Regelung von Pumpspeicherkraftwerken

Projektschwerpunkte

  • Entwicklung effizienter Modelle zur Beschreibung der Strömung in Druckrohrleitungen
  • Entwurf optimaler (modell-prädiktiver) Regelungsstrategien
  • Untersuchung der Beobachtung von nicht messbaren Größen

Beschreibung

Durch den vermehrten Ausbau von erneuerbaren Energieerzeugungssystemen (Windkraft, Sonnenkraft) ist der Anteil an Kraftwerken mit stark fluktuierender Leistung in den europäischen Energieverteilungsnetzwerken wesentlich angestiegen. Um die Stabilität der Netzwerke zu garantieren sind daher entsprechende Speicher notwendig. Die am weitesten verbreitete Möglichkeit zur Speicherung von elektrischer Energie sind Pumpspeicherkraftwerke, die im Wesentlichen aus zwei Wasserbecken auf unterschiedlicher Meereshöhe bestehen, welche über Rohrleitungen und Turbinen miteinander verbunden sind, siehe Abb. 1. Wenn nun überschüssige Leistung im Netz vorhanden ist, so wird Wasser vom unteren ins obere Becken gepumpt. Umgekehrt wird Leistung ins Netz abgegeben indem Wasser vom oberen Becken über die Turbine ins untere Becken gefördert wird.

Typischer Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerkes

In diesem Forschungsprojekt werden in Kooperation mit der Firma Andritz Hydro Regelungsstrategien für den optimalen dynamischen Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken entwickelt. Hier werden insbesondere drehzahlvariable Anlagen betrachtet, bei denen die elektrische Maschine (doppelt-gespeiste Asynchronmaschine oder Synchronmaschine) über einen elektrischen Umrichter mit dem Netz verbunden ist. Dies erlaubt eine Anpassung der Drehzahl der Maschine und der damit starr gekoppelten Turbine, womit eine Verbesserung der Dynamik und des Wirkungsgrades insbesondere für den Teillastbereich erreicht werden kann. Ein typischer Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks mit doppelt-gespeisten Asynchronmaschinen (DFIM) ist in Abb. 2 dargestellt.

Komponenten eines drehzahlvariablen Pumpspeicherkraftwerks

Eine wesentliche Schwierigkeit bei der dynamischen Regelung von Pumpspeicherkraftwerken sind die häufig sehr langen Rohrleitungen (im Bereich von bis zu einigen Kilometern), die die Turbinen mit den Becken verbinden. Bei schnellen Verstellungen der Turbine werden dabei Druckwellen angeregt, die sich in den Leitungen ausbreiten (Druckstoß) und zu einer hohen Belastung bis zum Defekt der Rohrleitungen führen können. Die Abb. 3 zeigt einen typischen Verlauf des Drucks und des Volumenstroms entlang einer Druckrohrleitung bei einem schnellen Schließen der Turbine.

Örtlicher und zeitlicher Verlauf des Drucks und Volumenstroms einer Rohrleitung

Um diese Effekte zu beschreiben werden in diesem Projekt Approximationen der infinit-dimensionalen Gleichungen hergeleitet, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf eine möglichst hohe numerische Effizienz gelegt wird. Dies ist vor allem für den Einsatz der Modelle in modellbasierten Regelungsstrategien von besonderer Bedeutung. Auf Basis dieser Modelle werden optimale Regelungsstrategien, insbesondere modellprädiktive Ansätze, untersucht. Das Ziel ist dabei eine wesentliche Erhöhung der Regeldynamik (und damit des Potenzials für eine Stabilisierung von Schwankungen im Verteilnetz) bei Beibehaltung bzw. Erhöhung des Wirkungsgrads. Um die Vielzahl von möglichen Anlagentopologien (Anzahl der Rohrleitungen, Anzahl der Turbinen, Generatortyp) zu berücksichtigen wird durchgehend ein modellbasierter Ansatz unter Verwendung von Konstruktionsparametern der Anlagen verfolgt.

Ausgewählte Publikationen

  • J. Schmidt, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Modeling and static optimization of a variable speed pumped storage power plant, Renewable Energy, vol. 111, p. 38–51, 2017.
    [BibTex] [Download]
    @Article{Schmidt17,
    Title = {Modeling and static optimization of a variable speed pumped storage power plant},
    Author = {Schmidt, J. and Kemmetm\"uller, W. and Kugi, A.},
    Journal = {Renewable Energy},
    Pages = {38--51},
    Volume = {111},
    Year = {2017},
    Doi = {10.1016/j.renene.2017.03.055},
    ISSN = {0960-1481},
    }
  • J. -F. Mennemann, J. Schmidt, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Simulation von Welleneffekten in Pumpspeicherkraftwerken mit Hilfe der Spektral-Element-Methode, at – Automatisierungstechnik, vol. 64, iss. 8, p. 681–695, 2016.
    [BibTex]
    @Article{Mennemann16,
    Title = {{Simulation von Welleneffekten in Pumpspeicherkraftwerken mit Hilfe der Spektral-Element-Methode}},
    Author = {Mennemann, J.-F. and Schmidt, J. and Kemmetm{\"u}ller, W. and Kugi, A.},
    Journal = {at -- Automatisierungstechnik},
    Pages = {681--695},
    Volume = {64},
    Year = {2016},
    Number = {8},
    Doi = {10.1515/auto-2016-0061},
    ISSN = {0178-2312},
    }
  • J. Mennemann, J. Schmidt, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Anwendung der Spectral-Penalty-Methode zur effizienten Diskretisierung der Massen- und Impulsbilanzgleichungen in Rohrleitungssystemen von Pumpspeicherkraftwerken, in Tagungsband GMA-Fachausschuss 1.30 “Modellbildung, Identifikation und Simulation in der Automatisierungstechnik”, Anif/Salzburg, Austria, 2015, p. 56–95.
    [BibTex]
    @InProceedings{Mennemann15,
    author = {Mennemann, Jan-Frederik and Schmidt, J. and Kemmetm\"uller, W. and Kugi, A.},
    title = {{Anwendung der Spectral-Penalty-Methode zur effizienten Diskretisierung der Massen- und Impulsbilanzgleichungen in Rohrleitungssystemen von Pumpspeicherkraftwerken}},
    booktitle = {Tagungsband GMA-Fachausschuss 1.30 "Modellbildung, Identifikation und Simulation in der Automatisierungstechnik"},
    year = {2015},
    month = {9},
    isbn = {978-3-9815012-9-2},
    pages = {56--95},
    address = {Anif/Salzburg, Austria},
    }
  • J. Schmidt, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Modellierung und Analyse eines Pumpspeicherkraftwerks mit drehzahlvariablem Generator, in Tagungsband GMA-Fachausschuss 1.30 “Modellbildung, Identifikation und Simulation in der Automatisierungstechnik”, Anif/Salzburg, Austria, 2014, p. 38–68.
    [BibTex]
    @InProceedings{Schmidt14,
    author = {Schmidt, J. and Kemmetm\"uller, W. and Kugi, A.},
    title = {Modellierung und {A}nalyse eines {P}umpspeicherkraftwerks mit drehzahlvariablem {G}enerator},
    booktitle = {Tagungsband GMA-Fachausschuss 1.30 "Modellbildung, Identifikation und Simulation in der Automatisierungstechnik"},
    year = {2014},
    month = {9},
    pages = {38--68},
    address = {Anif/Salzburg, Austria},
    }

Projektpartner und Förderung