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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Anfahren eines Generators.
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Wenn herkömmliche Kraftwerke, wie Gas-, Dampf- und Kernkraftwerke aufgrund Erreichung ihrer Höchstlaufzeit vor der Abschaltung stehen, stellt sich für die Kraftwerksbetreiber die grundsätzliche Frage, ob die bestehende Anlage weiter aufgerüstet oder stillgelegt werden soll. Im Falle einer Stilllegung muss überlegt werden, wie die fehlende Leistung ersetzt werden soll, damit es zu keiner Stromverknappung kommt. Eine Möglichkeit, die stillgelegten Anlagen sinnvoll weiterzunutzen, besteht darin, die Anlagen weiterhin mit dem Stromnetz zu koppeln und die Anlage oder zumindest Teile davon zur Erzeugung von Blindleistung einzusetzen. Eine wirtschaftliche und effektive Lösung besteht darin, den Generator eines ausgedienten Kraftwerks mit dem Netz zu koppeln und ihn so zu betreiben, dass er als Kondensator wirkt.
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Hintergrund ist, dass diejenige Blindleistung, die dieser Generator ins Netz einspeist, von anderen Kraftwerken als Wirkleistung erzeugt werden kann. Die Herausforderung ist nun, so einen Generator, der ja bisher von einer Turbine angetrieben worden ist, nun ohne Turbine auf Nenndrehzahl zu bringen, um ihn dann mit dem Netz zu synchronisieren.
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In einem ersten rein mechanischen Ansatz wird die nicht mehr gebrauchte Speisewasserpumpe der Anlage abgebaut und an den Generator gekoppelt, um diesen auf Drehzahl bringen. Das bedeutet aber große mechanische Umbaumaßnahmen, die sowohl zeitlich als auch finanziell schwer zu kalkulieren sind.
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Um Generatoren auf Nenndrehzahl zu bringen existieren bereits auch Konstellationen, z.B. bei Gasturbinen oder Pumpspeicherkraftwerken, bei denen die Generatoren (Gasturbinen) oder Pumpturbinen (Pumpspeicherkraftwerke) elektrisch „hochgezogen“ werden, jedoch sind die dortigen Komponenten auf die Anforderungen von vorne herein ausgelegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Anfahren eines Generators anzugeben, die effizient und einfach zu realisieren ist. Insbesondere soll der Generator dazu verwendet werden, Blindleistung abzugeben, d.h. ohne Ankopplung an die Turbine betrieben werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein entsprechendes Verfahren zum Anfahren eines Generators anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich um eine reine elektrotechnische Lösung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Anfahren eines Generators, welcher von einer Turbine entkoppelt ist, aber weiterhin über eine Generatorableitung mit einem Energieversorgungsnetz verbunden ist, weist einen herkömmlichen Mittelspannungsumrichter als Anfahrumrichter zur Versorgung des Generators mit Strom und Spannung am Stator und zur Einstellung der Frequenz des Drehstromes auf. In einer ersten Phase des rein elektrischen Anfahrvorganges wird der Generator direkt mit einem Ausgangssignal des Anfahrumrichters beaufschlagt. In einer zweiten Phase wird ein erster Spannungswert des Anfahrumrichters hochtransformiert, während die Frequenz des Anfahrumrichters kontinuierlich hochgefahren wird.
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Mittels des Transformators wird eine Spannungserhöhung des Ausgangssignals des Anfahrumrichters erreicht, sodass die Nennspannung des Generators eingestellt werden kann. In einem entsprechenden Verfahren zum Anfahren des Generators wird in einem ersten Schritt der Anfahrumrichter auf einen ersten Spannungswert und einen ersten Frequenzwert hochgefahren und dieses Ausgangssignal des Anfahrumrichters direkt dem Stator des Generators zugeführt. Bei dem ersten Spannungswert wird es sich in der Regel um die maximale Ausgangsspannung des Anfahrumrichters handeln. In einem zweiten Schritt wird das Ausgangssignal des Anfahrumrichters über zumindest einen Transformator dem Stator des Generators zugeführt. Im Transformator wird die Ausgangsspannung des Anfahrumrichters soweit erhöht, bis die Nennspannung des Generators erreicht ist. Der erste Frequenzwert des Anfahrumrichters wird weiterhin kontinuierlich erhöht, bis der gewünschte Frequenzwert (in der Regel 50 Hz) erreicht ist. Somit ist der Betriebspunkt des Generators erreicht.
