WO2019185753A1 - Doppelt gespeiste asynchronmaschine mit schwungrad als phasenschieber und energiespeicher - Google Patents

Doppelt gespeiste asynchronmaschine mit schwungrad als phasenschieber und energiespeicher Download PDF

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Roland Sievert
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    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the invention relates to a system which can be used to support a three-phase network but also as energy storage.
  • synchronous rotating phase shifters are used, which differ structurally only slightly from classical synchronous machines in fossil power plants.
  • regenerators or energy storages which however require a certain amount of time to reach their full capacity or are limited in their output.
  • the invention is based on the problem, a Energyspei cher for a power grid, in particular three-phase network, to sheep fen, which is able to buffer an amount of energy that is significantly higher than that of a synchronously rotating phase shifter.
  • the problem is solved by a system having the features of claim 1. An.
  • the present invention has a combination of frequency and voltage stabilizing function with a ro tierenden energy storage. This is achieved by a variable-speed rotating, directly coupled to the transmission or distribution system.
  • the system of the invention opens up in combination with flywheels as a real energy storage a high performance class.
  • the rotor of the asynchronous machine is connected to the flywheel via a gearbox which boosts the rotational speed. This measure makes use of the knowledge that the ability of the momentum to store energy increases disproportionately with the speed.
  • Figure 1 shows a variable-speed double-fed Asynchronma machine in combination with a flywheel.
  • the system shown in Figure 1 comprises an asynchronous DFIG, which is connected via a transformer TRAFO with a three-phase network GRID.
  • the rotor of the asynchronous machine is electrically connected to the network via a frequency converter FC and mechanically coupled to a flywheel FW.
  • the stator of the asynchronous machine is electrically connected to the grid.
  • variable-speed, double-fed asynchronous machine in combination with a flywheel offers a combination of the features frequency support, voltage stabilization, energy storage and short-circuit power.
  • the rotor is - in contrast to the classic Synchronmaschi ne - fed with a three-phase variable frequency and can therefore - if all requirements for synchronous
  • phase shifter - the speed of the rotor and thus of the
  • Control flywheel In addition to the function as a voltage regulator render phase shifter energy stored in the flywheel at the same time changing the speed or removed who the.
  • the amount of energy depends on the design of the flywheel (for example, directly coupled or via a gearbox xn, which increases the speed) and the running speed range.
  • the transmission xn has a gear ratio times n, where n is a natural number.
  • the short-term available power corresponds to the performance class of the phase shifter. It can be achieved very high performance classes and power densities.
  • a power timing of the charging or discharging of the mechanical energy storage is possible, for example, via the following modes:
  • Control of the speed gradient to specifically control power consumption and output control, for example for energy storage over day / night cycles or as a preventive measure for visible stability bottlenecks.
  • the inventive system has over alternative fre quenzvariablen solutions with Vollumrichtersystemen (such as turbo generators with frequency converter at the output terminals, Synchrogrid to 380 MW) advantageously lower losses and significantly reduced effort.
  • Vollumrichtersystemen such as turbo generators with frequency converter at the output terminals, Synchrogrid to 380 MW
  • the system according to the invention has over other technical solutions based on expensive large-scale electronic power components, such as SVC Plus Super Capacitors and battery storage, significantly improved core properties of the network stabilization.
  • the current account of the plant will be about zero (absorbed minus released energy), whereby the plant form is not integrated into the producer technology, but in energy storage on the one hand and on the other hand network backup systems.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein direkt an das Übertragungsnetz oder das Verteilnetz gekoppeltes System vor, bei dem eine drehzahlvariable, doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit einem Schwungrad kombiniert ist. Neben der Funktion als spannungsregulierender Phasenschieber kann gleichzeitig Energie im Schwungrad unter Änderung der Drehzahl gespeichert oder entnommen werden. Die gebotenen Eigenschaften betreffen eine Kombination aus Frequenzstützung, Spannungsstabilisierung, Energiespeicherung und Kurzschlussleistung. In einer besonderen Ausgestaltung ist die Drehzahl des Schwungrades gegenüber der Drehzahl des Rotors mittels eines Getriebes erhöht, wobei in vorteilhafter Weise die Fähigkeit des Schwungrades Energie zu speichern überproportional mit der Drehzahl ansteigt.

