WO1993018566A1 - Elektrisches energieübertragungssystem - Google Patents

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Klaus Renz
Manfred Weibelzahl
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/34—Arrangements for transfer of electric power between networks of substantially different frequency

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the economical transmission of electrical energy of small power over long distances.
  • a high-voltage direct current transmission system has a converter transformer on the input and output sides, which transforms the voltages of the connected three-phase networks to a variable corresponding to the transmission DC voltage.
  • the three-phase voltage is converted into a direct voltage by means of converter valves arranged in three-phase bridge circuits.
  • Several such bridges are connected in series on the DC side to increase the transmission voltage and power, the middle of the series connection being mostly grounded.
  • a corresponding secondary star and delta connection of the transformers means that the harmonic component on the Three-phase and direct current side due to the twelve-pulse
  • a direct current overhead line is more economical than a three-phase line with the same transmission capability, since it can be better used in terms of voltage and current and also only requires two conductors. This results in correspondingly fewer insulators, lighter masts and a smaller route width, which is very important when crossing built-up areas.
  • the converter stations cost considerably more than normal substations. If HVDC is to be used, these additional costs for the station must be compensated for by the savings in the line, which requires a minimum distance.
  • the economical border distances for a two-point connection for 800 to 2,500 MW are between 500 and 1,500 km. Branches of the direct current line for taking or supplying power can be realized by means of parallel or series-connected intermediate stations; however, they have an unfavorable effect on economy.
  • This supply network consists of several power plants that transfer their energy via 110 kV network to the substations for supply to the 15 kV Distributed overhead line network.
  • the characteristic of the railway operation is a pronounced short-term operation. Especially in local traffic, the locomotive has to accelerate strongly for a short time in order to achieve the desired speed. A mixture of all train types results in a very restless load curve with many short-term peak loads. Network management in a rail network is made difficult by the strong and rapid load fluctuations.
  • the network management in this 16 2/3 Hz network is facilitated by the fact that the frequency may fluctuate within a wider tolerance band than in a state network, load peaks are also absorbed by the flywheel masses of the power plant machines as the speed decreases, mechanical energy release and pump into the network as electrical energy.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for the economical transmission of electrical energy of small power over large distances.
  • this object is achieved in that the energy is transmitted in one phase by means of a transmission voltage with a transmission frequency which is low and non-zero.
  • the inductive voltage drop is significantly smaller, which means that the transmission voltage can be selected to be smaller for the same energy to be transmitted,
  • a particular advantage is that alternative energy sources, such as water, wind and solar energy, which are converted into electrical energy away from consumers, can be transferred economically.
  • the device for transmitting electrical energy of small power over large distances consists of a single-phase transmission line which is provided on the input and output sides with a transformer, a device for generating the transmission frequency and a device for generating a consumption frequency and an input transformer.
  • the frequency is generated at a lower voltage level than the transmission voltage level, so that the devices for frequency generation do not have to be designed for the high transmission voltage.
  • Known converter circuits for example a direct converter or a pulse converter, are provided as devices for generating the transmission frequency and for generating the consumer frequency.
  • FIG. 1 shows an energy transmission system according to the invention, which comprises an input transformer 2, a device 4 for generating the transmission frequency, a transformer 6, a transmission line 8, a transformer 10 and a device 12 for generating a consumer system 14 consists.
  • the input transformer 2 is linked on the primary side to a high-voltage supply network 16 and on the secondary side to an input of the device 4.
  • the high voltage of the supply network 16 is transformed to a voltage suitable for the device 4 of the required power.
  • This voltage system present at the input of the device 4 for example with a voltage of 2 kV and a frequency of 60 Hz, is converted into a voltage system of the same voltage amplitude but of a significantly lower frequency.
  • the device 4 which advantageously consists of a direct converter, forms a transmission frequency from the network frequency, which is substantially smaller than the network frequency, but different from zero. For example, 20 Hz to 10 Hz could be selected as the transmission frequency. Since the voltage of the high-voltage supply network 16 has been significantly down-transformed, the device 4 can be designed much more economically than a converter circuit of a high-voltage direct current transmission system become. In order to transmit the energy of low power, the voltage system at the output of the device 4 is stepped up to a transmission voltage value, for example 40 kV. The voltage value is determined as a function of the power and the length and nature of the transmission link, the choice of the transmission frequency also having an influence.
