REGULACE PŘÍKONU PŘEČERPÁVACÍCH VODNÍCH ELEKTRÁREN V ČERPADLOVÉM PROVOZU

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING

REGULACE PŘÍKONU PŘEČERPÁVACÍCH VODNÍCH ELEKTRÁREN V ČERPADLOVÉM PROVOZU

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER‘S THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR

BRNO 2008

LORENZ TOMÁŠ

>>Vložit zadání práce<<

>>Vložit licenční smlouvu<<

Bibliografická citace práce: LORENZ, T. Regulace příkonu přečerpávacích vodních elektráren v čerpadlovém provozu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2008. XY s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jaroslava Orságová, Ph.D.

Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. Zároveň bych na tomto místě chtěl poděkovat vedoucímu diplomové práce >>............................<< za cenné rady a připomínky k mé práci, poskytnutou literaturu a svým rodičům za podporu během celé doby mého studia. ……………………………

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky

Diplomová práce

Regulace příkonu přečerpávacích vodních elektráren v čerpadlovém provozu Tomáš Lorenz

vedoucí: Ing. Jaroslava Orságová, Ph.D. Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 2007

Brno BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering

Master’s Thesis

Regulation of Pumped Storage Power Plants Inputs Under the Pumped Operating Condition by

Tomáš Lorenz Supervisor: Ing. Jaroslava Orságová, Ph.D. Brno University of Technology, 2007

Brno

Abstrakt

9

ABSTRAKT Tato práce pojednává o využití dvojitě napájeném stroji v přečerpávacích vodních elektrárnách. Je zde popsán princip dvojitě napájeného stroje. Dále využití dvojitě napájeného stroje s proměnnými otáčkami v přečerpávacích vodních elektrárnách. Přehled přečerpávacích vodních elektráren ve světě, kde je tato technologie využívána, výhody, nevýhody a zkušenosti.

KLÍČOVÁ SLOVA:

přečerpávací vodní elektrárna; dvojitě napájený stroj, měnič; asynchronní stroj; cyklokonvertor; motor-generátor, proměnná rychlost otáček; DFG, GTO tyristor, IGBT

Abstract

10

ABSTRACT This paper focuses on the Double Fed Induction Machine in the Pumped Storage Power Plants. It includes listing of this plants in the world, where such a technology is used; principle of Double Fed Induction Machine, its usage with variable speed, advantages and disadvantages and also experience of its usage.

KEY WORDS:

Pumped Storage Power Plants; Double Fed Induction Machine; DFIM; converter; asynchronous machine; cycloconverter; motor-generator; variable speed; DFG; GTO thyristor; IGBT

Obsah

11

OBSAH DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING ......................................................................6 SEZNAM OBRÁZKŮ................................................................................................................................12 SEZNAM TABULEK ................................................................................................................................14 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK .......................................................................................................15 1 ÚVOD .......................................................................................................................................................16 2 CÍLE PRÁCE ..........................................................................................................................................17 3 PVE DLOUHÉ STRÁNĚ .......................................................................................................................18 4 DVOJITĚ NAPÁJENÝ STROJ .............................................................................................................22 4.1 DVOJITĚ NAPÁJENÝ STROJ OBECNĚ................................................................................................22 5 ASYNCHRONNÍ STROJ .......................................................................................................................26 5.1 KONSTRUKCE ...................................................................................................................................26 5.2 ROZBĚH ASYNCHRONNÍHO MOTORU ..............................................................................................27 5.3 ŘÍZENÍ OTÁČEK ASYNCHRONNÍHO MOTORU .................................................................................27 6 MĚNIČE FREKVENCE ........................................................................................................................29 6.1 PŘÍMÉ MĚNIČE FREKVENCE ............................................................................................................29 6.2 NEPŘÍMÉ MĚNIČE FREKVENCE .......................................................................................................30 6.2.1 NEPŘÍMÉ NAPĚŤOVÉ MĚNIČE FREKVENCE ..............................................................................32 6.2.2 NEPŘÍMÉ NAPĚŤOVÉ MĚNIČE FREKVENCE ..............................................................................34 7 DVOJITĚ NAPÁJENÝ STROJ V PVE ................................................................................................35 8 PŘEČERPÁVACÍ VODNÍ ELEKTRÁRNY VE SVĚTĚ ................................................................38 8.1 PVE GOLDISTHAL............................................................................................................................38 8.2 PVE OKAWACHI ..............................................................................................................................40 8.3 PVE KANNAGAWA ...........................................................................................................................41 8.4 PVE KAZUNOGAWA .........................................................................................................................42 8.5 PVE OKUKIYOTSU NO.2 ..................................................................................................................42 8.6 PVE AVCE .......................................................................................................................................43 8.7 PVE TAKAMI .................................................................................................................................43 8.8 SHRNUTÍ PVE VE SVĚTĚ ..................................................................................................................44 9 POLOVODIČOVÁ TECHNIKA...........................................................................................................45 10 ZÁVĚR ...................................................................................................................................................47 POUŽITÁ LITERATURA ........................................................................................................................49

0 Seznam obrázků

12

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3-1 Horní nádrž...................................................................................................................... 19 Obr. 3-2 Rozběhový pony motor..................................................................................................... 21 Obr. 4-1 Jednoduché schéma pohonu s DFG a nepřímým měničem kmitočtu s napěťovým meziobvodem (například aplikovaný ve větrné elektrárně). .................................................. 23 Obr. 4-2 Znázorněni toků výkonů generátoru při podsynchronní rychlosti................................... 24 Obr. 4-3 Oblast dosažitelných výkonů dvojitě napájeného stroj.................................................... 25 Obr. 5-1 Kotva nakrátko a vinutá kotva ......................................................................................... 26 Obr. 6-1 Dvojitě napájený generátor velkého výkonu(rotorový měnič realizovaný jako cyklokonvertor) ....................................................................................................................... 29 Obr. 6-2 Klasický reverzní tyristorový usměrňovač ....................................................................... 31 Obr. 6-3 Pulzní usměrňovač .......................................................................................................... 31 Obr. 6-4 Usměrňovač s rekuperační jednotkou ............................................................................. 31 Obr. 6-5 Měnič frekvence s proudovým meziobvodem................................................................... 32 Obr. 6-6 Blokové schéma nepřímého napěťového měniče ............................................................. 32 Obr. 6-7 Princip pulzně-šířkové modulace výstupního napětí střídače ......................................... 33 Obr. 6-8 Momentové charakteristiky asynchronního motoru napájeného napěťovým měničem frekvence ................................................................................................................................. 34 Obr. 6-9 Blokové schéma nepřímého proudového měniče frekvence............................................. 34 Obr. 7-1 a)Toshiba MG 390MVA – 429ot/min v PVE Imachi (Japonsko), b)Toshiba Cyklokonvertor 360MVA ........................................................................................................ 36 Obr. 7-2 Schéma VARSPEED, 12-ti pulzní cyklokonvertor ........................................................... 36 Obr. 8-1 PVE Goldisthal v Německu [9] ....................................................................................... 38 Obr. 8-2 Kaverna v PVE Goldisthal .............................................................................................. 38 Obr. 8-3 Jenofázové schéma v PVE Goldisthal [10] ..................................................................... 39 Obr. 8-4 Horní nádrž PVE Kannagawa ......................................................................................... 41 Obr. 8-5 PVE Okukiyotsu No.2 ...................................................................................................... 42 Obr. 9-1 Oblast využití polovodičových součástek ........................................................................ 45

0 Seznam obrázků

13

0 Seznam tabulek

14

SEZNAM TABULEK Tab. 3-2 Hlavní technické parametry horní nádrže. ...................................................................... 19 Tab. 3-3 Hlavní technické parametry dolní nádrže. ....................................................................... 19 Tab. 3-4 Hlavní technické parametry reversní Francisoyy turbíny. .............................................. 20 Tab. 3-5 Hlavní technické parametry motor-generatoru. .............................................................. 20 Tab. 3-6 Hlavní technické parametry rozběhového asynchronního motoru. ................................. 21 Tab. 8-1 Hlavní technické parametry PVE Okawachi ................................................................... 40 Tab. 8-2 Hlavní technické parametry motor-generátoru ............................................................... 41 Tab. 8-3 Vybrané parametry jednotlivých PVE ............................................................................. 44 Tab. 9-1 Rostoucí trend výkonových měničů .................................................................................. 46

