DE69622912T2

DE69622912T2 - Asynchronous Umwandlungsverfahren und Vorrichtung zur Verwendung bei einer hydroelektrischen Turbine mit veränderbarer Geschwindigkeit

Info

Publication number: DE69622912T2
Application number: DE69622912T
Authority: DE
Inventors: Glenn Henry Ardley; Einar Vaugh Larsen; Donald Gordon Mclaren; Mark Andrew Runkle; Konrad Weeber
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2016-04-20
Also published as: CA2174569A1; ATE222427T1; JPH0919193A; EP0739087A3; CA2174569C; EP0739087B1; EP0739087A2; DE69622912D1; US5742515A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf hydroelektrische Energieerzeugung und insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Verbessern der Leistungsfähigkeit von einem hydroelektrischen Energieerzeugungssystem.
Die vorliegende Offenbarung steht in Beziehung zu der gleichzeitig eingereichten Europäischen Patentanmeldung EP 96302752.9 (Anmelderzeichen 17GE-05546/4759) mit dem Titel "Interconnection System for Transmitting Power Between Electrical Systems".

2. Stand der Technik und andere Überlegungen

Bei der Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Hydro-Turbinen sind Hydro-Turbineneinheiten in einem Damm eingeschlossen, wobei eine Wasser(z. B. Fluss- oder See)- Strömung durch den Damm dazu verwendet wird, die Hydro-Turbineneinheit anzutreiben (z. B. in Drehung zu versetzen). Wenn sie so angetrieben wird, hat die Hydro-Turbineneinheit eine Wellendrehzahl, die proportional zu der Frequenz der elektrischen Energieabgabe ist, die durch die Hydro-Turbineneinheit erzeugt wird. Üblicherweise ist die Hydro-Turbineneinheit eine Synchronmaschine, was bedeutet, dass die mittlere Drehzahl bei normalem Betrieb der Hydro-Turbineneinheit exakt proportional zu der Frequenz des elektrischen Verbrauchersystems ist, mit dem sie verbunden ist.
Die Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Hydro-Turbinen stellt komplexe technische und umweltbedingte Herausforderungen dar. Wenn beispielsweise eine Hydro-Turbineneinheit bei einer konstanten Drehzahl betrieben wird, können sich mehrere Probleme herausstellen. Beispielsweise kann die Turbine bei hohen und niedrigen Lasten (z. B. hohen und niedrigen Wasserströmungsraten) kavitieren. Zusätzlich können Druckänderungen, die durch Turbinenschaufeln von einer Hydro-Turbineneinheit hervorgerufen werden, Fische verletzen, die durch die Turbine hindurchtreten. Weiterhin haben Hydro-Turbineneinheiten, die bei konstanter Drehzahl arbeiten, zahlreiche Einschränkungen, einschließlich eingeschränkter Fähigkeit, die Frequenz des Energiesystems zu beeinflussen, langsame aktive Energieeinstellung, kleinerer als optimaler Turbinen-Wirkungsgrad und einen eingeschränkten aktiven Leistungsbetriebsbereich (der anschließend das Energiesystem, Wasserdruck- und Strömungsbereiche einschränkt).
Da die Hydro-Turbineneinheit eine Synchronmaschine ist, senkt eine Verlangsamung der Wellendrehzahl der Turbine auch die synchrone Frequenz der Ausgangsgröße. Eine Senkung in der synchronen Frequenz der Ausgangsgröße der Hydro-Turbineneinheit ist unakzeptabel, wenn die Ausgangsgröße der Hydro-Turbineneinheit direkt mit einer Verbraucher-Energiestation gekoppelt ist.
Es sind verschiedene Bemühungen gemacht worden, eine drehzahlvariable Hydro-Turbine zu erreichen. Gemäß einem Bemühen, das von Goto u. a. in "Power System Stabilizing Control by Adjustable Speed Pumped Storage Power Station Using Stabilizing Signals", CIGRE S.,rmposium, Tokyo 1995, dokumentiert ist, wird der Haupt-Hydro-Generator modifiziert, um einen frequenzvariablen Strom an die Feldwicklung über ein Erregungssystem des Zyklokonvertertyps anzulegen.
US-Patent 4,743,827 für Shiozaki u. a. beschreibt eine drehzahlvariable Hydro-Turbine, bei der eine Regelung unter Verwendung von Leistungs- und Drehzahlmessungen des Haupt- Hydrogenerators in einer geschlossenen Schleife erreicht wird. Ein Regelungsbetrieb stellt z. B. Überlegungen hinsichtlich der dynamischen Stabilität dar (wenigstens in einem Kurzzeitrahmen nach einer Anforderung für eine Leistungsänderung).
Was deshalb notwendig ist, ist ein drehzahlvariable Hydro-Turbinensystem, das effizient und stabil ist.
US-Patent 4,694,189 für Haraguchi u. a. beschreibt eine drehzahlvariable Hydro-Turbine, die auf einen Induktionsgenerator mit einer Sekundärwicklung arbeitet, die direkt mit dem elektrischen Verbrauchersystem gekoppelt ist.

