WO2013164018A1 - Stromversorgungssystem - Google Patents

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Bernhard Plail
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a power supply system for feeding electrical power to an AC power grid and / or to provide electrical power to one or more loads from an AC power grid, the AC power grid having a nominal frequency.
  • Frequency, voltage and reactive power oscillations of the system can be caused by the mutual influence of the individual controls in each inverter.
  • Plants over 50 MW are usually constructed with many changes ⁇ inverters in which the mentioned Schwingungsprob ⁇ lems occur.
  • the grid connection is usually made directly on a medium-voltage line.
  • the connection to the grid usually takes place via a high-voltage direct current transmission. Energy storage with power electronics is practically not available in this power range.
  • the invention has for its object to propose a power supply system of the type mentioned above, which allows the feeding of high power into an AC power supply network and the supply of consumers cost-saving.
  • the power supply system has the following features: a) With a local network with a frequency which is at least higher than twice the rated frequency, b) between the local grid and the AC power supply ⁇ network is a series circuit of an inverter and a power feed transformer and
  • At least one power source is connected directly or indirectly to the local grid and / or one or more consumers.
  • the nominal frequency is 16.7 Hz, 50 Hz or 60 Hz and the frequency of the local network has a value between ⁇ 150 Hz and 1000 Hz. Due to the higher frequency of the local network, simple, standardized, cost-effective inverters can be used. These inverters have no repercussions on the power grid. Consequently, there are, for example, no requirements with regard to the generation of conducted harmonics.
  • the feed-in is simplified, since as a rule the AC power supply network also has a medium-voltage potential.
  • the power supply transformer then essentially only has to fulfill the task of potential separation.
  • the power source is a DC power source and this is designed as a photovoltaic system.
  • a large number of inverters have been used which had to meet the network requirements and were a high cost factor.
  • a cost-effective solution is now available. Only the inverter in series with the feed-in transformer must meet the grid requirements. However, it is also possible to switch two or more inverters at the feed-in point.
  • a likewise advantageous embodiment is when the DC power source according to claim 8 is a wind energy park.
  • a wind turbine for feeding into the AC power supply to a DC link. This is connected via an inverter to the AC power grid.
  • the DC bus is connected to a DC injection site to provide power to the AC power grid as described above.
  • the DC power source has an energy storage. This can be connected to the Stromthesessys ⁇ system as well as other DC sources and cover the demand temporarily, if, for example, the photovoltaic system or the wind farm does not provide sufficient power available.
  • the energy storage device can be charged via the power supply network as well as via one or more DC power sources if there is excess power.
  • Power supply system for feeding the electric power supplied by a power source into an AC power supply network
  • Power supply system with an alternative Ausure ⁇ tion of the power supply transformer. 1 shows an inventive power supply system 1, which is suitable for spatially limited photovoltaic, wind and energy ⁇ storage facilities for feeding high power in a AC power supply network 2 with the rated frequency of 16.7 Hz, 50 Hz or 60 Hz.
  • the power supply system 1 has one or more DC supply points 3, which are connected to a DC power source 4.
  • the DC ⁇ current source 4 may be carried out in combination, for example, as a photovoltaic system 4a, as a wind farm 4b, 4c as an energy store separately or together.
  • an inverter 5 is connected, which generates an alternating current with a frequency that is at least higher than twice the nominal frequency and is between about 200 Hz and 1,000 Hz.
  • a respective transformer 6 is connected in series with the inverters 5.
  • the AC currents in the from the inverter 5 and transformer 6 formed two gene flow in a local area network 7, which is preferably a ⁇ telwoodsnetz With a voltage of 5 to 20 kV and has a frequency in the above range.
  • a converter 8 which is designed for example as a direct converter, a power feed transformer 9 for feeding into the AC power supply system 2.
  • the inverter 8 which is usually designed as a direct converter (Cyvloconverter)
  • the in this embodiment with the power supply network 2 directly connected Stromeinspeise ⁇ transformer 9 is three-phase and can be executed with galvanically isolated lower voltage windings , so that no separate transformer; ⁇ ren to supply required on the page to the local network. 7
  • the local network 7 can optionally be single or three phase out ⁇ leads. It usually has a maximum extension of 5 km x 5km. Therefore, the higher frequency due to the higher frequency th reactive power losses negligible. Otherwise, normal 50/60 Hz medium voltage components can be used without much modification.
