Was ist das Erregersystem eines Wasserkraftwerks?

Flüsse in der Natur weisen alle ein bestimmtes Gefälle auf. Das Wasser fließt unter dem Einfluss der Schwerkraft entlang des Flussbetts. Wasser in höheren Lagen birgt ein hohes Maß an potenzieller Energie. Mithilfe von Wasserbauwerken und elektromechanischen Anlagen lässt sich diese Wasserenergie in elektrische Energie umwandeln – man spricht dann von Wasserkraft. Das Prinzip der Wasserkraftnutzung beruht auf der elektromagnetischen Induktion: Schneidet ein Leiter die magnetischen Feldlinien in einem Magnetfeld, wird ein Strom erzeugt. Die Bewegung des Leiters im Magnetfeld wird durch den Wasserstrom bewirkt, der auf die Turbine trifft und so die Wasserenergie in Rotationsenergie umwandelt. Das Magnetfeld selbst wird fast immer durch den Erregerstrom erzeugt, der durch die Rotorwicklung des Generators fließt – der Magnetismus wird also durch Elektrizität erzeugt.
1. Was ist das Erregersystem? Um Energie umzuwandeln, benötigt der Synchrongenerator ein magnetisches Gleichfeld. Der Gleichstrom, der dieses Magnetfeld erzeugt, wird als Erregerstrom des Generators bezeichnet. Im Allgemeinen wird der Prozess der Magnetfeldbildung im Generatorrotor nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion als Erregung bezeichnet. Das Erregersystem umfasst alle Komponenten, die den Erregerstrom für den Synchrongenerator bereitstellen. Es ist ein wichtiger Bestandteil des Synchrongenerators und besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten: dem Erregerleistungsaggregat und dem Erregerregler. Das Erregerleistungsaggregat versorgt den Rotor des Synchrongenerators mit Erregerstrom, und der Erregerregler steuert die Ausgangsleistung des Erregerleistungsaggregats anhand des Eingangssignals und vorgegebener Regelkriterien.

2. Funktion des Erregersystems Das Erregersystem hat folgende Hauptfunktionen: (1) Im Normalbetrieb liefert es den Erregerstrom für den Generator und passt diesen gemäß vorgegebener Gesetze in Abhängigkeit von der Generatorklemmenspannung und den Lastbedingungen an, um die Spannungsstabilität zu gewährleisten. Warum kann die Spannungsstabilität durch die Anpassung des Erregerstroms aufrechterhalten werden? Es besteht ein Näherungszusammenhang zwischen dem induzierten Potenzial (d. h. dem Leerlaufpotenzial) Ed der Generatorstatorwicklung, der Klemmenspannung Ug, dem Blindstrom Ir des Generators und der Längssynchronreaktanz Xd.
Das induzierte Potenzial Ed ist proportional zum magnetischen Fluss, und der magnetische Fluss hängt von der Stärke des Erregerstroms ab. Bleibt der Erregerstrom konstant, bleiben auch der magnetische Fluss und das induzierte Potenzial Ed unverändert. Aus der obigen Formel geht hervor, dass die Klemmenspannung des Generators mit zunehmendem Blindstrom sinkt. Um jedoch die Anforderungen des Nutzers an die Netzqualität zu erfüllen, sollte die Klemmenspannung des Generators im Wesentlichen konstant bleiben. Dies lässt sich erreichen, indem der Erregerstrom des Generators entsprechend dem Blindstrom Ir (d. h. der Last) angepasst wird. (2) Entsprechend den Lastbedingungen wird der Erregerstrom nach einer vorgegebenen Regel angepasst, um die Blindleistung zu regulieren. Warum ist die Anpassung der Blindleistung notwendig? Viele elektrische Geräte, wie Transformatoren, Motoren und Schweißgeräte, arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Sie alle nutzen die Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds zur Energieumwandlung und -übertragung. Die elektrische Leistung, die zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds und des induzierten magnetischen Flusses benötigt wird, wird als Blindleistung bezeichnet. Alle elektrischen Geräte mit elektromagnetischen Spulen benötigen Blindleistung, um ein Magnetfeld aufzubauen. Ohne Blindleistung dreht sich der Motor nicht, der Transformator kann die Spannung nicht umwandeln, und viele elektrische