DE102017217548A1

DE102017217548A1 - Gleichstrom-Übertragungssystem

Info

Publication number: DE102017217548A1
Application number: DE102017217548.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Distler; Christian Pfeifer; Alexander Rentschler; Walter Filipp Rosinski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-10-02
Filing date: 2017-10-02
Publication date: 2019-04-04
Also published as: DE212018000338U1; CN213367658U; WO2019068437A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleichstrom-Übertragungssystem (1) mit mindestens einer Gleichstromleitung (9, 11) zum elektrischen Verbinden eines ersten Stromrichters (3) mit einem zweiten Stromrichter (5). Die Gleichstromleitung ist eine Gleichstrom-Freileitung (9, 11), die an Freileitungsmasten (301, 401, 501) befestigt ist, welche zum Tragen einer Wechselstrom-Freileitung dimensioniert und/oder aufgestellt worden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichstrom-Übertragungssystem mit mindestens einer Gleichstromleitung zum elektrischen Verbinden eines ersten Stromrichters mit einem zweiten Stromrichter. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Übertragen von Gleichstrom.
Aufgrund des steigenden Bedarfs an elektrischer Energie werden neue Strom-Übertragungssysteme benötigt. Durch die zunehmende Erzeugung von regenerativer elektrischer Energie mittels Windkraftanlagen, Solaranlagen o.ä. tritt weiterhin verstärkt das Problem auf, dass der Ort der Erzeugung der elektrischen Energie und der Ort, an dem die elektrische Energie benötigt wird (Ort der Verbraucher), räumlich weit auseinander liegen können. Daher werden zusätzliche neue Strom-Übertragungssysteme benötigt, um den erzeugten elektrischen Strom zum Verbraucher zu übertragen.
Insbesondere der Neubau von Freileitungsmasten mit Freileitungen zur Übertragung von elektrischer Energie wird in der öffentlichen Diskussion kritisch hinterfragt. Die dafür notwendigen Planungs- und Genehmigungsverfahren sind aufwendig und können eine beträchtliche Zeit in Anspruch nehmen. Dies verzögert die Realisierung von neuen Strom-Übertragungssystemen.
Aktuell werden Stromnetze entsprechend ihrer Bemessungsspannung in Höchstspannungsnetze (220kV/380kV), Hochspannungsnetze (110kV) und Mittelspannungsnetze (1-50kV) eingeteilt. Die Wahl der Bemessungsspannung richtet sich nach der zu übertragenden Strecke (Freileitung bzw. Kabel) sowie der zu übertragenden Leistung (Scheinleistung MVA bzw. Wirkleistung MW). Hierfür existiert bereits eine ausgereifte Infrastruktur (Freileitungsmasten im ländlichen/überregionalem Bereich, Kabelsysteme im urbanen/regionalen Bereich). Aufgrund der einfachen Transformierbarkeit wurde in der Vergangenheit vorzugsweise Wechselspannung auf allen Spannungsebenen eingesetzt.
Die Planungsebenen und Verfahren für den Bau von Höchstspannungsleitungen können wie folgt unterteilt werden:

- Bedarfsplanung:
- - Szenariorahmen für die Netzentwicklungsplanung (§ 12 a EnWG)
- - Netzentwicklungsplan (§ 12 b EnWG)
- - Bundesbedarfsplan (§ 12 e EnWG) und Umweltprüfung
- Räumliche Planung (Korridore):
- - Bundesfachplanung (§ 4 ff NABEG) oder Raumordnungsverfahren (Bayerisches Landesplanungsgesetz (BayLplG) ggf. in Verbindung mit dem Raumordnungsgesetz (ROG))
- Genehmigungsverfahren (Trassen):
- - Planfeststellung (§§ 43 ff EnWG oder §§ 18 ff NABEG)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichstrom-Übertragungssystem und ein Verfahren zum Übertragen von Gleichstrom anzugeben, die schnell und mit geringem Aufwand realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gleichstrom-Übertragungssystem und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des Gleichstrom-Übertragungssystems und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird ein Gleichstrom-Übertragungssystem mit mindestens einer Gleichstromleitung zum elektrischen Verbinden eines ersten Stromrichters mit einem zweiten Stromrichter, wobei die Gleichstromleitung eine Gleichstrom-Freileitung ist, die an Freileitungsmasten befestigt ist, welche (ursprünglich) zum Tragen einer (Hochspannungs-)Wechselstrom-Freileitung dimensioniert und/oder aufgestellt worden sind. Dieses Gleichstrom-Übertragungssystem hat den Vorteil, dass keine neuen Freileitungsmasten entworfen und genehmigt werden müssen. Vielmehr werden für die Gleichstrom-Freileitung bereits bestehende Freileitungsmasten genutzt, die ursprünglich für eine Wechselstrom-Freileitung, insbesondere für eine Hochspannungs-Wechselstrom-Freileitung, dimensioniert, aufgestellt und/oder genutzt worden sind. Für diese bestehenden Freileitungsmasten liegt bereits eine Genehmigung vor, da diese bereits früher ein entsprechendes Genehmigungsverfahren durchlaufen haben. Daher ist für die Nutzung dieser Freileitungsmasten für die Gleichstrom-Freileitung kein neues Genehmigungsverfahren notwendig oder zumindest nur ein eingeschränktes und damit schnelleres und weniger aufwendiges Genehmigungsverfahren (verglichen mit einem Genehmigungsverfahren für einen Neubau von Freileitungsmasten). Daher lässt sich dieses Gleichstrom-Übertragungssystem vergleichsweise einfach und schnell realisieren. Die Gleichstromleitung verbindet den ersten Stromrichter mit dem zweiten Stromrichter. Dadurch kann elektrische Energie von dem ersten Stromrichter über die Gleichstromleitung zu dem zweiten Stromrichter (und umgekehrt) übertragen werden. Die Stromrichter können beispielsweise jeweils Gleichstrom in Wechselstrom oder Wechselstrom in Gleichstrom wandeln, so dass mittels des Gleichstrom-Übertragungssystems beispielsweise elektrische Energie von einem ersten Wechselstrom-Netz zu einem entfernt angeordneten zweiten Wechselstrom-Netz (oder von einer WechselstromQuelle zu einem entfernt angeordneten Wechselstrom-Verbraucher) übertragen werden kann.
Bei der Energieübertragung mittels Gleichstrom bzw. Gleichspannung kann vorteilhafterweise bei gleicher Spannung (AC Effektivwert, DC Effektivwert) aufgrund des nicht vorhandenen Skin-Effekts eine günstigere Stromverteilung im Übertragungsmedium (Kabel, Freileitung) erreicht werden. Bei gegebener Grenztemperatur erreicht man höhere Stromstärken und damit höhere Übertragungsleistungen.
Bei der Energieübertragung mittels Gleichstrom entfallen die Umpolarisationseffekte und damit entfallen die Blindleistungsanteile. Bei gegebener Geometrie (Freileitungsseile, Freileitungsmasten, Kabel) entfällt der Anteil der parasitären Kapazität bei der Bemessung der Übertragungsstrecke. Daher ergeben sich größere mögliche Übertragungsstrecken.
Beispielhafter Vergleich: 110 kV AC vs. 50 kV DC Bei 110 kV AC können Leistungen zwischen 10-100 MW übertragen werden. Bei Umsetzung von 110 kV AC auf 50 kV DC können Leistungen bis zu 155 MW übertragen werden.
Das Gleichstrom-Übertragungssystem kann so ausgestaltet sein, dass die Gleichstrom-Freileitung anstelle oder zusätzlich zu der Wechselstrom-Freileitung an den Freileitungsmasten befestigt ist. Wenn die Gleichstrom-Freileitung anstelle der Wechselstrom-Freileitung an den Freileitungsmasten befestigt ist, kann vorteilhafterweise ein Wechselstrom-Übertragungssystem durch ein Gleichstrom-Übertragungssystem ersetzt werden. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil bei längeren Übertragungsstrecken die Gleichstromübertragung mit geringeren Verlusten möglich ist als die Wechselstromübertragung. Wenn die Gleichstrom-Freileitung zusätzlich zu der Wechselstrom-Freileitung an den Freileitungsmasten befestigt ist, lassen sich mit geringem Aufwand parallel ein Wechselstrom-Übertragungssystem und ein Gleichstrom-Übertragungssystem realisieren.
Das Gleichstrom-Übertragungssystem kann so ausgestaltet sein, dass das Gleichstrom-Übertragungssystem zum Übertragen von Gleichstrom bei Gleichspannungen zwischen 1 kV und 50 kV, insbesondere zwischen 10 kV und 50 kV, ausgelegt ist. Dieses Gleichstrom-Übertragungssystem ist dann ein Mittelspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystem, wobei der Bereich der Mittelspannung von 1 kV - 50 kV, insbesondere von 10 kV bis 50 kV, abgedeckt ist. Die Gleichstrom-Freileitung ist dann eine Mittelspannungs-Gleichstrom-Freileitung.
