Stuttgart12.10.2007

6. Seminar Kleinwasserkraft – Praxis und aktuelle EntwicklungIHS - Universität Stuttgart

Generatorkonzepte für Maschinen mit variabler Drehzahl

Dipl. Phys. Jochen BardLeiter EnergiewandlungsverfahrenBereich Energiewandlung und RegelungstechnikInstitut für Solare Energieversorgungstechnik jbard@iset.uni-kassel.de

0561 7294 346

gefördert durch: Europäische Kommission DG Research, DGTREN

Stuttgart12.10.2007Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V.

Anwendungsnahe Forschung und Entwicklung• Windenergie, Wasserkraft, Meeresenergie • Biomassenutzung, Photovoltaik• Energiewandlung und Speicher• Hybridsysteme • Energiewirtschaft• Information und Weiterbildung

Vorstand: Prof. Dr.-Ing. Jürgen SchmidProf. Dr.-Ing. Peter ZachariasDr. rer. nat. Oliver Führer

Personal: ca. 125 BeschäftigteJahreshaushalt: ca. 8 Mio. EuroInformation: www.iset.uni-kassel.de

Systemtechnik für die Nutzung Erneuerbarer Energien und die Rationelle Energieverwendung

Stuttgart12.10.2007Marktsituation der Kleinwasserkraft (< 10 MW)

Deutschland:ca. 7 TWh/a aus 1600 MW

Europa: über 40 TWh/a aus 15.000 Anlagen mit 14,5 GWWeißbuch der Kommission: 51 TWh/aLangfristig bis zu 60 TWh/a

China:30 GW in mehr als 42.000 Anlagen versorgen 300 Mio. Menschen

Welt (Rest):weitere 25 GW

→ zur Zeit etwa 70 GW installierte Kleinwasserkraft weltweitmit typischen Steigerungsraten von etwa 3%/a

100000 Beschäftigte für den Bau70000 Beschäftigte für den Unterhalt

Stuttgart12.10.2007

Situation der Kleinwasserkraft: Kostendruck bei Niederdruckanlagen

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 >20

Fallhöhenstufe [m]

Häu

figke

it [%

]

1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 >20Fallhöhe [m]

überwiegend NiederdruckanlagenIn Deutschland

2/3 des Ausbaupotenzialsder EU 15

• P∝Q*H

• niedrige Fallhöhe bedeutet hohe spezifische Kosten

• Hochwasserproblematik

• wachsende Auflagen zum Umweltschutz

Stuttgart12.10.2007Motivation für den drehzahlvariablen Betrieb

doppeltregulierte Kaplanturbine unregulierte Propellerturbine

Stuttgart12.10.2007Generator-Frequenzumrichter-Systeme

ASGgear

box

box

gear-ASG

SG

Asynchrongenerator (Käfigläufer)mit Frequenzumrichter

Doppelt gespeisterAsynchrongenerator

FremderregterSynchrongenerator

PermanenterregterSynchrongenerator

• motorisch in der Antriebstechnik• generatorisch in Windkraftanlagen, BHKWs, µ-Gasturbinen,

Stromaggregaten, Wasserkraftanlagen,…

kommerzielleSysteme

50 W bis 250 MW

Stuttgart12.10.2007Realisierte drehzahlvariable Wasserkraftanlagen bis zum Jahr 2000

WKA Baujahr Turbine Fallhöhe, Leistung Planung, Anlagenbau

Rottenburg 1991 Rohrturbine(Sulzer Hydro)

5,2 m, 2×520kW Dr. Hutarew, Sulzer Hydro,ABB

Hüfingen 1994 Francis (Voith) 1 m,18 kW GEDEA, ETI UniversitätKarlsruhe

Ingelfingen 1995 semi-Kaplan(Kössler Iberica)

6,9 m, 2×358kW EnergieversorgungSchwaben, Kössler, Walcher

Waldenfels 1996 Propeller (Fella) 5 m, 85 kW Fella Anlagenbau, Amorbach

Rupboden 1997 Propeller (Fella) 6 m, 110 kW Fella Anlagenbau, Amorbach

Mühle Vogel,Lohra *

1996 oberschlächtigesWasserrad

3,6 m, 12 kW Hydrowatt, Karlsruhe

Katlenburg Ende '99 Francis (Voith) 3,2 m, 105 KW EAM, IEE Universität GhKassel

Bettborn, LU 1999 unterschlächtigesWasserrad

Hydrowatt, Karlsruhe, IEEGesamthochschule Kassel

Ing.-SchuleBiehl, CH

1994 Francis DruckreduzierungTrinkwasserversorgung

Prof. Biner, IngenieurschuleBiehl

Stuttgart12.10.2007

Wasserkraftwerk „Zum Preußischen“, Neckar, RottenburgNeubau mit drehzahlvariabler Kaplanturbine

