DE102019216236A1

DE102019216236A1 - Erregereinheit, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Erregereinheit in einem Kraftwerk

Info

Publication number: DE102019216236A1
Application number: DE102019216236.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ehrhardt; Lothar Pistor; Wieland Uecker; Ronald Völzke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-04-22
Also published as: JP2022553386A; EP4029101A1; JP7483875B2; WO2021078537A1; KR20220080189A; US20240128753A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erregereinheit (1) als Bestandteil einer mit dem Stromnetz (2) verbundenen Kraftwerksanlage, umfassend einen ersten Generator (3), dessen Rotor über eine Welle mit einer Antriebsturbine verbunden ist, einen zweiten Generator (4), und eine Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5). Erfindungsgemäß ist der erste Generator (3) ein Wirkleistungsgenerator und der zweite Generator (4) ein reiner Blindleistungsgenerator, und der erst und der zweite Generator (3, 4) sind über einen getrennten Phasenbus (6, 7) über den Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5) mit dem Stromnetz (2) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Erregereinheit, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Erregereinheit in einem Kraftwerk.
Elektrische Verbraucher entnehmen dem Stromnetz eine elektrische Leistung (Produkt aus Strom und Spannung), die weitgehend in nutzbare Leistung, der so genannten Wirkleistung P umgesetzt wird. Induktiv arbeitende Verbraucher, die an einen Wechsel- bzw. Drehstromkreis angeschlossen sind, entnehmen dem Stromnetz zusätzlich zum Aufbau der Magnetfelder eine Blindleistung Q, die sie beim Abbau der Magnetfelder wieder in das Stromnetz zurückgeben. Diese nicht nutzbare Blindleistung pendelt zwischen Erzeuger und Verbraucher hin und her und belastet das gesamte Stromnetz. Die vektorielle Summe aus Wirk- und Blindleistung wird als Scheinleistung S bezeichnet. Zwischen Wirk- und Blindleistung besteht aufgrund der Phasenverschiebung der Leistungsfaktor cos(φ).
Kraftwerksanlagen leisten neben der Bereitstellung der Wirkleistung sogenannte Netzdienstleistungen, welche in den einzelnen Netzen durch Grid-Codes definiert sind. Zu den Netzdienstleistungen gehören die Bereitstellung von Kurzschlussleistung, Massenträgheit und Spannungsstabilisierung. Zur Spannungsstabilisierung im Netz stellen Kraftwerksanlagen Blindleistung bereits. Die Kurzschlussleistung wird durch einen Generator-Leistungsschalter gewährleistet und wird durch die subtransiente Reaktanz (Xd) bestimmt. Bei niedrigen Reaktanzwerten werden die Anforderungen an den Generatorschalter sehr hoch. Die Erzeugereinheit im Kraftwerk muss diese Netzdienstleistungen durch Wirk- und Blindleistung bereitstellen.
Große Erregereinheiten zur Stromerzeugung werden auch als Erzeugeranlagen bezeichnet, und umfassen im Wesentlichen einen großen Generator mit einer Leistung von mehr als 500 MW. Dieser Generator befindet sich auf einer gemeinsamen Welle mit einer Antriebsturbine. Zusammen bilden sie eine rotierende Masse. In Kraftwerksanlagen stellen der Einsatz großer Erregereinheiten hohe Anforderungen an den Generator selbst, sowie an den isolierten Phasenbus und den Generatorschalter dar. Generatoren, die in Kraftwerken zum Einsatz kommen, sind schnelllaufende Synchrongeneratoren (Turbogeneratoren). Synchrongeneratoren haben den Vorteil, dass sie je nach Regelung sowohl Wirkleistung als auch induktive bzw. kapazitive Blindleistung an das Versorgungsnetz abgeben, bzw. aus diesem aufnehmen können. Je nach Höhe ihrer magnetischen Erregung geben Synchrongeneratoren reine Wirkleistung ab oder liefern zusätzlich Blindleistung ins Versorgungsnetz, die zur Kompensation induktiver und kapazitiver Verbraucher benötigt wird. Die Blindleistungsfähigkeit von Erzeugeranlagen wird definiert durch den Leistungsfaktor an den Generatoranschlüssen, bzw. durch den Leistungsfaktor an der Hochspannungs-Schnittstelle zum Versorgungsnetz.
