TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Stromversorgungs¬ netze. Sie betrifft eine elektrische Anlage zur Kopplung eines Stromversorgungs¬ netzes und eines zentralen Gleichspannungsstrangs gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anla¬ ge-

STAND DER TECHNIK

In den letzten Jahren waren Stromversorgungsnetze bzw. Energieverteilungsnetze in zunehmenden Masse von sog. „Blackouts" betroffen. Diese „Blackouts" werden hauptsächlich durch die Fehlfunktion von Anlagenteilen im Zusammenhang mit der Energieübertragung über grosse Entfernungen verursacht. Zusätzlich verän¬ dern sich die Umstände der Energieverteilung von einer Kombination aus gut steuerbarer Energieerzeugung und kaum steuerbarem Energieverbrauch zu einer Kombination aus nicht steuerbarer Energieerzeugung - wie z.B. bei der Windener¬ gie - und nicht gesteuertem Energieverbrauch. Diese neuartige Situation erfordert ökonomische Energiespeicherungssysteme mit niedrigen Effizienzverlusten. Um diese Situation beherrschen zu können, müssen mehr und mehr Speichersysteme in das System der Versorgungsnetze eingefügt werden. Wesentlich für die Effek- tivität solcher Massnahmen ist nicht nur die effiziente Speicherung der Energie, sondern auch die Berücksichtigung der Topologie der Netzsysteme. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Anlage zur Kopplung eines Strom¬ versorgungsnetzes und eines zentralen Gleichspannungsstrangs zu schaffen, mit welcher auf einfache und besonders effektive Weise die Stabilität des Netzes ver¬ bessert werden kann, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage an¬ zugeben.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 , 11 , 17 und 18 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, einen rotierenden Massen- speicher vorzusehen, welcherje nach Bedarf und Netzzustand wahlweise über den AC-DC-Umrichter oder die Gleichrichterbrücke mit dem zentralen Gleich¬ spannungsstrang oder direkt mit dem Stromversorgungsnetz verbindbar ist. Hier ist es möglich, wahlweise Wirkleistung oder Blindleistung aus dem rotierenden Massenspeicher in das Netz einzuspeisen, oder Wirkleistung aus dem zentralen Gleichspannungsstrang aufzunehmen oder an den zentralen Gleichspannungs¬ strang abzugeben. Der zentrale Gleichspannungsstrang kann dabei Teil eines (grosseren) Gleichspannungsnetzes sein.

Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der rotierende Massenspeicher eine rotierende Masse, welche mit einer wahlweise als Motor oder Generator arbeitenden Synchronmaschine gekoppelt ist.

Zum wahlweisen Verbinden des Stromversorgungsnetzes und des rotierenden Massenspeichers untereinander oder mit dem zentralen Gleichspannungsstrang sind entsprechende Schalter vorgesehen.

Insbesondere erfolgt die Verbindung der Synchronmaschine des rotierenden Mas¬ senspeichers mit den übrigen Teile der elektrischen Anlage über einen Transfor- mator. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemässen Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass am Ausgang der Gleichrichterbrücke Glättungskondensa- toren angeordnet sind. Zusätzlich kann an den zentralen Gleichspannungsstrang ein Gleichstromspeicher, insbesondere in Form einer supraleitenden Spule oder einer Kondensatorbatterie, angeschlossen sein.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist parallel zum rotierenden Massen¬ speicher wenigstens eine Windenergieanlage vorgesehen, welche wahlweise mit dem rotierenden Massenspeicher verbindbar ist, wobei die wenigstens eine Wind- energieanlage ein mit einer Asynchronmaschine gekoppeltes Windrad umfasst und zum wahlweisen Verbinden der Windenergieanlage mit dem rotierenden Mas¬ senspeicher entsprechende Schalter vorgesehen sind.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch ge- kennzeichnet, dass der rotierende Massenspeicher zur Einspeisung von Blind¬ leistung an das Stromversorgungsnetz angeschlossen wird, und dass das Strom¬ versorgungsnetz über die Gleichrichterbrücke Wirkleistung in den zentralen Gleichspannungsstrang einspeist.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist da¬ durch gekennzeichnet, dass der rotierende Massenspeicher über die Gleichrich¬ terbrücke Wirkleistung in den zentralen Gleichspannungsstrang einspeist, und dass über den AC-DC-Umrichter Wirkleistung aus dem zentralen Gleichspan¬ nungsstrang in das Stromversorgungsnetz eingespeist wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist da¬ durch gekennzeichnet, dass in den rotierenden Massenspeicher über den AC-DC- Umrichter Wirkleistung aus dem zentralen Gleichspannungsstrang eingespeist wird, und dass das Stromversorgungsnetz über die Gleichrichterbrücke Wirk- leistung in den zentralen Gleichspannungsstrang einspeist. Weiterhin ist es denkbar, dass sowohl das Stromversorgungsnetz als auch der ro¬ tierende Massenspeicher über die Gleichrichterbrücke Wirkleistung in den zentra¬ len Gleichspannungsstrang einspeisen.

