Objective: Aim is to modify two small hydropower plants to variable speed operation in order to increase annual energy output by improved part load efficiency and design flow. A 100 kW vertical axis Francis turbine (Kaltenburg, DE) and a new 18 kW waterwheel (Bettborn, LU) will be modified to variable speed operation by use of a AC-AC converter. There will be installed a movable free-overfall weir at the waterwheel. By an expected increase of the electricity production in the range of 10 to 20 per cent , the aim is to proof viability of improving existing low head hydro sites with this technology. Especially low head sites have high variation of head and flow. Variable speed technology allows the system to operate at maximum efficiency for a wide range of hydraulic conditions. Modern power electronics replaces complex mechanical control systems with a high need for maintenance. In wind energy, variable speed technology has already proven its advantages compared to other mechanical technologies. General Information: Unlike earlier approaches with a combination of double regulated turbines and variable speed in a new installation, in this project the combination of a Francis turbine (respectively a water wheel) in existing plants together with a frequency converter will be used to increase part load efficiency and design flow of the system. Only the new IGBT controlled converters which are now used in wind energy as well as in motive power industry appliances can guarantee a reliable variable speed operation of a normal asynchronous generator. The combination of the movable weir and variable speed operation of the water wheel will allow to optimise the power output of the plant under all conditions. The use of an IGBT converter makes it possible to compensate reactive power to improve the mains performance. Due to detailed theoretical analysis and according to the positive experience with variable speed operation in wind energy and motive power technology, the expected increase of the annual power output of the two plants is in the range of 10 to 20 per cent of the actual value. This will reduce the specific cost of the electricity by the same range. For the actual payback tariffs of many European countries, this will increase the number of feasible low head sites. The top water level control by variation of turbine speed (and so flow) will be demonstrated to show a simple, reliable and energy saving alternative to the old hydraulic systems, which are still installed in many sites. The success of the variable speed system in this plants will open a big European SME market for cheap technological improvement of small hydropower plants and low head sites. The monitored performance of the plants data will be stored in a data logger with a modem, to allow automatic down-loading from a server-PC via modem. ... Prime Contractor: Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik/Informatik, Institut für Elektrische Energietechnik - IEE; Kassel; Germany.
Das Teilvorhaben der H-BRS legt ihren Fokus auf die Entwicklung von Prüfsequenzen zur normativen Validierung dynamischer Vorgänge von netzbildenden Erzeugungsanlagen und die Laborprüfung der Prüfsequenzen. Hierfür sollen zunächst die Anforderungen an das Interface des Echtzeitsystems, beim Betrieb von netzbildenden Anlagen (NBAs), im Hinblick auf Stabilität, Genauigkeit und Grenzen analysiert werden. Darauf aufbauend werden Prüfsequenzen für eine Power Hardware-in-the-Loop (P-HiL) Umgebung entwickelt. Außerdem soll ein automatischer Testablauf, zum Abfahren der Prüfsequenzen und zur Automatisierung des Prüfsystems erstellt werden. Vor der Anwendung auf dem Gesamtsystem soll eine Vorvalidierung im kleinen Maßstab durchgeführt werden. Dazu werden die Anforderungen an das Gesamtsystem übernommen und ein Aufbau mit geringeren Leistungen und den entwickelten Benchmarknetzen vorbereitet. Die automatisierten Prüfsequenzen werden dann mit dem Konsortium geteilt, um den Gesamtaufbau zu realisieren. Ein weiteres Arbeitspaket befasst sich mit der dynamischen Verstärkereinheit. Hier soll ein Konzept zur Weiterentwicklung der Hardware erstellt werden. Das Konzept wird theoretisch untersucht und dann beim Aufbau des Hybridverstärkers umgesetzt. Für die Leistungsimpedanz wird die Hardwareentwicklung der Ansteuerung durch die H-BRS durchgeführt. Nach der Übergabe an das IEE wird die Auslegung der Regelung und der Laboraufbau zur Validierung begleitet. Zuletzt wird in Zusammenarbeit mit den anderen Projektpartnern die Labordemonstration des Gesamtsystems durchgeführt. Dabei wird die Interoperabilität der Stromrichter mit netzbildenden Eigenschaften untersucht und die Testsequenzen werden ausgewertet.
