DE102005043422A1

DE102005043422A1 - Betrieb eines lokalen Netzes mit reduzierter Frequenz bei geringer Energieübertragung

Info

Publication number: DE102005043422A1
Application number: DE102005043422A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: DE102005043422B4

Abstract

Verfahren mit einer direkten Verbindung (4) von Netzteilen (2, 5) in Zeiten mit hohem Leistungsfluss und einer Reduzierung von Frequenz oder Betriebsspannung in einer Verbindungsleitung (3) bzw. einem lokalen Netz bei geringem Leistungsfluss (11), vorzugsweise zur Energieversorgung mit Offshore-Windparks, sowie verwandte Verfahren und zugehörige Vorrichtungen.

Description

Zur elektrischen Leistungsübertragung und zur allgemeinen Versorgung wird überwiegend Drehstrom bzw. Wechselstrom eingesetzt, dessen Nennfrequenz meist 50 Hz oder 60 Hz beträgt.

Zur Stabilisierung von elektrischen Netzen werden in zunehmendem Maße leistungselektronische Schalter eingesetzt. Verschiedene Bauweisen wie Statcom (static synchronous compensator) oder SVC (static var compensator) werden unter dem Oberbegriff FACTS (flexible alternating currents transmission system) zusamengefasst (vgl. Gabriela Glanzmann: FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems, Zürich 2005, unter http://e-collection.ethbib.ethz.ch/ecol-pool/bericht/bericht_394.pdf am 4.9.2005).

Diese können insbesondere zur Steigerung der Übertragungsleistung von Freileitungen bei starker Belastung dieser Leitungen die Blindstrombilanz verbessern und netzstabilisierend wirken.

Der Wirkungsgrad und die Belastung von Windenergieanlagen kann durch drehzahlvariablen Betrieb verbessert werden, wobei insbesondere eine Reduzierung der Drehzahl der Rotoren bei niedriger Windgeschwindigkeit und dabei geringer Leistungserzeugung vorteilhaft ist. Die Drehzahlanpassung kann u.a. durch eine Umrichtung der gesamten Leistung einer Windturbine erreicht werden. Mit doppeltgespeisten Asynchronmaschinen können durch Beeinflussung des elektrischen Schlupfes größere Drehzahlunterschiede als bei einfachen Asynchronmaschinen erreicht werden, obwohl nur der Läuferkreis und damit nur ein Teil der gesamten Leistung über Umrichter geführt werden muß.

Windenergieanlagen werden häufig im Teillastbereich betrieben, wodurch sich die Eisenverluste von ständig in Betrieb gehaltenen, für die maximale Leistung ausgelegten Transformatoren besonders ungünstig auswirken.

Offshore-Windparks werden über lange Seekabel mit dem allgemeinen Stromnetz auf dem Festland verbunden. Die über ein Drehstrom-Kabel übertragbare Leistung wird durch die entstehenden Blindströme begrenzt. Würden Seekabel und ein damit verbundener Windpark generell als ein niederfrequentes lokales Netz betrieben, würde sich der Aufwand für Transformatoren und Generatoren sowie deren Masse erhöhen, und bei stärkerem Wind würde eine Umrichtung der maximalen Leistung des Windparks erforderlich. Netzanbindungskonzepte für Offshore-Windpark mit Drehstromleitung sehen daher regelmäßig einen Betrieb mit der Netzfrequenz des allgemeinen Stromnetzes vor.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es nun, bei geringer Leistungserzeugung in einem Windpark, bzw. allgemeiner bei geringer Leistungsübertragung über eine Verbindungsleitung zwischen Teilnetzen, die Verluste in Transformatoren und die unerwünschte Entstehung von Blindströmen bzw. vor allem von kapazitiven Überschüssen in Übertragungsleitungen zu begrenzen, ohne einen erheblichen investiven Mehraufwand für Umrichter betreiben zu müssen.

Bei niedriger Leistungsübertragung dominieren in Transformatoren die Ummagnetisiserungsverluste. In Kabeln sind die von Blindströmen zusätzlich verursachten Leistungsverluste größer, wenn weniger Wirkleistung übertragen wird.

Deshalb soll erfindungsgemäß bei geringem Energiefluß eine Reduzierung der Betriebsfrequenz einer Übertragungsleitung – oder der Betriebsfrequenz eines gesamten Teilnetzes – erfolgen.

Das einfachste Vorgehen, die Verbindung des lokalen Netzes der Erzeugungsanlagen mit Übertragungnetzen unterschiedlicher Frequenz (Anspruch 8 und 9) zu verschiedenen Zeitpunkten, kommt nur ausnahmsweise in Betracht. In der Regel muß eine Umrichtung erfolgen, um die elektrische Leistung aus dem lokalen Netz mit der geänderten Frequenz in das allgemeine Netz mit konstanter Frequenz zu übertragen.