Das Gleichstrom-Übertragungssystem kann auch so ausgestaltet sein, dass die Gleichstrom-Freileitung (mindestens) ein flexibles Leiterseil aufweist. Dieses Leiterseil wird (ähnlich wie bei einer Hochspannungs-Wechselstrom-Freileitung) an den Freileitungsmasten befestigt.
Das Gleichstrom-Übertragungssystem kann so ausgestaltet sein, dass die Gleichstrom-Freileitung pro Längeneinheit eine Masse aufweist, die kleiner oder gleich der Masse der Wechselstrom-Freileitung ist. Insbesondere kann das Gleichstrom-Übertragungssystem so ausgestaltet sein, dass das Leiterseil der Gleichstrom-Freileitung pro Längeneinheit eine Masse aufweist, die kleiner oder gleich der Masse eines Leiterseils der Wechselstrom-Freileitung ist. Dadurch kann die Gleichstrom-Freileitung relativ problemlos anstelle der Wechselstrom-Freileitung an den Freileitungsmasten befestigt und von diesen Freileitungsmasten getragen werden. Die Gleichstrom-Freileitung kann auch dieselben oder gleichartige geometrische Abmessungen (zum Beispiel Durchmesser und/oder Länge) aufweisen wie die ursprünglich geplante Wechselstrom-Freileitung.
Das Gleichstrom-Übertragungssystem kann so ausgestaltet sein, dass die Höhe der Freileitungsmasten reduziert ist gegenüber der ursprünglichen Höhe der für die (Hochspannungs-)Wechselstrom-Freileitung dimensionierten Freileitungsmasten. Insbesondere bei einem Gleichstrom-Übertragungssystem für Mittelspannung sind aufgrund der gegenüber Hochspannung geringeren Spannung kleinere Isolationsanstände der Gleichstrom-Freileitung gegenüber dem Untergrund ausreichend. Daher kann die Höhe der Freileitungsmasten verringert werden, wodurch die Freileitungsmasten optisch weniger störend erscheinen.
Das Gleichstrom-Übertragungssystem kann so ausgestaltet sein, dass der erste Stromrichter und/oder der zweite Stromrichter jeweils ein modularer Multilevelstromrichter ist. Mittels solcher modularer Multilevelstromrichter kann einfach und zuverlässig Wechselstrom in Gleichstrom (und umgekehrt) umgewandelt werden.
Das Gleichstrom-Übertragungssystem kann so ausgestaltet sein, dass der modulare Multilevelstromrichter eine Vielzahl von Modulen aufweist, wobei die Module jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen. Durch Wahl einer entsprechenden Anzahl dieser Module kann der erste und/oder der zweite Stromrichter einfach an unterschiedliche Spannungshöhen angepasst (skaliert) werden.
Das Gleichstrom-Übertragungssystem kann dabei so ausgestaltet sein, dass

- die zwei elektronischen Schaltelemente der Module in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind, oder
- die Module jeweils die zwei elektronischen Schaltelemente und zwei weitere elektronische Schaltelemente aufweisen, wobei die zwei elektronischen Schaltelemente und die zwei weiteren elektronischen Schaltelemente in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind. Diese Module werden auch als Halbbrücken-Module oder als Vollbrücken-Module bezeichnet.

Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Übertragen von Gleichstrom, bei dem der Gleichstrom von einem ersten Stromrichter zu einem zweiten Stromrichter übertragen wird mittels (mindestens) einer Gleichstrom-Freileitung, die an Freileitungsmasten befestigt ist, welche (ursprünglich) zum Tragen einer (Hochspannungs-)Wechselstrom-Freileitung dimensioniert und/oder aufgestellt worden sind.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass der Gleichstrom in die Gleichstrom-Freileitung eingespeist wird mittels des ersten Stromrichters, der als Gleichrichter arbeitet.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass nach der Übertragung durch die Gleichstrom-Freileitung der Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt wird mittels des zweiten Stromrichters, der als Wechselrichter arbeitet.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass der Gleichstrom übertragen wird bei Gleichspannungen zwischen 1 kV und 50 kV, insbesondere zwischen 10 kV und 50 kV.
