Fachliteratur zum Thema Energiegewinnung mit Turbine und FU

Slaine

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'Nabend,

ich habe ein altes Pumpwerk mit Turbine zur Energierückgewinnung "geerbt", das modernisiert werden soll. Die Rückgewinnung läuft über einen Frequenzumrichter mit Rückspeiseeinheit. Leider existiert keine brauchbare Dokumentation, die Erbauer der Anlage sind lange in Rente und Antriebstechnik ist bei mir auch schon eine ganze Weile her.
Daher wollte ich mal fragen, ob mir jemand Fachliteratur mit Praxisbezug zu dem Thema empfehlen kann. Mir geht es dabei um den elektrischen Teil, nicht um die Mechanik. Sprich elektrische Auslegung, wie habe ich den FU zu betreiben, wie funktioniert die Regelung, aktuelle Richtlinien etc.

Vielen Dank schon mal :)
 
... in folgender Broschüre steht etwas drin :

http://w3app.siemens.com/mcms/infoc...-energien/ws-sinamics-s120-regenerativ-de.pdf

Hier noch in Verbindung mit Speichertechnologien (die hier verbaute Einspeisung sieht auch wie eine SINAMICS ALM aus - ca. 16 / 36kW - je nach Baugröße)
http://www.caterva.de/

Evtl. mal Deine Frage im SIEMENS Forum stellen. Dort sind wiederum Speziallisten unterwegs, die sich mit diesen Thema ausführlich beschäftigen (nicht nur direkte Rückspeisung in Netz, sondern auch mit Energiespeicher - ganz ideal im Industriebereich, wenn man z.B. Photovoltaik direkt in den Antriebszwischenkreis einspeist und z.B. direkt in einer Produktionsmaschine wieder verbraucht / ggf. zwischenspeichert (z.B. zum Leistungsspitzen kappen) ).
 
Der Antrieb hat eine Leistung von 160 kW und hängt an einer Pumpe, die tagsüber zur Regelung des Netzdrucks eingesetzt wird und nachts während der Rücknahme als Turbine genutzt wird. Beide Betriebsarten laufen über den selben Umrichter.
 
Für den 4 Quadranten-Betrieb, speziell auch im Teillastbetrieb bietet sich ein Yaskawa U1000 Matrixumrichter an.

Edit:
Leider fehlen den U1000 Funktionen für die Netzstabilität etc., die von EVU für die dauerhafte Netzeinspeisung verlangt werden.
 
Zuletzt bearbeitet:
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Der vorhandene Umrichter soll weiter genutzt werden. Eine Neuanschaffung ist erst geplant, wenn er den Geist aufgibt.

Mein Problem mit der ganzen Geschichte ist, dass ich zwar das alte Programm auslesen kann und auch grundsätzlich nachvollziehen kann, was dort gemacht wurde. Allerdings verstehe ich nicht, warum das so gemacht wurde, woher die ganzen Randparameter kommen und ob es überhaupt sinnvoll ist, die Anlage so zu betreiben. Daher suche ich Informationen, wie man so eine Art der Regelung grundsätzlich aufzieht und was dort zu beachten ist. Danach möchte ich dann entscheiden, ob ich das Ganze selbst umsetzen kann oder ob ich das Projekt doch lieber vergebe.
 
Hm,

es wäre sinnvoll, zu wissen, wie denn "hardwaretechnisch" Deine Lösung heute aufgebaut ist.
Also, z.B. wie erfolgt die Rückspeisung genau: Ist die Rückspeiseeinheit am FU-Zwischenkreis angeschlossen oder macht das der Umrichter selber?
Geht es von der "Rückspeiseeinheit" direkt ins Netz oder sind davor noch "Filter/Trafos?". Wenn Filter: welche? simple Drehstromdrosseln oder je Phase eine Drossel?
Oder LC-L-Filter (Sinusfilter und dem vorgeschaltete Drosseln).
Bei 160 kW sollten ja die "Wege" der Rückspeisung einfach zu verfolgen sein.