Ebenso ist es möglich, dass sowohl das Stromversorgungsnetz als auch der rotie¬ rende Massenspeicher über den AC-DC-Umrichter mit Wirkleistung aus dem zen¬ tralen Gleichspannungsstrang versorgt werden.

Im Zusammenhang mit einer Windenergieanlage ist es besonders günstig, wenn der rotierende Massenspeicher Blindleistung in die wenigstens eine Windenergie¬ anlage einspeist. Auch ist es vorteilhaft, wenn der rotierende Massenspeicher zu¬ nächst über den AC-DC-Umrichter aus dem zentralen Gleichspannungsstrang aufgestartet wird und dann mit der wenigstens einen Windenergieanlage verbun¬ den wird.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam- menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 das vereinfachte Schaltbild einer elektrischen Anlage gemäss ei¬ nem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Stromversorgungsnetz und rotierender Massenspeicher direkt miteinander verbunden sind und Blindleistung austauschen und das Stromversorgungsnetz über eine Gleichrichterbrücke in einen zentralen Gleichspannungsstrang Wirkleistung einspeist;

Fig. 2 die Anlage aus Fig. 1 , bei der das Stromversorgungsnetz Wirk- leistung aus dem zentralen Gleichspannungsstrang erhält und der rotierende Massenspeicher Wirkleistung an den zentralen Gleich¬ spannungsstrang abgibt; Fig. 3 die Anlage aus Fig. 1 , bei der der rotierende Massenspeicher Wirkleistung aus dem zentralen Gleichspannungsstrang erhält und das Stromversorgungsnetz Wirkleistung an den zentralen Gleich¬ spannungsstrang abgibt;

Fig. 4 die Anlage aus Fig. 1 , bei der der rotierende Massenspeicher und das Stromversorgungsnetz Wirkleistung an den zentralen Gleich¬ spannungsstrang abgeben;

Fig. 5 die Anlage aus Fig. 1 , bei der der rotierende Massenspeicher und das Stromversorgungsnetz Wirkleistung aus dem zentralen Gleichspannungsstrang erhalten;

Fig. 6 das vereinfachte Schaltbild einer elektrischen Anlage gemäss ei- nem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wo¬ bei parallel zum rotierenden Massenspeicher wenigstens ein Windrad angeordnet ist; und

Fig. 7 die Anlage aus Fig. 6, bei der zunächst der rotierende Massen- Speicher aus dem zentralen Gleichspannungsstrang aufgestartet wird.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 bis 5 zeigen dasselbe bevorzugte Ausführungsbeispiel einer elektrischen Anlage nach der Erfindung. Unterschiedlich ist in den einzelnen Figuren das mit der Anlage ausgeführte Verfahren, das sich jeweils aus einer unterschiedlichen Stellung der eingesetzten Schalter ergibt.

