DE102011116222A1 - Ausrüstung und Verfahren eines Pumpspeicherwerkes als Doppelblocksystem zur ununterbrochenen Leistungsregelung als Netzdienstleistung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Ausrüstung und ein Verfahren für ein Pumpspeicherwerk (PSW) als Doppelblocksystem zur ununterbrochenen Leistungsregelung als Netzdienstleistung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Ausrüstung und das Verfahren für den Betrieb eines PSW so zu gestalten, dass die Fahrweise flexibel jeder Netzanforderung zwischen den Grenzwerten PmaxTu und PmaxPu ohne Unterbrechung über 24 Stunden am Tag folgen kann und dabei die auftretenden Verluste minimiert und die Wasserbilanz ständig kontrolliert wird. Dabei besteht die Ausrüstung hauptsächlich aus dem hydraulischen Sammler (3) am Ende der hochdruckseitigen Triebwasserleitung (2), einem Doppelblock (32) mit zwei baugleichen Pumpspeichersätzen (PSS) (30, 31) mit variabler Drehzahl und den elektrischen Verbindungen des Doppelblockes (32) zum Hochspannungsnetz (29). Der Doppelblock (32) kann jeder Leistungsanforderung aus dem Netz (40) von der maximalen Leistungsabgabe im Turbinenbetrieb (42) bis zur maximalen Leistungsaufnahme im Pumpbetrieb (45) ohne Unterbrechung folgen, wobei der Leistungsbereich von der minimalen Abgabeleistung im Turbinenbetrieb eines PSS (44) bis zur minimalen Aufnahmeleistung eines PSS (47) durch die Betriebsart hydraulischer Kurzschluss bei gleichzeitigem Betrieb eines PSS (30) im Turbinenbetrieb und des anderen PSS (31) im Pumpbetrieb (oder umgekehrt) überbrückt wird. Der Doppelblock (32) wird in seinem Leistungsvermögen (41) so dimensioniert, dass anstelle des bisher üblichen Auslegungskriteriums /PmaxTu/ = /PmaxPu/ die Bedingung /QmaxTu/ = /QmaxPu/ tritt, wodurch im Mittel die gleichen Betriebszeiten im Turbinenbetrieb und im Pumpbetrieb und damit die ununterbrochene Bereitstellung der Netzdienstleistungen über 24 Stunden am Tag ermöglicht wird.

