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Stuttgart12.10.2007
6. Seminar Kleinwasserkraft – Praxis und aktuelle EntwicklungIHS - Universität Stuttgart
Generatorkonzepte für Maschinen mit variabler Drehzahl
Dipl. Phys. Jochen BardLeiter EnergiewandlungsverfahrenBereich Energiewandlung und RegelungstechnikInstitut für Solare Energieversorgungstechnik [email protected]
0561 7294 346
gefördert durch: Europäische Kommission DG Research, DGTREN
Stuttgart12.10.2007Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V.
Anwendungsnahe Forschung und Entwicklung• Windenergie, Wasserkraft, Meeresenergie • Biomassenutzung, Photovoltaik• Energiewandlung und Speicher• Hybridsysteme • Energiewirtschaft• Information und Weiterbildung
Vorstand: Prof. Dr.-Ing. Jürgen SchmidProf. Dr.-Ing. Peter ZachariasDr. rer. nat. Oliver Führer
Personal: ca. 125 BeschäftigteJahreshaushalt: ca. 8 Mio. EuroInformation: www.iset.uni-kassel.de
Systemtechnik für die Nutzung Erneuerbarer Energien und die Rationelle Energieverwendung
Stuttgart12.10.2007Marktsituation der Kleinwasserkraft (< 10 MW)
Deutschland:ca. 7 TWh/a aus 1600 MW
Europa: über 40 TWh/a aus 15.000 Anlagen mit 14,5 GWWeißbuch der Kommission: 51 TWh/aLangfristig bis zu 60 TWh/a
China:30 GW in mehr als 42.000 Anlagen versorgen 300 Mio. Menschen
Welt (Rest):weitere 25 GW
→ zur Zeit etwa 70 GW installierte Kleinwasserkraft weltweitmit typischen Steigerungsraten von etwa 3%/a
100000 Beschäftigte für den Bau70000 Beschäftigte für den Unterhalt
Stuttgart12.10.2007
Situation der Kleinwasserkraft: Kostendruck bei Niederdruckanlagen
0
5
10
15
20
25
1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 >20
Fallhöhenstufe [m]
Häu
figke
it [%
]
1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 >20Fallhöhe [m]
überwiegend NiederdruckanlagenIn Deutschland
2/3 des Ausbaupotenzialsder EU 15
• P∝Q*H
• niedrige Fallhöhe bedeutet hohe spezifische Kosten
• Hochwasserproblematik
• wachsende Auflagen zum Umweltschutz
Stuttgart12.10.2007Motivation für den drehzahlvariablen Betrieb
doppeltregulierte Kaplanturbine unregulierte Propellerturbine
Stuttgart12.10.2007Generator-Frequenzumrichter-Systeme
ASGgear
box
box
gear-ASG
SG
Asynchrongenerator (Käfigläufer)mit Frequenzumrichter
Doppelt gespeisterAsynchrongenerator
FremderregterSynchrongenerator
PermanenterregterSynchrongenerator
• motorisch in der Antriebstechnik• generatorisch in Windkraftanlagen, BHKWs, µ-Gasturbinen,
Stromaggregaten, Wasserkraftanlagen,…
kommerzielleSysteme
50 W bis 250 MW
Stuttgart12.10.2007Realisierte drehzahlvariable Wasserkraftanlagen bis zum Jahr 2000
WKA Baujahr Turbine Fallhöhe, Leistung Planung, Anlagenbau
Rottenburg 1991 Rohrturbine(Sulzer Hydro)
5,2 m, 2×520kW Dr. Hutarew, Sulzer Hydro,ABB
Hüfingen 1994 Francis (Voith) 1 m,18 kW GEDEA, ETI UniversitätKarlsruhe
Ingelfingen 1995 semi-Kaplan(Kössler Iberica)
6,9 m, 2×358kW EnergieversorgungSchwaben, Kössler, Walcher
Waldenfels 1996 Propeller (Fella) 5 m, 85 kW Fella Anlagenbau, Amorbach
Rupboden 1997 Propeller (Fella) 6 m, 110 kW Fella Anlagenbau, Amorbach
Mühle Vogel,Lohra *
1996 oberschlächtigesWasserrad
3,6 m, 12 kW Hydrowatt, Karlsruhe
Katlenburg Ende '99 Francis (Voith) 3,2 m, 105 KW EAM, IEE Universität GhKassel
Bettborn, LU 1999 unterschlächtigesWasserrad
Hydrowatt, Karlsruhe, IEEGesamthochschule Kassel
Ing.-SchuleBiehl, CH
1994 Francis DruckreduzierungTrinkwasserversorgung
Prof. Biner, IngenieurschuleBiehl
Stuttgart12.10.2007
Wasserkraftwerk „Zum Preußischen“, Neckar, RottenburgNeubau mit drehzahlvariabler Kaplanturbine