Dadurch, dass die Umrichtung erfindungsgemäß nur im Teillastbetrieb stattfindet, werden die Leistungsanforderungen an die Umrichter begrenzt. Bei günstiger Auslegung gemäß Anspruch 3 oder 4 werden ausschließlich elektronische Leistungsschalter, die im Vollastbetrieb ohnehin für Aufgaben der Blindstromsausgleichs und zur Netzstabilisierung für den Störungsfall erforderlich sind, im Schwachlastzustand als Umrichter genutzt. Die Grenze für den Schwachlastfall mit Umrichtung bemisst sich dann nach den Leistungserfordernissen, die im Vollastbetrieb an die entsprechend ausgelegten Anlagenteile gerichtet werden.

Im Falle von Windparks wirkt sich eine reduzierte Frequenz im Schwachlastfall tendenziell günstig auf das aerodynamische Betriebsverhalten der Windturbinen aus. Daher kann gegebenenfalls bei Reduzierung der Netzfrequenz eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Windturbinen im Schwachlastbereich erreicht werden, oder die elektrischen Anforderungen an die daneben bestehende Variabilität zwischen lokaler Netzfrequenz und Drehzahl der Anlage können ohne Einbußen im aeroynamischen Wirkungsgrad reduziert werden.

Der Betrieb eines Windparks mit einem lokalen Netz, dessen Frequenz variabel ist, könnte insbesondere so geregelt werden, dass durch einen Kompromiß zwischen der Frequenz, die die geringsten Übertragungsverluste bringt, und der Frequenz, die ein Maximum des Bruttoertrags der Anlagen im Teilleistungsbereich, gefunden wird.

Bei Hochspannungs-Kabelverbindungen liegt die natürliche Leistung regelmäßig über der thermischen Grenzleistung des Kabels und häufig weit über der mittleren über das Kabel übertragenen Leistung. Dies äußert sich als kapazitiver Überschuß des Kabels und macht einen Ausgleich der durch die Kapazität verursachten Blindströme erforderlich. Eine Reduzierung der Frequenz fuhrt zu einer weiteren Erhöhung der natürlichen Leistung des Kabels. Eine Frequenzreduzierung gerade bei geringer Leistungsübertragung führt somit zu einer noch größeren Differenz zwischen natürlicher und tatsächlicher Leistungsübertragung, und widerspricht somit der ingenieurmäßigen Intuition. Sie führt aber dennoch zu einer Reduktion des in dem Kabel entstehenden und auszugleichenden Blindstromsaldos.

Umgekehrt ist die Situation bei Freileitungen, bei denen häufig ein Betrieb mit etwa der natürlichen Leistung erreicht werden kann. Daher ergibt sich nur bei geringem Strom- und Leistungsfluß ein Überschuß der kapazitiven Wirkung der Freileitung. Durch eine erhöhte Betriebsfrequenz kann erreicht werden, dass sich die Induktivitäten der Freileitung stärker auswirken, sich somit die natürliche Leistung der Freileitung reduziert und damit auch bei geringerem Stromfluß ein Ausgleich einstellt.

Analog zu der Herabsetzung der Frequenz ist auch eine Herabsetzung der Betriebsspannung möglich. Sie führt in Kabeln zu einer Reduzierung der Blindströme und bei schwacher Last auch zu einer Reduzierung der insgesamt fließenden Stromstärken und somit der ohmschen Verluste.

Bei Nutzung der Erfindung in offshore-Windparks ist es möglich, die Frequenzumwandlung oder die Herabsetzung der Spannung nur landseitig zwischen allgemeinem Netz und Seekabel vorzunehmen, so dass sich in dem gesamten Windparknetz die Frequenz bzw. die Spannung entsprechend reduziert. Es ist ebenfalls möglich, auf beiden Seiten des hauptsächlichen Seekabels entsprechende Umrichter oder umschaltbare Transformatoren vorzusehen, so dass sich Frequenz bzw. Spannung in dem lokalen Netzbereich nicht oder nicht so stark ändern.