Description

• Die Erfindung betrifft die Ausrüstung und das Verfahren eines Pumpspeicherwerkes (PSW) als Doppelblocksystem zur ununterbrochenen Leistungsregelung als Netzdienstleistung.
• Pumpspeicherwerke sind als bekannte Speicherkraftwerke in vielfältiger Form und mit den verschiedensten Ausrüstungen gebaut worden. So sind z. B. in DE 21 48 682 oder in DE 24 38 034 derartige Werke mit Ausrüstungen beschrieben. Es ist ebenso bekannt, dass PSW sehr gut geeignet sind, diverse Regelaufgaben im Netz zu erfüllen, wie sie vom Transmission Code verlangt werden. Das ist relativ einfach im Turbinenbetrieb, wenn im Netz Leistungsbedarf besteht, da Wasserturbinen (oder Pumpturbinen im Turbinenbetrieb) über einen relativ großen Leistungsbereich gut und zuverlässig geregelt werden können.
• Schwieriger ist die Situation im Pumpbetrieb, wenn im Netz ein Leistungsüberschuss vorliegt. Solange nur Speicherpumpen mit Synchronmaschinen als Antrieb zur Verfügung stehen, ist die Leistungsaufnahme nur Von der Förderhöhe abhängig. Die Leistung kann damit nicht geregelt werden. Eine Regelung in geringem Umfang ist lediglich durch Drosselung des Durchsatzes möglich, wie es in DE 10 2004 013 907 A1 mit angegeben ist. Eine solche Durchsatzdrosselung zur Leistungsregelung erfordert jedoch ein entsprechend robustes, hochdruckseitiges Verschlussorgan und ist mit zusätzlichen, hydraulischen Verlusten und zugehörigen höheren dynamischen Belastungen verbunden.
• PSW mit variablen Drehzahlen ermöglichen dagegen auch im Pumpbetrieb eine Leistungsregelung in einem größeren Leistungsbereich bei wesentlich besseren Wirkungsgraden. Die Leistungsregelung ist dabei aber natürlich an eine bestimmte Mindestlast gebunden. PSS mit variabler Drehzahl sind jedoch gegenüber PSS mit Synchronmaschinen erheblich teurer in der Investition. Trotzdem sind solche Anlagen in der Zwischenzeit errichtet worden und mit Erfolg im Betrieb.
• Bei ternären PSS, die neben dem Motorgenerator eine separate Turbine und eine separate Pumpe aufweisen, sind auch Anwendungen des hydraulischen Kurzschlusses bekannt, um in einem bestimmten Bereich auch im Lastbetrieb eine Leistungsregelung durchführen zu können. Dabei sind sowohl die Turbine als auch die Pumpe des PSS gleichzeitig in Betrieb. Das von der Pumpe geförderte Wasser wird dabei zum Teil von der Turbine wieder als Triebwasser verwendet. Die Turbine kann dabei in ihrem Durchsatz und ihrer Leistung geregelt werden. Die vom Motorgenerator des PSS dabei aufgenommene Leistung entspricht der Differenz der Pumpleistung minus der abgegebenen Turbinenleistung.
• Die Anwendung des hydraulischen Kurzschlusses bei bestehenden PSS im Betrieb ist meist nur getrennt in den Betriebsarten Turbine oder Pumpe oder hydraulischer Kurzschluss möglich. Mögliche Wechsel zwischen diesen Betriebsarten sind in der Regel nur über die entsprechenden Umstellvorgänge mit Maschinenstillstand möglich und dauern entsprechend lange. Deshalb können solche PSS nur sehr eingeschränkt Regelaufgaben im Netz übernehmen. Der hydraulische Kurzschluss bei solchen Anlagen ist außerdem mit relativ hohen Verlusten und dynamischen Belastungen verbunden. Zuverlässige Angaben über dabei vorliegende Wirkungsgrade liegen nicht vor.
• In DE 10 2004 013 907 A1 wird eine Verbesserung der Betriebsart hydraulischer Kurzschluss vorgestellt. Dort wird beim Neubau eines ternären PSS (Pumpspeichersatz mit getrennter Pumpe und Turbine und Motorgenerator) die Betriebsart hydraulischer Kurzschluss dadurch ermöglicht, dass bereits bei der Planung diese Betriebsart berücksichtigt und die Ausrüstung entsprechend angepasst wird. Damit wird erreicht, dass der Wechsel der Betriebsarten ohne Stillstand des Maschinensatzes und damit in einer für die Regelung notwendigen kurzen Umschaltzeit erreicht werden kann. Die Ausrüstung muss entsprechend robust ausgeführt werden und weist einen starken hydraulischen Wandler auf, der den Pumpenstart bei gefüllter Maschine ermöglicht. Außerdem hat die Ausrüstung zusätzliche hydraulische Verschlüsse. Im Ergebnis ist ein ununterbrochener Betrieb dieses ternären PSS von der maximalen Turbinenleistung bis zur maximalen Pumpenaufnahmeleistung möglich. Das wird dadurch erreicht, dass bei sich ändernden Leistungsanforderungen im Netz durch ein schnelles Zu- und Abschalten der Pumpe („Pumpentakten”) zur laufenden Turbine ohne Netztrennung der Übergang zwischen den Betriebsarten Turbine, hydraulischer Kurzschluss und Pumpe möglich wird. Durch Regelung der Turbinenleistung kann nach Zuschalten der Pumpe dann im hydraulischen Kurzschluss der Leistungsbereich von P_minTu bis P_maxPu in jedem Punkt angefahren werden.
• Dieser Vorteil wird durch eine angepasste teurere Ausrüstung und eine relativ komplizierte Steuerung erreicht. Nachteilig ist außerdem, dass praktisch nur die Betriebsarten Turbinenbetrieb von P_maxTu bis P_mixTu und hydraulischer Kurzschluss von P_minTu bis P_maxPu als Netzdienstleistungen in Frage kommen. Der reine Pumpbetrieb ist praktisch nur bei P_maxPu möglich, bei dem es dann jedoch keine Möglichkeit zur Leistungsregelung gibt. Die dafür angegebene Regelmöglichkeit durch Drosselung des hochdruckseitigen Verschlussorgans nach der Pumpe ist zwar prinzipiell möglich, aber für den praktischen Einsatz als Netzdienstleistung ohne Relevanz. Der für den praktischen Einsatz relevante Betriebsbereich im hydraulischen Kurzschluss ist relativ groß, aber mit zusätzlichen Verlusten durch den gleichzeitigen Betrieb beider hydraulischen Maschinen verbunden.