Betreiber: Stadtwerke RottenburgPlanung: Dr. Hutarew & Partner, PforzheimBaujahr: 1991
Leistung: 2×520 kWTurbinen: 2 Kegelrad-Rohrturbinen, Sulzer HydroFallhöhe: 5,2 mAusbauwassermenge: 2×12m³/sGeneratoren: 2×610 kW, Asyn., 8-polig, ABBFrequenzumrichter: 2×800 kVA, I-Umrichter, ABB
Muscheldiagrammim Propellerbetrieb
Leistungssteigerung drehzahlvariabel in [%]
Leistung [kW]
Fallh. [m]
200 300 400 500
4.15 11 12 3.5 -
5.00 9 7 9.5 0
5.95 8 8 5.0 4.5
Stuttgart12.10.2007WKW Rupboden: Neubau mit drehzahlvariabler Propellerturbine
Betreiber: Fürstlich Salm-Horstmar’scheForstverwaltung
Projektleitung: Fella Anlagenbau GmbH, AmorbachBaujahr: Reaktivierung 1997 (nach 30 a Stillstand)Turbine: Propellerturbine (leitradreguliert), FellaLeistung: max. 100 kWFallhöhe: 6 mAusbauwasser: 2,1 m³/sDrehzahl: 500 ± 200 U/minGenerator: doppeltgespeister ASG, OswaldFU: Siemens Simovert
Stuttgart12.10.2007Wasserkraftanlage Hüfingen: Modernisierung mit PMSG und FU
Betreiber: Gesellschaft für dezentrale Energieanlagen mbH (GEDEA)Planung: ETI, Universität Karlsruhe, Prof. Dr.-Ing. H. SpäthBaujahr: 1948, Reaktivierung 1994, Francis Schachtturbine, Voith
Leistung: 18 kWFallhöhe: 1,0 mAusbauwasser: 2,9 m³/sDrehzahl: 42 U/minGenerator: 22 kW, PMSG,
Bartholdy AG, CHFU: Eigenbau ETI
Abb.: Köhler, ETI
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25discharge/rated dischrage
effic
ienc
y/m
axim
um e
ffici
eny
relative increaseof efficiency
constantspeed
variablespeed
turbine operating range
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20power [kW]
effic
ienc
y PME generator
ASG+gearbox
Stuttgart12.10.2007Wasserkraftanlage Katlenburg, Rhume (Harz): Zubau eines FUs
Typisches Ausleitungskraftwerkan einem alten Mühlenstandort
Francis Schachtturbine, VoithLeistung105 kW, Fallhöhe3,7 mAusbau 4,5 m³/s, Drehzahl 60 U/minGenerator: 115 kW ASG, 8 Pole
320
+137,41
+133,25
+135,6
gearbox generator
Francis-turbine
Stuttgart12.10.2007Wasserkraftanlage Katlenburg: Konzept
Stuttgart12.10.2007WKA Katlenburg: Hardwarekomponenten
Erhalt des altenTriebstranges
4Q-Industriestromrichtermit Motorschutzfilter, EMV-und Netzdrossel
direkter Netzanschlußals „Bypass“
Digitale Steuerung vollautomatischer BetriebDrehzahlsteuerungnach Kennlinie
Stuttgart12.10.2007
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
mech power [kW]
effic
ienc
y
WKA Katlenburg: Labormessungen elektrisches System
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 20 40 60 80input power [kW]
effic
ienc
y
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
0 10 20 30 40 50 60P mech [kW]
Effic
ienc
y 550 rpm 650 rpm 750 rpm 850 rpm 950 rpm generator direct gridcon. frequency converter
Spannungsanstiegmit/ohne dU/dt Filter
Laboraufbau Generator-FU-Vermessung
A: NetzspannungB: Generatorstrom C: Strom FU
Wirkungsgradvermessung Komponenten
Wirkungsgradvermessung Generator-FU-System
Stuttgart12.10.2007WKA Katlenburg: Betriebsergebnisse Hydrologie
0
20
40
60
80
100
120
29.02 07.03 14.03 21.03 28.03 04.04 11.04 18.04 25.04 02.05 09.05 16.05 23.05 30.05 06.06 13.06 20.06 27.06time [date in 2000]
pow
er [k
W] o
peni
ng [%
]
0
1
2
3
4
5
6
head
[m]
power [kW]
guide vane [%]
head [m]
geringe Variation der hydrologischen RandbedingungenFallhöhe und Wassermenge im Beobachtungszeitraum von 12 Monaten
Stuttgart12.10.2007WKA Katlenburg: Betriebsergebnisse drehzahlvariabler Betrieb
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
20 30 40 50 60 70 80 90 100guide vane opening [%]
