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)，其包括頻率變換器(3)和旋轉(zhuǎn)電同步電機(jī)(4)，其中機(jī)器設(shè)置在洞穴(5)中。頻率變換器(3)包括至少兩個(gè)元件(6，7)，該元件根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行方式例如在電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行中作為逆變器或整流器使用。在此機(jī)器側(cè)元件(6)設(shè)置在洞穴(5)的內(nèi)部并且網(wǎng)絡(luò)側(cè)元件(7)設(shè)置在洞穴(5)的外部。
【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，其包括頻率變換器和 旋轉(zhuǎn)電同步電機(jī)，其中機(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(gè)能量 源在此包括不連續(xù)的運(yùn)行時(shí)間。因此從這個(gè)能量源不能確保對(duì)用戶的電力的直接并且持久 供應(yīng)。對(duì)此必須使用能量存儲(chǔ)器，該能量存儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)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(duì)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(dòng)力存儲(chǔ)器 (例如飛輪），電化學(xué)存儲(chǔ)器（電池，氧化還原流電池），或電磁存儲(chǔ)器（電容器，超級(jí)電容 器，超導(dǎo)線圈）。對(duì)于直到若干lOOMWh的中等能量數(shù)量，原則上熱力學(xué)存儲(chǔ)器（壓縮空氣存 儲(chǔ)器，電熱存儲(chǔ)器）尤其良好地適合。對(duì)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(chǔ)器。
[0004] 泵存儲(chǔ)器或抽水蓄能電站由于大可存儲(chǔ)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(duì) 于這個(gè)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(chǔ)器具有轉(zhuǎn)速可變的驅(qū)動(dòng)。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?cè)诮咏顑?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(chǔ)器具有雙供給的異步電機(jī)和功率電子變頻器，以此實(shí)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(shí)可以提高設(shè)備的有效度。
[0007] 在泵存儲(chǔ)器的情況下經(jīng)常規(guī)定，機(jī)器設(shè)備例如渦輪機(jī)，泵，電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)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(chǔ)器在井的下端設(shè)置泵，渦輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)，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(shè)置。
[0008] 這個(gè)電站安置是環(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)備的機(jī)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(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] 具有雙供給的異步電機(jī)的這個(gè)布置的明顯優(yōu)點(diǎn)在于，用于產(chǎn)生可變轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)的 構(gòu)件(例如激勵(lì)器變壓器，變頻器，極變向器和起動(dòng)機(jī)短路聯(lián)接器）必需布置在機(jī)器的直接 環(huán)境中。這些構(gòu)件具有高空間需求，由此顯著擴(kuò)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(dǎo)致建立電站房成本非常高。
[0010] 在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有雙供給的異步電機(jī)的布置中分塊變壓器同樣位于機(jī)器的 附近。由于高機(jī)器電流不可能使用長連接傳導(dǎo)，因?yàn)檫@在同時(shí)發(fā)生有功功率損失的情況下 導(dǎo)致高無功功率需求。此外存在機(jī)器和變壓器之間震蕩的危險(xiǎn)。分塊變壓器在此同樣需要 許多空間并且必需因?yàn)楸ㄎｋU(xiǎn)必須構(gòu)建在洞穴的特別保護(hù)的部分中。為此經(jīng)常使用附加 洞穴，其容納僅分塊變壓器。這導(dǎo)致這樣的洞穴的成本的進(jìn)一步提高。
[0011] 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和和維修并且 減少與其相關(guān)成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 這個(gè)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)利要求的回引應(yīng)不排除其他有意義的權(quán)利要求組 合。
