DE102018204787A1

DE102018204787A1 - Doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit Schwungrad als Phasenschieber und Energiespeicher

Info

Publication number: DE102018204787A1
Application number: DE102018204787.1A
Authority: DE
Inventors: Jens Rosendahl; Roland Sievert; Klaus-Dieter Walli
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-10-02
Also published as: US20210028626A1; EP3756258A1; WO2019185753A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein direkt an das Übertragungsnetz oder das Verteilnetz gekoppeltes System vor, bei dem eine drehzahlvariable, doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit einem Schwungrad kombiniert ist. Neben der Funktion als spannungsregulierender Phasenschieber kann gleichzeitig Energie im Schwungrad unter Änderung der Drehzahl gespeichert oder entnommen werden. Die gebotenen Eigenschaften betreffen eine Kombination aus Frequenzstützung, Spannungsstabilisierung, Energiespeicherung und Kurzschlussleistung. In einer besonderen Ausgestaltung ist die Drehzahl des Schwungrades gegenüber der Drehzahl des Rotors mittels eines Getriebes erhöht, wobei in vorteilhafter Weise die Fähigkeit des Schwungrades Energie zu speichern überproportional mit der Drehzahl ansteigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System, das zur Stützung eines Drehstromnetzes aber auch als Energiespeicher nutzbar ist.
Eine hoch volatile Energieproduktion benötigt Netzstützungsanlagen für die Spannungsstabilität und die Frequenzstabilität. Die Ausgangsleistung von den meisten regenerativen Erzeugern unterliegt starken Schwankungen. Bei schnellen Änderungen der Leistung müssen Reserven zur Kompensation von Blindleistung und Wirkleistung sowie Kurzschlussleistung bereit gestellt werden.
Zur Stützung der Spannung werden unter anderem synchron rotierende Phasenschieber eingesetzt, welche sich konstruktiv nur wenig von klassischen Synchronmaschinen in fossilen Kraftwerken unterscheiden. Zur Frequenzstützung müssen Reserveerzeuger oder Energiespeicher eingesetzt werden, die aber eine gewisse Zeit benötigen, um die volle Leistungsfähigkeit zu erreichen oder in ihrem Output begrenzt sind.
Zur Dämpfung sehr schneller Frequenzänderungen werden vereinzelt auch Schwungmassen an synchron rotierenden Phasenschiebern angebracht, welche die Trägheit gegenüber diesen Änderungen erhöhen und den Reserveanlagen mehr Zeit verschaffen, um die benötigte Leistung zu erreichen.
Die genannten Lösungen sind auf Systemebene seit langem bekannt
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Energiespeicher für ein Stromnetz, insbesondere Drehstromnetz, zu schaffen, der imstande ist eine Energiemenge zwischenzuspeichern, die signifikant höher ist als die eines synchron rotierenden Phasenschiebers.
Das Problem wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Als erfindungswesentliches Element ist eine Steuerbarkeit der Drehzahl der Schwungmasse und damit eine Möglichkeit zur Steuerung einer aufzunehmenden beziehungsweise abzugebenden hohen Energiemenge gegeben. Dies steht im Gegensatz zu konventionellen Phasenschieberanlagen, die auf Grund der starr netzgebundenen Drehzahl nur sehr geringe Mengen von Energie aufnehmen oder abgeben können.
Die vorliegende Erfindung weist eine Kombination von frequenz- und spannungsstabilisierender Funktion mit einem rotierenden Energiespeicher auf. Erreicht wird dies durch ein mit variabel steuerbarer Drehzahl rotierendes, direkt an das Übertragungungs- oder Verteilnetz gekoppeltes System.
Das erfindungsgemäße System erschließt in der Kombination mit Schwungrädern als echter Energiespeicher eine hohe Leistungsklasse.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Rotor der Asynchronmaschine über ein Getriebe, das die Drehzahl hochsetzt, mit dem Schwungrad verbunden. Diese Maßnahme macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Fähigkeit des Schwungrades Energie zu speichern überproportional mit der Drehzahl ansteigt.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine drehzahlvariable doppelt gespeiste Asynchronmaschine in Kombination mit einem Schwungrad.

