DE102010022043A1

DE102010022043A1 - Energiespeicher im Bereich der Elektroenergieübertragung und -verteilung

Info

Publication number: DE102010022043A1
Application number: DE102010022043A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gambach Herbert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-12-01
Also published as: WO2011147927A1

Abstract

Um eine Anlage (1) zum Übertragen von elektrischer Energie mit Umrichtern (2), die jeweils einen Wechselspannungsanschluss aufweisen und über ein Gleichspannungsnetz (3) miteinander verbunden sind, bereitzustellen, mit der kostengünstig Energie gespeichert werden kann, wird vorgeschlagen, dass das Gleichspannungsnetz (3) eine Reihenschaltung (8) aus Energiespeichern (9) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Übertragen elektrischer Energie mit Umrichtern, die jeweils einen Wechselspannungsanschluss aufweisen und über ein Gleichspannungsnetz miteinander verbunden sind.
Eine solche Anlage ist beispielsweise unter dem Begriff Hochspannungsgleichstromübertragungsanlage(HGÜ)-Anlage) aus der Praxis bekannt. Eine HGÜ-Anlage umfasst in der Regel zwei Umrichter, die über einen Gleichstrom- oder Gleichspannungszwischenkreis miteinander verbunden sind. Jeder Umrichter verfügt über einen Wechselspannungsanschluss, mit dem der jeweilige Umrichter über einen Transformator oder eine sonstige Induktivität an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist. Die HGÜ-Anlage dient in der Regel zum verlustarmen Übertragen hoher elektrischer Leistungen über weite Entfernungen.
In Zukunft stellt sich mit steigendem Einsatz von regenerativen Energiequellen zur Deckung des Bedarfs an elektrischer Energie mehr und mehr der Aufgabe, eine praktikable Möglichkeit zur Speicherung dieser Energie zu finden. Als regenerative Energiequelle kommt beispielsweise die Windenergie oder aber auch die Solarenergie in Betracht. Diese Energiequellen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie nicht immer dann zur Verfügung stehen, wenn sie gebraucht werden. Aus diesem Grunde sind Energiespeicher erforderlich, welche die sporadisch zur Verfügung stehenden Energiemengen über eine gewisse Zeitdauer hinweg speichern können. Derzeit bekannte Energiespeicher sind beispielsweise Batterien, Akkumulatoren, Schwungscheiben, elektrochemische Kondensatoren, supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) oder dergleichen.
Aus der US 3,867,643 ist ein Umrichter bekannt, der aus einer Reihenschaltung von Submodulen besteht, wobei jedes Submodul über eine Leistungshalbleiterschaltung sowie einen Energiespeicher verfügt. Als Energiespeicher werden zweckmäßigerweise Batterien eingesetzt.
Darüber hinaus ist aus der DE 101 03 031 ein weiterer Umrichter mit einer Reihenschaltung von Submodulen bekannt, wobei jedes Submodul einen Kondensator aufweist. Solche auch als modulare Mehrstufenumrichter bezeichneten Systeme eigenen sich jedoch nicht zur Speicherung hoher Energiemengen über Stunden hinweg.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der die Zwischenspeicherung hoher Energiemengen ermöglicht ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass das Gleichspannungsnetz eine Reihenschaltung aus Energiespeichern aufweist.
Erfindungsgemäß wird eine Reihenschaltung aus Energiespeichern direkt in ein Gleichspannungsnetz einer HGÜ-Anlage geschaltet. Auf diese Art und Weise ist es möglich, kostengünstig Energie zu speichern. Die Umrichter der HGÜ-Anlage werden einerseits zur geregelten Energieübertragung eingesetzt, gestatten es jedoch darüber hinaus auch die Steuerung der Energiespeicherung in der besagten Reihenschaltung. Auf diese Art und Weise kann die Energie kostengünstig ohne weitere leistungselektronische Stelleinrichtungen gespeichert werden. Aus Schutzgründen ist in Reihe zum Energiespeicher ein abschaltfähiger DC-Schalter oder eine andere Sicherungseinrichtung zu verwenden. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung ohne Weiteres möglich, eine Reihenschaltung aus Energiespeichern auch in bereits existierende HGÜ-Anlagen zu integrieren.
Vorteilhafterweise weist das Gleichspannungsnetz zwei entgegen gesetzt zueinander polarisierte Pole auf, wobei die Pole über die Reihenschaltung von Energiespeichern miteinander verbunden sind. Mit dieser vorteilhaften Weiterentwicklung wird die Reihenschaltung der Energiespeicher direkt zwischen die Pole des Gleichspannungsnetzes geschaltet. Dies ist besonders kostengünstig und einfach und schnell realisierbar.