15

0 Seznam symbolů a zkratek

SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK

fR fs f

rotorová frekvence

[HZ]

frekvence sítě

[HZ]

frekvence

[HZ]

ωR

úhlová rychlost

[rad-1]

PS

činný výkon statoru

[W]

Q PR MR

jalový výkon statoru činný výkon v rotoru moment rotoru

[VAr] [W] [Mm]

IR

proud v rotoru

[A]

Is

proud ve statoru

[A]

αŘU

řídící úhel

Ui

indukované napětí

Φ

magnetický tok

[°] [V] [Wb]

NV

je počet závitů

[-]

kV

je činitel vinutí

[-]

1 Úvod

16

1 ÚVOD Při výrobě elektrické energie, kde je poháněn generátor o určité rychlosti, se může tato rychlost měnit (třeba větrná elektrárna v závislosti na sile větru) a mít vliv na optimální hodnoty. Lze to optimalizovat složitostí konstrukcí (natáčení lopatek), kde dochází k minimálnímu poklesu účinnosti. U velkých výkonů nebo u zařízení, kde je snaha zjednodušit mechanické části, má smysl toto řešit. Jednou s možných variant je pohon s dvojitě napájeným strojem pracující v režimu dvojitě napájeného generátoru.

2 Cíle práce

17

2 CÍLE PRÁCE Cílem této práce je popsat dvojitě napájený stroj v energetice, jeho vlastnosti a možnosti využití v přečerpávacích vodních elektrárnách. V další části je použití dvojitě napájeného stroje v PVE. Jelikož v našich podmínkách se tako technologie v praxi nepoužívá je cíl práce zaměřen na jednotlivé PVE ve světě, kde jsou určité zkušenosti s touhle technologií proměnných rychlostí. Bude popsána výhoda a nevýhoda těchto regulačních PVE oproti klasickým PVE s konstantní rychlostí.

18

3 PVE Dlouhé stráně

3 PVE DLOUHÉ STRÁNĚ Přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně se nachází na říčce Divoká Desná v samém středu chráněné krajinné oblasti Jeseníky. Její výstavba byla zahájena dne 11. května 1978, po menších útlumech díla a zkoušek provozu byla dokončena na konci roku 1996. Při výstavbě vodního díla byl kladen minimální negativní dopad na krajinu a proto jsou hlavní výrobní zařízení umístěny do podzemí. Svým instalovaným výkonem 650MW plní v elektroenergetické soustavě statickou, dynamickou a kompenzační funkci.[2] Statickou funkcí je míněna efektivní přeměna přebytku energie v soustavě na energii špičkovou. V době přebytku energie se čerpá voda z dolní nádrže do horní a v době nedostatku energie v soustavě je turbinovým provozem vyráběn elektrický proud. Dynamická funkce PVE jsou regulace výkonu a frekvence v soustavě a funkce pohotové rezervy v systému. Kompenzačním provozem se rozumí regulace napětí v soustavě. Elektrárna je plně automatizována a je řízena dálkové z řídícího centra Českého energetického dispečinku v Praze. Hlavní její parametry jsou v Tab.3-1.

Tab. 3-1 Hlavní parametry PVE. instalovaný výkon spád provozní objem doba turbínového provozu při max. výkonu obou soustrojí doba čerpadlového provozu při chodu obou soustrojí kóta koruny dolní nádrže kóta koruny horní nádrže přivaděč

2 x 325 MW 510,7 m 2 580 000 m3 5,23 h 7,1 h 824,70 m.n.m. 1350 m.n.m. délka 1547 m, průměr 3,6 m

Horní nádrž se nachází ve výšce 1350m nad mořem a roku 2007 prošla náročnou rekonstrukcí.

19


Tab. 3-2 Hlavní technické parametry horní nádrže. 3

celkový objem nádrže

2,7208 mil. m

objem stálého nadržení

0,1415 mil. m

3

zásobní objem

2,5793 mil. m

3

kóta koruny hráze

1350,00 m n. m.

nejvyšší kóta dna nádrže

1325,20 m n. m.

nejnižší kóta dna nádrže

1322,20 m n. m..

kóta maximální hladiny

1348,00 m n. m.

kóta hladiny stálého nadržení

1326,20 m n. m.

Tab. 3-3 Hlavní technické parametry dolní nádrže. 3

celkový objem

3,405 mil. m

objem stálého nadržení

0,825 mil. m

zásobní objem (provozní objem)

2,580 mil. m

hladina stálého nadržení

800,50 m n.m.

hladina maximální

822,70 m n.m.

maximální zatopená plocha

16,13 ha

kóta koruny hráze

824,70 m n.m.

provozní kolísání hladiny

22,2 m

3 3

Obr. 3-1 Horní nádrž. V podzemní strojovně PVE Dlouhé Stráně jsou instalována dvě vertikální soustrojí s reversními Francisovými turbínami typu FR 100 spojené pevnou spojkou s generátorem.

20


Turbíny jsou koncipovány pro turbínový, čerpadlový a kompenzační provoz. Do čerpadlového provozu je soustrojí roztáčeno pomocí asynchronního motoru při zavzdušněném prostoru oběžného kola turbíny. Turbína je levotočivá v turbínovém provozu a pravotočivá v čerpadlovém provozu. Kompenzační provoz je řešen pro oba směry otáčení.[2] Tab. 3-4 Hlavní technické parametry reversní Francisoyy turbíny. Technické parametry při f = 50 Hz

Turbinový chod

Čerpadlový chod

Spád / dopravní výška

H max = 532,7 m

H max = 554,1 m

H min = 488,8 m

H min = 513,1 m

Průtok při

Výkon / příkon při

Otáčky

H max

Q max = 68,6 m3. s-1

Q min = 46,4 m3. s-1

H min

Q max = 68,6 m3. s-1

Q max = 54,5 m3. s-1

H max

P max = 325 MW

P min = 279,5 MW

H min

P max = 295 MW

P max = 301,6 MW

jmenovité

n = 428,6 min-1

n = 428,6 min-1

průběžné

np = 690 min-1

Sací výška

Hs min = - 48 m Hs max = - 70.6 m

Průměr oběžného kola

4 540 mm

Motor- generátor je vertikální, reversní, synchronní, trojfázový stroj s přímým vodním chlazením statorového vinutí. Generátor motor slouží v turbínovém režimu pro přeměnu mechanické energie na spojce Francisovy reversní turbiny v elektrickou a pro opačnou přeměnu v režimu čerpadlovém.[2] Tab. 3-5 Hlavní technické parametry motor-generatoru. maximální zdánlivý výkon / příkon činný výkon / činný výkon na spojce cos ϕ jmenovité napětí * jmenovitý proud jmenovité / přech. zvýšené / průb. otáčky kmitočet konstrukční moment setrvačnosti počet vyvedených konců spojení fází

turbínový provoz 355,5 MVA

čerpadlový provoz 353,0 MVA

320,0 MW

330,0 MW

0,9 0,95 22 000 V±5% 22 000 V±5% 9 329 A 9 264 A 428.6/ 600/ 690 1/min 1265 tm2

50 Hz (GD = 5060) vč. PONY motoru 2

3+3 Y

21


Další nezbytnou součástí PVE je asynchronní motor, který je určen pro rozběh soustrojí do čerpadlového chodu, který je umístěn na společné hřídeli se synchronním motor-generátorem. Je to vertikální stroj s kroužkovou kotvou a odklápěčem kartáčů, jehož rotor je nasazen na hřídeli hydrogenerátoru a stator je kotven k horní hvězdě hydrogenerátoru.[2] Tab. 3-6 Hlavní technické parametry rozběhového asynchronního motoru. výkon jmenovité statorové napětí/ proud jmenovité rotorové napětí/proud jmenovité otáčky/průběžné otáčky soustrojí kmitočet počet fází statoru spojení fází statoru počet vyvedených konců statorového vinutí počet fází rotoru spojení fází rotoru počet vyvedených konců rotorového vinutí

25 000 kW/10 minut 10 000 V/1824 A 3 930 V/4070 A 495/690 1/min 50 Hz 3 Y 3+3 3 Y 3

Obr. 3-2 Rozběhový pony motor.

