CN213367658U - 直流传输系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种直流传输系统(1)，该直流传输系统具有至少一个直流导线，直流导线用于将第一变流器(3)与第二变流器(5)电连接。直流导线是直流架空线(9，11)，直流架空线固定在架空线塔架(301，401，501)上，架空线塔架的尺寸被设计为和/或架空线塔架被设置为用于支承交流架空线。

Description

直流传输系统
技术领域
本实用新型涉及一种直流传输系统，该直流传输系统具有至少一个直流导线，用于将第一变流器与第二变流器电连接。
背景技术
由于对电能的需求增加，因此需要新的电力传输系统。此外，由于借助风力发电设备、太阳能设备等的可再生电能的产生的增长，产生电能的地点与需要电能的地点(用电设备的地点)在空间上彼此可能相距较远的问题越来越突出。因此，需要附加的新的电力传输系统，用于将所产生的电力传输到用电设备。
特别是，在公众讨论中，新建用于传输电能的具有架空线的架空线塔架受到了严峻的质疑。为此所需的规划和审批程序非常复杂，并且可能花费大量的时间。这使新的电力传输系统的实现延迟。
当前，与电网的额定电压对应，电网被划分为超高压电网(220kV/ 380kV)、高压电网(110kV)和中压电网(1-50kV)。额定电压的选择取决于要传输的线路(架空线或者电缆)以及要传输的功率(视在功率MVA或者有功功率MW)。为此，已经存在完善的基础设施(地区性/跨地区区域中的架空线塔架、城市/地方性区域中的电缆系统)。由于能够简单地进行变换，过去优选在所有电压等级上使用交流电压。
可以如下划分建造超高压导线的规划等级和程序：
-需求计划：
-电网发展规划的场景框架(§12a EnWG)
-电网发展计划(§12b EnWG)
-联邦需求计划(§12e EnWG)和环境评估
-区域规划(通道)：
-联邦专业规划(§4ff NABEG)或者区域规划程序(巴伐利亚州地方规划法(BayLplG)，必要时结合区域规划法(ROG))
-审批程序(路径)：
-计划确定(§§43ff EnWG或者§§18ff NABEG)。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，给出一种能够快速地以小的开销实现的直流传输系统。
根据本实用新型，上述技术问题通过根据独立权利要求的直流传输系统来解决。在从属权利要求中给出了直流传输系统的有利的实施方式。
公开了一种直流传输系统，该直流传输系统具有至少一个直流导线，直流导线用于将第一变流器与第二变流器电连接，其中，直流导线是直流架空线，直流架空线固定在架空线塔架上，架空线塔架的尺寸(最初)已被设计为用于支承(高压)交流架空线，和/或架空线塔架已被设置为用于支承(高压)交流架空线。这种直流传输系统具有如下优点，即，不需要设计和审批新的架空线塔架。更确切地说，对于直流架空线，使用已经存在的架空线塔架，这些架空线塔架的尺寸最初被设计为用于交流架空线、特别是高压交流架空线，架设这些架空线塔架用于交流架空线、特别是高压交流架空线，和 /或这些架空线塔架用于交流架空线、特别是高压交流架空线。对于这些已有的架空线塔架，已经存在批文(Genehmigung)，因为这些架空线塔架先前已经通过了对应的审批过程。因此，对于将这些架空线塔架用于直流架空线，不需要新的审批程序，或者至少仅需要有限的、由此更快并且较不复杂的审批程序(与新建架空线塔架的审批程序相比)。因此，这种直流传输系统可以相对容易并且快速地实现。直流导线将第一变流器与第二变流器连接。由此，电能可以经由直流导线从第一变流器传输到第二变流器(以及相反)。变流器例如可以分别将直流电流转换为交流电流，或者将交流电流转换为直流电流，因此借助这种直流传输系统，例如可以将电能从第一交流电网传输到布置在远处的第二交流电网(或者从交流电源传输到布置在远处的交流用电设备)。
在借助直流电流或者直流电压进行能量传输时，由于不存在集肤效应，在相同的电压(交流有效值、直流有效值)下，可以有利地在传输介质(电缆、架空线)中实现更好的电流分布。在给定的极限温度下，实现更高的电流强度，由此实现更高的传输功率。
在借助直流电流进行能源传输时，消除了极化效应 (Umpolarisationseffekte)，由此消除了无功分量。在给定的几何结构(架空线束(Freileitungsseile)、架空线塔架、电缆)下，在确定传输线路的尺寸时，消除了寄生电容分量。因此，得到更大的可能的传输线路。
示例性地比较：110kV AC与50kV DC