  • this transformer 10 which transforms the high transmission voltage back down to a low voltage, for example the voltage value of a consumer system 14.
  • this transformer 10 is connected to the device 12 with which a transmission frequency is generated again from the transmission frequency.
  • This device 12 is advantageously a pulse converter, consisting of a rectifier, a voltage intermediate circuit and an inverter.
  • a three-phase voltage system with the usual mains frequency of 50 to 60 Hz is again obtained from the single-phase down-transformed transmission voltage with the low transmission frequency.
  • this converter circuit 14 can do a great deal be made cheaper since they do not have to be designed for the transmission voltage.
  • branches 18 of the transmission line 8 for power extraction or supply can also be implemented in this transmission system without having an adverse effect on the economy.
  • Each device 4 and 12 is provided with a control and regulating device 20 with which the voltage, the frequency, the power and the current can be regulated.
  • the device 4 or 12 works independently of the device 12 or 4.
  • the device 12 for generating a consumer system 14 can be constructed in a modular manner, so that a greater energy requirement or energy increase can be covered by additional units. In this way, a village network of an isolated town with multiple feeds can be formed.
  • the n + 1 redundancy principle can be used, as a result of which, in the event of maintenance or failure of a converter, the power supply to the network is not interrupted.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wirtschaftlichen Übertragung elektrischer Energie kleiner Leistung über große Entfernungen. Erfindungsgemäß wird diese Energie mittels einer Übertragungsspannung mit einer niedrigen von Null verschiedenen Übertragungsfrequenz einphasig übertragen. Somit können isoliert liegende Ortschaften wirtschaftlich mit elektrischer Energie versorgt werden.

Description

Elektrisches Energieübertragungssystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor¬ richtung zur wirtschaftlichen Übertragung elektrischer Ener- gie kleiner Leistung über große Entfernungen.
Die Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen erfolgt entweder dreiphasig oder einphasig mit der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz bis 60 Hz. Bei diesen übertragungs- frequenzen ist der induktive Spannungsabfall auf der Über¬ tragungsleitung erheblich, da der induktive Spannungsabfall frequenzabhängig ist. Zur Übertragung elektrischer Energie wird die Spannung entsprechend hoch gewählt, so daß infolge eines kleineres Stromes die Leitungsverluste sich verringern. Der induktive Spannungsabfall verursacht außerdem eine Pha¬ sendrehung auf der Übertragungsleitung. Diese Phasendrehung kann zu Stabilitätsproblemen führen, die nur durch einen Serienkompensator behoben werden können. Ein derartiger Serienkompensator beeinflußt jedoch im ungünstigen Sinne die Wirtschaftlichkeit. Die Übertragung großer Leistung erfolgt mittels einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), wodurch die Leitungsverluste nur noch vom ohmschen Widerstand und dem durchfließenden Strom abhängig sind.
Ein Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystem weist ein- gangsseitig und ausgangsseitig jeweils einen Stromrichter¬ transformator auf, der die Spannungen der angeschlossenen Drehstromnetze auf eine der Übertragungs-Gleichspannung ent¬ sprechende Größe transformiert. Mittels in Drehstrom-Brücken- Schaltungen angeordneten Stromrichter-Ventilen wird die Dreh¬ spannung in eine Gleichspannung umgewandelt. Mehrere solcher Brücken sind gleichstromseitig zur Erhöhung der Übertragungs¬ spannung und -leistung in Reihe geschaltet, wobei die Mitte der Reihenschaltung meist geerdet ist. Gleichzeitig wird durch eine entsprechende sekundäre Stern- und Dreieckschal¬ tung der Transformatoren der Oberschwingungsanteil auf der Drehstrom- und Gleichstromseite infolge der zwölfpulsigen
Rückwirkung verringert. Unter Umständen sind noch zusätzliche Filterkreise auf der Gleichstromseite erforderlich. Beide Drehstromnetze werden bedingt durch die Kommutierungsvorgänge im Stromrichter mit induktiver Blindleistung - etwa 50 bis 60 _ der Wirkleistung - belastet.
