Netzregelung durch Pumpspeichermaschine im Wasserkraftwerk Forbach

Im Kraftwerk Forbach (Schwarzwald) der Badenwerke AG, Karlsruhe, wurde erstmals in der Bundesrepublik Deutschland ein Maschinensatz eines Pumpspeicherwerks im Pumpbetrieb an der Primär- und Sekundärregelung des Netzes beteiligt. Hierfür entwickelte und installierte die AEG einen Frequenzumrichter, mit dem die Speicherpumpe regelfähig wird.

Die mit Hilfe des Frequenzumrichters angetriebene Speicherpumpe hat eine Förderhöhe von 229 m, eine Leistung von 20 MW, eine Fördermenge von 8,8 m3/s bei einer Drehzahl von 440 bis 500 min-1. Die Pumpe wurde im Jahr 1991 hergestellt und installiert.

Sonderdruck aus AEG Technik Magazin 4 (1993)

Das Bild zeigt einen Teil des Netzstromrichters, und zwar die drei Etagen eines Stromrichtergestells. Links vorne sind die elektronischen Ansteuerungen für die Thyrystoren zu sehen. Am rechten Rand ist eine der Sprengsicherungen im Gleichstrom-Zwischenkreis zu erkennen, darunter zwei der Zündgeräte die Sprengsicherungen.

In dem Europäischen Verbundnetz des Verbandes für die Koordination von Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie UCPTE (Union pour la Coordination de la Production et du Transport dc l’Electricité, Paris) wird das Gleichgewicht zwischen Energieregung und verbrauch durch die Mitwirkung der Kraftwerke aller Verbundunternehmen an der Primärregelung sichergestellt.1 Zeitlich nachgeordnet dient für die Einhaltung der vereinbarten Austauschleistungen und die Beseitigung von Frequenzabweichungen die Sekundärregelung, die auch als LeistungsFrequenz-Regelung oder Netzregelung bezeichnet wird. Die Badenwerk AG, Karlsruhe, hat bereits in den späten fünfziger Jahren den ersten Leistungs-Frequenz-Regler, auch Netzregler genannt, in Betrieb genommen. Als Regelungskraftwerk diente damals schon das Pumpspeicherwerk in Forbach mit zwei Maschinen des Werkteiles Schwarzenbachwerk mit einer Gesamtleistung von 43 MW. Nach und nach wurden weitere Maschinen in den Schluchseekraftwerken Häusern, Witznau und Waldshut mit zusammen weiteren 225 MW und Anfang der siebziger Jahre auch die Pumpspeicher-Kraftwerke Säckingen und Wehr im Südschwarzwald in die Regelung einbezogen. Insgesamt stehen heute dem Badenwerk 865 MW als Regelleistung aus hydraulischen Energiewandlern zur Verfügung. Bisher wurden vorwiegend Wasserkraftwerke im Generatorbetrieb wegen der sehr schnellen Bereitstellung von Leistungen für die Netzregelung genutzt. Im Pumpbetrieb war eine Teilnahme an der Primäroder Sekundärregelung bisher nicht möglich.

Durch die Drehzahlregelung mit Hilfe eines Frequenzumrichters kann die Speicher- pumpe im primär geregelten Betrieb dazu beitragen, Frequenzeinbrüche im Verbundnetz sehr schnell auszuregeln, indem die Pumpleistung reduziert und so das Netz entlastet wird. Im sekundär geregelten Betrieb wird die Pumpendrehzahl abhängig vom Belastungsgrad des Netzreglers verstellt. Ein Zusatznutzen ergibt sich aus der Möglichkeit, den Frequenz umrichter als Anfahrumrichter zum Starten des Maschinensatzes und für Fahrprogramme zum Betriebsartenwechsel zu nutzen. Noch ist der Leistungsregelbereich dieser Pilotanlage mit 12 bis 20 MW im Vergleich zu der gesamten Regelleistung des Badenwerks klein. Es lassen sich aber mit der Anlage Erfahrungen mit dieser Technik gewinnen die sich auf erheblich leistungsstärkere Pumpspeicher-Kraftwerke übertragen lassen. Hierzu wurden die bestehenden maschinellen Kraftwerkseinrichtungen hinsichtlich der zusätzlichen elektrischen und mechanischen Beanspruchungen durch den Frequenzumrichter überprüft. Insbesondere wurden Drehschwingungsverhalten des gesamten Wellenstranges, Erwärmungen, Geräusche und dergleichen untersucht und die Ergebnisse bei der Auslegung des Umrichters berücksichtigt.