Die elektrische Anlage 10 der Fig. 1 bis 5 umfasst eine Kopplung zwischen einem Stromversorgungsnetz 11 (symbolisch als Block mit Neizschraffur eingezeichnet) und einem (oder mehreren) nur angedeuteten zentralen Gleichspannungsstrang (Gleichspannungssträngen) („DC Backbone") 19. Sowohl das Stromversorgungs¬ netz 11 als auch der zentrale Gleichspannungsstrang 19 befinden sich im Beispiel auf einem 220kV-Spannungsniveau. Andere Spannungsniveaus sind aber ebenso denkbar. Der zentrale Gleichspannungsstrang 19 kann eine Verbindung zu ande¬ ren Netzen herstellen. Er kann aber auch selbst Teil eines Gleichspannungs¬ netzes sein.

An den zentralen Gleichspannungsstrang 19 ist ein AC-DC-Umrichter 15 mit sei- nem Eingang und eine Gleichrichterbrücke 16 mit ihrem Ausgang angeschlossen. Das Stromversorgungsnetz 11 kann mittels der Netzschalter N1 , N2 wahlweise über den AC-DC-Umrichter 15 Leistung aus dem zentralen Gleichspannungs¬ strang 19 entnehmen, oder über die Gleichrichterbrücke 16 Leistung an den zen¬ tralen Gleichspannungsstrang 19 abgeben. Auf der Seite des zentralen Gleich- Spannungsstrangs 19 sind zur Glättung Glättungskondensatoren 18 vorgesehen. Zur Energiespeicherung kann zusätzlich ein konventioneller Gleichstromspeicher 17, z.B. in Form einer supraleitenden Spule oder einer ICondensatorbatterie, ange¬ schlossen sein.

Zur Stabilisierung des Stromversorgungsnetzes 11 ist nun ein rotierender Massen¬ speicher 13, 14 vorgesehen, der vorzugsweise eine mit einer Synchronmaschine 13 gekoppelte rotierende Masse 14 umfasst. Die Synchronmaschine 13 arbeitet auf dem 6kV-Niveau und ist mit dem 220kV-Niveau über einen Transformator 12 verbunden. Auch der rotierende Massenspeicher 13, 14 kann mittels entsprechen- der Generatorschalter G2, G3 wahlweise über den AC-DC-Umrichter 15 Leistung aus dem zentralen Gleichspannungsstrang 19 entnehmen, oder über die Gleich¬ richterbrücke 16 Leistung an den zentralen Gleichspannungsstrang 19 abgeben. Eine direkte Verbindung zwischen dem rotierenden Massenspeicher 13, 14 und dem Stromversorgungsnetz 11 kann durch die Schalter IN3 und G1 hergestellt werden. Eine erste Betriebsart der Anlage 10 ist in Fig. 1 wiedergegeben. Durch die einge¬ zeichnete Stellung der Schalter N1 ,..,N3 und G1,..,G3 ist das Stromversorgungs¬ netz 11 über die Gleichrichterbrücke 16 mit dem zentralen Gleichspannungsstrang 19 verbunden und speist Wirkleistung P (Pfeil in Fig. 1) in den Strang ein. Ebenso ist der rotierende Massenspeicher 13, 14 direkt mit dem Stromversorgungsnetz 11 verbunden und gibt zur Kompensation Blindleistung Q (Pfeil in Fig. 1) an das Netz ab.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Betriebsart speist der rotierende Massenspeicher 13, 14 über die Gleichrichterbrücke 16 Wirkleistung P in den zentralen Gleich¬ spannungsstrang 19 ein, während das Stromversorgungsnetz 11 über den AC- DC-Umrichter 15 Wirkleistung P aus dem zentralen Gleichspannungsstrang 19 entnimmt.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Betriebsart erhält der rotierende Massenspeicher 13, 14 über den AC-DC-Umrichter 15 Wirkleistung P aus dem zentralen Gleichspan¬ nungsstrang 19. Dieser erhält (wie dargestellt) über die Gleichrichterbrücke 16 Wirkleistung aus dem Stromversorgungsnetz 11 oder von anderen (nicht darge¬ stellten) Gleichspannungssträngen.

Bei der in Fig. 4 wiedergegebenen Betriebsart speisen sowohl das Stromversor¬ gungsnetz 11 als auch der rotierende Massenspeicher 13, 14 über die Gleichrich¬ terbrücke 16 Wirkleistung P in den zentralen Gleichspannungsstrang 19.

