抽水蓄能電站的電單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及抽水蓄能電站，尤其是電單元(1)，其包括轉(zhuǎn)換器(3)和旋轉(zhuǎn)電同步機(jī)器(4)。轉(zhuǎn)換器(3)設(shè)計作為模塊化多級轉(zhuǎn)換器并且機(jī)器(4)可直接與轉(zhuǎn)換器(3)相連，其中轉(zhuǎn)換器(3)具有可調(diào)整電壓。
【專利說明】抽水蓄能電站的電單元

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及抽水蓄能電站，尤其是抽水蓄能電站的電單元，其包括轉(zhuǎn)換器和旋轉(zhuǎn) 電同步電機(jī)，其中該機(jī)器設(shè)置在洞穴中。

【背景技術(shù)】
[0002] 再生能量源(例如風(fēng)能和太陽能)供應(yīng)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(xù)的運(yùn)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(yīng)。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(tǒng)作為能量存儲器使用，該不同系統(tǒng)尤其分別適合用于確定的能 量數(shù)量和應(yīng)用情況。對于直至大約20MWh的小能量數(shù)量，根據(jù)應(yīng)用，優(yōu)選使用動力存儲器 (例如飛輪），電化學(xué)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(dǎo)線圈）。對于直到若干lOOMWh的中等能量數(shù)量，原則上熱力學(xué)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(shù)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(shù)量尤其感興趣。在此用過剩電力 將水從第一自然或?qū)Υ巳斯そㄔO(shè)的蓄水池泵送到第二，位置更高的蓄水池。電能量在此轉(zhuǎn) 化為勢能。為恢復(fù)電力水從位置更高的蓄水池通過渦輪機(jī)向回傳導(dǎo)到更低的蓄水池中。對 于這個系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化過程中的損失的最小化尤其重要。
[0005] 現(xiàn)代泵存儲器具有轉(zhuǎn)速可變的驅(qū)動。通過將機(jī)器的轉(zhuǎn)速與網(wǎng)絡(luò)頻率耦合可以如此 調(diào)節(jié)泵和渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，使得它們在接近最優(yōu)的有效度上運(yùn)行。附加地允許泵吸運(yùn)行中 轉(zhuǎn)速的變化，功率容納自由調(diào)整。尤其是具有可變轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)可以快速從停止?fàn)顟B(tài)與網(wǎng)絡(luò) 相連或同步。
[0006] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的泵存儲器具有雙供給的異步電機(jī)和功率電子變頻器，以此實現(xiàn)泵 和渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在此雙供給的異步電機(jī)的定子直接與具有網(wǎng)絡(luò)頻率的電網(wǎng)連接。雙 供給的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過變頻器與網(wǎng)絡(luò)連接并且因此可以具有可變頻率。因此一方面調(diào) 節(jié)泵功率并且另一方面在需要時可以提高設(shè)備的有效度。
[0007] 在泵存儲器的情況下經(jīng)常規(guī)定，機(jī)器設(shè)備例如渦輪機(jī)，泵和電動機(jī)-發(fā)電機(jī)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(shè)置泵，渦輪機(jī)和電動機(jī)-發(fā)電機(jī)，其中其他電站組件例如地面上在建筑 中或同樣在井中設(shè)置。
[0008] 機(jī)器設(shè)備的這個安置是環(huán)境的結(jié)果，渦輪機(jī)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(jié)構(gòu)原因大多數(shù)僅可能，其方式為用于容納機(jī)器設(shè)備的電站房 在地下建立。此外地下的建筑方式防止免受環(huán)境影響如例如山崩脫離。此外出于環(huán)境或風(fēng) 景保護(hù)原因同樣經(jīng)常使用地下建筑方式。
