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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem mit einer Schleifleitung, wobei die Schleifleitung mit einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannung gespeist ist und mehrere Stromschienen aufweist, wobei die Einspeisung der Wechselspannung an einem Ende oder einem Endbereich der Schleifleitung erfolgt, wobei eine Blindleistungskompensation vorgesehen ist
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Bei der Energieübertragung mittels einer Stromschiene bzw. Stromschienen, letztere können in einer Schleifleitung parallel angeordnet und gehalten sein, kann es in Abhängigkeit der Länge zwischen Einspeisepunkt und Abgreifpunkt des Verbrauchers sowie der abgegriffenen Last zu einem kritischen Spannungsfall am Abgreifpunkt der Stromschiene aufgrund der ohmschen und induktiven Verluste kommen. Um dies zu vermeiden, wird eine Blindleistungskompensation entweder direkt über die einspeisende Wechselspannungsquelle oder an der Last vorgenommen. Ferner kann die Schleifleitung segmentiert werden, d.h. es werden mehrerer Schleifleitungen hintereinander angeordnet und getrennt eingespeist. Ferner können die Stromschienen überdimensioniert werden, so dass der ohmsche Anteil des Spannungsfalls reduziert wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Spannungsfall mittels einer geeigneten Blindleistungskompensation zu verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Energieübertragungssystems mit einer Schleifleitung gelöst, bei der die Blindleistungskompensation an einem Ende der Schleifleitung und/oder durch mindestens eine Blindleistungskompensationseinheit erfolgt, welche entlang der Schleifleitung zwischen dem Einspeisepunkt und dem mindestens einen Ende der Schleifleitung angeordnet und mit dieser fest verbunden oder elektrisch, insbesondere bei Bedarf, verbindbar ist.
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Durch die erfindungsgemäße Blindleistungskompensation wird vorteilhaft der Spannungsfall entlang der Schleifleitung reduziert, so dass u.a. längere Schleifleitungsstrecken realisierbar sind. Mittels der erfindungsgemäßen Blindleistungskompensation wird vorteilhaft die Blindleistung der Stromschienen der Schleifleitung, bedingt durch deren Induktivität, kompensiert, wodurch sich ein flacherer Spannungsfall über die Stromschienen der Schleifleitung ergibt, da der Spannungsfall nur noch von dem ohmschen Anteil der Stromschienen bedingt ist.
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Zudem ist eine Überkompensation möglich, so dass sich eine virtuelle Spannungserhöhung ergibt und damit eine über die normale Nennleistung der Schleifleitung hinausgehende Leistungsübertragung möglich ist.
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Sofern eine Blindleistungskompensation der Stromschienen entlang der Strecke mittels stationär fest angeordneter passiver und/oder aktiver Kompensationseinheiten erfolgt, welche mit der bzw. den Stromschienen der Schleifleitung elektrisch fest verbunden oder zuschaltbar sind, so können diese entweder in Abständen zueinander entlang der Schleifleitung angeordnet sein, wobei die Abstände entweder äquidistant gewählt oder so gewählt sind, dass sich die Blindleistungskondensatoren an den strategisch relevanten Orten befinden, an denen z.B. vermehrt bzw. häufig elektrische Leistung der Schleifleitung entnommen wird.
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Der Einspeisepunkt befindet sich vorteilhaft in der Mitte der Schleifleitung, da hierdurch die ohmschen Verluste und die benötigte Blindleistungskompensation am geringsten sind.
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Unter einer passiven Kompensation versteht die Erfindung das Vorsehen von diskreten Kondensatoren, welche fest verschaltet oder mittels elektrischer Schalter an die bzw. den Leiterstrang der Schleifleitung wahlweise anschaltbar sind. Bei einer einphasigen Wechselspannung ist dann die Stromschiene über den Kondensator zur Blindleistungskompensation mit der Erde bzw. Masse verbunden. Bei einer mehrphasigen Wechselstromübertragung sind die Kondensatoren zur Blindleistungskompensation je nach Art des Netzes entweder im Stern oder Dreieck geschaltet.