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Hoffamnn, E.; Schäufle, R.: Der Einsatz einer regelbaren Speicherpumpe in der Netzregelung. Elektrizitätswirtschaft 92 (1993) 25

Prinzipschaltbild der umrichtergespeisten Synchronmaschine

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Die elektronischen Ansteuergeräte für die Thyristoren liegen auf Hochspannungspotential. Sie sind über Lichtwellenleiter mit der Informationselektronik verbunden und übertragen die Zündbefehle. Ein jeweils zweites Lichtwellen-Leiterkabel dient zur Überwachung der Reaktion des Thyrisrors auf die Zündbefehle

Weiter war zu beachten, dass der Umrichter Netz und Transformator mit nichtsinusförmigen Strömen, induktiver Blindleistung und KommutierungsÜberspannungen belastet. Frequenzumrichter für Pumpspeicherwerke sind bereits schon bisher eingesetzt worden, und zwar vorwiegend in Anlagen, in denen nur eine Pumpturbine, d.h. eine Maschine für zwei Drehrichtungen, vorhanden ist und diese zum Pumpbetrieb angefahren werden soll. Diese Frequenzumrichter dienen dann nur für das Hochfahren der Maschine mit entleerter Pumpe auf Nenndrehzahl und werden nach der Synchronisation des Generators mit dem Netz abgeschaltet. Die Leistung dieser Anfahrumrichter ist deshalb deutlich geringer als die Nennleistung der Maschine. Im Pumpspeicherwerk Forbach dagegen läuft der Frequenzumrichter im Dauerbetrieb. Mit dem Frequenzumrichter werden hauptsächlich acht Fahrprogramme durchgeführt: vom Stillstand entweder in en geregelten oder ungeregelten Pumpbetrieb oder in den Turbinenbetrieb; vom geregelten Pumpbetrieb in den ungeregelten Pumpbetrieb (Synchronmotor/-generator direkt am Netz) und vom ungeregelten Pumpbetrieb wieder in den geregelten Pumpbetrieb am Frequenzumrichter; vom geregelten Pumpbetrieb in den Turbinenbetrieb und vom Turbinenbetrieb in den geregelten Pumpbetrieb und aus diesem Zustand zurück in den Stillstand. Vorn Turbinenbetrieb lässt sich der Maschinensatz durch Bremsbetrieb mit dem Frequenzumrichter in den Stillstand bringen, wenn die Maschine selbst stillgesetzt werden muss. Wassergekühlte Glättungsdrossel im Gleichstromzwischenkreis. Als elektrische Anschlüsse dienen die massiven verschraubten Stromschienen; zu der Drosselführen Kühlwasserleitungen

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Blick auf eine Stromrichteretage. Links die TSE Beschaltung (TrägerstaueffektBeschaltung), rechts davon ein Thyristorspannungsband mit den Wasseranschlüssen an den Kühldosen; rechts am Bildrand ist das Federpaket, dafür die Verspannung der Thyristoren and der Kühldosen sorgt, zu erkennen

Die Kommutierungsdrossel des Netzstromrichters ist luftgekühlt; die dahinter erkennbare Glättungsdrossel im Gleichstromzwischenkreis dagegen ist wassergekühlt

