AT414191B - METHOD AND ARRANGEMENT FOR OPTIMIZING THE PERFORMANCE OF A POWER PLANT - Google Patents

Description

22

AT 414 191 BAT 414 191 B

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Wasserkraftwerke nutzen bekanntlich die potentielle Energie aufgestauten Wassers zur Erzeu-5 gung elektrischer Energie aus. Die kinetische Energie des herabfließenden Wassers treibt dabei Wasserturbinen an. Diese sind entweder an vertikalen oder horizontalen Wellen gelagert. Jede Wasserturbine ist mit einem Generator gekoppelt, welcher seinerseits elektrische Energie entweder in Energieversorgungsnetze einspeist oder im Rahmen eines Inselbetriebes zur Verfügung stellt. 10Hydropower plants are known to exploit the potential energy of pent-up water to generate electrical energy. The kinetic energy of the water flowing down drives water turbines. These are stored either on vertical or horizontal shafts. Each water turbine is coupled to a generator, which in turn feeds electrical energy either into power grids or provides in the context of island operation. 10

Bei netzgebundenen Kraftwerken bestimmt die Netzfrequenz des Energieversorgungsnetzes die Drehzahl des Generators. In Europa beispielsweise beträgt die Netzfrequenz 50 Hz, in den USA 60 Hz. 15 In der DE 1 538 649 wird eine Generatoranlage für Wechselstrom konstanter Frequenz bei wechselnder Antriebsdrehzahl, insbesondere aufgrund plötzlicher, unvorhergesehener Drehzahleinbrüchen, vorgeschlagen. Hierbei wird an die Differenzwelle des Differentialgetriebes eine zusätzliche Wechselstrommaschine angekuppelt, die im Normalbetrieb als Generator arbeitet und das Wechselstromnetz über einen Umrichter speist. Bei einem plötzlichen Abfall der Dreh-20 zahl wird die zusätzliche Wechselstrommaschine mittels eines Umschalters vom Umrichter getrennt und als Motor direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen.For grid-connected power plants, the grid frequency of the power grid determines the speed of the generator. In Europe, for example, the mains frequency is 50 Hz, in the USA 60 Hz. 15 DE 1 538 649 proposes a generator system for alternating current of constant frequency with changing drive speed, in particular due to sudden, unforeseen speed drops. In this case, an additional alternator is coupled to the differential shaft of the differential gear, which operates as a generator in normal operation and feeds the AC mains via a converter. In the event of a sudden drop in the number of revolutions, the additional alternator is disconnected from the inverter by means of a changeover switch and connected directly to the AC mains as a motor.

In der EP 0 223 731 wird eine Turbine für Windkraftanlagen vorgeschlagen, die einen Umrichter zur Umwandlung von variabler Wechselspannung aufgrund variabler Windstärken in invariable 25 Wechselspannung zur Einspeisung in das Stromnetz umfasst.In EP 0 223 731 a turbine for wind turbines is proposed which comprises a converter for converting variable AC voltage due to variable wind strengths into invariable AC voltage for feeding into the power grid.

In der JP 10191578 wird eine Photovoltaik-Anlage beschrieben, die ebenfalls Umrichter vorsieht, um Ausgangsspannungen zu optimieren. 30 Da der Generator in Wasserkraftwerken über einen direkten Antrieb, Riementrieb oder ein Getriebe mit fixer Übersetzung an die Wasserturbine gekoppelt ist, bestimmt die Netzfrequenz auch die Drehzahl der Wasserturbine. Übliche Drehzahlen von Wasserturbinen sind 60 bis 1000 Umdrehungen pro Minute. 35 Entscheidend ist nun, dass die Anlage, insbesondere die Turbine, darauf abgestimmt ist, unter vorgegebenen hydrologischen Bedingungen (Fallhöhe, Durchflussmenge, usw.) und der erforderlichen Netzeinspeisung mit 50 Hz mit optimalem Wirkungsgrad zu arbeiten. Für Großkraftwerke werden die Turbinen daher speziell berechnet, konstruiert und im Modellversuch getestet und, wenn notwendig, verbessert. Der tatsächliche Wirkungsgrad einer Turbine unter realen 40 Anwendungsbedingungen kann freilich nicht errechnet werden, sondern lässt sich nur über Messungen ermitteln. Bei kleineren Anlagen werden allerdings meist Standardturbinen eingesetzt, die den Gegebenheiten oft nicht optimal entsprechen.In JP 10191578 a photovoltaic system is described, which also provides inverter to optimize output voltages. 30 Since the generator in hydroelectric power plants is coupled to the water turbine via a direct drive, belt drive or a transmission with a fixed ratio, the mains frequency also determines the speed of the water turbine. Usual speeds of water turbines are 60 to 1000 revolutions per minute. What is important now is that the plant, in particular the turbine, is tuned to operate at optimal efficiency under given hydrological conditions (head, flow rate, etc.) and the required mains supply at 50 Hz. For large power plants, the turbines are therefore specially calculated, constructed and tested in a model experiment and, if necessary, improved. Of course, the actual efficiency of a turbine under real-world conditions of use can not be calculated, but can only be determined by measurements. In smaller systems, however, standard turbines are usually used, which often do not optimally meet the conditions.