Durch den gestiegenen Anteil an regenerativen Erzeugern im Netz sind auch die Anforderungen an Netzdienstleistungen gestiegen. Um den Leistungsbeitrag der regenerativen Erzeuger im Netz zu stabilisieren, werden zusätzliche spezielle Phasenschiebergeneratoren als separate Einheit, meist an einem vom Kraftwerk gesonderten Standort errichtet und betrieben. Diese gesonderten, zusätzlichen Phasenschiebergeneratoren leisten Blindleistung, und tragen zur Spannungsstabilisierung bei. Da diese aber nicht mit einer Antriebsturbine verbunden sind, liefern diese keine Massenträgheit, und tragen auch nicht zur Kurzschlussleistung bei.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Erregereinheit, und ein Verfahren zum Betrieb einer Erregereinheit für ein Kraftwerk anzugeben, durch welche die Netzdienstleistungen in Wirkungsgrad und Flexibilität verbessert, und gleichzeitig die Kosten für die Erregereinheit reduziert werden können. Darüber hinaus sollen keine aus Netzsicht genehmigungspflichtigen Änderungen an der Kraftwerksanlage vorgenommen werden.
Die auf eine Erregereinheit gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Erregereinheit ist Bestandteil einer mit dem Stromnetz verbundenen Kraftwerksanlage, und umfassend einen ersten Generator, dessen Rotor über eine Welle mit einer Antriebsturbine verbunden ist, einen zweiten Generator, und eine Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator. Erfindungsgemäß ist der erste Generator ein Wirkleistungsgenerator und der zweite Generator ein reiner Blindleistungsgenerator, und der erst und der zweite Generator sind über einen getrennten Phasenbus über den Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator mit dem Stromnetz verbunden.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Erregereinheit nicht aus einem einzelnen Generator besteht, sondern aus zwei Generatoren. Dabei ist der erste Generator ein Wirkleistungsgenerator, der im Wesentlichen Wirkleistung bereitstellt, und dessen Rotor über eine Welle mit einer Antriebsturbine verbunden ist. Der zweite Generator ist ein reiner Blindleistungsgenerator, der nicht mit einer Antriebsturbine verbunden ist, und ausschließlich Blindleistung bereitstellt. Beide Generatoren sind jeweils über einen getrennten Phasenbus mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator verbunden.
Die Erfindung erkennt dabei, dass die Erregereinheit mit getrennten Generatoren einerseits im Wirkungsgrad der Wirkleistung, als auch in der Flexibilität der Bereitstellung von Blindleistung wesentlich gesteigert werden kann. Der Wirkungsgrad wird dadurch gesteigert, dass der erste Generator, welcher im Wesentlichen Wirkleistung bereitstellt, bei weitgehend Nennleistung betrieben werden kann, und keine Blindleistung bereitstellen muss. Die Flexibilität wird gesteigert, indem der Kraftwerksbetreiber die Bereitstellung von Blindleistung unabhängig von der Bereitstellung von Wirkleistung sicherstellen kann. Folglich kann auch bei Stillstand des ersten Wirkleistungsgenerators der zweite Blindleistungsgenerator Netzdienstleistungen bereitstellen. Beide Generatoren können unabhängig voneinander betrieben werden.
Überraschend dabei ist, dass trotz der Erhöhung der Anzahl an Komponenten die Investitionskosten für die Erregereinheit mit zwei Generatoren geringer sind, als für Erregereinheiten mit einem Generator. Die Kostenersparnis wird dadurch erzielt, dass die Investitionskosten zwei kleinere Generatoren niedriger sind als ein in seiner Leistung vergleichbarer großer Generator. Auch können Leistungsschalter mit geringeren Kurzschluss-Anforderungen verwendet werden, wodurch die Investitionskosten für zwei kleinere Generator-Leistungsschalter im Vergleich zu einem großen Generator-Leistungsschalter wesentlich gesenkt werden können. Da es aus Sicht des Stromnetzes nicht erkennbar ist, ob Wirk- und Blindleistung durch einen oder getrennt durch zwei Generatoren bereitgestellt wird, ist diese Änderung nicht genehmigungspflichtig.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung, ist der Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator derart gewickelt, dass die unterschiedlichen Impedanzen, Lastflüsse und Spannungsunterschiede des ersten Generators und des zweiten Generators in das Stromnetz transformierbar sind.