Betreiber: Stadtwerke RottenburgPlanung: Dr. Hutarew & Partner, PforzheimBaujahr: 1991

Leistung: 2×520 kWTurbinen: 2 Kegelrad-Rohrturbinen, Sulzer HydroFallhöhe: 5,2 mAusbauwassermenge: 2×12m³/sGeneratoren: 2×610 kW, Asyn., 8-polig, ABBFrequenzumrichter: 2×800 kVA, I-Umrichter, ABB

Muscheldiagrammim Propellerbetrieb

Leistungssteigerung drehzahlvariabel in [%]

Leistung [kW]

Fallh. [m]

200 300 400 500

4.15 11 12 3.5 -

5.00 9 7 9.5 0

5.95 8 8 5.0 4.5

Stuttgart12.10.2007WKW Rupboden: Neubau mit drehzahlvariabler Propellerturbine

Betreiber: Fürstlich Salm-Horstmar’scheForstverwaltung

Projektleitung: Fella Anlagenbau GmbH, AmorbachBaujahr: Reaktivierung 1997 (nach 30 a Stillstand)Turbine: Propellerturbine (leitradreguliert), FellaLeistung: max. 100 kWFallhöhe: 6 mAusbauwasser: 2,1 m³/sDrehzahl: 500 ± 200 U/minGenerator: doppeltgespeister ASG, OswaldFU: Siemens Simovert

Stuttgart12.10.2007Wasserkraftanlage Hüfingen: Modernisierung mit PMSG und FU

Betreiber: Gesellschaft für dezentrale Energieanlagen mbH (GEDEA)Planung: ETI, Universität Karlsruhe, Prof. Dr.-Ing. H. SpäthBaujahr: 1948, Reaktivierung 1994, Francis Schachtturbine, Voith

Leistung: 18 kWFallhöhe: 1,0 mAusbauwasser: 2,9 m³/sDrehzahl: 42 U/minGenerator: 22 kW, PMSG,

Bartholdy AG, CHFU: Eigenbau ETI

Abb.: Köhler, ETI

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25discharge/rated dischrage

effic

ienc

y/m

axim

um e

ffici

eny

relative increaseof efficiency

constantspeed

variablespeed

turbine operating range

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20power [kW]

effic

ienc

y PME generator

ASG+gearbox

Stuttgart12.10.2007Wasserkraftanlage Katlenburg, Rhume (Harz): Zubau eines FUs

Typisches Ausleitungskraftwerkan einem alten Mühlenstandort

Francis Schachtturbine, VoithLeistung105 kW, Fallhöhe3,7 mAusbau 4,5 m³/s, Drehzahl 60 U/minGenerator: 115 kW ASG, 8 Pole

320

+137,41

+133,25

+135,6

gearbox generator

Francis-turbine

Stuttgart12.10.2007Wasserkraftanlage Katlenburg: Konzept

Stuttgart12.10.2007WKA Katlenburg: Hardwarekomponenten

Erhalt des altenTriebstranges

4Q-Industriestromrichtermit Motorschutzfilter, EMV-und Netzdrossel

direkter Netzanschlußals „Bypass“

Digitale Steuerung vollautomatischer BetriebDrehzahlsteuerungnach Kennlinie

Stuttgart12.10.2007

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

mech power [kW]

effic

ienc

y

WKA Katlenburg: Labormessungen elektrisches System

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 20 40 60 80input power [kW]

effic

ienc

y

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 10 20 30 40 50 60P mech [kW]

Effic

ienc

y 550 rpm 650 rpm 750 rpm 850 rpm 950 rpm generator direct gridcon. frequency converter

Spannungsanstiegmit/ohne dU/dt Filter

Laboraufbau Generator-FU-Vermessung

A: NetzspannungB: Generatorstrom C: Strom FU

Wirkungsgradvermessung Komponenten

Wirkungsgradvermessung Generator-FU-System

Stuttgart12.10.2007WKA Katlenburg: Betriebsergebnisse Hydrologie

0

20

40

60

80

100

120

29.02 07.03 14.03 21.03 28.03 04.04 11.04 18.04 25.04 02.05 09.05 16.05 23.05 30.05 06.06 13.06 20.06 27.06time [date in 2000]

pow

er [k

W] o

peni

ng [%

]

0

1

2

3

4

5

6

head

[m]

power [kW]

guide vane [%]

head [m]

geringe Variation der hydrologischen RandbedingungenFallhöhe und Wassermenge im Beobachtungszeitraum von 12 Monaten

Stuttgart12.10.2007WKA Katlenburg: Betriebsergebnisse drehzahlvariabler Betrieb

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

20 30 40 50 60 70 80 90 100guide vane opening [%]

spee

d [r

pm]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

impr

ovem

ent [

%]