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Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es vorteilhaft, einen Generator anzufahren, welcher eine Nennspannung aufweist, welche um einen Faktor größer ist als die Nennspannung des Anfahrumrichters. Ferner kann die Anfahrenergie mit dem Anfahrumrichter direkt über die Generatorableitung in den Generator eingespeist werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass ein herkömmlicher Anfahrumrichter verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich insgesamt durch hohe Effizienz und Einfachheit aus, da vorteilhaft Standardkomponenten verwendet werden können.
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Das mehrstufige Hochfahren des Generators lässt sich durch vielfache Anordnungen realisieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden hierfür eine erste und eine zweite Leitung verwendet. Ferner werden verschiedene Schalter bzw. Schaltanlagen verwendet um von der direkten Verbindung zur Generatorableitung auf die Verbindung, welche den Transformator umfasst, umzuschalten. Eine Realisierung mit mehr als zwei Leitungen ist ebenfalls denkbar, wenn ein zweistufiges Hochfahren nicht ausreicht. Im Falle einer dreistufigen Realisierung müssen neben der direkten Verbindung, welche immer notwendig ist, da ja zunächst eine Ausgangsspannung des Anfahrumrichters nahe Null erzeugt werden muss, zwei weitere Leitungen zur Spannungserhöhung vorhanden sein. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante sind diejenigen Schalter, welche zum Umschalten von der ersten auf die zweite Leitung notwendig sind innerhalb einer Schaltanlage angeordnet. Diese Schaltanlage ist besonders einfach und kostengünstig zu realisieren, indem mehrere Schaltschränke nebeneinander angeordnet werden und der elektrische Kontakt über eine Sammelschiene hergestellt wird.
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Parallel zum Anfahrvorgang des Stators wird über eine Erregereinrichtung elektrische Leistung dem Rotor des Generators zugeführt. Das Zusammenspiel des Umrichterstromes, was sich auf das Magnetfeld des Stators des Generators auswirkt mit dem Erregerstrom, der sich auf das Magnetfeld des Rotors des Generators auswirkt, ist von besonderer Bedeutung. Nur dieses Zusammenspiel, genau ausgerichtet auf die elektrischen Daten des Generators, ermöglicht den Aufbau eines Drehmomentes, um den Generator auf 100% seiner Drehzahl beziehungsweise 1500 U/min zu bringen.
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Zusätzlich ist eine Kurzschlusssicherung zwischen der Anfahrvorrichtung und der Generatorableitung angeordnet, um Kurzschlussschäden zu vermeiden. Damit erfüllt die erfindungsgemäße Anordnung hohe Sicherheitsaspekte.
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Der von der Turbine entkoppelte Generator ist insbesondere für den Einsatz in Energieversorgungsnetzen als Phasenschieber gedacht, indem er die benötigte Blindleistung bereitstellt und somit für eine höhere Flexibilität bei der Energieversorgung mittels vieler unterschiedlicher Erzeuger (Kraftwerke, Solarfelder, Windkraftwerke) sorgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Figur zeigt ein Prinzip-Schaltbild einer Anordnung zum Anfahren eines Generators ohne angeschlossene Turbine.
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Bei dem Generator G dieses Ausführungsbeispiels handelt es sich um einen Drehstrom-Synchrongenerator mit einer Nennspannung von 27 kV. Solche großtechnische Generatoren entsprechen Drehstrom-Synchronmaschinen, die zumeist als Innenpolmaschinen ausgeführt sind. Sie bestehen aus einem als Stator bezeichneten feststehenden Teil, der im Prinzip eine große Induktionsspule darstellt. Im Innern des Generators wird der Rotor (auch Läufer genannt) gegenüber dem feststehenden Stator-Gehäuse (auch Ständer genannt) gedreht. Durch das vom Rotor mit einem Elektromagnet (Feldspule oder Erregerwicklung genannt) erzeugte, umlaufende magnetische Gleichfeld wird in den Leitern oder Leiterwicklungen des Stators durch die Lorentzkraft elektrische Spannung induziert, welche über die Generatorableitung GA an das Energieversorgungsnetz SN abgegeben wird.