Vorzugsweise ist der erste Generator über einen ersten Phasenbus mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator, und der zweite Generator über einen zweiten Phasenbus mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator verbunden. In den ersten Phasenbus sind der erste Generator, eine erster Anfahrumrichter und eine erste Erregermaschine geschaltet. In den zweiten Phasenbus sind der zweite Generator, ein zweiter Anfahrumrichter und eine zweite Erregermaschine geschaltet. Anfahrumrichter und Erregermaschinen bilden die wesentlichen Hilfssysteme der Generatoren. Dadurch das die Hilfssysteme, ebenso wie die Generatoren getrennt sind, können der erste Generator und der zweite Generator unabhängig voneinander betrieben werden. Auch sind zwei getrennte Phasenbusse bei großen Kraftwerksanlagen (> 500MW) in Summe in ihren Investitionskosten günstiger, als ein einzelner Phasenbus, da diese einfacher zu dimensionieren und zu fertigen sind, und diese nicht zwangsgekühlt werden müssen.
Vorzugsweise ist die Leistung des zweiten Generators geringer ist, als die Leistung des ersten Generators. Dies ist möglich, da im Stromnetz mehr Wirkleistung als Blindleistung bereitgestellt werden muss.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist in den ersten isolierten Phasenbus des ersten Generators und in den zweiten isolierten Phasenbus des zweiten Generators jeweils ein Generatorschalter integriert, durch den die Generatoren unabhängig voneinander vom Netz trennbar sind. Da der isolierte Phasenbus bei Trennung der Generatoren in Wirk- und Blindleistungsbetrieb eine geringere Strombelastung erfährt, sind die Kosten für zwei Phasenbusse geringer als die Kosten für einen Phasenbus bei Verwendung mit einem Generator. Das gleiche gilt für die Generatorschalter, die wesentlich kleiner, und somit günstiger ausfallen können.
Die auf ein Verfahren zum Betrieb einer Erregereinheit gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Erregereinheit, die Bestandteil einer mit dem Stromnetz verbundenen Kraftwerksanlage ist, umfassend einen ersten Generator, der über eine Welle mit einer Antriebsturbine verbunden ist, einen zweiten Generator und einen Hochspannungstransformator. Erfindungsgemäß wird der erste Generator bei einer Leistung mit höchster Effizienz betrieben, und dem Stromnetz im Wesentlichen Wirkleistung, Kurzschlussleistung und Massenträgheit bereitstellt, und der zweite Generator wird als reiner Blindleistungsgenerator betrieben, und stellt dem Stromnetz ausschließlich Spannungsstabilisierung bereit.
Die Vorteile der auf die Erregereinheit gerichteten Erfindung, gelten gleichermaßen für das Verfahren zum Betrieb einer Erregereinheit.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind der erste Generator über einen ersten Phasenbus mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator, und der zweite Generator über einen zweiten Phasenbus mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator verbunden. In den ersten und den zweiten Phasenbus sind dabei weiterhin Hilfssysteme geschaltet. In den ersten Phasenbus sind dazu ein erster Anfahrumrichter und eine erste Erregermaschine geschaltet, und in den zweiten Phasenbus ein zweiter Anfahrumrichter und eine zweite Erregermaschine geschaltet. Dadurch das die Hilfssysteme, ebenso wie die Generatoren getrennt sind, könne der erste Generator und der zweite Generator unabhängig voneinander betrieben werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Betrieb einer Erregereinheit sind in den isolierten Phasenbus des ersten Generators und in den isolierten Phasenbus des zweiten Generators jeweils ein Generatorschalter integriert. Dadurch können die Generatoren unabhängig voneinander vom Netz getrennt werden.
Vorzugsweise wird der zweite Generator nur dann betrieben, wenn der erste Generator nicht in der Lage ist, die Spannungsstabilisierung allein bereit zu stellen. In diesem Fall wird der zweite Generator nicht betrieben. Der Erste Generator stellt Wirk- und Scheinleistung bereit. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn die Anforderungen an Wirk- und Scheinleistung aus dem Stromnetz gering sind, und allein durch den ersten Generator bereitgestellt werden können.