spee
d [r
pm]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
impr
ovem
ent [
%]
Eff. Max. [1/min]
improvement [%]
optimale Drehzahl über der Leitapparatöffnung: 650 bis 850 U/minLeistungssteigerung von 0 bis 8 %
Stuttgart12.10.2007Drehzahlvariables Wasserrad Bettborn (Lux), Hydrowatt (Karlsruhe)
Leistung: 12 kW, Fallhöhe 2,4 m Ausbauwasser 0,8 m³/sca. 20 U/min, kombiniertes Getriebe (Planetengetriebe /Riemen)
Stuttgart12.10.2007Wasserrad Bettborn: Betriebsergebnisse drehzahlvariabler Betrieb
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
200 220 240 260 280 300 320
head [cm]
pow
er [k
W]
constant
variable
lowerwater level
higher water level
movable weirtrash rack
Funktionsprinzipunterschlächtiges
Zuppinger Wasserrad
Leistungskennlinieals Funktion der Fallhöhefür feste Drehzahl unddrehzahlvariabel
Untersuchungen an 10 verschiedenen Standorten:Ertragssteigerung durch polumschaltbare Generatoren wirtschaftlicher
Stuttgart12.10.2007Systemwirkungsgrade verschiedener Generatorlösungen
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
0 20 40 60 80 100
power [% of rated power]
effic
ienc
y
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
ASG+FC SG+FC PMSG+FC DFIG+FC
FC: FrequenzumrichterASG: Asynchrongenerator (Käfigläufer) SG: fremderregter Synchrongenerator
DFIG: doppeltgesp. Asynchrongenerator PMSG: Permanentmagnet erregter
Synchrongenerator
Stuttgart12.10.2007Status Report on Variable Speed Operation in Small Hydropower
• General technical aspects
• Technologies and concepts
• 8 case studies 12-700 kW
• Economic analysis
• Data based on year 2000
available on the DGTREN homepage (8 MB pdf)
Stuttgart12.10.2007Markterhebung in 2000: spezifische Investitionskosten
1 10 100 1000Bemessungsleistung [kW]
0
100
200
300
400
500
600
Spez
ifisc
he K
oste
n [€
/kW
]
0
50
100
150
200
250
300
350
ASG DFIG SG ASG DFIG SG
spec
ific
syst
em c
ost [
Euro
/kW
] Freq. Conv.
Generator
100 kW generators (6-pole) 600 kW generators (6-pole)
Komplette Frequenzumrichter-Systeme
GesamkostenGenerator-FU-System
100 kW und 600 kW
Stuttgart12.10.2007Neue Turbinenkonzepte: Low Cost Lösungen
Wasserkraftschnecke
bis 10 m HFbis 300 kW
14 kW Siphonturbinedrehzahlvariabel
Stuttgart12.10.2007Neue Turbinenkonzepte: High Tech Lösungen
Abb. VATECH Hydro
ECOBulbdoppelt-
regulierteKaplanturbine500 kW-2 MW
Matrixturbine200-700 kWpro Einheit
Stuttgart12.10.2007Neue Turbinenkonzepte: High Tech Lösungen
Abb.VATECH Hydro
Pilotprojekt Agonitz
700 kW, 8,5 m Fallhöhe, 430 Upm, 1,12 m Laufraddurchmesserunregulierte TurbineRinggenerator: Innenläufer mit PME
Spalt wassergefüült
Zielgröße > 1,5 MW
StrafloMatrix
Stuttgart12.10.2007
EU-Projekt VASOCOMPACT: Development of a commercial concept forvariable speed operation of unregulated submersible compact turbines
• optimiertes Design für Laufrad und Leitbleche• angepasster PME-Synchrongenerator für direkte Kopplung• angepasster Frequenzumrichter für Generatorbetrieb in WKA• skalierbare Lösung 50 bis 500 kW pro Turbine• Installation und Test einer 50 kW Pilotanlage (Tirva, Finnland)
Saugschlauch
feste Leitschaufelnfeste Laufradschaufeln
Statorwicklungenmit direkter Kühlung
Permanent-magnete
Rotor
Stuttgart12.10.2007Laufradentwicklung: IHS, Uni Stuttgart
Simulation unterschiedlicher Laufradgeometrien mittels CFDIHS, Uni Stuttgart
Festlegung des endgültigen Designs
Herstellung des Modelllaufrades
Vermessung im TeststandErmittlung der Charakteristik
Stuttgart12.10.2007Permanentmagnet erregter Synchrongenerator (Elmotec)