Zusammenfassung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Übertragen elektrischer Energie von einer Hydro-Turbineneinheit zu einem elektrischen Verbrauchssystem, wobei das Verfahren enthält:
Erhalten eines Signals, das eine Wassersäule angibt; enthaltend
Verwenden des die Wassersäule angebenden Signals, um die Gatterstellung von einer drehzahlvariablen Hydro-Turbineneinheit und die Drehzahl von einem asynchronen Drehwandler zu steuern, der zwischen der Hydro-Turbineneinheit und dem elektrischen Verbrauchssystem verbunden ist, wobei der asynchrone Drehwandler ein Ausgangssignal an das elektrische Verbrauchssystem generiert; und
Verwenden des Ausgangssignals zum Steuern der Drehzahl von einem hydraulischen Generator, der in der Hydro-Turbineneinheit enthalten ist, und um dadurch einen geforderten Leistungswert für das elektrische Verbrauchssystem zu erhalten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Interface geschaffen zum Verbinden einer Hydro-Turbineneinheit mit einem elektrischen Verbraucher, wobei die Hydro-Turbine einen hydraulischen Generator aufweist zum Erzeugen einer elektrischen Ausgangsleistung der Hydro-Turbine, die über das Interface zu dem elektrischen Verbraucher übertragen wird, wobei das Interface enthält:
einen Drehwandler, der mit der Hydro-Turbineneinheit verbunden ist, zum Empfangen der elektrischen Ausgangsleistung der Hydro-Turbine, die von der Hydro-Turbineneinheit erzeugt ist, und durch den die elektrische Ausgangsleistung der Hydro- Turbine dem elektrischen Verbraucher zugeführt ist; und
eine Regelung, die den Drehwandler so betätigt, dass ein geforderter elektrischer Ausgangsleistungswert von der Hydro-Turbineneinheit für den elektrischen Verbraucher erhalten wird, wobei die Regelung ein Signal verwendet, das die Wassersäule angibt, um Drehzahl und Gatterstellung der Hydro-Turbineneinheit zu steuern, um den geforderten elektrischen Ausgangsleistungswert für den elektrischen Verbraucher zu erzielen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Interface geschaffen zum Verbinden einer Hydro-Turbineneinheit mit einem elektrischen Verbraucher, wobei die Hydro-Turbine einen hydraulischen Generator aufweist zum Erzeugen einer elektrischen Ausgangsleistung der Hydro-Turbine, die über das Interface zu dem elektrischen Verbraucher übertragen wird, wobei das Interface enthält:
einen Drehwandler, der mit der Hydro-Turbineneinheit verbunden ist und elektrische Energie zu einem elektrischen Verbraucher überträgt, wobei der Drehwandler enthält:
einen Rotor und einen Stator, wobei der eine von dem Rotor und dem Stator mit der Hydro-Turbineneinheit verbunden ist und der andere von dem Rotor und dem Stator mit dem elektrischen Verbraucher verbunden ist, und
eine Regelung, die die AC Frequenz der elektrischen Ausgangsleistung verwendet zum Erzeugen eines Signals zum Regeln der Drehgeschwindigkeit des Rotors relativ zum Stator.
Ein hydroelektrisches Energieerzeugungssystem erzeugt elektrische Energie für ein elektrisches Verbrauchersystem. Das hydroelektrische Energieerzeugungssystem weist eine Hydro- Turbine auf, die angetrieben wird, um elektrische Ausgangsleistung zu erzeugen. Ein asynchroner Drehwandler ist so verbunden, dass er die elektrische Ausgangsleistung der Hydro-Turbine empfängt und durch eine Rehelung betätigt wird, um einen geforderten elektrischen Ausgangsleistungswert des Wandlers für das elektrische Verbrauchersystem zu erzielen.
Die Regelung verwendet ein Signal, das eine Wassersäule (hmeas) anzeigt, um eine Drehzahl des Drehwandlers (und infolgedessen der Hydro-Turbineneinheit) zu regeln und die Gatterstellung der Hydro-Turbineneinheit zu steuern, um den geforderten Ausgangsleistungswert des Wandlers für das Verbrauchersystem zu erzielen.
In einem Ausführungsbeispiel enthält die Regelung einen automatischen Realzeit-Regler, der ein Signal, das die AC Übertragungsfrequenz zu dem elektrischen Verbrauchersystem angibt, um den elektrischen Ausgangsleistungswert des Drehwandlers zu steuern.
Die Regler der Drehzahl der drehzahlvariablen Hydro- Turbineneinheit beinhaltet die Verwendung des Signals, das die Wassersäule angibt, um auf einen aktualisierbaren Speicher zuzugreifen, in dem Hydraulic Hill Chart Information gespeichert ist. Zu diesem Zweck ist in einem Ausführungsbeispiel ein Hill Chart-Aktualisierer vorgesehen.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1A eine schematische Ansicht von einem hydraulischen Turbinen/Generatorsystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 1B eine schematische Ansicht von einem hydraulischen Turbinen/Generatorsystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 1C eine schematische Ansicht von einem hydraulischen Turbinen/Generatorsystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 2 eine schematische Ansicht von einem asynchronen Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 3 eine schematische, teilweise perspektivische Teilansicht von dem asynchronen Wandler gemäß Fig. 2 ist;
Fig. 4 ein Hill Chart ist, das zur Erläuterung von Prinzipien des Betriebes des hydraulischen Turbinen/Generatorsystems gemäß der Erfindung verwendet wird;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm von Funktionen ist, die durch einen Vorausregler ausgeführt werden, der in einem Regelsystem des hydraulischen Turbinen/Generatorsystems gemäß der Erfindung enthalten ist;
Fig. 6A und 6B Kurven sind, die Tabellen wiedergeben, die in dem Vorausregler gespeichert sind und die zum Erzeugen eines Ausgangssignals ω&sub0; und eines Gatterstellungs- oder Gattersollwertbefehls verwendet werden.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A zeigt ein hydraulisches Turbinen/Generatorsystem 20 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung Das System 20 ist an einem Damm 22 angeordnet, der Wasser von einem Wassersäulenkörper 24 aufstaut. Auf oder nahe dem Damm 22 sind Wassersäulenwandler 25 angebracht, um eine Höhe "h" der Wassersäule 24 zu bestimmen. In üblicher Weise hat der Damm 22 einen Stollen 26, durch den hindurch Wasser (von dem Körper der Wassersäule 24) zur Turbinenkammer 28 kanalisiert wird. Ein Tauchrohr 30 verbindet einen Auslaß der Turbinenkammer 28 mit einem Unterwasserkörper 32.
