Statische Erregung für Synchrongeneratoren in Wasserkraftanlagen
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Alte Generatoren erhalten – Erregungstechnik modernisieren
In vielen älteren Wasserkraftanlagen arbeiten Synchrongeneratoren seit Jahrzehnten zuverlässig. Ein Austausch des gesamten Generators ist deshalb nicht zwangsläufig erforderlich, nur weil die vorhandene Erregungstechnik nicht mehr den heutigen Anforderungen entspricht.
Eine interessante Möglichkeit der Modernisierung ist der Umbau auf statische Erregung. Der vorhandene Synchrongenerator kann erhalten bleiben, während die bisherige Erregungstechnik durch eine elektronische Leistungseinheit ersetzt und in die moderne Kraftwerkssteuerung integriert wird.
Bilgram Wasserkraft hat bereits 18 Generatoren auf statische Erregung umgebaut.
Viele dieser Maschinen arbeiten mit einer Generatorspannung von 6,3 kV.
Wasserkraftanlage Altenmarkt T2 vor dem Umbau: links die rotierende Erregermaschine, anschließend Lagerbock und Schleifringe, rechts der 1.050-kW-Synchrongenerator.
Welche Aufgabe hat die Erregung?
Der Rotor eines Synchrongenerators benötigt Gleichstrom, um das für die Stromerzeugung notwendige Magnetfeld aufzubauen. Bei älteren Generatoren wird dieser Erregerstrom häufig von einer rotierenden Erregermaschine erzeugt und über Schleifringe dem Rotor zugeführt.
Bei der statischen Erregung übernimmt eine elektronische Leistungseinheit die Erzeugung und Regelung dieses Gleichstroms. Die Erregung kann dadurch unmittelbar mit der Turbinen-, Generator- und Kraftwerkssteuerung zusammenarbeiten.
Was wird beim Umbau verändert?
Der Synchrongenerator und seine wesentlichen mechanischen Komponenten bleiben erhalten. Die bisherige Erregermaschine wird elektrisch außer Betrieb genommen oder – wenn es konstruktiv sinnvoll ist – demontiert. Bei Altenmarkt T2 wurde die Erregermaschine entfernt. Lagerbock, die beiden Schleifringe und der 1.050-kW-Synchrongenerator bleiben erhalten.
Der erforderliche Gleichstrom für den Rotor wird anschließend von der statischen Erregung bereitgestellt und weiterhin über die vorhandenen Schleifringe übertragen.
Wasserkraftanlage Altenmarkt T2 nach dem Umbau: Die Erregermaschine wurde entfernt. Lagerbock, die beiden Schleifringe und der 1.050-kW-Synchrongenerator bleiben erhalten.
Schaltschrank der statischen Erregung: Die Leistungselektronik stellt den geregelten Gleichstrom für den Rotor bereit.
Das Projekt im Detail: Weitere Bilder und technische Informationen zur Modernisierung der hier gezeigten Wasserkraftanlage Altenmarkt T2 finden Sie in unserer Projektbeschreibung: → Wasserkraftanlage Altenmarkt T2 – Kaplan-Turbine mit statischer Erregung
Vorteile der statischen Erregung
- präzise Regelung der Generatorspannung
- Regelung des Leistungsfaktors cos φ im Netzparallelbetrieb
- automatische Anpassung der Erregung an den jeweiligen Betriebspunkt
- Einbindung in die automatische Synchronisierung
- Integration in die Turbinen- und Kraftwerkssteuerung
- nach unserer Betriebserfahrung deutlich geringerer Abrieb an den weiterhin verwendeten Schleifringen
- Reduzierung des Wartungsaufwands der bisherigen Erregungstechnik
Der geringere Schleifringabrieb ist eine Erfahrung aus den von Bilgram Wasserkraft umgebauten Anlagen. Der von der Leistungselektronik geregelte Gleichstrom wird weiterhin über die vorhandenen Schleifringe auf den Rotor übertragen.
Anforderungen an die Technik
Eine statische Erregung ist mehr als eine regelbare Gleichstromversorgung. Für den zuverlässigen Betrieb muss sie auf den vorhandenen Generator und das Betriebskonzept abgestimmt werden.