Ist das Netz, wohin rückgespeist wird, ein öffentliches (andere Verbraucher parallel) oder geht es von da zuerst zu einem Trafo?

Grund für die Fragen: Wenn Du erneuern willst, wird Dich jeder Lieferant fragen: was ist denn aktuell installiert: Blockförmige Rüclspeisung oder AFE oder sonstwas. Ist das "öffentliches Netz" oder nicht.

Randparameter für die damals getroffene Entscheidung könnte z.B. de Aufnahmefähigkeit des Netzes für rückgespeiste Energie oder die Störbelastung des Netzes durch die Rückspeisetechnik sein.

Und, hinsichtlich Deiner Entscheidungsfindung kann ich Dir, bei 160 kW, nur raten: wenn Du nicht der Spezialist bist, würde ich zu "vergeben" raten. Denn, derjenige, der den Auftrag nimmt, trägt auch das Risiko. Zumindest dann, wenn Du diesen Punkt eindeutig vorher klärst.

Übrigens, wenn der vorhandene FU kaputt und Du keinen Bypaß dafür hast, geht, könnte es auch sein, daß Du die Pumpe auf für "pumpen" eine durchaus nennenswerte Zeit nicht nutzen kannst. Wenn das nicht akzeptabel ist, würde ich zu frühzeitigem Beginn der Planung raten.

Viel Erfolg!
Mathias
 
Der Umrichter ist ein Siemens SIMOVERT VC mit AFE. Laut Typenschild ist als Filter ist nur ein "Funk-Entstörfilter Grenzwertklasse A1" eingebaut, aber inwiefern dort vielleicht noch mehr ab Werk eingebaut ist, da bin ich überfragt. Die Anlage ist über eigene Trafos direkt an das 20 kV-Netz angebunden und die Auslegung erfolgte vermutlich so, dass alles auf die "Turbine" zugeschnitten wurde. Aber Vermutungen sind leider keine vernünftige Planungsgrundlage und daher tendiere ich aktuell auch eindeutig zur Fremdvergabe...
 
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Ist bei Dir aktuell ein Steuerung verbaut, oder läuft die Regelung komplett antriebsintern? Falls ja, dann wird das nicht´s allzu komplexes sein, da der MASTERDRIVES nur über eine begrenzte Anzahl von freien Bausteinen verfügt (im Gegensatz zum SINAMICS wo man mit DCC / C- Programmen / TEC- Funktions sehr komplexe Regelungsstrukturen aufbauen kann).
Man muss sich "nur" die Mühe machen, das mal rauszuzeichnen. Im Parameterbereich >2000 sind die freien Bausteine zu finden. Dann muss man schauen, wie die Logikglieder zueinander verschalten sind. Ich habe das immer so gemacht, dass ich die Funktionspläne ausgedruckt habe, ausgeschnitten und dann zueinander hingelegt habe ("gepuzzelt"). Wenn Du CFC hättest ginge da auch was - ist bei mir aber auch schon eine Weile her.
 
Na, das hört sich doch alles gut (für Dich, Slaine) an.

Du hast einen eigenen Trafo und es kommt AFE zum Einsatz. Dann macht in der Tat der FU nahezu alles alleine. (anhand der DC-Spannung weiß er, ob er "treibend" oder "rückspeisend" unterwegs ist). Der von Dir angesprochene Filter ist ein Funkentstörfilter, der nicht direkt mit der AFE zu tun (der wäre wahrscheinlich auch eingesetzt worden, wenn der FU nur "treibend" geplant gewesen wär). Ich würde mir jetzt mal die Mühe machen, ufzunehmen, mit welchen Leistungen treibend/rückspeisend überhaupt gearbeitet nicht. Eventuell war der alte FU viel zu groß ausgelegt und 160 kW FU-Leistung wären gar nicht nötig?
Andererseits: je mehr Reserve der FU hat, desto länger wird er "leben". Ich würde dann nochmal in den alten Unterlagen schauen, welche Angaben Siemens zum Oberschwingungs-Klirrfaktor im Netz bei AFE-Betrieb gemacht hat (THD-I-Werte besser als xx %) und mit welcher Taktfrequenz AFE-seitig (zum Netz) gefahren wird. Das wären dann auch so etwa die Rand-Parameter für das "neue" System.
Na, nochmal: viel Erfolg.
Mathias
 