Das System 20 enthält eine Turbine 40, ein Regelsystem 42A, einen hydraulischen Generator 44 und einen asynchronen Wandler 50. Die Turbine 40 ist in der Turbinenkammer 28 in üblicher Weise angeordnet und hat eine Ausgangswelle 60, die für einen mechanischen Energiefluss zum Generator 44 sorgt. Die Turbine 40 hat eine Gatter- bzw. Schleusentorsteuerung 41, die die Positionierung von einem nicht dargestellten Schleusentormechanismus steuert, der in der Turbine 40 enthalten ist.
Eine Generatorleistungsversorgung 62 (auch bekannt als ein Generatorfelderreger) liefert Feldstrom auf Leitungen 64 an den hydraulischen Generator 44. In üblicher Weise empfängt die Generatorleistungsversorgung 62 ihre Eingangsleistung auf Leitungen 66 und ein Erregereingangssignal auf einer Leitung 67.
Gemäß der hier verwendeten Bezeichnung bildet die Turbine 40 und der hydraulische Generator 44 eine Hydro-Turbineneinheit 70. Weiterhin ist in Anbetracht seines Betriebes, der nachfolgend erläutert wird, der asynchrone Wandler 50 auch als ein Interface zum Verbinden der Hydro-Turbineneinheit 70 mit einem AC Leistungssystem bekannt, wie beispielsweise einem Verbraucher oder einem Verbrauchersystem 72. In dem Verbrauchersystem 72 kann die elektrische Leistung variieren und liegt in einem vorbestimmten elektrischen Frequenzbereich des Verbrauchers. Ein Verbraucheranforderungssignal (das auf einer Leitung 73 von einer Steuertafel 74 geführt wird) gibt einen Leistungswert P&sub0; an, der gegenwärtig von dem Verbrauchersystem 72 gefordert wird.
Wie in Fig. 1A gezeigt ist, enthält das Regelsystem 42a einen Vorausregler 76. Das Leistungsbefehls- oder Leistungswertsignal P&sub0; von der Steuertafel 74 wird als eine erste Eingangsgröße an den Vorausregler 76 angelegt. Ein zweites Eingangssignal in den Vorausregler 76 ist das Signal hmeas, das von dem Wassersäulenwandler 25 angelegt wird. Eine erste Ausgangsgröße des Vorausreglers 76 ist ein Gatterstellungsbefehl, der auf einer Leitung 90 an die Schleusentorsteuerung 41 angelegt wird. Ein zweites Ausgangssignal ωg0 des Vorausreglers 76, das die gewünschte Drehgeschwindigkeit der Hydro-Turbineneinheit 70 angibt (wobei ω&sub0; die tatsächliche Drehgeschwindigkeit der Hydro-Turbineneinheit 70 ist) wird an den asynchronen Wandler 50 in der Art und Weise angelegt, die nachfolgend näher erläutert wird.
Fig. 4 zeigt ein übliches "Hill Chart" von einem Typ, der in der Technik gut bekannt ist und der nützlich ist für ein Verständnis der Funktion der hier gezeigten Vorausregler. Die unabhängige (horizontale) Achse des Hill Chart ist proportional zu der Drehzahl ωgen des hydraulischen Generators 44 und umgekehrt proportional zu der Quadratwurzel der Wassersäule "h" (wie sie durch den Wassersäulenwandler 25 ermittelt wird). Die abhängige (vertikale) Achse ist die Ausgangsleistung des Generators. Jeder Linienzug in der Kurve des Hill Charts gemäß Fig. 4 stellt eine andere Position des Schleusentors bzw. Gatters dar, das von der Schleusentorsteuerung 41 gesteuert wird. Für jede Gatterstellung und Wassersäulenmessung gibt es einen optimalen Drehzahlwert, um die Leistung zu maximieren.
Fig. 5 stellt Funktionen dar, die von dem Vorausregler 76 ausgeführt werden. Wie zuvor beschrieben wurde, empfängt der Vorausregler 76 das Wassersäulen-Messsignal hmeas von dem Wassersäulenwandler 25 und das Soll-Leistungssignal P&sub0; (z. B. von der Steuertafel 74). Unter Verwendung dieser zwei Eingangs- Signale konsultiert der Vorausregler 76 eine erste Nachschlagetabelle 94, um einen Wert "Gatterbefehl" zu erhalten zur Verwendung als Gatterstellungsbefehl, um auf der Leitung 90 zur Schleusentorsteuerung 41 angelegt zu werden, und er konsultiert eine zweite Nachschlagetabelle 95, um das Soll-Drehgeschwindigkeitssignal ωga zum Anlegen auf der Leitung 92 und zur Verwendung beim Antrieb des asynchronen Wandlers 50 zu erhalten.
Für den Fachmann ist verständlich, dass, in einem Ausführungsbeispiel, der Vorausregler 76 einen Prozessor mit den Nachschlagetabellen 94 und 95 aufweist, die in Speichern gespeichert sind, wie beispielsweise einem oder mehreren Nur- Lesespeichern (ROMs)
Der Gattersteuerungsbefehl wird auf der Leitung 90 an die Schleusentorsteuerung 41 angelegt. Der Fachmann weiß, wie die Schleusentorsteuerung 41 funktioniert, um die Positionierung des in der Turbine 40 enthaltenen Schleusentormechanismus zu steuern.
Das Ausgangssignal ωga, das auf der Leitung 92 von dem Vorausregler 76 an den asynchronen Wandler 50 angelegt wird, ist die Soll-Drehzahl des hydraulischen Generators 44. Als Antwort auf das Ausgangssignal ωga erzeugt der asynchrone Wandler 50 eine Wechselspannung mit der Soll-Frequenz. Da der hydraulische Generator 44 eine Synchronmaschine ist, ist die Drehzahl des hydraulischen Generators 44 exakt proportional zu der Wechselspannungsfrequenz der dreiphasigen Leitungen 10. Somit ist das Einstellen der Sollfrequenz in den asynchronen Wandler 50 für seine Verbindung mit den dreiphasigen Leitungen 10 ausreichend, um eine Drehzahlregelung des hydraulischen Generators 44 zu implementieren (d. h. es besteht keine Notwendigkeit, die Wellendrehzahl des hydraulischen Generators 44 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A zu messen).
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1B unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A dadurch, dass es ein Regelsystem 42B anstatt des Regelsystems 42A hat. Genauer gesagt, enthält das Regelsystem 42B einen Leistungswandler 78 und einen Hill Chart-Aktualisierer 84 zusätzlich zu dem Vorausregler 76. Der Leistungswandler 78 überwacht die Leistung auf den dreiphasigen Leitungen, die den asynchronen Wandler 50 mit dem AC Leistungs(Verbraucher)-System 72 verbinden, und gibt ein Signal Pmeas an den Hill Chart-Aktualisierer 84 ab.