Eff. Max. [1/min]

improvement [%]

optimale Drehzahl über der Leitapparatöffnung: 650 bis 850 U/minLeistungssteigerung von 0 bis 8 %

Stuttgart12.10.2007Drehzahlvariables Wasserrad Bettborn (Lux), Hydrowatt (Karlsruhe)

Leistung: 12 kW, Fallhöhe 2,4 m Ausbauwasser 0,8 m³/sca. 20 U/min, kombiniertes Getriebe (Planetengetriebe /Riemen)

Stuttgart12.10.2007Wasserrad Bettborn: Betriebsergebnisse drehzahlvariabler Betrieb

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

200 220 240 260 280 300 320

head [cm]

pow

er [k

W]

constant

variable

lowerwater level

higher water level

movable weirtrash rack

Funktionsprinzipunterschlächtiges

Zuppinger Wasserrad

Leistungskennlinieals Funktion der Fallhöhefür feste Drehzahl unddrehzahlvariabel

Untersuchungen an 10 verschiedenen Standorten:Ertragssteigerung durch polumschaltbare Generatoren wirtschaftlicher

Stuttgart12.10.2007Systemwirkungsgrade verschiedener Generatorlösungen

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 20 40 60 80 100

power [% of rated power]

effic

ienc

y

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

ASG+FC SG+FC PMSG+FC DFIG+FC

FC: FrequenzumrichterASG: Asynchrongenerator (Käfigläufer) SG: fremderregter Synchrongenerator

DFIG: doppeltgesp. Asynchrongenerator PMSG: Permanentmagnet erregter

Synchrongenerator

Stuttgart12.10.2007Status Report on Variable Speed Operation in Small Hydropower

• General technical aspects

• Technologies and concepts

• 8 case studies 12-700 kW

• Economic analysis

• Data based on year 2000

available on the DGTREN homepage (8 MB pdf)

Stuttgart12.10.2007Markterhebung in 2000: spezifische Investitionskosten

1 10 100 1000Bemessungsleistung [kW]

0

100

200

300

400

500

600

Spez

ifisc

he K

oste

n [€

/kW

]

0

50

100

150

200

250

300

350

ASG DFIG SG ASG DFIG SG

spec

ific

syst

em c

ost [

Euro

/kW

] Freq. Conv.

Generator

100 kW generators (6-pole) 600 kW generators (6-pole)

Komplette Frequenzumrichter-Systeme

GesamkostenGenerator-FU-System

100 kW und 600 kW

Stuttgart12.10.2007Neue Turbinenkonzepte: Low Cost Lösungen

Wasserkraftschnecke

bis 10 m HFbis 300 kW

14 kW Siphonturbinedrehzahlvariabel

Stuttgart12.10.2007Neue Turbinenkonzepte: High Tech Lösungen

Abb. VATECH Hydro

ECOBulbdoppelt-

regulierteKaplanturbine500 kW-2 MW

Matrixturbine200-700 kWpro Einheit

Stuttgart12.10.2007Neue Turbinenkonzepte: High Tech Lösungen

Abb.VATECH Hydro

Pilotprojekt Agonitz

700 kW, 8,5 m Fallhöhe, 430 Upm, 1,12 m Laufraddurchmesserunregulierte TurbineRinggenerator: Innenläufer mit PME

Spalt wassergefüült

Zielgröße > 1,5 MW

StrafloMatrix

Stuttgart12.10.2007

EU-Projekt VASOCOMPACT: Development of a commercial concept forvariable speed operation of unregulated submersible compact turbines

• optimiertes Design für Laufrad und Leitbleche• angepasster PME-Synchrongenerator für direkte Kopplung• angepasster Frequenzumrichter für Generatorbetrieb in WKA• skalierbare Lösung 50 bis 500 kW pro Turbine• Installation und Test einer 50 kW Pilotanlage (Tirva, Finnland)

Saugschlauch

feste Leitschaufelnfeste Laufradschaufeln

Statorwicklungenmit direkter Kühlung

Permanent-magnete

Rotor

Stuttgart12.10.2007Laufradentwicklung: IHS, Uni Stuttgart

Simulation unterschiedlicher Laufradgeometrien mittels CFDIHS, Uni Stuttgart

Festlegung des endgültigen Designs

Herstellung des Modelllaufrades

Vermessung im TeststandErmittlung der Charakteristik

Stuttgart12.10.2007Permanentmagnet erregter Synchrongenerator (Elmotec)

Nenndrehzahl 600 Upm, 40 PoleDrehmoment 840 NmNennspannung 313 VNennstrom 92 A

Spezielles Generatordesign: hohe Nennfrequenz, Standard Blechschnitte(16 kW Asynchron), gesehnte Wicklungen, mechanisch stabil bis 3*NNenn

