DE19508504A1

DE19508504A1 - Energy flow control arrangement

Info

Publication number: DE19508504A1
Application number: DE19508504A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Ing Weinhold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-03-09
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 1996-09-12

Abstract

In the arrangement for controlling the energy flow between two systems (3a,3b) includes an auxiliary transformer (9) for coupling the two systems. The auxiliary transformer is fed from a current rectifier arrangement (11,15) with an equal signal intermediate circuit fed by an exciter transformer (17). The current rectifier arrangement includes at least one passive energy storage element (21,19). The equal signal intermediate circuit has an additional controlled energy storage element (23). In one embodiment this energy storage element is charged via the exciter transformer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energieflußsteue rung bei einer Energieübertragung zwischen zumindest zwei elektrischen Netzen mit einem Zusatztransformator.The invention relates to an arrangement for energy flow control tion in an energy transfer between at least two electrical networks with an additional transformer.

Bei der elektrischen Energieverteilung in oder zwischen Hochspannungsnetzen besteht die Notwendigkeit, den Energie fluß und seine Richtung nach Bedarf steuern zu können. Hierzu werden sogenannte Zusatztransformatoranordnungen eingesetzt. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Erregertransformator und einem Zusatztransformator. Die Eingangswicklung des Erregertransformators bezieht elektrische Leistung aus einem der Netze. Seine Ausgangswicklung liefert elektrische Lei stung an die Eingangswicklung des Zusatztransformators, dessen Ausgangswicklung in Reihe mit der zu steuernden Übertra gungsleitung geschaltet ist und vom gesamten Leitungsstrom durchflossen ist. Im Zusatztransformator wird auf diese Weise eine Zusatzspannung erzeugt, deren Betrag und Phasenlage mittels Steuereinrichtungen an den Transformatoren einstell bar ist.When distributing electrical energy in or between High voltage grids there is a need to power to be able to control the river and its direction as required. For this so-called additional transformer arrangements are used. They generally consist of an exciter transformer and an additional transformer. The input winding of the Excitation transformers draw electrical power from one of the networks. Its output winding provides electrical lei to the input winding of the additional transformer, the Output winding in series with the transfer to be controlled supply line is switched and of the total line current is flowed through. In the additional transformer this way generates an additional voltage, its amount and phase position by means of control devices on the transformers is cash.

In jüngerer Zeit wurde zum Steuern der Zusatzspannung zwi schen die beiden Transformatoren bereits eine Stromrichter anordnung mit Gleichspannungszwischenkreis geschaltet. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus IEEE Spektrum, April 1993, Seiten 40 bis 45, insbesondere Seite 44, Fig. 4, bekannt. Der Gleichspannungszwischenkreis weist dabei einen Glättungskondensator auf, der auch als Energiespeicher dient. Derartige Anordnungen sind unter dem Namen Unified Power Controller oder Unified Power Flow Controller (UPFC) bekannt.More recently, a converter arrangement with a DC intermediate circuit has already been connected between the two transformers to control the additional voltage. Such an arrangement is known, for example, from IEEE Spectrum, April 1993, pages 40 to 45, in particular page 44, FIG. 4. The DC voltage intermediate circuit has a smoothing capacitor, which also serves as an energy store. Such arrangements are known under the name of Unified Power Controller or Unified Power Flow Controller (UPFC).

Allgemein kann davon ausgegangen werden, daß bei derartigen Anordnungen die von dem einem Netz gelieferte Wirkleistung und die von dem anderen Netz aufgenommenen Wirkleistung gleich sind. Aufgrund der Betriebsweisen der Stromrichter kann jedoch ein Unterschied in den Blindleistungen bestehen. Die dynamische Übergabeleistung am Zusatztransformator hängt dabei von den Reaktionszeiten der Stromrichter der Zusatz transformatoranordnung ab.In general, it can be assumed that with such Orders the active power supplied by a network and the active power consumed by the other network are the same. Due to the operating modes of the converter however, there may be a difference in reactive power. The dynamic transfer power on the additional transformer depends the addition of the reaction times of the converters transformer arrangement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zusatztrans formatoranordnung dahingehend zu verbessern, daß zumindest kurzzeitig eine erhöhte Energieabgabe an zumindest eines der Netze möglich ist.The invention has for its object an additional trans formator arrangement to improve that at least briefly an increased energy output to at least one of the Networks is possible.