Der Hill Chart-Aktualisierer 84 aktualisiert Werte, die in den Nachschlagetabellen 94 und 95 (siehe Fig. 6A und Fig. 6B) gespeichert sind auf der Basis von Online Messungen. Diesbezüglich verwendet der Hill Chart Aktualisierer 84 die gemessene Ausgangsleistung von dem asynchronen Wandler 50 (Signal Pmeas) und auch die Ausgangssignale (auf den Leitungen 90 und 92) von dem Vorausregler 76 und das Signal hmeas von dem Wassersäulenwandler 25, um die Hill Chart-Information, die in den Tabellen 94 und 95 gespeichert ist, auf der Basis von tatsächlicher Vergangenheitsinformation der hydroelektrischen Anlage zu revidieren.
Somit ist der Hill Chart-Aktualisierer 84 verbunden, um das gemessene Leistungssignal Pmeas von dem Leistungswandler 78 und auch den Gatterstellungsbefehl, der auf der Leitung 90 von dem Vorausregler 76 abgegeben wird, das Signal, das auf der Leitung 92 von dem Vorausregler 76 abgegeben wird, und das Signal hmeas zu empfangen, das von dem Wassersäulenwandler 25 abgegeben wird. Der Hill Chart-Aktualisierer 84 gibt an den Vorausregler 76 aktualisierende Daten ab, wie es durch eine mit "Verbesserung" bezeichnete Leitung angegeben ist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1C unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A dadurch, dass es ein Regelsystem 42C anstelle des Regelsystems 42A hat. Genauer gesagt, enthält das Regelsystem 42C (zusätzlich zu der Vorausregler 76) einen Regler, der eine AC Frequenzsteuerung 82 und einen Addierer 88 aufweist.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1C empfängt die Frequenzsteuerung 82 ein Signal fAC von dem asynchronen Wandler 50 in einer Art und Weise, die nachfolgend beschrieben wird, wobei das Signal fAC eine AC Übertragungsfrequenz auf den dreiphasigen Leitungen angibt, die den asynchronen Wandler 50 mit dem AC Leistungs(Verbraucher)-System 72 verbinden. Ein Ausgangssignal ΔP&sub0; aus der AC Frequenzsteuerung 82 wird an einen ersten (plus) Eingangsanschluss von dem Addierer 88 angelegt. Ein zweiter Eingangs(plus) Anschluss des Addierers 88 ist so verbunden, dass er das Soll-Leistungssignal (in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1C als P00∞) von der Steuertafel 74 empfängt. Der Addierer 88 erzeugt ein Signal P&sub0;, das als eine erste Eingangsgröße an den Vorausregler 76 angelegt wird und das, in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1C, als der Wert P&sub0; in Fig. 5 und Fig. 6A und Fig. 6B dient.
Wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist das zweite Eingangssignal in den Vorausregler 76 gemäß Fig. 1C das Signal hmeas, das von dem Wassersäulenwandler 25 zugeführt wird. Eine erste Ausgangsgröße des Vorausreglers 76 ist ein Gatterstellungsbefehl, der auf der Leitung 90 an die Schleusentorsteuerung 41 angelegt wird. Eine zweite Ausgangsgröße des Vorausreglers 76 gemäß Fig. 1C (d. h. das Signal ωga) wird auf der Leitung 92 an den asynchronen Wandler 50 angelegt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Merkmale des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1B und Fig. 1C in einem weiteren Ausführungsbeispiel kombinierbar sind, das dadurch sowohl eine Hill Chart-Aktualisierung als auch eine AC Frequenzsteuerung in einem einzigen Ausführungsbeispiel enthält.
Fig. 2 zeigt einen asynchronen Wandler 50, der einen variablen Frequenzwandler 102 und ein Regelsystem enthält. Das Regelsystem enthält eine schnelle Drehzahlregeleinheit 108, einen Frequenzwandler 80 und einen Addierer 86. Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 genauer beschrieben wird, ist der variable Frequenzwandler 102 durch dreiphasige Leitungen RA, RB, RC mit dem hydraulischen Generator 44 und durch dreiphasige Leitungen SA, SB und SC mit dem Verbrauchersystem 72 verbunden. Diese entsprechen den dreiphasigen Leitungen, die als 10 bzw. 11 in den Fig. 1A, 1B und 1C bezeichnet sind.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, enthält der frequenzvariable Drehwandler 102 sowohl eine Drehwandlereinrichtung 105 als auch eine Drehmoment-Steuereinheit 106 (auch bekannt als der Rotorantriebsabschnitt). Einzelheiten der Drehwandlereinrichtung 105 und der Drehmoment-Steuereinheit 106 werden nachfolgend in Verbindung mit Fig. 3 näher beschrieben.
Der Frequenzwandler 80 überwacht die Wechselspannungsfrequenz auf den dreiphasigen Leitungen 11, die den asynchronen Wandler 50 mit dem AC Leistungs(Verbraucher)-System 72 verbinden, und gibt das Signal fAC an einen negativen Eingangsanschluss des Addierers 86 ab (und an die AC Frequenzsteuerung 82 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1C). Der Addierer 86 empfängt das Soll-Drehgeschwindigkeitssignal für die hydraulische Maschine 44 (Signal ωga auf der Leitung 92) und gibt das Signal ωa an die schnelle Drehzahlregler 108 ab. Ein Ausgangssignal ωa des Addierers 86, d. h. ωa = ωga - fac, gibt die Soll- Drehgeschwindigkeit des asynchronen Wandlers 50 an und wird demzufolge an den asynchronen Wandler 50 angelegt.
Wie ebenfalls in Fig. 2 gezeigt ist, empfängt die schnelle Drehzahlsteuereinheit 108 ihrerseits ein Signal ωr von einem Drehzahlwandler 111. Die schnelle Drehzahlsteuereinheit 108 empfängt das Signal ωa (von dem Vorausregler 76 über den Addierer 86) und gibt ein Antriebssignal Ta an die Drehmoment- Steuereinheit 106 ab.
Wie genauer in Fig. 3 gezeigt ist, enthält die Drehwandlereinrichtung 105 sowohl eine Rotor-Subeinrichtung 110 als auch einen Stator 112. Die Rotor-Subeinrichtung 110 enthält Kollektorringe 114 (die auch als Schleifringe bekannt sind) und einen Rotorkäfigabschnitt 116. Die dreiphasigen Leitungen RA, RB, RC, die von dem hydraulischen Generator 44 kommen, sind mit den Kollektorringen 114 verbunden, und die dreiphasigen Leitungen SA, SB und SC, die zum Verbrauchersystem 72 führen, sind mit dem Stator 112 verbunden. Auf der Rotor-Subeinrichtung 110 ist der Drehzahlwandler 111 in großer Nähe dazu angebracht, um das Winkelgeschwindigkeitssignal ωr zu erzeugen, das die Winkelgeschwindigkeit des Rotors angibt.
