Doppelgeneratorsystem für Laufwasserkraftwerke : Untersuchung des dynamischen Verhaltens, der Regelung, des Energieertrags und der Wirtschaftlichkeit

Abstract

Die Nutzung der Wasserkraft stellt in den letzten Jahrzehnten weltweit die größte erneuerbare Energiequelle dar. Hierbei leisten die Laufwasserkraftwerke einen bemerkenswerten Beitrag zur Stromerzeugung. Die gegenwärtigen Entwicklungen bei den Laufwasserkraftwerken richten sich auf einfach regulierte Francis-Turbinen mit einem drehzahlvariablen Generator aus. Ziel ist einerseits, den Turbinenwirkungsgrad durch eine veränderbare Drehzahl zu erhöhen und andererseits die Kosten durch Verzicht auf die Laufradregelung gegenüber doppelt regulierten Turbinen zu reduzieren. In dieser Arbeit wird ein neues drehzahlvariables Generatorsystem bzw. ein Doppelgeneratorsystem für Laufwasserkraftwerke untersucht. Das Generatorsystem besteht aus zwei elektrisch erregten Synchrongeneratoren, einem Überlagerungsgetriebe und einem Umrichter. Eine der beiden Synchronmaschinen wird direkt mit dem starren Netz gekoppelt. Sie wird als Hauptgenerator betrieben, der den größten Teil (70 %) der Gesamtleistung ins Netz überträgt. Die andere vom Umrichter gespeiste Synchronmaschine bzw. Regelmaschine muss nur einen kleinen Teil (30 %) der Leistung bereitstellen. Sie sorgt für einen stabilen und drehzahlvariablen Betrieb für das Gesamtsystem durch ihre Regelung und Steuerung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der mathematischen Modellierung und dynamischen Simulation des Doppelgenerators sowie in der Parametrierung des Drehzahlreglers der Regelmaschine. Zunächst werden die Gleichungen zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens im Zustandsraum aufgestellt, dann werden sie um einen stationären Arbeitspunkt linearisiert. Schließlich werden die Reglerparameter des Drehzahlreglers für den stabilen Betrieb optimiert. Die Simulationsergebnisse mit diesen Reglerparametern zeigen, dass das System bei externen Störungen robust arbeitet. Beispielsweise können die Schwingungen vom Hauptgenerator durch eine Netzfrequenzänderung unterdrückt werden. Des Weiteren wird ein vereinfachtes hydraulisches System simuliert, um das dynamische Verhalten des Doppelgenerators bei Änderung des Durchflusses bzw. der Leitradöffnung einer Wasserturbine zu überprüfen. Mit einer Drehzahlregelung der Regelmaschine kann eine Wasserturbine trotz des schwankenden Durchflusses in ihrem optimalen Betriebspunkt arbeiten. Als Teil dieser Arbeit wurde ein Prototyp des Doppelgenerators aufgebaut. Anstatt elektrisch erregter Synchronmaschinen werden zwei permanentmagneterregte Synchronmaschinen verwendet. Ein Asynchronmotor bildet eine Wasserturbine nach. Somit muss das in dieser Arbeit entwickelte Simulationsmodell des Doppelgenerators entsprechend dem Prototyp modifiziert werden, sodass die experimentellen Daten modellspezifisch validiert werden können. Der Vergleich zwischen Simulations- und Messergebnissen zeigt eine hohe Übereinstimmung. Dies legt den Schluss nahe, dass das Simulationsmodell die Dynamik des Doppelgenerators in einem Wasserkraftwerk realitätsgetreu widerspiegelt, weil die Modifikation der Maschinenparameter keine Veränderung der Modellierung des Doppelgeneratorsystems bedeutet.

Hydropower is the world's largest source of renewable energy over the past decades, where the run-of-river hydroelectricity has made a remarkable contribution to the hydroelectric generation. Recently, using a single-regulated francis turbine together with a variable speed generator has gained attention in the development of the run-of-river power plants. In this case a high energy efficiency is achieved with the variable speed operation and the turbine costs are significant reduced by omitting the adjustable blades. This thesis deals with an innovation design of a variable speed generator system developed for the run-of-river power plants. This system consists of two electrically excited synchronous generators, a superposition gearbox and an inverter. One of the synchronous machines runs as main generator, which provides the major part (70 %) of the total power into grid. The other machine is connected to the inverter. It takes the rest part (30 %) of the power and cares for a stable operation by its speed control. This thesis focuses on the mathematic modeling and dynamic simulation of the generator system, as well as the parameterization for a speed controller of the inverter-fed machine. Firstly, the differential equations to describe the dynamic behaviour are obtained, followed by a linearization of the equations around a stationary working point. Then the parameters of the speed controller are optimized for a stable operation. The simulations using these parameters show that the system is robust against external interferences, e.g. oscillations induced by frequency variation of the power grid. Furthermore, a simplified hydraulic system is simulated in order to check the working property of the double-generator system under variation of water flow by shifting the guiding apparatus of the turbine. A suitable speed control of the inverter-fed machine enables the water turbine working on its optimal operating point despite the changing of water flows. As a part of this work a prototype of the double-generator system has been constructed. The prototype is equipped with two permanent magnet excited synchronous machines instead of electrically excited synchronous machines and an asynchronous motor replicates the water turbine. The simulation model developed in this work has been modified such that it provides the same machines as they are used in the prototype. As a result, a fairly good agreement was found between the simulation results and the measurements performed on the prototype. This comparison indicates that the model of the double generator system can be used to simulate the dynamic behaviour in a run-of-river power plant since the modification of machine parameters does not affect the modeling of the system.