Die Lösung der Aufgabe gelingt ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch, daß an den Gleich signalzwischenkreis ein zusätzlicher gesteuerter Energie speicher angeschlossen ist. Auf diese Weise ist im Rahmen des zusätzlichen Speichervolumens eine Erhöhung der Energieabgabe an das zu speisende Netz möglich. Die Anordnung ist vorteilhaft bei Netzkopplungen einsetzbar, bei denen in der Regel nur ein geringer Leistungsfluß vorhanden ist und kurz zeitig Leistungsspitzen auftreten. Dadurch muß der Erreger transformator und sein zugeordneter Stromrichter nur noch für den geringen stationären Leistungsbedarf ausgelegt werden. Der zusätzliche Energiespeicher wirkt dabei als Puffer, wobei selbstverständlich auch in diesem Sinn eine Energieaufnahme im Rahmen des Speichervolumens möglich ist.The problem is solved on the basis of the generic term of claim 1 according to the invention in that the same DC link an additional controlled energy memory is connected. In this way, under the additional storage volume an increase in energy output possible to the network to be fed. The arrangement is can be used advantageously for network couplings in which Usually only a small power flow is present and short Performance peaks occur at an early stage. As a result, the pathogen transformer and its assigned converter only for the low stationary power requirements can be designed. The additional energy storage acts as a buffer, whereby of course also in this sense an energy intake is possible within the scope of the storage volume.

Der zusätzliche Energiespeicher kann mit Vorteil wahlweise über den Erregertransformator oder über eine andere Energie quelle geladen werden. Im ersten Fall ist eine gleichmäßige Energieauslastung des Erregerkreises möglich, so daß dieser mit einem hohen Ausnutzungsgrad betrieben werden kann. Im zweiten Fall kann beispielsweise eine ohnehin vorhandene Energiequelle zum Laden benutzt werden. Dies ist besonders interessant, wenn es sich dabei um eine preiswerte Energie quelle handelt. The additional energy storage can advantageously be optional via the excitation transformer or via another energy source can be loaded. In the first case it is an even one Energy utilization of the excitation circuit possible, so that this can be operated with a high degree of utilization. in the the second case can be, for example, an existing one Energy source can be used for charging. This is special interesting if it is inexpensive energy source acts.

Bevorzugt ist die vom Zusatztransformator abgebbare Leistung höher als die vom Erregertransformator zur Verfügung gestell te Leistung. Auf diese Weise steht eine unter technischen und ökonomischen Gründen optimierte Anordnung zur Energiefluß steuerung zur Verfügung. Alternativ kann jedoch auch die vom Erregertransformator abgebbare Leistung höher sein als die des Zusatztransformators. Dies ist besonders dann günstig, wenn über den Erregertransformator Blindleistung mit dem jeweils angeschlossenen Netz ausgetauscht werden soll.The power which can be output by the additional transformer is preferred higher than that provided by the excitation transformer performance. In this way, one is under technical and arrangement for energy flow optimized for economic reasons control available. Alternatively, however, that of Excitation transformer output power can be higher than that of the additional transformer. This is particularly beneficial if reactive power with the exciter transformer each connected network is to be replaced.

Mit Vorteil ist der Energiespeicher als Kondensatorbatterie ausgebildet, die über ein Steuerglied, insbesondere einen Stromrichter, an den Gleichsignalzwischenkreis geschaltet ist. Auf diese Weise ist auch in kritischen Betriebssituatio nen eine gute Energieflußsteuerung möglich, da zwischen dem Erregerkreis und dem zusätzlichen Energiespeicher eine opti mierte Leistungsaufteilung stattfinden kann und wobei beste Wirkungsgrade erzielt werden können.The energy storage is advantageous as a capacitor bank formed by a control element, in particular a Power converter, connected to the DC link is. This way it is also in critical operating situations NEN a good energy flow control possible because between the Excitation circuit and the additional energy storage an opti mated performance sharing can take place and being the best Efficiencies can be achieved.