Description

Beschreibung
Doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit Schwungrad als Pha senschieber und Energiespeicher
Die Erfindung betrifft ein System, das zur Stützung eines Drehstromnetzes aber auch als Energiespeicher nutzbar ist.
Eine hoch volatile Energieproduktion benötigt Netzstützungs anlagen für die Spannungsstabilität und die Frequenzstabili tät. Die Ausgangsleistung von den meisten regenerativen Er zeugern unterliegt starken Schwankungen. Bei schnellen Ände rungen der Leistung müssen Reserven zur Kompensation von Blindleistung und Wirkleistung sowie Kurzschlussleistung be reit gestellt werden.
Zur Stützung der Spannung werden unter anderem synchron ro tierende Phasenschieber eingesetzt, welche sich konstruktiv nur wenig von klassischen Synchronmaschinen in fossilen Kraftwerken unterscheiden. Zur Frequenzstützung müssen Reser veerzeuger oder Energiespeicher eingesetzt werden, die aber eine gewisse Zeit benötigen, um die volle Leistungsfähigkeit zu erreichen oder in ihrem Output begrenzt sind.
Zur Dämpfung sehr schneller Frequenzänderungen werden verein zelt auch Schwungmassen an synchron rotierenden Phasenschie bern angebracht, welche die Trägheit gegenüber diesen Ände rungen erhöhen und den Reserveanlagen mehr Zeit verschaffen, um die benötigte Leistung zu erreichen.
Die genannten Lösungen sind auf Systemebene seit langem be kannt
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Energiespei cher für ein Stromnetz, insbesondere Drehstromnetz, zu schaf fen, der imstande ist eine Energiemenge zwischenzuspeichern, die signifikant höher ist als die eines synchron rotierenden Phasenschiebers . Das Problem wird durch ein System mit den Merkmalen des An spruchs 1 gelöst.
Als erfindungswesentliches Element ist eine Steuerbarkeit der Drehzahl der Schwungmasse und damit eine Möglichkeit zur Steuerung einer aufzunehmenden beziehungsweise abzugebenden hohen Energiemenge gegeben. Dies steht im Gegensatz zu kon ventionellen Phasenschieberanlagen, die auf Grund der starr netzgebundenen Drehzahl nur sehr geringe Mengen von Energie aufnehmen oder abgeben können.
Die vorliegende Erfindung weist eine Kombination von fre- quenz- und spannungsstabilisierender Funktion mit einem ro tierenden Energiespeicher auf. Erreicht wird dies durch ein mit variabel steuerbarer Drehzahl rotierendes, direkt an das Übertragungungs- oder Verteilnetz gekoppeltes System.
Das erfindungsgemäße System erschließt in der Kombination mit Schwungrädern als echter Energiespeicher eine hohe Leistungs klasse .
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Rotor der Asynchronmaschine über ein Getriebe, das die Drehzahl hochsetzt, mit dem Schwungrad verbunden. Diese Maßnahme macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Fähigkeit des Schwung rades Energie zu speichern überproportional mit der Drehzahl ansteigt .
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Fi gur näher erläutert . Dabei zeigt :
Fig 1 eine drehzahlvariable doppelt gespeiste Asynchronma schine in Kombination mit einem Schwungrad. Das in Fig 1 dargestellte System weist eine Asynchronmaschine DFIG auf, die über einen Transformator TRAFO mit einem drei phasigen Netz GRID verbunden ist. Der Rotor der Asynchronma schine ist elektrisch über einen Frequenzkonverter FC mit dem Netz verbunden und mechanisch mit einem Schwungrad FW gekop pelt. Der Stator der Asynchronmaschine ist elektrisch mit dem Netz verbunden.
Die drehzahlvariable doppelt gespeiste Asynchronmaschine in Kombination mit einem Schwungrad bietet eine Kombination der Eigenschaften Frequenzstützung, Spannungsstabilisierung, Energiespeicher und Kurzschlussleistung.
Der Rotor wird - im Gegensatz zur klassischen Synchronmaschi ne - mit einem Drehstrom variabler Frequenz gespeist und kann daher - bei Erfüllung aller Anforderungen an Synchron
phasenschieber - die Drehzahl des Rotors und damit des
Schwungrads steuern. Neben der Funktion als spannungsregulie render Phasenschieber kann gleichzeitig Energie im Schwungrad unter Änderung der Drehzahl gespeichert oder entnommen wer den .
Die Energiemenge hängt von der Ausführung des Schwungrades (zum Beispiel direkt gekoppelt oder über eine Getriebe xn, welches die Drehzahl hochsetzt) und dem ausgeführten Dreh zahlbereich ab. Das Getriebe xn weist ein Übersetzungsver hältnis mal n auf, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Die kurzzeitig verfügbare Leistung entspricht der Leistungs klasse des Phasenschiebers. Es können sehr hohe Leistungs klassen und Leistungsdichten erreicht werden.
Eine Leistungs-Zeitsteuerung der Aufladung oder Entladung des mechanischen Energiespeichers ist zum Beispiel über folgende Modi möglich:
Messung der Netzfrequenz und automatische Einstellung der Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe gemäß An forderungsprofil des Netzbetreibers für die Services PRL (Primärregelleistung) oder EFR (enhanced frequency response, Great Britain) ;
Messung des Netzfrequenz-Gradienten und Einstellen der Leis tung als Gegenmaßnahme für schnelle Frequenzänderungen (akti ve Dämpfung der RoCoF : Rate of change of frequency) ;
Steuerung des Drehzahlgradienten, um gezielt Leistungsaufnah me und -abgabe zu steuern, zum Beispiel zur Energiespeiche rung über Tag/Nacht Zyklen oder als Präventivmaßnahme für ab sehbare Stabilitätsengpässe.
Die spannungsregulierenden Eigenschaften eines synchronen Phasenschiebers werden dabei weiter gewährleistet.
Das erfindungsgemäße System weist gegenüber alternativen fre quenzvariablen Lösungen mit Vollumrichtersystemen (wie zum Beispiel Turbogeneratoren mit Frequenzumrichter an den Aus gangsklemmen, Synchrogrid bis 380 MW) in vorteilhafter Weise geringere Verluste und erheblich verringerten Aufwand auf.
Das erfindungsgemäße System weist gegenüber anderen techni schen Lösungen basierend auf teuren leistungselektronischen Großkomponenten, wie zum Beispiel SVC Plus Super Capacitors und Batteriespeicher, erheblich verbesserte Kerneigenschaften der Netzstabilisierung auf.
Die Leistungsbilanz der Anlage wird etwa Null sein (aufgenom mene minus abgegebene Energie) , wodurch sich die Anlagenform nicht in die Erzeugertechnologie eingliedert, sondern in Energiespeicher einerseits und Netzstützungsanlagen anderer seits .
Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken an hand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren .

