抽水蓄能電站的電單元的制作方法
【專利摘要】本發明涉及抽水蓄能電站，尤其是電單元(1)，其包括頻率變換器(3)和旋轉電同步電機(4)，其中機器設置在洞穴(5)中。頻率變換器(3)包括至少兩個元件(6，7)，該元件根據機器的運行方式例如在電動機或發電機運行中作為逆變器或整流器使用。在此機器側元件(6)設置在洞穴(5)的內部并且網絡側元件(7)設置在洞穴(5)的外部。
【專利說明】抽水蓄能電站的電單元
【技術領域】
[0001] 本發明涉及抽水蓄能電站，尤其是抽水蓄能電站的電單元，其包括頻率變換器和 旋轉電同步電機，其中機器設置在洞穴中。
【背景技術】
[0002] 再生能量源(例如風能和太陽能)供應了在電力需求的不斷增加的部分。這個能量 源在此包括不連續的運行時間。因此從這個能量源不能確保對用戶的電力的直接并且持久 供應。對此必須使用能量存儲器，該能量存儲器允許電力過剩和電力不足之間快速切換并 且其功率和能量流動方向可以迅速并且不斷地變化。
[0003] 在此存在不同系統作為能量存儲器使用，該不同系統尤其分別適合用于確定的能 量數量和應用情況。對于直至大約20MWh的小能量數量，根據應用，優選使用動力存儲器 (例如飛輪），電化學存儲器（電池，氧化還原流電池），或電磁存儲器（電容器，超級電容 器，超導線圈）。對于直到若干lOOMWh的中等能量數量，原則上熱力學存儲器（壓縮空氣存 儲器，電熱存儲器）尤其良好地適合。對于通常超過lOOMWh并且大多超過lGWh的大能量 數量使用泵存儲器。
[0004] 泵存儲器或抽水蓄能電站由于大可存儲的能量數量尤其感興趣。在此用過剩電力 將水從第一自然或對此人工建設的蓄水池泵送到第二，位置更高的蓄水池。電能量在此轉 化為勢能。為恢復電力水從位置更高的蓄水池通過渦輪機向回傳導到更低的蓄水池中。對 于這個系統，轉化過程中的損失的最小化尤其重要。
[0005] 現代泵存儲器具有轉速可變的驅動。通過將機器的轉速與網絡頻率耦合可以如此 調節泵和渦輪機旋轉速度，使得它們在接近最優的有效度上運行。附加地允許泵吸運行中 轉速的變化，功率容納自由調整。尤其是具有可變轉速的系統可以快速從停止狀態與網絡 相連或同步。
[0006] 根據現有技術的泵存儲器具有雙供給的異步電機和功率電子變頻器，以此實現泵 和渦輪機的轉速調節。在此雙供給的異步電機的定子直接與具有網絡頻率的電網連接。雙 供給的異步電機的轉子通過變頻器與網絡連接并且因此可以具有可變頻率。因此一方面調 節泵功率并且另一方面在需要時可以提高設備的有效度。
[0007] 在泵存儲器的情況下經常規定，機器設備例如渦輪機，泵，電動機-發電機和變壓 器容納在例如在巖石中引入的洞穴，凹洞中或在第二蓄水池下面的封閉空間中。其他形式 的泵存儲器在井的下端設置泵，渦輪機和電動機-發電機，其中其他電站組件例如在地面 上在建筑中或同樣在井中設置。
[0008] 這個電站安置是環境的結果，渦輪機必需足夠位于在下部蓄水池下面以避免空 洞。這出于位置和幾何結構原因大多數僅可能，其方式為用于容納機器設備的機器空間或 電站房在地下建立。此外地下的建筑方式防止免受環境影響如例如山崩脫離。此外出于環 境或風景保護原因同樣經常使用地下建筑方式。
[0009] 具有雙供給的異步電機的這個布置的明顯優點在于，用于產生可變轉速的系統的 構件(例如激勵器變壓器，變頻器，極變向器和起動機短路聯接器）必需布置在機器的直接 環境中。這些構件具有高空間需求，由此顯著擴大用于安置的電站房。尤其是在地下建筑 方式的情況下(例如在洞穴中）導致建立電站房成本非常高。
[0010] 在根據現有技術的具有雙供給的異步電機的布置中分塊變壓器同樣位于機器的 附近。由于高機器電流不可能使用長連接傳導，因為這在同時發生有功功率損失的情況下 導致高無功功率需求。此外存在機器和變壓器之間震蕩的危險。分塊變壓器在此同樣需要 許多空間并且必需因為爆炸危險必須構建在洞穴的特別保護的部分中。為此經常使用附加 洞穴，其容納僅分塊變壓器。這導致這樣的洞穴的成本的進一步提高。
[0011] 從此得出，本發明以該任務提出為基礎，簡化抽水蓄能電站的建立和和維修并且 減少與其相關成本。
