Variable-speed generator concepts for hydro-power plants

Abstract

Erneuerbare Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser spielen im 21. Jahrhundert eine immer wichtigere Rolle für die Stromerzeugung. Um die Netzstabilität bei steigendem Einsatz von zentralen und dezentralen Anlagen der Energieerzeugung gewährleisten zu können, müssen jene in der Lage sein einen aktiven Beitrag zu Stabilität zu liefern. Abhilfe können Pumpspeicherkraftwerke mit drehzahlvariablen Konzepten schaffen. Maschinensätze mit variablen Drehzahlen sind in der Lage, das Betriebsverhalten zu optimieren, mit einem verbesserten Wirkungsgrad zu arbeiten und somit die erzeugte Energie zu erhöhen. Drehzahlveränderbare Konzepte in Pumpspeicherkraftwerken können somit den gestiegenen Anforderungen der Netze hinsichtlich Flexibilität, Speicherkapazität und Wirkungsgrad gerecht werden. Weltweit wurden bereits mehr als 25 Pumpspeicherkraftwerke mit drehzahlvariablen Maschinensätzen, vor allem im asiatischen Raum, gebaut. Zwischenzeitlich hat aber auch Europa den Trend zu drehzahlvariablen Konzepten erkannt. Das derzeit größte drehzahlvariable Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal vollendet im Jahr 2004 mit einer Gesamtleistung von 1120 MVA besitzt 520 MVA mit fester und 600 MVA mit variabler Drehzahl. Anderseits, wurde 2013 im Kraftwerk Grimsel 2 im Zuge des Refurbishments der vorhandenen Einheiten eine 100 MVA Einheit auf drehzahlvariablen Betrieb umgerüstet. Insbesondere sind bei Mikro- (unter 100 kVA je Einheit) bis kleinen (bis 10 MVA je Einheit) Wasserkraftanlagen vielfach permanentmagneterregte Synchronmaschinen gespeist über einen Umrichter mit variabler Frequenz im Einsatz. Bei den höheren Leistungen sind dabei auch doppelt gespeiste Asynchronmaschinen in Verwendung. Im Bereich größer als 10 MVA je Einheit sind aus derzeitiger Sicht jedoch doppelt gespeiste Asynchronmaschinen die meist eingesetzte Ausführung. Zukünftig werden durch die Weiterentwicklung der Umrichtertechnologie in diesem Leistungsbereich auch vermehrt Synchronmaschinen verwendet. Im Sinne dieser Einteilung nach der Leistung einer einzelnen Einheit wird auch das Zusammenwirken mit den unterschiedlichen Typen von Turbinen und Pumpen erläutert. Dabei werden im Vergleich zwischen den Konzepten mit einerseits fester und anderseits variabler Drehzahl die vielfältigen Vorteile der letztgenannten Ausführungen deutlich. Demzufolge wird abschließend festgestellt, dass Wasserkraftanlagen mit variabler Drehzahl den heutigen Anforderungen an die elektrische Energieerzeugung hervorragend gerecht werden.

Renewable energy sources, such as solar-, wind- and water power, play an more and more important role for electric power generation in the 21th century. In order to provide grid stability for increasing utilization of distributed power generation, these power plants must deliver an active contribution to grid stability. Pumped storage power plants with variable speed units are there to help. Variable speed units optimise operation behaviour, can operate at improved efficiency and increase the generation sufficiently. Therefore, variable speed units at pumped storage hydro power plants are able to meet the higher grid requirements towards flexibility, storage capacity and efficiency. Worldwide, more than 25 variable speed pumped storage power plants have already been built, especially in Asia as well as Europe has found its way to realise variable speed units. The pumped storage power plant Goldisthal is presently the largest pumped storage power plant with a total output of 1120 MVA, splitted in 520 MVA with fixed speed - and 600 MVA with variable speed operation. Contrariwise, Grimsel 2 power plant was expanded while a refurbishment at one unit with the world's largest direct converter for a storage power plant with 100 MVA in 2013. Particularly for micro (lower 100 kVA per unit) to small (until 10 MVA per unit) sized hydro units with an electric or permanent magnet excited synchronous generator fed with variable frequency by a direct converter will be implemented. At higher power doubly fed asynchronous machines are used, too. At a unit power larger than 10 MVA nowadays doubly fed asynchronous machines are by far the most realised concepts. In the future, the developments of the converter technology and on-going decrease of specific costs, synchronous speed concepts will be realised more often. After an overview of turbines and pumps, their modes of operation are explained and the comparison of fixed and variable speed operation shall demonstrate the wide range of advantages of variable speed operation. Because of these advantages hydro power plants with variable speed operation capability can significantly contribute to meet the requirements of the electric grid system operators.