• In WO 2005/093248 A1 wird ebenfalls ein ternärer PSS mit der gleichen Aufgabenstellung vorgestellt, Betriebsartenwechsel zwischen dem Turbinenbetrieb, dem hydraulischen Kurzschluss und dem Pumpbetrieb zu ermöglichen, ohne den PSS vom Netz zu nehmen. Diese Betriebsartenwechsel werden dadurch ermöglicht, dass im Wellenstrang zwei schaltbare mechanische Kupplungen angeordnet sind. Das schnelle Zu- und Abschalten der Pumpe („Pumpentakten”) ermöglicht ebenfalls das ununterbrochene Durchfahren des gesamten Leistungsbereiches von der maximalen Turbinenleistung bis zur maximalen Pumpenaufnahmeleistung. Die Erfinder versprechen sich davon geringere Investitionen und Betriebskosten gegenüber der vorher beschriebenen Ausführung mit einem starken hydraulischen Wandler. Die Nachteile im Betrieb bleiben für diese Ausführung jedoch die gleichen wie oben angegeben.
• Die Zunahme von erneuerbaren Energien an der Gesamtelektroenergieerzeugung führt zu einer Vergrößerung des erforderlichen Regelbandes gegenüber der mittleren Leistung, da neben den Schwankungen der geforderten Leistungen der Verbraucher im Netz zusätzlich nicht vorhersehbare Erzeugerschwankungen auftreten. Dadurch wird der Regelbedarf im Netz größer. Verbrauchsschwankungen sind der mittleren Leistung im Netz proportional. Demzufolge war und ist auch heute noch im bestimmten Maß das Volumen der erforderlichen Netzsystemdienstleistung von der Tageszeit und vom Wochentag (Spitzen-/Schwachlastzeiten) abhängig. Die Erzeugerschwankungen durch verstärkten Anteil von erneuerbaren Energien (Wind, Sonne) treten jedoch unabhängig vom mittleren Leistungsverbrauch im Netz auf, also auch in den so genannten Schwachlastzeiten. Trotz niedriger, mittlerer Last im Netz werden auch in diesen Zeiten größere Regelbandbreiten notwendig. Um diesen veränderten Anforderungen entsprechen zu können, müssen PSW in ihrem Einsatz zukünftig noch wesentlich flexibler werden. Als Alternative würde sonst für die Netzregelung nur die Anwendung von restriktiven Maßnahmen (zeitweilige Abschaltung von Elektroenergieerzeugern) übrig bleiben.
• Die Einbeziehung der Betriebsart hydraulischer Kurzschluss für Pumpspeicherwerke ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung, diesen erhöhten Anforderungen gerecht zu werden, da damit die Lücke zwischen P_minTu und P_minPu geschlossen werden kann. Neben der Netzstabilität ist es aber ebenso wichtig, den Speicherwirkungsgrad der Pumpspeicherung zu erhöhen. Die Verbesserung der Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten der hydraulischen und elektromechanischen Ausrüstung der PSW ist heute nahezu ausgeschöpft. Erhebliche Verbesserungen des Speicherwirkungsgrad lassen sich jedoch noch durch Verbesserung der Systemsteuerung an vielen Standorten erreichen, wie in 10 2006 010 852 gezeigt wird.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Ausrüstung und das Verfahren für den Betrieb eines PSW so zu gestalten, dass die Fahrweise flexibel jeder Netzanforderung zwischen den Grenzwerten P_maxTu und P_maxPu mit der nach dem Transmission Code geforderten Regelgeschwindigkeit ohne Unterbrechung über 24 Stunden am Tag folgen kann und dabei die beim Gesamtprozess auftretenden Verluste minimiert und durch die ständige Kontrolle der Wasserbilanz sich anbahnende Engpässe rechtzeitig erkannt und durch geeignete Gegenmaßnahmen vermieden werden können.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Es ist vorteilhaft, die Ausbauleistung eines PSW auf mindestens zwei baugleiche Pumpspeichersätze zu verteilen. Das ist eine wesentliche Vorraussetzung gegenüber der Ausrüstung mit einem Pumpspeichersatz, um die Flexibilität des Einsatzes zu erhöhen.
• Es ist weiter vorteilhaft, dass beide PSS durch Ausrüstungen mit variabler Drehzahl ausgestattet werden. Sie bestehen vorzugsweise aus je einer reversiblen Pumpturbine mit einem vorgeschalteten hochdruckseitigen Verschlussorgan, die starr gekuppelt über eine Verbindungswelle mit einem reversiblen Synchronmotorgenerator betrieben wird. Zwischen den Synchronmaschinen mit den zugehörigen Schaltelementen (Leistungsschalter, Netztrenner, Drehrichtungstrenner) und den zugehörigen Netztransformatoren wird ein Frequenzumrichter mit Zwischenstromkreis geschaltet. Dieser Frequenzumrichter wird für die volle Leistung des Pumpspeichersatzes ausgelegt, so dass damit auch der Start in den Pumpbetrieb bei gefüllter Pumpturbine möglich ist. Die Auslegung der Frequenzumrichter auf die volle Leistung des PSS ermöglicht es weiterhin, die Frequenzumrichter auch für alle Bremsvorgänge bei Umstellvorgängen mit großer Leistung einzusetzen, so dass insgesamt sehr kurze Umstellzeiten erreicht werden können.
• Beide PSS werden von einer gemeinsamen hochdruckseitigen Triebwasserleitung aus betrieben. Dabei ist es vorteilhaft, den hydraulischen Sammler, der am Ende der Triebwasserleitung angeordnet ist und von dem die Zuleitungen zu den beiden PSS ausgehen, so nah wie möglich an den beiden PSS zu platzieren. Das hydraulische Design dieses hydraulischen Sammlers ist darauf auszurichten, dass sowohl die maximale Strömungsgeschwindigkeit in beiden Betriebsarten als auch die Strömung in der Betriebsart hydraulischer Kurzschluss mit möglichst niedrigen Verlusten verbunden ist.
• Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Doppelblock in seinem Leistungsvermögen so dimensioniert wird, dass anstelle des bisher üblichen Auslegungskriteriums /P_maxTu/ = /P_maxPu/ die Bedingung /Q_maxTu/ = /Q_maxPu/ tritt, wodurch unabhängig von den momentanen Netzanforderungen im Mittel die gleichen Betriebszeiten im Turbinen- und im Pumpbetrieb und damit die ununterbrochene Bereitstellung der Netzdienstleistungen über 24 Stunden am Tag erreicht wird.