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Äh, Nachsatz:
Wie genau die AFE-Technik funktioniert, wird entweder gar nicht in den jeweiligen "Werbe-Broschüren" erklärt oder als "bekannt" vorausgesetzt. Es erscheint mir aber sicher, daß hier das Prinzip des Hochsetzstellers zum Einsatz kommt. Ich persönlich finde übrigens die Darstellungen, die Herr Kapeller von Fa. Schneider Electric in seinen Youtube-Videos zum Thema AFE gibt, ziemlich leerreich und ansprechend. Zumal er unheimlich schnell zeichnen kann.
Mathias
 
So, ich hatte jetzt Zeit, mich weiter mit der Geschichte zu beschäftigen. Wir haben noch eine weitere Turbine in einer anderen Anlage, die allerdings starr am Netz läuft. Diese Turbine wird einfach durch den Volumenstrom auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt und bei Erreichen dieser Drehzahl ans Netz geschaltet. Aber wie genau funktioniert das beim Umrichter? Das alte SPS-Programm hat keine Drehzahlüberwachung und es ist anscheinend so, dass bei einem bestimmten Volumenstrom der Befehl an den Umrichter geht, dass ab dem Zeitpunkt Turbinenregelung gefahren wird. Weiß der Umrichter aus seinen internen Messungen jetzt selbst, welches Drehfeld zum Einschaltzeitpunkt benötigt wird? Denn wenn ich die Funktionsweise einer Pumpe/Turbine richtig verstanden habe, kann ich aus dem Volumenstrom nicht auf die Drehzahl schließen. Oder startet der Umrichter mit der im Parametersatz AFE hinterlegten Minimalfrequenz?
 
Hm, ich verstehe den Hintergrund der Frage jetzt nicht ganz.

Wenn Du einen normalen FU (kein AFE) als "Hochlaufhilfe" einsetzen möchtest, mußt Du mit irgendeiner Art von Stromstößen/Momentenschlägen beim Umschalten von FU- auf Direkt-am-Netz-Betrieb rechnen. Denn Du muß den FU-Ausgang vom Motorpfad trennen, damit der FU beim Netz-Bypaß nicht beschädigt wird (unerwünschtes Einspeisen "von hinten" über die IGBT-Freilaufdioden in den FU-Zwischenkreis). Die Verzugszeiten der Schütze und andere Sicherheitszeiten führen fast immer dazu, daß die Phasenlage des Motors-Drehfelds (das ja beim Abschalten der Energieversorgung langsamer wird ) gegenüber der aktuellen Netzphasenlage verschoben ist. Beim Umschalten hast Du dann kurzzeitig eine Differenz. Mindestens bezüglich der Phasenlage, eventuell auch in der Höhe der Spannungen. Diese Differenz macht sich dann in einem Stromstoß und Momentenstoß (Ruck) der Maschine bemerkbar. Das kann man natürlich durch Versuch und Irrtum bei der Einstellung der Schützumschaltung versuchen, zu beeinflussen (es gibt sogar FU (nicht-AFE), die eine entsprechende Bypaß-Logik integriert haben haben UND den Netzphasenwinkel messen können und dann die Umschaltung entsprechend synchronisieren). Nur ist mit dem "normalen" FU eben kein Rückspeisen möglich und ganz "sanft" wird das Umschalten wohl nicht gehen.