Bei diesen Turbinen handelt es sich meistens um Francis- oder Kaplan-Turbinen oder ihren 45 jeweiligen Spezialausführungen. Francis-Turbinen sind zweifellos am weitesten verbreitet, da sie universell einsetzbar sind. Kaplan-Turbinen eignen sich besonders für Flüsse, bei denen große Wassermengen bei geringem Gefälle zur Verfügung stehen. Beide Turbinentypen weisen bei optimalem Betrieb Wirkungsgrade bis zu 93% auf und werden bevorzugt in Kleinkraftwerken verwendet. 50These turbines are mostly Francis or Kaplan turbines or their 45 special designs. Francis turbines are undoubtedly the most widely used because they are universally applicable. Kaplan turbines are particularly suitable for rivers where large amounts of water are available with a slight incline. Both types of turbines have efficiencies of up to 93% when operated optimally and are preferably used in small power plants. 50

Die Verwendung von Standardturbinen kann jedoch bewirken, dass die Wasserturbine in einem suboptimalen Betriebspunkt arbeitet. Der Wirkungsgrad der Wasserturbine verschlechtert sich dadurch in beträchtlichem Ausmaß. Auch kann es besonders bei älteren Wasserkraftwerken Vorkommen, dass aufgrund von im Laufe der Jahre vorgenommenen baulichen Veränderungen 55 und veränderter Nutzung die Turbine nicht mehr optimal betrieben wird. Die vorhandene Anlage 3However, the use of standard turbines may cause the water turbine to operate at a suboptimal operating point. The efficiency of the water turbine thereby deteriorates to a considerable extent. Also, it can occur especially in older hydroelectric power plants, that due to built over the years structural changes 55 and changed use, the turbine is no longer optimally operated. The existing plant 3

AT 414 191 B durch neue Komponenten zu ersetzen ist aber im Vergleich zum erzielten Nutzen meistens nicht ökonomisch sinnvoll.Replacing AT 414 191 B with new components, however, does not usually make economic sense compared to the benefits achieved.

Weiters können die hydrologischen Bedingungen während eines Jahres stark schwanken, 5 sodass es mithilfe einer einzigen Turbine nicht möglich wäre, stets mit optimalem Wirkungsgrad zu arbeiten. Der Einbau mehrerer Turbinen, die jeweils auf verschiedene Gegebenheiten abgestimmt sind, oder unterschiedlicher Getriebestufen ist oft aus Kostengründen nicht möglich.Furthermore, the hydrological conditions can vary widely over a year, 5 meaning that using a single turbine would not make it possible to always operate at optimal efficiency. The installation of several turbines, which are each tuned to different circumstances, or different gear stages is often not possible for cost reasons.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, über ein geeignetes Verfahren den opti-io malen Betriebspunkt von Turbinen zu ermitteln und mittels einfacher baulicher Maßnahmen ein Wasserkraftwerk so zu optimieren, dass die Wasserturbine stets im optimalen Drehzahlbereich betrieben wird und der mit fixer Übersetzung an die Wasserturbine gekoppelte Generator trotzdem mit der vorgeschriebenen Frequenz von 50 Hz ins Energieversorgungsnetz einspeisen kann. 15It is therefore the object of the present invention to determine the optimal operating point of turbines via a suitable method and to optimize a hydroelectric power plant by simple structural measures so that the water turbine is always operated in the optimum speed range and with fixed translation to the Hydro turbine coupled generator can still feed into the power grid with the prescribed frequency of 50 Hz. 15

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Anspruch 1 sieht dabei vor, den Generator bestehender Anlagen zunächst vom Netz abzukoppeln, sodass die Turbine bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden kann. Bei variierenden Betriebsparameter, wie etwa der Stellung von Leit- und Laufschaufeln, werden die 20 Leistung und der Wirkungsgrad der Anlage erhoben. Ist die einem optimalen Wirkungsgrad entsprechende Drehzahl der Turbine ermittelt, kann nun die Übersetzung des Getriebes so geändert werden, dass der Generator bei nunmehr veränderter Drehzahl der Turbine wieder die erforderliche Frequenz von 50 Hz liefert. Die Maßnahmen gemäß Anspruch 2 und 3 haben sich bei der praktischen Realisierung des Verfahrens als vorteilhaft erwiesen. 25This is achieved by the characterizing features of claim 1 according to the invention. Claim 1 provides for decoupling the generator of existing systems first from the network, so that the turbine can be operated at different speeds. With varying operating parameters, such as the position of guide vanes and blades, the performance and efficiency of the system are assessed. If the speed of the turbine corresponding to an optimum efficiency is determined, the gear ratio can now be changed so that the generator again supplies the required frequency of 50 Hz at the speed of the turbine which has now been changed. The measures according to claim 2 and 3 have proven to be advantageous in the practical implementation of the method. 25