[0009] 此處根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)使用的轉(zhuǎn)換器通常具有3到6kV的輸出電壓。然而在電機(jī)器的 情況下大多使用10到21kV的電壓。因此必要的是轉(zhuǎn)換器的輸出和機(jī)器的端子之間設(shè)置功 率變壓器，該功率變壓器橋接相應(yīng)的電壓差。高電流在此要求，變壓器設(shè)置在機(jī)器的緊鄰附 近，即洞穴的內(nèi)部。
[0010] 這個具有雙供給的異步電機(jī)的布置的顯著缺點(diǎn)在于洞穴內(nèi)部提高的空間需要，由 此顯著提高了用于建立抽水蓄能電站和挖掘洞穴的成本。此外變壓器具有傳輸?shù)挠泄β?的1-2%的數(shù)量級的損失。總的來說由于變壓器的高成本使用變壓器是不利地。此外由于 變壓器油，變壓器具有巨大爆炸危險并且因此顯示出巨大安全風(fēng)險。
[0011] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換器的另一個缺點(diǎn)在于，電壓差在一個或兩個等級或步上超 過。一方面由此得出，高并且陡峭的電壓步要求平滑或濾波，以便與變頻器直接耦合的變壓 器和機(jī)器的電隔離不過度增加負(fù)荷并且避免損傷隔離。平滑或濾波布置是昂貴的，導(dǎo)致有 功功率的更大損失，并且要求許多空間。另一方面?zhèn)鬏數(shù)墓β示哂写蟛糠值母叽沃C波，該高 次諧波在機(jī)器中并且在連接的變壓器中導(dǎo)致附加的損失。
[0012] 從此得出，本發(fā)明以該任務(wù)提出為基礎(chǔ)，簡化抽水蓄能電站的建立，運(yùn)行和維修并 且提高效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 這個任務(wù)通過根據(jù)權(quán)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(kuò)展方案從從屬權(quán)利要求得出，其中權(quán)利要求的回引不排除其他有意義的權(quán)利要求組合。
[0014] 在此本發(fā)明提出抽水蓄能電站的電單元，其中該電單元可與電網(wǎng)連接。電單元在 此包括至少一個頻率轉(zhuǎn)換器和旋轉(zhuǎn)電同步電機(jī)，該同步電機(jī)根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行方式用作電動 機(jī)或發(fā)電機(jī)。機(jī)器可與水渦輪機(jī)和水泵或可逆式泵渦輪機(jī)例如機(jī)械連接。在此轉(zhuǎn)換器設(shè)計 為模塊化多級轉(zhuǎn)換器MMC并且直接或立即（即沒有插入的變壓器）與機(jī)器連接，其中轉(zhuǎn)換器 具有可調(diào)整的電壓。
[0015] 在本發(fā)明的有利的擴(kuò)展方案中至少電機(jī)器設(shè)置在洞穴中，在井中或在低于水平面 下面的封閉空間中。
[0016] 在其他有利的實施方式中轉(zhuǎn)換器具有多個串聯(lián)連接的單元電池以用于縮放輸出 電壓。單元電池分別具有例如電容器或電感。此外可分離地控制單元電池例如用于將輸出 電壓匹配到電機(jī)器。
[0017] 在尤其有利的實施方式中規(guī)定，可限制轉(zhuǎn)換器的輸出和機(jī)器(例如機(jī)器的端子）之 間的沖量的斜率和幅度用于為隔離減負(fù)荷。
[0018] 在其他有利的實施方式中可使用多個電壓步(例如較小的步）用于改變輸出電壓。
[0019] 其他實施方式規(guī)定，輸出電壓具有較小諧波失真，使得無需附加濾波的情況下滿 足供電（Netzanschluss)條件并且在布置機(jī)器的情況下關(guān)于高次諧波相對于直接供電未得 出區(qū)別。這樣的供電條件在網(wǎng)格編碼中定義。
[0020] 在本發(fā)明的實施方式中規(guī)定，轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)側(cè)與分塊變壓器連接。
[0021] 抽水蓄能電站的建立尤其是在地下建筑方式的情況下例如在巖石洞穴中通過節(jié) 省機(jī)器和轉(zhuǎn)換器之間的變壓器相應(yīng)簡化本發(fā)明。此外節(jié)省了省略變壓器的有功功率損失并 且電單兀具有提1?的效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 本發(fā)明的其他特征、細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)從權(quán)利要求的條文以及從實施例的描述根據(jù)附圖 給出。