Bei AFE weiß der AFE-Umrichter, wo der Netzphasenwinkel ist, denn netzseitig ist er (immer) synchronisiert. Daher braucht er AFE-mäßig auch keinen Sollwert, der ist das Netz (50 oder 60 Hz).
Nur hier wird doch der AFE-FU gar nicht vom Netz genommen, sonst würde die Energierückspeisung nicht funktionieren? Wie bereits gesagt: Der AFE-Umrichter kennt normalerweise seine "normale" Zwischenkreisspannung und anhand der weiß er, ob er treibend oder rückspeisend arbeitet.
Der AFE-FU hat, was die Motorfrequenz betrifft, einen ganz normalen Frequenzsollwert. Wenn der kleiner als 50 Hz, ist der AFE-Umrichter i.d.R. treibend.
Wenn die Turbine dann Last übernimmt und den Motor dann in den übersynchronen Betrieb zwingt (Motor dreht schneller als eigentlich vom Sollwert her vorgesehen), steigt die Zwischenkreisspannung des AFE-FU an, der AFE-FU geht in den rückspeisenden Betrieb und kann dann natürlich erstmal nicht dem kleineren Frequenzsollwert folgen.
 
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Erstmal vielen Dank für deine Ausführungen, das hat mir schon mal sehr weitergeholfen. Mein Verständnisproblem ist jetzt folgendes...bei der Turbine, die starr am Netz läuft, fahre ich den Antrieb durch die Turbine auf Nenndrehzahl, schalte den Antrieb dann ans Netz (50 Hz) und die Turbine als Antrieb sorgt dann dafür, dass der Rotor leicht über Nenndrehzahl läuft. Bei meinem Umrichter mit AFE habe ich als Einschaltkriterium aber keine Drehzahl, sondern Uhrzeiten und Volumenströme. Nehmen wir jetzt mal an, meine Turbine dreht sich zu diesem Zeitpunkt mit halber Nenndrehzahl des Antriebs. Dann müsste ich ja ein Drehfeld von 25 Hz aufschalten und kann nicht einfach 50 Hz anlegen, richtig? Nur woher weiß der Umrichter, welches in dem Moment das passende Drehfeld ist, wenn kein Drehzahlaufnehmer vorhanden ist? Ist das irgendwo parametriert oder weiß er das durch seine internen Messdaten selbst?

EDIT: Es scheint schon mal nicht so zu sein, dass die integrierte Fangfunktion genutzt wird, denn die Freigabe ist im Parametersatz dauerhaft auf 0 gestellt.
 
Zuletzt bearbeitet:
Sorry für den Verzug, Slaine,

ich mußte nochmal zurück zu Beginn des Threads gehen und schauen, was "Turbine" ist. Wenn ich es richtig verstand, ist das die Pumpe, die dann generatorisch arbeitet. Ich bin zwar jetzt kein Pumpenfachmann, aber der Volumenstrom hängt ja schon mit der Drehzahl und dem Momenten-Drehzahl-Kennlinienverlauf der Pumpe zusammen (Stichwort: quadratisches Moment)? Daher würde ich annehmen, daß aus den Volumenströmen (die ja wohl gemessen oder in irgendeiner Weise erfaßt sind) schon Zuordnungen zu Pumpendrehzahlen und damit Motorfrequenzen möglich sind? Ich hätte allerdings auch gedacht, daß der AFE-FU eine Fangschaltung hat und die nutzt. Hat denn der vorhandene AFE-FU nicht eine Sollwert-Anzeige und eventuell auch eine Istfrequenz-Anzeige, die man mal verfolgen könnte, was die beim Start des FU anzeigen?
Zu meinem Verständnis: Die Pumpe hängt immer im Wasser und müßte daher immer "irgendwie" drehen?
Mathias
 
Kein Problem, ich bin für jede Hilfe dankbar und es ist auch keine eilige Angelegenheit :)