【發明內容】
[0012] 這個任務通過根據權利要求1所述的抽水蓄能電站的電單元來解決。其他有利 的擴展方案從從屬權利要求得出，其中權利要求的回引應不排除其他有意義的權利要求組 合。
[0013] 在此本發明提出抽水蓄能電站的電單元，其中該電單元可與電網連接。電單元在 此包括封閉機器空間(優選洞穴或巖石洞穴)，頻率變換器和旋轉電同步電機，該旋轉電同 步電機根據機器的運行方式用作電動機或發電機。機器能與水渦輪機和水泵或可逆式泵渦 輪機例如機械連接并且設置在蓄水池下面的機器空間中。頻率變換器具有兩個通過DC或 直流電連接電地彼此連接的元件，其中根據機器的運行可分別使用一個元件作為整流器并 且一個元件作為逆變器并且其中機器側元件或倒相器單元INU設置在機器空間的內部中 并且網絡側元件或活動整流器單元ARU設置在機器空間的外部。
[0014] 在本發明的有利的擴展方案中電單元包括分塊變壓器，該分塊變壓器設置在機器 空間的外面。
[0015] 在另一有利的實施方式中電單元附加地包括濾波器，該濾波器設置在機器空間的 外面。
[0016] 在另一有利的實施方式中變換器的兀件分別可用于以發電機方式電感，以發電機 方式電容，以電動機方式電感或以電動機方式電容的運行或另外表明，能夠運行有功功率 和無功功率的四象限表示的所有四個象限中的變換器的兩個元件。
[0017] 在尤其有利的實施方式中規定，變換器設計為具有例如集中或分布電壓中間電路 或具有電流中間電路的自換向變流器。
[0018] 在另外的有利的實施方式中變換器設計成為外換向變流器。
[0019] 另外的實施方式規定，變換器的元件之間的電連接具有小于0. 2%的有功功率損 失。
[0020] 尤其是在地下建筑方式的情況下(例如在巖石洞穴中）建立泵存儲器相應地簡化 了本發明。在此電單元的地點分離不僅節約在挖掘洞穴時的成本而且節省在維修時例如通 過洞穴外面的分塊變壓器的簡化的爆炸保護。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021] 本發明的其他特征、細節和優點從權利要求的條文以及從實施例的描述根據附圖 給出。
[0022] 本發明在更多細節中根據下面文本參考優選的實施例根據附圖更詳細地解釋。其 示出 圖1是具有頻率變換器、電同步電機和分塊變壓器的電單元的示意表示。
[0023] 附圖標記及其意義在附圖標記列表中概述。一般來說相同附圖標記表示相同部 件。
【具體實施方式】
[0024] 圖1以示意表示示出與電網2連接的電單元1。電單元1在此包括頻率變換器3 和旋轉電同步電機4。在此機器4例如由于地方事實或為保護目的安置在洞穴5中。
[0025] 頻率變換器3包括至少兩個元件6, 7,該元件根據機器的運行方式例如在電動機 或發電機運行中可作為逆變器或整流器使用。在此機器側元件6設置在洞穴5內和網絡側 元件7設置在洞穴5外面。由此這尤其是可能的，因為現代頻率變換器例如模塊化多級變 流器M2LC實現元件6, 7彼此分離并且他們沒有建立在彼此的緊鄰的附近。轉速調節以這 種方式實現，機器4具有定子，該定子通過具有可調整頻率的三相電流供給。
[0026] 在洞穴5或例如井中容納電機器和機器側元件6或頻率變換器3的倒相器單元 INU。INU用作泵吸模式中的逆變器并且用作渦輪機模式中的整流器。網絡側元件7或頻率 變換器3的活動整流器單元ARU (其作為泵吸模式中的整流器并且作為渦輪機模式中的逆 變器運行）建立在洞穴5外部在到INU幾十到若干千米的距離上。在此ARU和INU通過設 計作為電壓或電流中間電路9的DC連接，彼此連接。
[0027] ARU和INU的退耦是可能的，因為在中間電路9上出現時間上僅慢速的電流和電壓 改變。因此不存在關于較小電感和電容的對傳導的特別高的要求，以便壓制共振現象。然 而中間電路9必須如此鋪設，使得通過電阻涂層的有功功率損失保持較小。因為在中間電 路9中存在基本上與機器4的端子上相同數量級的電壓，出現一般較高的標稱電流。這將 DC連接的可經濟地實現長度限制到最高幾千米。