Zweckmäßigerweise sind die Umrichter spannungseinprägende Umrichter. Spannungseinprägende Umrichter sind beispielsweise unter dem Begriff „Voltage Source Converter (VSC)” bekannt. Sie weisen ansteuerbare Leistungshalbleiter auf, die sowohl an- als auch abgeschaltet werden können. Solche spannungseinprägenden Umrichter weisen gegenüber den so genannten Current Source Convertern verschiedene Vorteile auf. So können beispielsweise auch schwache Netze mit Energie versorgt werden. Darüber hinaus kann bei Einsatz von spannungseinprägenden Umrichtern jedes beliebige Verhältnis zwischen Blind- und Wirkleistung bei der Energieübertragung eingestellt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich bei Einsatz eines modularen spannungseinprägenden Mehrstufenumrichters, der beispielsweise aus der DE 201 22 923 U1 bekannt ist. Ein solcher Mehrstufenumrichter kann selbst im Hochspannungsbereich stufenweise im Mikrosekundenbereich getaktet werden. Für die einzelnen Leistungshalbleiterschalter ergeben sich sehr geringe effektive Schaltfrequenzen, die Belastung der Halbleiter durch Schaltverluste ist daher sehr gering. Darüber hinaus werden weniger Filtermittel benötigt.
Zweckmäßigerweise verfügt jedes Submodul eines solchen spannungseinprägenden Mehrstufenumrichters über einen zusätzlichen Energiespeicher. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist für jedes Submodul nicht nur ein Kondensator vorgesehen, der ebenfalls als Energiespeicher betrachtet werden kann. Vielmehr verfügt darüber hinaus jedes Submodul über einen weiteren Energiespeicher, beispielsweise über einen chemischen Energiespeicher, so dass jedes Submodul zum Erzeugen und Einspeisen von Wirkleistung eingerichtet ist.
Zweckmäßigerweise ist jeder Energiespeicher der Reihenschaltung ein chemischer Energiespeicher. Solche chemischen Energiespeicher sind beispielsweise Akkumulatoren, Batterien oder dergleichen, die als solche am Markt erhältlich sind. Sie weisen eine im Vergleich zu Kondensatoren hohe Energiedichte auf, so dass durch deren Reihenschaltung und Anordnung im Gleichspannungsnetz einer HGÜ-Anlage auf einfache Art und Weise eine hohe Energiemenge zwischengespeichert werden kann. Dies ist insbesondere für die Verwendung neuer Energiequellen, wie Windenergie, Solarenergie und dergleichen, bedeutsam, deren Energieerzeugung zeitlich nur unzulänglich gesteuert werden kann. Erfindungsgemäß kann somit beispielsweise bei hohem Windaufkommen oder tagsüber bei hoher Sonneneinstrahlung erzeugte Energie in den chemischen Energiespeichern der Reihenschaltung zwischengespeichert werden, wobei der zugehörige Umrichter die Regelung des Aufladens der chemischen Energiespeicher übernimmt. Die in den Energiespeichern gespeicherte Energie kann dann beispielsweise nachts bzw. wenn der Energieverbrauch größer als die erzeugte Energie ist abgerufen werden. Der Entladevorgang wird ebenfalls vom zugehörigen Umrichter geregelt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch darstellt,
2 eine Phasenbaustein des Umrichters gemäß 1 genauer zeigt,
3 ein Submodul eines Phasenbaustein gemäß 2 schematisch verdeutlicht und
4 eine weitere Variante eines Submoduls des Phasenbaustein gemäß 2 zeigt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage 1, die einen ersten Umrichter 2 sowie einen zweiten nicht gezeigten Umrichter aufweist, der mit dem Umrichter 2 über ein Gleichspannungsnetz 3 verbunden ist. Das Gleichspannungsnetz 3 weist einen positiv geladenen Pol 3+ sowie einen negativ geladenen Pol 3– auf. Der Umrichter 2 verfügt über drei Phasenbausteine 4, 5 und 6, die jeweils mit zwei Gleichspannungsanschlüssen zum Anschluss des positiven Pols 3+ sowie des negativen Pols 3_ ausgestattet sind.
Darüber hinaus ist jeder Phasenbaustein 4, 5, 6 über seinen Wechselspannungsanschluss 7 unter Zwischenschaltung eines nicht gezeigten Transformators mit einem Wechselspannungsnetz verbunden. Die Anlage 1 ist zur Übertragung elektrischer Energie von dem angeschlossenen Wechselspannungsnetz über den Umrichter 2, das Gleichspannungsnetz 3 und den nicht gezeigten Umrichter in ein weiteres nicht gezeigtes Wechselspannungsnetz eingerichtet.