  • the inverters 5 located behind the DC power feeds 3 are self-commutated inverters which operate as a voltage source and can be simple direct converters (cycloconverters). The frequency control is done with statics according to the specification of an inverter. The master can be defined dynamically. Alternatively, a common system for all inverters can erledi ⁇ gen this task. The higher frequency transformers and other inductors can be made small, and thus the raw material and hence cost saving. For single-phase local network 7 simple B4 bridge with single-phase transformer is ⁇ sets can be.
  • the converter 8 can be designed as a forced-commutated direct converter with thyristors available for high currents and high voltage or as a matrix converter with disconnectable power semiconductors for a three-phase local network 7.
  • the occurring on the input side of the inverter 8 upper ⁇ vibration currents remain in the local network 7 and can be compensated by the control of the inverter 5.
  • the energy store 4c can advantageously be charged both via the DC power source 4 and via the AC power supply network 2.
  • electrical energy can be fed from generators G via the local network 7 into the AC power supply network 2.
  • the generators G are connected via a frequency converter 10 and possibly a series-connected converter.
  • th transformer 6 connected to the local network 7.
  • the arrangement with the local network 7 can be used advantageously for the power supply of consumers, eg of motors M.
  • the motors M are likewise connected to the local network 7 via a frequency converter 10 and, if appropriate, a transformer 6 connected in series, like the generators G.
  • FIG. 2 shows a power supply system 1 according to the invention, in which the power feed transformer 9 is embodied by three single-phase transformers.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Stromversorgungssystem (1) zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Wechselstromversorgungsnetz (2) und/oder zur elektrischen Energieversorgung von einem oder mehreren Verbrauchern (M) aus einem Wechselstromversorgungsnetz (2) vorgeschlagen, wobei das Wechselstromversorgungsnetz (2) eine Nennfrequenz aufweist, mit folgenden Merkmalen : a) Mit einem lokalen Netz (7) mit einer Frequenz, die mindestens höher als das Zweifache der Nennfrequenz ist, b) zwischen dem lokalen Netz (7) und dem Wechselstromversorgungsnetz (2) liegt eine Reihenschaltung aus einem Umrichter (8) und einem Stromeinspeisetransformator (9) und c) an das lokale Netz (7) ist mindestens eine Stromquelle (4, G) mittelbar oder unmittelbar und/oder ein oder mehrere Verbraucher (M) angeschlossen.

Description

Beschreibung
Stromversorgungssystem Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Wechselstromversorgungsnetz und/oder zur elektrischen Energieversorgung von einem oder mehreren Verbrauchern aus einem Wechselstromversorgungsnetz, wobei das Wechselstromversorgungsnetz eine Nennfrequenz aufweist.
Bei Photovoltaik- und Windanlagen ist die technisch sinnvolle Leistung der einzelnen Wechselrichter durch die räumliche Verteilung des PV-Generators oder der Windturbinen auf ca. 2 bis 4 MW bei PV-Anlagen und ca. 5 bis 10 MW bei Windanlagen begrenzt. Bei PV-, Wind- und auch Energiespeicheranlagen größerer Leistung (ab ca. 50 MW) müssen bisher viele Wechselrichter über jeweils einen lokalen Transformator an eine Anlagen-Mittelspannungsleitung angeschlossen werden. Bei Ein- Speisung in das Hochspannungsnetz ist ein weiterer Transformator nötig. Diese heute üblichen Konzepte zur Netzanbindung von PV-Anlagen lassen sich nicht einfach auf Multi-Megawatt- Anlagen ausdehnen. Bei steigenden Anlagengrößen lassen sich keine Kosteneinsparungen pro installierter Leistungseinheit realisieren.
Die Erfüllung der Netzanforderungen verlangt einen immer höheren regelungstechnischen Aufwand.
Es sind folgende Probleme bekannt bzw. zu erwarten:
1) Leistungshalbleiter für die heute üblichen selbstgeführten Wechselrichter mit Pulsweitenmodulation (PWM) sind nur mit hohem Aufwand für Mittelspannungs-Wechselrichter einsetzbar. Die Schalt- und Durchlassverluste sind relativ groß.
2) Die Mittelspannungstransformatoren für die üblichen 50/60 Hz Netzfrequenzen benötigen große Eisenkerne. Die Trans- formatoren sind sehr rohstoffintensiv und werden zukünftig im Preis weiter steigen.