Der zusätzliche Energiespeicher kann beliebig als mechani scher Speicher, mittels Solarenergie versorgter elektrischer Speicher, als Wasserspeicher, Dampfspeicher, elektromagneti scher oder als chemischer Speicher ausgebildet sein. Mit Vorteil kann daher je nach Aufstellungsort der gesamten Anordnung die jeweils zur Verfügung stehende Energiequelle genutzt werden. Denkbar ist hier z. B., daß in Wüstenregionen eine Solarversorgung vorgesehen ist oder im Rahmen einer Industrieanlage anfallender Dampf gespeichert wird. Es ist auch beispielsweise ein schneller Schwungradspeicher denkbar, der über einen elektromechanischen Wandler seine gespeicherte Energie in den Gleichsignalzwischenkreis einspeist. Es ist auch denkbar, daß mehrere verschiedene Energiequellen und/oder Energiespeicher in Mischanordnungen miteinander kombiniert werden. The additional energy storage can be any mechanical storage, electrical energy supplied by solar energy Storage, as water storage, steam storage, electromagnetic shear or be designed as a chemical storage. With Advantage can therefore, depending on the installation site, the entire Arrangement of the available energy source be used. It is conceivable here, for. B. that in desert regions a solar supply is provided or as part of a Industrial plant accumulating steam is stored. It is a quick flywheel accumulator is also conceivable, for example, which is saved via an electromechanical converter Feeds energy into the DC link. It is also conceivable that several different energy sources and / or energy storage devices in mixed arrangements with one another be combined.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der elek trische Aktivteil des Energiespeichers supraleitend ausge führt. Auf diese Weise ist der Platzbedarf sehr gering gehal ten, wobei der Energieverlust beim Energiespeicher auf ein geringes Maß gehalten wird.In a further advantageous embodiment, the elec tric active part of the energy storage superconducting leads. In this way, the space requirement is very small ten, with the energy loss in the energy storage on low level is kept.

Die Erfindung, weitere Details und Vorteile werden nachfol gend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.The invention, further details and advantages will follow based on an embodiment and the drawing explained in more detail.

Die Figur zeigt eine Anordnung 1 zur Energieflußsteuerung bei einer elektrischen Energieübertragung zwischen zwei elek trischen Netzen 3a und 3b. Die Netze 3a, 3b sind über eine elektrische Leitung 5, insbesondere einer Übertragungslei tung, miteinander verbunden. Mit dem Bezugszeichen 7 ist die Leitungsimpedanz schematisch dargestellt.The figure shows an arrangement 1 for energy flow control in an electrical energy transmission between two elec trical networks 3 a and 3 b. The networks 3 a, 3 b are connected to one another via an electrical line 5 , in particular a transmission line. The line impedance is shown schematically by reference number 7 .

Die Anordnung 1 weist einen Zusatztransformator 9 auf, der oberspannungsseitig in die elektrische Leitung 5 geschaltet ist. Er stellt quasi das aktive Steuerglied zur Energiefluß steuerung zwischen den zwei Netzen 3a und 3b dar. Unterspan nungsseitig ist er mit einem zugeordneten ersten Stromrichter 11 verbunden. Zwischen den beiden Stromrichtern 11, 15 und ihren jeweiligen Transformatoren 9, 17 können optional auch nicht näher dargestellte Filter nach dem Stand der Technik geschaltet sein. Derartige Filter dienen zum Aufnehmen der Differenzspannungen, die zwischen den Klemmen der Stromrich ter 11, 15 und ihren jeweiligen Transformatoren 9, 15 beste hen. Außerdem halten sie die durch die Stromrichter 11, 15 erzeugten Oberschwingungen von den Netzen 3a, 3b fern.The arrangement 1 has an additional transformer 9 which is connected in the electrical line 5 on the high voltage side. It represents the active control element for energy flow control between the two networks 3 a and 3 b. On the low voltage side, it is connected to an assigned first converter 11 . Between the two converters 11 , 15 and their respective transformers 9 , 17 , filters according to the prior art, which are not shown in detail, can optionally also be connected. Such filters are used to record the differential voltages, the best between the terminals of the Strom ter 11 , 15 and their respective transformers 9 , 15 hen. In addition, they keep the harmonics generated by the converters 11 , 15 away from the networks 3 a, 3 b.