Bei diesem Blick in den Netzstromrichter sind links und rechts die Ferritbandkerne zu erkennen, die den Stromanstieg in den Thyristor Zweigen begrenzen

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Netzregelung Besonderheiten treten beispielsweise bei der Umsteuerung von Turbinen- auf Pumpbetrieb - und umgekehrt - auf; zur Schonung der Pumpe wird in diesem Fall die Maschine mit dem Frequenzumrichter abgebremst; der Netzstromrichter wird in den Wechselrichterbetrieb gesteuert, der Maschinenstromrichter arbeitet im Gleichrichterbetrieb. Dabei wird Energie in das Netz zurückgespeist. Die Maschine wird elektrisch abgebremst bis zur Füll/Entleerdrehzahl der Pumpe. Nach der Füllung/Leerung wird wieder auf Nenndrehzahl beschleunigt. So ist mit dem Frequenzumrichter eine sehr schonende Betriebsweise des Maschinensatzes möglich. Beim Übergang aus dem geregelten in den ungeregelten Betrieb, also heim Aufschalten der Synchronmaschine auf das Netz, erfolgt die notwendige Synchronisierung sowohl im Leerlauf als auch im Vollastbetrieb (Motorbetrieb) durch den Frequenzumrichter. Über ein Synchronisiergerät gesteuert, werden Frequenz, Spannung und Phasenlage der Synchronmaschine mittels des Frequenzumrichters bzw. der Erregeranlage in Übereinstimmung mit den Werten der Netzspannung gebracht, und die Maschine wird über einen Kuppelschalter direkt auf das Netz geschaltet. Der Frequenzumrichter wird dadurch überbrückt und kann danach ausgeschaltet werden. Somit wird ein unterbrechungsloser Übergang vom geregelten in den ungeregelten Betrieb ermöglicht. Unterbrechungslos kann umgekehrt auch der Frequenzumrichter die Maschine vom Netzbetrieb in den Umrichterbetrieb übernehmen. Hierzu wird bei geschlossenem Kuppelschalter der Frequenzumrichter zugeschaltet und so gesteuert, dass dieser den Wirkleistungsfluß vom Kuppelsehalter übernimmt, so dass dieser nahezu stromlos geöffnet wird. Die Fahrweise des geregelten Pompbetriebes ist die Hauptaufgabe des Frequenzumrichters. Die Drehzahl wird zwischen 440 und 500 min-1 eingestellt; dem entspricht eine Pumpenleistung von 12 bis 20 MW. Die Leistung kann entweder von Hand oder über eine schnell reagierende Frequenzmessung mit einer Mikroprozessorschaltung oder über den Belastungsgrad des Netzreglers vorgegeben werden.

Blick in das Murgwerk, den älteren Teil des Schwarzenbachwerkes aus der Zeit von 1914 bis 1918, Die Frarancis-Spiralturbinen und die Generatoren, jeweils fünf‘ mit Leistungen von je MVA, sind heute noch in Betrieb

Aufbau und Arbeitsweise des Umrichters Bei dem Umrichter ist ein netzgeführter Gleichrichter in Reihe geschaltet zu einem maschinengeführten Wechselrichter in sechspulsiger Brückenschaltung, der mit der Synchronmaschine verbunden ist. Der netzseitige Stromrichter arbeitet im Motorpumpbetrieb als Gleichrichter. Der maschinenseitige Stromrichter arbeitet dann als Wechselrichter, der seine Kommutierungsblindleistung aus der übererregten Synchronmaschine bezieht. Die Nennspannung des Umrichters ist 10 kV, der Frequenzbereich beträgt 0 - 50 Hz, die Wirkleistung bei 50 Hz ist 21,3 MW und die Zwischenkreis-Gleichspannung ist 13 kV. Der Aufbau dieses Stromrichters erfolgte in einem Baukastensystem. Ein Rahmen vereinigt alle Baugruppen zum kompletten, betriebsbereiten Stromrichter.

