Motivation
Infolge der Energiewende nimmt der Anteil an volatiler Stromproduktion durch Wind und Photovoltaik stark zu. In Bild 1 ist die Einspeisung Beitrag von Wind und Sonnenenergie in die Regelzone von „50Hz Transmission GmbH“ für 2015 dargestellt. Die kurzzeitige Einspeiseleistung variiert zwischen Null und dem ca. 3,4-fachen der mittleren Einspeiseleistung. Das erfordert schnelle und flexible Regelenergie, um diese Volatilität auszugleichen. Dazu werden Wasserkraftwerke (vor allem Pumpspeicherkraftwerke) eingesetzt. Die meisten Kraftwerke sind aber schon älter und wurden nicht für einen solchen variablen Betrieb ausgelegt.
Das kann dazu führen, dass es in den Anlagen zu kritischen Betriebszuständen kommen kann. So kann sich das Wasserführungssystem bei einem ungünstigen Betrieb mit großen zyklischen Lastwechseln aufschwingen und z. B. zum Leerlaufen oder Überlaufen des Wasserschlosses führen. Solche großen zyklischen Lastwechsel sind zwar unwahrscheinlich, können aber nicht ausgeschlossen werden, da die Kraftwerke normalerweise vom Dispatcher ferngesteuert werden. Um deshalb unnötige Betriebseinschränkungen zu vermeiden, wird versucht mit neuen Regelstrategien diese kritischen Betriebszustände zu beherrschen, wenn sie auftreten.
Beispielkonzept
Beispielhaft soll hier ein Regelkonzept gezeigt werden, um das Leerlaufen des Wasserschlosses einer Anlage zu verhindern. Bei dieser Anlage kann das Wasserschloss leerlaufen, wenn zum einen der Oberwasserspiegel sehr niedrig ist und es dann zu einer zyklischen Lastanforderung kommt.
In diesem Konzept wird versucht, möglichst wenige Einschränkungen für den Betrieb zu erzeugen. Dazu wird der Wasserschloss-Schutz erst aktiviert, wenn der Oberwasserspiegel unter dem kritischen Wert liegt und wenn der Spiegel im Wasserschloss einen kritischen Grenzwert unterschreitet.
Regelalgorithmus
Der entsprechende Regelalgorithmus ist in Bild 3 dargestellt. Sind beide Kriterien (kritischer Oberwasser-Spiegel, kritischer Wasserschloss-Spiegel) erfüllt, so erfolgt eine Begrenzung der zulässigen Leistungsänderung. Dadurch wird erreicht, dass auch in diesem kritischen Fall ein Leerlaufen des Wasserschlosses vermieden werden kann. Unterschreitet der Spiegel im Wasserschloss den kritischen Wert HUK, so wird zu Sicherheit automatisch ein Notschluss der Anlage eingeleitet, um ein weiteres Absinken des WS-Spiegels zu verhindern
Ergebnisse der Untersuchung
In Bild 4 ist das Verhalten der Anlage mit und ohne WS-Schutz für eine zyklische Lastanforderung zwischen 0 und 75% dargestellt. Nach 670 s schwingt das WS unter den Einschaltpunkt des Schutzes ab. Ohne Schutz würde das Wasserschloss leerlaufen.
Mit Schutz wird die Leistungsanforderung Psoll-neu geändert. Dadurch wird das Leerlaufen des WS verhindert. Die Leistungsabgabe der Anlage ist dadurch vorübergehend kleiner und entspricht nicht der vom Dispatcher geforderten Leistung. Nach weiteren ca. 200 s hat sich das System aber wieder stabilisiert und die Leistungsregelung erfolgt wieder ohne Einschränkung.
Durch derartige Schutzmaßnahmen können auch ältere Anlagen, die nicht für einen extrem flexiblen Betrieb konzipiert wurden ohne Betriebseinschränkungen völlig flexibel eingesetzt werden und somit einen größeren, notwendigen Beitrag an Regelenergie für die Energiewende zur Verfügung stellen.
