Elektrische Einheit für ein Pumpspeicherkraftwerk

TECHNISCHED GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk, insbesondere eine elektrische Einheit hierfür umfassend einen Konverter und eine rotierende elektrische Synchronmaschine , wobei die Maschine in einer Kaverne vorgesehen ist.

STAND DER TECHNIK

Regenerative Energiequellen, wie beispielsweise Wind- und Solarenergie, liefern einen stetig zunehmenden Anteil am Elektrizitätsbedarf. Diese Energiequellen weisen dabei unstetige Betriebszeiten auf. Somit kann eine direkte und dauerhafte Versorgung von Verbrauchern mit Elektrizität aus diesen Energiequellen nicht gewährleistet werden. Hierzu müssen Energiespeicher verwendet werden, welche schnelle Wechsel zwischen Elektrizitätsüberschuss und Elektrizitätsdefizit erlauben und deren Leistung und Energieflussrichtung rasch und kontinuierlich verändert werden können.

Als Energiespeicher stehen hierbei unterschiedliche System zur Verfügung, welche sich jeweils für bestimmte Energiemengen und Anwendungs fälle besonders eignen. Für kleine Energiemengen bis etwa 20 MWh werden, je nach Anwendung, vorzugsweise kinetische Speicher (z.B. Schwungräder), elektrochemische Speicher (Batterien, Redox-Flusszellen), oder elektromagnetische Speicher (Kondensatoren, Superkondensatoren, supraleitende Spulen) verwendet. Für mittlere Energiemengen bis einige 100 MWh sind prinzipiell thermodynamische Speicher (Druckluftspeicher, elektrothermische Speicher) besonders gut geeignet. Für große Energiemengen typischerweise über 100 MWh und meist über 1 GWh werden Pumpspeicher eingesetzt.

Pumpspeicher oder Pumpspeicherkraftwerke sind auf Grund der großen speicherbaren Energiemenge besonders interessant. Dabei wird mit überschüssiger Elektrizität Wasser von einem ersten natürlichen oder künstlich hierfür angelegtem Speicherbecken in ein zweites, höher gelegenes Speicherbecken gepumpt. Die elektrische Energie wird dabei in potenzielle Energie umgewandelt. Zur Rückgewinnung von Elektrizität wird Wasser vom höher gelegenen Speicherbecken über eine Turbine zurück ins niedrigere Speicherbecken geleitet. Für dieses System ist eine Minimierung der Verluste bei den Umwandlungsprozessen besonders wichtig.

Moderne Pumpspeicher weisen drehzahlvariable Antriebe auf. Durch eine Entkoppelung der Drehzahl der Maschinen von einer Netzfrequenz können Pump- und Turbinendrehgeschwindigkeiten so eingestellt werden, dass diese nahe am optimalen Wirkungsgrades betrieben werden. Zusätzlich erlaubt es die Variation der Drehzahl im Pumpbetrieb, die Leistungsaufnahme frei einzustellen. Insbesondere können Systeme mit variabler Drehzahl schnell aus dem Stillstand mit dem Netz verbunden oder synchronisiert werden.

Pumpspeicher gemäss dem Stand der Technik weisen doppelt gespeiste Asynchronmaschinen und leistungselektronische Frequenzumformer auf, womit eine Drehzahlregelung einer Pumpe und einer Turbine möglich ist. Dabei ist ein Stator der doppelt gespeisten Asynchronmaschine direkt mit dem Stromnetz mit Netzfrequenz verbunden. Ein Rotor der doppelt gespeisten Asynchronmaschine ist via einem Frequenzumformer mit dem Netz verbunden und kann somit eine variable Frequenz aufweisen. Damit wird zum Einen eine Pumpleistung geregelt und zum anderen kann bei Bedarf der Wirkungsgrad der Anlage erhöht werden.

Bei Pumpspeichern ist häufig vorgesehen, dass die Maschinenanlagen wie beispielsweise Turbinen, Pumpen und Motor-Generatoren in einer beispielsweise in einen Fels eingebrachten Kaverne, einem Hohlraum oder in einem geschlossenen Raum unterhalb des zweiten Speicherbeckens untergebracht sind. Eine andere Form des Pumpspeichers sieht Pumpe, Turbine und Motor-Generator am unteren Ende eines Schachts vor, wobei weitere Kraftwerkskomponenten beispielsweise oberirdisch in einem Gebäude oder ebenfalls im Schacht vorgesehen sind.