4 Dvojitě napájený stroj

22

4 DVOJITĚ NAPÁJENÝ STROJ U mnohých zařízení, používaných mj. i v energetice, lze vysledovat situaci, že hodnota optimální rychlosti (kdy má dané zařízení maximální účinnost) je do jisté míry závislá na mnoha provozních veličinách. Například u záložních zdrojů energie je to závislost optimálních otáček vznětového motoru na aktuálním dodávaném výkonu, u turbíny větrné elektrárny lze vysledovat závislost na intenzitě větru, podobné je tomu i u zdrojů s vodních turbínou. V některých případech lze tyto vlivy do jisté míry eliminovat složitějšími konstrukcemi těchto strojů (například možnost natáčení lopatek atd.) nebo při návrhu zařízení zajistit, aby tato závislost byla minimální (to však s sebou nese jiné nevýhody - například jistý pokles účinnosti při jmenovitém stavu). Běžně se tak tento efekt projevuje jen minimálně (např. poklesem účinnosti jen o několik málo procent). V některých aplikacích však má i přes to smysl tento dílčí jev respektovat (např. u zařízeni velkých výkonů, u zařízení pracujících za velmi proměnných pracovních podmínek a nebo u zařízení, kde je snaha maximálně zjednodušit mechanické komponenty instalované v turbíně). [3] V těchto případech pak připadá v úvahu použití buďto : a) b)

c)

zařízení vložené mezi primární motor (turbínu) a synchronní generátor umožňující poněkud změnit poměr jejich mechanických rychlostí (např. mechanický variátor, hydrodynamický měnič apod.) použít zařízení měniči výstupní elektrickou energii z generátoru na hodnoty sítě. Z hlediska minimalizace ztrát tak v dnešní době připadá v úvahu především elektronický měnič. Konkrétní způsoby realizace tohoto měniče závisí jednak na použitém typu generátoru (dynamo, synchronní generátor, případně i asynchronní motor v generátorickém režimu) tak i na požadavcích na kvalitu energie generované do sítě (harmonické zkreslení, požadavky na možnost generovat i jalový výkon apod.). Zcela jinou možnost představuje použití generátoru, který je schopen při poněkud proměnné mechanické rychlosti pracovat s konstantní frekvencí na výstupu (tj, pracovat přímo bez další konverze). Jedním z těchto zařízení je pohon s dvojitě napájeným strojem pracujícím v režimu dvojitě napájeného generátoru DFG (zkratka z anglického názvu Double Fed Generator).

4.1 Dvojitě napájený stroj obecně Pohon s dvojitě napájeným strojem (viz např. Obr.4-1 nebo Obr. 6-1) je tvořen především kroužkovým asynchronního motorem připojeným svým statorovým vinutím přímo k síti a jeho rotorové vinutí je připojeno k měniči frekvence. Úkolem tohoto měniče je napájet rotor proudem o takové rotorové frekvenci fR, která je dána rozdílem frekvence fs odpovídající synchronní rychlosti (daná frekvencí sítě fs) a aktuální mechanické rychlosti generátoru (vyjádřenou po přepočtu na elektrickou úhlovou rychlost ji zde označme symbolem f, resp. příslušnou úhlovou rychlost ωR = 2 π fR ).

23


Vhodným řízením tohoto měniče lze dosáhnout na výstupu z generátoru (do jisté míry) libovolných hodnot činného výkonu PS a jalového výkonu QS. Z teoretického rozboru vyplyne, že pro správné nastavení těchto požadovaných hodnot je nutno měničem napájet rotor nejen správnou skluzovou frekvenci fR , ale i se správným fázovým posuvem. Tento aspekt tak vede k tomu, že použitelná regulační schémata principiálně vycházejí z vektorově orientovaných řídicích schémat (např. pro asynchronní motory). Užitím teorie elektrických strojů lze rovněž vyjádřit výkon PS přivedený do statorového obvodu přes svorky (bez uvažováni ztrát na odporech a rychlých změn magnetického pole):

Ps ≈ ωS ⋅ M E = 2 ⋅ π ⋅ f S ⋅ M E (W)

(4.1)

Ve výsledném vztahu (4.1) je tento výkon vyjádřen s využitím momentu stroje ME (přepočítaného na moment odpovídající dvojpólovému stroji). Podobně lze rovněž vyjádřit i výkon PR přivedený do rotorového obvodu pres svorky (v podstatě skluzový výkon) lze vyjádřit vztahem (za stejných zjednodušení) :

PR ≈ (ω − ωS ) ⋅ M E = −ω R ⋅ M E = −2 ⋅ π ⋅ f R ⋅ M E (W)

(4.2)

Hlavní výhoda použití dvojitě napájeného stroje vyplývá z porovnáním vyjádření výkonu ve statoru Ps (4.1) a výkonu v rotoru PR (4.2). Pro běžné případy je totiž poměr rotorové frekvence fR a statorové frekvence fS poměrně nízký, proto i maximální výkon přenášený přes rotorový měnič frekvence tak může být mnohem nižší nežli je celkový výkon generátoru. Tento aspekt tak s sebou přináší výhody v podobě nižších nákladů na měnič (zjednodušeně lze konstatovat: čím užší regulační pásmo okolo synchronní rychlosti tím nižší nároky na měnič) a ve výrazné redukci negativních vlivů měniče na okolí (neharmonické průběhy generované do sítě, namáháni izolace stroje atd.).

Obr. 4-1 Jednoduché schéma pohonu s DFG a nepřímým měničem kmitočtu s napěťovým meziobvodem (například aplikovaný ve větrné elektrárně).


24

Obr. 4-2 Znázorněni toků výkonů generátoru při podsynchronní rychlosti Další aspekt, rovněž známý z vlastnosti pod synchronních kaskád (ostatně podsynchronní polovodičové kaskády jsou velmi zjednodušenou variantou dvojitě napájeného stroje), souvisí se směry toku činných výkonů ve statoru a v rotoru. Pokud tedy budeme například uvažovat o generátorickém režimu (tj. ve vztazích (4.1) a (4.2) bude záporný moment MR< 0), pak by bylo vhodné toto zařízení provozovat pouze při podsynchronních rychlostech (resp. jej takto navrhnout nebo upravit). V tomto režimu totiž tok činných výkonů ve statoru a v rotoru odpovídá situaci naznačené na Obr. 4-2, což koresponduje s přípustným směrem toku výkonu přes znázorněný jednoduchý měnič frekvence, znázorněném na Obr. 4-l. Při nadsynchronní rychlosti generátoru (tj. fR< 0) by tedy bylo nutno použít složitější varianty měniče, který by umožnil přenos výkonu i opačném směru. Dále je vhodné připomenout, že schéma, znázorněné na Obr. 4-.l, je schopno provozu v nadsynchronni rychlosti, avšak v ustáleném stavu jen v motorickém režimu. Poměrně jednoduše lze rovněž dokázat, že (za jistých zjednodušení) je oblast dosažitelných výkonů Ps a Qs průnik kružnic vyznačených na Obr. 4-3 (pracovní body odpovídající mezním hodnotám leží na kružnicích s poloměry odpovídajícími maximální povolené hodnotě proudu rotoru IR resp. statoru Is). Tato oblast se tak do značné míry shoduje s oblasti dosažitelných výkonů klasického synchronního generátoru. Tato podobnost není náhodná, neboť princip regulace vychází z toho, že stroj (kroužkový asynchronní motor) se řídí tak, že se ve výsledku v podstatě chová jako synchronní generátor (a to i při nesynchronních rychlostech). [3]


Obr. 4-3 Oblast dosažitelných výkonů dvojitě napájeného stroj

25

5 Asynchronní stroj

26

5 ASYNCHRONNÍ STROJ Asynchronní (indukční) stroj je točivý elektrický stroj, jehož magnetický obvod je malou mezerou rozdělen na dvě části: stator a rotor. Obě části jsou opatřeny vinutím.