Der erste Stromrichter ist wiederum über ein Gleichsignalzwi schenkreis 13 mit einem zweiten Stromrichter 15 gekoppelt, der über einen Erregertransformator 17 vom Netz 3b mit Ener gie versorgt wird. Der Erregertransformator 17 kann wahlweise auch an das Netz 3a angeschlossen sein oder seine Energie von einer nicht näher gezeigten weiteren zur Verfügung stehenden Energiequelle erhalten.The first converter is in turn coupled via a DC signal intermediate circuit 13 to a second converter 15 , which is supplied with energy via an excitation transformer 17 from the network 3 b. The excitation transformer 17 can optionally also be connected to the network 3 a or receive its energy from a further available energy source, not shown in any more detail.

Der Gleichsignalzwischenkreis 13 weist eine Induktivität 19 und einen Kondensator 21 auf (schematisch dargestellt). Diese passiven Bauteile können zur Glättung des Gleichsignals sowie zur Beherrschung von Schwingungen und Oberwellen im Gleich signalzwischenkreis ( ggf. im Sinne eines Filters) dienen. Gegebenenfalls können auch mehrere -auch kaskadenartig zu schaltbare - Bauteile im Gleichsignalzwischenkreis vorgesehen werden, die als Filter wirken. Der Gleichsignalzwischenkreis 13 ist je nach Anwendung als Gleichstrom- oder Gleichspan nungszwischenkreis ausgebildet. In bestimmten Fällen kann eine Iduktivität im Gleichsignalzwischenkreis auch uner wünscht sein, so daß eine Auslegung der gesamten Anordnung 1 mit minimierter Induktivität erfolgt.The DC link 13 has an inductor 19 and a capacitor 21 (shown schematically). These passive components can be used to smooth the DC signal and to control vibrations and harmonics in the DC signal intermediate circuit (possibly in the sense of a filter). If necessary, a plurality of components, which can also be switched in a cascade fashion, can be provided in the DC link, which act as filters. The DC signal intermediate circuit 13 is formed depending on the application as a DC or DC voltage intermediate circuit. In certain cases, an inductance in the DC link may also be undesirable, so that the entire arrangement 1 is designed with a minimized inductance.

An den Gleichsignalzwischenkreis 13 ist ein zusätzlicher Energiespeicher 23 angeschlossen. Rein beispielhaft ist er in der gezeigten Ausführung als kapazitiver Speicher mit einer Kapazität 25 ausgebildet. Die Kapazität 25 ist über ein Steuerglied 27 mit dem Gleichsignalzwischenkreis 13 verbun den. Das Steuerglied 27 sorgt dafür, daß die in der Kapazität 25 gespeicherte Energie im richtigen Moment und mit dem rich tigen Wert in den Gleichsignalzwischenkreis 13 eingespeist wird. Dies setzt natürlich voraus, daß die Kapazität 25 vor her (vorausschauend!) aufgeladen worden ist.An additional energy store 23 is connected to the DC link 13 . In the embodiment shown, it is designed purely by way of example as a capacitive memory with a capacitance 25 . The capacitance 25 is connected via a control element 27 to the DC link 13 . The control member 27 ensures that the energy stored in the capacitance 25 is fed into the DC link 13 at the right moment and with the right value. Of course, this assumes that the capacity 25 has been charged before (looking ahead!).

Das Steuerglied 27 kann dabei Teil des Energiespeichers 23 oder auch als separate Einrichtung ausgeführt sein. Bevorzugt ist das Steuerglied 27 mit gesteuerten Ventilen, insbesondere als Stromrichter, ausgeführt. Dadurch ist eine besonders schnelle und effektive Steuerung der zuzuführenden Energie möglich. The control member 27 can be part of the energy store 23 or can be designed as a separate device. The control member 27 is preferably designed with controlled valves, in particular as a converter. This enables particularly fast and effective control of the energy to be supplied.