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Sofern eine aktive Blindleistungskompensationseinheit vorgesehen ist, so kann diese z.B. einen statischen Blindleistungskompensator (engl.: static VAR compensator, SVC) aufweisen. Die Bezeichnung statisch drückt dabei aus, dass die Kompensation ohne Einsatz von rotierenden Maschinen wie Drehstrom-Synchronmaschinen im Phasenschieberbetrieb erfolgt. Im Unterschied zu rotierenden Phasenschiebern mit Synchrongeneratoren besteht ein SVC aus einer Kombination von Kondensatoren und Spulen, die bei der Querkompensation parallel zur zu kompensierenden Last bzw. zum zu kompensierenden Netzabschnitt angeordnet sind. Durch Thyristoren wird der Stromfluss in den einzelnen Komponenten geregelt und somit der Grad der Blindleistungskompensation. Gegenüber rotierenden Maschinen hat dies den Vorteil, dass kein Verschleiß der Anlage stattfindet, außerdem ist durch einen statischen Kompensator ein weitaus schnelleres und dynamischeres Reagieren auf Lastschwankungen möglich.
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Ein SVC kann dabei nicht nur zur reinen Blindleistungskompensation, sondern auch für verschiedene andere Aufgaben genutzt werden:
- • Spannungsstabilisierung durch geregeltes Bereitstellen von kapazitiver und induktiver Blindleistung
- • Dämpfung von subsynchronen Schwingungen im Netz, die zu Netzausfällen führen könnten
- • Kompensation von Flicker
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Als Alternative zum bzw. Erweiterung des statischen Blindleistungskompensators dient ein Flow-Controller (UPFC) oder ein Static Synchronous Compensator (STATCOM).
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Der Static Synchronous Compensator (STATCOM) ist ein Stromrichter im Pulsbetrieb, der ein dreiphasiges Spannungssystem mit variabler Spannungsamplitude, dessen Spannungen um 90° gegenüber den entsprechenden Leitungsströmen phasenverschoben sind, generiert. Es kann induktive oder kapazitive Blindleistung zwischen dem STATCOM und dem Netz ausgetauscht werden.
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Der Static Synchronous Compensator zählt im Bereich der Leistungselektronik zu den Flexiblen Drehstrom-Übertragungssystemen (Flexible-AC-Transmission-System (FACTS)) und bietet gegenüber der funktionell ähnlichen statischen Blindleistungskompensation Vorteile bei der Stabilisierung von Wechselspannungsnetzen, da seine Blindleistung nicht von der Höhe der Netzwechselspannung abhängt.
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Ein Unified-Power-Flow-Controller, abgekürzt UPFC (zu Deutsch: Vereinheitlichter Leistungsflussregler) bezeichnet in der elektrischen Energietechnik eine Komponente, die dazu dient, in überregionalen und vermaschten Stromnetzen die übertragene elektrische Leistung in einzelnen Leitungen wie Freileitungen gezielt steuern und beeinflussen zu können. Mit UPFC können so in vermaschten Netzen gezielt bestimmte, vertraglich vereinbarte Leistungsdurchleitungen erfüllt werden.
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Der Anwendungsbereich ist bislang auf die mit Dreiphasenwechselstrom betriebene Hochspannungsebene elektrischer Verbundnetze wie dem in Europa üblichen Spannungsebenen mit 380 kV und 220 kV ausgerichtet und bedient sich zur Steuerung einer Leistungselektronik, welche ähnlich der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) realisiert ist. Im Gegensatz zur HGÜ dient die Leistungselektronik nicht direkt der Energieübertragung mittels Gleichstrom, sondern der Beeinflussung und Modulierung der auf der Wechselstromseite transportierten Leistungen. Der Unified-Power-Flow-Controller zählt im Bereich der Leistungselektronik zu den flexiblen Drehstrom-Übertragungssystemen (engl. Flexible-AC-Transmission-System (FACTS)). Ein UPFC kann jedoch ebenso in Mittelspannungsnetzen eingesetzt werden.