• Ebenfalls vorteilhaft ist es, in der übergeordneten Steuerung und Optimierung des Doppelblockes neben der Leistungsregelung auch eine ständige Kontrolle der Wasserbilanz zu realisieren und somit dem Betreiber sich anbahnende Engpässe rechtzeitig anzukündigen und ihm entsprechende Gegenmaßnahmen zu ermöglichen.
• Die angeführte vorteilhafte Ausrüstung und Prozessführung ermöglicht es, dass der Doppelblock jeder Leistungsanforderung aus dem Netz von der maximalen Leistungsabgabe im Turbinenbetrieb bis zur maximalen Leistungsaufnahme im Pumpbetrieb ohne Unterbrechung und mit der im Transmission Code geforderten Regelgeschwindigkeit folgen kann, wobei der Leistungsbereich zwischen der minimalen Abgabeleistung im Turbinenbetrieb eines PSS bis zur minimalen Pumpenaufnahmeleistung eines PSS durch die Betriebsart hydraulischer Kurzschluss bei gleichzeitigem Betrieb eines PSS im Turbinenbetrieb und des anderen PSS im Pumpbetrieb überbrückt wird. Damit ergeben sich für den Doppelblock folgende Bereiche für den Einsatz in den einzelnen Betriebsarten: Der Turbinenbetrieb wird vom Bereich der minimalen Turbinenleistung eines PSS bis zur maximalen Turbinenleistung eines PSS von einem Pumpspeichersatz und darüber bis zur maximalen Turbinenleistung des Doppelblocks von beiden PSS im Parallelbetrieb Turbine bestritten. Die Betriebsart hydraulischer Kurzschluss reicht von der minimalen Turbinenleistung eines PSS bis zur minimalen Pumpenaufnahmeleistung eines PSS. Ab dem Betriebspunkt minimale Pumpenaufnahmeleistung eines PSS bis zur maximalen Pumpenaufnahmeleistung des Doppelblockes fährt der Doppelblock in der Betriebsart Pumpbetrieb.
• Damit erreicht der Doppelblock über den gesamten Leistungsbereich gesehen einen wesentlich besseren Wälzwirkungsgrad im Vergleich mit den bekannten Möglichkeiten des hydraulischen Kurzschlusses bei ternären Pumpspeichersätzen. Die in der Prozessführung implementierte, ständige Kontrolle der Wasserbilanz sichert in Verbindung mit der für die Auslegung der PSS zu Grunde gelegten Bedingung des gleichen maximalen Durchsatzes im Turbinen- und im Pumpbetrieb den ununterbrochenen Betrieb und damit die Erfüllung von Netzdienstleistungen über 24 h am Tag.
• Anhand eines Ausführungsbeispiels soll nachstehend die Erfindung näher erläutert werden.
• Dabei zeigen die
• 1: den schematischen Aufbau des PSW,
• 2: das schematische Blockschaltbild des Doppelblockes,
• 3: die Leistungskennlinie des Doppelblockes.
• Das Pumpspeicherwerk (PSW) besteht aus dem oberen Speicherbecken (1), der hochdruckseitigen Triebwasserleitung (2), dem hochdruckseitigen hydraulischen Sammler (3), dem Doppelblock (32), den elektrischen Verbindungen des Doppelblockes mit dem Hochspannungsnetz (29) und den niederdruckseitigen Triebwasserleitungen (10, 11) zum unteren Speicherbecken (16). Dieser grundsätzliche Aufbau gilt für den Fall, dass das Krafthaus mit dem Doppelblock (32) unmittelbar am unteren Speicherbecken (16) angeordnet ist. Bei einer anderen Anordnung, z. B. in einer größeren Entfernung vom unteren Speicherbecken (16) wird auch auf der Niederdruckseite ein hydraulischer Sammler (14) angeordnet. Dazu gehören dann Zuleitungen (12, 13) von den Pumpturbinen (8, 9) zu diesem Niederdrucksammler (14) und eine niederdruckseitige Triebwasserleitung (15), die den hydraulischen Sammler (14) mit dem unteren Speicherbecken (16) verbindet.
• Der hydraulische Sammler (3) wird in seiner Anordnung so nah wie möglich an die beiden PSS (30, 31) herangebracht, und hydraulisch so gestaltet, dass sowohl die Strömungsverhältnisse im Volllastbetrieb in beiden Strömungsrichtungen als auch während des hydraulischen Kurzschlusses möglichst günstig sind.
• Die beiden baugleichen PSS (30, 31) bestehen im Wesentlichen aus den Zuleitungen (4, 5) vom hydraulischen Sammler (3) zu den hochdruckseitigen Verschlussorgenen (6, 7). Diese Verschlussorgane (6, 7) sind unmittelbar vor den Pumpturbinen (8, 9) angeordnet.
• Die reversiblen Pumpturbinen (8, 9) sind mit den Maschinensatzwellen (17, 18) starr mit den Synchronmotorgeneratoren (19, 20) verbunden. Um einen Betrieb der PSS (30, 31) mit veränderlicher Drehzahl in beiden Drehrichtungen im vollen Leistungsbereich zu ermöglichen, sind zwischen den Motorsynchrongeneratoren (19, 20) und den Netztransformatoren (27, 28) jeweils baugleiche Frequenzumrichter (23, 24) zwischengeschaltet. Diese Frequenzumrichter sind für die volle Leistung der PSS (30, 31) ausgelegt. Da die PSS (30, 31) die Forderung /Q_maxTu/ = /Q_maxPu/ erfüllen sollen, bedeutet das, dass die maximale elektrische Leistung der PSS (30, 31) im Pumpbetrieb auftreten wird und demzufolge das Auslegungskriterium für die Frequenzumrichter (23, 24) die maximale Leistungsaufnahme P_maxPu der beiden PSS (30, 31) ist.
• Zu den elektrischen Hauptausrüstungen der PSS (30, 31) gehören die elektrischen Verbindungsleitungen (21, 22) zwischen den Motorgeneratoren (19, 20) zu den Frequenzumrichtern (23, 24). Nicht dargestellt sind in diesem schematischen Aufbau die notwendigen Schalteinrichtungen auf dieser Verbindungsstrecke wie sie üblicherweise verwendet werden und im Wesentlichen aus dem Maschinenleistungsschalter, den Erdungstrennern und dem Drehrichtungstrenner bestehen. Ebenso gehören zu den PSS (30, 31) die elektrischen Verbindungsleitungen (25, 26) zwischen den Frequenzumrichtern (23, 24) und den Netztransformatoren (27, 28) und gegebenenfalls zugehörige Schalteinrichtungen. Die beiden elektrischen Verbindungen (21, 22) und (25, 26) führen hohe Ströme auf der Maschinenspannungsebene. Sie sind in der Ausführung relativ teuer und verursachen durch die hohen Ströme hohe Verluste. Aus diesem Grund wird bei der Planung verstärkt darauf geachtet, dass diese Verbindungen so kurz wie möglich gehalten werden können. Das heißt, dass die Anordnung der Hauptkomponenten Synchronmotorgenerator (19, 20), der Frequenzumrichter (23, 24) und der Netztransformatoren (27, 28) möglichst so getroffen werden kann, dass die elektrischen Verbindungen (21, 22) und (25, 26) so kurz wie möglich gehalten werden können.