Die Erfindung kommt vorzugsweise bei Großkraftwerken zum Einsatz, beispielsweise bei Gaskraftwerken oder kombinierten Gas- und Dampfkraftwerken, bei denen die Turbinen und der Wirkleistungsgenerator auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Darin zeigt:

1 einen Schaltplan einer Erregereinheit mit einem Generator gemäß dem Stand der Technik.
2 einen Schaltplan der erfindungsgemäßen Erregereinheit mit zwei Generatoren.

1 zeigt einen Schaltplan einer Erregereinheit 100 mit einem Generator 300 gemäß dem Stand der Technik. Die Erregereinheit 100 umfasst neben dem Generator 300 einen isolierten Phasenbus 600, einen Anfahrumrichter 800, einen Generatorschalter 120, eine Erregermaschine 900 und einen Zweiwicklungs-Hochspannungstransformator 500.
Nicht gesondert dargestellt ist, wie der Rotor der Generators 300 auf einer gemeinsamen Welle mit einer Antriebsturbine angeordnet ist. Der Generator 300 stellt dem Stromnetz 2 Wirk- und Blindleistung zur Verfügung.
2 zeigt einen Schaltplan der erfindungsgemäßen Erregereinheit 1 mit zwei getrennten Generatoren 3, und 4. Die Erregereinheit 1 umfasst einen ersten Generator 3 und einen zweiten Generator 4. Der erste Generator 3 wird im Wesentlichen als Wirkleistungsgenerator betrieben. Der Leistungsfaktor cos(φ) beträgt dabei zwischen 0,95 bis 1. Der zweite Generator 4 wird als Blindleistungsgenerator betrieben, arbeitet bei einem Leistungsfaktor cos(φ) = 0, und liefert Blindleistung gemäß der Netzcodeanforderung.
Der erste Generator 3 ist an einen ersten Phasenbus 6 angeschlossen, welcher den ersten Generator 3 mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator 5 verbindet. In den erste Phasenbus 6 sind ein erster Anfahrumrichter 8, eine erste Erregermaschine 9 und ein erster Generatorschalter 12 jeweils parallelgeschaltet.
Der zweite Generator 4 ist an einen zweiten Phasenbus 7 angeschlossen, welcher den zweiten Generator 4 mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator 5 verbindet. In den zweite Phasenbus 7 sind ein zweiter Anfahrumrichter 10, eine zweite Erregermaschine 11 und ein erster Generatorschalter 13 jeweils parallelgeschaltet.
Der Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator 5 verbindet die Erregereinheit 1 mit dem Stromnetz 2.
Die Generatorschalter 12, 13 dienen dazu, um die Generatoren vom Stromnetz 2 trennen zu können. Zur Synchronisation der Generatoren 3, 4 mit dem Stromnetz verfügen beide Generatoren 3, 4 über einen statischen Frequenzumrichter 8, 10 zur Beschleunigung der Generatoren auf die erforderliche Drehzahl. Durch den Frequenzumrichter können die Generatoren zudem gleichzeitig gestartet werden.
Das statische Erregungssystem 9, 11 für jeden Generator 3, 4 dient zur Spannungsregelung der Generatoren und auch zur Unterstützung der Netzspannungsstabilität.
Durch die Trennung von Wirk- und Blindleistungsbetrieb kann der erste Generator 3 mit Wirkleistung mit höchstem Wirkungsgrad betrieben werden. Der zweite Generator 4 kann zudem zum Wirkleistungsbetrieb genutzt werden, wenn dies die Netzdienstleistungen erfordern. Beispielsweise wenn die Wirkleistung des ersten Generators 3 zwischen 80 und 90% beträgt.
Der zweite Generator 4 kann unabhängig vom ersten Generator 3 als Synchronkondensator betrieben werden, um die Stabilität der Netzspannung zu unterstützen und die Kurzschlussleistung und Trägheit zum Netz zu gewährleisten.