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Ein UPFC besteht, ähnlich wie ein Phasenschiebertransformator und wie in nebenstehender Abbildung schematisch für einen Außenleiter dargestellt, aus einem parallel geschalteten Leistungstransformator T1 und einem Serientransformator T2, der ähnlich wie ein Stromwandler realisiert ist. Die beiden Transformatoren sind über zwei Umrichter und einen Gleichstromzwischenkreis verbunden. Die Hochspannungsleitung ist in Reihe mit dem UPFC geschaltet, wobei es ohne Bedeutung ist, ob der UPFC am Anfang oder am Ende der Leitung angebracht ist. Für Dreiphasennetze ist eine entsprechende Erweiterung mit Dreiphasenwechselstrom-Transformatoren nötig, wobei der Gleichstromkreis einheitlich ist.
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Durch die zeitliche Ansteuerung, insbesondere über den Stromflusswinkel und über die Phasenlage der beiden Umrichter, kann mit dem UPFC der Leistungsfluss zwischen T1 und T2 und die komplexe Differenzspannung zwischen U1 und U2 gesteuert werden, wobei über den Gleichstromzwischenkreis grundsätzlich nur Wirkleistung übertragen werden kann. Es können folgende Steuerungen unabhängig voneinander vorgenommen werden:
- Mit T1 in Verbindung mit dem ersten Wechselrichter kann zur Längskompensation der Blindleistung sowohl induktive als auch kapazitive Blindleistung im Netz zur Verfügung gestellt werden. Dieser Schaltungsteil stellt einen Static Synchronous Compensator (STATCOM) dar. Dabei kann der UPFC sonst notwendige zusätzliche Einrichtungen zur statischen Blindleistungskompensation (SVC) ersetzen.
- Mit T2 in Verbindung mit dem zweiten Wechselrichter kann eine Querkompensation der Blindleistung erfolgen. Dies kann zur Beeinflussung der natürlichen Leistung bzw. zur Anpassung der Leitungsimpedanz der in Reihe geschalteten Leitung genutzt werden.
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Durch eine Wirkleistungsübertragung zwischen den beiden Transformatoren kann wie beim Phasenschiebertransformator gezielt ein bestimmter Wirkleistungsfluss in der Leitung erzwungen werden. Die Phasenwinkel können dabei genauer, schneller und in größeren Bereichen als bei Phasenschiebertransformatoren eingestellt werden.
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Bei Dreiphasenanwendung kann mittels UPFC bis zu einem gewissen Grad eine Schieflast durch asymmetrische Ansteuerungen der für die einzelnen Phasen zuständigen Wechselrichter erreicht werden, um so Schieflasten im Netz zu kompensieren. Der Leistungsausgleich zwischen den Phasen erfolgt über den gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis.
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Der Nachteil ist die vergleichsweise aufwändige und kostenintensive HGÜ-Leistungselektronik der Wechselrichter und die notwendige Regelelektronik inklusive der rechnergestützten Kontrollebenen. Die Leistung der Wechselrichter liegt in der Größenordnung von 20 % der zur steuernden Leistungsflüsse, was für die Dimensionierung Scheinleistungen im Bereich von einigen 100 MVA ergibt. Die Gleichspannungen im Zwischenkreis liegen im Bereich einiger 10 kV. Konkrete Werte sind stark von der jeweiligen Anwendung bestimmt.
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Das verteilte Anordnen von Blindleistungskompensationseinheiten hat den Vorteil, dass die einzelnen Einheiten jeweils nur einen Teil der auftretenden Gesamtblindleistung kompensieren müssen und daher kleiner dimensioniert werden können, wodurch diese Einheiten einen kleineren Platzbedarf aufweisen, leichter handhabbar sind und zudem kostengünstig herstellbar sind.
