TIA Regelung Wasserkraftwerk - Hydraulische Verstellung

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Thomas_v2.1 schrieb:
Da du bei dir nur eine Stellgröße hast, wäre der oder zumindest ein lokaler optimaler Betriebspunkt mit einem relativ einfach zu programmierenden Extremwertregler zu finden. Das war schon mal Thema und ich hatte dazu auch mein ein kleines Testprogramm geschrieben:
https://www.sps-forum.de/programmie...raenderlichen-wertes-bilden-3.html#post411066
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Danke für den interessanten Link, Thomas.
Wir haben hier zwar nur eine Stellgrösse, also eine recht übersichtliche Anordnung, aber was haben wir denn ausserdem noch?
Nach welchem Gesichtspunkt soll man denn hier optimieren? Das Thema Leistung wurde mittlerweile wieder in den Hintergrund geschoben, das Thema Durchflussmessung bleibt weiterhin aussen vor.
Wie soll man so z.B. einem optimalen Wirkungsgrad für die Kombination aus Turbine und Generator näherkommen?
Wir können bestenfalls darauf spekulieren, das das ersehnte Optimum überhaupt in dem Bereich liegt, der durch die vorhandene Wasserversorgung gegeben bzw. begrenzt ist, weil ein manuelles Verstellen der Schaufeln offensichtlich Wirkung zeigt. Aber welche, nicht einmal das erfahren wir in einer wirklich greifbaren - um nicht zu sagen messbaren - Form.
Den Füllstand eines Reservoirs zu regeln, benötigt man keine Turbine. Was wollen wir bezüglich der Turbine regeln?
Sie soll die zur Verfügung stehende Wassermenge sicherlich möglichst effektiv in elektrische Energie wandeln. Woher nehmen wir die Kriterien, die Istwerte.
Soll sie möglichst ununterbrochen in Betrieb sein oder möglichst nur dann, wenn ein effektiver Betrieb zu erwarten ist.
Was wissen wir über den Wasserzufluss? Wetterabhängig? Jahreszeitabhängig? Ziemlich konstant?
Ich glaube mittlerweile, es geht hier mehr um Taktik und Strategie, betrachtet über einen längeren Zeitraum, als um das Regeln auf irgendein kurzfristiges Optimum bei ständig schwankenden, verfügbaren Wassermengen. Dabei ist mir immer noch sehr unklar, wo die Grenzen des Systems am "unteren Rand" liegen - für eine Begrenzung nach oben sorgen der maximal mögliche Durchfluss und der Überlauf des Reservoirs. Wie gross ist der kleinste halbwegs nutzbare Durchfluss und kann man den Durchfluss mit den Schaufeln überhaupt so weit herunter"regeln" geschweige denn stoppen?
Ich fürchte, wir warten uns hier einen Wolf, auf der Suche nach etwas, das man als Regelung interpretieren könnte.
 
Ich habe so eine Wasserturbine auch selber noch nicht angesteuert, aber so etwas als Blackbox schon einmal angebunden ohne zu wissen wie das funktioniert.

Soweit ich das gelesen habe, wird bei Francis-Turbinen mit der Schaufelverstellung der Wasserzufluss geregelt. Haupt-Sollwert scheint üblicherweise die Turbinendrehzahl zu sein (vermutlich um mit dem Generator 50 Hz zu erzeugen). Eine Regelung gleicht dann die unterschiedlichen Höhenstände / Wasserdrücke aus, d.h. bei sinkendem Wasserstand müssen die Schaufeln weiter öffnen um mehr Wasser bei geringerem Druck durchzulassen um die gleiche Leistung zu erbringen. Darum auch meine Vermutung, dass die Turbine hier außerhalb ihres Nennbereichs betrieben wird, wenn sich trotz weiter öffnenden Schaufeln die Leistung verringert. Wenn er den Höhenstand misst, dann liegen eigentlich alle Daten vor sodass keine Regelung sondern eine Steuerung möglich wäre, vorausgesetzt der Hersteller hat seine Konstruktion einmal vermessen und Kennlinien aufgenommen.