Wie in Fig. 3 gezeigt und für den Fachmann verständlich ist, ist zwar in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Drehtransformatoreinrichtung 105 mit einer Zweischichtwicklung mit 60 Grad Zonenbreiten gewickelt, wobei die Rotorwicklungen als RA+, RC-, RB+, RA-, RC+ und RB- bezeichnet und die Statorwicklungen als SA+, SC-, SB+, SA-, SC+ und SB- bezeichnet sind. Es ist jedoch verständlich, dass die Erfindung nicht auf ein mit 60 Grad Zonenbreite gewickeltes System begrenzt ist, sondern dass vielmehr die Prinzipien der Erfindung für Drehtransformatoreinrichtungen mit zwei oder mehr Phasen anwendbar ist.
Die Rotoreinrichtung 110 ist um ihre Achse RX sowohl in Uhrzeigerrichtung CW als auch Gegenuhrzeigerrichtung CCW drehbar. Eine Rotation der Rotoreinrichtung wird durch einen Rotorantriebsabschnitt 106 herbeigeführt.
Der Rotorantriebsabschnitt 106 ist in Fig. 3 symbolisch als ein zylindrischer Abschnitt gezeigt, der auf der Rotoreinrichtung 110 angebracht ist. Somit zeigt der Rotorantriebsabschnitt 106 gemäß Fig. 3 allgemein verschiedene alternative und unterschiedliche Typen von Antriebsmechanismen, um eine Rotation der Rotoreinrichtung 110 zu bewirken. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Rotorantriebsabschnitt 106 einen Aktuator und einen gewissen Verbindungstyp (z. B. Getriebe und/oder Kopplung), der mit der Rotoreinrichtung 110 in Verbindung steht. Beispielsweise weist in einem Ausführungsbeispiel der Rotorantriebsabschnitt 106 eine Schneckengetriebe-Antriebsanordnung auf. In anderen Ausführungsbeispielen enthält der Rotorantriebsabschnitt 106 einen Aktuator, wie beispielsweise einen Schrittmotor, der über ein radiales (z. B. Stirn-) Zahnrad wirkt, eine direkte Antriebsanordnung, einen hydraulischen Aktuator, der ein Zahnrad auf der Rotoreinrichtung 110 dreht, oder pneumatischen Aktuator, der ein Zahnrad auf der Rotoreinrichtung 110 dreht. In noch anderen Ausführungsbeispielen wird die Funktion der Drehmoment-Steuereinheit dadurch ausgeführt, dass zwei Sätze von Wicklungen auf sowohl dem Rotor als auch dem Stator der Drehwandlereinrichtung 105 vorgesehen sind, wobei ein erster Wicklungssatz auf dem Rotor und Stator eine andere Polzahl (z. B. zwei Pole) als ein zweiter Wicklungssatz auf dem Rotor und Stator (z. B. vier oder mehr Pole) hat.
Im Betrieb stellt eine Bedienungsperson das Sollleistungs-Eingangssignal (Signal P&sub0; in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1A und 1B; Signal P00 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1C) gemäß einem vorbestimmten Leistungsbedarf des Verbrauchssystems 72 ein. Das Einstellen des Sollleistungs- Eingangssignals (P&sub0; oder gegebenenfalls P&sub0;&sub0;) kann dadurch herbeigeführt werden, dass ein Knopf eingestellt wird oder Daten an der Steuertafel oder der Arbeitsstation 74 der Bedienungsperson eingegeben werden, um das Signal zu generieren, das die Sollleistung angibt.
Der schnelle Drehzahlregler 108 empfängt sowohl das gewünschte oder Soll-Winkelgeschwindigkeitssignal ω&sub0; als auch ein gemessenes oder Ist-Winkelgeschwindigkeitssignal ωr. Das Soll- Winkelgeschwindigkeitssignal ω&sub0; wird durch den Vorausregler 76 generiert, wobei ihre Hill Chart-basierte Information verwendet wird. Das gemessene oder Ist-Winkelgeschwindigkeitssignal ωr wird von dem Drehzahlwandler 111 erhalten. Der schnelle Drehzahlregler 108 generiert ein Treibersignal (auch bekannt als das Soll-Drehmomentsignal Ta) auf der Leitung 134, so dass ωr schnell gleich ω&sub0; ist. Der Fachmann weiß, wie übliche Motorantriebe als schnelle Drehzahlregler 108 zu betätigen sind, um die Signal ωr und ωa zur Erzeugung des Antriebssignals Ta zu verwenden.
Somit hat der schnelle Drehzahlregler 108 die Funktion, das Treibersignal T&sub0; auf der Leitung 134 zur Drehmoment- Steuereinheit 106 so einzustellen, dass die Ist-Drehzahl ωr der Rotoreinrichtung 110 der Soll-Drehzahl ω&sub0; folgt. Die Bandbreite der Regelschleife des schnellen Drehzahlreglers 108 sollte größer sein als die höchste natürliche Schwingungsfrequenz der Rotoreinrichtung 110 einschließlich ihrer Reaktion auf das Übertragungsnetzwerk, in das sie integriert ist, und im allgemeinen ist sie kleiner als 100 Rad/Sec. Üblicherweise liegen die natürlichen oder Eigenschwingungsmoden in dem Bereich von 3 Rad/Sec. bis 50 Rad/Sec. und sind gewöhnlich kleiner als 50 Rad/Sec. In Verbindung mit der Bandbreite (Ansprechgeschwindigkeit) des schnellen Drehzahlreglers 108 ist, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, eine Phasenverzögerung von einer Änderung in der Soll-Drehzahl ω&sub0; zur Ist-Drehzahl ωr der Rotoreinrichtung 110 kleiner als 90 Grad für sinusförmige Störungen. Wenn diese Bandbreite des Ansprechverhaltens sichergestellt ist, wird dadurch gewährleistet, dass alle diese natürlichen oder Eigenschwindungsmoden eine vorteilhafte Dämpfung aus dem Regelsystem erfahren.
Die Größe des Antriebs- bzw. Treibersignals T&sub0; auf der Leitung 134 wird von dem Rotorantriebsabschnitt 106 dazu verwendet, die Drehzahl der Rotoreinrichtung 110 zu vergrößern oder zu verkleinern, um die gewünschte oder Soll-Drehzahl der Hydromaschine 44 zu erreichen.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird das Treibersignal T&sub0; auf der Leitung 134 an einen Drehmoment-Steuerverstärker 150 angelegt. Dem Drehmoment-Steuerverstärker 150 wird durch eine Drehmoment-Steuerleistungsquelle 152 Energie zugeführt, wodurch unter Verwendung des Treibersignals T&sub0; auf der Leitung 134 der Drehmoment-Steuerverstärker 150 die dreiphasigen Signale TA, TB, TC an die Drehmoment-Steuereinheit 106 abgibt. Wie es hier und in der Technik verwendet wird, bezieht sich TA gemeinsam auf TA+ und TA-, TB bezieht sich gemeinsam auf TB+ und TB- usw.
Die Winkelpositionierung θr der Rotoreinrichtung 110 relativ zum Stator 112 ist ebenfalls in Fig. 3 gezeigt, wobei es aus der üblichen Praxis verständlich ist, dass θr null ist, wenn RA+ exakt mit SA+ übereinstimmt.