Stuttgart12.10.2007Frequenzumrichter (SMA Technologie AG)

G 3~

3~ =

= 3~

SinusChoke

G3~

=3~

filterchoke

Variantenuntersuchung

ungesteuerter Brückengleichrichter, DC-Zwischenkreis mit variabler Spannung

gesteuerter Gleichrichter und Hochsetzsteller

• Aufbau des Frequenzumrichters aus Standardbaugruppeninnerhalb von drei Monaten

• Implementierung der Software für die Maschinenregelung(vgl. feldorientierte Regelung)

• Aufbau Teststand und Vermessung • Optimierung der Drehmomentregelung

Stuttgart12.10.2007Realisiertes Frequenzumrichterkonzept

earth faultmonitoring

-Z1-Z2

-G1-K1

-Q2

Betriebsführungs-baugruppe 2

EMC Filter

=

3~

RS 485

L3

L2

L1

Sinusfilter

EUPECPowerStack

220A

EUPEC-Treiber

earth fault

remote controlby system controller

Netz3 x 400 V

50 Hz

U, f Netz ok

U Netz

24 V DC auxiliary supply

Synchron-generator

Adap BFS

Mod5 BFS

Adap ME

230 V50 Hz

L230 V AC auxiliary supply3

PE

-Q1

Inenn,Netz=72A

G

-K2

Sunny CentralControl

RS 485

Modem

RS

232

EUPEC-Treiber

3~

=

EUPECPowerStack

220A-G2

Adap BFS

Mod5 BFS

Betriebsführungs-baugruppe 1

24 V DC

Adap ME

UGen

TelefonnetzAbb. SMA Technologie AG

Stuttgart12.10.2007Pilotanlage Tirva

Nennfallhöhe 3,5 m (2,5 bis 4,5 m)

Ausbaudurchfluss 1,4 m³/s

Nenndrehzahl 600 U/min (450 bis 750 U/min)

∅ Laufrad 600 mm

Durchgangsdrehzahl 1500 U/min

Stuttgart12.10.2007Pilotanlage Tirva, Finnland

0

5

10

15

20

25

30

35

40

400 450 500 550 600 650 700 750 800speed [rpm]

grid

pow

er [k

W]

3.37 m 3.81 m 4.44 m

Eingespeiste Leistung über der Drehzahl für verschiedene Fallhöhen

Stuttgart12.10.2007Pilotanlage Tirva: Betriebsergebnisse

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313 337 361 385 409 433 457 481 505 529 553 577 601 625 649 673 697 721

time [h]

pow

er [k

W]

Feb 06

Jan 06

Mar 06

Apr 06

Leistung ins Netz Jan-Apr 2006

Stuttgart12.10.2007Machbarkeitsstudie mit VASOCOMPACT Turbinen

Anwendungsbeispiel

3,18 m Fallhöhe 1510 mm Laufrad12,4 m³/s Ausbauwasser 265 U/min324 kW Nennleistung PME-Generator

Stuttgart12.10.2007

Very Low Head Turbine (www.vlh-turbine.com )MJ2 Technologies S.A.R.L.

• langsam laufende Turbine (15-20 U/min)• Laufradregulierung• PMG in der Nabe• drehzahlvariabel• Klappmechanismus• „Fischfreundlich“• geringes Bauvolumen

• Durchmesser 3,5 - 5,6 m• Fallhöhen 1,4 - 2,8 m• Durchfluss 10 - 30 m³/s• Leistung 100 - 500 kW

450 kW Demoanlage Moulin de Troussy bei Millau im Testbetrieb

Stuttgart12.10.2007Vereinfachtes elektrisches Konzept der Pilotanlage

periphereVerbraucher

Navigations-hilfen

Sensorik

periphereVerbraucher

Navigations-hilfen

Sensorik

Frequenz-umrichter

ASG

Last

Controller

Pitch

Bleiakkus

SunnyIslands

Diesel

Bleiakkus

SunnyIslands

Diesel

Drehrichter

Prof

ibus

digital,analog I/O

Power

IPC

Host WLAN

Drehzahlvariabler Betrieb ohne Netzanschluss mit Hilfe von Standard Industrie-Komponenten

Stuttgart12.10.2007Testaufbau am ISET

Antriebseinheit DEMOTEC Anlagenkomponenten

RotornachbildungBetriebsführung

Monitoring

Stuttgart12.10.2007Nächste Generation: 1 MW Doppelrotoranlage

Photomontage am geplanten Standort Strangford, Nordirland

Prototyp für kommerzielle Anlagen2 Rotoren mit je 500 kW

Netzeinspeisung ca. 3500 MWh/avgl. Offshore Windenergie

Erster Park mit bis zu 10 Anlagen geplant ab 2007

Deutsche Beteiligung aus Industrieund Forschung

Förderung durch das BMU

Abb. MCT