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Um das Magnetfeld im Stator (das sog. Drehfeld) zu erzeugen, muss die Drehstrom-Synchronmaschine wie ein Motor zunächst auf Drehzahl gebracht werden.
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Um Wechselwirkungen mit dem Energieversorgungsnetz SN kontrollieren zu können, ist in der Generatorableitung GA ein Generatorleistungsschalter GS angeordnet. Ferner ist ein Erdungstrenner E zum Schutz des Generators in der Generatorableitung GA vorgesehen.
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Der Betrieb des Generators wird über verschiedene Regeleinheiten eingestellt. Beim Anfahren des Generators sind dies typischerweise die Drehzahl, die Phasenlage und die Spannung. Nach Ankopplung an das Netz sind dies typischerweise Spannung und Leistung bzw. die Blindleistung. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einheit ES zwecks Steuerung und Regelung des Magnetfeldes mit dem Stator und die Einheit ER mit dem Rotor verbunden.
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Es wird zunächst beschrieben, welche Komponenten für die Erzeugung des Drehfelds im Stator verwendet werden:
Die Einheit ES benötigt zur Inbetriebnahme eine gewisse Hilfsleistung, welche beispielsweise einem Kraftwerkseigenbedarfsnetz KN entnommen werden kann. Das Kraftwerkseigenbedarfsnetz KN kann als Mittelspannungsnetz mit z.B. 10 kV Nennspannung ausgelegt sein. Die dort entnommene Spannung wird anschließend über eine Schaltanlage S0 der Einheit ES als Eingangssignal IN zugeführt.
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Die Einheit ES umfasst im Wesentlichen einen Mittelspannungs-Anfahrumrichter AU, Transformatoren, Drosseln und Leistungsschalter.
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Am Eingang IN wird dem Transformator T1 die Eingangsspannung zugeführt. Dieser wandelt sie dann in eine geeignete Spannung für den Anfahrumrichter AU um. In dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel wird an dieser Stelle ein 3-Wickler-Drehstrom Transformator verwendet, welcher eine Spannungstransformation von 10 kV auf 2 × 2,8 kV durchführt. Das Wechselspannungssignal von 10 kV wird demnach auf mehrere passende Spannungswerte für den folgenden Mittelspannungs-Anfahrumrichter AU transformiert.
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Der Anfahrumrichter AU entspricht einem Stromrichter, der zur Umwandlung von Wechselspannung einer festen Frequenz in Wechselspannung mit variabler Frequenz eingesetzt wird. Insbesondere kann aus einer einem Drehstromnetz entnommenen Eingangsspannung konstanter Frequenz eine Ausgangsspannung mit variabler Frequenz und variabler Spannung erzeugt werden, um die Drehzahl von Drehstrommotoren zu steuern.
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Der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Anfahrumrichter AU umfasst eine Vielzahl von unterschiedlichen Komponenten. Die Ausgangsspannungen des Transformators T1 werden hier zunächst Gleichrichtern (hier GR1, GR2) zugeführt, in welchen aus den zugeführten Wechselspannungssignalen Gleichspannungssignale generiert werden. Anschließend werden diese über Drosseln (hier D1, D2) geglättet und anschließend einem Wechselrichter (hier WR) zur Umwandlung der Gleichspannungssignale in Wechselspannungssignale zugeführt. Dieser Wechselrichter sorgt für die Umwandlung in eine Wechselspannungen verschiedener Frequenzen. Am Ausgang des Anfahrumrichters AU liegt somit ein Wechselspannungssignal von 0 kV bis 5,2 kV an, bei welchem die Frequenz von 0 Hz auf 50 Hz hochgefahren werden kann.