Die Leistungsübertragung durch eine asynchrone Regeleinrichtung 50 wird verständlich unter Bezugnahme auf die gleichzeitig eingereichte Europäische Patentanmeldung EP 96 30 2752.9 (Anmelderzeichen 17GE-05546) mit der Bezeichnung "Interconnection System for Transmitting Power Between Electrical Systems", die z. B. verschiedene Typen von Mechanismen zeigt, die für den Rotorantriebsabschnitt 106 verwendet werden.
Der Realzeit-Regler für den asynchronen Wandler 50, der durch die AC Frequenzsteuerung 82 und den Addierer 88 gebildet wird, sorgt für eine automatische Einstellung des Sollleistungs-Eingangssignals P&sub0;&sub0; in Abhängigkeit von den tatsächlichen Realzeit-Anforderungen des AC Leistungssystems 72. Wenn beispielsweise das AC Leistungssystem 72 in irgendeinem Moment nicht genügend Leistung empfangen würde, trotz des Soll- Leistungssignals P&sub0;&sub0;, würde die Frequenz auf den Leitungen 11 kleiner werden, und diese Verkleinerung würde durch den Frequenzwandler 80 abgetastet und durch den Vorausregler 76 als Antwort auf das Signal P&sub0; kompensiert, so dass ein größerer Leistungswert, als er durch das Signal P&sub0;&sub0; hervorgerufen wird, entstehen würde. Wenn umgekehrt dem AC Leistungssystem 72 zu viel Leistung zugeführt würde, würde die Frequenz auf den Leitungen 11 ansteigen, und diese Steigerung würde durch den Frequenzwandler 80 abgetastet und durch den Vorausregler 76 kompensiert werden, so dass ein kleinerer Leistungswert, als er durch das Signal p hervorgerufen wird, entstehen würde.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1C gibt das Signal P&sub0; an den Vorausregler 76 den Soll-Leistungswert an, anstelle des Soll-Leistungssignals P&sub0;&sub0; (wobei P&sub0; eine Modifikation von P&sub0;&sub0; ist, wie es oben erläutert ist).
Somit erreicht die vorliegende Erfindung eine variable Drehzahl mit der üblichen Gleichstrom-Feldwicklung auf dem Hauptgenerator 44, wobei die Frequenz des Wechselstroms, der in dem Stator des Hauptgenerators fließt, von der Nominalfrequenz des AC Leistungssystems 72 um eine Größe abweicht, die notwendig ist, um die gewünschte Drehzahländerung zu erzielen (z. B. würde 55 Hz 110% Drehzahl auf einem Generator erzielen, der nominell bei 50 Hz betrieben wird). Weiterhin erreicht die vorliegende Erfindung ihre Aufgabe der optimalen hydraulischen Effizienz nur durch Messung der Wassersäule und der AC Frequenz des Übertragungssystems mit einer eine offene Schleife bildenden Steuerfunktion, die auf einem "Hydraulischen Hill Chart" basiert, die Off-line berechnet wird.
Als ein weiterer Vorteil wird die Frequenz des Leistungssystems dadurch gesteuert, dass die AC Frequenz des Übertragungssystems gemessen und die Sollleistung auf der Hauptsteuerfunktion eingestellt wird. Eine Dämpfung von Schwingungen des Leistungssystems wird ebenfalls über den schnellen Drehzahlregler 108 herbeigeführt.
Der Wandler 50 kann somit auf einfache Weise verwendet werden, um bestehende Hydrogeneratoranlagen nachzurüsten. Einschränkungen der Drehzahl-Einstellbarkeit von jeder Hydrogeneratoranlage hängen von mechanischen Beanspruchungen und der Fähigkeit von anderen Systemkomponenten ab, ihre Funktionen auszuüben. Wenigstens ein Generator in jedem gegebenen Dammkomplex kann mit dem Wandler 50 ausgerüstet werden, oder nur gewählte Dammorte entlang einem Fluss, die ein besonderes Steuervermögen benötigen.
Ferner gibt der Wandler 50 Energie-Dienststellen, die Wasser-Ressourcen managen, ein signifikantes Werkzeug an die Hand. Durch das Entkoppeln der Strömungsrate (durch die Turbine) von dem Leistungsbedarf können Wasserpegel ohne Energieverschwendung genau eingestellt werden. Diese genaue Einstellung umfasst die Fähigkeit, Flutungs- und/oder Trockenbedingungen in unterschiedlichen Regionen von dem gleichen Fluss einzustellen.
Der Wandler 50 richtet sich auch auf die Regler der Abgabe von einem gepumpten Speichervorrat. Pumpspeicher-Hydroelektrik beinhaltet üblicherweise ein zwei Reservoirs umfassendes System, wobei das eine Reservoir auf einer höheren Höhe ist und ein anderes Reservoir an einer tieferen Höhe ist. Wasser wird zu dem höheren Reservoir gepumpt, wobei seine potentielle Energie gespeichert wird, bis Energiebetriebe außergewöhnliche Spitzenbedarfsbedingungen feststellen. Das Wasser wird dann durch Hydroturbinen freigesetzt, um diesen Spitzenbedarf zu erfüllen. Eine weitgehende Entleerung des oberen Reservoirs, wie es bei einem Spitzenbedarf auftritt, erfordert ein Pumpen (zu einer Zeit außerhalb des Spitzenbedarfs) des Wassers von dem unteren Reservoir zurück zu dem höheren Reservoir. Während Bedingungen eines niedrigen Reservoirs bietet der Wandler 50 den Vorteil einer schnellen Antwort und verminderter Betriebsgeschwindigkeit. Durch einen etwas langsameren Betrieb und die Verwendung einer kleineren Reservegrenze können die Kraftwerksstellen die Wassererhaltung optimieren, während eine Lastansprechgeschwindigkeit beibehalten wird, die gleich ihrer Wassersteuergeschwindigkeit ist.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen geringere Umweltbeanspruchung (Rettung von Fisch, Minimierung von Erosion, usw.) und überlegene Wasserpegelregler, insbesondere in Vielbeckensystemen. Diese Regler verbessert die Ausnutzung der Wasserversorgung sowohl für freizeitliche als auch landwirtschaftliche Aspekte, wie beispielsweise Bewässerung.
Die Erfindung ist zwar besonders unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben worden, für den Fachmann ist jedoch verständlich, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist zwar in der vorstehenden Beschreibung ein elektrisches Versorgungssystem dargestellt worden, das mit Kollektorringen 114 verbunden ist, und ein elektrisches Empfängersystem ist dargestellt worden, das mit dem Stator 112 verbunden ist, aber es ist klar, dass diese dargestellten Verbindungen auch umgekehrt sein können.