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Anhand von Zeichnungen werden mehrere mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems mit Blindleistungskompensation der Schleifleitung erläutert.
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Es zeigen:
- 1: Schleifleitung mit erfindungsgemäßer Blindleistungskompensation an dem dem Einspeisepunkt gegenüberliegenden Ende der Schleifleitung;
- 1a: Leistungsdiagramm;
- 1b: Wirkleistungen;
- 2: Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten Schleifleitung ohne Verbraucher;
- 3: Schleifleitung mit erfindungsgemäßer Blindleistungskompensation an dem dem Einspeisepunkt gegenüberliegenden Ende der Schleifleitung sowie an zwei weiteren Stellen entlang der Schleifleitungsstrecke mittels fest verbundener Kondensatoren, d.h. passive Blindleistungskompensation;
- 4: Schleifleitung mit erfindungsgemäßer aktiver Blindleistungskompensationseinheiten an dem dem Einspeisepunkt gegenüberliegenden Ende der Schleifleitung sowie an zwei weiteren Stellen entlang der Schleifleitungsstrecke;
- 5: mögliche elektrische Schaltung einer aktiven Blindleistungskompensationseinheit welche mittels einer aktiven Kompensation durch STATCOM gebildet ist;
- 6: mögliche elektrische Schaltung einer aktiven Blindleistungskompensationseinheit welche mittels eines aktiven Phasenschiebers gebildet ist;
- 7: mögliche elektrische Schaltung einer aktiven Blindleistungskompensationseinheit welche mittels einer aktiven Kompensation durch UPFC gebildet ist
- 8: mögliche elektrische Schaltung einer Energieübertragungseinrichtung mit Blindleistungskompensationseinheiten, wobei sich der Einspeisepunkt in der Mitte der Schleifleitung befindet.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schleifleitung 1 mit erfindungsgemäßer Blindleistungskompensation BK, welche an dem dem Einspeisepunkt 1a gegenüberliegenden Ende 1e der Schleifleitung 1 angeordnet ist. Die Schleifleitung 1 weist einen Schleifleitungsträger 1t auf, an dem mehrere Stromschienen 2u, 2v, 2w, 2pe angeordnet sind. Entlang der Schleifleitung sind ein oder mehrere Verbraucher V verfahrbar, welche mittels nicht dargestellten Schleifkontakten mit den Stromschienen der Schleifleitung 1 in Kontakt sind. Am ersten Ende 1a der Schleifleitung ist die Einspeisequelle 3u, 3v, 3w, welche eine mehrphasige Eingangsspannung Ue aufweist, angeordnet, die mittels der Zuführleitungen 4u, 4v, 4w mit den Stromschienen 2u, 2v, 2w in elektrischer Verbindung ist. Am rechten Ende 1e der Schleifleitung ist die Blindleistungskompensation BK angeordnet, welche durch diskrete Kapazitäten, welche in Stern oder Dreieck entsprechend der Schaltung der Einspeisequelle, verschaltet und mit den Stromschienen 2u, 2v, 2w in elektrischer Verbindung sind. Für den Fall, dass über die Stromschiene seitens der Verbraucher keine elektrische Energie entnommen wird, können Trennschalter 15, siehe 2, vorgesehen werden, die die Blindleistungskompensation BK abschalten.
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Das untere Spannungsdiagramm zeigt den Spannungsfall entlang der Schleifleitung einmal mit (durchgezogene Linie) und einmal ohne (gestrichelte Linie) Blindleistungskompensation BK.