Dieses Verfahren weist gleichartige Vorteile auf wie die oben im Zusammenhang mit dem Gleichstrom-Übertragungssystem genannten Vorteile.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleichwirkende Elemente. Dazu ist in

1 ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Übertragungssystems, in
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Übertragungssystems, in
3 ein Ausführungsbeispiel eines Freileitungsmastes mit Gleichstrom-Freileitungen, in
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Freileitungsmastes mit Gleichstrom-Freileitungen, in
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Freileitungsmastes mit Gleichstrom-Freileitungen, in
6 ein Ausführungsbeispiel einer Gleichstrom-Übertragungsstrecke mit mehreren Freileitungsmasten, in
7 ein Ausführungsbeispiel einer Stromrichters, in
8 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls des Stromrichters, und in
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls des Stromrichters

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Übertragungssystems 1 dargestellt. Das Gleichstrom-Übertragungssystem 1 weist einen ersten Stromrichter 3, einen zweiten Stromrichter 5 und eine Gleichstrom-Übertragungsstrecke 7 auf. Die Gleichstrom- Übertragungsstrecke 7 weist eine erste Gleichstromleitung 9 und eine zweite Gleichstromleitung 11 auf. Der erste Stromrichter 3 weist eine erste Wechselstromverbindung 15 auf, welche einen ersten Wechselstromanschluss 17, einen zweiten Wechselstromanschluss 19 und einen dritten Wechselstromanschluss 21 aufweist. Ein erster Gleichstromanschluss 25 des ersten Stromrichters 3 ist mit einem ersten Ende der ersten Gleichstromleitung 9 elektrisch verbunden, ein zweiter Gleichstromanschluss 28 des ersten Stromrichters 3 ist mit einem ersten Ende der zweiten Gleichstromleitung 11 elektrisch verbunden.
Der zweite Stromrichter 5 weist ebenfalls eine erste Wechselstromverbindung 31 auf, welche einen ersten Wechselstromanschluss 34, einen zweiten Wechselstromanschluss 37 und einen dritten Wechselstromanschluss 40 aufweist. Ein erster Gleichstromanschluss 43 des zweiten Stromrichters 5 ist mit einem zweiten Ende der ersten Gleichstromleitung 9 elektrisch verbunden, ein zweiter Gleichstromanschluss 46 des zweiten Stromrichters 5 ist mit einem zweiten Ende der zweiten Gleichstromleitung 11 elektrisch verbunden.
Die beiden Stromrichter 3 und 5 sind also gleichstromseitig mittels der ersten Gleichstromleitung 9 und der zweiten Gleichstromleitung 11 elektrisch miteinander verbunden. Dabei ist die erste Gleichstromleitung 9 eine positive Gleichstromleitung 9 (DC+); die zweite Gleichstromleitung 11 ist eine negative Gleichstromleitung 11 (DC-).
Mittels eines derartigen Gleichstrom-Übertragungssystems 1 (Gleichstromübertragungsanlage 1) kann elektrische Energie über weite Entfernungen übertragen werden; die Gleichstromleitungen 9 und 11 weisen dann eine entsprechende Länge auf. In 1 ist beispielhaft ein als symmetrischer Monopol ausgestaltetes Gleichstrom-Übertragungssystem 1 dargestellt. Mit diesem Gleichstrom-Übertragungssystem 1 kann Gleichstrom bei Gleichspannungen zwischen 1 kV und 50 kV, insbesondere zwischen 10 kV und 50 kV, übertragen werden. Diese Gleichspannungen decken den Bereich der Mittelspannung ab; es handelt sich um ein Mittelspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystem 1.
