DE102005043422B4

DE102005043422B4 - Betrieb eines lokalen Netzes mit reduzierter Frequenz bei geringer Energieübertragung

Info

Publication number: DE102005043422B4
Application number: DE102005043422.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: DE102005043422A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb mindestens einer Verbindungsleitung (3) zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei Netzteilen (2, 5), dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine Verbindungsleitung (3) ein lokales Netz (2), in dem mindestens eine Anlage (1) zur Gewinnung von elektrischer Energie betrieben wird, mit einem Versorgungsnetz (5) verbindet, • in Zeiten mit niedriger oder fehlender Energieerzeugung in der mindestens einen Anlage (1) in dem lokalen Netz (2) eine niedrigere Frequenz als in dem Versorgungsnetz (5) erzeugt wird, • das lokale Netz (2) in Zeiten mit höherer Energiegewinnung in der mindestens einen Anlage (1) mit dem Versorgungsnetz (5) synchron betrieben wird, und – dass elektronische Leistungsschalter verwendet werden, die in zwei Anlagenteile (6, 7) gegliedert sind und je nach Betriebszustand dazu genutzt werden können • eine Vollumrichtung zwischen der niedrigeren Betriebsfrequenz des lokalen Netzes (2) und der Frequenz des Versorgungsnetzes (5) herzustellen, wobei die Anlagenteile (6, 7) an ihrer Gleichstromseite über einen Schalter (10) miteinander verbunden werden, und dabei als Umrichter zwischen lokalem Netz (2) und Versorgungsnetz (5) genutzt werden, oder • bei gleicher Betriebsfrequenz in beiden Netzteilen (2, 5) und der Verbindungsleitung (3) den Blindstromausgleich oder andere stützende Funktionen für den Netzbetrieb zu übernehmen, wobei die Anlagenteile (6, 7) parallel geschaltet mit dem Versorgungsnetz (5) und mit der Verbindungsleitung (3) verbunden werden, und dabei als STATCOMs betrieben werden können.

Description

Stand der Technik
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) zusammengefasst (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.
In der Anmeldung WO 93/18 566 A1 wird beschrieben, dass zur Übertragung kleiner Leistungen über große Entfernungen vorteilhaft mit Umrichtern eine niedrigere Übertragungsfrequenz erzeugt wird. Diese Umrichtung erfolgt offenbar in allen Betriebszuständen einer bestimmten Leitung, so dass die Umrichter für die maximale Übertragungsleistung ausgelegt werden müssen. Eine vergleichbare Umrichtung kann auch mit paarweise mechanisch gekoppelten Asynchronmotoren/-generatoren erfolgen, womit u. a. bei unterschiedlicher Anzahl ihrer Pole eine bestimmtes Frequenzverhältnis erreicht wird, dass zudem infolge des Schlupfes eine gewisse Bandbreite erhält (vgl. WO 01/26 201 A1 , Anspruch 3 und 7).
Wird durch eine einseitige Umrichtung eine variable Frequenz in einem lokalen Windparknetz erreicht, kann dies den Einsatz von Synchrongeneratoren in den Windkraftanlagen erleichtern (vgl. DE 100 44 262 A1 , insbes. Absatz 20 und 42 sowie 7).
Offshore-Windparks werden über lange Seekabel mit dem allgemeinen Stromnetz bzw. Versorgungsnetz 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 Versorgungsnetzes 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 zusätzliche 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 Übertragungsnetzen unterschiedlicher Frequenz 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 Versorgungsnetz mit seiner konstanten Frequenz zu übertragen.
Die Umrichtung erfolgt erfindungsgemäß mit elektronischen Leistungsschaltern, vorzugsweise als IGBT ausgeführt, die in zwei Teile 6, 7 geteilt und im Umrichtungsbetrieb 11 an ihrer Gleichstromseite verbunden (10) werden. Bei durch den Schalter 4 gewährleisteter, gleicher Betriebsfrequenz in beiden Netzteilen 2, 5 und damit auch der Verbindungsleitung 3 entfällt diese Aufgabe für die Leistungsschalter und sie können als STATCOM betrieben werden und den Blindstromausgleich oder andere stützende Funktionen für den Netzbetrieb übernehmen.
Dadurch, dass die Umrichtung erfindungsgemäß nur im Teillastbetrieb stattfindet, werden die Leistungsanforderungen an die Umrichter begrenzt. Bei günstiger Auslegung werden ausschließlich elektronische Leistungsschalter, die im Vollastbetrieb ohnehin für Aufgaben des 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 aerodynamischen Wirkungsgrad reduziert werden.
Der Betrieb eines Windparks mit einem lokalen Netz, dessen Frequenz variabel ist, könnte insbesondere so geregelt werden, dass dadurch ein 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 führt 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.
Bei Nutzung der Erfindung in Offshore-Windparks ist es möglich, die Frequenzumwandlung nur landseitig am Übergang zwischen dem Versorgungsnetz und dem Seekabel vorzunehmen, so dass sich in dem gesamten Windparknetz die Frequenz 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 auf der Windparkseite der Übertragungsstrecke 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 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 Versorgungsnetzes beträgt, wobei
– die lokalen Netze so gegenseitig phasenverschoben betrieben werden, dass die Maxima der Spannung je eines lokalen Netzes etwa mit den Maxima des Versorgungsnetzes übereinstimmen.