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Die 1a zeigt ein Leistungsdiagramm der über die Schleifleitung übertragenen Leistungen. Dabei wird eine Wirkleistung Pwirk übertragen, welche die Summe der Wirkleistungen der Verbraucher sowie der ohmschen Verluste der Stromschienen 2u, 2v, 2w der Schleifleitung 1 ist. Bedingt durch die Induktivität der Stromschienen 2u, 2v, 2w besteht zudem induktiver Blindanteil Q induktiv der durch das Hinzufügen des kapazitiven Blindanteils Qkapaziv ganz oder teilweise kompensiert werden kann. Die 1b zeigt, wie sich die Wirkleistung Pwirk aus den Wirkleistungen durch die Verbraucher V sowie durch den ohmschen Anteil der Stromschienen 2u, 2v, 2w aufteilt.
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Die 2 zeigt ein Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten Schleifleitung 1, jedoch ohne die Verbraucher V zu berücksichtigen. Die Schleifleitung 1 weist je Phase einen ohmschen Widerstand RSu, RSv, Rsw sowie eine Induktivität LSu, LSv, LSw auf. Mittels des elektrisch schaltbaren Schalters 15 können die zur Blindleistung BK verwendeten Kapazitäten 5a, 5b, 5c von den Stromschienen getrennt werden. Es reicht bereits aus, wenn nur zwei der drei Zuführleitungen, welche die Kondensatoren 5a, 5b, 5c mit den Stromschienen verbinden, getrennt werden können. Die in den 1 und 3 dargestellte Blindleistungskompensation BK ist eine passive Kompensation mittels diskreter Kapazitäten.
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Wie in 3 dargestellt, ist es jedoch ebenso möglich auch entlang der Schleifleitung 1 mit erfindungsgemäßer passiver Blindleistungskompensationseinheiten BKp eine Blindleistungskompensation vorzunehmen. Dabei ist es von Vorteil, dass die einzelnen Kompensationseinheiten BKp jeweils für sich allein nicht die gesamte Blindleistungskompensation bereitstellen müssen, sondern die gesamte Blindleistungskompensation auf die einzelnen Kompensationseinheiten BKp verteilt werden kann, so dass die Kompensationseinheiten BKp nur für einen Teil der gesamten zu kompensierenden Blindleistung dimensioniert bzw. ausgelegt werden müssen, so dass diese deutlich kleiner als eine einzige Blindleistungskompensationseinheit ausfallen.
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Die 4 zeigt eine Schleifleitung mit erfindungsgemäßer aktiver Blindleistungskompensationseinheiten BKa welche sowohl an dem dem Einspeisepunkt 1a gegenüberliegenden Ende 1e der Schleifleitung 1 sowie an zwei weiteren Stellen entlang der Schleifleitungsstrecke angeordnet sind. Die aktiven Blindleistungskompensationseinheiten BKa können durch Kompensationseinheiten, wie sie in den 5, 6 und 7 dargestellt sind, gebildet sein. Die 5 zeigt eine aktive Blindleistungskompensationseinheit welche mittels einer aktiven Kompensation durch STATCOM gebildet ist. Die 6 zeigt eine Schaltung eines aktiven Phasenschiebers. Die 7 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung einer aktiven Blindleistungskompensationseinheit welche mittels einer aktiven Kompensation durch UPFC gebildet ist.
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Die 8 zeigt eine Ersatzschaltung für ein erfindungsgemäßes Energieübertragungssystem, bei dem der Einspeisepunkt in der Mitte der Schleifleitung angeordnet ist. Dies stellt in der Regel die günstigste Alternative dar, da bei dieser Ausführungsform die Schleifleitungslänge vom Einspeisepunkt bis zum Ende der Schleifleitung am kürzesten ist und somit die geringste Blindleistungskompensation erforderlich ist. Die Blindleistungskompensationseinheiten BKp und/oder BKa sind dabei entlang der Schleifleitung (1) zwischen dem Einspeisepunkt (1a) und den Enden (1e) der Schleifleitung (1) angeordnet, wobei zusätzlich an den Enden (1e) ebenfalls Blindleistungskompensationseinheiten BKp und/oder BKa vorgesehen sein können.
