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Synchronous Condenser- P1 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
Der rotierende Phasenschieber Eine Komponente für die Energiewende
Dr. Wolfgang Knothe, GE Power AG April 25, 2016
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Rotierender Phasenschieber
Technische Lösungen
Betrieb & Wartung
Einführung, Blindleistung
Projektbeispiel: Bergrheinfeld West
Weitere Referenzen
Rotierender Phasenschieber – Anlagenübersicht und Hauptkomponenten
Zusammenfassung
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• 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
Rotierender Phasenschieber Einführung
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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.“
Rotierender Phasenschieber Einführung
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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
Rotierender Phasenschieber Einführung
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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
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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.
Rotierender Phasenschieber Bedarfsgerechte Steuerung von Blindleistung
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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
Rotierender Phasenschieber Bedarfsgerechte Steuerung von Blindleistung
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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
Rotierender Phasenschieber Bedarfsgerechte Steuerung von Blindleistung
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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 Bedarfsgerechte Steuerung von Blindleistung
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Rotierender Phasenschieber Bedarfsgerechte Steuerung von Blindleistung
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Rotierender Phasenschieber Notwendig zur Unterstützung der Energiewende
Wind und Solar Einbindung ins Netz über static
frequency converters (SFC) Begrenzter Kurzschlussstrom Keine „Schwungmasse“ Begrenzte Spannungshaltung
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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
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Technische Lösungen
Betrieb & Wartung
Einführung, Blindleistung
Projektbeispiel: Bergrheinfeld West
Weitere Referenzen
Rotierender Phasenschieber – Anlagenübersicht und Hauptkomponenten
Zusammenfassung
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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
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• 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
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Technische Lösungen
Betrieb & Wartung
Einführung, Blindleistung
Projektbeispiel: Bergrheinfeld West
Weitere Referenzen
Rotierender Phasenschieber – Anlagenübersicht und Hauptkomponenten
Zusammenfassung
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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
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Rotierender Phasenschieber Hauptkomponenten
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Blocktransformer
Generator Leistungsschalter
Luftgekühlter Generator
Rotierender Phasenschieber Hauptkomponenten
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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
Synchronous Condenser- P24 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
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
Synchronous Condenser- P25 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
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
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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
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In Gebäude
Offen
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Technische Lösungen
Betrieb & Wartung
Einführung, Blindleistung
Projektbeispiel: Bergrheinfeld West
Weitere Referenzen
Rotierender Phasenschieber – Anlagenübersicht und Hauptkomponenten
Zusammenfassung
Synchronous Condenser- P29 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
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
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Technische Lösungen
Betrieb & Wartung
Einführung, Blindleistung
Projektbeispiel: Bergrheinfeld West
Weitere Referenzen
Rotierender Phasenschieber – Anlagenübersicht und Hauptkomponenten
Zusammenfassung
Synchronous Condenser- P31 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
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
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Rotierender Phasenschieber Neubau Bergrheinfeld West
Synchronous Condenser- P33 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
Rotierender Phasenschieber Neubau Bergrheinfeld West
Synchronous Condenser- P34 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
Rotierender Phasenschieber Neubau Bergrheinfeld West
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Confidentiality | 15 April 2016
Rotierender Phasenschieber Neubau Bergrheinfeld West
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Technische Lösungen
Betrieb & Wartung
Einführung, Blindleistung
Projektbeispiel: Bergrheinfeld West
Weitere Referenzen
Rotierender Phasenschieber – Anlagenübersicht und Hauptkomponenten
Zusammenfassung
Synchronous Condenser- P37 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
•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
Synchronous Condenser- P38 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
Partinico
Favara
Kotor (Option)
New 415km HVDC 500kV Cable to be built by Toshiba. 1000MW Transfer capacity, Commissioning 2015
Rotierender Phasenschieber Projekte in Italien
Synchronous Condenser- P39 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
Technische Lösungen
Betrieb & Wartung
Einführung, Blindleistung
Projektbeispiel: Bergrheinfeld West
Weitere Referenzen
Rotierender Phasenschieber – Anlagenübersicht und Hauptkomponenten
Zusammenfassung
Synchronous Condenser- P40 © 2016 General Electric. Proprietary Information. All rights reserved..
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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