• Die Ausrüstung der beiden PSS (30, 31) mit der Kombination Synchronmotorgenerator (19, 20) und zugehörigem Frequenzumrichter (23, 24) mit voller Leistung gegenüber einer ebenfalls möglichen Ausrüstung mit Asynchronmotorgeneratoren und entsprechend kleineren Frequenzumrichtern für die Erregung ist zwar von der Investition möglicherweise etwas ungünstiger, bietet aber dafür im Betrieb ganz entscheidende Vorteile.
• Die hohe Umrichterleistung, die der maximal in den PSS (30, 31) auftretenden elektrischen Leistung entspricht, ermöglicht es, die PSS (30, 31) in allen Betriebsarten, also auch im Pumpbetrieb, bei voll gefüllter Pumpturbine (8, 9) anzufahren. Das bedeutet, dass hinsichtlich der Umstellvorgänge, vor allen Dingen zwischen den Betriebsarten Turbinenbetrieb und Pumpbetrieb, bei dieser Maschinenkonstellation wesentlich kürzere Zeiten erreicht werden können, als dass bei bisher üblichen Pumpspeichersätzen der Fall ist. Die hohe Umrichterleistung ist in gleicher Richtung hinsichtlich der Startzeiten in den Pumpbetrieb von Nutzen und kann ebenso für schnellere Bremszeiten beim notwendigen Drehrichtungswechsel zwischen Turbinen- und Pumpbetrieb oder umgekehrt genutzt werden.
• Der Betrieb im Turbinenbetrieb erfolgt im unteren Lastbereich von der technischen Mindestlast eines PSS (44) bis maximal zur höchsten Leistungsabgabe im Turbinenbetrieb eines PSS (43) mit einem PSS, z. B. (30). Bei Leistungsanforderungen vom Netz, die darüber liegen, ist der Einsatz beider PSS (30, 31) im Turbinenbetrieb erforderlich. Die Umschaltung von Ein- auf Zweimaschinenbetrieb im Turbinenbetrieb kann bereits vor Erreichen der maximalen Turbinenabgabeleistung eines PSS (43) erfolgen, z. B. im Punkt (49) nach 3, da die Verlustleistungen des Parallelbetriebes beider PSS (30, 31) in diesem Punkt nicht größer als im Einzelbetrieb eines PSS sein werden. Dadurch ist der kontinuierliche Übergang zu höheren Leistungen stoß- bzw. sprungfrei gewährleistet. Die gleiche Prozedur ist ebenso bei abnehmenden Leistungsanforderungen im Netz (40) beim Übergang von Zwei- auf Einmaschinenbetrieb möglich.
• Sinkt die Leistungsanforderung vom Netz (40) weiter in Richtung des Nullpunktes nach 3, so wird in einem geeigneten Abstand vom Nullpunkt, z. B. dem Punkt (50) nach 3, der zweite Maschinensatz, z. B. (PSS 31), der vorher stillgesetzt worden war, in den Pumpbetrieb überführt. Das kann z. B. im Punkt (50) nach der 3 erfolgen. In diesem Fall wird gleichzeitig mit dem Erreichen der minimalen Pumpenaufnahmeleistung am zweiten PSS (31) P_minPuPSS die Turbinenabgabeleistung des ersten PSS (30) soweit erhöht, dass die Differenz der Turbinenabgabeleistung und der Pumpenaufnahmeleistung beider PSS (30, 31) genau der Leistungsanforderung im Punkt (50) nach Bild 3 entspricht. Bei weiterer Absenkung der Leistungsanforderung vom Netz (40) zum Nullpunkt oder darüber hinaus zu einer vorgeschriebenen Leistungsaufnahme wird bei Beibehaltung der Pumpleistung am zweiten PSS (31) mit P_minPuPSS die Turbinenabgabeleistung des ersten PSS (30) entsprechend verringert, so dass die bereits genannte Differenz dann wiederum der Leistungsanforderung vom Netz entspricht. Ist bei weiterem Fortgang mit der gleichen Tendenz die minimale Turbinenabgabeleistung des ersten PSS (30) erreicht, wird dieser PSS (30) vom Netz genommen und die geforderte Leistungsanforderung im Netz (40) kann dann von dem zweiten PSS (31) im Pumpbetrieb alleine so lange erbracht werden, bis die Leistungsanforderung die maximale Pumpenaufnahmeleistung eines PSS (53) erreicht ist. Bei Annäherung an diesen Umschaltpunkt innerhalb der Leistungskennlinie des Doppelblocks wird der erste PSS (30) in Pumpenrichtung gestartet, z. B. am Punkt (52), so dass ab dem Punkt (52) nach 3 die weitere Leistungsanforderung im Parallelbetrieb beider Pumpspeichersätze im Pumpbetrieb erfüllt werden kann.
• Bei entgegen gesetzter Tendenz der Leistungsanforderung also zunächst abnehmender Überschuss im Netz und später Übergang zu Leistungsanforderung im Turbinenbetrieb, kann die Leistungskennlinie des Doppelblockes in umgekehrter Richtung durchlaufen werden mit entsprechender Umschaltung der jeweiligen PSS (30, 31) an den in 3 eingezeichneten schematischen Umschaltpunkten.
• Die Wahl der tatsächlichen Umschaltpunkte in Relation zu den theoretischen Umschaltpunkten muss nach entsprechender Betriebserprobung im Probebetrieb erfolgen. Diesbezüglich gibt es aus den Erfahrungen mit der Optimierung von PSW mit mehreren PSS entsprechende Erfahrungen, auf die zurückgegriffen werden kann.