Durch eine permanente Verwendung eines Umrichters zwischen Generator und öffentlichem Netz kann dabei die Turbine bei unterschiedlichen Drehzahlen laufen und somit am jeweils optimalen Betriebspunkt arbeiten. 30 Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand beiliegender Zeichnungen näher erläutert:Through a permanent use of an inverter between generator and public network, the turbine can run at different speeds and thus work at the optimum operating point. The method according to the invention will now be explained in more detail with reference to the attached drawings.

Figur 1 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Anordnung von Turbine, Getriebe und Generator, wie man sie etwa in herkömmlichen Wasserkraftwerken vorfindet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch bei anderen Kraftwerkstypen, bei denen Gas- oder Dampftur-35 binen statt Wasserturbinen verwendet werden, denkbar.Figure 1 shows a schematic representation of an arrangement of turbine, gearbox and generator, as found in conventional hydroelectric power plants. However, the method according to the invention is also conceivable for other types of power plants in which gas or steam turbines are used instead of water turbines.

Figur 2 zeigt die Anordnung in einer Anlage gemäß Figur 1 bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.FIG. 2 shows the arrangement in a system according to FIG. 1 when carrying out the method according to the invention.

Figur 3 zeigt eine Anordnung gemäß Anspruch 4.FIG. 3 shows an arrangement according to claim 4.

Figur 4 zeigt den Schaltplan eines Umrichters, wie er zur Realisierung des erfindungsgemäßen 40 Verfahrens und der Anordnung gemäß Anspruch 4 geeignet ist.FIG. 4 shows the circuit diagram of an inverter as it is suitable for implementing the method according to the invention and the arrangement according to claim 4.

Figur 1 zeigt einen typischen Aufbau eines Kraftwerks bestehend aus einer Strömungsmaschine 1, Getriebe 13, Generator 3 und der Anbindung an ein Stromnetz 12. Beim Stromnetz 12 kann es sich um ein öffentliches Stromversorgungsnetz handeln, es kann aber auch ein priva-45 tes Netz sein. Wenngleich erfindungsgemäßes Verfahren und Anordnung für andere Kraftwerkstypen, in denen Gas- oder Dampfturbinen statt Wasserturbinen verwendet werden, ebenfalls ersetzbar sind, wird im folgenden auf Wasserkraftwerke bezug genommen. Bei der Turbine 1 handelt es sich etwa um eine Francis- oder Kaplan-Turbine, die in Figur 1 in vertikaler Lagerung gezeichnet ist. Die Fließrichtung erstreckt sich dabei vom Oberwasser 14 über die so Schaufeln der Turbine 1 zum Unterwasser 15. Das Getriebe 13 zur Kraftübertragung von der Welle der Turbine 1 auf den Generator 3 kann etwa ein Riementrieb sein. Bei Kleinkraftwerken werden nur sehr selten direkt gekoppelte Generatoren verwendet. Über eine Übersetzung der Turbinendrehzahl per Getriebe 13 können nämlich günstige Standardgeneratoren verwendet werden. Als Getriebe werden meist Flachriementriebe bevorzugt. Sie zeichnen sich durch ho-55 hen Wirkungsgrad (bis 98%) und niedrigen Wartungskosten aus. 4Figure 1 shows a typical structure of a power plant consisting of a turbomachine 1, transmission 13, generator 3 and the connection to a power grid 12. The power grid 12 may be a public power grid, but it may also be a privately owned network , Although the inventive method and arrangement for other types of power plants, in which gas or steam turbines are used instead of water turbines, are also replaceable, reference will be made to hydropower plants in the following. In the turbine 1 is about a Francis or Kaplan turbine, which is shown in Figure 1 in vertical storage. The flow direction extends from the upper water 14 via the blades of the turbine 1 to the underwater 15. The transmission 13 for transmitting power from the shaft of the turbine 1 to the generator 3 may be about a belt drive. Small power plants rarely use directly coupled generators. Via a translation of the turbine speed by means of transmission 13, it is possible to use favorable standard generators. As transmission usually flat belt drives are preferred. They are characterized by high efficiency (up to 98%) and low maintenance costs. 4