在110kV AC的情况下，可以传输10-100MW之间的功率。通过将110 kV AC转换为50kV DC，可以传输高达155MW的功率。
直流传输系统可以被设计为，代替交流架空线或者除了交流架空线之外，将直流架空线固定在架空线塔架上。当代替交流架空线，将直流架空线固定到架空线塔架上时，可以有利地用直流传输系统来代替交流传输系统。这是特别有利的，因为在传输线路更长的情况下，与交流传输相比，直流传输可以以更低的损耗进行。当除了交流架空线之外，将直流架空线固定在架空线塔架上时，可以以小的开销，并行地实现交流传输系统和直流传输系统。
直流传输系统可以被设计为，直流传输系统被构造为用于，在1kV与 50kV之间、特别是10kV与50kV之间的直流电压下传输直流电流。于是，这种直流传输系统是中压直流传输系统，其中，1kV至50kV、特别是10kV 至50kV覆盖中压范围。于是，直流架空线是中压直流架空线。
直流传输系统也可以被设计为，直流架空线(至少)具有柔性的导线束(Leiterseil)。(与在高压交流架空线的情况下类似地)将这种导线束固定在架空线塔架上。
直流传输系统可以被设计为，直流架空线每单位长度的质量小于或者等于交流架空线的质量。特别是，直流传输系统可以被设计为，直流架空线的导线束每单位长度的质量小于或者等于交流架空线的导线束的质量。由此，可以相对没有问题地代替交流架空线，将直流架空线固定在架空线塔架上，并且由这些架空线塔架支承直流架空线。直流架空线也可以具有与最初规划的交流架空线相同或者相似的几何尺寸(例如直径和/或长度)。
直流传输系统可以被设计为，相对于针对(高压)交流架空线设计尺寸的架空线塔架的最初高度，架空线塔架的高度降低。特别是在用于中压的直流传输系统中，由于电压相对于高压较低，因此较小的直流架空线相对于地面的绝缘距离就足够了。因此，可以减小架空线塔架的高度，由此架空线塔架在视觉上显得不那么碍眼。
直流传输系统可以被设计为，第一变流器和/或第二变流器分别是模块化的多电平变流器。借助这种模块化的多电平变流器，可以简单并且可靠地将交流电流转换为直流电流(以及相反)。
直流传输系统可以被设计为，模块化的多电平变流器具有多个模块，其中，模块分别具有至少两个电子开关元件和电能存储器。通过选择这些模块的对应的数量，可以简单地针对不同的电压大小调整(缩放)第一和/或第二变流器。
在此，直流传输系统可以被设计为，
-模块的两个电子开关元件以半桥电路布置，或者
-模块分别具有两个电子开关元件和两个另外的电子开关元件，其中，两个电子开关元件和两个另外的电子开关元件以全桥电路布置。这些模块也称为半桥模块或者全桥模块。
借助(至少一个)直流架空线，将直流电流从第一变流器传输到第二变流器，直流架空线固定在架空线塔架上，架空线塔架的尺寸(最初)被设计为和/或架空线塔架(最初)被设置为用于支承(高压)交流架空线。
借助作为整流器工作的第一变流器，将直流电流馈送到直流架空线中。
在通过直流架空线传输之后，借助作为逆变器工作的第二变流器，将直流电流转换为交流电流。
在1kV与50kV之间、特别是10kV与50kV之间的直流电压下传输直流电流。
附图说明
下面，借助实施例更详细地对本实用新型进行说明。在此，相同的附图标记指示相同或者相同地起作用的元素。为此，
在图1中示出了直流传输系统的一个实施例，
在图2中示出了直流传输系统的另一个实施例，
在图3中示出了具有直流架空线的架空线塔架的一个实施例，
在图4中示出了具有直流架空线的架空线塔架的另一个实施例，
在图5中示出了具有直流架空线的架空线塔架的另一个实施例，
在图6中示出了具有多个架空线塔架的直流传输线路的一个实施例，
在图7中示出了变流器的一个实施例，
在图8中示出了变流器的模块的一个实施例，以及
在图9中示出了变流器的模块的另一个实施例。
具体实施方式
在图1中示出了直流传输系统1的一个实施例。直流传输系统1具有第一变流器3、第二变流器5和直流传输线路7。直流传输线路7具有第一直流导线和第二直流导线。第一变流器3具有第一交流连接线15，第一交流连接线15具有第一交流连接端17、第二交流连接端19和第三交流连接端21。第一变流器3的第一直流连接端25与第一直流导线的第一端电连接，第一变流器3的第二直流连接端28与第二直流导线的第一端电连接。
同样，第二变流器5具有第一交流连接线31，第一交流连接线31具有第一交流连接端34、第二交流连接端37和第三交流连接端40。第二变流器5的第一直流连接端43与第一直流导线的第二端电连接，第二变流器5的第二直流连接端46与第二直流导线的第二端电连接。
也就是说，两个变流器3和5在直流侧借助第一直流导线和第二直流导线彼此电连接。在此，第一直流导线是正的直流导线(DC+)；第二直流导线是负的直流导线(DC-)。