Geräte funktionieren nicht. Blindleistung ist daher keineswegs nutzlos. Normalerweise beziehen elektrische Geräte nicht nur Wirkleistung, sondern auch Blindleistung vom Generator. Bei einem Blindleistungsmangel im Stromnetz steht den Geräten nicht genügend Blindleistung zur Verfügung, um ein ausreichendes elektromagnetisches Feld aufzubauen. Dadurch können diese Geräte ihren Nennbetrieb nicht aufrechterhalten, die Klemmenspannung sinkt und der normale Betrieb wird beeinträchtigt. Daher ist es notwendig, die Blindleistung an die tatsächliche Last anzupassen. Die vom Generator abgegebene Blindleistung hängt von der Größe des Erregerstroms ab. Das genaue Prinzip wird hier nicht weiter erläutert. (3) Bei einem Kurzschluss im Stromnetz oder einem anderen Grund, der zu einem starken Spannungsabfall am Generator führt, kann der Generator zwangserregt werden, um die dynamische Stabilität des Stromnetzes und die Genauigkeit des Relais-Schutzes zu verbessern. (4) Bei einer Generatorüberspannung, beispielsweise durch plötzliche Lastabwürfe, kann der Generator zwangsentmagnetisiert werden, um einen übermäßigen Anstieg der Generatorspannung zu begrenzen. (5) Verbesserung der statischen Stabilität des Stromnetzes. (6) Bei einem Kurzschluss zwischen zwei Phasen im Generator oder an seinen Zuleitungen bzw. bei zu hoher Generatorspannung wird die Entmagnetisierung schnell durchgeführt, um die Ausbreitung des Störfalls zu begrenzen. (7) Die Blindleistung der parallelgeschalteten Generatoren kann sinnvoll verteilt werden.

3. Klassifizierung von Erregersystemen. Je nach Art der Erregerstromversorgung (d. h. der Art der Stromversorgung) lassen sich Erregersysteme in Fremd- und Eigenerregung unterteilen: Bei Fremderregung wird der Erregerstrom von einer externen Stromquelle bezogen, bei Eigenerregung hingegen vom Generator selbst. Nach der Gleichrichtungsmethode unterscheidet man zwischen Dreherregung und statischer Erregung. Statische Erregersysteme benötigen keine separate Erregermaschine. Wird die Erregerleistung vom Generator selbst bezogen, spricht man von statischer Eigenerregung. Diese lässt sich wiederum in parallele und kombinierte Eigenerregung unterteilen.
Die gebräuchlichste Erregungsmethode ist die statische Selbstparallel-Erregung, wie in der Abbildung unten dargestellt. Sie bezieht die Erregerleistung über den an den Generatorausgang angeschlossenen Gleichrichtertransformator und liefert nach der Gleichrichtung den Generator-Erregerstrom.
Verdrahtungsplan eines selbstparallel erregten statischen Gleichrichtererregungssystems

Das statische Erregersystem mit Selbstparallel-Erregung besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: Erregertransformator, Gleichrichter, Entmagnetisierungseinrichtung, Regler und Überspannungsschutzeinrichtung. Diese fünf Komponenten erfüllen jeweils folgende Funktionen:
(1) Erregertransformator: Die Spannung am Maschinenende auf eine Spannung reduzieren, die dem Gleichrichter entspricht.
(2) Gleichrichter: Er ist die Kernkomponente des gesamten Systems. Zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wird häufig eine dreiphasige, vollgesteuerte Brückenschaltung verwendet.
(3) Entmagnetisierungsvorrichtung: Die Entmagnetisierungsvorrichtung besteht aus zwei Teilen, dem Entmagnetisierungsschalter und dem Entmagnetisierungswiderstand. Diese Vorrichtung sorgt im Falle eines Unfalls für die schnelle Entmagnetisierung des Geräts.
(4) Regelungsregler: Die Steuereinrichtung des Erregersystems ändert den Erregerstrom durch Steuerung des Leitwinkels des Thyristors der Gleichrichtereinrichtung, um die Blindleistung und die Spannung des Generators zu regeln.
(5) Überspannungsschutz: Wenn im Generatorrotorkreis eine Überspannung auftritt, wird der Stromkreis eingeschaltet, um die Überspannungsenergie zu verbrauchen, den Überspannungswert zu begrenzen und die Generatorrotorwicklung sowie die daran angeschlossenen Geräte zu schützen.