Diese Unterbringung der Maschinenanlagen ist eine Folge des Umstandes, dass die Turbinen zur Vermeidung von Kavitation ausreichend unterhalb des unteren Speicherbeckens zu liegen kommen müssen. Dies ist aus Platz- und Geometriegründen meist nur möglich, indem ein Krafthaus zur Aufnahme der Maschinenanlagen in den Untergrund gebaut wird. Weiterhin schützt eine unterirdische Bauweise vor Umwelteinflüssen wie beispielweise Lawinenabgängen. Darüber hinaus wird aus Umweltoder Landschaftsschutzgründen ebenfalls häufig eine unterirdische Bauweise verwendet. Die hierbei gemäss dem Stand der Technik eingesetzten Konverter weisen typischerweise eine Ausgangsspannung von 3 bis 6 kV auf. Dahingegen wird bei der elektrischen Maschine meist eine Spannung von 10 bis 21 kV verwendet. Daher ist es notwendig zwischen einem Ausgang des Konverters und Klemmen der Maschine einen Leistungstransformator vorzusehen, der die jeweiligen Spannungsdifferenzen überbrückt. Die hohen Ströme verlangen dabei, dass der Transformator in unmittelbarer Nähe der Maschine vorgesehen ist, das heisst innerhalb der Kaverne.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung mit doppelt gespeister Asynchronmaschine ist ein erhöhter Raumbedarf innerhalb der Kaverne wodurch Kosten zur Errichtung des Pumpspeicherkraftwerks und Aushebung der Kaverne deutlich erhöht werden. Darüber hinaus weist der Transformator Verluste in der Grössenordnung von 1-2% der übertragenen Wirkleistung auf. Insgesamt ist die Verwendung eines Transformators durch die hohen Kosten des Transformators nachteilig. Weiterhin weist ein Transformator eine erhebliche Explosionsgefahr auf Grund von Transformatorölen auf und stellt damit ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.

Ein weiterer Nachteil von Konvertern gemäss Stand der Technik besteht darin, dass die Spannungsdifferenz in ein oder zwei Stufen oder Schritten überwunden wird. Daraus ergibt sich zum Einen, dass die hohen und steilen Spannungsschritte eine Glättung oder Filterung erfordern, um eine elektrische Isolation der mit den Frequenzumformer direkt gekoppelten Transformatoren und der Maschine nicht übermässig zu belasten und eine Beschädigung der Isolation zu vermeiden. Eine Glättungs- oder Filteranordnung ist teuer, verursacht weitere Verluste der Wirkleistung, und beansprucht viel Raum. Zum Anderen weist die übertragene Leistung einen grossen Anteil von Oberwellen auf, welche in der Maschine und in den angeschlossenen Transformatoren zusätzliche Verluste hervorrufen.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, Errichtung, Betrieb und Instandhaltung eines Pumpspeicherkraftwerks zu vereinfachen und die Effizienz zu erhöhen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Einheit für ein Pumpspeicherkraftwerk gemäss Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, wobei die Rückbezüge der Ansprüche keine weiteren sinnvollen Anspruchskombinationen ausschliesst. Die Erfindung sieht dabei eine elektrische Einheit für ein Pumpspeicherkraftwerk vor, wobei diese mit einem Stromnetz verbindbar ist. Die elektrische Einheit umfasst dabei zumindest einen Frequenzkonverter und eine rotierende elektrische Synchronmaschine, welche in Abhängigkeit einer Betriebsart der Maschine als Motor oder Generator dient. Die Maschine ist mit einer Wasserturbine und einer Wasserpumpe oder einer reversiblen Pumpturbine beispielsweise mechanisch verbindbar. Der Konverter ist dabei als Modularer Multilevel Konverter MMC ausgebildet und direkt oder unmittelbar, d.h. ohne einen zwischengeschalteten Transformator, mit der Maschine verbunden, wobei der Konverter eine einstellbare Spannung aufweist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest die elektrische

Maschine in einer Kaverne, in einem Schacht oder in einem geschlossenen Raum unterhalb des Unterwasserspiegels vorgesehen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Konverter eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Einheitszellen zur Skalierung einer Ausgangsspannung auf. Die Einheitszellen weisen beispielsweise jeweils einen Kondensator oder eine Induktivität auf,