Eine Gleichstrom-Freileitung ist wirtschaftlicher als eine Drehstromleitung gleicher Übertragungsf higkeit, da sie span- nungs- und strommäßig besser ausgenutzt werden kann und außer¬ dem nur zwei Leiter benötigt. Dies ergibt entsprechend weni¬ ger Isolatoren, leichtere Masten und eine geringere Trassen- breite, was beim überqueren von bebautem Gelände sehr wesent¬ lich ist. Jedoch kosten die Stromrichterstationen erheblich mehr als normale Umspannanlagen. Wenn die HGÜ angewendet wer¬ den soll, müssen diese Mehrkosten der Station durch die Ein¬ sparungen bei der Leitung ausgeglichen werden, was eine Min¬ destentfernung voraussetzt. Die wirtschaftlichen Grenzent¬ fernungen für eine Zwei-Punkt-Verbindung für 800 bis 2.500 MW liegt zwischen 500 und 1.500 km. Abzweige der Gleichstromlei¬ tung zur Leistungsentnahme oder -zufuhr lasssen sich durch Parallel- oder in Reihe geschaltete Zwischenstationen ver¬ wirklichen; sie beeinflussen jedoch im ungünstigen Sinne die Wirtschaftlichkeit.
Gegenüber diesem Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystem existiert noch ein Bahnstromversorgungssystem mit einer Fre¬ quenz von 16 2/3 Hz. Dieses Versorgungsnetz besteht aus meh¬ reren Kraftwerken, die ihre Energie über 110 kV-Netz auf die Umspannwerke zur Speisung in das 15 kV-Oberleitungsnetz ver¬ teilt. Das Charakteristikum des Bahnbetriebs ist ein ausge¬ sprochener Kurzzeitbetrieb. Vor allem im Nahverkehr muß das Triebfahrzeug kurzzeitig stark beschleunigen, um die ge¬ wünschte Geschwindigkeit zu erreichen. Als Mischung über alle Zugarten ergibt sich eine sehr unruhige Belastungskurve mit vielen kurzzeitigen Belastungsspitzen. Die Netzführung in einem Bahnnetz ist erschwert durch die starken und raschen Lastschwankungen. Andererseits ist die Netzführung in diesem 16 2/3 Hz-Netz dadurch erleichtert, daß die Frequenz in einem breiteren Toleranzband schwanken darf als in einem Landesnetz, Lastspitzen werden auch dadurch aufgefangen, daß die Schwung¬ massen der Kraftwerksmaschinen bei absinkender Drehzahl mecha¬ nische Energie abgeben und als elektrische Energie ins Netz pumpen.
Isolierte Ortschaften werden bekanntlich mit Energie aus dem dreiphasigen Versorgungsnetz mittels einer einphasigen Über¬ tragungsleitung versorgt, wobei die Übertragungsfrequenz gleich der Netzfrequenz ist. Eine weitere Möglichkeit der Versorgung derartiger Ortschaften mit elektrischer Energie besteht darin, daß vor Ort Dieselaggregate vorhanden sind. Bei dieser Möglichkeit muß jedoch die Treibstoffversorgung gesichert sein. Beide Versorgungssysteme sind jedoch unwirt¬ schaftlich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wirtschaftlichen Übertragung elek¬ trischer Energie kleiner Leistung über große Entfernungen anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Energie mittels einer Übertragungsspannung mit einer niedri¬ gen von Null verschiedenen Übertragungsfrequenz einphasig übertragen wird.