• Die geschilderte Fahrweise des Doppelblocks hat im Vergleich zur Fahrweise eines ternären PSS mit hydraulischem Kurzschluss folgende Vorteile. Im Turbinenbetrieb wird die Verlustleistung in Summation über den gesamten Leistungsbereich bei der Aufteilung auf zwei PSS geringer sein als beim Abfahren der Kurve mit einem PSS. Diese Einschätzung gilt zumindest für die Verwendung von Pumpturbinen, weil Pumpturbinen im unteren Leistungsbereich einen deutlichen Wirkungsgradabfall aufweisen. Der Doppelblock wird also in allen Fallhöhenbereichen, in denen Pumpturbinen zum Einsatz kommen, immer eindeutige Vorteile gegenüber einem einzigen Maschinensatz in ternärer Bauweise aufweisen und ganz besonders gegenüber einer Ausrüstung mit einem Pumpspeichersatz mit Pumpturbine mit der Gesamtleistung des Doppelblockes. Der Betrieb im hydraulischen Kurzschluss wird natürlich immer Nachteile bezüglich des Wirkungsgrades gegenüber dem Betrieb im reinen Turbinen- oder Pumpbetrieb aufweisen. Durch die Anwendung des Doppelblockes (32) wird der Betriebsbereich für den hydraulischen Kurzschluss aber entscheidend gegenüber dem Betrieb eines ternären Blockes mit der gleichen Gesamtleistung eingeschränkt. Während er beim ternären Block von der minimalen Turbinenabgabeleistung P_minTu bis zur maximalen Pumpenaufnahmeleistung P_maxPu reicht, ist er bei der Doppelblockversion (32) nur auf den Bereich von P_minPSSTu bis P_minPSSPu beschränkt. Dabei ist noch zu beachten, dass sowohl die minimale Turbinenabgabeleistung eines PSS niedriger liegt und vor allen Dingen die minimale Pumpenaufnahmeleistung eines PSS (47) viel kleiner ist als die maximale Pumpleistung eines ternären Blocks ist. Im vorliegenden Beispiel wird von einer maximalen Turbinenabgabeleistung (42) des Doppelblocks (32) von 120 MW ausgegangen. Die maximale Aufnahmeleistung im Pumpbetrieb (45) des Doppelblockes (32) wird dagegen bei –160 MW liegen. Das bedeutet, dass der Betriebsbereich im hydraulischen Kurzschluss lediglich auf den Bereich der minimalen Turbinenabgabeleistung eines PSS (44) von 10 MW bis zur minimalen Pumpenaufnahmeleistung eines PSS (47) von –40 MW liegt. Diese Zahlen verdeutlichen noch einmal den entscheidenden Vorteil hinsichtlich des energetisch insgesamt bedeutend günstigeren Betriebes des Doppelblockes gegenüber der Einzelmaschinenvariante.
• Bei der Anwendung eines ternären PSS nach DE 10 2004 013 907 A1 ist ebenfalls ein ununterbrochener Betrieb vorgesehen. Es gibt allerdings keine Aussagen zu der möglichen Dauer eines solchen ununterbrochenen Betriebes. Dagegen wird beim Betrieb eines PSW mit einem Doppelblock (32) entsprechend der vorliegenden Erfindung der ununterbrochene Betrieb über einen beliebig langen Zeitraum ermöglicht. Das wird dadurch gewährleistet, dass in der übergeordneten Steuerung und Optimierung (35) des Doppelblockes (32) neben der erforderlichen Leistungsregelung entsprechend den Netzanforderungen auch eine ständige Kontrolle der Wasserbilanz online durchgeführt wird. In dem schematischen Blockschaltbild des Doppelblocks (32) in 2 sind die Rückführungen aus der übergeordneten Steuerung (35) an die jeweiligen Pumpspeichersatzsteuerungen (33) und (34) schematisch mit angegeben. Es ist weiter angegeben, dass in diese übergeordnete Steuerung sowohl die Anforderungen des Netzes (36) als auch alle aktuellen Systemparameter (37), wie z. B. die Pegelstände, die Netzspannung, die Netzfrequenz, die Frequenzumrichterleistung usw., eingehen. Die Kontrolle der Wasserbilanz erfolgt dergestalt, dass der vorausberechnete Wasserverbrauch, der sich aus den geplanten Fahrweisen der PSS (30, 31) ergibt, ständig mit den tatsächlichen Wasserverbräuchen verglichen wird. Größere Abweichungen können in der Praxis dadurch auftreten, dass sich bei geplanten Leistungsvorhaltungen für Regelaufgaben (primär und sekundär) und den aus der Erfahrung bekannten mittleren Inanspruchnahmen dieser Vorhaltungen über der Zeit größere Unterschiede dann einstellen, wenn die tatsächliche Inanspruchnahme (z. B. durch erhöhte Windlast) sich wesentlich verändert. Die tatsächliche Inanspruchnahme wird praktisch online mit der geplanten verglichen und der sich daraus ergebende Wasserminder- oder -mehrverbrauch berechnet. Diese Differenzwassermenge wird dann in größeren Zeitabschnitten, z. B. zu Stundenwerten mit den tatsächlichen Beckeninhalten, die über die Pegelstände ermittelt werden, verglichen. Werden dabei größere und vor allen Dingen in der Tendenz eindeutige Abweichungen festgestellt, so hat das Betreiberpersonal die Möglichkeit entsprechende Korrekturen in der Fahrweise vorzunehmen. Das kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass die mittlere Leistungsbereitstellung durch den Block (Fahrplanleistung) entweder erhöht wird, bei zu geringem Wasserverbrauch, oder abgesenkt wird, bei vergrößertem Wasserverbrauch im oberen Speicherbecken. Trotz aller Regelung und Automatisierung der Vorgänge bleibt dem Betreiberpersonal trotzdem Spielraum für entsprechende strategische Entscheidungen. Dieser beginnt bei der Planung der angebotenen Vorhaltungen für die Netzdienstleistungen. Diese können theoretisch von einer angenommenen Tagesganglinie für die mittlere Anforderung jeweils bis zu den Grenzen P_maxTu und P_maxPu reichen. Durch die Wahl der Vorhaltungen, die zur Vermarktung angeboten werden, wird natürlich die Möglichkeit der Variation der mittleren Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme eingeschränkt. Es wird einer bestimmten Betriebserfahrung bedürfen, diesbezüglich dann das Optimum für den Betreiber zu finden, wobei es dann noch entscheidend ist, inwieweit der Betreiber durch andere ihm gehörende Erzeugereinheiten entsprechende Veränderungen in der mittleren Leistungsanforderung ausgleichen kann. Die Ausrüstung und der Betrieb eines PSW mit einem Doppelblock (32) aus zwei baugleichen PSS (30, 31) mit variabler Drehzahl ermöglicht einen sehr flexiblen Einsatz des PSW. Das wird sowohl den sich ändernden Anforderungen des Netzes gerecht als auch der Verbesserung der Ertragssituation des Betreibers.
• Bezugszeichenliste