Ich habe eben noch über die Google Suche eine Diplomarbeit zur Leistungsoptimierung einer Kaplan-Turbine gefunden, bei der die Schaufeln des Einlaufs wie auch die der Turbine verstellbar ausgeführt sind (also zwei Stellgrößen). So wie der Autor schreibt existieren dazu üblicherweise Kennfelder, aber er hat dazu im Rahmen seiner Diplomarbeit eine Optimierungsfunktion entwickelt. Bei zwei Einflussmöglichkeiten ist das nicht mehr ganz so einfach den optimalen Betriebspunkt zu finden.
 
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Wir hatten früher auch eine kleine Wasserkraftanlage (Baujahr ca. 1930, 10kW).
Es hat sich so verhalten wie Thomas schreibt. Die Turbine hat einen Arbeitspunkt.
Die Einstellung muss zu der zur Verfügung stehenden Wassermenge passen.
Das direkte Erfassen der Wassermenge ist aber gar nicht so einfach.
Meist wurde für diese Anlagen von einem Hauptgewässer ein Abzweig gegraben.
Der Wasserstand in diesem Abzweig ist natürlich abhängig vom Hauptgewässer, aber eben auch von der Turbineneinstellung.
"Dreht" man die Turbine zu weit zu, dann steigt der Wasserpegel und irgendwann geht das Wasser ungenutzt in den Überlauf.
Dreht man die Turbine zu weit auf, dann sinkt der Wasserpegel und irgendwann plätschert (so wie Thomas es beschreibt) das Wasser nur noch auf die Schaufeln.
Die Turbine wird ausserhalb des Arbeitspunktes betrieben.
Als Istwerte hat man die Leistung der Turbine, Wasserpegel und evtl. die Schaufelstellung.
Eigentlich ist der absolute Wasserpegel nicht wichtig, sondern die Veränderung des Wasserpegels.


Gruß
Blockmove
 
Hallo zusammen,

hier ist ja mittlerweile eine rege Diskussion entstanden, das habe ich so nicht erwartet.

Vielen Dank auf alle Fälle schon mal für die Beteiligung.

Ich versuche jetzt nochmal auf einige Fragen einzugehen und meine Beobachtungen nochmal etwas niederschreiben.

Heinileini schrieb:
Zu 2.:Sind die Schaufeln überhaupt geeignet, den Durchfluss zu begrenzen bzw. ganz zu stoppen?
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Ja das können Sie, ganz zu ist ganz zu :ROFLMAO:

Heinileini schrieb:
Zu 1.:
Wir auch. Schwankt evtl. auch die Leistung, die benötigt wird oder kannst Du pausenlos so viel Leistung einspeisen, wie der Wasserstand hergibt?
Gibt es z.B. Tageszeiten, zu denen Du bevorzugt viel (bzw. wenig oder keine) Leistung einspeisen solltest?
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Nein, speißt kontinuierlich ein und darf Sie auch.



Wir betreiben einen Asynchrongenerator der nur am Netz hängt und einspeisst. Drehzahlregelung ist außen vor.

Was Blockmove schreibt kann ich so bestätigen.

Tatsächlichen hängen wir direkt im Hauptgewässer. Hier gibt es aber in letzter Zeit viel weniger Wasser als es schon mal war, tut aber eigentlich nicht viel zur Sache.

Beobachtung ist folgende:

Wenn man die Turbine komplett öffnet erhöht sich die Leistung momentan signifikant. Durchfluss wird logischerweise höher.
-> Stand sinkt dann wieder und Leistung nimmt wieder ab.

Öffnet man die Turbine komplett läuft das Reservoir ziemlich schnell leer und der Generator wird motorisch
-> Wann genau der Stand "unter kritisch" wird müsste ich mal aufzeichen, ob es allerdings relevant ist, ist wieder was anderes.