Besteht das Windparknetz aus einem Hochspannungs-Seekabel zum Festland und aus mehreren Mittelspannungs-Seekabeln zu den einzelnen Windturbinen, ist es möglich, auch in den Mittelspannungs-Seekabeln den Betrieb entsprechend anzupassen, aber durch analoge Maßnahmen die Spannung bzw. die Betriebsfrequenz an den Windturbinen nicht oder weniger zu verändern. Für die Umrichtung können ggf. Teile der in den Windturbinen vorhandenen Umrichter genutzt werden, die auf die Umrichtung des Stroms des Läuferkreises ausgelegt sind, und die bei konventioneller Betriebsführung im Teillastbereich nicht voll ausgelastet sind.

Eine günstige Ausprägung des Verfahren könnte darin bestehen, dass

– eine Anzahl n lokaler Netze mit untereinander gleicher Frequenz betrieben werden,
– bei denen die Frequenz der lokalen Netze im Schwachlastfall das (1/n)-fache der Frequenz des allgemeinen Netzes beträgt, wobei
– die lokalen Netze so gegenseitig phasenverschoben betrieben werden, dass die Maxima der Spannung je eines lokalen Netzes etwa mit den Maxima des allgemeinen Netzes übereinstimmen.

Dann könnte zu den jeweils übereinstimmenden Maxima mit leistungselektronischen Schaltern in stärkerem Maße „durchgeschaltet" werden, ohne dass allzugroße Oberwellengehalte entstehen.

Bei zwei ausgedehnten Netzen bzw. Netzteilen, die normalerweise synchron und mit einer durchgeschalteten Verbindung betrieben werden, kann es ebenfalls zu großen Stromflüssen kommen, die mit Hilfe von FACTs stabilisiert werden. Es kann aber auch zu einem zeitweiligen Auseinanderbrechen des synchronen Verbundbetriebs kommen, oder der zu große Leistungsfluß in bestimmten Leitungen kann durch Abschalten derselben gezielt unterbunden werden. Ursache könnten etwa unterschiedliche Anforderungen an die Netz- und Frequenzstabilität sein. Auch dann kann es erwünscht sein, trotz des nicht synchronen Betriebs mit unterschiedlicher Frequenz bestimmte Leistungsflüsse zwischen den Netzen bzw. Netzteilen aufrecht zu halten. Eben dies kann bei Einsatz als Umrichter der sonst als FACTS genutzten Komponenten – deren normale Funktion mangels normalem Betrieb der Leitung ohnehin ausgesetzt ist – erreicht werden.

Eine weitere Ausprägung beruht auf einem Inselbetrieb des lokalen Netzes mit reduzierter Frequenz (Anspruch 10).

Beansprucht werden auch Vorrichtungen zur Umsetzung dieser Verfahren. Dabei kann es sich insbesondere um Regelvorrichtungen handeln, aber auch um spezielle Schalter, mit denen eine betriebssichere Umschaltung von Betriebsspannungen erreicht wird, oder um speziell ausgestattete bzw. verschaltete FACTS, die für die beschriebene Doppelfunktion ausgerüstet sind.

Es tut dem Verfahren keinen Abbruch, bzw. wird bei einer erfindungsgemäßen Ausprägung teilweise vorkommen, wenn

– in dem allgemeinen Netz die ungefähr konstante Frequenz innerhalb üblicher Grenzen geringfügig schwankt;
– es zeitweilig, insbesondere bei seltenen Netzzusammenbrüchen, eine ebenfalls nicht konstante Frequenz aufweist;
– Phasenverschiebungen zwischen dem allgemeinen Netz und dem lokalen Netz sowie innerhalb dieser Netzteile sowie der Verbindungsleitung vorliegen;
– Frequenzabweichungen durch Schlupf vorkommen;
– die eigentliche Erzeugungsanlage mittels Teil- oder Vollumrichter mit dem lokalen Netz bzw. den übrigen Teilen des lokalen Netzes verbunden ist, so dass dort bereits eine andere Frequenz vorliegt als im übrigen Teil des lokalen Netzes;
– die beschriebenen Umschaltmöglichkeiten nicht ständig bestehen oder genutzt werden, sondern nur in einem Teil der Zeit, insbesondere wenn teilweise auch bei niedriger Leistungsübertragung eine Synchronisation der Netzteile und der Verbindungsleitung bestehen bleibt.

Bei den tatsächlichen Anwendungen wird es sich in der Regel um Drehstromsysteme handeln, seltener um einphasige oder gemischte Systeme, während die zeichnerischen Beispiele der Einfachheit halber nur eine Phase eines Systems zeigen.

Weitere Ausprägungen und der beanspruchte Schutzumfang ergeben sich aus den Patentansprüchen.

