JP2015512244A - 揚水発電所用電気ユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、揚水発電所に関しており、殊に、周波数コンバータ（３）および回転式電気同期機械（４）を含む電気ユニット（１）に関しており、上記の機械は空洞（５）に設けられている。周波数コンバータ（３）には少なくとも２つの部材（６，７）が含まれており、これらの部材は上記の機械の動作モードに応じて、例えばモータ動作または発電動作においてインバータまたは整流器として使用可能である。本願発明では上記の機械側の部材（６）は空洞（５）の内部に設けられており、また商用電源網側の部材（７）は空洞（５）の外部に設けられている。

Description

本発明は、揚水発電所に関し、殊に周波数コンバータおよび回転式電気同期機械を有する揚水発電所用電気ユニットに関しており、ここで上記の機械は、空洞に設けられている。

従来の技術
例えば風力エネルギおよび太陽エネルギのような再生可能エネルギ源は、電力需要のますます大きく割合を賄うようになって来ている。これらのエネルギ源の動作時間は安定していない。したがってこれらのエネルギ源から直接かつ持続的に電力を需要家に供給することは保証されないのである。このためには、電力過剰と電力不足との迅速な交替を可能にし、その出力およびエネルギの流れの方向を迅速かつ連続して変更できるエネルギ蓄積器を使用しなければならないのである。

エネルギ蓄積器として、それぞれ所定のエネルギ量および適用例に殊に適している種々異なるシステムが利用可能である。約２０ＭＷｈまでの少ないエネルギ量に対しては、適用に応じて、有利には運動学的蓄積器（例えばフライホイール）、電気化学式蓄積器（バッテリ、レドックスフロー電池）または電磁式蓄積器（コンデンサ、スーパーコンデンサ、超伝導コイル）が使用される。数１００ＭＷｈまでの中間のエネルギ量に対しては、基本的に熱力学式蓄積器（圧縮空気式蓄積器、熱電蓄積器）が殊に適している。一般的に１００ＭＷｈを上回り、多くの場合には１ＧＷｈを上回る大きなエネルギ量に対しては揚水式蓄積器が使用される。

揚水式蓄積器または揚水発電所は、蓄積可能なエネルギが大きいことによって殊に関心が高い。ここでは余剰の電力により、このために設けられた自然のまたは人工的な第１の蓄積プールから、より高い位置に配置された第２の蓄積プールに水がポンピングされる。ここでは電気エネルギが、位置エネルギに変換されるのである。電力を再生するためには、タービンを介して、上記の高い位置に配置された蓄積プールから、上記の低い方の位置に配置された蓄積プールに水が戻される。このシステムに対しては、上記の変換プロセスにおける損失を最小化することが殊に重要である。

今日の揚水式蓄積器は、回転数可変の駆動器を有する。上記の機械の回転数と、商用電源周波数とをデカップリングすることにより、ポンプおよびタービン回転速度を調整して、これらが最適効率の付近で動作できるようにすることが可能である。さらにポンプ動作において回転数を変化させることにより、消費電力を自由に設定可能である。殊に回転数可変のシステムは、停止状態から出発して迅速に商用電源網に接続できるかまたはこれと同期することができる。

従来技術による揚水式蓄積器は、二重給電型非同期機械と、パワーエレクトロニクス式周波数コンバータとを有しており、これにより、ポンプおよびタービンの回転数制御が可能である。ここでは、上記の二重給電型非同期機械のステータは、商用電源周波数を有する送電網に直接接続される。この二重給電型非同期機械のロータは、周波数コンバータを介して、商用電源網に接続されており、これによって可変の周波数を有することができる。したがって第１にはポンプ出力が制御され、第２には必要に応じて設備の効率を増大させることができるのである。

揚水式蓄積器では、例えばタービン、ポンプ、モータ発電機および変圧器などの機械設備が、例えば岩壁に掘られた空洞、空所または第２の蓄積プールに下側の閉じられた空間に収容されるようにすることが多い。揚水式蓄積器の別の形態では、ポンプ、タービンおよびモータ発電機は、縦穴の最も下側の端部に設けられ、別の発電所コンポーネントは、例えば地上の建物に設けられるか同様に上記の縦穴内に設けられる。