3) Frequenz-, Spannungs- und Blindleistungs-Schwingungen der Anlage können durch die gegenseitige Beeinflussung der Einzelregelungen in jedem Wechselrichter entstehen.
4) Zentral- Wechselrichter für größere Anlagen über 50 MW machen zur Vermeidung ohmscher Verluste nur Sinn, wenn die Anlagenverkabelung mit einer Spannung von mindestens 5 bis 15 kV arbeitet. Es muss also lokal eine Umsetzung von Nie- derspannung (bei PV-Modulen max . 1.500 V DC) auf Mittel¬ spannung (Gleich- oder Wechselspannung) erfolgen.
5) Die Einbindung von Speichern ist nur mit zusätzlichen DC- DC-Umrichtern oder zusätzlichen AC-DC-Wechselrichtern möglich.
Anlagen über 50 MW werden üblicherweise mit vielen Wechsel¬ richtern aufgebaut, bei denen die erwähnten Schwingungsprob¬ leme auftreten. Bei Land-Windanlagen erfolgt der Netzanschluss meist direkt an einer Mittelspannungs-Leitung . Bei Offshore-Anlagen erfolgt die Anbindung ans Netz meist über eine Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung. Energiespeicher mit Leistungselektronik gibt es in diesem Leistungsbereich praktisch nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromversorgungssystem der oben genannten Art vorzuschlagen, das die Einspeisung hoher Leistungen in ein Wechselstromversorgungsnetz und die Versorgung von Verbrauchern Kosten sparend er- möglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Stromversorgungssystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dabei weist das Stromversorgungssystem folgende Merkmale auf: a) Mit einem lokalen Netz mit einer Frequenz, die mindestens höher als das Zweifache der Nennfrequenz ist, b) zwischen dem lokalen Netz und dem Wechselstromversorgungs¬ netz liegt eine Reihenschaltung aus einem Umrichter und einem Stromeinspeisetransformator und
c) an das lokale Netz ist mindestens eine Stromquelle mittel- bar oder unmittelbar und/oder ein oder mehrere Verbraucher angeschlossen .
Vorteilhafte Weiterbildungen des Stromversorgungssystems sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht, wenn nach Anspruch 2 die Nennfrequenz 16,7 Hz, 50 Hz oder 60 Hz beträgt und die Frequenz des lokalen Netzes einen Wert zwi¬ schen 150 Hz und 1.000 Hz aufweist. Durch die höhere Frequenz des lokalen Netzes lassen sich einfache, standardisierte, kostengünstige Wechselrichter einsetzen. Diese Wechselrichter haben keine Rückwirkungen auf das Stromversorgungsnetz. Demzufolge bestehen z.B. keine Anforderungen bezüglich der Erzeugung von leitungsgebundenen Oberschwingungen.
Ist das lokale Netz nach Anspruch 3 ein Mittelspannungsnetz, so vereinfacht sich die Einspeisung, da in der Regel das Wechselstromversorgungsnetz ebenfalls ein Mittelspannungspotenzial hat. Der Stromeinspeisetransformator hat dann im We- sentlichen nur noch die Aufgabe der Potenzialtrennung zu erfüllen .
Ist das lokale Netz nach Anspruch 4 einphasig ausgeführt, lassen sich erhebliche Einsparungen bei Leistungsschaltern, Kabeln etc. erzielen.
Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn nach Anspruch 5 und 7 die Stromquelle eine Gleichstromquelle ist und diese als Pho- tovoltaikanlage ausgeführt ist. Zur Einspeisung größerer Leistungen einer Photovoltaikanlage in das Wechselstromversorgungsnetz wurde bisher eine Vielzahl von Wechselrichtern eingesetzt, die den Netzanforderungen genügen mussten und ein hoher Kostenfaktor waren. Mit dem vorgeschlagenen Stromver- sorgungssystem bietet sich nun eine kostengünstige Lösung. Nur noch der Wechselrichter, der in Reihe zum Einspeisetransformator liegt, muss die Netzanforderungen erfüllen. Es können allerdings auch zwei oder mehr Wechselrichter am Einspei- sepunkt geschaltet werden.
Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführung besteht, wenn die Gleichstromquelle nach Anspruch 8 ein Windenergiepark ist. Üblicherweise weist eine Windkraftanlage zur Einspeisung in das Wechselstromversorgungsnetz einen Gleichstromzwischenkreis auf. Dieser wird über einen Wechselrichter mit dem Wechselstromversorgungsnetz verbunden. Beim Einsatz des vorgeschlagenen Stromversorgungssystems wird der Gleichstromzwi- schenkreis mit einer Gleichstromeinspeisestelle verbunden, um in der oben beschriebenen Weise die Leistung für das Wechselstromversorgungsnetz bereitzustellen.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn nach Anspruch 9 die Gleich- Stromquelle einen Energiespeicher aufweist. Dieser kann ebenso wie andere Gleichstromquellen an das Stromversorgungssys¬ tem angeschlossen werden und den Bedarf vorübergehend decken, wenn z.B. die Photovoltaikanlage oder der Windenergiepark nicht ausreichende Leistung zur Verfügung stellt. Der Ener- giespeicher kann sowohl über das Stromversorgungsnetz als auch über eine oder mehrere Gleichstromquellen aufgeladen werden, wenn hier überschüssige Leistung vorhanden ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Stromversorgungssystems zur Einspeisung der von einer Stromquelle bereitgestellten elektrischen Leistung in ein Wechselstromversorgungsnetz und
FIG 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Stromversorgungssystems mit einer alternativen Ausfüh¬ rung des Stromeinspeisetransformators. FIG 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Stromversorgungssystem 1, das für räumlich begrenzte Photovoltaik- , Wind- und Energie¬ speicheranlagen zur Einspeisung hoher Leistungen in ein Wech- selstromversorgungsnetz 2 mit der Nennfrequenz von z.B. 16,7 Hz, 50 Hz oder 60 Hz geeignet ist. Das Stromversorgungssystem 1 weist eine oder mehrere Gleichstromeinspeisestellen 3 auf, die mit einer Gleichstromquelle 4 verbunden sind. Die Gleich¬ stromquelle 4 kann beispielsweise als Photovoltaikanlage 4a, als Windenergiepark 4b, als Energiespeicher 4c einzeln oder in Kombination ausgeführt sein.
An jeder der Gleichstromeinspeisestellen 3 ist ein Wechselrichter 5 angeschlossen, der einen Wechselstrom mit einer Frequenz erzeugt, die mindestens höher als das Zweifache der Nennfrequenz ist und zwischen ca. 200 Hz und 1.000 Hz liegt. Zur Spannungsanpassung ist zu den Wechselrichtern 5 jeweils ein Transformator 6 in Reihe geschaltet. Die Wechselströme in den aus Wechselrichter 5 und Transformator 6 gebildeten Zwei- gen fließen in ein lokales Netz 7, das vorzugsweise ein Mit¬ telspannungsnetz mit einer Spannung von 5 bis 20 kV ist und eine Frequenz im oben genannten Bereich aufweist. An das lokale Netz 7 ist über einen Umrichter 8, der z.B. als Direktumrichter ausgeführt ist, ein Stromeinspeisetransformator 9 zur Einspeisung in das Wechselstromversorgungsnetz 2 angeschlossen. Mit dem Umrichter 8, der üblicherweise als Direktumrichter (Cyvloconverter) ausgeführt ist, erfolgt eine Transformation des Wechselstromes auf die Nennfrequenz des Stromversorgungsnetzes 2. Der bei dieser Ausführungsform mit dem Stromversorgungsnetz 2 direkt verbundene Stromeinspeise¬ transformator 9 ist dreiphasig und kann mit galvanisch getrennten Unterspannungswicklungen ausgeführt werden, so dass auf der Seite zum lokalen Netz 7 keine eigenen Transformato¬ ren zur Versorgung erforderlich sind.
Das lokale Netz 7 kann wahlweise ein- oder dreiphasig ausge¬ führt werden. Es hat in der Regel eine Ausdehnung von maximal 5 km x 5km. Daher sind die wegen der höheren Frequenz erhöh- ten Blindleistungsverluste vernachlässigbar. Ansonsten können normale 50/60 Hz-Mittelspannungskomponenten ohne große Änderungen eingesetzt werden. Die hinter den Gleichstromeinspeisestellen 3 liegenden Wechselrichter 5 sind selbstgeführte Wechselrichter, die als Spannungsquelle arbeiten und einfache Direktumrichter (Cyclo- converter) sein können. Die Frequenzregelung erfolgt mit Statik nach der Vorgabe eines Wechselrichters. Der Master kann dynamisch festgelegt werden. Alternativ kann auch eine gemeinsame Regelung aller Wechselrichter diese Aufgabe erledi¬ gen. Durch die höhere Frequenz können Transformatoren und andere Induktivitäten klein und damit Rohstoff und somit Kosten sparend gebaut werden. Bei einphasigem lokalem Netz 7 kann eine einfache B4-Brücke mit einphasigem Transformator einge¬ setzt werden.