Nenndrehzahl 600 Upm, 40 PoleDrehmoment 840 NmNennspannung 313 VNennstrom 92 A
Spezielles Generatordesign: hohe Nennfrequenz, Standard Blechschnitte(16 kW Asynchron), gesehnte Wicklungen, mechanisch stabil bis 3*NNenn
Stuttgart12.10.2007Frequenzumrichter (SMA Technologie AG)
G 3~
3~ =
= 3~
SinusChoke
G3~
=3~
filterchoke
Variantenuntersuchung
ungesteuerter Brückengleichrichter, DC-Zwischenkreis mit variabler Spannung
gesteuerter Gleichrichter und Hochsetzsteller
• Aufbau des Frequenzumrichters aus Standardbaugruppeninnerhalb von drei Monaten
• Implementierung der Software für die Maschinenregelung(vgl. feldorientierte Regelung)
• Aufbau Teststand und Vermessung • Optimierung der Drehmomentregelung
Stuttgart12.10.2007Realisiertes Frequenzumrichterkonzept
earth faultmonitoring
-Z1-Z2
-G1-K1
-Q2
Betriebsführungs-baugruppe 2
EMC Filter
=
3~
RS 485
L3
L2
L1
Sinusfilter
EUPECPowerStack
220A
EUPEC-Treiber
earth fault
remote controlby system controller
Netz3 x 400 V
50 Hz
U, f Netz ok
U Netz
24 V DC auxiliary supply
Synchron-generator
Adap BFS
Mod5 BFS
Adap ME
230 V50 Hz
L230 V AC auxiliary supply3
PE
-Q1
Inenn,Netz=72A
G
-K2
Sunny CentralControl
RS 485
Modem
RS
232
EUPEC-Treiber
3~
=
EUPECPowerStack
220A-G2
Adap BFS
Mod5 BFS
Betriebsführungs-baugruppe 1
24 V DC
Adap ME
UGen
TelefonnetzAbb. SMA Technologie AG
Stuttgart12.10.2007Pilotanlage Tirva
Nennfallhöhe 3,5 m (2,5 bis 4,5 m)
Ausbaudurchfluss 1,4 m³/s
Nenndrehzahl 600 U/min (450 bis 750 U/min)
∅ Laufrad 600 mm
Durchgangsdrehzahl 1500 U/min
Stuttgart12.10.2007Pilotanlage Tirva, Finnland
0
5
10
15
20
25
30
35
40
400 450 500 550 600 650 700 750 800speed [rpm]
grid
pow
er [k
W]
3.37 m 3.81 m 4.44 m
Eingespeiste Leistung über der Drehzahl für verschiedene Fallhöhen
Stuttgart12.10.2007Pilotanlage Tirva: Betriebsergebnisse
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313 337 361 385 409 433 457 481 505 529 553 577 601 625 649 673 697 721
time [h]
pow
er [k
W]
Feb 06
Jan 06
Mar 06
Apr 06
Leistung ins Netz Jan-Apr 2006
Stuttgart12.10.2007Machbarkeitsstudie mit VASOCOMPACT Turbinen
Anwendungsbeispiel
3,18 m Fallhöhe 1510 mm Laufrad12,4 m³/s Ausbauwasser 265 U/min324 kW Nennleistung PME-Generator
Stuttgart12.10.2007
Very Low Head Turbine (www.vlh-turbine.com )MJ2 Technologies S.A.R.L.
• langsam laufende Turbine (15-20 U/min)• Laufradregulierung• PMG in der Nabe• drehzahlvariabel• Klappmechanismus• „Fischfreundlich“• geringes Bauvolumen
• Durchmesser 3,5 - 5,6 m• Fallhöhen 1,4 - 2,8 m• Durchfluss 10 - 30 m³/s• Leistung 100 - 500 kW
450 kW Demoanlage Moulin de Troussy bei Millau im Testbetrieb
Stuttgart12.10.2007Vereinfachtes elektrisches Konzept der Pilotanlage
periphereVerbraucher
Navigations-hilfen
Sensorik
periphereVerbraucher
Navigations-hilfen
Sensorik
Frequenz-umrichter
ASG
Last
Controller
Pitch
Bleiakkus
SunnyIslands
Diesel
Bleiakkus
SunnyIslands
Diesel
Drehrichter
Prof
ibus
digital,analog I/O
Power
IPC
Host WLAN
Drehzahlvariabler Betrieb ohne Netzanschluss mit Hilfe von Standard Industrie-Komponenten
Stuttgart12.10.2007Testaufbau am ISET
Antriebseinheit DEMOTEC Anlagenkomponenten
RotornachbildungBetriebsführung
Monitoring
Stuttgart12.10.2007Nächste Generation: 1 MW Doppelrotoranlage
Photomontage am geplanten Standort Strangford, Nordirland
Prototyp für kommerzielle Anlagen2 Rotoren mit je 500 kW
Netzeinspeisung ca. 3500 MWh/avgl. Offshore Windenergie
Erster Park mit bis zu 10 Anlagen geplant ab 2007
Deutsche Beteiligung aus Industrieund Forschung
Förderung durch das BMU
Abb. MCT