5.1 Konstrukce Provedení asynchronního motoru podle rotorového vinutí může být dvojí: s kotvou vinutou (kroužkovou) nebo s kotvou nakrátko. Zde si uvedeme i rozběh asynchronního motoru s kotvou nakrátko, jen pro úplnost. Převážně se zaměříme na asynchronní motor s kotvou vinutou, protože se používá u dvojitě napájeného stroje. Kotva vinutá má trojfázové vinutí uspořádané podobně jako vinutí statoru. Vinutí je nejčastěji do hvězdy a přes sběrací kroužky a kartáče je vyvedeno na statoru svorkovnice,(Obr. 61). Kotva nakrátko má v drážkách rotorového magnetického obvodu umístěny vodivé, často hliníkové, tyče spojené v čelech dokrátka,(Obr.4-1). To je konstrukčně nesmírně jednoduché řešení a proto jsou motory nakrátko mnohem více rozšířeny.[6]

Obr. 5-1 Kotva nakrátko a vinutá kotva


27

5.2 Rozběh asynchronního motoru Spouštění přímým připojením na síť je doprovázeno proudovým nárazem, který dosahuje u běžných motorů pěti až desetinásobku jmenovitého proudu, v závislosti na velikosti motoru. Velikost proudu motoru se výrazně nemění ani v průběhu velké části rozběhu. Vzhledem k velkému proudu a velkým ztrátám lze využívat rozběh přímým připojením na síť jen u motorů menších výkonů (asi do P=5kW). V ostatních případech je nutno realizovat technické opatření ke zmenšení rozběhového proudu a v některých případech i ke zvětšení záběrného momentu. Spouštění se provádí: • • • • • • • •

přímé připojení na síť snížením napětí – transformátor předřadná impedance statoru přepínáním zapojení statoru, hvězda – trojúhelník snížené napětí – polovodičový měnič přídavný odpor v rotoru přídavná indukčnost v rotoru rozběh s proměnnou frekvencí napájecího napětí.

U rozběhu dvojitě napájeného stroje, kde se jedná o asynchronní motor s vinutou kotvou, se používá frekvenčního měniče.[6]

5.3 Řízení otáček asynchronního motoru Řízení otáček asynchronního motoru lze změnou: •

napájecího napětí - výhody: relativně jednoduché - nevýhody: malý rozsah řízení,ovlivňuje moment, změna rychlosti závislá na mechanické charakteristice zátěže

•

změna počtu pólů - výhody: jednoduché - nevýhody: speciální konstrukce motoru, rychlost nastavitelná ve stupních

•

rotorového odporu - výhody: možnost zvýšení rozsahu řízení změkčením mechanické charakteristiky - nevýhody: ztráty v případných odporech řezaných do rotorového obvodu

•

frekvence napájecího napětí - výhody: velký rozsah otáček, zachování maximálního momentu, máloztrátové řízení, řízení v motorickém i generátorickém režimu


28

Řízení rychlosti asynchronních motorů změnou napájecí frekvence je v současnosti nejčastější způsob. Zdrojem třífázového napětí s proměnnou frekvenci je polovodičový měnič frekvence. Frekvenčním řízením střídavých motorů lze v současné době docílit téměř vlastností stejnosměrných regulačních pohonů a lze očekávat ještě další rozmach v tomto směru s ohledem na výhody střídavých motorů vůči stejnosměrným, které spočívají především v tom, že tyto stroje nemají komutátor. U motorů nakrátko (a bezkroužkových synchronních motorů) odpadají i sběrací kroužky. Mechanická robustnost a jednoduchost konstrukce ve srovnání se stejnosměrnými motory klade menší požadavky na údržbu, (což je na příklad základní požadavek pro pohony v jaderné energetice), umožňuje vyšší mezní výkony, vyšší otáčky, použitelnost pro prostory s nebezpečím výbuchu v hornictví a vyznačuje se malým momentem setrvačnosti. Malá měrná hmotnost na jednotku výkonu a malé rozměry zvyšují v současné době přitažlivost střídavých motorů i pro trakci. Hlavní dosud uváděná nevýhoda - obtížná regulace rychlosti - je při současném stavu moderní výkonové elektroniky a výpočetní mikroelektroniky ve světě téměř odstraněna. Všechny zmíněné způsoby řízení rychlosti asynchronních motorů jsou spojeny se značnými ztrátami. Nejperspektivnější způsob řízení rychlosti je současné řízení frekvence a napětí nebo proudu, které s rozvojem tyristorových střídačů se rychle rozšiřuje.[6]

6 Měniče frekvence

29

6 MĚNIČE FREKVENCE Měniče frekvence mění frekvenci střídavého proudu a napětí. Dělí se na dvě základní skupiny, přímé (cyklokonvertory) a nepřímé měniče.

6.1 Přímé měniče frekvence Přímé měniče frekvence, nebo-li cyklokonvertory , nemají stejnosměrný meziobvod, komutaci tyristorů zabezpečuje střídavá napájecí síť. Cyklokonvertor je tedy měnič s přirozenou komutací (oproti nepřímým měničům s nucenou komutací), Obr. 6-1.

Obr. 6-1 Dvojitě napájený generátor velkého výkonu(rotorový měnič realizovaný jako cyklokonvertor) Používají se pro zařízení velkých výkonů (více než cca jednotky až desítky MW) a pro zařízení s poměrně úzkou oblastí provozních rychlosti. Vhodným řešením měniče frekvence pro rotor je použít přímý měnič frekvence v podobě tzv. cyklokonvertoru (viz Obr. 6-1). Tento měnič je sice v porovnáním s dnešními moderními (převážně nepřímými měniči viz např. Obr.4-1) značně komplikovaný, ale v případě instalace velkého výkonu se jedná o řešení ekonomicky nejvýhodnější, navíc umožňuje bezproblémový obousměrný přenos výkonů (zařízení tak může


30

pracovat jako motor nebo generátor při rychlostech podsynchronních, synchronních i nadsynchronních). Jeho nevýhodou jsou však poměrně nízké hodnoty maximálních výstupních frekvencí (typicky např. jen 5 Hz), při vyšších hodnotách frekvenci totiž dochází ke značnému harmonickému zkreslení. Nejlepšího průběhu se dosáhne u nízkých výstupních kmitočtů 1/3 až 1/2 vstupního kmitočtu.[3] Použití cyklokonvertoru: – napájení synchronních a asynchronních motorů velkých výkonů MW, kde se požadují malé otáčky. Výhody – je komutován sítí (nejsou proto zapotřebí nákladné komutační obvody). Pracuje ve všech čtyřech kvadrantech. Nevýhody – obsahuje velký počet tyristorů. Je to poměrně nákladné zařízení, které se vyplatí u velkých strojů, z principu vyplívá jeho vysoká účinnost. Ve světě bylo takto realizováno několik jednotek. V naších podmínkách se například v 90. letech uvažovalo o případné rekonstrukci přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé Stráně na elektrárnu regulačního typu (tj. místo synchronního stroje dvojitě napájený stroj). Při regulačním rozsahu ± 10% okolo synchronní rychlosti a výkonu 300 MW na soustrojí by to teoreticky představovalo výkon „jen“ 30 MW na měnič. S takto relativně malým výkonem lze v podstatě dosáhnout všech výhod regulace rychlosti soustrojí (především zvýšení účinnosti při regulaci v čerpadlovém).