AT 414 191 BAT 414 191 B

Beim Generator 3 wird es sich bei kleineren Wasserkraftwerken hauptsächlich um einen Asynchrongenerator handeln, bei größeren Kraftwerken finden sich vermehrt Synchrongeneratoren. Auch Gleichstromgeneratoren finden manchmal Verwendung. Eine Veränderung der Kraftübersetzung über das Getriebe 13 ist im üblichen Betrieb eines solchen Kraftwerks nicht vorgese-5 hen. Die Turbine 1 läuft stets mit konstanter Drehzahl und bewirkt somit eine bestimmte Umlaufgeschwindigkeit des Rotors des Generators 3. Getriebe 13 und Anzahl der Polschuhe des Generators 3 sind, gemeinsam mit der Auslegung der Turbine 1, darauf abgestimmt, eine Netzfrequenz von 50 Hz zu liefern. io Bei der in Figur 1 dargestellten Anlage kann es sich um eine neue Anlage handeln, bei der der Betrieb der Turbine 1 über Messung des realen Wirkungsgrades optimiert werden soll, oder um eine bestehende Anlage, bei der es im Laufe des langjährigen Betriebes zu baulichen Veränderungen, etwa einer Stauerhöhung bei Erneuerung des Wehrs, gekommen ist, die nun einen suboptimalen Betrieb der Turbine 1 verursachen. Die Anlage gemäß Figur 1 kann am öffentli-15 chen Stromversorgungsnetz angeschlossen sein oder auch im Inselbetrieb arbeiten.When generator 3, it will be smaller hydropower plants mainly an asynchronous generator, larger power plants are increasingly synchronous generators. Even DC generators are sometimes used. A change in the power transmission via the transmission 13 is not vorgese-5 hen in the usual operation of such a power plant. The turbine 1 always runs at a constant speed and thus causes a certain rotational speed of the rotor of the generator 3. Gear 13 and number of pole pieces of the generator 3 are, together with the design of the turbine 1, tuned to deliver a mains frequency of 50 Hz. The installation shown in FIG. 1 may be a new installation in which the operation of the turbine 1 is to be optimized by measuring the real efficiency, or an existing installation in which it is subject to structural changes over the course of many years of operation , such as a stasis increase in renewal of the weir, has come, which now cause a sub-optimal operation of the turbine 1. The system according to FIG. 1 can be connected to the public power supply network or operate in stand-alone mode.

Die Turbine 1 soll nun durch den Betrieb in der optimalen Drehzahl einen möglichst hohen Wirkungsgrad erreichen. Dazu wird nun im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens der Generator 3 vom öffentlichen Netz 12 abgekoppelt und an einen Umrichter 2 angeschlossen. Zusätz-20 lieh ist eine Messstelle 4 vorgesehen, die der Bestimmung der Wirkleistung dient. Zusätzlich kann dazu auch eine Drehmomentmesszelle 5 an der Welle der Turbine 1 montiert sein. Die Kenntnis der Wirkleistung ist für die Bestimmung des Wirkungsgrades der Turbine 1 erforderlich. Weiters ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Drehzahlsensor 6 vorteilhaft. Die Kenntnis der Drehzahl ist zur Aufnahme eines Kennlinienfeldes zur Ermittlung 25 des optimalen Wirkungsgrades unbedingt erforderlich, kann aber auch in Kombination mit der Drehmomentmesszelle zur Ermittlung der exakten Leistung der Turbine 1 an der Welle dienen.The turbine 1 should now achieve the highest possible efficiency by operating at the optimum speed. For this purpose, the generator 3 is now disconnected from the public network 12 and connected to a converter 2 in the course of the inventive method. In addition, a measuring point 4 is provided which serves to determine the active power. In addition, a torque measuring cell 5 can also be mounted on the shaft of the turbine 1 for this purpose. The knowledge of the active power is required for the determination of the efficiency of the turbine 1. Furthermore, a speed sensor 6 is advantageous for carrying out the method according to the invention. The knowledge of the speed is essential for recording a characteristic field for determining the optimum efficiency, but can also be used in combination with the torque measuring cell for determining the exact power of the turbine 1 on the shaft.

Es ist zur Erstellung geeigneter Kennlinienfelder weiters notwendig, den Volumendurchfluss zu kennen. Er wird durch eine Messeinrichtung 8 (mit Messflügel, Staurohr oder sonstigen Einrich-30 tungen) ermittelt. Es ist dabei nicht unbedingt notwendig die genaue Volumenmenge zu kennen, da dies unter bestimmten Umständen nicht mit geringem Aufwand zu realisieren ist. Die relative Volumenmenge reicht zur Optimierung des Wirkungsgrades, wenngleich unter diesen Bedingungen nicht der absolute Wirkungsgrad berechnet werden kann. Die Durchflussmenge kann vor oder nach der Turbine 1 gemessen werden. Sollte die Strömungsgeschwindigkeit 35 hoch sein, so ist dieser Faktor in der Berechnung des Wirkungsgrades entsprechend zu berücksichtigen.It is necessary to create suitable characteristics fields, to know the volume flow. It is determined by a measuring device 8 (with measuring wing, pitot tube or other equipment). It is not absolutely necessary to know the exact volume, as this is not possible under certain circumstances with little effort. The relative volume is sufficient to optimize the efficiency, although under these conditions, the absolute efficiency can not be calculated. The flow rate can be measured before or after the turbine 1. If the flow velocity 35 is high, this factor must be considered accordingly in the calculation of the efficiency.