Heute wird das Stromnetz durch Synchrongeneratoren (SG) in konventionellen Großkraftwerken geformt und stabilisiert. Dabei gewährleistet die in den rotierenden Massen der Erzeuger gespeicherte kinetische Energie den Ausgleich von elektrischer Last und Erzeugung. Diese sog. Momentanreserve sorgt für die Stabilisierung des Netzes ohne Regelungseingriff. Durch den Kohle- und Kernkraftausstieg werden konventionelle Großkraftwerke zukünftig durch dezentrale und volatile Erzeugungsanlagen ersetzt. Dabei ist zu beachten, dass erneuerbare Erzeuger wie PV und Wind über Stromrichter an das Netz angebunden sind. Damit nimmt die Durchdringung des Netzes mit stromrichterbasierten Technologien zu, während die SG stetig aus dem Netz verdrängt werden. Folglich führt das Abschalten konventioneller Einheiten zu Stabilitätsproblemen, wenn das heutige Regelverhalten der Stromrichter beibehalten wird. Daher sind neuartige Netzregelkraftwerke (INK) zu entwickeln, welche ihre Energie aus nachhaltigen Quellen beziehen. Hierfür arbeiten zwei Professuren der TU Dresden, die Professur für Leistungselektronik (LE) und die Professur für Energieverfahrenstechnik (EVT) in einem Teilprojekt zur Entwicklung genau eines solchen neuartigen wasserstoffbasierten Kraftwerks zusammen. Schwerpunkte sind neben der Spezifikation von Komponenten und Prozessen der Entwicklung einer angepassten Kraftwerkssteuerung, die Erstellung eines Prozessmanagementansatzes für das INK sowie die Entwicklung einer neuen Leistungselektronik. Diese Arbeiten umfassen die gezielte Modellierung von Stoff- und Energieströmen seitens EVT, Analysen zum Inselnetzbetrieb und Schwarzstartfähigkeit, zur Optimierung der Netzdienstleistung und zu Stabilitätsuntersuchungen durch LE. Weitere Schwerpunkte sind Analysen zur Rückgewinnung und -reintegration von Stoff- und Energieströmen, die Zusammenarbeit bei der Entwicklung eines Digitalen Zwillings sowie der Bau, die Inbetriebnahme und der wissenschaftliche Forschungsbetrieb des INK.
DESIRE ist eine an der HTW Berlin entwickelte Simulationsumgebung für regenerative Energiesysteme. Obwohl diese Simulationsumgebung extrem viele Freiheitsgrade bietet, ist ein Erlernen auch für Personen mit geringeren Computerkenntnissen in kürzester Zeit möglich. Um dies zu erreichen, baut DESIRE auf MS Excel als Entwicklungsumgebung auf, wobei Geschwindigkeitsnachteile von MS Excel bei komplexen Simulationsrechnungen durch die Entwicklung höherer Funktionsbibliotheken in einer höheren Programmiersprache wie C++ in Form von Dynamic Link Libraries (DLL) kompensiert werden. DESIRE enthält verschiedene Funktionsbibliotheken aus unterschiedlichen Bereichen regenerativer Energien, die sich dynamisch zu Werkzeugen oder komplexen Simulationsmodulen kombinieren lassen. Zahlreiche Analyse- und Simulationswerkzeuge (Tools) bieten auch dem Laien die Möglichkeiten der Analyse regenerativer Energiesysteme mit DESIRE. Eine Online-Version von DESIRE ermöglicht zusätzlich das Ausführen von DESIRE-Tools auch direkt über das Internet und erweitert so das eLearning-Angebot der HTW Berlin. Die Tools wurden in JAVA implementiert und erfordern zum Ausführen lediglich einen Webbrowser und ein aktuelles JAVA-Plugin. Hier können Anwender spielerisch komplexe funktionale Zusammenhänge verinnerlichen. DESIRE ist ein internes Projekt der HTW Berlin. Die Simulationsumgebung wird inzwischen in der Lehre und in weiteren Drittmittelprojekten wie dem Solar Decathlon Europe (SDE) eingesetzt.