Eine derartige Energieübertragung weist folgende Vorteile auf:
a) Einphasige Übertragung:
- Trassenbreite geringer gegenüber dreiphasiger Übertra¬ gung, - Widerstand in der Bevölkerung aufgrund der geringen optischen Präsenz geringer,
- ausreichend für kleine Leistungen (beispielsweise 0,5 bis 20 MW) und großen Entfernungen (beispielsweise einige km bis einige hundert km).
b) Niedrige Übertragungsfrequenz:
- Der induktive Spannungsabfall wird wesentlich kleiner, wodurch bei gleicher zu übertragenden Energie die über- tragungsspannung kleiner gewählt werden kann,
- infolge der kleineren Übertragungsspannung verringert sich die Masthöhe für die Übertragungsleitung, wodurch preiswertere Masten Verwendung finden,
- mehrere benachbarte Ortschaften, die isoliert liegen, können über eine Stichleitung mit mehreren Abzweigungen mit Energie versorgt werden.
Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß alternative Ener¬ giequellen, wie Wasser, Wind- und Sonnenenergie, die entfernt von Verbrauchern in elektrische Energie umgewandelt werden, wirtschaftlich übertragen werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie kleiner Leistung über große Entfernungen aus einer einphasigen Übertragungsleitung, die eingangs- und ausgangsseitig mit einem Transformator ver¬ sehen ist, einer Einrichtung zur Erzeugung der Übertragungs¬ frequenz und einer Einrichtung zur Erzeugung einer Verbrau¬ cherfrequenz und einem Eingangstransformator. Durch diese Ausführungsform erfolgt die Frequenzerzeugung auf einer gegenüber der übertragungsspannungsebene niedrigeren Span¬ nungsebene, wodurch die Einrichtungen zur Frequenzerzeugung jeweils nicht auf die hohe Übertragungsspannung ausgelegt werden müssen. Als Einrichtungen zur Erzeugung der Übertragungsfrequenz und zur Erzeugung der Verbraucherfrequenz werden bekannte Strom¬ richterschaltungen, beispielsweise ein Direktumrichter oder ein Pulsumrichter, vorgesehen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel der erfindungs- gemäßen Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie kleiner Leistung über große Entfernungen schematisch veran- schaulicht ist.
Die Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Energieübertragungs¬ system, das aus einem Eingangstransformator 2, einer Einrich¬ tung 4 zur Erzeugung der Übertragungsfrequenz, einem Trans- formator 6, einer Übertragungsleitung 8, einem Transformator 10 und einer Einrichtung 12 zur Erzeugung eines Verbraucher¬ systems 14 besteht. Der Eingangstransformator 2 ist primär- seitig mit einem Hochspannungs-Versorgungsnetz 16 und sekun- därseitig mit einem Eingang der Einrichtung 4 verknüpft. Mit- tels dieses Eingangstransformators 2 wird die Hochspannung des Versorgungsnetzes 16 auf eine für die Einrichtung 4 der benötigten Leistung geeignete Spannung transformiert. Dieses am Eingang der Einrichtung 4 anstehende Spannungssystem, bei¬ spielsweise mit einer Spannung von 2 kV und einer Frequenz von 60 Hz, wird in ein Spannungssystem gleicher Spannungs¬ amplitude jedoch wesentlich niedriger Frequenz umgewandelt. D.h., die Einrichtung 4, die vorteilhafterweise aus einem Direktumrichter besteht, formt aus der Netzfrequenz eine Über¬ tragungsfrequenz, die wesentlich kleiner ist als die Netzfre- quenz, jedoch von Null verschieden. Als Übertragungsfrequenz könnte beispielsweise.20 Hz bis 10 Hz gewählt werden. Da die Spannung des Hochspannungs-Versorgungsnetzes 16 wesent-lich heruntertransformiert worden ist, kann die Einrichtung 4 sehr viel preisgünstiger gegenüber einer Stromrichterschaltung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage gestaltet werden. Zur Übertragung der Energie kleiner Leistung wird das Spannungssystem am Ausgang der Einrichtung 4 auf einen Über- tragungsspannungswert, beispielsweise 40 kV hochtransformiert. Dabei wird der Spannungswert in Abhängigkeit der Leistung und der Länge und der Beschaffenheit der Übertragungsstrecke be¬ stimmt, wobei auch die Wahl der Übertragungsfrequenz Einfluß hat.