Pegelsonden 9 werden zur Ermittlung der Druckdifferenz installiert, die maßgeblich für die Absolutleistung der Turbine 1 ist. Sie können auch durch Druckmesssysteme ersetzt werden. 40Level sensors 9 are installed to determine the pressure difference, which is decisive for the absolute performance of the turbine 1. They can also be replaced by pressure measuring systems. 40

Wahlweise können auch Einrichtungen zur Messung der Wasserdichte 10, der Temperatur 11 und des restlichen Dralles am Austritt der Turbine 1 verwendet werden.Optionally, means for measuring the water density 10, the temperature 11 and the remaining swirl at the outlet of the turbine 1 can be used.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden nun bei vom Netz entkoppelten Generator die 45 Betriebsbedingungen der Turbine 1 durch Einstellungsveränderungen der Leitschaufeln 7 bzw. der Laufschaufeln der Turbine 1 stufenweise variiert, was auch Drehzahlveränderungen der Turbinenwelle bedingt. Gleichzeitig werden die über die Messstelle 4, Drehzahlsensor 6, Dreh-momentenmesszelle 5, Durchflussmesser 8, Pegelsonden 9 und eventuell der Dichte-, Temperatur- und Drallfühler 10, 11 und 12 gelieferten Daten gesammelt und per Computer ausgewer-50 tet. Das Prüfendergebnis wird in einem Kennlinienfeld (sogenanntes „Muscheldiagramm“) ausgegeben. Es enthält den Zusammenhang zwischen der Durchflussmenge durch die Maschine und der spezifischen Umfangsgeschwindigkeit (dem Kehrwert der Fallhöhe entsprechend) bei bestimmten Winkeln von Leitschaufel und Laufschaufel. Dieses Diagramm gibt den auf Anlagewerte korrigierten Wirkungsgrad der Turbine an. Bei bestimmten Betriebsbedingungen wird 55 sich ein Maximum des Wirkungsgrades zeigen, dem eine bestimmte optimale Drehzahl der 5In the method according to the invention, when the generator is decoupled from the grid, the operating conditions of the turbine 1 are varied step by step by changing the settings of the guide vanes 7 or the rotor blades of the turbine 1, which also causes changes in the rotational speed of the turbine shaft. At the same time, the data supplied via the measuring point 4, speed sensor 6, rotational torque measuring cell 5, flow meter 8, level probes 9 and possibly the density, temperature and swirl sensors 10, 11 and 12 are collected and evaluated by computer. The test result is output in a characteristic field (so-called "shell diagram"). It contains the relationship between the flow rate through the machine and the specific peripheral speed (corresponding to the inverse of the head) at certain vane and blade angles. This diagram shows the turbine efficiency corrected for asset values. At certain operating conditions 55 will show a maximum of efficiency, which is a certain optimum speed of the 5th

AT 414 191 BAT 414 191 B

Turbine 1 entspricht. Es kann sich in der Praxis aber auch erweisen, dass die Optimierung hinsichtlich des Leistungsmaximums anstatt des Wirkungsgrades vorteilhaft ist, etwa um eine höhere Durchflussmenge zu erzielen. 5 Im nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun die Kraftübersetzung zwischen Turbine 1 und Generator 3 über das Getriebe 13 so verändert, dass die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors des Generators 3, zusammen mit der Anzahl der verwendeten Polschuhe, eine erzeugte Spannungsfrequenz von 50 Hz liefert. Nach erfolgter Optimierung kann der Generator wieder an das öffentliche Netz angeschlossen werden. 10Turbine 1 corresponds. However, it can also prove in practice that the optimization in terms of the maximum power instead of the efficiency is advantageous, for example, to achieve a higher flow rate. 5 In the next step of the method according to the invention, the force transmission between turbine 1 and generator 3 is changed via the gear 13 so that the rotational speed of the rotor of the generator 3, together with the number of pole pieces used, produces a generated frequency of 50 Hz. After optimization, the generator can be reconnected to the public grid. 10

