpenbetrieb. In einem weiteren Betriebsmodus, welcher mit V4 bezeichnet ist, stellt der Umrichter 8 elektrische Leistung zur aktiven Netzfrequenzregelung zur Verfügung. Dabei wird der netzseitige Umrichter 8.1 entsprechend vom Leistungsregler 10 angesteuert. Die dabei vom Netz 2 aufgenommene Energie wird im Energiespeicher 8.3 gespeichert. Gibt der Anfahrumrichter 8 dabei Energie ins Netz 2 ab, dann wird diese dem Energiespeicher 8.3 entnommen. Im Betriebsmodus V4 kann die gesamte Leistung des Umrichters 8 zur Netzstabilisierung zur Verfügung gestellt werden. Optional kann der Umrichter 8 im Betriebsmodus V4 bei Bedarf auch als statischer Blindleistungskompensator am Netz 2 fungieren.
Durch den zusätzlichen Betriebsmodus V4 kann ein solches Pumpspeicherkraftwerk zusätzliche Einnahmen erzielen, wodurch sich die Rentabilität deutlich erhöht.
Die Erfinder haben weiter erkannt, dass auch in den Betriebsmodi V2 und V3 der Umrichter 8 oft nicht mit voller Leistung betrieben wird. Daher kann die Rentabilität dadurch noch weiter gesteigert werden, dass auch in diesen Betriebsmodi die Leistungsreserve des Umrichters 8 zur Frequenzregelung des Netzes 2 zur Verfügung gestellt wird.
Es ist anzumerken, dass der Betriebsmodus V4 auch dann durch den Leistungsregler 10 bereitgestellt werden kann, wenn das Kraftwerk still steht, z.B. bei Wartungsarbeiten an der Pumpturbine 6 oder der Asynchronmaschine 7. Voraussetzung für den Betriebsmodus V4 ist nur die Funktionsfähigkeit des Leistungsreglers 10, des Energiespeichers 8.3 und des netzseitigen Umrichters 8.1. Auch das trägt zur höheren Rentabilität des Pumpspeicherkraftwerks bei.
Optional kann die in Figur 1 beschriebene Anordnung auch zusätzlich für die Leistungsregelung verwendet werden. Dabei kann beispielsweise im Pumpbetrieb die Gesamtleistung variiert werden (natürlich abhängig vom Ladezustand des Energiespeichers). In diesem zusätzlichen Betriebsmodus arbeitet der Anfahrumrichter wie oben im Schritt V4 beschrieben, nur dass die bereitgestellte oder aufgenommen elektrische Leistung für die Leistungsregelung des Kraftwerks und nicht für die Netzfrequenzregelung benutzt wird. Das gilt natürlich auch für den Turbinenbetrieb, wobei beispielsweise die Einspeiseleistung des Kraftwerks erhöht werden kann. Zur Realisierung der beschriebenen Leistungsregelung ist eine entsprechende Regelungseinheit vorzusehen, welche die Leistungen der elektrischen Maschine und des Energiespeichers koordiniert. Durch die Nachrüstung der Umrichter von bestehenden Pumpspeicherkraftwerken können diese eine höhere Rentabilität erhalten. Bei Kraftwerksneubauten ergeben sich durch das erfindungsgemäße Betriebsverfahren die genannten Vorteile von Anfang an.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerkes (1), umfassend ein Oberwasserbecken (3), ein Unterwasserbecken (4), einen Wasserweg (5), welcher zwischen dem Oberwasserbecken (3) und dem Unterwasserbecken (4) verbindend angeordnet ist, eine im Wasserweg (5) angeordnete reversible Pumpturbine (6), eine mit der Pumpturbine (6) verbundene doppelt gespeiste Asynchronmaschine (7), einen Transformator (9), der mit der
Asynchronmaschine (7) verbunden ist, und über welchen die
Asynchronmaschine (7) mit einem Übertragungsnetz (2) verbunden ist, einen mit dem Rotor der Asynchronmaschine (7) und dem Transformator (9) verbundenen Umrichter (8), weicher einen netzseitigen Umrichter (8.1 ) und einen maschinenseitigen Umrichter (8.2) umfasst, und einen Leistungsregler (10) zur Steuerung des Pumpspeicherkraftwerkes (1 ), wobei das Verfahren den Schritt umfasst:
V1 : Festlegen des Betriebsmodus des Umrichters (8) durch den
Leistungsregler (10);
und das Verfahren die folgenden Betriebsmodi des Umrichters (8) umfasst: V2: Speisen des Rotors der Asynchronmaschine (7) im Turbinenbetrieb;
V3: Speisen des Rotors der Asynchronmaschine (7) im Pumpenbetrieb;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Pumpspeicherkraftwerk (1) einen Speicher für elektrische Energie (8.3) umfasst, welcher im Gleichstromzwischenkreis des Umrichters (8) angeordnet ist, und das Verfahren den folgenden weiteren Betriebsmodus des Umrichters (8) umfasst:
V4: Bereitstellen von Regelleistung durch den Umrichter (8) zur
Netzfrequenzstabilisierung;
wobei bei im Betriebsmodus V4 bei der Abgabe von elektrischer Leistung an das Übertragungsnetz (2) Energie dem Speicher (8.3) entnommen wird, und bei der Aufnahme von elektrischer Leistung aus dem Übertragungsnetz (2) Energie dem Speicher (8.3) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Betriebsmodus V4 durch den Umrichter (8) dem Übertragungsnetz (2) auch Blindleistung zur
Blindleistungskompensation zur Verfügung gestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in den Betriebsmodi V2 und V3 die Leistungsreserve des Umrichters (8) zur Netzfrequenzstabilisierung
bereitgestellt wird, wobei bei der Abgabe von elektrischer Leistung an das Übertragungsnetz (2) Energie dem Speicher (8.3) entnommen wird, und bei der Aufnahme von elektrischer Leistung aus dem Übertragungsnetz (2) Energie dem Speicher (8.3) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Speicher für
elektrische Energie (8.3) einen Superkondensator umfasst.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Speicher für
elektrische Energie (8.3) eine Batterie umfasst.
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