1

oberes Speicherbecken

2

hochdruckseitige Triebwasserleitung

3

hochdruckseitiger, hydraulischer Sammler

4

Zuleitung zum PSS 1

5

Zuleitung zum PSS 2

6

hochdruckseitiges, hydraulisches Verschlussorgan für den PSS 1

7

hochdruckseitiges, hydraulisches Verschlussorgan für den PSS 2

8

Pumpturbine des PSS 1

9

Pumpturbine des PSS 2

10

niederdruckseitige Triebwasserleitung des PSS 1

11

niederdruckseitige Triebwasserleitung des PSS 2

12

niederdruckseitige Zuleitung vom PSS 1 zum niederdruckseitigen, hydraulischen Sammler

13

niederdruckseitige Zuleitung vom PSS 2 zum niederdruckseitigen hydraulischen Sammler

14

niederdruckseitiger, hydraulischer Sammler

15

niederdruckseitige Triebwasserleitung

16

unteres Speicherbecken

17

Welle PSS 1

18

Welle PSS 2

19

Synchronmotorgenerator PSS 1

20

Synchronmotorgenerator PSS 2

21

Generatorableitungen mit Schaltelementen zum Frequenzumrichter 1

22

Generatorableitungen mit Schaltelementen zum Frequenzumrichter 2

23

Frequenzumrichter PSS 1

24

Frequenzumrichter PSS 2

25

elektrische Verbindung vom Frequenzumrichter zum Trafo PSS 1

26

elektrische Verbindung vom Frequenzumrichter zum Trafo PSS 2

27

Maschinentransformator PSS 1

28

Maschinentransformator PSS 2

29

Hochspannungsnetz

30

Pumpspeichersatz (PSS) 1

31

Pumpspeichersatz 2

32

Doppelblock

33

Pumpspeichersatzsteuerung PSS 1

34

Pumpspeichersatzsteuerung PSS 2

35

übergeordnete Steuerung und Optimierung des Doppelblocks

36

Anforderungen des Netzes

37

aktuelle Systemparameter z. B. Pegelstände, Netzspannung, Netzfrequenz, FU-Leistung usw.