Weiterhin sind die Einheitszellen beispielsweise zur Anpassung der Ausgangspannung an die elektrische Maschine getrennt ansteuerbar.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass Flankensteilheit und Amplitude von Impulsen zwischen einem Ausgang des Konverters und der Maschine beispielsweise Klemmen der Maschine zur Entlastung der Isolation beschränkbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Vielzahl von Spannungsschritten beispielsweise kleinen Schritten zur Änderung der Ausgangsspannung verwendbar.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Ausgangsspannung geringe harmonische Verzerrungen aufweist so, dass ohne zusätzliche Filterung die Netzanschluss- Bedingungen erfüllt sind und sich bei der Auslegung der Maschine bezüglich Oberwellen im Vergleich zu einem direkten Netzanschlusses keine Unterschiede ergeben. Solche Netzanschluss-Bedingungen sind beispielsweise in einem Grid Code definiert.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Konverter netzseitig mit einem Blocktransformator verbunden ist.

Entsprechend vereinfacht die Erfindung das Errichten eines Pumpspeicherkraftwerks insbesondere bei einer unterirdischen Bauweise beispielsweise in einer Felskaverne durch das Einsparen eines Transformators zwischen Maschine und Konverter. Weiterhin werden Wirkleistungsverluste des wegfallenden Transformators eingespart und die elektrische Einheit weist eine erhöhte Effizienz auf.

KURZBE S CHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figur.

Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten anhand des nachfolgenden Textes mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt Fig.l eine schematische Darstellung einer elektrischen Einheit mit einem Konverter, einer elektrischen Synchronmaschine und einem Blocktransformator.

Die Bezugszeichen und deren Bedeutung sind zusammengefasst in der Bezugszeichenliste. Im allgemeinen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Teile.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig.1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Einheit 1 verbunden mit einem Stromnetz 2. Die elektrische Einheit 1 umfasst dabei einen Modularen Multilevel Konverter 3 und eine rotierende elektrische Synchronmaschine 4. Die Maschine 4 ist dabei beispielsweise in einer Kaverne untergebracht. Weiterhin ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Blocktransformator 5 zur Verbindung der elektrischen Einheit mit dem Stromnetz 2 vorgesehen.

Eine Frequenzumformung wird mittels einer Kombination eines Gleichrichters und eines Wechselrichters erzeugt, welche über einen konzentrierten oder verteilten Spannungszwischenkreis oder Stromzwischenkreis miteinander verbunden sind. Der Zwischenkreis weist dabei weiterhin Einheiten zur Energiespeicherung auf beispielsweise Kondensatoren bei einem Spannungszwischenkreis und Induktivitäten bei einem Stromzwischenkreis.

Der Betrieb der Maschine mit einer frei wählbaren Drehzahl weist erhebliche Vorteile auf. Insbesondere kann bei der Ausführungsform mit einem Frequenzumrichter und einer Synchronmaschine eine etablierte, zuverlässige und wartungsarme Generatortechnologie verwendet werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine Pumpe und eine Turbine unabhängig voneinander in deren optimalen Drehzahlbereich zu betreiben. Durch die Verwendung der Synchronmaschine 4 sind insbesondere auch bei hohen Leistungen hohe Drehzahlen beispielsweise für hohe Gefälle realisierbar. Darüber hinaus reicht der betrieblich zugängliche Drehzahlbereich kontinuierlich von Null bis zur maximalen Drehzahl und ist nur beschränkt durch die betrieblichen Grenzen der Pumpe und der Turbine. Die Pumpe und die Turbine können prinzipiell in einer Einheit beispielsweise einer Pumpenturbine vereint werden. Insbesondere besteht die Möglichkeit einer Nachrüstung von älteren Anlagen auf variablen Frequenzbetrieb, ohne Austausch des bestehenden Generators. Ein weiterer Vorteil ist eine sehr rasche Netzkoppelung und die Möglichkeit positive und negative Blindleistung im Konverter 3 zu erzeugen, damit kann der Generator ausschließlich mit Wirkleistung betrieben werden, wodurch dieser eine kompaktere Bauart aufweist. Weiterhin kann durch die Verwendung des Konverter 3 schnell beispielsweise vom Pump- in Turbinenbetrieb umgeschaltet werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Elektrische Einheit

2 Stromnetz

3 Konverter

4 Elektrische Synchronmaschine

5 Blocktransformator