Am Ende der Übertragungsleitung 8, die zwischen einigen km und einigen hundert km lang sein kann, ist wieder ein Trans¬ formator 10 vorgesehen, der die hohe üdertragungsspannung wie¬ der auf eine niedrige Spannung, beispielsweise der Spannungs¬ wert eines Verbrauchersystems 14 heruntertransformiert. Sekun- därseitig ist dieser Transformator 10 mit der Einrichtung 12 verbunden, mit der aus der Übertragungsfrequenz wieder eine Netzfrequenz erzeugt wird. Diese Einrichtung 12 ist vorteil¬ hafterweise ein Pulsumrichter, bestehend aus einem Gleichrich¬ ter, einem Spannungs-zwischenkreis und einem Wechselrichter. Mittels dieser Einrichtung 12 erhält man aus der einphasigen heruntertransformierten Übertragungsspannung mit der niedri¬ gen Übertragungsfrequenz wieder ein dreiphasiges Spannungs¬ system mit der üblichen Netzfrequenz von 50 bis 60 Hz. Im Gegensatz zu einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsan¬ lage kann diese Stromrichterschaltuπg 14 sehr viel preiswer- ter gestaltet werden, da sie nicht für die Übertragungsspan¬ nung ausgelegt werden braucht.
Auch gegenüber einer Hochspaπnungs-Gleichstrom-übertragungs- anlage können bei diesem Übertragungssystem Abzweige 18 der Übertragungsleitung 8 zur Leistungsentnahme oder -zufuhr ver¬ wirklicht werden, ohne dabei im ungünstigen Sinne die Wirt¬ schaftlichkeit zu beeinflussen. Jede Einrichtung 4 und 12 ist jeweils mit einer Steuer- und Regeleinrichtung 20 versehen, mit der die Spannung, die Fre¬ quenz, die Leistung und der Strom geregelt werden können. Dabei arbeitet die Einrichtung 4 bzw. 12 unabhängig von der Einrichtung 12 bzw. 4.
Die Einrichtung 12 zur Erzeugung eines Verbrauchersystems 14 kann odular aufgebaut werden, so daß ein größerer Energie¬ bedarf oder Energiezuwachs durch zusätzliche Einheiten ge¬ deckt werden kann. Somit kann ein Dorfnetz einer isolierten Ortschaft mit mehreren Speisungen gebildet werden.
Bei diesem erfindungsgemäßen Übertragungssystem ist die An¬ wendung des n+1-Redundanz-Priπzips möglich, wodurch bei War¬ tung oder Ausfall eines Umrichters nicht zu einer Unterbre¬ chung der Energieversorgung des Netzes führt.
Rückwirkungen der Einrichtung 4 auf das Hochspannungs-Ver¬ sorgungsnetz 16 können durch einfache Kompensationseinheiten auf der Sekundärseite des Transformators 2 beseitigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur wirtschaftlichen Übertragung elektrischer Energie kleiner Leistung über große Entfernungen, wobei diese Energie mittels einer Übertragungsspannung mit einer niedrigen von Null verschiedenen Übertragungsfrequenz ein¬ phasig übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß die Erzeugung der Übertra¬ gungsfrequenz und einer Verbraucherfrequenz jeweils auf einer gegenüber der Übertragungsspannung sehr viel niedrigen Spannungsebene erfolgt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer einphasigen Übertragungsleitung (8), die eingangs- und ausgangsseitig mit einem Transformator (6, 10) versehen ist, einer Einrichtung (4) zur Erzeugung der Übertragungsfrequenz, einer Einrichtung (12) zur Erzeugung eines Verbrauchersystems und eines Eingangstransformators (2).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß als Einrichtung (4) zur Er- zeugung der Übertragungsfrequenz ein Umrichter vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß als Einrichtung (12) zur Er- zeugung eines Verbrauchersystems ein Umrichter, bestehend aus einem Gleichrichter, einem Spannungszwischenkreis und einem Wechselrichter, vorgesehen ist.
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