Claims

1. Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie von einer Hydro-Turbineneinheit (70) zu einem elektrischen Verbrauchssystem (72), wobei das Verfahren enthält:

Erhalten eines Signals (hmeas), das eine Wassersäule (24) angibt; enthaltend

Verwenden des die Wassersäule angebenden Signals, um (1) die Gatterstellung von einer drehzahlvariablen Hydro-Turbineneinheit und (2) die Drehzahl des Rotors (110) von einem asynchronen Drehwandler (50) zu steuern, der zwischen der Hydro- Turbineneinheit und dem elektrischen Verbrauchssystem (72) verbunden ist, wobei der asysnchrone Drehwandler ein Ausgangssignal an das elektrische Verbrauchssystem (72) generiert, und

Verwenden des Ausgangssignals zur Drehzahlregelung von einem hydraulischen Generator (44), der in der Hydro-Turbineneinheit enthalten ist, und um dadurch einen geforderten Leistungswert (P&sub0;, P&sub0;&sub0;) für das elektrische Verbrauchssystem zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Drehzahlregelung der drehzahlvariablen Hydro-Turbineneinheit (70) enthält, daß das die Wassersäule (24) anzeigende Signal verwendet wird, um auf einen Speicher zuzugreifen, in dem Hydraulische Hill Chart Information gespeichert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Speicher aktualisiert wird, in dem die Hydraulische Hill Chart Information gespeichert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend:

Erhalten eines Signals (fac), das eine AC Übertragungsfrequenz angibt, für das elektrische Verbrauchssystem (72) und

Verwenden des die AC Übertragungsfrequenz für das elektrische Verbrauchssystem (72) angebenden Signals auch dazu, einen Ausgangsleistungswert der drehzahlvariablen Hydro-Turbineneinheit (70) zu steuern.