Abbildungen
1 zeigt eine Erzeugungseinrichtung 1 in einem Teilnetz 2, das über eine Verbindungsleitung 3 und einen in einem ersten Betriebszustand geschlossenen Leistungsschalter 4 mit dem allgemeinen Netz 5 verbunden ist. Zwei Statcom 6 und 7 mit zugehörigen Kondensatoren 8 und 9 tragen zur Netzstützung bei. Im ersten Betriebszustand ist der Schalter 10 geöffnet.
In dem ebenfalls durch 1 dargestellten Betriebszustand mit geringer Übertragungsleistung wird der Schalter 4 geöffnet und stattdessen durch den geschlossenen Schalter 10 ein Energiefluß 11 zwischen dem lokalen Netz und dem allgemeinen Netz über die Statcom ermöglicht. Dadurch kann die Frequenz in dem lokalen Netz verändert und bei Bedarf deutlich reduziert werden.
2 zeigt analog zwei Netzgebiete 2 und 5, die über die Verbindungsleitung 3 und die beiden Transformatoren 11 und 12 miteinander verbunden sind. Die Erzeugungseinrichtung 1 ist über einen weiteren Transformator 13 mit dem übrigen lokalen Netz 2 verbunden. Bei dem Netzgebiet 5 könnte es sich z.B. um ein 380 kV-Übertragungsnetz handeln, bei dem Netzgebiet 2 um ein 30 kV-Mittelspannungsnetz, während die Leitung 3 im Nennbetrieb mit 150 kV betrieben wird.
Bei niedriger Übertragungsleistung in der Verbindungsleitung 3 wird nun der Schalter 14 geschlossen und der Schalter 15 geöffnet, so dass nur noch ein Teil der Windungen des Transformators 12 aktiviert wird, und somit die Betriebsspannung in der Leitung 3 reduziert wird.
Bei Umschaltung nur des Trafos 12 an der rechten Seite des skizzierten Systems würde sich die Spannung im gesamten lokalen Netz entsprechend vermindern.
Dieser Schaltvorgang kann ggf. durch Maßnahmen wie zusätzliche Induktivitäten in der Leitung zum Schalter 14, Kapazitäten parallel zum Schalter 15 und einen gezielten Leistungsabfluß in evtl. vorhandene Statcom zum Schaltzeitpunkt und weitere Regelvorgänge in den Stromerzeugern 1 begleitet werden, so daß während des Schaltvorgangs eine zu hohe Spannung an den entsprechenden Teilen des Transformators vermieden wird.
Mit einem zu dem Schaltern 14 und 15 entgegengesetzten Abgriff eines Teils der Windungen des Transformators 11 mit Hilfe der zusätzlichen Schalter 16 und 17 könnte die Spannungsreduzierung auf der anderen Seite dieses Transformators 11 ganz oder teilweise ausgeglichen werden (3). Für die Betriebssicherheit relevant ist dabei, dass die Schalter 16 und 17 nie vor den Schaltern 14 und 15 geschaltet werden dürfen, weil es sonst zu Überspannungen im Teilnetz 2 und im Trafo 11 kommen könnte. Dies sollte daher durch unmittelbar auf die Spannung reagierende, mechanische Verriegelungen dieser Schalter gewährleistet werden.
Eine ähnliche Wirkung könnte auch durch entsprechende Schalter 18, 19 bei den Transformatoren 13 der einzelnen Erzeugungseinrichtungen 1 erreicht werden (4), womit die Betriebsspannung im Teilnetz 2 und in der Leitung 3 reduziert wäre.
Schließlich besteht die Möglichkeit, eine der Transformationsstufen einfach durch einen Schalter 20 zu überbrücken (5). Dabei sollte vorzugsweise der Abgriff in dem Transformator 12 so erfolgen, dass sich dort genau die Spannung einstellt, die vor dem Schaltvorgang im Teilnetz 2 vorgelegen hatte.