6.2 Nepřímé měniče frekvence Nepřímé měniče kmitočtu přenášejí výkon mezi dvěma systémy rozdílné frekvence. Základní části, ze kterých se skládá nepřímý měnič frekvence, jsou: • • •

vstupní obvod tvořený řízeným usměrňovačem o vstupním kmitočtu f1, stejnosměrný meziobvod, výstupní obvod tvořený střídačem o výstupním kmitočtu f2.

Podle charakteru stejnosměrného meziobvodu se nepřímé měniče dělí na: • měniče s napěťovým meziobvodem - napěťové měniče, Obr. 4-1, • měniče s proudovým meziobvodem - proudové měniče, Obr. 6-5. Používají se pro zařízeni relativně menších hodnot výkonů (tj. menší než cca MW) anebo pro zařízení s větším regulačním rozsahem (kdy jsou na výstupu z rotorového měniče požadovány vyšší hodnoty frekvencí, které by již byly cyklokonvertorem obtížně realizovatelné). Nejjednodušší varianta je znázorněná na Obr.4-1 (nepřímý měnič frekvence s napěťovým meziobvodem). Výhodou tohoto měniče je jeho nízká cena a jeho značná rozšířenost - z hlediska zapojení jeho silového obvodu se totiž shoduje s nejpoužívanějšími druhy měničů dnes používaných v oblasti regulovaných elektrických pohonů.[4],[5]


31

Použití tohoto měniče však s sebou přináší problémy s nemožností obousměrného toku výkonu přes měnič (Obr. 4-2). Tuto nevýhodu lze do jisté míry eliminovat například vhodnou volbou pracovní oblasti pohonu - např. nesymetricky jen v podsynchronni oblasti (což však má za následek relativně vyšší náklady na měnič v porovnání k šíři regulačního pásma) nebo realizací přepínání zařízeni v závislosti na aktuální rychlosti zařízení (což však celé zařízeni značně komplikuje). Proto pro dosaženi obousměrného přenosu výkonu přes měnič lze uvažovaný měnič upravit náhradou diodového usměrňovače (pravá část Obr. 4-1) a to například za klasickou reverzační skupinou (Obr. 6-2), za pulsní usměrňovač (v současné době nejmodernější řešení - Obr. 6-3) nebo jen doplnit o rekuperační jednotku (dnes v oblasti pohonů zřejmě nejrozšířenější řešení Obr. 6-4). Pro větší výkony lze ještě dnes očekávat řešení založená na použití měniče s proudovým meziobvodem (Obr. 6-5).

Obr. 6-2 Klasický reverzní tyristorový usměrňovač

Obr. 6-3 Pulzní usměrňovač

Obr. 6-4 Usměrňovač s rekuperační jednotkou


32

Obr. 6-5 Měnič frekvence s proudovým meziobvodem

6.2.1 Nepřímé napěťové měniče frekvence

Obr. 6-6 Blokové schéma nepřímého napěťového měniče Usměrňovač (v poslední době řízený) - je zdrojem stejnosměrného proudu a napětí pro stejnosměrný meziobvod. Při napájení z trojfázové napájecí sítě se používá nejčastěji řízený 3fázový můstkový usměrňovač. Změnou úhlu sepnutí αŘU tyristorů usměrňovače se může řídit výstupní napětí usměrňovače a tím také efektivní hodnota výstupního střídavého napětí měniče. V případě požadavku rekuperace energie musí být použit reverzační usměrňovač. Stejnosměrný napěťový meziobvod se skládá z velkokapacitního kondenzátoru C připojeného paralelně ke vstupním svorkám střídače a tlumivky L. Kondenzátor zajišťuje napěťový charakter zdroje pro střídač a současně provádí filtraci výstupního stejnosměrného napětí usměrňovače. Tlumivka v napěťovém meziobvodu odděluje výstupní usměrněné napětí usměrňovače od vyhlazeného napětí na svorkách C, zachycuje střídavou složku usměrněného napětí a omezuje proudové nárazy při přechodných dějích. Výstupní střídač reguluje změnou řídícího úhlu αS a dobou vodivosti tyristorů střídače frekvenci výstupního napětí a proudu. Pokud má mít při každé frekvenci do 50 Hz motor stejný moment zvratu, musí se ze změnou f měnit i výstupní napětí střídače tak, aby zůstal zachovaný konstantní poměr U/f. Tehdy je stálý i magnetický tok Φ statoru, protože pro indukované napětí motoru platí:

U i = 4,44 ⋅ f ⋅ NV ⋅ kV ⋅ Φ ≅ U , potom

(6.1)

Φ=


33

1 U U ⋅ =K⋅ 4,44 ⋅ NV ⋅ kV f f

(6.2)

Kde: NV je počet závitů jedné fáze vinutí statoru, kV je činitel vinutí, U je napájecí napětí. Konstantního magnetického toku lze dosáhnout dvěma způsoby regulace: 1. Amplitudová regulace - kdy na vstupu měniče je řízený usměrňovač, který reguluje velikost napětí ve stejnosměrném meziobvodu. Střídač je napájený regulovaným napětím, jehož velikost se mění podle výstupní frekvence střídače tak, aby U/f bylo konstantní. 2. Šířkově-pulzní modulace (PWM) - na vstupu měniče je neřízený usměrňovač, takže stejnosměrný meziobvod má konstantní napětí. Změna výstupního napětí měniče se děje přímo ve střídači pulzně-šířkovou modulací, Obr.6-7. Pro signál modulovaný pulsně-šířkově musí platit, že perioda je konstantní. To znamená, že doba sepnutí spínacího prvku je přesně určena pravidelným časovým intervalem, který je totožný s periodou nosného kmitočtu. Vhodnou volbou šířky impulzů je možné dosáhnout optimální přenos energie do zátěže. Optimální regulací je také možné dosáhnout toho, že ve výstupním napětí bude nízký obsah vyšších harmonických, případně některé harmonické budou úplně vyloučeny.

Obr. 6-7 Princip pulzně-šířkové modulace výstupního napětí střídače Změnou frekvence výstupního napětí střídače se mění otáčky točivého magnetického pole ω1 a tím i otáčky motoru ωm. Regulační rozsah je daný schopnostmi měniče i motoru, Obr.6-8. Změnou frekvence výstupního napětí střídače se mění otáčky točivého magnetického pole ω1 a tím i otáčky motoru ωm. Napěťový měnič frekvence má výstupní frekvenci f2 omezenou na 400 až 1000 Hz pro tyristory, při osazení střídače tranzistory je výstupní frekvence vyšší.[3],[4],[5].


34

Obr. 6-8 Momentové charakteristiky asynchronního motoru napájeného napěťovým měničem frekvence

6.2.2 Nepřímé napěťové měniče frekvence Blokové schéma proudového měniče frekvence (Obr.6-9) ukazuje, že v meziobvodě je zapojena do série velká tlumivka, která zajišťuje proudový charakter meziobvodu a vyhlazuje proud do střídače, takže výstupní proud měniče je stálý a nezávisí na zatížení motoru.

Obr. 6-9 Blokové schéma nepřímého proudového měniče frekvence Fázové napětí motoru je blízké sinusovému průběhu (až na superponované komutační napěťové špičky), proud motoru má lichoběžníkový průběh. Výhody – odpadá nutnost použití řízeného usměrňovače. Je možno měnit velikost 1. harmonické složky výstupního napětí. Kromě řídících obvodů je součástí pohonů se střídačem ještě regulátor, přizpůsobuje chování pohonu.