Bei der Betriebsart gemäss Fig. 5 schliesslich speist der zentrale Gleichspan¬ nungsstrang 19 über den AC-DC-Umrichter 15 sowohl das Stromversorgungsnetz 11 als auch den rotierenden Massenspeicher 13, 14.

Eine besondere Bedeutung bekommt der erfindungsgemäss Einsatz eines rotie- renden Massenspeichers im Zusammenhang mit der Windenergieerzeugung in einem Windpark oder dgl.. In Fig. 6 und 7 ist eine entsprechende Konfiguration der elektrischen Anlage dargestellt, wobei wenigstens eine aus einer Asynchron- maschine 20 und einem Windrad 21 bestehende Windenergieanlage 20, 21 vor¬ gesehen ist. Das Stromversorgungsnetz 11 kann wiederum mittels Netzschaltem N1 , N2 wahlweise über die Gleichrichterbrücke 16 oder den AC-DC-Umrichter 15 mit dem zentralen Gleichspannungsstrang 19 verbunden werden. Desgleichen kann der rotierende Massenspeicher 13, 14 mittels der Schalter T1 , T2 wahlweise über die Gleichrichterbrücke 16 oder den AC-DC-Umrichter 15 mit dem zentralen Gleichspannungsstrang 19 verbunden werden. Mittels der Schalter G1 und W1 können Windenergieanlage 20, 21 und rotierender IVlassenspeicher 13, 14 parallel geschaltet werden. Damit ist es möglich, die Energieverteilung über die Leistungs- elektronik aus dem Stromversorgungsnetz 11 und in das Stromversorgungsnetz 11 zu reduzieren.

In der Betriebsart der Fig. 6 gibt der rotierende Massenspeicher 13, 14 Blind¬ leistung Q an die Windenergieanlage 20, 21 ab. Sowohl der rotierende Massen- Speicher 13, 14 als auch die Windenergieanlage 20, 21 sind in der Frequenz ein¬ stellbar, so dass Leistungsschwankungen reduziert werden, bevor das Strom¬ versorgungsnetz 11 unterstützend eingreifen muss.

In der Betriebsart gemäss Fig. 7 wird der rotierende Massenspeicher 13, 14 über den AC-DC-Umrichter 15 gestartet (Schalter T1 und G1 geschlossen), bevor er dann mit der Windenergieanlage 20, 21 verbunden wird (Fig. 6).

Der rotierende Massenspeicher 13, 14 kann zusätzlich optimiert werden, um die im Rahmen der Erfindung auftretenden Aufgaben besser erfüllen zu können. So ist es denkbar, den Luftdruck um die rotierenden Massen herum abzusenken, um Ventilationsverluste zu verringern und die Speichereffizienz zu steigern.

Weiterhin ist es denkbar, für die Rotation der Massen Frequenzen zu verwenden, die es ermöglichen, den rotierenden Massenspeicher direkt ans Netz anzuschlies- sen und so eine Blindleistungskompensation zu erzielen. Auch können Umdrehungsfrequenzen von 2- oder 4-Pol-Generatoren benutzt werden, um die für die Speicherung notwendigen Massen zu verringern.

Schliesslich ist es denkbar, bei den erfindungsgemässen elektrischen Anlagen AC-DC-Umrichter und Gleichrichterbrücken vorzusehen, die auf einem niedrigen Spannungsniveau arbeiten. In diesem Fall können die zentralen Gleichspan¬ nungsstränge durch Supraleiter untereinander verbunden sein.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 elektrische Anlage 11 Stromversorgungsnetz 12 Transformator 13 Synchronmaschine (Generator/Motor) 14 rotierende Masse 15 AC-DC-Umrichter 16 Gleichrichterbrücke 17 Gleichstromspeicher 18 Glättungskondensator 19 zentraler Gleichspannungsstrang (DC Backbone) 20 Asynchronmaschine 21 Windrad G1.G2.G3 Generatorschalter N1 ,N2,N3 Netzschalter P Wirkleistung Q Blindleistung T1.T2 Schalter W1 Schalter