Figur 3 zeigt, dass der Umrichter 2 nach erfolgter Optimierung nicht unbedingt entfernt werden muss, sondern auch permanent zwischen Generator 3 und öffentlichem Netz 12 geschalten sein kann. In diesem Fall muss das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 13 nicht verändert werden und die Turbine 1 kann jederzeit mit beliebiger, ihrem jeweiligen Betriebsoptimum ent-15 sprechenden Drehzahl, etwa bei veränderten hydrologischen Bedingungen, betrieben werden. Die von 50 Hz abweichenden Frequenzen der vom Generator 3 gelieferten Spannung werden durch den Umrichter 2 auf die erforderlichen 50 Hz gebracht. Hier muss allerdings darauf geachtet werden, dass die Gewinne durch die Wirkungsgradoptimierung der Turbine 1 nicht durch die Verlustleistung des Umrichters 2 kompensiert werden. 20FIG. 3 shows that the converter 2 does not necessarily have to be removed after the optimization has been completed, but that it can also be switched permanently between the generator 3 and the public network 12. In this case, the transmission ratio of the transmission 13 does not have to be changed and the turbine 1 can at any time with any, their respective operating optimum ent-15 speaking speed, such as changed hydrological conditions, operated. The deviating from 50 Hz frequencies of the voltage supplied by the generator 3 are brought by the inverter 2 to the required 50 Hz. Here, however, care must be taken that the profits are not compensated by the efficiency of the turbine 1 by the power loss of the inverter 2. 20

Figur 4 zeigt den Schaltplan eines Umrichters gemäß Stand der Technik, wie er zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung gemäß Anspruch 4 geeignet ist. Er besteht aus je einem netzseitigen und einem generatorseitigen Stromrichter, die über einen Zwischenkreis untereinander verbunden sind. Der Zwischenkreis besteht aus einem kapazitiven 25 Energiespeicher 16 und bewirkt eine Entkopplung zwischen Generator 3 und Netz 12. Je nachdem, ob der Zwischenkreis eine eingeprägte Spannung oder einen eingeprägten Strom führt, unterscheidet man auch Spannungszwischenkreis- und Stromzwischenkreisumrichter.Figure 4 shows the circuit diagram of a converter according to the prior art, as it is suitable for implementing the method and the arrangement according to claim 4. It consists of one mains-side and one generator-side converter, which are interconnected via a DC link. The intermediate circuit consists of a capacitive energy store 16 and effects a decoupling between generator 3 and network 12. Depending on whether the intermediate circuit carries an impressed voltage or an impressed current, a distinction is also made between voltage intermediate circuit and current source converter.

In solchen Zwischenkreisumrichtern erfolgt eine zweimalige Energieumformung: 30 1. Aus dem Drehstrom des Generators erfolgt eine Umformung in eine Gleichspannung bzw. in einen Gleichstrom. 2. Aus der Gleichspannung bzw. dem Gleichstrom wird mit Hilfe eines Wechselrichters wieder ein frequenzvariabler Drehstrom erzeugt. 35In such DC link converters, a two-fold energy conversion takes place: 30 1. From the three-phase current of the generator is converted into a DC voltage or into a DC current. 2. From the DC voltage or the DC current, a variable-frequency three-phase current is generated by means of an inverter again. 35

Der Wechselrichter bestimmt die Ausgangsfrequenz der Anordnung. Beim Wechselrichten wird somit Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umgeformt. Die Ausgangsspannung wird über Drosseln 17 und eine Hauptschütz 18 in das Netz 12 geleitet. Ein Regler 19 übernimmt die Steuerung des Umrichters. 40The inverter determines the output frequency of the device. When inverting DC power is thus converted into AC energy. The output voltage is passed through chokes 17 and a main contactor 18 in the network 12. A controller 19 takes over the control of the inverter. 40

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit der Wirkungsgrad bestehender sowie neu gebauter Anlagen bei minimalem baulichen Aufwand optimiert werden oder dazu dienen, eine permanente Optimierung im laufenden Betrieb zu gewährleisten. Die Erfindung soll nun anhand zweier, nicht einschränkender Beispiele dargestellt werden, um die Anwendungsbreite des 45 erfindungsgemäßen Verfahrens zu verdeutlichen.The inventive method thus the efficiency of existing and newly built systems can be optimized with minimal construction effort or serve to ensure a permanent optimization during operation. The invention will now be illustrated by way of two non-limiting examples to illustrate the scope of the method of the invention.

Beispiel 1:Example 1:

Ein altes Wasserkraftwerk mit einer Francisturbine soll optimiert werden. Die Turbine ist vor so 60 Jahren für den direkten Betrieb eines Gatters eingebaut worden. Sie ist von der damaligen Turbinenfirma für folgende Betriebsbedingungen konzipiert worden:An old hydropower plant with a Francis turbine is to be optimized. The turbine was installed 60 years ago for the direct operation of a gate. It was designed by the then turbine company for the following operating conditions:

Wassermenge Q: 1.5 m3 Fallhöhe H: 2 m 55 Drehzahl n: 217 U/min 6Amount of water Q: 1.5 m3 Drop height H: 2 m 55 Speed n: 217 rpm 6

AT 414 191 BAT 414 191 B

Leistung P: 24 kWPower P: 24 kW

Nach einigen Jahren hat der Besitzer die Fallhöhe der Anlage erhöht, indem er bei der Erneuerung der Wehr eine Stauerhöhung beantragt und diese auch durchgeführt hat. Es sind daher 5 2.5 m Fallhöhe vorhanden. Durch die erhöhte Fallhöhe kann die Turbine jetzt mehr Wasser verarbeiten (etwa 1.7 m3).After a few years, the owner has increased the height of the plant by requesting and carrying out a stagnation during the renewal of the weir. There are therefore 5 2.5 m drop height available. Due to the increased drop height, the turbine can now process more water (about 1.7 m3).