Claims

Verfahren zum Betrieb mindestens einer Verbindungsleitung (3) zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei Netzteilen (2, 5), dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine Verbindungsleitung bei niedrigem oder fehlendem Leistungsfluß mit einer anderen Frequenz betrieben wird als wenigstens einer der Netzteile, wobei ein Leistungsfluß zwischen der Verbindungsleitung und dem Netzteil mit unterschiedlicher Frequenz über Umrichter (6, 7) erfolgt, – diese Verbindungsleitung bei höherem Leistungsfluß durch die Leitung mit den beiden anderen Netzteilen synchronisiert betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine Verbindungsleitung ein lokales Netz, in dem mindestens eine Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie betrieben wird, mit einem allgemeinen Netz mit ungefähr konstanter Frequenz verbindet, – in Zeiten mit niedriger oder fehlender Energieerzeugung in der Anlage bzw. in den Anlagen in dem lokalen Netz eine niedrigere Frequenz als in dem allgemeinem Netz erzeugt wird, – das lokale Netz in Zeiten mit höherer Energiegewinnung in der Anlage mit dem allgemeinen Netz synchronisiert betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem elektronische Leistungsschalter und diesen zugeordnete Anlagenteile je nach Betriebszustand dazu genutzt werden können – eine Vollumrichtung zwischen der niedrigeren Betriebsfrequenz des lokalen Netzes und der Frequenz des allgemeinen Netzes herzustellen, oder – bei gelicher Betriebsfrequenz in beiden Netzteilen und der Verbindungsleitung den Blindstromausgleich oder andere stützende Fuktionen für den Netzbetrieb zu übernehmen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die elektronischen Leistungsschalter von IGBT gebildet werden, die in zwei Anlagenteile gegliedert sind, und die je nach Betriebszustand – an ihrer Gleichstromseite miteinander verbunden werden, und dabei als Umrichter zwischen lokalem und allgemeinem Netz genutzt werden, oder – parallel geschaltet mit dem allgemeinen Netz und mit der Verbindungsleitung verbunden werden, und dabei als STATCOMs betrieben werden können.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das mit dem allgemeinen Netz verbundene lokale Netz zu einem Offshore-Windpark gehört und die Verbindungsleitung ein Hochspannungs-Seekabel ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Synchrongeneratoren – bei geringerem Leistungsfluß zwischen den Netzteilen miteinender mechanisch gekoppelt und als Umrichter zwischen den Frequenz des eines Netztteils und der Frequenz des anderen Netzteils eingesetzt werden, und – bei größerem Leistunsfluß als Phasenschieber eingesetzt werden können.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Verbindungsleitung bei geringerer Leistungsübertragung mit höherer Frequenz als mindestens eines der Teilnetze betrieben wird, wodurch die Abweichung zwischen der natürlichen Leistung der Übertragungsleitung und der tatsächlich übertragenen Leistung reduziert wird.
Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie, die mit einem lokalen Netz verbunden ist, bzw. von mehreren solcher Anlagen, dadurch gekennzeichnet, dass – das lokale Netz je nach Betriebszustand mit einem unterschiedlichen Netz verbunden wird, an das es Energie überträgt, wobei – das lokale Netz bei niedriger und ggf. auch bei fehlender Energiegewinnung in der Anlage bzw. den Anlagen mit einem Netz mit niedriger Frequenz verbunden und synchronisiert betrieben werden, und – das lokale Netz bei höherer Energiegewinnung in der Anlage bzw. in den Anlagen mit einem allgemeinen Netz mit höherer Frequenz verbunden und synchronisiert betrieben werden kann.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem – bei niedriger und ggf. auch bei fehlender Energiegewinnung regelmäßig eine Verbindung des lokalen Netzes mit einem 16 2/3 Hz Bahnstromnetz hergestellt wird, und – bei stärkerer Energiegewinnung regelmäßig eine Verbindung mit einem 50 Hz Stromnetz der allgemeinen Versorgung hergestellt wird.
Verfahren zum Betrieb eines lokales Netz, in dem mindestens eine Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass – dieses lokale Netz bei genügender Energieerzeugung über eine Verbindungsleitung mit einem allgemeinen Netz mit ungefähr konstanter Frequenz verbunden und mit dem allgemeinen Netz synchronisiert betrieben wird, – bei niedriger oder fehlender Energieerzeugung in der Anlage bzw. in den Anlagen die Verbindung zu dem allgemeinen Netz aufgetrennt wird, und das lokale Netz mit einer niedrigeren Frequenz als zuvor betrieben wird.
Verfahren zum Betrieb eines lokales Netz, in dem mindestens eine Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass – dieses lokale Netz bei genügender Energieerzeugung mit einer bestimmten Spannung und mit dem allgemeinen Netz synchronisiert betrieben wird, wobei durch mindestens einen Transformator etwa konstante Spannungsverhältnisse zwischen dem lokalen Netz, der Verbindungsleitung zu dem allgemeinen Netz – bzw. zwischen Teilen dieser Netze – hergestellt werden, – bei niedriger oder fehlender Energieerzeugung eine Veränderung des Transformationsverhältnisses erfolgt, so dass die Verbindungsleitung zu dem lokalen Netz und ggf. das lokale Netz -oder wenigstens Teile davon- mit niedrigerer Spannung als im zuerst genannten Betriebszustand betrieben werden.
Vorrichtung zur Umschaltung des Betriebszustands von Netzteilen, die spezifisch für die Verwirklichung eines der Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 11 ausgelegt wurde.