Die Vorteile des statischen Erregersystems mit Selbstparallel-Erregung sind: einfacher Aufbau, geringerer Geräteaufwand, niedrige Investitionskosten und geringer Wartungsaufwand. Der Nachteil besteht darin, dass bei einem Kurzschluss des Generators oder des Systems der Erregerstrom ausfällt oder stark abfällt, während er in diesem Fall stark erhöht werden muss (d. h. Zwangserregung). Da moderne Großanlagen jedoch meist geschlossene Sammelschienen verwenden und Hochspannungsnetze in der Regel mit Schnellschutz und hoher Zuverlässigkeit ausgestattet sind, nimmt die Anzahl der Anlagen mit dieser Erregungsmethode zu. Sie ist auch die in Vorschriften und Spezifikationen empfohlene Erregungsmethode. 4. Elektrische Bremsung der Anlage: Beim Entlasten und Abschalten der Anlage wird aufgrund der hohen Rotationsmasse des Rotors ein Teil der mechanischen Energie gespeichert. Diese Energie kann erst vollständig abgebaut werden, nachdem sie in Reibungswärme der Axial- und Führungslager sowie der Luft umgewandelt wurde. Da der Reibungsverlust der Luft proportional zum Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit ist, sinkt die Rotordrehzahl zunächst sehr schnell und verharrt dann lange Zeit mit niedriger Drehzahl im Leerlauf. Bei längerem Betrieb der Anlage mit niedriger Drehzahl kann die Druckbuchse durchbrennen, da sich kein Ölfilm zwischen der Spiegelplatte unter dem Druckkopf und der Lagerbuchse ausbilden kann. Daher muss während des Abschaltvorgangs, sobald die Drehzahl der Anlage einen bestimmten Wert unterschreitet, das Bremssystem aktiviert werden. Die Bremsung erfolgt elektrisch, mechanisch oder kombiniert. Bei der elektrischen Bremsung wird der Stator des Drehstromgenerators am Maschinenausgang kurzgeschlossen, nachdem der Generator entkoppelt und entmagnetisiert wurde. Anschließend wird gewartet, bis die Drehzahl der Anlage auf etwa 50 % bis 60 % der Nenndrehzahl gesunken ist. Durch eine Reihe logischer Operationen wird die Bremsleistung bereitgestellt, und der Erregerregler schaltet in den elektrischen Bremsmodus, um der Generatorrotorwicklung Erregerstrom zuzuführen. Da der Generator rotiert, induziert der Stator unter dem Einfluss des Rotormagnetfelds einen Kurzschlussstrom. Das erzeugte elektromagnetische Drehmoment wirkt der Trägheitsrichtung des Rotors entgegen und bewirkt so die Bremswirkung. Bei der Realisierung einer elektrischen Bremsung muss die Bremsstromversorgung extern bereitgestellt werden, was eng mit der Hauptschaltung des Erregersystems zusammenhängt. Verschiedene Möglichkeiten zur Bereitstellung der Erregerstromversorgung für die elektrische Bremse sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
Verschiedene Möglichkeiten zur Gewinnung der Erregerspannung für die elektrische Bremse
Bei der ersten Methode handelt es sich um eine selbstparallelgeschaltete Erregerschaltung. Im Kurzschlussfall am Maschinenende wird der Erregertransformator nicht mit Strom versorgt. Die Bremsstromversorgung erfolgt über einen separaten Bremstransformator, der an das Kraftwerksnetz angeschlossen ist. Wie bereits erwähnt, verwenden die meisten Wasserkraftprojekte ein statisches Gleichrichter-Erregersystem mit selbstparallelgeschalteter Erregung. Wirtschaftlicher ist es, für das Erregersystem und das elektrische Bremssystem eine Gleichrichterbrücke zu verwenden. Daher ist diese Methode zur Stromversorgung der elektrischen Bremse weit verbreitet. Der Ablauf der elektrischen Bremsung ist in diesem Fall wie folgt:
(1) Der Leitungsschutzschalter am Geräteausgang wird geöffnet und das System wird entkoppelt.
(2) Die Rotorwicklung wird entmagnetisiert.
(3) Der Leistungsschalter auf der Sekundärseite des Erregertransformators wird geöffnet.
(4) Der Kurzschlussschalter der elektrischen Bremse des Geräts ist geschlossen.