Insbesondere für große Generatoranordnungen mit sehr hoher Wirkleistung (P>500MW) ergeben sich eine Reihe von Vorteilen. Zwei Generatoren, aufgeteilt in Wirk- und Blindleistung, sind günstiger als die Anschaffungskosten eines großen Generators und zudem flexibler einsetzbar. Die Flexibilität wird gesteigert, indem der reine Kraftwerksbetrieb von den Netzdienstleistungen getrennt werden kann.

Claims

Erregereinheit (1) als Bestandteil einer mit dem Stromnetz (2) verbundenen Kraftwerksanlage, umfassend einen ersten Generator (3), dessen Rotor über eine Welle mit einer Antriebsturbine verbunden ist, einen zweiten Generator (4), und eine Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Generator (3) ein Wirkleistungsgenerator und der zweite Generator (4) ein reiner Blindleistungsgenerator ist, und der erst und der zweite Generator (3, 4) über einen getrennten Phasenbus (6, 7) über den Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5) mit dem Stromnetz (2) verbunden sind.
Erregereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5) derart gewickelt ist, dass die unterschiedlichen Impedanzen, Lastflüsse und Spannungsunterschiede des ersten Generators (3) und des zweiten Generators (4) in das Stromnetz (2) transformierbar sind.
Erregereinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Generator (3) über einen ersten Phasenbus (6) mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5), und der zweite Generator (4) über einen zweiten Phasenbus (7) mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5) verbunden sind.
Erregereinheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den ersten Phasenbus (6) der erste Generator (3), eine erster Anfahrumrichter (8) und eine erste Erregermaschine (9) geschaltet sind, und in den zweiten Phasenbus (7) der zweite Generator (4), ein zweiter Anfahrumrichter (10) und eine zweite Erregermaschine (11) geschaltet sind.
Erregereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des zweiten Generators (4) geringer ist, als die Leistung des ersten Generators (3).
Erregereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den ersten Phasenbus (6) des ersten Generators (3) und in den zweiten Phasenbus (7) des zweiten Generators (4) jeweils ein Generatorschalter (12, 13) integriert ist, durch den die Generatoren (3, 4) unabhängig voneinander vom Stromnetz (2) trennbar sind
Verfahren zum Betrieb einer Erregereinheit (1), der Bestandteil einer mit dem Stromnetz (2) verbundenen Kraftwerksanlage ist, umfassend einen ersten Generator (3), der über eine Welle mit einer Antriebsturbine verbunden ist, einen zweiten Generator (4) und einen Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5), wobei, der erste Generator (3) bei einer Leistung mit höchster Effizienz betrieben wird, und dem Stromnetz (2) im Wesentlichen Wirkleistung, Kurzschlussleistung und Massenträgheit bereitstellt, und der zweite Generator (4) als reiner Blindleistungsgenerator betrieben wird, und dem Stromnetz (2) ausschließlich Spannungsstabilisierung bereitstellt.
Verfahren zum Betrieb einer Erregereinheit (1) nach Anspruch 7, wobei der erste Generator (3) über einen ersten Phasenbus (6) mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5), und der zweite Generator (4) über einen zweiten Phasenbus (7) mit dem Dreiwicklungs-Hochspannungstransformator (5) verbunden sind, und in den ersten Phasenbus (6) weiterhin ein erster Anfahrumrichter (8) und eine erste Erregermaschine (9) geschaltet sind, und in den zweiten Phasenbus (7) weiterhin ein zweiter Anfahrumrichter (10) und eine zweite Erregermaschine (11) geschaltet sind, sodass der erste Generator (3) und der zweite Generator (4) unabhängig voneinander betrieben werden können.
Verfahren zum Betrieb einer Erregereinheit (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei in den ersten Phasenbus (6) des ersten Generators (3) und in den zweiten Phasenbus (7) des zweiten Generators (4) jeweils ein Generatorschalter (12, 13) integriert ist, durch den die Generatoren (3, 4) unabhängig voneinander vom Stromnetz (2) getrennt werden können.
Verfahren zum Betrieb einer Erregereinheit (1) nach Anspruch 7 bis 9, wobei der zweite Generator (4) nur dann betrieben wird, wenn der erste Generator (3) nicht in der Lage ist, die Spannungsstabilisierung im Stromnetz (2) allein bereit zu stellen.