Das in 1 dargestellte System weist eine Asynchronmaschine DFIG auf, die über einen Transformator TRAFO mit einem dreiphasigen Netz GRID verbunden ist. Der Rotor der Asynchronmaschine ist elektrisch über einen Frequenzkonverter FC mit dem Netz verbunden und mechanisch mit einem Schwungrad FW gekoppelt. Der Stator der Asynchronmaschine ist elektrisch mit dem Netz verbunden.
Die drehzahlvariable doppelt gespeiste Asynchronmaschine in Kombination mit einem Schwungrad bietet eine Kombination der Eigenschaften Frequenzstützung, Spannungsstabilisierung, Energiespeicher und Kurzschlussleistung.
Der Rotor wird - im Gegensatz zur klassischen Synchronmaschine - mit einem Drehstrom variabler Frequenz gespeist und kann daher - bei Erfüllung aller Anforderungen an Synchronphasenschieber - die Drehzahl des Rotors und damit des Schwungrads steuern. Neben der Funktion als spannungsregulierender Phasenschieber kann gleichzeitig Energie im Schwungrad unter Änderung der Drehzahl gespeichert oder entnommen werden.
Die Energiemenge hängt von der Ausführung des Schwungrades (zum Beispiel direkt gekoppelt oder über eine Getriebe xn, welches die Drehzahl hochsetzt) und dem ausgeführten Drehzahlbereich ab. Das Getriebe xn weist ein Übersetzungsverhältnis mal n auf, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Die kurzzeitig verfügbare Leistung entspricht der Leistungsklasse des Phasenschiebers. Es können sehr hohe Leistungsklassen und Leistungsdichten erreicht werden.
Eine Leistungs-Zeitsteuerung der Aufladung oder Entladung des mechanischen Energiespeichers ist zum Beispiel über folgende Modi möglich:
Messung der Netzfrequenz und automatische Einstellung der Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe gemäß Anforderungsprofil des Netzbetreibers für die Services PRL (Primärregelleistung) oder EFR (enhanced frequency response, Great Britain);
Messung des Netzfrequenz-Gradienten und Einstellen der Leistung als Gegenmaßnahme für schnelle Frequenzänderungen (aktive Dämpfung der RoCoF: Rate of change of frequency);
Steuerung des Drehzahlgradienten, um gezielt Leistungsaufnahme und -abgabe zu steuern, zum Beispiel zur Energiespeicherung über Tag/Nacht Zyklen oder als Präventivmaßnahme für absehbare Stabilitätsengpässe.
Die spannungsregulierenden Eigenschaften eines synchronen Phasenschiebers werden dabei weiter gewährleistet.
Das erfindungsgemäße System weist gegenüber alternativen frequenzvariablen Lösungen mit Vollumrichtersystemen (wie zum Beispiel Turbogeneratoren mit Frequenzumrichter an den Ausgangsklemmen, Synchrogrid bis 380 MW) in vorteilhafter Weise geringere Verluste und erheblich verringerten Aufwand auf.
Das erfindungsgemäße System weist gegenüber anderen technischen Lösungen basierend auf teuren leistungselektronischen Großkomponenten, wie zum Beispiel SVC Plus Super Capacitors und Batteriespeicher, erheblich verbesserte Kerneigenschaften der Netzstabilisierung auf.
Die Leistungsbilanz der Anlage wird etwa Null sein (aufgenommene minus abgegebene Energie), wodurch sich die Anlagenform nicht in die Erzeugertechnologie eingliedert, sondern in Energiespeicher einerseits und Netzstützungsanlagen andererseits.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.

Claims

System zur Stützung eines Drehstromnetzes aber auch als Energiespeicher, bei dem - eine Asynchronmaschine (DFIG), deren Rotor mit einem Schwungrad (FW) zusammenwirkt, gegeben ist, - die Asynchronmaschine zum Einen aus dem Drehstromnetz (GRID) gespeist ist und zum Anderen mit einem Drehstrom variabler Frequenz gespeist ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad direkt mit dem Rotor der Asynchronmaschine verbunden ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad über ein Getriebe (xn) mit dem Rotor der Asynchronmaschine verbunden ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis aufweist, das die Drehzahl des Schwungrades gegenüber der Drehzahl des Rotors erhöht.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe durch eine Bauart mit stufenlos verstellbarer Überstzung gegeben ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mit Drehstrom variabler Frequenz gespeist ist.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor aus dem Drehstromnetz über einen Frequenzumrichter (FC) gespeist ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehstromnetz durch ein Verteilnetz gegeben ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehstromnetz durch ein Übertragungungsnetz gegeben ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungs-Zeitsteuerung der Energieaufladung oder Energieentladung gegeben ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe nach Maßgabe der gemessenen Netzfrequenz geregelt wird.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe nach Maßgabe des Netzfrequenz-Gradienten geregelt wird.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe nach Maßgabe des Drehzahlgradienten gesteuert wird.