Claims

Patentansprüche
1. System zur Stützung eines Drehstromnetzes aber auch als EnergieSpeicher,
bei dem
- eine Asynchronmaschine (DFIG) , deren Rotor mit einem Schwungrad (FW) zusammenwirkt, gegeben ist,
- die Asynchronmaschine zum Einen aus dem Drehstromnetz (GRID) gespeist ist und zum Anderen mit einem Drehstrom variabler Frequenz gespeist ist.
2. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schwungrad direkt mit dem Rotor der Asynchronmaschine verbunden ist.
3. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schwungrad über ein Getriebe (xn) mit dem Rotor der Asyn chronmaschine verbunden ist.
4. System nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis aufweist, das die Drehzahl des Schwungrades gegenüber der Drehzahl des Rotors erhöht .
5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Getriebe durch eine Bauart mit stufenlos verstellbarer Überstzung gegeben ist.
6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rotor mit Drehstrom variabler Frequenz gespeist ist.
7. System nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor aus dem Drehstromnetz über einen Frequenzumrichter (FC) gespeist ist.
8. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Drehstromnetz durch ein Verteilnetz gegeben ist.
9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Drehstromnetz durch ein Übertragungungsnetz gegeben ist.
10. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Leistungs-Zeitsteuerung der Energieaufladung oder Ener gieentladung gegeben ist.
11. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe nach Maßgabe der gemessenen Netzfrequenz geregelt wird.
12. System nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe nach Maßgabe des Netzfrequenz -Gradienten geregelt wird.
13. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe nach Maßgabe des Drehzahlgradienten gesteuert wird.
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