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Der rotierende Phasenschieber Eine Komponente für die Energiewende

Dr. Wolfgang Knothe, GE Power AG April 25, 2016


Rotierender Phasenschieber

Technische Lösungen

Betrieb & Wartung

Einführung, Blindleistung

Projektbeispiel: Bergrheinfeld West

Weitere Referenzen

Rotierender Phasenschieber – Anlagenübersicht und Hauptkomponenten

Zusammenfassung


• Abschaltung nuklearer und fossiler Anlagen

• Wachsender Anteil Erneuerbare Energien

• Steigende Hochspannungs-Gleichspannungs-übertragung

• Grenzüberschreitende Stromtransporte

• Sinkende Schwungmasse der Generatoren

• Fehlende Blindleistungskompensation

• Sinkender Kurzschlussstromlevel

Die Randbedingungen für stabile Leistungsübertragung ändern sich

Rotierender Phasenschieber Einführung

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• Die Aufgabe, ein elektrisches Versorgungsnetz stabil zu halten, ähnelt ein wenig derjenigen eines Jongleurs, der zahlreiche Bälle ständig in einem exakt definierten Rhythmus abfangen und wieder hochwerfen muss.

• Kommt er auch nur kurz aus dem Takt, so gerät das dynamische Gleichgewicht des rotierenden Musters durcheinander: alle Kugeln fallen zu Boden.

• Netzleitstellen müssen zahlreiche große und kleine Stromversorger so koordinieren, dass in das Stromnetz immer exakt so viel Strom eingespeist wird, wie die Verbraucher daraus auch entnehmen.

• Grundlage des Problems ist die Tatsache, dass unsere Stromversorgung mit Wechselstrom arbeitet. Quelle:Fred. F. Müller, Stromnetze am Limit – das Risiko wächst



Die deutschen Übertragungsnetzbetreiber - 50Hertz - Amprion - Tennet TSO - TransnetBW

haben den gesellschaftlichen Auftrag:

Problem: bei N-1 Analyse: mögliche Überlast bis zu 200%

„ein sicheres, zuverlässiges und leistungsfähiges

Energieversorgungsnetz diskriminierungsfrei zu betreiben, zu

warten und bedarfsgerecht zu optimieren, zu verstärken und

auszubauen.“



Die Netzfrequenz hängt direkt von Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch ab. Solar- und Windenergieanlagen können solche gezielten Leistungsanpassungen prinzipbedingt nicht in nutzbarem Umfang erbringen und sind daher außerstande, das Netz zu stabilisieren. Im Gegenteil, ihre „zufällige“ Einspeisung erschwert den restlichen Kraftwerken die sowieso schon anspruchsvolle Aufgabe, das Netz auch im Falle unvorhersehbarer Störungen ständig im Gleichgewicht zu halten.

Erste Sicherheitsreserve im Netz sind deshalb die riesigen Schwungmassen, als die in solchen Fällen die rotierenden Turbinen und Generatoren fungieren. Diese Aufgabe kann auch von rotierenden Phasenschiebern übernommen werden

http://www.saarschmiede.com/69.html



P: Wirkleistung

Zeitlicher Verlauf von Spannung, Strom und Leistung bei rein ohmschem Verbraucher

Bei ohmscher Belastung haben Spannung und Strom einen phasengleichen Verlauf, der Phasenverschiebungswinkel ist 0. Die gesamte vom Erzeuger gelieferte Energie wird beim Verbraucher als Wirkleistung umgesetzt (z. B. als thermische oder chemische Energie).

Rotierender Phasenschieber Bedarfsgerechte Steuerung von Blindleistung


Phasenverschiebung Induktivität

Phasenverschiebung Kapazität

Bei einem induktiven Verbraucher (z. B. Drosselspule, Transformator, Asynchronmotor) wird vom Erzeuger gelieferte Energie verwendet, um das magnetische Feld aufzubauen. Die Energie wird zunächst im Magnetfeld gespeichert, jedoch mit dem periodischen Wechsel im Vorzeichen der Spannung wird das Feld wieder abgebaut und die Energie ins Netz zurückgespeist. Dies erzeugt „blinden“ Stromfluss.

Kapazitive Verbraucher (z. B. Kondensator-motoren, Erdkabel) erzeugen ein elektrisches Feld, das eine Phasenverschiebung in der anderen Richtung einstellt, aber sonst dasselbe liefert: Die zum Auf- und Abbau des Feldes pro Periode transportierte Energie stellt Blindleistung dar.