Der Energiespeicher 23 kann auf vielfältigste Weise ausge führt sein. In einer einfachen Ausführung kann er - wie dar gestellt - eine Kapazität 25, insbesondere eine Kondensa torbatterie, oder auch Batterien als Speicherelemente umfas sen. Derartige Speicherelemente könnten z. B. über Solarzellen mit Energie versorgt werden. Es ist auch ein elektromagne tischer Speicher nach Art einer Drossel denkbar, die bevor zugt mit einem supraleitenden Aktivteil ausgeführt ist. Die ser hat zum Vorteil, daß bei geringem Raumbedarf große Lei stungen gespeichert werden können. Weiterhin sind auch mecha nische Speicher, Wasserspeicher oder Dampfspeicher denkbar, die über einen elektromagnetischen Wandler die gespeicherte Energie in den Gleichsignalzwischenkreis 13 speisen. Die elektrischen Speicherelemente weisen dabei ein sehr gutes zeitliches Verhalten auf, was einen raschen Energieaustausch erlaubt.The energy store 23 can be carried out in a variety of ways. In a simple embodiment, it can - as shown - comprise a capacitor 25 , in particular a capacitor battery, or also batteries as storage elements. Such storage elements could e.g. B. be supplied with energy via solar cells. It is also conceivable an electromagnetic memory in the manner of a choke, which is preferably carried out with a superconducting active part. The water has the advantage that large Lei stungen can be saved with a small footprint. Furthermore, are also conceivable mecha African memory, memory or water vapor storage which feed the energy stored in the DC intermediate circuit 13 via an electromagnetic transducer. The electrical storage elements have a very good behavior over time, which allows rapid energy exchange.

Der Energiespeicher 23 ist mit seinem Stellglied 27 mit nicht näher gezeigten Regel- und Steuereinrichtungen der Stromrich ter 11 und 15 verbunden, so daß hier ein ganzheitliches Reg lungskonzept realisiert ist. Durch die Aufteilung der Ener gieflüsse im Hinblick auf eine betriebstechnisch und wirt schaftlich sinnvolle Ausnutzung ist ein kostengünstiger Be trieb mit guter Energieflußsteuerung möglich. Selbstverständ lich eignet sich der Energiespeicher 25 im Sinne der vor liegenden Idee sowohl zur Energieaufnahme als auch zu Ener gieabgabe. Die Pufferwirkung besteht also in beide Richtun gen.The energy storage device 23 is connected with its actuator 27 to regulating and control devices of the power converters 11 and 15 , not shown in detail, so that a holistic control concept is realized here. By dividing the energy flows in terms of operationally and economically sensible utilization, cost-effective operation with good energy flow control is possible. Of course, the energy store 25 is suitable in the sense of the idea before both for energy consumption and for energy delivery. The buffer effect is therefore in both directions.

Claims

1. Arrangement ( 1 ) for energy flow control in an electrical energy transfer between at least two electrical networks ( 3 a, 3 b), in which an additional transformer ( 9 ) for coupling the networks ( 3 a, 3 b) of one via an exciter transfor mator ( 17 ) fed converter arrangement ( 11 , 15 ) is fed with a DC link ( 13 ), which at least has a passive energy store ( 21 , 19 ), characterized in that the DC link has an additional controlled energy store ( 23 ).

2. Arrangement for energy flow control according to claim 1, characterized in that the energy store ( 23 ) via the excitation transformer ( 15 ) is loaded ge.

3. Arrangement for energy flow control according to claim 1 or 2, characterized in that the energy storage ( 23 ) is connected to an additional energy source for charging.

4. Arrangement for energy flow control according to one of claims 1 to 3, characterized in that the power which can be output from the additional transformer ( 9 ) is higher than the power made available by the excitation transformer ( 17 ).

5. Arrangement for energy flow control according to one of claims 1 to 3, characterized in that the power output by the excitation transformer ( 17 ) is higher than the power made available by the additional transformer ( 9 ).

6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, wherein the energy store is designed as a capacitor bank ( 25 ), which is switched via a control element ( 27 ), in particular a controlled converter, to the DC signal intermediate circuit ( 13 ).

7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, wherein the ge controlled energy store ( 23 ) is designed as a mechanical store, by means of solar energy supplied electrical store, as a water store, steam store, electromagnetic or che mixer store.

8. The arrangement according to claim 7, wherein the electromagnetic Memory has a superconducting active part.

9. Arrangement according to one of claims 1 to 8, wherein the DC signal intermediate circuit ( 13 ) is designed as a current or voltage intermediate circuit.