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Die variable Frequenz des Ausgangssignals des Umrichters AU wird anschließend genutzt, um den Generator auf 100% seiner Drehzahl zu bringen. Das Ausgangssignal wird dazu verwendet, um das Magnetfeld des Stators aufzubauen, zum Anderen um den Rotor anzutreiben.
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Das Ausgangssignal OUT1 des Umrichters AU ist für den Drehstrom des Stators vorgesehen. Es wird über zwei Leitungen L1 und L2 dem Generator zugeführt.
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In einer ersten Leitung L1 wird das Signal OUT1 über eine Drosselspule D3 und die Schalter S1 und S3 dem Stator zugeführt, in einer zweiten Leitung L2 wird das Signal OUT1 über einen zweiten Transformator T2 und die Schalter S2 und S3 dem Stator zugeführt. Die Zuführung von der Steuereinheit ES zu der Generatorableitung GA ist mit einer gepunkteten Linie angedeutet und wird als gemeinsame Zuführung L bezeichnet.
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Eine weitere Verbindung (gestrichelte Linie) existiert zwischen dem Anfahrumrichter AU und der Erregungssteuereinheit ER, welche für den Magneten des Läufers zuständig ist. Das Signal OUT2 wird dafür verwendet, das durch die Erregerwicklung EW des Rotors aufgebaute Magnetfeld mit dem des Stators zu synchronisieren. Hierfür sind innerhalb der Einheit ER verschiedene Steuer- und Regeleinheiten vorgesehen.
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Für den Anfahrvorgang des Generators bleibt der Generatorleistungsschalter GS zunächst geöffnet, da erst bei Erreichen der Generatornennspannung, der Nenndrehzahl und der richtigen Phasenlage eine Verbindung mit dem Energieversorgungsnetz SN hergestellt wird.
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Der erfindungsgemäße Anfahrvorgang umfasst im Wesentlichen zwei Stufen:
- – eine direkte Ansteuerung des Generators mittels des Ausgangssignals OUT1 des Anfahrumrichters AU über die erste Leitung L1
- – eine indirekte Ansteuerung des Generators mittels des Ausgangssignals OUT2 des Anfahrumrichters AU über die zweite Leitung L2
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Für die direkte Ansteuerung werden die Schalter S0, S1 und S3 geschlossen und S2 bleibt geöffnet (erste Leitung L1). Der Anfahrumrichter AU beginnt mittels der Hilfsleistung aus dem Eigenbedarfsnetz des Kraftwerkes zu arbeiten und erzeugt eine Wechselspannung, welche sowohl im Betrag als auch von der Frequenz her stetig vergrößert wird. Der Generator, welcher vor Beginn des Anfahrvorgangs bereits mechanisch auf Drehzahl gebracht wurde, ist starr an die Frequenz, welche vom Anfahrumrichter AU vorgegeben wird, gekoppelt. Die Spannung des Anfahrumrichters AU kann auf diese Weise bis zur maximal möglichen Ausgangsspannung des Anfahrumrichters AU (hier 5,2 kV) hochgefahren werden. Die Frequenz des Generators kann auf diese Weise bis zu einem ersten Zwischenwert der maximalen Umdrehungszahl (hier 30 % von 1500 U/min) hochgefahren werden.