[0028] 頻率變換借助于整流器和逆變器的組合來產生，其通過集中或分布電壓中間電路 或電流中間電路彼此連接。此外中間電路9和/或頻率變換器的元件6, 7在此具有用于能 量存儲的單元例如在電壓中間電路的情況下的電容器和在電流中間電路的情況下的電感。
[0029] 此外本發明實現在洞穴5外部使用分塊變壓器8。在根據現有技術的系統的情況 下分塊變壓器8安置在洞穴5內部，其中由于變壓器油的爆炸危險必須設置花費大的爆炸 保護并且作為其結果例如分塊變壓器8安置在附加洞穴中。根據本發明分塊變壓器8安置 在洞穴5的外部。這是有可能的，因為分塊變壓器8在根據本發明的布置的情況下必須僅 位于ARU的附近，而不是機器4的附近。優點在于明顯變小的洞穴5,沒有用于引入分塊變 壓器8的單獨或更多的進出通道，和爆炸保護的較少成本。此外可以使用用于平滑的濾波 器，其中該濾波器大多需要許多空間并且在此安置在洞穴外部同樣有利的。
[0030] 在實施方式中頻率變換器包括中間電路9尤其是電壓中間電路或電流中間電路。 中間電路9設置在元件6, 7之間并且在此可以設計成集中或分布的。
[0031] 具有可自由選擇的轉速的機器的運行具有巨大優勢。尤其是在具有頻率變換器和 同步電機的實施方式的情況下可以使用建立的，可靠的并且低維護的發電機技術。此外存 在該可能性，泵和渦輪機彼此無關地在其最優轉速范圍中運行。通過使用同步電機4尤其 是還可在高功率的情況下實現例如高坡度的高轉速。此外運行上可達到的轉速范圍持續從 零達到最大轉速并且僅由泵和渦輪機的運行上極限限制。泵和渦輪機可以原則上集成到一 個單元中例如泵渦輪機。尤其是存在該可能性，翻新舊設備到可變頻率運行，而不更換現有 發電機。另一優點在于非常快速的網絡耦合和頻率變換器3的ARU 7中網絡2請求的正和 負無功功率的產生的可能性。因此發電機可以排外地以有功功率運行，由此發電機具有更 緊湊的構建方式。此外通過使用頻率變換器3可以快速例如從泵吸運行轉換到渦輪機運 行。
[0032] 附圖標記列表 1電單元 2 電網 3頻率變換器 4電同步電機 5洞穴 6機器側電元件 7網絡側電元件 8分塊變壓器 9 中間電路
【權利要求】
1. 一種抽水蓄能電站的電單元（1)，能與電網（2)連接并且包括具有旋轉電同步電機 (4)的機器空間（5)并且包括頻率變換器（3)， 其中機器（4)能與水渦輪機和/或水泵連接， 其中變換器（3)具有機器側電元件（6)和網絡側電元件（7)，所述元件（6,7)彼此連 接，以及 其中根據機器（4)的運行分別元件（6, 7)可作為整流器并且元件可作為逆變器運行， 其特征在于， 機器側元件（6)設置在機器空間（5)內部并且與機器（4)的定子連接，并且網絡側元 件（7)設置在機器空間（5)外面并且通過DC連接（9)與機器側元件（6)連接。
2. 如權利要求1所述的電單元，其特征在于，機器空間（5)是洞穴。
3. 如權利要求1或2所述的電單元，其特征在于，所述單元包括設置在機器空間（5)外 面的分塊變壓器（8)和/或濾波器。
4. 如權利要求1到3中任一項所述的電單元，其特征在于，變換器（3)的元件（6, 7)可 分別用于以發電機方式電感，以發電機方式電容，以電動機方式電感或以電動機方式電容 的運行。
5. 如權利要求1或4中任一項所述的電單元，其特征在于，變換器（3)設計作為具有電 壓中間電路（9)或具有電流中間電路（9)的自換向變流器。
6. 如權利要求1或4中任一項所述的電單元，其特征在于，頻率變換器（3)設計作為外 換向的變流器。
7. 如權利要求1到6中任一項所述的電單元，其特征在于，變換器（3)的元件（6, 7)之 間的電連接（9)具有小于0.2%有功功率損失。
【文檔編號】H02P6/00GK104145416SQ201380013200
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年3月11日 優先權日:2012年3月9日
【發明者】F.溫克勒, G.特拉西勒-薩梅克, S.林德 申請人:Abb 技術有限公司