Dann könnte zu den jeweils übereinstimmenden Maxima mit leistungselektronischen Schaltern in stärkerem Maße „durchgeschaltet” werden, ohne dass allzu große Oberwellengehalte entstehen.
Bei zwei ausgedehnten Netzen bzw. Netzteilen, die normalerweise synchron (d. h. mit gleicher Frequenz, synchronisiert) 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 vorteilhafte Ausprägung beruht auf einem Inselbetrieb des lokalen Netzes mit reduzierter Frequenz (Anspruch 5).
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 Versorgungsnetz die ungefähr konstante Frequenz innerhalb üblicher Grenzen geringfügig schwankt;
– es zeitweilig, insbesondere bei seltenen Netzzusammenbrüchen, eine ebenfalls nicht konstante Frequenz aufweist;
– Phasenverschiebungen zwischen dem Versorgungsnetz 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 Zeichnung der Einfachheit halber nur eine Phase eines Systems zeigt.
Weitere Ausprägungen und der beanspruchte Schutzumfang ergeben sich aus den Patentansprüchen.
Abbildung
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 Versorgungsnetz 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 Versorgungsnetz über die Statcom ermöglicht. Dadurch kann die Frequenz in dem lokalen Netz verändert und bei Bedarf deutlich reduziert werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb mindestens einer Verbindungsleitung (3) zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei Netzteilen (2, 5), dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine Verbindungsleitung (3) ein lokales Netz (2), in dem mindestens eine Anlage (1) zur Gewinnung von elektrischer Energie betrieben wird, mit einem Versorgungsnetz (5) verbindet, • in Zeiten mit niedriger oder fehlender Energieerzeugung in der mindestens einen Anlage (1) in dem lokalen Netz (2) eine niedrigere Frequenz als in dem Versorgungsnetz (5) erzeugt wird, • das lokale Netz (2) in Zeiten mit höherer Energiegewinnung in der mindestens einen Anlage (1) mit dem Versorgungsnetz (5) synchron betrieben wird, und – dass elektronische Leistungsschalter verwendet werden, die in zwei Anlagenteile (6, 7) gegliedert sind und je nach Betriebszustand dazu genutzt werden können • eine Vollumrichtung zwischen der niedrigeren Betriebsfrequenz des lokalen Netzes (2) und der Frequenz des Versorgungsnetzes (5) herzustellen, wobei die Anlagenteile (6, 7) an ihrer Gleichstromseite über einen Schalter (10) miteinander verbunden werden, und dabei als Umrichter zwischen lokalem Netz (2) und Versorgungsnetz (5) genutzt werden, oder • bei gleicher Betriebsfrequenz in beiden Netzteilen (2, 5) und der Verbindungsleitung (3) den Blindstromausgleich oder andere stützende Funktionen für den Netzbetrieb zu übernehmen, wobei die Anlagenteile (6, 7) parallel geschaltet mit dem Versorgungsnetz (5) und mit der Verbindungsleitung (3) verbunden werden, und dabei als STATCOMs betrieben werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektronischen Leistungsschalter von IGBT gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das mit dem Versorgungsnetz verbundene lokale Netz (2) zu einem Offshore-Windpark (1) gehört und die Verbindungsleitung (3) ein Hochspannungs-Seekabel ist.
Verfahren zum Betrieb mindestens einer Anlage (1) zur Gewinnung von elektrischer Energie, die mit einem lokalen Netz (2) über eine Verbindungsleitung (3) zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei Netzteilen (2, 5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb eines lokales Netzes (2), in dem mindestens eine Anlage (1) zur Gewinnung von elektrischer Energie betrieben wird, wobei das lokale Netz (2) über eine Verbindungsleitung (3) zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei Netzteilen (2, 5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 verbunden ist.
Vorrichtung zur Umschaltung des Betriebszustands von Netzteilen (2, 5), die spezifisch für die Verwirklichung eines der Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5 ausgelegt wurde.