- Batterie- bzw. Gleichspannungsanbindung für den Aufbau der Erregung ohne vorhandene Netz- oder Generatorspannung
- Überspannungsschutz der Leistungselektronik
- Kurzschlussschutz für Leistungselektronik und Erregerkreis
- Schnellentregung zum schnellen Abbau des Erregerstroms im Abschalt- oder Fehlerfall
- Austausch von Sollwerten, Freigaben, Betriebszuständen und Störungen mit der Kraftwerkssteuerung
Schwarzstart – ein besonderer Vorteil
Eine besonders interessante Möglichkeit ist die Einbindung der statischen Erregung in ein Schwarzstartkonzept. Nach einem vollständigen Netzausfall steht zunächst keine Netzspannung zur Verfügung und der stillstehende Generator erzeugt noch keine eigene Spannung.
Wird die statische Erregung aus einer Batterie- bzw. Gleichspannungsversorgung gespeist, kann der Erregerstrom bereits aufgebaut werden, bevor Generatorspannung vorhanden ist. Mit zunehmender Erregung baut der Synchrongenerator seine Spannung auf. Die statische Erregung schafft damit eine wesentliche Voraussetzung für den Schwarzstart eines Wasserkraftgenerators.
Die Schwarzstartfähigkeit der gesamten Wasserkraftanlage erfordert darüber hinaus ein abgestimmtes Konzept aus Hilfsenergieversorgung, Turbinensteuerung, Schutztechnik und Schaltgeräten.
Weitere Beispiele aus der Praxis
→ Übersicht der Referenzprojekte: Referenz-Projekte Überblick zu statischer Erregung
→ Wasserschlössle Dettingen: 6-kV-Generator mit 350 kVA. Die vorhandene Erregermaschine war mit 115 V, 27 A und 3,2 kW angegeben.
→ Obermühle Fürstenfeldbruck: 6-kV-Generator mit 1.250 kVA. Die Erregermaschine ist mit 129 V, 155 A und 19,9 kW angegeben.
Die Beispiele zeigen, dass sich das Prinzip nicht auf eine bestimmte Generatorleistung beschränkt. Entscheidend ist die auf den jeweiligen Generator abgestimmte Auslegung der statischen Erregung.
Die Visualisierung läuft direkt auf der Steuerung und wird über einen Webbrowser aufgerufen. Bilgram Wasserkraft setzt diese Form der webbasierten Anlagenvisualisierung bereits seit 2012 in Wasserkraftanlagen ein.
Zusammenspiel mit der Kraftwerkssteuerung
Beim Start führt die Turbinenregelung den Generator an die erforderliche Drehzahl und damit an die Netzfrequenz heran. Gleichzeitig baut die statische Erregung die Generatorspannung auf. Sind Frequenz, Spannung und Phasenlage innerhalb der vorgesehenen Grenzen, kann der Generator synchronisiert und zugeschaltet werden.
Nach der Zuschaltung übernimmt die Erregungsregelung – abhängig vom Anlagenkonzept – beispielsweise die Regelung von Spannung oder cos φ. Turbinenregelung, Erregung und Synchronisierung arbeiten damit als Gesamtsystem.
Fazit: Generator erhalten – Schwarzstart ermöglichen
Der Umbau auf statische Erregung ist mehr als der Ersatz einer alten Erregermaschine. Ein vorhandener Synchrongenerator kann weiter genutzt und gleichzeitig in eine moderne Kraftwerksautomatisierung integriert werden. Spannung und cos φ lassen sich präzise regeln, Synchronisierung und Erregung automatisieren. Überspannungsschutz der Leistungselektronik, Kurzschlussschutz und Schnellentregung gehören zu den wichtigen Anforderungen.
Aus unserer Erfahrung mit umgerüsteten Generatoren zeigt sich zudem ein deutlich geringerer Abrieb an den weiterhin verwendeten Schleifringen.
Besonders interessant ist die batteriegestützte Erregung: Sie ermöglicht den Aufbau der Generatorspannung, obwohl zunächst keine Netzspannung vorhanden ist, und schafft damit eine wesentliche Voraussetzung für den Schwarzstart.
Bewährten Generator erhalten – Erregungstechnik modernisieren – Schwarzstart ermöglichen.
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