Zum Zwischenspeichern von Energie, die beispielsweise nachts von einer Windenergieanlage erzeugt wird, ist zwischen den Polen 3+ und 3– des Gleichspannungsnetzes 3 eine Reihenschaltung 8 von chemischen Energiespeichern 9 angeordnet. Dabei ist die Reihenschaltung 8 direkt und ohne Zwischenschaltung weiterer spannungsstellender Bauteile mit dem jeweiligen Pol 3+ beziehungsweise 3– verbunden. Auf diese Art und Weise ist eine besonders einfache und kostengünstige Art der Energiespeicherung bereitgestellt. Die Regelung des Lade- und Entladevorganges erfolgt über wenigstens einen der Umrichter, die über das Gleichspannungsnetz miteinander verbunden sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel regelt der Umrichter 2 den Ladevorgang. Zum Abkoppeln der Reihenschaltung 8 der chemischen Energiespeicher vom Gleichspannungsnetz 3 ist eine Unterbrechereinheit 21 in Reihe zur Reihenschaltung 8 vorgesehen. Die Unterbrechereinheit 21 ist beispielsweise ein mechanischer Gleichspannungsschalter, der als solcher dem Fachmann bekannt ist, oder ein elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein Halbleiterschalter.
2 zeigt den Phasenbaustein 4 des Umrichters 2 genauer. Es ist erkennbar, dass das Phasenmodul 2 zwischen jedem Gleichspannungsanschluss 3+ beziehungsweise 3– und dem Wechselspannungsanschluss 7 zwei Ventilzweige 10 und 11 aufweist, wobei jeder Ventilzweig 10, 11 aus einer Reihenschaltung von n Submodulen 12 besteht. Jedes Submodul 12 verfügt wiederum über einen Kondensator 13, eine Leistungshalbleiterschaltung 14 sowie eine Elektronik 15 zum Ansteuern der Leistungshalbleiterschalter der Leistungshalbleiterschaltung 14. Alle Submodule 12 sind identisch aufgebaut.
Beispiele für den Aufbau der Submodule 12 sind in den 3 und 4 gezeigt. In 3 ist erkennbar, dass die Leistungshalbleiterschaltung 14 aus einer Reihenschaltung von zwei an- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern 15 und 16 besteht, denen jeweils eine Freilaufdiode 17 beziehungsweise 18 gegensinnig parallel geschaltet ist. Die Reihenschaltung der an- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 15 und 16 ist parallel zum Kondensator 13 geschaltet. Eine erste Anschlussklemme 19 liegt an der negativen Elektrode des Kondensators 13 an. Eine zweite Anschlussklemme 20 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern 15 und 16 verbunden. Je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter 15 und 16 ist somit an den Ausgangsklemmen 19 und 20 entweder die an dem Kondensator 13 abfallende Kondensatorspannung U_C oder aber eine Nullspannung erzeugbar. Mit einer Reihenschaltung solcher Submodule ist es daher möglich, einen stufenförmigen Spannungsverlauf zu erzeugen. Ein solcher Umrichter wird daher auch als modularer Mehrstufenumrichter bezeichnet. Modulare Mehrstufenumrichter sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht genauer eingegangen zu werden braucht.
Das in 4 gezeigte Submodul weist zusätzlich zu den Bauteilen des Submoduls gemäß 3 einen Energiespeicher 22 auf. Der Energiespeicher 22 ermöglicht der Anlage 1 Energie nicht nur in der Reichenschaltung 8 von Energiespeichern 9 zu speichern, sondern darüber hinaus im Umrichter 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3867643 [0004]
DE 10103031 [0005]
DE 20122923 U1 [0011]

Claims

Anlage (1) zum Übertragen von elektrischer Energie mit Umrichtern (2), die jeweils einen Wechselspannungsanschluss aufweisen und über ein Gleichspannungsnetz (3) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichspannungsnetz (3) eine Reihenschaltung (8) aus Energiespeichern (9) aufweist.
Anlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichspannungsnetz (3) zwei entgegengesetzt zueinander polarisierte Pole (3+, 3–) aufweist, wobei die Pole (3+, 3–) über die Reihenschaltung (8) miteinander verbunden sind.
Anlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichter spannungseinprägende Umrichter (2) sind.
Anlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder spannungseinprägende Umrichter ein modularer Mehrstufenumrichter (2) ist, der Reihenschaltungen aus Submodulen (12) aufweist, wobei jedes Submodul (12) eine Kondensatoreinheit (13) aufweist.
Anlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Submodul (12) einen Energiespeicher (22) aufweist.
Anlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher der Reihenschaltung (8) chemische Energiespeicher (9) sind.
Anlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung (8) über eine Unterbrechungseinheit (21) mit dem Gleichspannungsnetz (3) verbunden ist.