Die Energie pro Zeit, die nichts zur Wirkleistung P („tatsächlichen Leistung“) beiträgt, wird als Blindleistung Q bezeichnet. Die Maßeinheit der Blindleistung Q ist VAr = Voltampere reaktiv



Die Blindleistung tritt in der Regel bei allen am Netz angekoppelten Komponenten und auch beim Leitungsnetz selbst auf. Da in einem Stromkreis im Prinzip immer die drei passiven linearen Eigenschaften Kapazität, Induktivität und ohmscher Widerstand entweder in diskreten Bauelementen oder als „Leitungsbelag“ vorhanden sind, liegt in einem Wechselstrom-Versorgungsnetz praktisch immer eine Blindleistungsbelastung vor. Die Blindleistungen innerhalb eines regionalen Stromnetzes können durch einen Phasenschieber kompensiert werden



Stromleitungen transportieren Wirk- und Blindleistung. Aktuell sind die 380 KV Leitungen bereits sehr belastet.

Normale hohe Last

Bei Ausfall einer wichtigen Komponente: => man benötigt mehr Blindleistung, um die Spannung von 380 kV zu halten Steht diese Blindleistung nicht zur Verfügung => Spannung sinkt am Ende der Leitung. Auf Abnehmerseite: Spannung am Verbraucher wird konstant gehalten => Spannung im HV-Netz sinkt weiter Sinkt die Spannung im HV-Netz zu sehr ⇒ es fallen weitere Erzeuger aus ⇒ Kollaps



Rotierender Phasenschieber Notwendig zur Unterstützung der Energiewende

Wind und Solar Einbindung ins Netz über static

frequency converters (SFC) Begrenzter Kurzschlussstrom Keine „Schwungmasse“ Begrenzte Spannungshaltung


Energiewende => Einfluss auf Energieverteilung.

Negativer Einfluss auf Spannungshaltung / Blinddleistungsbereitstellung und die Zuverlässigkeit

Zusätzliche Kosten für den Netzbetreiber, aber auch Chance z.B. für Blindleistungserzeuger

Rotierende Phasenschieber werden benötigt.

Rotierender Phasenschieber Einführung - Zusammenfassung

Eine rotierender Generator im Netz stellt statische und dynamische Spannungshaltung zur Verfügung



Betrieb & Wartung



Weitere Referenzen


Zusammenfassung


Statische VAr Kompensatoren:

Rotierender Phasenschieber

Welche Produkte zur Blindleistungskompensation

sind verfügbar?

Synchronous Condenser

Statische Blindleistungs- erzeugung

Kurzschlusstrombeitrag / Schwungmasse

Dynamische Blindleistungs Regelung

Rotierender Phasenschieber Vergleich mit anderen Technologien


• Neubau eines rotierenden Phasenschiebers

• Modularisiertes Anordnung (für Gebäude wie für Containerlösungen)

Umbau

• Umbau existierender Kraftwerke in rotierende Phasenschieber (siehe Biblis A)

• Auf Kundenanlage zugeschnittene Lösung

• Optimierte Investitionsgüter- ausnutzung

– Weiterverwendung Gebäude/Generator, Trafo,..

– Möglichkeit zur späteren Wirkleistungserzeugung bleibt erhalten

Neubau

Rotierender Phasenschieber Neubau oder Umbau



Betrieb & Wartung



Weitere Referenzen


Zusammenfassung


Projekt Rotierender Phasenschieber besteht aus:

- Optimierte Auslegung bezüglich - Leistungsparameter - Anordnung - Bedienung / Wartung - Kurze Lieferzeit

- Bauplanung und –ausführung

- Hauptkomponentenlieferungen aus

- Eigener Fertigung (Generator, Transformator) - Zulieferung seitens Unterlieferanten

- Systemeinbindung in Kundensysteme

- z. B. für elektr. Schutzsysteme, - Fernsteuerungssystem, unbemannter Betrieb - Umsetzung von Kundenstandards gegenüber Lieferantenstandards - Dokumentation, Wartungssystem

- Montage

- Inbetriebsetzung

Zielsetzung: geringe Verluste, robustes Design

Rotierender Phasenschieber Hauptkomponenten


Blocktransformer

Generator Leistungsschalter

Luftgekühlter Generator



Öl System - Redundante Schmierölpumpen - Not-Schmierölpumpe mit Gleichstrommotor - Anhebepumpen

Kühlwasserversorgung - geschlossenes Kühlwassersystem - Redundante Kühlwasserpumpen - Redundante Kühler und Lüfter - Wartungsarm/frei - drehzahlgesteuerte Lüfter

