Schwarzstart & Inselbetrieb für Wasserkraftanlagen
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Eine Wasserkraftanlage kann mehr als Strom in das öffentliche Netz einspeisen
Mit entsprechend ausgelegter Steuerungs-, Generator-, Hydraulik- und Erregungstechnik kann sie ein eigenes Inselnetz versorgen, nach einem vollständigen Spannungsausfall wieder angefahren und anschließend erneut mit dem öffentlichen Netz synchronisiert werden.
Bilgram Wasserkraft entwickelt Steuerungskonzepte für Netzparallelbetrieb, Inselbetrieb, Schwarzstart und Rücksynchronisierung.
Ein Gesamtsystem – nicht nur eine einzelne Funktion
Im Netzparallelbetrieb gibt das öffentliche Netz Frequenz und Spannung vor. Im Inselbetrieb muss die Wasserkraftanlage diese Aufgabe selbst übernehmen. Laständerungen der Verbraucher wirken unmittelbar auf Generator und Turbine. Deshalb müssen Turbinenregelung, Generator, Hydraulik, Erregung, Schutztechnik, Synchronisierung und Verbraucher aufeinander abgestimmt werden.
Praxiserfahrung seit 2008
Bereits 2008 realisierte Bilgram Wasserkraft eine Wasserkraftanlage für Schwarzstart, Inselbetrieb und Netzparallelbetrieb. Eine Kaplan-Turbine mit bis zu 130 kW versorgt dort industrielle Spritzgießmaschinen mit zusammen rund 90 kW.
Die Referenz dient als Nachweis für das regelungstechnische Know-how: Der Übergang vom Netzparallelbetrieb in den Inselbetrieb wurde so ausgelegt, dass die Turbine bei geeigneter Lastsituation ohne Abschaltung weiterlaufen kann.
Referenzanlage von 2008: Kaplan-Turbine und Generator für Insel- und Netzparallelbetrieb
Dynamische Regelung für den Inselbetrieb
Eine rund 4 t schwere Schwungscheibe am Generator unterstützt das Abfangen des Lastsprungs. Gleichzeitig reagieren schnelle Proportionalventile der Turbinenhydraulik. Im Inselbetrieb übernimmt bei dieser Anlage das Laufrad die schnelle Anpassung der Wassermenge und Turbinenleistung; das Leitrad wird deutlich träger nachgeführt.
Im Netzparallelbetrieb erfolgt die Führung dagegen über eine auf die Kaplan-Turbine abgestimmte Leit-/Laufradkennlinie.
Für den beschriebenen nahtlosen Übergang müssen die verbleibenden Verbraucher mindestens etwa 50 % der aktuellen Turbinenleistung abnehmen. Die 50 % beziehen sich ausdrücklich auf den momentanen Betriebspunkt, nicht pauschal auf die maximale Turbinenleistung von 130 kW.
Stabile Spannung und Frequenz im Inselnetz
Ein Inselnetz muss nicht nur aufgebaut, sondern auch mit ausreichender Regelgüte betrieben werden. Bei der Referenzanlage von 2008 wurden Spannung und Frequenz im Inselbetrieb sehr stabil geregelt. Das ist besonders wichtig, weil die Spritzgießmaschinen selbst 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 und Rücksynchronisierung
Bei der Referenzanlage von 2008 erregt sich der Hitzinger-Synchrongenerator selbst. Eine batteriegespeiste statische Erregung war für den Spannungsaufbau dieses Generators daher nicht erforderlich. Die für den Schwarzstart 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 Synchrongeneratoren, die für den Schwarzstart eine Fremderregung benötigen, kann Bilgram Wasserkraft den Spannungsaufbau über eine batteriegespeiste statische Erregung realisieren. Der Erregerstrom wird dabei bereits vor vorhandener Generatorspannung aus der Batterie aufgebaut.
Steht das öffentliche Netz wieder zur Verfügung, werden Spannung, Frequenz und Phasenlage aufeinander abgestimmt. Nach erfüllten Synchronbedingungen erfolgt die Rückkehr in den Netzparallelbetrieb.
Schwarzstart → Inselbetrieb → Synchronisierung → Netzparallelbetrieb
2008 bewiesen – heute mit aktueller Technik
Die Elektronik der Referenzanlage stammt aus dem Jahr 2008. Sie hatte noch keine Bilgram-Webvisualisierung und keine heutige DEIF-Technik. Die Referenz soll deshalb nicht den aktuellen Hardwarestand zeigen, sondern belegen, dass Bilgram Wasserkraft diese anspruchsvolle Betriebsweise bereits praktisch umgesetzt hat.
Seit 2012 setzt Bilgram Wasserkraft auf webbasierte Anlagenvisualisierung. Ein vergleichbares Projekt würden wir heute mit aktueller Bilgram-Steuerung, HTML5-Webvisualisierung sowie moderner DEIF Generator-, Synchronisier- und Schutztechnik realisieren.
Die Technik hat sich weiterentwickelt – das Anlagen- und Regelungswissen stammt aus der Praxis.
Ihre Wasserkraftanlage für Inselbetrieb oder Schwarzstart?
Wir betrachten Turbine, Generator, Hydraulik, Erregung, Hilfsenergie, Schutztechnik, Synchronisierung und Verbraucher als Gesamtsystem.
Praxisbeispiel: → Wasserkraft im Inselbetrieb – Schwarzstart und Netzparallelbetrieb bei einer Industrieanlage seit 2008
Erregung und Turbinenhydraulik – zwei Wege zum sicheren Anlagenstart
Das Schwarzstartkonzept wird an den vorhandenen Generator angepasst. Die Referenzanlage von 2008 arbeitet mit einem selbsterregenden Hitzinger-Synchrongenerator. Bei anderen Synchrongeneratoren realisieren wir den Spannungsaufbau über eine statische Erregung mit Batterie- bzw. Gleichspannungsversorgung. Für die schnelle Leistungsanpassung im Inselbetrieb ist gleichzeitig eine fein regelbare Turbinenhydraulik entscheidend.
Weiterführend: → Proportionalventil und Turbinenhydraulik und → Statische Erregung und Schwarzstart
Praxisnachweis: komplette Leistungs- und Schalttechnik
Die Referenzanlage dokumentiert auch die von Bilgram Wasserkraft gelieferte elektrische Leistungstechnik. Im Leistungsschrank sitzt links der Netzschalter, rechts der Generatorschalter; die mittlere Stromschiene führt zu den Spritzgießmaschinen und zum Eigenverbrauch. Damit wird sichtbar, dass Insel- und Netzparallelbetrieb als vollständiges System aus Turbine, Generator, Hydraulik, Steuerung und Schalttechnik umgesetzt wurden.
Leistungsschrank der Referenzanlage von 2008 – Teil der von Bilgram Wasserkraft gelieferten Gesamttechnik für Insel- und Netzparallelbetrieb.
Bilgram~Wasserkraft: Für mehr Energie auf jeder Kilowattstunde Wasser
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