In dem Gleichstrom-Übertragungssystem 1 läuft folgendes Verfahren zum Übertragen von Gleichstrom ab. Der erste Stromrichter 3 arbeitet als ein Gleichrichter 3 und wandelt einen an seiner Wechselstromverbindung 15 anliegenden Wechselstrom in Gleichstrom um. Der Gleichstrom wird von dem ersten Stromrichter 3 in die Gleichstrom-Freileitungen 9, 11 eingespeist. Der Gleichstrom wird dann von den Gleichstrom-Freileitungen 9, 11 zu dem zweiten Stromrichter 5 übertragen. Der Gleichstrom wird also von dem ersten Stromrichter 3 über die Gleichstrom-Freileitungen 9, 11 zu dem zweiten Stromrichter 5 übertragen. Die Gleichstrom-Freileitungen 9, 11 sind dabei an Freileitungsmasten befestigt, welche ursprünglich zum Tragen einer (Hochspannungs-)Wechselstrom-Freileitung dimensioniert und/oder aufgestellt worden sind. Nach der Übertragung durch die Gleichstrom-Freileitungen 9, 11 wird der Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt mittels des zweiten Stromrichters 5, der als ein Wechselrichter 5 arbeitet. Der erste Stromrichter 3 und der zweite Stromrichter 5 sind optional. Das Gleichstrom-Übertragungssystem 1 funktioniert auch ohne die beiden Stromrichter. Zum Beispiel könnte von anderen Einheiten Gleichstrom in das Gleichstrom-Übertragungssystem 1 eingespeist bzw. aus dem Gleichstrom-Übertragungssystem 1 entnommen werden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Übertragungssystems 201 dargestellt. Dieses Gleichstrom-Übertragungssystem 201 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Gleichstrom-Übertragungssystem 1 dadurch, dass die Gleichstrom-Übertragungsstrecke 7 zusätzlich zu der ersten Gleichstromleitung 9 und der zweiten Gleichstromleitung 11 eine dritte Gleichstromleitung 204 aufweist. Der erste Stromrichter 3 weist demensprechend einen dritten Gleichstromanschluss 208 auf; der zweite Stromrichter 5 weist einen dritten Gleichstromanschluss 212 auf. Das Gleichstrom-Übertragungssystem 201 ist ein Bipol-Gleichstrom-Übertragungssystem 201.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Freileitungsmastes 301 dargestellt. An dem Freileitungsmast 301 sind die erste Gleichstromleitung 9 und die zweite Gleichstromleitung 11 befestigt. Außerdem sind an dem Freileitungsmast 301 eine dritte Gleichstromleitung 305 und eine vierte Gleichstromleitung 306 befestigt. Die dritte Gleichstromleitung 305 und die vierte Gleichstromleitung 306 gehören im Ausführungsbeispiel zu einem weiteren Gleichstrom-Übertragungssystem, das gleichartig zu dem Gleichstrom-Übertragungssystem 1 der 1 aufgebaut ist.
Die erste Gleichstromleitung 9, die zweite Gleichstromleitung 11, die dritte Gleichstromleitung 305 und die vierte Gleichstromleitung 306 sind dabei jeweils als eine Gleichstrom-Freileitung ausgestaltet. Die erste Gleichstrom-Freileitung 9, die zweite Gleichstrom-Freileitung 11, die dritte Gleichstrom-Freileitung 305 und die vierte Gleichstrom-Freileitung 306 sind jeweils mittels eines Isolators 310 an einer horizontal verlaufenden Tragstruktur 315 befestigt. Die beiden innenliegenden Gleichstromleitungen 11 und 306 sind dabei negative Gleichstromleitungen (DC-); die beiden außenliegenden Gleichstromleitungen 9 und 305 sind dabei positive Gleichstromleitungen (DC+). Die horizontal verlaufende Tragstruktur 315 ist von einem vertikalen säulenartigen Ständer 318 getragen.
Der Freileitungsmast 301 ist ein Einebenen-Freileitungsmast. Dieser Freileitungsmast kann die Gleichstrom-Freileitungen von zwei Gleichstrom-Übertragungssystemen aufnehmen (anstelle der Wechselstrom-Freileitungen nur eines Wechselstrom-Übertragungssystems). Dadurch kann eine Erhöhung der übertragenen Leistung erreicht werden.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Freileitungsmastes 401 dargestellt. Dieser Freileitungsmast 401 unterscheidet sich von dem Freileitungsmast 301 dadurch, dass eine der Gleichstromleitungen (hier: die vierte (negative) Gleichstromleitung 306) an der entgegengesetzten Seite der horizontal verlaufenden Tragstruktur 315 befestigt ist wie die übrigen 3 Gleichstromleitungen (hier: die erste Gleichstromleitung 9, die zweite Gleichstromleitung 11 und die dritte Gleichstromleitung 305).
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Freileitungsmastes 501 dargestellt. An diesem Freileitungsmast 501 sind drei Gleichstrom-Freileitungen eines als Dipol ausgestalteten Gleichstrom-Übertragungssystems befestigt. Im Ausführungsbeispiel sind das die erste Gleichstrom-Freileitung 9, die zweite Gleichstrom-Freileitung 11 und die dritte Gleichstrom-Freileitung 204 des Gleichstrom-Übertragungssystems 201 der 2.