Da die Wechselrichter 5 nur in das anlageninterne lokale Netz 7 einspeisen, sind viele sonst übliche Netzanforderungen nicht relevant.
Der Umrichter 8 kann als zwangskommutierter Direktumrichter mit für hohe Ströme und hohe Spannung verfügbaren Thyristoren oder als Matrixumrichter mit abschaltbaren Leistungshalblei- tern für ein dreiphasiges lokales Netz 7 ausgelegt werden.
Die auf der Eingangseite des Umrichters 8 auftretenden Ober¬ schwingungsströme verbleiben im lokalen Netz 7 und können durch die Regelung der Wechselrichter 5 ausgeglichen werden. Der Energiespeicher 4c kann vorteilhafterweise sowohl über die Gleichstromquelle 4 als auch über das Wechselstromversorgungsnetz 2 aufgeladen werden.
Alternativ zur Gleichstromquelle 4 oder auch ergänzend zu dieser kann elektrische Energie von Generatoren G über das lokale Netz 7 in das Wechselstromversorgungsnetz 2 eingespeist werden. Hierzu werden die Generatoren G über einen Frequenzumrichter 10 und ggf. einem dazu in Reihe geschalte- ten Transformator 6 an das lokale Netz 7 angeschlossen. Darüber hinaus kann die Anordnung mit dem lokalen Netz 7 vorteilhaft zur Stromversorgung von Verbrauchern, z.B. von Motoren M, genutzt werden. Die Motoren M werden hierzu ebenfalls wie die Generatoren G über einen Frequenzumrichter 10 und ggf. einem dazu in Reihe geschalteten Transformator 6 an das lokale Netz 7 angeschlossen.
FIG 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Stromversorgungssystem 1, bei dem der Stromeinspeisetransformator 9 durch drei Einphasentransformatoren ausgeführt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Stromversorgungssystem (1) zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Wechselstromversorgungsnetz (2) und/oder zur elektrischen Energieversorgung von einem oder mehreren Verbrauchern (M) aus einem Wechselstromversorgungsnetz (2), wobei das Wechselstromversorgungsnetz (2) eine Nennfrequenz aufweist, mit folgenden Merkmalen: a) Mit einem lokalen Netz (7) mit einer Frequenz, die mindestens höher als das Zweifache der Nennfrequenz ist,
b) zwischen dem lokalen Netz (7) und dem Wechselstromversorgungsnetz (2) liegt eine Reihenschaltung aus einem Umrichter (8) und einem Stromeinspeisetransformator (9) und c) an das lokale Netz (7) ist mindestens eine Stromquelle
(4,G) mittelbar oder unmittelbar und/oder ein oder mehrere Verbraucher (M) angeschlossen.
2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Nennfrequenz 16,7 Hz, 50 Hz oder 60 Hz beträgt und die Frequenz des lokalen Netzes (7) einen Wert zwischen 150 Hz und 1.020 Hz aufweist.
3. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass das lokale Netz (7) ein Mittelspannungs¬ netz ist.
4. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Netz (7) einphasig ist.
5. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle ( 4 , G) eine Gleichstromquelle ist.
6. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle über einen Wechselrichter (5) und einen zu diesem in Reihe geschalteten Transformator (6) mit dem lokalen Netz (7) verbunden ist.
7. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle eine Pho- tovoltaikanlage ist.
8. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle ein Wind¬ energiepark ist.
9. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle ein Ener giespeicher ist.
10. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (5) ein selbstgeführter Wechselrichter ist.
11. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (4,G) eine Wech selstromquelle ist.
12. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (8) ein Direktumrichter ist.
13. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (8) ein Matrix-Umrichter mit abschaltbaren Leistungshalbleitern ist
14. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Verbrau¬ cher (M) Wechselstrommotoren sind.
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