Macht man die Turbine fast ganz zu, sinkt die Leistung natürlich auch und der Stand erhohlt sich sehr langsam.
-> Wann der Stand "über kritisch" wird kann ich auch noch nicht sagen, ist aber denke ich eher interessant da darunter wohl der Arbeitspunkt liegt.

Heinileini schrieb:
Deinen Ansatz, Dagobert, mit dem Regeln auf maximalen (dem Füllstand angepassten) Durchfluss habe ich verstanden.
Aber, wenn ich den TE richtig verstanden habe, bedeutet maximaler Durchfluss eben nicht, dass damit auch maximale Leistung erreicht wird.
Was meinst Du also mit "die Leistung ist dabei primär"?
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Die Entscheidende größe scheint mir der Durchfluss zu sein. Der Durchluss kann bei gleichem Stand ja höher oder niedriger sein.
Den habe ich mal versucht über die Francis Kennlinie zu ermitteln. Den Weg über die elektrische Leistung auf die mechanische zu kommen, dann über die Kennlinie auf den Durchfluss.
Das wurde allerdings extrem schwammig und führte zu nicht viel.

Für mich stellen sich zwei Grundsätzliche fragen: regelt man einfach auf den Arbeitspunkt / optimum und hat über den Tag kontinuierlich eine Leistung X?
Mit einer Probierregelung öffnet er ja solang die Leistung steigt, hier verbrate ich das reservoir, habe ggf. eine Stunde lang eine Leistung über X dann aber 5 Stunden Leistung weit unter X.

Raspberry ist schon angekommen, ich werde nun mal versuchen das Datenlogging sauber aufzubauen. Ohne jeden Datensatz ist das weitere Vorgehen denke ich sehr schwierig.

In dem Sinne nochmal vielen Dank für die große Beteiligung und das Interesse.

Bei Interesse kann ich gerne mal ein paar Fotos der Anlage posten.

Grüße Christian
 
D4K!ZZ4 schrieb:
Für mich stellen sich zwei Grundsätzliche fragen: regelt man einfach auf den Arbeitspunkt / optimum und hat über den Tag kontinuierlich eine Leistung X?
Mit einer Probierregelung öffnet er ja solang die Leistung steigt, hier verbrate ich das reservoir, habe ggf. eine Stunde lang eine Leistung über X dann aber 5 Stunden Leistung weit unter X.
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Die "Probierregelung" würde ich mal auf den Wasserstand ansetzen.
Höherer Wasserstand -> Größere Fallhöhe -> Höhere Leistung.

Die Wassermenge bleibt gleich ... Wenn es das Hauptgewässer hergibt.
 
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D4K!ZZ4 schrieb:
1. Wir betreiben einen Asynchrongenerator der nur am Netz hängt und einspeisst. Drehzahlregelung ist außen vor.
2. Öffnet man die Turbine komplett läuft das Reservoir ziemlich schnell leer und der Generator wird motorisch
3. regelt man einfach auf den Arbeitspunkt / optimum und hat über den Tag kontinuierlich eine Leistung X?
4. Mit einer Probierregelung öffnet er ja solang die Leistung steigt, hier verbrate ich das reservoir, habe ggf. eine Stunde lang eine Leistung über X dann aber 5 Stunden Leistung weit unter X.
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Zu 1.:
"Drehzahlregelung ist aussen vor", da der DrehzahlBereich durch die Netzfrequenz vorgegeben wird. Beim generatorischen Betrieb darf das Drehmoment nicht so gross werden, dass der Generator "ausrastet" - dieses Thema dürfte sich durch den maximal verfügbaren Füllstand von selbst erledigen bzw. ein wesentliches Kriterium bei der Festlegung des maximalen Füllstands sein.
Zu 2.:
Woran kannst Du erkennen, dass der Generator motorisch wird und was kannst Du dagegen tun? Kannst Du per SPS die Drehzahl messen und die Verbindung zum Netz auftrennen?
Das Leerlaufen des Reservoirs scheint wohl ein nicht ganz selten zu erwartendes Ereignis und seine Vermeidung ein ganz wesentlicher Gesichtspunkt bei der Wahl der anzuwendenden Strategie zu sein.
Zu 3.:
Solange der WasserNachschub mithalten kann. ;)
Zu 4.:
Deine Bedenken sprechen dafür, die "ProbierRegelung" auf Deine KennenlernPhase der Anlage zu beschränken und danach die Erkenntnisse in eine Steuerung der Schaufeln umzusetzen.
Möglichst beide "BetriebsArten" umschaltbar bereithalten, damit Du später noch auf die "ProbierRegelung" zurückgreifen und ggfs Änderungen im Verhalten erkennen (und berücksichtigen?) kannst.
Die "ProbierRegelung" sollte imstande sein, ihre Experimente so zu protokollieren, so dass man ihre "Erkenntnisse" auswerten kann.
 