7 Dvojitě napájený stroj v PVE

35

7 DVOJITĚ NAPÁJENÝ STROJ V PVE Ve standardní konfiguraci, kde je vodní turbína připojená k synchronnímu stroji, který je přímo připojený do elektrické rozvodné sítě, není přípustné, aby se otáčky soustrojí měnily. Takový stroj pracuje pouze ve jmenovitých otáčkách jak v motorickém režimu tak v generátorickém režimu. Efektivita a flexibilita přečerpávacích vodních elektráren, běžící na konstantní rychlosti, se může značně zvýšit použitím proměnných otáček. Tato moderní technologie proměnlivých otáček vyžaduje elektronické výkonové regulační systémy a zvláštní provedení motor-generátoru a čerpadla-turbíny, [8]. Jedním z možných řešení velkých motor-generátorů při regulaci rychlosti může být použitím buď synchronního stroje s frekvenčním měničem spojený mezi stator a síť nebo dvojitě napájeným strojem s cyklokonvertorem nebo GTO-konvertorem v rotorovém obvodu. Použití frekvenčního měniče vloženého mezi stator a síť je neekonomické, protože frekvenční měnič musí být dimenzován na jmenovitý výkon motor-generátoru, to by znamenalo velmi vysoké výkony (250MVA a více) a vysoké ztráty. Výhodnější je použít dvojitě napájený stroj realizovaný asynchronním kroužkovým motorem, který je napájen do rotoru cyklokonvertorem nebo GTO–konvertorem nabízející nejlepší elektrické a hydraulické výkony. Tento stroj může mít maximum výkonu asi 500MVA s rozsahem otáček ±10% od synchronních otáček což je ±30% jmenovitého výkonu, [6]. Výhody tohoto stroje jsou: •

činná regulace výkonu,

•

kompenzace jalového výkonu v rozvodné síti,

•

řízení frekvence,

•

žádná pomocná zařízení do rozběhu čerpadlového provozu,

•

zlepšení hydraulické účinnosti,

•

prodloužení pracovního rozsahu.

Bylo provedeno mnoho simulací a výpočtů dvojitě napájeného stroje v přečerpávacích vodních elektrárnách. Nejaktivnější výzkum, návrh, výroba a vývoj uskutečněné od 1980 je v Japonsku od firmy Hitachia a Toshiba. Tyto společnosti vyrábí největší asynchronní motorgenerátory 390MVA(Toshiba,Obr.7-1) a 440MVA(Hitachi) rozsah regulace rychlosti je ±8% Tyto uvedené asynchronní stroje mají lepší řiditelnost napájecí sítě než synchronní stroje, [7].


36

Obr. 7-1 a)Toshiba MG 390MVA – 429ot/min v PVE Imachi (Japonsko), b)Toshiba Cyklokonvertor 360MVA Další významnou společností je ABB Power Generation Ltd, která přestavila koncept generátor s regulovanou rychlosti zvaný „VARSPEED“. Je to řešení pro velké výkony, umožňuje zátěžovou regulaci motoru v čerpadlovém provozu, to má za následek zlepšení účinnosti a zlepšuje stabilitu sítě v napájecí soustavě. Systém může být se synchronním strojem a statickým frekvenčním měničem nebo s dvojitě napájeným asynchronním kroužkovým motorem napájeného do rotoru cyklokonvertorem nebo GTO- konvertorem. Na obr.7-2 je schéma DFG s 12-ti pulzním cyklokonvertorem.

Obr. 7-2 Schéma VARSPEED, 12-ti pulzní cyklokonvertor


37

Tento systém je přímo zapojen statorem do sítě, zatímco rotor je napájen třífázovým sinusovým proudem skluzové frekvence, který umožňuje řídit jednotku v daném rozsahu otáček kolem synchronních otáček, [6]. Výhody tohoto systému: •

větší účinnost,

•

možnost aktivní regulace výkonu v čerpadlovém módu,

•

možnost kompenzace jalového výkonu,

•

možnost dodání okamžitého výkonu do přenosové sítě použitím energie uložené v hmotnosti rotačních částí.

Důvody použití takového systému pro výrobu elektrické energie jsou: •

rychlost může být v rozsahu ±10% od synchronních otáček. Toto kolísání otáček, odpovídá výkonu ±30%,

•

činný a jalový výkon může být přizpůsoben podle požadavků sítě.

Zde byl představen jeden z mnoha současných projektů pro dvojitě napájené stroje.

8 Přečerpávací vodní elektrárny ve světě

8 PŘEČERPÁVACÍ

38

VODNÍ ELEKTRÁRNY VE SVĚTĚ

Zde si uvedeme největší PVE z Japonska a Evropské Unie, kde tento druh regulace už pracuje nebo se bude zavádět.

8.1 PVE Goldisthal

Obr. 8-1 PVE Goldisthal v Německu [9] Přečerpávací vodní elektrárna Goldisthal se nachází v kraji Durynska v Německu. Byla uvedena do provozu v roce 2002. Její instalovaný výkon činí 1060MW. Strojovna PVE je umístěna v podzemí kde jsou instalovány čtyři jednotky motor-generátoru s reverzními Francisovými turbínami ve dvoustrojovém uspořádání. Jednotky mají jmenovitý výkon 265MW a synchronní otáčky 333ot/min. Uváděný vodní spád je 302m.

Obr. 8-2 Kaverna v PVE Goldisthal


39

Zvláštností této přečerpávací vodní elektrárny je, že má dvě jednotky s klasickým synchronním strojem a dvě jednotky postavené na proměnných rychlostech s dvojitě napájeným strojem. To umožňuje měnit rychlost v rozsahu otáček od 300ot/min do 347ot/min( -10%/+4%). Napájecí rotorový měnič má jmenovitý výkon 50MVA a to je přibližně 20% jmenovitého výkonu jednotky. Velké přečerpávací elektrárny s proměnlivými otáčkami mají velký účinek na dynamické chování energetické soustavy. Dvojitě napájený stroj splňuje takové požadavky na pohon. Byl navržen model pro dynamické chování v čerpadlovém chodu pro PVE Goldisthal a výsledky simulace ukázaly vynikající chování jednotek, vice na [9].

Obr. 8-3 Jenofázové schéma v PVE Goldisthal [10] Cyklokonvertor dodala společnost ALSTOM a je jedním z největších na světě. Cyklokonvertor je 12-ti pulzní tyristorový měnič a nominální proud 8970A a jmenovité napětí je 3716V. Hlavní výhodou tohoto inovačního návrhu je ve zvýšení turbínové efektivity. Způsobu rychlého střídání a vysoký dynamický regulovaný výkonu pro stabilizaci rozvodné sítě. Důraz je na chování pohonu v rozvodné síti pří poruše. Během testu byl činný výkon navýšen na 130MW během 20ms s tímto dynamickým pohonem může být použit na stabilizaci rozvodné sítě. Efektivnost turbíny závisí na provozních otáčkách a má vysoký dopad na celkovou efektivitu elektrárny, [9]. Hlavní výhody tohoto návrhu jsou: -zvýšení efektivnosti a životnosti turbíny zejména v částečném zatížení v optimálních rychlostech -vysoká dynamická kontrola nad užitečným výkonem pro stabilizaci rozvodné sítě.

40


8.2 PVE Okawachi Přečerpávací vodní elektrárna patřící společnosti Kansai Electric má instalovaný výkon 1280MW. První dva motor-generátory byly uvedeny do provozu 3 prosince 1993. Každý motor-generátor má 72MVA cyklokonvertorý měnič a jeho rozsah otáček lze nastavit od 330 do 390min-1. Lze měnit výkon v generátorickém módu přinejmenším o 32MW a v čerpadlovém módu o 80MW během 0,2s [12]. Tab. 8-1 Hlavní technické parametry PVE Okawachi Maximální výstup systému

320MW

Učiník generátorického chodu

0.95

Maximální vstup systému

400MW

Učiník čerpadlového chodu

1

Otáčky

330-390min-1

Maximální průtok

95m3/s

Maximální generátorický vystup

395MVA

Maximální motorický vstup

388MW

Napětí motor-generátoru

18kV

Maximální rotorový proud

12670A

Jmenovitá kapacita cyklokonveroru

72MVA

Zkušenosti na PVE Okawachi: •

Okamžitý výkonu a příspěvek ke stabilizaci energetické sítě než bylo očekáváno.

•

Zvětšení pracovního rozsahu.

•

Výstupní výkon v čerpadlovém módu je přizpůsobován energetické síti.

•

Efektivita je lepší o 3%. Náklady činí o 5% více oproti klasickému provedení.

