DE19508504A1 - Anordnung zur Energieflußsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energieflußsteue­ rung bei einer Energieübertragung zwischen zumindest zwei elektrischen Netzen mit einem Zusatztransformator.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung, weitere Details und Vorteile werden nachfol­ gend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (9)

1. Anordnung (1) zur Energieflußsteuerung bei einer elektri­ schen Energieübertragung zwischen zumindest zwei elektrischen Netzen (3a, 3b), bei der ein Zusatztransformator (9) zur Kopp­ lung der Netze (3a, 3b) von einer über einen Erregertransfor­ mator (17) gespeisten Stromrichteranordnung (11, 15) mit Gleichsignalzwischenkreis (13) gespeist ist, welcher zumin­ dest einen passiven Energiespeicher (21, 19) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleich­ signalzwischenkreis einen zusätzlichen gesteuerten Energie­ speicher (23) aufweist.

2. Anordnung zur Energieflußsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (23) über den Erregertransformator (15) ge­ laden wird.

3. Anordnung zur Energieflußsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ener­ giespeicher (23) an eine zusätzliche Energiequelle zum Laden angeschlossen ist.

4. Anordnung zur Energieflußsteuerung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Zusatztransformator (9) abgebbare Leistung höher als die vom Erregertransformator (17) zur Verfügung gestellte Leistung ist.

5. Anordnung zur Energieflußsteuerung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Erregertransformator (17) abgebbare Leistung höher als die vom Zusatztransformator (9) zur Verfügung gestellte Leistung ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Energiespeicher als Kondensatorbatterie (25) ausgebildet ist, die über ein Steuerglied (27), insbesondere einen gesteuerten Stromrichter, an den Gleichsignalzwischenkreis (13) geschal­ tet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der ge­ steuerte Energiespeicher (23) als mechanischer Speicher, mittels Solarenergie versorgter elektrischer Speicher, als Wasserspeicher, Dampfspeicher, elektromagnetischer oder che­ mischer Speicher, ausgebildet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei der elektromagnetische Speicher einen supraleitenden Aktivteil aufweist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Gleichsignalzwischenkreis (13) als Strom- oder Spannungs­ zwischenkreis ausgebildet ist.