借助这种直流传输系统1(直流传输设备1)，可以在远距离上传输电能；直流导线于是具有对应的长度。在图1中示例性地示出了设计为对称单极的直流传输系统1。利用该直流传输系统1，可以在1kV与50kV 之间、特别是10kV与50kV之间的直流电压下传输直流电流。这些直流电压覆盖中压范围；其是中压直流传输系统1。
在直流传输系统1中，进行如下用于传输直流电流的方法。第一变流器3作为整流器工作，并且将施加在其交流连接线15处的交流电流转换为直流电流。第一变流器3将直流电流馈送到直流架空线9、11中。然后，直流电流从直流架空线9、11传输到第二变流器5。也就是说，直流电流从第一变流器3经由直流架空线9、11传输到第二变流器5。在此，直流架空线9、11固定在架空线塔架上，架空线塔架的尺寸最初被设计为和/或架空线塔架最初被架设为用于承载(高压)交流架空线。在通过直流架空线9、11进行传输之后，借助作为逆变器工作的第二变流器5，将直流电流转换为交流电流。第一变流器3和第二变流器5是可选的。直流传输系统1在没有两个变流器的情况下也工作。例如，可以由其它单元将直流电流馈送到直流传输系统1中，或者从直流传输系统1汲取直流电流。
在图2中示出了直流传输系统201的另一个实施例。该直流传输系统 201与图1所示的直流传输系统1的不同之处在于，除了第一直流导线和第二直流导线之外，直流传输线路7还具有第三直流导线204。相应地，第一变流器3具有第三直流连接端208；第二变流器5具有第三直流连接端212。直流传输系统201是双极直流传输系统201。
在图3中示出了架空线塔架301的一个实施例。第一直流导线和第二直流导线固定在架空线塔架301上。此外，第三直流导线305和第四直流导线306固定在架空线塔架301上。在该实施例中，第三直流导线 305和第四直流导线306属于另一个直流传输系统，该另一个直流传输系统以与图1中的直流传输系统1相同的方式构造。
在此，第一直流导线、第二直流导线、第三直流导线305和第四直流导线306分别被设计为直流架空线。第一直流架空线9、第二直流架空线 11、第三直流架空线305和第四直流架空线306，分别借助绝缘子310固定在水平延伸的支承结构315上。在此，位于内部的两个直流导线和306 是负的直流导线(DC-)；在此，位于外部的两个直流导线和305是正的直流导线(DC+)。水平延伸的支承结构315由垂直的柱状立架318支承。
架空线塔架301是单层架空线塔架。这种架空线塔架可以容纳两个直流传输系统的直流架空线(来代替仅一个交流传输系统的交流架空线)。由此，能够实现传输的功率的增加。
在图4中示出了架空线塔架401的另一个实施例。该架空线塔架401 与架空线塔架301的不同之处在于，直流导线中的一个(在此：第四(负) 直流导线306)固定在与其余3个直流导线(在此：第一直流导线、第二直流导线和第三直流导线305)相对的水平延伸的支承结构315的一侧。
在图5中示出了架空线塔架501的另一个实施例。设计为偶极(Dipol) 的直流传输系统的三个直流架空线固定在该架空线塔架501上。在该实施例中，这是图2中的直流传输系统201的第一直流架空线9、第二直流架空线11和第三直流架空线204。
借助这种架空线塔架501，可以基于具有返回导体的中压直流偶极，来构建可用性高的直流传输系统(来代替可用性较低的中压交流传输系统)。
在图6中示出了固定在根据图5的架空线塔架501上的直流架空线 9、11和204的一个实施例。这些直流导线是直流传输线路601的组成部分。利用根据图3的架空线塔架301或者利用根据图4的架空线塔架401 以及相关联的直流架空线，可以实现同类型的直流传输线路。
在图7中示出了可以用作第一变流器3和/或第二变流器5的变流器 700的一个实施例。变流器700是模块化的多电平变流器700(modular multilevel converter，MMC)。多电平变流器700具有第一交流连接端17、第二交流连接端19和第三交流连接端21。第一交流连接端17与第一相模块支路711和第二相模块支路713电连接。第一相模块支路711和第二相模块支路713形成变流器700的第一相模块715。第一相模块支路 711的远离第一交流连接端17的一端与第一直流连接端25电连接；第二相模块支路713的远离第一交流连接端17的一端与第二直流连接端28 电连接。第一直流连接端25为正的直流连接端；第二直流连接端28为负的直流连接端。