Mittels solcher Freileitungsmasten 501 kann ein hochverfügbares Gleichstrom-Übertragungssystem auf Basis eines Mittelspannungs-Gleichstrom-Bipols mit Rückleiter aufgebaut werden (anstelle eines weniger verfügbaren Mittelspannungs-Wechselstromübertragungssystems).
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel von Gleichstrom-Freileitungen 9, 11 und 204 dargestellt, die an Freileitungsmasten 501 gemäß 5 befestigt sind. Diese Gleichstromleitungen sind Bestandteil einer Gleichstrom-Übertragungsstrecke 601. Mit den Freileitungsmasten 301 gemäß 3 oder mit den Freileitungsmasten 401 gemäß 4 und den zugehörigen Gleichstrom-Freileitungen können gleichartige Gleichstrom-Übertragungsstrecken realisiert sein.
In 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 700 dargestellt, der als erster Stromrichter 3 und/oder als zweiter Stromrichter 5 eingesetzt werden kann. Der Stromrichter 700 ist ein modularer Multilevelstromrichter 700 (modular multilevel converter, MMC). Der Multilevelstromrichter 700 weist den ersten Wechselstromanschluss 17, den zweiten Wechselstromanschluss 19 und den dritten Wechselstromanschluss 21 auf. Der erste Wechselstromanschluss 17 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 711 und einem zweiten Phasenmodulzweig 713 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 711 und der zweite Phasenmodulzweig 713 bilden ein erstes Phasenmodul 715 des Stromrichters 700. Das dem ersten Wechselstromanschluss 17 abgewandte Ende des ersten Phasenmodulzweigs 711 ist mit dem ersten Gleichstromanschluss 25 elektrisch verbunden; das dem ersten Wechselstromanschluss 17 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodulzweigs 713 ist mit dem zweiten Gleichstromanschluss 28 elektrisch verbunden. Der erste Gleichstromanschluss 25 ist ein positiver Gleichstromanschluss; der zweite Gleichstromanschluss 28 ist ein negativer Gleichstromanschluss.
Der zweite Wechselstromanschluss 19 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 718 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 721 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 718 und der vierte Phasenmodulzweig 721 bilden ein zweites Phasenmodul 724. Der dritte Wechselstromanschluss 21 ist mit einem Ende eines fünften Phasenmodulzweigs 727 und mit einem Ende eines sechsten Phasenmodulzweigs 729 elektrisch verbunden. Der fünfte Phasenmodulzweig 727 und der sechste Phasenmodulzweig 729 bilden ein drittes Phasenmodul 731.
Das dem zweiten Wechselstromanschluss 19 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 718 und das dem dritten Wechselstromanschluss 21 abgewandte Ende des fünften Phasenmodulzweigs 727 sind mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 25 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselstromanschluss 19 abgewandte Ende des vierten Phasenmodulzweigs 721 und das dem dritten Wechselstromanschluss 21 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 729 sind mit dem zweiten Gleichstromanschluss 28 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 711, der dritte Phasenmodulzweig 718 und der fünfte Phasenmodulzweig 727 bilden ein positivseitiges Stromrichterteil 732; der zweite Phasenmodulzweig 713, der vierte Phasenmodulzweig 721 und der sechste Phasenmodulzweig 729 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 733.
Der erste Wechselstromanschluss 17, der zweite Wechselstromanschluss 19 und der dritte Wechselstromanschluss 21 können elektrisch verbunden sein mit einem Wechselstrom-Energieübertragungsnetz (nicht dargestellt).
Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1 1 ... 1_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind zwei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 5, 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste Phasenmodulzweig 711 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36 auf. Die anderen Phasenmodulzweige 713, 718, 721, 727 und 729 sind gleichartig aufgebaut.
Von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung des Stromrichters 700 werden optische Nachrichten beziehungsweise optische Signale über eine optische Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen 1_1 bis 6_n übertragen. Beispielsweise sendet die Steuereinrichtung an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das jeweilige Modul bereitstellen soll.
In 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines Moduls 800 des Multilevelstromrichters 700 dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um eines der Module der in der 7 dargestellten Phasenmodule handeln.