Das alte Gatter wurde in weiterer Folge durch ein leistungsfähigeres ausgetauscht. Weil das Gatter „fast“ die gleiche Drehzahl wie das alte hat, wird die Übersetzung nicht angepasst, weil io es mit der alten hinlänglich gut funktioniert.The old gate was subsequently replaced by a more powerful one. Because the gate has "almost" the same speed as the old one, the translation is not adjusted because it works well with the old one.

Bei einer Übernahme des Betriebes wird dieser nun modernisiert. Also wird die Turbine vom Gatter abgekoppelt und an einen Generator angeschlossen, damit ständig die volle Energie ausgenutzt werden kann. Dazu wird die Turbine mit der Drehzahl, mit der sie mit dem letzten 15 Gatter gelaufen ist, mit dem Generator über einen Riementrieb gekoppelt.When the company is taken over, it will be modernized. So the turbine is disconnected from the gate and connected to a generator, so that the full energy can be used constantly. To do this, the turbine is coupled to the generator via a belt drive at the speed with which it has run with the last 15 gates.

Im Laufe der Zeit haben sich also Wassermenge, Fallhöhe und Drehzahl geändert, wobei es auch sein kann, dass die Turbine bereits bei ihrem Einbau nicht völlig korrekt ausgelegt war. Muscheldiagramme und ähnliche Unterlagen zur Auslegung oder zum Nachrechnen der Turbi-20 ne sind nicht mehr vorhanden, etwa weil es die Firma mittlerweile nicht mehr gibt. Die Turbinendrehzahl wird somit von der optimalen Drehzahl abweichen und wird daher mit schlechten Betriebsbedingungen genutzt. Das Resultat ist ein schlechter Wirkungsgrad und weniger Leistung als möglich. 25 Rechnerisch müsste die Anlage, mit einem angenommenen Gesamtwirkungsgrad von 80%, folgende Leistung liefern:Over time, the amount of water, drop height and speed have changed, and it may also be that the turbine was not designed completely correct already during their installation. Shell diagrams and similar documents for the design or recalculation of the turbines are no longer available, for example because the company no longer exists. The turbine speed will thus deviate from the optimum speed and is therefore used with poor operating conditions. The result is poor efficiency and less power than possible. 25 From a mathematical point of view, the plant would have to deliver the following power with an assumed overall efficiency of 80%:

H[m]*Q[m3]*g*r| = 2.5*1.7*9.81*0.8 = 33 kW 30 Um jetzt diese Leistung tatsächlich zu erreichen, wird nun eine Firma beauftragt, die Anlage neu zu vermessen. Der vorhandene Asynchrongenerator wird dabei an einen rückspeisefähigen Frequenzumrichter angeschlossen. Es werden Pegelsonden zur Erfassung des Oberwassers und des Unterwassers angebracht. Mit einem Messflügel wird die Fließgeschwindigkeit des Wasserzulaufes gemessen und durch Berechnung das Volumen abgeleitet. Der aufgestellte 35 Messrechner versucht nun durch heuristische Algorithmen punktweise für die einzelnen Öffnungen die optimale Drehzahl zu ermitteln. Aus dem Ergebnis wird nun durch Vergleich mit dem Wasserdargebotsdiagramm die energetisch optimale Drehzahl errechnet. Nach den Messungen, die mehrere Stunden dauern, weil es eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, bis sich etwa die Strömungen gleichbleibend einstellen, wird der Umrichter wieder abgebaut. Anhand 40 der gewonnenen Daten wird nun die Riemenscheibe des Generators entsprechend getauscht, sodass die Turbine fortan mit optimalem Wirkungsgrad und einer höheren Leistung betrieben wird. Es ist zu erwarten, dass über das erfindungsgemäße Verfahren durchschnittlich etwa 20% Leistungsverbesserung, in Extremfällen auch bis zu 50%, erzielt werden können. 45 Beispiel 2:r H [m] * Q [m3] * g * | = 2.5 * 1.7 * 9.81 * 0.8 = 33 kW 30 In order to actually achieve this performance, a company is now commissioned to re-measure the plant. The existing asynchronous generator is connected to a regenerative frequency inverter. Level sensors are installed to detect the upper and lower water. With a measuring wing, the flow rate of the water inlet is measured and derived by calculation the volume. The erected 35 measuring computer now attempts to determine the optimum speed point by point for the individual openings by means of heuristic algorithms. From the result, the energetically optimal speed is calculated by comparison with the Wasserdargebotsdiagramm. After the measurements, which take several hours, because it takes a certain amount of time until the currents adjust to a constant level, the inverter is dismantled again. Based on 40 of the data obtained now the pulley of the generator is replaced accordingly, so that the turbine is operated from now on with optimum efficiency and higher performance. It can be expected that an average of about 20% performance improvement, in extreme cases up to 50%, can be achieved via the process according to the invention. 45 Example 2:

