Referenzanlage 2008 - Kaplan-Turbine versorgt Spritzgießmaschinen
130-kW-Kaplan-Turbine versorgt Spritzgießmaschinen und empfindliche Verbraucher im stabil geregelten Inselnetz
Was passiert, wenn das öffentliche Netz ausfällt, die Produktion aber mit Wasserkraft weiter versorgt werden soll? Genau diese Aufgabenstellung wurde bei einer von Bilgram Wasserkraft 2008 realisierten Industrieanlage umgesetzt.
Die Kaplan-Turbine leistet bis zu 130 kW. Mehrere Spritzgießmaschinen benötigen zusammen rund 90 kW. Die Anlage wurde für Netzparallelbetrieb, Inselbetrieb, Schwarzstart und die spätere Rücksynchronisierung zum öffentlichen Netz ausgelegt.
Spritzgießmaschinen der Referenzanlage – zusammen rund 90 kW elektrische Leistung
Nahtlos vom Netzparallelbetrieb in den Inselbetrieb
Fällt das öffentliche Netz aus, kann die Turbine bei geeigneter Lastsituation ohne Abschaltung weiterlaufen und die betrieblichen Verbraucher als Inselnetz versorgen. Voraussetzung des realisierten Konzepts ist, dass die verbleibenden Verbraucher mindestens etwa 50 % der aktuellen Turbinenleistung abnehmen.
Diese 50-%-Angabe bezieht sich auf den momentanen Betriebspunkt der Turbine und nicht pauschal auf 50 % der maximalen Leistung von 130 kW.
Kaplan-Turbine und Generator der 2008 realisierten Inselanlage
4-t-Schwungscheibe fängt den Lastsprung ab
Der Wechsel vom öffentlichen Netz in das deutlich kleinere betriebliche Inselnetz erzeugt einen schnellen Lastsprung. Eine rund 4 t schwere Schwungscheibe am Generator stellt kurzfristig rotierende Energie bereit. Gleichzeitig reagiert die Turbinenhydraulik über schnelle Proportionalventile für Leit- und Laufrad.
Schwungmasse und schnelle hydraulische Regelung wirken zusammen und unterstützen die Stabilisierung des Inselnetzes.
Leistungsschrank – Netz, Generator und Verbraucher im selben Gesamtsystem
Zum realisierten Anlagenkonzept gehört auch die komplette elektrische Leistungs- und Schalttechnik. Im Leistungsschrank befindet sich links der Netzschalter und rechts der Generatorschalter. In der Mitte führt die Stromschiene zu den Spritzgießmaschinen und zu den Eigenverbrauchern der Wasserkraftanlage.
Gerade für den Inselbetrieb ist diese Schaltstruktur wesentlich: Nach der Trennung vom öffentlichen Netz bleibt der Generator mit dem betrieblichen Inselnetz verbunden und versorgt die vorgesehenen Verbraucher. Der Leistungsschrank dokumentiert damit, dass Bilgram Wasserkraft bei der Referenzanlage nicht nur die Turbinenregelung, sondern das elektrische Gesamtkonzept einschließlich Generator- und Netzschaltung geliefert hat.
Leistungsschrank der Referenzanlage von 2008: links Netzschalter, rechts Generatorschalter, in der Mitte die Stromschiene zu Spritzgießmaschinen und Eigenverbrauch.
Kaplan-Regelung: Laufrad reagiert schnell
Im Netzparallelbetrieb werden Leit- und Laufrad über eine auf die Turbine abgestimmte Leit-/Laufradkennlinie geführt.
Im Inselbetrieb ist eine deutlich agilere Leistungsanpassung notwendig. Bei dieser Anlage übernimmt deshalb das Laufrad die schnelle Anpassung der Wassermenge und damit der Turbinenleistung. Das Leitrad wird deutlich träger nachgeführt. So kann die Turbine auf Laständerungen der Spritzgießmaschinen reagieren.
Turbinenhydraulik der Referenzanlage von 2008 – ausgelegt für Schwarzstart, Inselbetrieb und Netzparallelbetrieb
Stabiles Inselnetz auch für empfindliche Verbraucher
Die Inselregelung wurde so abgestimmt, dass Spannung und Frequenz sehr stabil geführt werden. Dies ist bei der Anlage besonders wichtig, da die Spritzgießmaschinen nicht nur leistungsstarke elektrische Verbraucher sind, sondern auch empfindliche elektronische Steuerungen und Computer enthalten. Der Inselbetrieb muss deshalb sowohl schnelle Laständerungen der Maschinen beherrschen als auch eine stabile elektrische Versorgung für deren Steuerungs- und Rechnersysteme gewährleisten.
Schwarzstart – starten ohne öffentliches Netz
Die Referenzanlage von 2008 wurde für Schwarzstart ausgelegt. Der eingesetzte Hitzinger-Synchrongenerator erregt sich selbst, sodass für den Aufbau der Generatorspannung bei diesem Projekt keine batteriegespeiste statische Erregung erforderlich war. Die für den Start notwendigen Steuerungs- und Hydraulikfunktionen werden unabhängig vom öffentlichen Netz versorgt. Sobald der Generator Spannung aufgebaut und das Inselnetz hergestellt hat, stehen wieder 400 V AC für die elektrischen Hilfsantriebe – unter anderem die Hydraulikpumpe – zur Verfügung.
Bei anderen Synchrongeneratoren kann Bilgram Wasserkraft den Schwarzstart auch mit statischer Erregung realisieren. Dabei wird der Erregerstrom zunächst aus einer Batterie- bzw. Gleichspannungsversorgung aufgebaut. So kann der Generator Spannung aufbauen, obwohl weder Netz- noch Generatorspannung vorhanden ist.
24 V Hilfsenergie → Turbine anfahren → Generatorspannung aufbauen → Inselnetz herstellen → 400-V-Hilfsantriebe versorgen
Rücksynchronisierung zum öffentlichen Netz
Ist das öffentliche Netz wieder verfügbar, werden Inselnetz und öffentliches Netz hinsichtlich Spannung, Frequenz und Phasenlage aufeinander abgestimmt. Sind die Synchronbedingungen erfüllt, kann die Anlage wieder in den Netzparallelbetrieb wechseln.
Die Technik von 2008 ist nicht der heutige Standard
Die gezeigte Steuerungs- und Leistungselektronik stammt aus dem Jahr 2008. Die Anlage hatte damals noch keine Bilgram-Webvisualisierung und keine heutige DEIF-Technik.
Der Wert dieser Referenz liegt deshalb nicht in der damaligen Hardware, sondern im Nachweis des realisierten Anlagen- und Regelungskonzepts.
Bilgram Wasserkraft hat Schwarzstart, Inselbetrieb, Netzparallelbetrieb, Kaplan-Regelung und die Versorgung industrieller Verbraucher bereits 2008 praktisch miteinander verbunden.
Schalt- und Steuerungsanlage von 2008 – Nachweis des realisierten Insel- und Netzparallelbetriebs
Heute mit Bilgram-Webtechnik und aktueller DEIF-Technik
Seit 2012 setzt Bilgram Wasserkraft auf webbasierte Anlagenvisualisierung. Eine vergleichbare Anlage würden wir heute mit aktueller Bilgram-Steuerung, HTML5-Webvisualisierung und moderner DEIF Generator-, Synchronisier- und Schutztechnik neu aufbauen.
Die Elektronik von 2008 zeigt die Entwicklung. Das damals praktisch umgesetzte Know-how ist die Referenz.
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