Heinileini schrieb:
Zu 2.:
Woran kannst Du erkennen, dass der Generator motorisch wird und was kannst Du dagegen tun? Kannst Du per SPS die Drehzahl messen und die Verbindung zum Netz auftrennen?
Das Leerlaufen des Reservoirs scheint wohl ein nicht ganz selten zu erwartendes Ereignis und seine Vermeidung ein ganz wesentlicher Gesichtspunkt bei der Wahl der anzuwendenden Strategie zu sein.
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Stromrichtung ... Läuft der Stromzähler vorwärts oder rückwärts ;)
 
Blockmove schrieb:
Stromrichtung ... Läuft der Stromzähler vorwärts oder rückwärts ;)
Zum Vergrößern anklicken....
OK Dieter, Du liest also den Stromzähler ab und betätigst die entsprechenden Tasten, damit die SPS auch an diese Information kommt? :ROFLMAO:

Mich interessierte eigentlich mehr, welche Möglichkeiten dem TE zur Verfügung stehen ... oder von ihm vielleicht noch bereitgestellt werden müssen.
Wir zerbrechen uns weiterhin den Kopf, wie wir etwas zaubern sollen, obwohl bisher anscheinend nur ein Sensor für die FüllstandsMessung eingeplant ist.
Das bisher beschriebene Szenario hat gerade erst angefangen, ein Bisschen Form anzunehmen ...

Häwenaissuiikend!
 
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Also,

ich habe in der Steuerung ein Janitza Energiemessgerät das so ziemliche jeden elektrischen Parameter des Generatots erfassen kann.

Wie Blockmove schon richtig geschrieben hab auch ob er ins Netz schiebt oder bezieht.

Ich kann Wirk / Blind / Scheinleistung, frequenz, Ströme, Spannung. Tagesarbeit. Alles in der SPS verfügbar.

Eine öffnung der Turbine bastle ich grad rudimentär mit einer Impulsscheibe um die öffnung auch einfliesen zu lassen.

Auch kann ich den Generator über die SPS trennen und zuschalten.


@Heinileini Aktuell das schlimmste Szenario ist das zu weit geöffnet ist und der Stand abhaut und der Generator motorisch läuft, gefolgt vom überlauf des Bachs.

Zweiteres ist allerdings aufgrund des zu Verfügung stehenden Wassers eher unwahrscheinlich. Bei viel Regen eher wahrscheinlich aber da mach ich mich aktuell zu Fuß aufm Weg und dreh auf.

Grüße

IMG_3158.jpg
 
D4K!ZZ4 schrieb:
Eine öffnung der Turbine bastle ich grad rudimentär mit einer Impulsscheibe um die öffnung auch einfliesen zu lassen.
Zum Vergrößern anklicken....
Also eine Rückmeldung der SchaufelStellung - das sieht nach einem BetätigungsFeld für einen Regler aus.
Hoffentlich mit 2 um 90° gegeneinander versetzten Signalen, damit man die Drehrichtung auswerten kann (und auch ein paar mehr Flanken für eine feinere Auflösung hat).
Vielleicht auch mit IndexSignal zum "ReferenzpunktFahren".
 