Das Modul 800 ist als ein Halbbrücken-Modul 800 ausgestaltet. Das Modul 800 weist ein erstes (abschaltbares) elektronisches Schaltelement 802 (erstes abschaltbares Halbleiterventil 802) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 804 auf. Weiterhin weist das Modul 800 ein zweites (abschaltbares) elektronisches Schaltelement 806 (zweites abschaltbares Halbleiterventil 806) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 808 sowie einen elektrischen Energiespeicher 810 in Form eines Kondensators 810 auf. Das erste elektronische Schaltelement 802 und das zweite elektronische Schaltelement 806 sind jeweils als ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste elektronische Schaltelement 802 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 806. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 802 und 806 ist ein erster galvanischer Modulanschluss 812 angeordnet. An dem Anschluss des zweiten elektronischen Schaltelements 806, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter galvanischer Modulanschluss 815 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 815 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 810 elektrisch verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 810 ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss des ersten elektronischen Schaltelements 802, der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt.
Der Energiespeicher 810 ist also elektrisch parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten elektronischen Schaltelement 802 und dem zweiten elektronischen Schaltelement 806. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten elektronischen Schaltelements 802 und des zweiten elektronischen Schaltelements 806 durch die (nicht dargestellte) elektronische Steuereinrichtung des Stromrichters kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 812 und dem zweiten Modulanschluss 815 entweder die Spannung des Energiespeichers 810 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird). Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden.
In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 900 des Multilevelstromrichters dargestellt. Bei diesem Modul 900 kann es sich beispielsweise um das Modul 1_1 des in 7 dargestellten ersten Phasenmoduls 715 (oder auch um eines der anderen Module des Multilevelstromrichters) handeln. Neben den bereits aus 8 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 802, zweiten elektronischen Schaltelement 806, erster Freilaufdiode 804, zweiter Freilaufdiode 808 und Energiespeicher 810 weist das in 9 dargestellte Modul 900 ein drittes elektronisches Schaltelement 902 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 904 sowie ein viertes elektronisches Schaltelement 906 mit einer vierten antiparallel geschalteten Freilaufdiode 908 auf. Das dritte elektronische Schaltelement 902 und das vierte elektronische Schaltelement 906 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der 8 ist der zweite Modulanschluss 915 nicht mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 806 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten elektronischen Schaltelement 902 und dem vierten elektronischen Schaltelement 906.
Das Modul 900 der 9 ist ein sogenanntes Vollbrücken-Modul 900. Dieses Vollbrücken-Modul 900 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier elektronischen Schaltelemente zwischen dem ersten (galvanischen) Modulanschluss 812 und dem zweiten (galvanischen) Modulanschluss 915 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 810, die negative Spannung des Energiespeichers 810 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 900 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Multilevelstromrichter 700 kann entweder nur Halbbrücken-Module 800, nur Vollbrücken-Module 900 oder auch Halbbrücken-Module 800 und Vollbrücken-Module 900 aufweisen.
Es wurde ein Gleichstrom-Übertragungssystem und ein Verfahren zum Übertragen von Gleichstrom beschrieben, die die schnell und mit geringem Aufwand realisiert werden können.
Dabei wird vorteilhafterweise die zur Übertragung von (Hochspannungs-)Wechselstrom vorhandene Infrastruktur zur Übertragung von (Mittelspannungs-)Gleichstrom genutzt (Übertragung von Mittelspannungs-Gleichstrom auf Hochspannungs-Wechselstrom-Infrastruktureinrichtungen). Damit werden aufwendige Genehmigungsverfahrens zum (Neu-)Bau von Freileitungen vermieden.
Es kann eine geregelte Übertragung von Energie auf Mittelspannungsebene erfolgen (anstelle einer gesteuerten Übertragung von Energie auf Hochspannungsebene). Die Gleichstromübertragung bzw. die Gleichstromübertragungsstrecke kann geregelt werden und dadurch ein größerer Ausnutzungsgrad erreicht werden. Eine entsprechende Wechselstromübertragung bzw. Wechselstromübertragungsstrecke könnte nur in begrenztem Umfang durch Blindleistungsverstellung (FACTS Flexible AC Transmission Systems, PST Phase Shifting Transformers) geregelt oder gesteuert (AC Schaltanlagen) betrieben werden.
Aufgrund der Nutzung von Einebenenmasten zur Aufnahme von zwei Mittelspannungsgleichstromsystemen anstatt eines Mittelspannungswechselstromsystems kann eine Leistungserhöhung erreicht werden.