(5) Der Leistungsschalter auf der Sekundärseite des elektrischen Bremstransformators ist geschlossen.
(6) Der Gleichrichterbrückenthyristor wird zum Leiten angesteuert, und das Gerät geht in den elektrischen Bremszustand über.
(7) Bei Stillstand der Einheit wird die elektrische Bremse gelöst (bei kombinierter Bremsung wird bei Erreichen von 5 % bis 10 % der Nenndrehzahl die mechanische Bremse aktiviert). 5. Intelligentes Erregersystem: Ein intelligentes Wasserkraftwerk ist ein Wasserkraftwerk oder eine Wasserkraftwerksgruppe mit digitaler Informationsverarbeitung, Kommunikationsnetzwerken, integrierter Standardisierung, Geschäftsprozessintegration, Betriebsoptimierung und intelligenter Entscheidungsfindung. Intelligente Wasserkraftwerke sind vertikal in Prozess-, Einheiten- und Kraftwerkssteuerungsebene unterteilt und nutzen eine 3-Schichten-2-Netzwerkstruktur aus Prozessnetzwerk (GOOSE-Netzwerk, SV-Netzwerk) und Kraftwerkssteuerungsnetzwerk (MMS-Netzwerk). Intelligente Wasserkraftwerke benötigen intelligente Ausrüstung. Als zentrales Steuerungssystem des Wasserturbinengeneratorsatzes spielt die technologische Entwicklung des Erregersystems eine wichtige Rolle beim Aufbau intelligenter Wasserkraftwerke.
In intelligenten Wasserkraftwerken muss das Erregersystem neben grundlegenden Aufgaben wie dem Starten und Stoppen des Turbinengenerators, der Erhöhung und Verringerung der Blindleistung sowie der Notabschaltung auch die Datenmodellierungs- und Kommunikationsfunktionen gemäß IEC 61850 erfüllen und die Kommunikation mit dem Kraftwerksleitsystem (MMS-Netzwerk) und dem Prozessnetzwerk (GOOSE-Netzwerk und SV-Netzwerk) unterstützen. Die Erregersystemkomponenten sind auf der Kraftwerksebene angeordnet, während die Zusammenführungseinheit, das intelligente Terminal, die Hilfssteuereinheit und weitere Geräte oder intelligente Anlagen auf der Prozessebene angesiedelt sind. Die Systemstruktur ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Intelligentes Erregersystem
Der Host-Rechner der Stationsleittechnik des intelligenten Wasserkraftwerks erfüllt die Anforderungen des Kommunikationsstandards IEC 61850 und sendet das Signal des Erregersystems über das MMS-Netzwerk an den Host-Rechner des Überwachungssystems. Das intelligente Erregersystem muss sich mit den Switches des GOOSE-Netzwerks und des SV-Netzwerks verbinden können, um Daten auf der Prozessebene zu erfassen. Die Prozessebene erfordert, dass die von Stromwandlern (CT), Spannungswandlern (PT) und lokalen Komponenten ausgegebenen Daten vollständig digital vorliegen. CT und PT sind mit der Zusammenführungseinheit verbunden (elektronische Transformatoren über Glasfaserkabel, elektromagnetische Transformatoren über Kabel). Nach der Digitalisierung der Strom- und Spannungsdaten werden diese über Glasfaserkabel an den SV-Netzwerk-Switch übertragen. Die lokalen Komponenten müssen über Kabel mit dem intelligenten Terminal verbunden sein. Die Schalt- oder Analogsignale werden in digitale Signale umgewandelt und über Glasfaserkabel an den GOOSE-Netzwerk-Switch übertragen. Aktuell verfügt das Erregersystem über die grundlegende Kommunikationsfunktion mit dem MMS-Netzwerk der Stationsleittechnik und dem GOOSE/SV-Netzwerk der Prozessebene. Zusätzlich zur Erfüllung der Anforderungen an die Netzwerkkommunikation gemäß IEC 61850 sollte das intelligente Erregersystem über umfassende Online-Überwachung, intelligente Fehlerdiagnose sowie komfortable Test- und Wartungsfunktionen verfügen. Die Leistungsfähigkeit und der praktische Nutzen des voll funktionsfähigen intelligenten Erregersystems müssen zukünftig in realen technischen Anwendungen getestet werden.