•

Během přenosu se může měnit rychlost stroje.


41

8.3 PVE Kannagawa Jedná se o přečerpávací vodní elektrárnu patřící společnosti Tokyo Electric a instalovaným výkonem 470MW, dokončená v r. 2005. Tato PVE využívá spádu 653m mezi horní nádrýí a spodní nádrží. Motor-generátor od firmy Hitachi má výkon 525MVA/464MW a je vzduchem chlazený. Jako budič je použit tyristorový měnič s nejmodernějším řízením o výkonu 30MW, napětí 6kV a 1500A. Zde se jedná o synchronní stroj. Tyto PVE stále efektivně pracují s novými moderními měniči [13].

Obr. 8-4 Horní nádrž PVE Kannagawa Tab. 8-2 Hlavní technické parametry motor-generátoru Výkon motor-generátoru Výkon hřídele Jmenovité napětí Účiník generátor/motor Frekvence Jmenovité otáčky Maximální otáčky

525,000 kVA 464,000 kW 18,000 V 0.90/0.95 50 Hz 500 min–1 755 min–1


42

8.4 PVE Kazunogawa Patří do společnosti Tokyo Electric a má prozatímní instalovaný výkon 800MW uvedený v roce 2000. Celkový výkon PVE Kazunogava bude 1600MW a bude dokončen v r 2009. Spád PVE je 728m. Budou zde nainstalovány dvě jednotky o výkonu 475MW a bude je budit GTO – konvertor, [14]. Reverzní turbína o výkonu 412MW v turbínovém módu a 438MW v čerpadlovém módu. Motor-generátor o výkonu 475MW v generátorickém módu a 438MW v motorovém módu, při jmenovitých otáčkách 500min-1.

8.5 PVE Okukiyotsu No.2

Obr. 8-5 PVE Okukiyotsu No.2 Je přečerpávací vodní elektrárna, která zvětšila svůj instalovaný výkon z 1000MW(v r. 1996) na 1600MW. Tato PVE patří společnosti Electric Power Development Co.,Ltd. Tento projekt má dva generátory, jeden s konstantními otáčkami 429min-1 a druhý s proměnnými otáčkami od 407min-1 do 450min-1, [15]. Motor-generátor má jmenovitý výkon 340/345MVA a je použito buzení s GTO – konvertorem.


43

8.6 PVE AVCE Tato přečerpávací vodní elektrárna se nachází ve Slovinsku a bude dokončena v roce 2009. Bude vybavena jedním motor-generátorem o výkonu v turbínovém módu 195MW a motorickém módu 185,25MW při 600min-1 (-4% až 4,4%), buzeného GCT – konvertorem.

8.7 PVE TAKAMI Je to přečerpávací vodní elektrárna o jmenovitém výkonu 200MW patřící Hokkaido Electric, uvedená do výroby od roku 1993. Obsahuje motor-generátor o výkonu v generátorickém režimu 105MW, v motorickém režimu 140MW a je buzen GTO – konvertorem. Regulační rozsah je ±10% od synchronních otáček.

44


8.8 Shrnutí PVE ve světě Cílem bylo získat co nejvíce informací o jednotlivých PVE, zjištění zkušeností v provozu a uplatnění s typem stroje s regulací otáček za pomocí dvojitě napájeného stroje. Moje pozornost směřovala do Japonska a na PVE Goldisthal, kde se používá tato technologie proměnných otáček. V tab. 8-3 uvádím i PVE, které jsem neuvedl, z důvodů méně poskytnutých informací. Je zde uvedeno rozmezí otáček od nominálních otáček, druh buzení a výkon motor-generátoru.

Tab. 8-3 Vybrané parametry jednotlivých PVE Společnost

Název

Německo,

G/M výkon

Buzení G/M

Výrobce budiče

V provozu

Rozmezí nominálních otáček

CYCLOCONVERTER

VA-Tech

2002

10% 8.3%

2 x 331/330MVA

WATTENFALL EUROPE

Goldisthal

Kansai Electric Po. Co.

OKAWACHI

2 x 395/388MVA

CYCLOCONVERTER

HITACHI

1993 1995

Tokyo Electric Po. Co.

KAZUNOGAWA

2 x 475MVA

GTO INVERTER

TOSHIBA

2009

Electric Po. Development Co.

OKUKIYOTSU No.2

345/340MVA

GTO INVERTER

TOSHIBA

1996

Slovinsko

AVCE

195/185.3MVA

GCT INVERTER

MITSUBISHI

2009

Hokkaido Electric Po. Co.

TAKAMI

105/140MVA

GTO INVERTER

MITSUBISHI

1993


YAGISAWA

85MVA

CYCLOCONVERTER

TOSHIBA

1990


SHIOBARA

360/330MVA

CYCLOCONVERTER

TOSHIBA

1995

Hokkaido Electric Po. Co.

KYOGOKU

228MVA

GTO INVERTER

TOSHIBA

2006

5%

4% 10%

8%

9 Polovodičová technika

45

9 POLOVODIČOVÁ TECHNIKA V současné době se používají tyristory GTO a IGBT tranzistory. Tyristory GTO zjednodušují konstrukci střídačů a pulzních měničů. IGBT tranzistory se používají na nízké napětí(1000V), díky zvyšování napěťových a proudových hladin lze tento prvek považovat za perspektivní pro výkonovou elektroniku. Ve snaze odstranit nevýhody GTO tyristorů byl vyvinut IGCT tyristor řízený integrovanou řídící elektrodou. Jedná se v podstatě o GTO s integrovanými obvody řídící elektrody. Začínají se objevovat práce směřující k využití výkonových polovodičových součástek založených na SiC a GaN. Tato konstrukce dovoluje konstrukci součástek s podstatně redukovanými zapínacími a vypínacími časy. Lze je použít až na 500kHz, redukuje se hodnota spínacích ztrát. V současnosti jsou nejvíce používány IGBT nebo IGCT popřípadě GTO. Tento trend bude zachován. V grafu je znázorněn vývoj polovodičových součástek.

Obr. 9-1 Oblast využití polovodičových součástek

IGBT se používají v oblasti měničů menších výkonů a nelze očekávat, že se v této oblasti uplatní IGCT, zejména vzhledem k vysoké integraci součástek v inteligentních modulech IGBT a k výrazně vyšší spínací frekvenci. Jedná se zejména o využití v širokém spektru velkosériově vyráběných měničů frekvence pro asynchronní motory a pro synchronní motory s permanentními magnety. V oblasti výkonů nad 100 až 150 kW se používají IGBT i IGCT. Použití IGBT v této oblasti je častější, což je jistě dáno i větším počtem výrobců IGBT. Pro měniče nejvyšších výkonů v řádech jednotek a zejména desítek megawattů se jako nejperspektivnější prvek zřejmě jeví IGCT, zejména ve vysokonapěťových aplikacích. Je to dáno jeho robustností, možností velkého napěťového a proudového zatížení a možností sériového řazení. Ačkoliv do této oblasti

46

9 Polovodičová technika

začínají v určité míře pronikat IGBT, zachovají si zde zřejmě zásadní postavení stále prvky na bázi tyristoru. Jednou ze speciálních spínacích součástek je i tyristor řízený světlem ( fototyristory a optoryristory). Tyristory řízené světlem, zkratka LTT, mají stejnou strukturu jako tyristory spínané elektrickým signálem. Misí mít samozřejmě zajištěn přístup světla. Potřebný světelný výkon je v řádu 10mW. Hlavní použití fototyristoru a optotyristorů je galvanické oddělení řídící části. Jejich hodnoty napěťové hodnoty jsou 8kV a proudové hodnoty 3,5kA. Tab 9-1 ukazuje předpokládaný trend vývoje, [16], [17]. Tab. 9-1 Rostoucí trend výkonových měničů Rok