このような発電所の設置の仕方は、状況によるものであり、タービンはキャビテーションを回避するために下側の蓄積プールの十分下側になるようにする必要がある。これは、場所および幾何学的理由から多くの場合に、機械設備を収容するための機械室または発電室が地下に建設されることによってのみ可能にある。さらに地下の建設形態により、例えば雪崩流のような周囲環境の影響から保護される。また同様に環境上または景観保護上の理由から地下の建設形態が使用されることが多い。

二重給電型非同期機械を有するこのような配置構成の重大な欠点は、可変の回転数を形成するためのシステムの構成部材、例えば、励磁変圧器、周波数変換器、転極器およびスタータ短絡器など上記の機械の直近の周囲に配置しなければならないことである。これらの構成部材は、所要スペースが大きく、これによって発電室は、収容のために格段に大きくなってしまう。殊に地下の建設形態では、例えば空洞における地下の建設形態では、発電室の建設は極めて大きなコストを発生させるのである。

従来技術による二重給電型非同期機械を有する配置構成において、発電所変圧器も上記の機械の近くに設けられる。機械電流（Maschinenstroeme）が大きいことにより、長い接続線路を使用することはできない。なぜならば、この長い接続線路は、有効電力損失と同時に高い無効電力需要に結び付くからである。さらに機械と変換器との間のハンティングが生じる危険性がある。上記の発電所変圧器も大きなスペースを必要とし、また爆発の危険性により、空洞の専用に保護された部分に設置しなければならない。このためには、発電所変圧器だけを収容する副空洞を使用することが多い。これより、このような空洞に対してコストがさらに増大してしまうのである。

上記のことから出発して、本発明の課題は、揚水発電所の建設および維持管理を簡略化して、これに伴うコストを低減することである。

本発明の説明
上記の課題は、請求項１に記載した揚水発電所用電気ユニットによって解決される。別の有利な実施形態は、従属請求項から得られ、ここでこれらの請求項の引用は、有効な別の請求項の組み合わせを排除するものではない。低減することである。

本発明では、揚水発電所用電気ユニットが提供され、この電気ユニットは送電網に接続可能である。この電気ユニットには、有利には空洞または岩壁の空洞である閉じられた機械室と、周波数コンバータと、上記の機械の動作モードに依存してモータまたは発電機として使用される回転式電気同期機械とが含まれている。上記の機械は、水タービンおよび水ポンプまたは可逆式のポンプタービンに例えば機械的に接続可能であり、かつ、蓄積プールの下側にある機械室に設けられている。上記の周波数コンバータは、ＤＣまたは直流接続部によって電気的に互いに接続される２つの部材を有しており、上記の機械の動作に依存してそれぞれ１つの部材が整流器として、また別の１つの部材がインバータとして使用可能であり、上記の機械側の部材ないしはインバータユニットＩＮＵは、上記の機械室の内部に設けられており、上記の商用電源網側の部材ないしはアクティブ整流ユニットＡＲＵは、上記の機械室の外部に設けられている。

本発明の有利な実施形態において上記の電気ユニットには、上記の機械室の外部に設けられる発電所変圧器が含まれている。

別の有利な実施形態において上記の電気ユニットには付加的に、上記の機械室の外部に設けられているフィルタが含まれている。

別の有利な実施形態において上記のコンバータの複数の部材はそれぞれ、誘導式発電動作、容量式発電動作、誘導式モータ動作または容量式モータ動作で使用可能であり、または言い換えれば、上記のコンバータの２つの部材は、有効電力よび無効電力の４象限表示の４つのすべての象限において動作することが可能である。

殊に有利な実施形態では、上記のコンバータは、例えば集中型または分散型の電圧中間回路または電流中間回路を有する自励転流コンバータとして構成されている。

別の有利な実施形態において上記のコンバータは、他励転流コンバータとして構成されている。

別の実施形態では、上記の変換器の部材間の電気接続部は、０．２％未満の有効電力損失を有する。

上記に相応し、本発明によって殊に、例えば岩壁の空洞において地下建設方式を採用する際に揚水式蓄積器の建設が容易になる。電気ユニットを位置的に切り離すことにより、空洞を掘る際のコストだけでなく、例えば、空洞の外部における発電所変圧器の爆発保護が容易になることによって保守の際のコストも節約される。