[0023] 本發(fā)明在更多細(xì)節(jié)中根據(jù)下面文本參考優(yōu)選的實施例根據(jù)附圖更詳細(xì)地解釋。其 示出 圖1是具有轉(zhuǎn)換器、電同步電機(jī)和分塊變壓器的電單元的示意表示。
[0024] 附圖標(biāo)記及其意義在附圖標(biāo)記列表中概述。一般來說相同附圖標(biāo)記表示相同部 件。

【具體實施方式】
[0025] 圖1以示意表示示出與電網(wǎng)2連接的電單元1。在此電單元1包括模塊化多級轉(zhuǎn) 換器3和旋轉(zhuǎn)電同步電機(jī)4。在此機(jī)器4放置例如在洞穴中。此外在這個實施例中設(shè)置分 塊變壓器5用于連接電單元與電網(wǎng)2。
[0026] 頻率變換借助于整流器和逆變器的組合來產(chǎn)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。
[0027] 具有可自由選擇的轉(zhuǎn)速的機(jī)器的運(yùn)行具有巨大優(yōu)勢。尤其是在具有變頻器和同步 電機(jī)的實施方式的情況下可以使用建立的，可靠的并且低維護(hù)的發(fā)電機(jī)技術(shù)。此外存在該 可能性，泵和渦輪機(jī)彼此無關(guān)地在其最優(yōu)轉(zhuǎn)速范圍中運(yùn)行。通過使用同步電機(jī)4尤其是還 可在高功率的情況下實現(xiàn)例如高坡度的高轉(zhuǎn)速。此外運(yùn)行上可達(dá)到的轉(zhuǎn)速范圍持續(xù)從零達(dá) 到最大轉(zhuǎn)速并且僅由泵和渦輪機(jī)的運(yùn)行上極限限制。泵和渦輪機(jī)可以原則上集成到一個單 元中例如泵渦輪機(jī)。尤其是存在該可能性，翻新舊設(shè)備到可變頻率運(yùn)行，而不更換現(xiàn)有發(fā)電 機(jī)。另一優(yōu)點(diǎn)在于非?？焖俚木W(wǎng)絡(luò)耦合和轉(zhuǎn)換器3中正和負(fù)無功功率的產(chǎn)生的可能性，因 此發(fā)電機(jī)可以排外地以有功功率運(yùn)行，由此發(fā)電機(jī)具有更緊湊的構(gòu)建方式。此外通過使用 轉(zhuǎn)換器3可以快速例如從泵吸運(yùn)行切換到渦輪機(jī)運(yùn)行。
[0028] 附圖標(biāo)記列表 1電單元 2電網(wǎng) 3轉(zhuǎn)換器 4電同步電機(jī) 5分塊變壓器
【權(quán)利要求】
1. 抽水蓄能電站的電單元（1)，其能與電網(wǎng)（2)連接并且包括頻率轉(zhuǎn)換器（3)和旋轉(zhuǎn) 電同步電機(jī)（4)，其中機(jī)器（4)能與水渦輪機(jī)和水泵連接， 其特征在于 轉(zhuǎn)換器（3)設(shè)計作為模塊化多級轉(zhuǎn)換器 并且所述機(jī)器（4)直接與所述轉(zhuǎn)換器（3)相連， 其中所述轉(zhuǎn)換器（3)具有可調(diào)整輸出電壓， 其中可調(diào)整轉(zhuǎn)換器的對機(jī)器輸送的輸出電壓，所述輸出電壓等于機(jī)器的輸入電壓。
2. 如權(quán)利要求1所述的電單元（1)，其特征在于， 至少電機(jī)器（4)設(shè)置在洞穴，井或抽水蓄能電站的水下蓄水池下面的封閉空間中。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的電單元（1)，其特征在于， 所述轉(zhuǎn)換器（3)具有多個串聯(lián)連接的單元電池以用于通過縮放調(diào)整輸出電壓，其中可 分開控制單元電池。
4. 如權(quán)利要求3所述的電單元（1)，其特征在于， 轉(zhuǎn)換器（2)和機(jī)器（4)的輸出和變壓器（5)之間的通過單獨(dú)單元電池的接通產(chǎn)生的 沖量的斜率和幅度可大體上限制成，自身無需附加濾波器元件不存在對機(jī)器（4)和變壓器 (5)的隔離的提高的要求。
5. 如權(quán)利要求1至3中任一項所述的電單元（1)，其特征在于， 能使用多個電壓步來改變轉(zhuǎn)換器（3)的輸出電壓。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項所述的電單元（1)，其特征在于， 輸出電壓具有如此少諧波失真，使得沒有附加濾波的情況下滿足供電條件并且在布置 機(jī)器（4)的情況下關(guān)于高次諧波與直接供電相比未得出不同。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項所述的電單元（1)，其特征在于， 所述單元包括分塊變壓器（5)，所述分塊變壓器網(wǎng)絡(luò)側(cè)與轉(zhuǎn)換器（3)連接。
【文檔編號】H02M7/483GK104145395SQ201380013199
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月9日
【發(fā)明者】C-E.斯蒂芬, C.希爾貝格, H.埃爾布, P.施泰默 申請人:Abb 技術(shù)有限公司