Ja, die "Turbine" ist eine Pumpe, die rückwärts als Turbine läuft. Die Pumpe wird tagsüber zur Druckregelung im Netz genutzt, kann aber auch mal gar nicht laufen, wenn keine Druckerhöhung benötigt wird. Ab einer bestimmten Uhrzeit werden dann die Speicher des Pumpwerks wieder befüllt und der Volumenstrom wird ausgenutzt, um die Pumpe rückwärts als Turbine zu betreiben und so Energie zu gewinnen.
Grundsätzlich werden Volumenstrom und Druck gemessen. Ist der Volumenstrom über einem bestimmten Wert und eine bestimmte Uhrzeit ist überschritten, dann wird über die SPS umgeschaltet auf Turbinenbetrieb. Jetzt völlig unabhängig davon, ob man aus dem Kennlinienverlauf der Pumpe Rückschlüsse auf die genaue Drehzahl ziehen kann, der Volumenstrom wird gar nicht an den Umrichter weitergegeben. Es wird einfach über einen Digitaleingang umgeschaltet und die Startfrequenz für den generatorischen Betrieb ist im Paramatersatz mit 0 Hz hinterlegt. Danach regelt das SPS-Programm dann den Druck am Ausgang des Pumpwerks (bzw. eigentlich ja Eingang, wenn Rücknahme gerfahren wird), indem die Frequenz am Umrichter angehoben bzw. abgesenkt wird. Das Ganze geht auch über Motorpoti +/-, so dass ich im Moment nicht genau weiß, welche Frequenzänderung so ein Stellschritt verursacht, da intern ja anscheinend Rampenfunktionen vom Umrichter gefahren werden.
So wie es aussieht, werde ich wohl nicht darum herumkommen, mir einen Messaufbau in die Anlage zu stellen und mitzuschreiben. Vom Umrichter werden Ist-Frequenz und Motorstrom als Messwerte ausgegeben, so dass man dann hoffentlich nachvollziehen kann, was dort eigentlich wirklich passiert.
 
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Nur mal das was ich bisher verstanden habe:

Tagsüber meist Pumpbetrieb über FU geregelt.

Nachts dann FU mal Drehzalsollwert 0. Dadurch fließt Wasser durch die Pumpe zurück und versucht nun den Motor in der anderen Drehrichtung zu betreiben.

Wenn der FU nun Drehzahl 0 halten versucht, wird dadurch der Durchfluss und damit auch der Differenzudruck über die Pumpe maximal.
Jetzt gibst du einen höheren Drehzahlsollwert vor (natürlich Drehrichtung entgegengesetzt zum Pumpbetrieb), dadurch wird der FU in den generatorischen Betrieb gezwungen und es wird Wirkleistung ins Netz geschoben.
Der Differenzdruck über die Pumpe fällt, der Durchfluss wird Größer.

Jetzt gilt es herauszufinden was da als Regelgröße dienen könnte:
1. Herausfinden der max möglichen Wirkleistung: Drehzahl langsam erhöhen und Differenzdruck und Wirkleistung beobachten, irgendwo sollte sich ein Maximum finden lassen.
2. Regelung auf einen gewissen Durchfluss -> Drehzahl ähnlich Pumpbetrieb regeln

Voraussetzung dafür ist natürlich dass der FU 4 Quadrantenbetrieb kann, wird er aber wohl, wo soll sonst die Leistung hin (oder hängt da am Zwischenkreis irgendwas dran, was die Leistung irgendwohin führt?)
 
So, ich denke, ich habe die Lösung jetzt gefunden. Der Volumenstrom, der als Einschaltkriterium genutzt wird, ist überhaupt nicht der Volumenstrom durch die Turbine sondern an einer anderen Stelle im Netz. Ist der groß genug, dann wird der Weg durch die Turbine erst geöffnet und die Turbine wird tatsächlich von 0 Hz aus langsam durch Erhöhen der Frequenz hochgefahren. Die Turbine wird dann so geregelt, dass der Volumenstrom sich in einem bestimmten Bereich befindet, in dem möglichst viel Leistung abgegeben wird.

Vielen Dank für die ganzen hilfreichen Antworten :D

PS: Zum eigentlichen Thema Fachliteratur...Google Patent Search hat sich als echte Goldgrube erwiesen, da dort teilweise sehr genau erklärt wird, wie bestimmte Sachen technisch umgesetzt wurden.
 
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