本発明の別の特徴、詳細および利点は、請求項の文言ならびに図面に基づく実施例の説明から得られる。

図面に基づく有利な実施例を参照し、以下のテキストにより、本発明のさらなる詳細を詳しく説明する。

周波数コンバータ、電気同期機械および発電所変圧器を有する電気ユニットの概略図である。

参照符号およびその意味は、参照符号一覧にまとめられている。一般的に同じ参照符号は同じ部分を表している。

例示的な実施形態の詳細な説明
図１には、送電網２に接続された電気ユニット１が略示されている。電気ユニット１には、周波数コンバータ３および回転式電気同期機械４が含まれている。機械４は、例えば、場所的な諸条件に起因して、または保護のために空洞５に収容されている。

周波数コンバータ３には少なくとも１２つの部材６，７が含まれており、これらの部材は上記の機械の動作の仕方に応じて、例えばモータ動作または発電機動作においてインバータまたは整流器として使用可能である。ここでは機械側の部材６は空洞５内に、また網側の部材７は空洞５の外に設けられている。このことは殊に、例えばモジュラー・マルチレベル変換器Ｍ２ＬＣのような最新の周波数コンバータは、部材６，７を互いに分離することができ、これらの部材を互いにすぐ近くに設置する必要がないことによって可能である。回転数制御は、機械４が、周波数が調整可能な三相電流によって給電されるステータを有することによって可能である。

空洞５または例えば縦穴内には、上記の電気機械と、機械側の部材６または周波数コンバータ３のインバータユニットＩＮＵとが収容されている。このＩＮＵは、ポンプモードにおけるインバータとして、またタービンモードにおける整流器として使用される。ポンプモードにおける整流器およびタービンモードにおけるインバータとして動作される、周波数コンバータ３のアクティブ整流ユニットＡＲＵまたは網側の部材７は、上記のＩＮＵから数十メートルから数千メートルまでの距離で空洞５の外部に設置されている。ＡＲＵおよびＩＮＵは、電圧中間回路または電流中間回路９として構成されているＤＣ接続部によって互いに接続されている。

中間回路９では時間的に緩慢な電流変化および電圧変化しか発生しないため、ＡＲＵおよびＩＮＵのデカップリングが可能である。したがって共振現象を抑圧するためにインダクタンスおよびキャパシタンスを小さくすることに対し、線路に殊に高い要求が課されることがない。しかしながら中間回路９は、単位長さ当たりの抵抗による有効損失が小さく保たれるように設計しなければならない。中間回路９には実質的に、機械４の端子におけるのと同じオーダの電圧が加わっているため、一般的には高い公称電流が発生する。これにより、上記のＤＣ接続部の経済的に実現可能な長さは、最大で数キロメートルに限定される。

上記の周波数変換は、集中型または分散型の電圧中間回路または電流中間回路を介して互いに接続されている整流器およびインバータの組み合わせによって行われる。中間回路９および／または周波数コンバータの部材６，７はさらに、例えば電圧中間回路ではコンデンサに、また電流中間回路ではインダクタンスにエネルギを蓄積するためのユニットを有する。

さらに本発明により、発電所変圧器８を空洞５の外部で使用することができる。従来技術によるシステムでは、発電所変圧器８は空洞５の内部に配置され、変換器オイルが爆発する危険性により、コストのかかる爆発保護部を設けなければならず、またその結果、例えば、発電所変圧器８は副空洞に設置される。本発明によれば、発電所変圧器８は空洞５の外部に設置される。これが可能になるのは、発電所変圧器８は、本発明による配置構成では、上記のＡＲＵの傍にあるだけでよく、機械４の傍になくてもよいからである。このようにすることの利点は、空洞５が格段に小さくなることと、発電所変圧器８を入れるための独立したまたは比較的大きな坑道通路がないことと、爆発保護のためのコストが少なくなることとである。さらに平滑化のためのフィルタを使用できる。このフィルタは多くの場合に大きなスペースを要するため、空洞の外部に取り付けることは同様に有利である。