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Nun wird S1 geöffnet und S2 geschlossen. Das Ausgangssignal OUT1 wird nach diesem Umschaltvorgang über die zweite Leitung L2 dem Transformator T2 zugeführt. Dieser ist derart ausgelegt, dass er ein Vielfaches (hier das 5-fache) der maximalen Ausgangsspannung des Anfahrumrichters erzeugen kann. Damit das so genannte Übersetzungsverhältnis (= Verhältnis aus Ausgangsspannung des Anfahrumrichtes zu Transformatorspannung) richtig eingestellt werden kann, muss der Anfahrumrichter vor dem Umschaltvorgang auf die zweite Leitung in seiner Ausgangsspannung angepasst werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird an dieser Stelle ein Zwei-Wickler-Transformator der Bauart eines Drehstrom-Stromrichter-Gießharz-Trafos eingesetzt. Der Trafo T2 fährt nun seine Rampe hoch (hier beispielsweise von 5,2 auf 27 kV), bis seine Oberspannung erreicht ist, welche in etwa der Nennspannung des Generators entspricht. Gleichzeitig wird die Frequenz des Anfahrumrichters AU und damit auch die Frequenz des Generators kontinuierlich bis knapp über 50 Hz oder 1500 Umdrehungen pro Minute hochgefahren. Der Generator hat nun seinen Betriebspunkt erreicht um jetzt mit dem Netz synchronisiert zu werden und ist danach in der Lage, eine vorgegebene Blindleistung zu erzeugen.
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In einem letzten Schritt muss nun eine Kopplung mit dem Energieversorgungsnetz erfolgen. Ausgangsspannung und Frequenz des Generators müssen an das Energieversorgungsnetz angepasst werden. Eine Zuschaltung der Generatorspannung muss daher zeitgenau erfolgen. Dieser Synchronisationsvorgang wird derart durchgeführt, dass der Anfahrumrichter AU den Generator auf eine Frequenz bringt, welche in geringem Maße (einige Hz) gegenüber der üblichen Netzfrequenz (hier 50 Hz) erhöht ist. Anschließend werden die Schalter S2 und S3 geöffnet. Gleichzeitig werden die Spannungswerte und Frequenzen auf beiden Seiten des Generatorleistungsschalters GA überwacht. Der Generator dreht nun frei, ohne mit dem Anfahrumrichter gekoppelt zu sein. Die Erregung ist weiterhin aktiv und regelt permanent die Spannung des Generators. Die Synchronisierung findet nun beim Rückfall der Drehzahl statt, wenn Spannungswerte und Frequenzen auf beiden Seiten des Generatorleistungsschalters GA übereinstimmen. Der Generatorleistungsschalter GA wird dann zeitgenau geschlossen. Der Generator ist nach der Synchronisierung mit dem Versorgungsnetz verbunden und kann im Phasenschieberbetrieb betrieben werden.
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Zur Sicherung der Kabelzuführung zwischen der Steuereinheit ES und der Generatorableitung GA vor auftretenden Kurzschlüssen aus dem Stromnetz oder vom Generator her kann ein Kurzschlussstrombegrenzer KS direkt in die Leitung möglichst in die Nähe der Generatorableitung GA eingebaut werden. Kurzschlussströme können auf diese Weise bereits im ersten Stromanstieg begrenzt werden. Mögliche Kurzschlussströme von der Seite des Anfahrumrichters AU werden mittels der Schaltanlage S begrenzt. Bei allen Schaltern S1, S2 und S3 handelt es sich um Leistungsschalter im Gegensatz zu einfachen Trennschaltern. Leistungsschalter sind spezielle Schalter, die für die zu erwartenden Nennströme ausgelegt und in der Lage sind Kurzschlüsse sicher zu unterbrechen. Auf diese Weise wird ein besonders hohes Sicherheitsniveau erreicht.
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Die Schaltanlage S, wie sie in der Figur dargestellt ist, zeichnet sich durch eine besonders elegante Ausführungsform aus, welche einfach und kostengünstig zu realisieren ist. Es handelt sich hierbei um eine dreifeldrige Schaltanlage, bei welcher drei Schaltschränke nebeneinander angeordnet sind, welche auf ihrer Rückseite über eine gemeinsame Sammelschiene zum Beispiel aus Kupfer verbunden sind.
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In einer anderen Ausführungsvariante kann der Schalter S1 in der ersten Leitung L1 vor der Drossel D3 in Richtung des Anfahrumrichters AU angeordnet sein und der Schalter S2 kann entsprechend innerhalb der zweiten Leitung L2 in Richtung des Anfahrumrichters AU dem Transformator vorgeschaltet sein. Allerdings ist eine derart kompakte und kostengünstige Realisierung wie sie durch die Schaltanlage S gegeben ist dann nicht möglich.