Rotierender Phasenschieber Generator Hilfssysteme


Statische Erregung - Redundantes Statisches Erregungsystem steuert die Spannungsregelung - Schnelle Antwortzeit auf Störungen - Einfache Wartung

Anfahrsystem - Generator wird im Motorbetrieb über Frequenzumrichter angefahren - Startzeit: ca. 7 Minuten - Anfahranlage dient auch als dynamische Bremse

Rotierender Phasenschieber Generator Hilfssysteme


GIGATOP 4-pole Hydrogen and water-cooled 900 MVA to 2,000 MVA at 50 and 60 Hz

GIGATOP 2-pole Hydrogen and water-cooled 400 MVA to 1,400 MVA at 50 Hz 340 MVA to 1,100 MVA at 60 Hz

TOPGAS Hydrogen-cooled 300 MVA to 710 MVA at 50Hz 250 MVA to 450 MVA at 60 Hz

TOPAIR Air-cooled 150 MVA to 400 MVA at 50Hz 90 MVA to 325 MVA at 60Hz

TOPACK Air-cooled 40 MVA to 150 MVA at 50 Hz 40 MVA to 90 MVA at 60 Hz

Üblicherweise werden

Topair/TOPACK Genos für

rotierende Phasenschieber eingesetzt.

Rotierender Phasenschieber GE Turbogeneratoren


Mehr als 1000 Referenzen seit den 70er Jahren

98.8% Wirkungsgrad mit Mehrkammer-Kühlsystem

Hohe Vefügbarkeit 99.911% Optimiert für einfache Wartung

Rotierender Phasenschieber TOPAIR 120 to 250 MVAr


In Gebäude

Offen



Betrieb & Wartung



Weitere Referenzen


Zusammenfassung


36000 72000 108000 144000

Equivalente Betriebsstunden

16000

20000

Type

Inspektion Work Scope Time

A

B

C

- Sichtkontrolle - Funktionsprüfung

- Sichtkontrolle - Endwicklungen - Ankerbolzen

- Sichtkontrolle - Rotorauszug - Statorkeile

4 days

8 days

28 days

33000

39000

69000

75000 105000

111000

Wartungsintervalle – Beispiel 300MVA Leistungsklasse

141000

147000

Rotierender Phasenschieber Betrieb und Wartung ges Generators



Betrieb & Wartung



Weitere Referenzen


Zusammenfassung


Max Blindleistung: +400MVAr (30s)

Design-Blindleistung: +250/-175MVAr (1h/d)

Design-Blindleistung: +200/-150MVAr (23h/d)

Design Spannung: 21kV

Transformator: 285MVA

Kunde:

Lage: Bergrheinfeld, Deutschland

Beginn Probebetrieb: 18.12.2015

Bergrheinfeld

Neubau EPC Projekt

Südlink 800 km HVDC

SC Substation

Rotierender Phasenschieber Neubau Bergrheinfeld West


Confidentiality | 15 April 2016




Betrieb & Wartung



Weitere Referenzen


Zusammenfassung


•Projekt: Rotierender Phasenschieber für Partinico & Favara (Option: Kotor)

• Design Blindleistung Sn : +170MVA

• Design Spannung: 15kV

• Transformatorleistung: 230MVA

• Betriebsmodus : Netzstabilisierung

• Kunde : Terna S.p.A. - Rete Elettrica Nazionale Roma

• Lage : Partinico & Favara, Sicily, Italy

Kotor, Montenegro

Inbetriebsetzung: Dezember 2015

Rotierender Phasenschieber Projekte in Italien


Partinico

Favara

Kotor (Option)

New 415km HVDC 500kV Cable to be built by Toshiba. 1000MW Transfer capacity, Commissioning 2015

Rotierender Phasenschieber Projekte in Italien



Betrieb & Wartung



Weitere Referenzen


Zusammenfassung


Das Problem: die Energiewende hat u.a. Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Hochspannungsverteilung

Rotierende Phasenschieber können hierbei signifikant die Versorgungssicherheit verbessern

Rotierende Phasenschieber werden „turnkey“ in 18-24 Monaten errichtet.

Die Anlagen laufen autark mit Fernüberwachung.

Weitere Entwicklungsarbeiten laufen, um den rotierenden Phasenschieber noch effektiver und kostengünstiger bei Implementierung und Betrieb zu gestalten.

Rotierender Phasenschieber Zusammenfassung

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