Heinileini schrieb:
OK Dieter, Du liest also den Stromzähler ab und betätigst die entsprechenden Tasten, damit die SPS auch an diese Information kommt? :ROFLMAO:
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Heini,
ich kenne keine noch so kleine Wasserkraftanlage, bei der nicht eine entsprechende Überwachung vorhanden ist.
Neben der Drehzahlüberwachung ist dies eigentlich die wichtigste Überwachung für den Betreiber. :D
x kW Fremdbezug geht nämlich in den Geldbeutel.

Gruß
Blockmove
 
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D4K!ZZ4 schrieb:
Also,

ich habe in der Steuerung ein Janitza Energiemessgerät das so ziemliche jeden elektrischen Parameter des Generatots erfassen kann.

Wie Blockmove schon richtig geschrieben hab auch ob er ins Netz schiebt oder bezieht.

Ich kann Wirk / Blind / Scheinleistung, frequenz, Ströme, Spannung. Tagesarbeit. Alles in der SPS verfügbar.

Eine öffnung der Turbine bastle ich grad rudimentär mit einer Impulsscheibe um die öffnung auch einfliesen zu lassen.

Auch kann ich den Generator über die SPS trennen und zuschalten.


@Heinileini Aktuell das schlimmste Szenario ist das zu weit geöffnet ist und der Stand abhaut und der Generator motorisch läuft, gefolgt vom überlauf des Bachs.

Zweiteres ist allerdings aufgrund des zu Verfügung stehenden Wassers eher unwahrscheinlich. Bei viel Regen eher wahrscheinlich aber da mach ich mich aktuell zu Fuß aufm Weg und dreh auf.

Grüße

Anhang anzeigen 50440
Zum Vergrößern anklicken....

Sieht gut aus! Sehr schönes Projekt!
Automatische Rechenreinigung, Hydraulische Verstellung ... Alles da :)
Wenn man da Investition, Wartung und Zeit anschaut, dann bleibt am Monatsende nicht viel übrig von der 5kW-Einspeisevergütung :ROFLMAO:
 
Blockmove schrieb:
Sieht gut aus! Sehr schönes Projekt!
Automatische Rechenreinigung, Hydraulische Verstellung ... Alles da :)
Wenn man da Investition, Wartung und Zeit anschaut, dann bleibt am Monatsende nicht viel übrig von der 5kW-Einspeisevergütung :ROFLMAO:
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Die größeren Investition wurden hier vor meinem tun schon getätigt.

Ich habe aktuell nur das upgrade von einer Logo auf eine S7 mit Display beigesteuert. In dem Zuge habe ich dann auch den Janitza und automatische Generator Anschaltung angefügt. Jetzt steht eben noch die Automatisierung der Verstellung an.

Mein Plan für die Zukunft wäre auch noch ein Generator der näher am Arbeitspunkt liegt. Den alten betreiben wir ja wie ich schon geschrieben habe weit ab vom Nennbetrieb. Irgendwas um die 5-7,5kW.

Grüße
 
Wir betreiben zwei Wasserkraftwerke mit jeweils 60 KW Maximalleistung. Unsere Turbinenregler sind rein hydraulisch und pegelgesteuert. Dabei übersetzen sie sehr direkt. Kleine Pegeländerungen rufen sehr große Leitschaufelverstellung hervor. Zusätzlich ist ein Fliehkraftregler eingebaut, der bei Netzausfall die Turbine vor Übertourung schützt. Der Mittelspannungsschalter, 3,3 KV , hat einen Unterspannungsauslöser auf der Netzseite. Damit wird die ganze Anlage vor Netzausfall geschützt. Vor ein paar Jahren haben wir überlegt, einen neuen Turbinenregler einzubauen. Der hätte aber zusätzlich Druckluft zur Notabschaltung benötigt. @de vliegende hollander kann das sicher bestätigen. Unser Regler macht das seit 99 Jahren rein hydraulisch. Wir haben dann von einer Erneuerung Abstand genommen.
 
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