5. Interface (50) zum Verbinden einer Hydro-Turbineneinheit (70) mit einem elektrischen Verbraucher (72), wobei die Hydro-Turbine (76) einen hydraulischen Generator (44) aufweist zum Erzeugen einer elektrischen Ausgangsleistung der Hydro-Turbine, die über das Interface zu dem elektrischen Verbraucher übertragen wird, wobei das Interface enthält:

einen Drehwandler (102), der mit der Hydro-Turbineneinheit (70) verbunden ist, zum Empfangen der elektrischen Ausgangsleistung der Hydro-Turbine, die von der Hydro-Turbineneinheit (70) erzeugt ist, und durch den die elektrische Ausgangsleistung der Hydro-Turbine dem elektrischen Verbraucher (72) zu- geführt ist, und

eine Regelung (108, 80, 86), die den Drehwandler so betätigt, daß ein geforderter elektrischer Ausgangsleistungswert (P&sub0;, P&sub0;&sub0;) von der Hydro-Turbineneinheit für den elektrischen Verbraucher erhalten wird, wobei die Regelung (108, 80, 86) ein Signal (hmeas) verwendet, das die Wassersäule (24) angibt, um Drehzahl und Gatterstellung der Hydro-Turbineneinheit zu steuern, um den geforderten elektrischen Ausgangsleistungswert für den elektrischen Verbraucher (72) zu erzielen.

6. Interface nach Anspruch 5, wobei der Drehwandler (102) mit der Hydro-Turbine so verbunden ist, daß die AC Frequenz des Drehwandlers (102) proportional zur Drehgeschwindigkeit der Hydro-Turbineneinheit (70) ist.

7. Interface nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Regelung einen Prozessor (76) enthält, der das die Wassersäule (24) angebende Signal (hmeas) verwendet, um auf einen Speicher (94, 95) zuzugreifen, in dem Hydraulische Hill Chart Information gespeichert ist.

8. Interface nach Anspruch 7, wobei ferner ein Hill Chart Aktualisierer (84) vorgesehen ist, um Werte zu aktualisieren, die in dem Speicher (94, 95) gespeichert sind, in dem Hydraulische Hill Chart Information gespeichert ist.

9. Interface nach Anspruch 5, wobei die Regelung auch ein Signal (fac) verwendet, das die AC Übertragungsfrequenz zu dem elektrischen Verbraucher (72) angibt, um die Ausgangsleistung des Drehwandlers (102) zu steuern, um den geforderten elektrischen Ausgangsleistungswert für den elektrischen Verbraucher (72) zu erzielen.

10. Interface nach Anspruch 5, wobei der Drehwandler (102) enthält:

einen von einem Rotor (110) und einem Stator (112), der zum Empfangen der elektrischen Ausgangsleistung der Hydro- Turbine verbunden ist,

der andere von dem Rotor (110) und dem Stator (112) so verbunden ist, daß die elektrische Ausgangsleistung des Wandlers davon abgezogen wird,

einen Aktuator (106) zum Rotieren des Rotors (110) und

wobei die Regelung auf das die Wassersäule (24) angebende Signal (hmeas) anspricht zum Steuern des Aktuators (106), wodurch der Rotor (110) bidirektional mit einer variablen Drehzahl rotiert wird.

11. Interface (50) zum Verbinden einer Hydro-Turbineneinheit (70) mit einem elektrischen Verbraucher (72), wobei die Hydro-Turbine einen hydraulischen Generator (44) aufweist zum Erzeugen einer elektrischen Ausgangsleistung der Hydro- Turbine, die über das Interface zu dem elektrischen Verbraucher (72) übertragen wird, wobei das Interface enthält:

einen Drehwandler (102), der mit der Hydro-Turbineneinheit (70) verbunden ist und elektrische Energie zu einem elektrischen Verbraucher (72) überträgt, wobei der Drehwandler (102) enthält:

einen Rotor (110) und einen Stator (112), wobei der eine von dem Rotor (110) und dem Stator (112) mit der Hydro-Turbineneinheit (70) verbunden ist und der andere von dem Rotor (110) und dem Stator (112) mit dem elektrischen Verbraucher (72) verbunden ist, und

eine Regelung (108, 80, 86), die die AC Frequenz der elektrischen Ausgangsleistung verwendet zum Erzeugen eines Signals zum Steuern der Drehgeschwindigkeit des Rotors (110) relativ zum Stator (112).

12. Interface nach Anspruch 11, wobei die Regelung enthält:

einen Frequenzwandler (80), der die AC Frequenz des elektrischen Verbrauchers (72) überwacht und ein diese angebendes Signal (fac) erzeugt, und

Mittel (108, 86) zum Verwenden des Signals (fac), das von dem Frequenzwandler erzeugt ist, zum Verändern eines Signals (Tgo), das eine geforderte Drehgeschwindigkeit der Hydro-Turbineneinheit (70) angibt, wobei die das Signal verändernden Mittel ein verändertes Signal (T&sub0;) abgeben zur Verwendung beim Regeln der Drehgeschwindigkeit des Rotors (110) relativ zum Stator (112).