Weiterhin ist es möglich, einen hochverfügbaren Mittelspannungsgleichstrom-Bipol mit Rückleiter zu realisieren anstatt eines weniger verfügbaren Mittelspannungswechselstromsystems.
Optional ist es möglich, die vorhandene Wechselstrom-Netzinfrastruktur umzubauen, insbesondere zur Übertragung von volatilen eingespeisten/benötigten Energiemengen (Einspeisungen/Verbraucher) zwischen benachbarten Mittelspannungsnetzen/Energiezellen.
Dabei können Hochspannungs-Wechselstromübertragungsstrecken für 110 kV AC ersetzt werden durch Mittelspannungs-Gleichstromübertragungsstrecken für 50 kV DC (optional: Reduzierung Masthöhen, Downsizing Masten).
Durch einen Ersatz von Hochspannungs-Wechselstromübertragungsstrecken (oder auch von Mittelspannungs-Wechselstromübertragungsstrecken) durch Mittelspannungs-Gleichstromübertragungsstrecken kann eine Erhöhung der Übertragungsleistung und/oder eine Erhöhung der Reichweite (insbesondere eine Verlängerung der Übertragungsstrecken) erreicht werden.

Claims

Gleichstrom-Übertragungssystem (1) mit mindestens einer Gleichstromleitung (9, 11) zum elektrischen Verbinden eines ersten Stromrichters (3) mit einem zweiten Stromrichter (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromleitung eine Gleichstrom-Freileitung (9, 11) ist, die an Freileitungsmasten (301, 401, 501) befestigt ist, welche zum Tragen einer Wechselstrom-Freileitung dimensioniert und/oder aufgestellt worden sind.
Gleichstrom-Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Gleichstrom-Freileitung (9, 11) anstelle oder zusätzlich zu der Wechselstrom-Freileitung an den Freileitungsmasten (301, 401, 501) befestigt ist.
Gleichstrom-Übertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - das Gleichstrom-Übertragungssystem (1) zum Übertragen von Gleichstrom bei Gleichspannungen zwischen 1 kV und 50 kV, insbesondere zwischen 10 kV und 50 kV, ausgelegt ist.
Gleichstrom-Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Gleichstrom-Freileitung (9, 11) ein Leiterseil aufweist.
Gleichstrom-Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Gleichstrom-Freileitung (9, 11) pro Längeneinheit eine Masse aufweist, die kleiner oder gleich der Masse der Wechselstrom-Freileitung ist.
Gleichstrom-Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Höhe der Freileitungsmasten (301, 401, 501) reduziert ist gegenüber der ursprünglichen Höhe der für die Wechselstrom-Freileitung dimensionierten Freileitungsmasten.
Gleichstrom-Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Stromrichter (3) und/oder der zweite Stromrichter (5) jeweils ein modularer Multilevelstromrichter (700) ist.
Gleichstrom-Übertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - der modulare Multilevelstromrichter (700) eine Vielzahl von Modulen (1_1 ... 6_n) aufweist, wobei die Module jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (802, 806) und einen elektrischen Energiespeicher (810) aufweisen.
Gleichstrom-Übertragungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - die zwei elektronischen Schaltelemente (802, 806) der Module in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind, oder - die Module jeweils die zwei elektronischen Schaltelemente (802, 806) und zwei weitere elektronische Schaltelemente (902, 906) aufweisen, wobei die zwei elektronischen Schaltelemente (802, 806) und die zwei weiteren elektronischen Schaltelemente (902, 906) in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
Verfahren zum Übertragen von Gleichstrom, bei dem der Gleichstrom von einem ersten Stromrichter (3) zu einem zweiten Stromrichter (5) übertragen wird mittels einer Gleichstrom-Freileitung (9, 11), die an Freileitungsmasten (301, 401, 501) befestigt ist, welche zum Tragen einer Wechselstrom-Freileitung dimensioniert und/oder aufgestellt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass - der Gleichstrom in die Gleichstrom-Freileitung (9, 11) eingespeist wird mittels des ersten Stromrichters (3), der als Gleichrichter (3) arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass - nach der Übertragung durch die Gleichstrom-Freileitung (9, 11) der Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt wird mittels des zweiten Stromrichters (5), der als Wechselrichter (5) arbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass - der Gleichstrom übertragen wird bei Gleichspannungen zwischen 1 kV und 50 kV, insbesondere zwischen 10 kV und 50 kV.