1996

2001

2006

LTT

300MVA

1000MVA

3000MVA

GTO

80MVA

300MVA

1000MVA

IGBT

2MVA

5MVA

20MVA

10 Závěr

47

10 ZÁVĚR V první kapitole je znázorněn a stručně vysvětlen princip dvojitě napájeného stroje a jeho využití. Použití dvojitě napájeného stroje má využití v energetice jak u zařízení velkých výkonů, tak i u zařízení menších výkonů. U zařízení větších výkonů je rotorový měnič v podobě cyklokonvertoru. Jeho výhoda je, že umožňuje obousměrný přenos výkonu a menší výkon měniče oproti celkovému výkonu stroje. Nevýhoda je, že je složitý a má nízké hodnoty výstupní frekvence. U zařízení menších výkonů se jeví jako vhodnější realizace rotorového měniče na principu nepřímého měniče frekvence. Jeho výhodou je nízká cena. Nevýhodou je, že neumožňuje obousměrný přenos výkonu, pro obousměrný provoz se musí upravit a je proto nákladnější. Hlavním úkolem této diplomové práce je používání dvojitě napájeného stroje v přečerpávacích vodních elektrárnách. Jelikož se v České republice tato technologie nenachází byla směřována pozornost do EU a Japonska, kde již tuto technologii ovládají a mají určité zkušenosti. U nás byl vytvořen pouze model v malém měřítku a to 30kW s cyklokonvertorem za podpory Škody VÝZKUM, který realizoval tým M. Pittermann, J.Fořt a P. Bárta ze ZČU v Plzni. Kde zjistili možnou realizaci za přispění Energetické společnosti ČEZ. Uvažovalo se o možné rekonstrukci PVE Dlouhé Stráně na přečerpávací vodní elektrárnu regulačního typu. To znamená, že místo synchronních motor-generátorů se nainstaluje dvojitě napájený stroj. Samozřejmě tato realizace se bere v úvahu, kdy motor-generátory jsou nefunkční, nebo se jedná o novou PVE, kde by se realizoval dvojitě napájený stroj. Z důvodu velkých nákladu vynaložených na původní pohon, kdy je to velmi neekonomické. Jak je vidět ze zkušeností PVE v Japonsku a předpokládaným zlepšením s regulací otáček oproti klasickým PVE je určité zlepšení stability sítě i přes větší náklady na pořízení elektrárny regulačního typu. Velké náklady jsou také na budič, ale díky vývoji polovodičových součástek ceny klesají a dosažitelné výkony měničů rostou, viz tab.9-1. Zde uvádím výčet výhod PVE regulačního typu: •

činná regulace výkonu v čerpacím módu,

•

kompenzace jalového výkonu v rozvodné síti,

•

řízení frekvence,

•

žádná pomocná zařízení do rozběhu čerpadlového provozu,

•

zlepšení hydraulické účinnosti,

•

prodloužení pracovního rozsahu,

•

zvýšení efektivnosti a životnosti turbíny zejména v částečném zatížení v optimálních rychlostech,

•

vyšší stabilita rozvodné sítě.

10 Závěr

48

Nevýhody: •

nákladnější zařízení,

•

složitost řízení měniče

Pro buzení stroje s proměnnými otáčkami je dosud používáno Cyklokonvertorů a GTO měničů. Cyklokonvertory se používají pro věší výkony oproti GTO konvertorů, kde jsou menší výkony. Novou technologií je používání tyristorů řízený světlem (LTT), kde se otvírají možnosti pro velké výkony.

Přílohy

49

POUŽITÁ LITERATURA [1] PVE Dlouhé Stráně [cit. 2007-11-12] http://www.energotis.cz/pages/dlouhe_strane.htm [2]

Vnitřní technické parametry PVE Dlouhé Stráně, 1996

[3]

Pittermann, M. :Dvojitě napájený asynchronní stroj, Disertační práce, ZČU Plzeň 1998

[4]

Doc. Ing. Eva Konečná, CSc., Doc. Ing. Aleš Richter,CSc.: Výkonová elektronika

[5]

Jiří Javůrek: Regulace moderních elektrických pohonů.

[6]

Prof. Jean-Jacques Simond: Adjustable speed Asynchronous Machine in Hydro Power Plants and its Advantages for the Electric Grid Stability. Swiss Federal Institute of Technology, DE-LEME, 1015 Lausanne http://lemewww.epfl.ch/ME/publications/1998/speeddrive_1998.pdf

[7]

L. G. Mamikoniants, Yu. G. Shakar-an, Yu. D. Vinitsky: Asynchronized synchronous machine application in the power systems. Centre de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Belfort, (CREEBEL), Belfort, France http://ieeexplore.ieee.org/iel5/6235/16654/00769230.pdf?tp=&isnumber=&arnumber=769 230

[8]

Prof. Jean-Jacques Simond, Dr. Alain Sapin: Expected benefits of adjustable speed pumped storage in the European network. Swiss Federal Institute of Technology, EPFL-DELEME, 1015 Lausanne http://lme.epfl.ch/webdav/site/lme/users/wetter/public/publications/1999/varspeed_in_netw ork.pdf

[9]

U. Bachmann, K. Grotenburg, F. Koch, I. Erlich: Modeling and dynamic simulation of variable speed pump storage units incorporated into the German Electric Power System. Department of Electrical Power Systems, University of Duisburg, Germany, EPE 2001 http://www.hydrop.pub.ro/DMA8.pdf

[10] Aurelie Bocquel, Dr. Jörg Janming: Analysis of a 300 MW Variable Speed Drive for PumpStorage Plant Applications. ALSTOM Power Conversion GmbH,Culemeyerstr. 1, 12277 Berlin, Germany, 2005 http://ieeexplore.ieee.org/ [11] VATTENFALL EUROPE GENERATION AG a CO. KG: Goldisthal pumped storage power station – a 1060MW cavern type plant. PSP Goldisthal, Am Goldberg 1, 98746 Goldisthal http://www.vattenfall.de/ [12] Kuwabara, T.; Shibuya, A.; Furuta, H.; Kita, E.; Mitsuhashi, K.; Design and dynamic response characteristics of 400 MW adjustable speed pumped storage unit for Ohkawachi Power Station, 1996, listy:376 – 384 http://ieeexplore.ieee.org/ [13] Takashi Oyake, Akimitsu Yamazaki, Kiyoshi Oka; 525-MVA Generator-motor and Thyristor Starter Put into Service at the Tokyo Electric Power Co., Inc.’s Kannagawa Hydroelectric Power Station,listy:114-119 http://www.hitachi.com/rev/field/powersystems/2075013_12681.html

Přílohy

50

[14] Kozo Ikeda, Morihito Inagaki, Kazuo Niikura, Katsuhiro Oshima; 700-m 400-MW Class Ultrahigh-head Pump Turbine, 2000 http://www.hitachi.com/ICSFiles/afieldfile/2004/06/01/r2000_02_107.pdf [15] Electric Power Development Co.,Ltd; Okukiyotsu No.2. [cit. 2007-11-10] http://www.jpower.co.jp/english/ [16] Ing. Jaroslav Novák, CSc.; Moderní výkonové polovodičové prvky a jejich aplikační možnosti. ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Odbor elektrotechniky. 2003, [cit. 2008-01-04] http://www3.fs.cvut.cz/web/fileadmin/documents/12241-BOZEK/publikace/2003/igbct.pdf [17] Hirofumi Akagi; The State-of-the-Art of Power Electronics in Japan, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 13, NO. 2, MARCH 1998, http://ieeexplore.ieee.org [18] Pittermann, Martin : Dvojitě napájený asynchronní stroj [stať] /In: SYMEP 2000. -ISBN 80-88922-66-8. -- (2000), s. 34-41. -- In: In: SYMEP 2000 [19] Bartoš, Václav, Bendl, Jiří, Žížek, František : Dvojitě napájený asynchronní stroj pro přečerpávací vodní elektrárny [stať] /In: Elektroenergetika 2000. -- ISBN 80-01-02238-2. - (2000)

REGULACE PŘÍKONU PŘEČERPÁVACÍCH VODNÍCH ELEKTRÁREN V ČERPADLOVÉM PROVOZU

Recommend Documents