第二交流连接端19与第三相模块支路718的一端并且与第四相模块支路721的一端电连接。第三相模块支路718和第四相模块支路721形成第二相模块724。第三交流连接端21与第五相模块支路727的一端并且与第六相模块支路729的一端电连接。第五相模块支路727和第六相模块支路729形成第三相模块731。
第三相模块支路718的远离第二交流连接端19的一端，和第五相模块支路727的远离第三交流连接端21的一端，与第一直流电压连接端25 电连接。第四相模块支路721的远离第二交流连接端19的一端，和第六相模块支路729的远离第三交流连接端21的一端，与第二直流连接端28 电连接。第一相模块支路711、第三相模块支路718和第五相模块支路 727形成正侧变流器部分732；第二相模块支路713、第四相模块支路721 和第六相模块支路729形成负侧变流器部分733。
第一交流连接端17、第二交流连接端19和第三交流连接端21可以与交流输电网络(未示出)电连接。
每个相模块支路具有多个模块(1_1…1_n；2_1…2_n；等)，这些模块(借助其电气电流连接端)串联电连接。这种模块也称为子模块。在图 1的实施例中，每个相模块支路具有n个模块。借助这些模块的电气电流连接端串联电连接的模块的数量可以非常不同，至少将两个模块串联连接，但是例如也可以将5个、50个、100个或者更多个模块串联电连接。在该实施例中，n＝36：也就是说，第一相模块支路711具有36个模块 1_1、1_2、1_3、…1_36。其它相模块支路713、718、721、727和729以相同的方式构造。
变流器700的未示出的控制装置经由光通信连接(例如经由光纤)，向各个模块1_1至6_n传输光消息或者光信号。例如，控制装置分别向各个模块，发送相应的模块应当提供的输出电压的大小的额定值。
在图8中示出了多电平变流器700的模块800的一个实施例。在此，模块例如可以是在图7中示出的相模块的模块中的一个。
模块800被设计为半桥模块800。模块800具有带有反向并联连接的第一二极管804的第一(可关断的)电子开关元件802(第一可关断的半导体阀802)。此外，模块800具有带有反向并联连接的第二二极管808 的第二(可关断的)电子开关元件806(第二可关断的半导体阀806)以及电容器810形式的电能存储器810。第一电子开关元件802和第二电子开关元件806分别被设计为IGBT(insulated-gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管)。第一电子开关元件802与第二电子开关元件806串联电连接。第一电气模块连接端812布置在两个电子开关元件802与806之间的连接点处。第二电气模块连接端815布置在与该连接点相对的第二电子开关元件806的连接端处。此外，第二模块连接端815与能量存储器810的第一连接端电连接；能量存储器810的第二连接端和与该连接点相对的第一电子开关元件802的连接端电连接。
也就是说，能量存储器810与第一电子开关元件802和第二电子开关元件806的串联电路并联电连接。通过由变流器的(未示出的)电子控制装置对应地控制第一电子开关元件802和第二电子开关元件806，可以实现在第一模块连接端812与第二模块连接端815之间输出能量存储器 810的电压，或者不输出电压(即输出零电压)。因此，通过各个相模块支路的模块共同作用，可以产生相应地期望的变流器的输出电压。
在图9中示出了多电平变流器的模块900的另一个实施例。该模块900例如可以是在图7中示出的第一相模块715的模块1_1(或者也可以是多电平变流器的其它模块中的一个)。除了从图8中已知的第一电子开关元件802、第二电子开关元件806、第一续流二极管804、第二续流二极管808和能量存储器810之外，在图9中示出的模块900还具有带有反向并联连接的第三续流二极管904的第三电子开关元件902以及带有反向并联连接的第四续流二极管908的第四电子开关元件906。第三电子开关元件902和第四电子开关元件906分别被设计为IGBT。与图8中的电路不同，第二模块连接端915不与第二电子开关元件806电连接，而是与第三电子开关元件902和第四电子开关元件906的串联电路的中点电连接。
图9中的模块900是所谓的全桥模块900。这种全桥模块900的特征在于，通过对应地控制第一(电气)模块连接端812与第二(电气)模块连接端915之间的四个电子开关元件，能够选择性地输出正的能量存储器810的电压、负的能量存储器810的电压或者值为零的电压(零电压)。也就是说，由此，可以借助全桥模块900，使输出电压的极性反转。多电平变流器700可以仅具有半桥模块800，可以仅具有全桥模块900，或者也可以具有半桥模块800和全桥模块900。