40

Leistungsanforderung vom Netz

41

Leistungsvermögen des Doppelblocks

42

P_maxTuDB

43

P_maxTuPSS

44

P_minTuPSS

45

P_maxPuDB

46

P_maxPuPSS

47

P_minPuPSS

48

untere Leistungsgrenze im Turbinenbetrieb

49

Zuschaltpunkt des zweiten PSS in den Tu-Betrieb bei steigender Leistungsanforderung

50

Zuschaltpunkt des zweiten PSS in den Pu-Betrieb bei fallender Leistungsanforderung

51

Abschaltpunkt des ersten PSS aus dem Tu-Betrieb bei fallender Leistungsanforderung

52

Zuschaltpunkt des ersten PSS in den Pu-Betrieb bei fallender Leistungsanforderung

53

maximale Leistungsgrenze eines PSS im Pumpbetrieb

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2148682 [0002]
• DE 2438034 [0002]
• DE 102004013907 A1 [0003, 0007, 0038]
• WO 2005/093248 A1 [0009]

Claims (4)

1. Ausrüstung und Verfahren für ein Pumpspeicherwerk (PSW) als Doppelblocksystem zur ununterbrochenen Leistungsregelung als Netzdienstleistung, wobei das PSW aus dem oberen Speicherbecken (1), der hochdruckseitigen Triebwasserleitung (2), dem Krafthaus mit allen hydraulischen und elektromechanischen Ausrüstungen, und den niederdruckseitigen Triebwasserleitungen (10, 11) zum unteren Speicherbecken (16) besteht, gekennzeichnet dadurch, dass a) die Ausrüstung hauptsächlich aus dem hydraulischen Sammler (3) am Ende der hochdruckseitigen Triebwasserleitung (2), einem Doppelblock (32) mit zwei baugleichen Pumpspeichersätzen (PSS) (30, 31) mit variabler Drehzahl und den elektrischen Verbindungen des Doppelblockes (32) zum Hochspannungsnetz (29) besteht, b) jeder der beiden PSS (30, 31) jeweils aus den hochdruckseitigen Zuleitungen (4, 5), den hochdruckseitigen hydraulischen Verschlussorganen (6, 7), den reversiblen Pumpturbinen (8, 9), den niederdruckseitigen Triebwasserleitungen (10, 11), den Wellen der PSS (17, 18), den reversiblen Synchronmotorgeneratoren (19, 20), den Generatorableitungen mit zugehörigen Schaltelementen (21, 22), den Frequenzumrichtern (23, 24), den elektrischen Verbindungen (25, 26) von den Frequenzumrichtern (23, 24) zu den Netztransformatoren (27, 28) besteht, c) der Doppelblock (32) jeder Leistungsanforderung aus dem Netz (40) von der maximalen Leistungsabgabe im Turbinenbetrieb (42) bis zur maximalen Leistungsaufnahme im Pumpbetrieb (45) ohne Unterbrechung und mit der im Transmission Code geforderten Regelgeschwindigkeit folgen kann, wobei der Leistungsbereich von der minimalen Abgabeleistung im Turbinenbetrieb eines PSS (44) bis zur minimalen Aufnahmeleistung eines PSS (47) durch die Betriebsart hydraulischer Kurzschluss bei gleichzeitigem Betrieb eines PSS (30) im Turbinenbetrieb und des anderen PSS (31) im Pumpbetrieb (oder umgekehrt) überbrückt wird, d) der Doppelblock (32) in seinem Leistungsvermögen (41) so dimensioniert wird, dass anstelle des bisher üblichen Auslegungskriteriums /P_maxTu/ = /P_maxPu/ die Bedingung /Q_maxTu/ = /Q_maxPu/ (gleicher maximaler Durchsatz im Turbinen- und Pumpbetrieb) tritt, wodurch unabhängig von den momentanen Netzanforderungen (40) im Mittel die gleichen Betriebszeiten im Turbinenbetrieb und im Pumpbetrieb und damit die ununterbrochene Bereitstellung der Netzdienstleistungen über 24 Stunden am Tag ermöglicht wird, e) in der übergeordneten Steuerung und Optimierung (35) des Doppelblockes (32) neben der Leistungsregelung auch ständig (online) die Wasserbilanz kontrolliert wird und somit der Betreiber sich anbahnende Engpässe, z. B. verursacht durch größere Abweichungen zwischen Vorhaltungen und prognostizierten sowie tatsächlichen Innanspruchnahmen von Regelleistungen für das Netz, erkennen und entgegenwirken kann.
2. Ausrüstung und Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Frequenzumrichter (23, 24) mit Zwischenstromkreisen für die volle Leistung der PSS (30, 31) ausgelegt sind und somit das Anfahren der wassergefüllten Pumpturbinen (8, 9) in den Pumpbetrieb ermöglichen.
3. Ausrüstung und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, dass der hochdruckseitige hydraulische Sammler (3) möglichst nahe zu den beiden PSS (30, 31) angeordnet und in seinem hydraulischen Design so ausgeführt wird, dass die zugehörigen hydraulischen Verluste sowohl im Betrieb mit maximalem Durchsatz in beiden Strömungsrichtungen als auch im hydraulischen Kurzschluss möglichst klein bleiben.
4. Ausrüstung und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass dann, wenn die PSS (30, 31) in einem Krafthaus angeordnet sind, das nicht nahe zum unteren Speicherbecken (16) liegt, auch auf der Niederdruckseite ein hydraulischer Sammler (14) mit den gleichen Auslegungskriterien wie auf der Hochdruckseite angeordnet wird, der über die niederdruckseitigen Zuleitungen (12, 13) mit den Pumpturbinen (8, 9) und die niederdruckseitige Triebwasserleitung (15) mit dem unteren Speicherbecken (16) verbunden ist.

Images