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Die einzelnen Brückenzweige bestehen aus der Aneinanderreihung von neun hochsperrenden Thyristoren für 1300A bei 85°C Gehäusetemperatur und 5200 V Sperrvermögen in beiden Richtungen. Sie bilden Thyristorsäulen, bei denen zwischen den Scheibenthyristoren wassergekühlte Kühldosen eingefügt sind und die zu einem mechanischen Spannverband zusammengefasst sind. Im Störfall lässt sich ein Thyristor auswechseln, ohne dass der Kühlwasser- kreis geöffnet werden muss; die Ausfallzeiten der Anlage reduzieren sich so auf ein Minimum. Kühlmittel ist chemisch reines Wasser in einem geschlossenen Kreislauf. Dieses Wasser wird in einem Kühler durch Rohwasser gekühlt. Eine Beschaltungsbaugruppe aus RC-Gliedern ist den Thyristoren direkt zugeordnet und dient zur Steuerung der Spannungsaufteilung und zur Bedämpfung von Überspannungen. Separate Schutzbeschaltungen an allen Thyristoren schützen diese durch automatisches Durchzünden vor Beschädigung, wenn sie im Fehlerfall mit hohen Überspannungen beansprucht werden.

Blick in eine Stromrichteretage

Zusammenfassung Der neuartige Frequenzumrichter im Kraftwerk Forbach der Badenwerk AG ermöglicht nicht nur ein automatisiertes, schnelles Starten und Abbremsen des Maschinensatzes, er kann nun auch während des Pumpbetriebes an der Primärund Sekundärregelung des Netzes durch Drehzahlveränderungen teilnehmen. Der Leistungsregelbereich liegt dabei zwischen 20 MW und 12 MW. Einer zukünftigen Anwendung dieser Technik in größeren Pumpspeicherkraftanlagen steht bei entsprechender Auslegung und Modifizierung der Maschinensätze nach den bisher gemachten Erfahrungen nichts entgegen. Die AEG war an diesem Pilotprojekt mit der Planung und Lieferung der elektrotechnischen Ausrüstung beteiligt. Hierzu gehörte die komplette Frequenzumrichteranlage mit Leistungselektronik, Umrichter-Leittechnik, Drehzahlbzw. Leistungsregler und 1O-kV-Schaltanlage sowie eine für die neue Betriebsweise ausgelegte Erregeranlage für den bestehenden Synchronmotor/-generator.

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AEG Berlin Fabrik für Stromrichterprodukte Die AEG entwickelt, projektiert und vertreibt Anlagen und Komponenten der Leistungselektronik seit über 60 Jahren. Seit 1984 bietet eine neue Betriebsstätte in Berlin-Marienfelde auf insgesamt 46 000 m2 Fertigungs- und Bürofläche mit ihren fast 1000 Mitarbeitern und modernen Einrichtungen hervorragende Voraussetzungen zur Festigung und zum Ausbau der technologischen Spitzenstellung. Während der letzten 8 Jahre wurde die AEG Fabrik, zusammen mit den erfahrenen Ingenieuren und Mitarbeitern von verschiedenen Konzernen gemietet und betrieben. Heute ist das die Converteam GmbH Berlin, eine Tochter der Barclays Bank

Produkte und Leistungen Merkmale der Systeme, Anlagen und Komponenten sind innovative Technik, hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit Das Programm des Fachbereiches sowie die Qualitätssicherung mit ihren umfasst: genauen Qualitäts- und Funktionsprüfungen. • Stromrichter für die Antriebstechnik Der gut ausgebaute Service entspricht • Stromrichter für die dem hohen Qualitätsstandard der Energietechnik Produkte • Stromrichter für die Anlagentechnik • Steuerungsbau und Werkstattdienste • Hochstrom- und Hochspannungstromrichter Diese Produkte werden von den Anlagenfachabteilungen als Teil der Gesamtanlagen vermarktet.

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