１つの実施形態において上記の周波数コンバータには中間回路９が含まれており、殊に電圧中間回路または電流中間回路が含まれている。中間回路９は、部材６と部材７との間に設けられており、集中型または分散型で構成することが可能である。

回転数が自由に選択可能な上記の機械の動作は極めて大きな利点を有する。殊に周波数コンバータおよび同期機械を有する実施形態では、確立され、信頼性が高く、かつ保守の容易な発電機技術を使用することができる。さらに、ポンプおよびタービンを互いに独立して、それらの最適な回転数領域において動作させることができる。同期機械４を使用することにより、殊に高出力時にも、例えば大きな落差に対して、高い回転数を実現することができる。さらに、動作的に到達可能な回転数領域は、連続してゼロから最大回転数まで到達し、ポンプおよびタービンの動作上の限界だけによって制限される。上記のポンプおよびタービンは、基本的に１つのユニットに、例えばポンプタービンに統合することができる。殊に既存の発電機を交換することなく、比較的旧い設備を可変周波数動作に増強することができる。別の利点は、極めて迅速に商用電源網に結合できることと、商用電源網２によって要求される正または負の無効電力を周波数コンバータ３のＡＲＵ７において形成できることとである。したがって上記の発電機を有効電力だけで動作させることができ、これによってこの発電機の構造が小型になる。さらに周波数コンバータ３を使用することにより、迅速に、例えばポンプ動作からタービン動作に切り換えることができる。

１ 電気ユニット、 ２ 送電網、 ３ 周波数コンバータ、 ４ 電気同期機械、 ５ 空洞、 ６ 機械側の電気部材、 ７ 商用電源網側の電気部材、 ８ 発電所変圧器、 ９ 中間回路

Claims (7)

1. 送電網（２）に接続可能であり、回転式電気同期機械（４）を有する機械室（５）を含み、かつ、周波数コンバータ（３）を含む、揚水発電所用電気ユニット（１）であって、
   前記機械（４）は、水タービンおよび／または水ポンプに接続可能であり、
   前記コンバータ（３）は、機械側の電気部材（６）および商用電源網側の電気部材（７）を有しており、該部材（６，７）は互いに接続されており、
   前記機械（４）の動作に依存してそれぞれ１つの部材（６，７）が整流器として、別の１つの部材がインバータとして動作可能である、電気ユニット（１）において、
   前記機械側の部材（６）は、前記機械室（５）の内部に設けられており、かつ、前記機械（４）のステータに接続されており、
   前記商用電源網側の部材（７）は、前記機械室（５）の外部に設けられており、かつ、ＤＣ接続部（９）を介して前記機械側の部材（６）に接続されている、
   ことを特徴とする電気ユニット（１）。
2. 請求項１に記載の電気ユニットにおいて、
   前記機械室（５）は空洞である、
   ことを特徴とする電気ユニット。
3. 請求項１または２に記載の電気ユニットにおいて、
   前記ユニットには、前記機械室（５）の外部に設けられている発電所変圧器（８）および／またはフィルタが含まれている、
   ことを特徴とする電気ユニット。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の電気ユニットにおいて、
   前記コンバータ（３）の前記部材（６，７）はそれぞれ、誘導式発電動作、容量式発電動作、誘導式モータ動作または容量式モータ動作に使用可能である、
   ことを特徴とする電気ユニット。
5. 請求項１または４のいずれか１項に記載の電気ユニットにおいて、
   前記コンバータ（３）は、電圧中間回路（９）または電流中間回路（９）を有する自励転流コンバータとして構成されている、
   ことを特徴とする電気ユニット。
6. 請求項１または４のいずれか１項に記載の電気ユニットにおいて、
   前記周波数コンバータ（３）は、他励転流コンバータとして構成されている、
   ことを特徴とする電気ユニット。
7. 請求項１または６のいずれか１項に記載の電気ユニットにおいて、
   前記コンバータ（３）の前記部材（６，７）間の前記電気接続部（９）は、０．２％未満の有効電力損失を有する、
   ことを特徴とする電気ユニット。

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