描述了可以快速地以小的开销实现的直流传输系统和用于传输直流电流的方法。
在此，有利地使用为了传输(高压)交流电流而存在的基础设施，来传输(中压)直流电流(借助高压交流基础设施装置来传输中压直流电流)。由此，避免(新)建造架空线的复杂的审批程序。
可以在中压等级上进行能量的可调传输(来代替高压等级上的能量的可控传输)。可以对直流传输或者直流传输线路进行调节，由此实现更高的利用率。通过无功功率调节(FACTS(Flexible AC Transmission Systems，柔性交流传输系统)，PST(Phase ShiftingTransformer，移相变压器))，仅能够在有限的范围内，以(交流开关设备)可调或者可控的方式来运行对应的交流传输或者交流传输线路。
由于使用单层塔架来容纳两个中压直流系统，来代替一个中压交流系统，因此可以实现功率增大。
此外，可以实现具有返回导体的可用性高的中压直流偶极，来代替可用性较低的中压交流系统。
可选地，可以改建已有的交流电网基础设施，特别是以用于在相邻的中压电网/能量电池(Energiezellen)之间传输易变的馈入/需要的能量的量 (供电/用电设备)。
在此，可以通过用于50kV DC的中压直流传输线路，来代替用于110 kV AC的高压交流传输线路(可选地：减小塔架高度，缩小塔架规模)。
通过用中压直流传输线路来代替高压交流传输线路(或者也代替中压交流传输线路)，可以实现传输功率的增加和/或有效距离的增加(特别是传输线路的延长)。

Claims (12)

1.一种直流传输系统(1)，所述直流传输系统具有至少一个直流导线，所述直流导线用于将第一变流器(3)与第二变流器(5)电连接，
其特征在于，
所述直流导线是直流架空线(9，11)，所述直流架空线固定在架空线塔架(301，401，501)上，所述架空线塔架的尺寸被设计为和/或所述架空线塔架被设置为用于支承交流架空线。
2.根据权利要求1所述的直流传输系统，
其特征在于，
-代替交流架空线或者除了交流架空线之外，将所述直流架空线(9，11)固定在所述架空线塔架(301，401，501)上。
3.根据权利要求1所述的直流传输系统，
其特征在于，
-所述直流传输系统(1)被设计为用于，在1kV与50kV之间的直流电压下传输直流电流。
4.根据权利要求1所述的直流传输系统，
其特征在于，
-所述直流传输系统(1)被设计为用于，在10kV与50kV之间的直流电压下传输直流电流。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的直流传输系统，
其特征在于，
-所述直流架空线(9，11)具有导线束。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的直流传输系统，
其特征在于，
-所述直流架空线(9，11)每单位长度的质量小于或者等于交流架空线的质量。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的直流传输系统，
其特征在于，
-所述架空线塔架(301，401，501)的高度相对于针对交流架空线设计尺寸的架空线塔架的最初高度降低。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的直流传输系统，
其特征在于，
-所述第一变流器(3)和/或所述第二变流器(5)分别是模块化的多电平变流器(700)。
9.根据权利要求8所述的直流传输系统，
其特征在于，
-所述模块化的多电平变流器(700)具有多个模块(1_1...6_n)，其中，所述模块分别具有至少两个电子开关元件(802，806)和电能存储器(810)。
10.根据权利要求9所述的直流传输系统，
其特征在于，
-所述模块的所述两个电子开关元件(802，806)以半桥电路布置，或者
-所述模块分别具有所述两个电子开关元件(802，806)和两个另外的电子开关元件(902，906)，其中，所述两个电子开关元件(802，806)和所述两个另外的电子开关元件(902，906)以全桥电路布置。
11.根据权利要求1所述的直流传输系统，
其特征在于，
-借助作为整流器工作的所述第一变流器(3)，将直流电流馈送到所述直流架空线(9，11)中。
12.根据权利要求1或11所述的直流传输系统，
其特征在于，
-在通过所述直流架空线(9，11)传输之后，借助作为逆变器工作的所述第二变流器(5)，将直流电流转换为交流电流。
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