Eine Anlage soll neu gebaut werden. Da der Fluss jedoch auch für Bewässerungszwecke verwendet werden soll, beträgt die Fallhöhe während der Sommermonate 3.4 m. Im Winter muss jedoch die Fallhöhe auf 2.2 m abgesenkt werden, damit die Felder nicht vereisen. 50A plant is to be rebuilt. However, since the river is also to be used for irrigation purposes, the fall height during the summer months is 3.4 m. In winter, however, the drop height must be lowered to 2.2 m so that the fields do not freeze. 50

Nun ist der Unterschied der Fallhöhe so gravierend, dass die Turbine derart ausgelegt werden musste, dass sie mit keiner der beiden Fallhöhen gut funktionieren würde. Der Einbau von zwei Turbinen, also einer Sommer- und einer Winterturbine, ist aus Kostengründen nicht zielführend. 55 Die verwendete Turbine wäre allerdings imstande, bei geänderter Drehzahl und Einstellung derNow the difference in the height of fall is so serious that the turbine had to be designed so that it would not work well with either fall height. The installation of two turbines, so a summer and a winter turbine, is not effective for cost reasons. 55 The turbine used, however, would be able to change the speed and setting the

Claims (3)

7 AT 414 191 B Öffnungen mit hohem Wirkungsgrad zu arbeiten. Der Umstand, dass im Winter meist weniger Wasser vorhanden ist, kommt der Eigenschaft der Turbine bei weniger Fallhöhe weniger Wasser verarbeiten zu können, entgegen. Somit ergibt sich die weitere Möglichkeit, zwei unterschiedliche Getriebestufen zu verwenden, was aber wiederum sehr teuer und technisch auf-5 wendig ist. Durch Schaltung eines Frequenzumrichters zwischen Generator und Netz im Zuge erfindungsgemäßer Anordnung kann aber die Turbine bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. Durch die Verwendung eines Umrichters kann die Turbine auch während der Winterzeit io energetisch optimal betrieben werden und das Projekt wird realisiert. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Optimierung der Leistung eines Kraftwerks, das elektrischen Strom mittels einer Gas-, Dampf- oder Wasserturbine (1) erzeugt, welche mit einem Generator (3) über ein Getriebe (13) gekoppelt ist und diesen antreibt, wobei der Generator (3) in weiterer Folge mit einem Stromnetz (12) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei vom Netz (12) abgekoppeltem Generator (3) bei variierenden Betriebsbedingungen der Turbine (1) 20 der Wirkungsgrad der Turbine (1) in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl bestimmt wird, danach das Getriebe (13) so angepasst wird, dass bei optimierter Drehzahl der Turbine (1) der Generator (3) die netzübliche Frequenz liefert und anschließend der Generator (3) wieder an das Netz (12) angekoppelt wird.7 AT 414 191 B openings to work with high efficiency. The fact that in winter usually less water is available, the property of the turbine with less drop height to handle less water, contrary. Thus, there is the further possibility to use two different gear stages, which in turn is very expensive and technically on-5 agile. By switching a frequency converter between generator and network in the course of the arrangement according to the invention but the turbine can be operated at different speeds. By using an inverter, the turbine can also be optimally energetically operated during the winter time and the project is realized. 1. A method for optimizing the performance of a power plant, the electric power generated by means of a gas, steam or water turbine (1), which is coupled to a generator (3) via a gear (13) and drives it, wherein the Generator (3) is subsequently coupled to a power grid (12), characterized in that at the mains (12) decoupled generator (3) under varying operating conditions of the turbine (1) 20, the efficiency of the turbine (1) in dependence its speed is determined, then the transmission (13) is adjusted so that at optimized speed of the turbine (1), the generator (3) delivers the usual network frequency and then the generator (3) is coupled back to the network (12). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der optimalen Drehzahl der Turbine (1) mithilfe eines Umrichters (2) erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the determination of the optimal speed of the turbine (1) by means of an inverter (2). 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Umrichter (2) um einen rückspeisefähigen Frequenzumrichter oder einen rückspeisefähigen Stromrichter 30 handelt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 35 40 45 50 553. The method according to claim 2, characterized in that it is the inverter (2) is a regenerative frequency converter or a regenerative power converter 30. For this purpose 2 sheets of drawings 35 40 45 50 55