[0013] 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 此包括封閉機(jī)器空間(優(yōu)選洞穴或巖石洞穴)，頻率變換器和旋轉(zhuǎn)電同步電機(jī)，該旋轉(zhuǎn)電同 步電機(jī)根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行方式用作電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)。機(jī)器能與水渦輪機(jī)和水泵或可逆式泵渦 輪機(jī)例如機(jī)械連接并且設(shè)置在蓄水池下面的機(jī)器空間中。頻率變換器具有兩個(gè)通過DC或 直流電連接電地彼此連接的元件，其中根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行可分別使用一個(gè)元件作為整流器并 且一個(gè)元件作為逆變器并且其中機(jī)器側(cè)元件或倒相器單元INU設(shè)置在機(jī)器空間的內(nèi)部中 并且網(wǎng)絡(luò)側(cè)元件或活動(dòng)整流器單元ARU設(shè)置在機(jī)器空間的外部。
[0014] 在本發(fā)明的有利的擴(kuò)展方案中電單元包括分塊變壓器，該分塊變壓器設(shè)置在機(jī)器 空間的外面。
[0015] 在另一有利的實(shí)施方式中電單元附加地包括濾波器，該濾波器設(shè)置在機(jī)器空間的 外面。
[0016] 在另一有利的實(shí)施方式中變換器的兀件分別可用于以發(fā)電機(jī)方式電感，以發(fā)電機(jī) 方式電容，以電動(dòng)機(jī)方式電感或以電動(dòng)機(jī)方式電容的運(yùn)行或另外表明，能夠運(yùn)行有功功率 和無功功率的四象限表示的所有四個(gè)象限中的變換器的兩個(gè)元件。
[0017] 在尤其有利的實(shí)施方式中規(guī)定，變換器設(shè)計(jì)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(shí)施方式中變換器設(shè)計(jì)成為外換向變流器。
[0019] 另外的實(shí)施方式規(guī)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(chǔ)器相應(yīng)地簡化 了本發(fā)明。在此電單元的地點(diǎn)分離不僅節(jié)約在挖掘洞穴時(shí)的成本而且節(jié)省在維修時(shí)例如通 過洞穴外面的分塊變壓器的簡化的爆炸保護(hù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 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(shí)施例的描述根據(jù)附圖 給出。
[0022] 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(shí)施例根據(jù)附圖更詳細(xì)地解釋。其 示出 圖1是具有頻率變換器、電同步電機(jī)和分塊變壓器的電單元的示意表示。
[0023] 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(shí)施方式】
[0024] 圖1以示意表示示出與電網(wǎng)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(zhuǎn)電同步電機(jī)4。在此機(jī)器4例如由于地方事實(shí)或?yàn)楸Ｗo(hù)目的安置在洞穴5中。
[0025] 頻率變換器3包括至少兩個(gè)元件6, 7,該元件根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行方式例如在電動(dòng)機(jī) 或發(fā)電機(jī)運(yùn)行中可作為逆變器或整流器使用。在此機(jī)器側(cè)元件6設(shè)置在洞穴5內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)側(cè) 元件7設(shè)置在洞穴5外面。由此這尤其是可能的，因?yàn)楝F(xiàn)代頻率變換器例如模塊化多級(jí)變 流器M2LC實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以這 種方式實(shí)現(xiàn)，機(jī)器4具有定子，該定子通過具有可調(diào)整頻率的三相電流供給。
[0026] 在洞穴5或例如井中容納電機(jī)器和機(jī)器側(cè)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(jī)模式中的整流器。網(wǎng)絡(luò)側(cè)元件7或頻率 變換器3的活動(dòng)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(jī)模式中的逆 變器運(yùn)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(shè) 計(jì)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?yàn)樵谥虚g電路9上出現(xiàn)時(shí)間上僅慢速的電流和電壓 改變。因此不存在關(guān)于較小電感和電容的對(duì)傳導(dǎo)的特別高的要求，以便壓制共振現(xiàn)象。然 而中間電路9必須如此鋪設(shè)，使得通過電阻涂層的有功功率損失保持較小。因?yàn)樵谥虚g電 路9中存在基本上與機(jī)器4的端子上相同數(shù)量級(jí)的電壓，出現(xiàn)一般較高的標(biāo)稱電流。這將 DC連接的可經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)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(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9和/或頻率變換器的元件6, 7在此具有用于能 量存儲(chǔ)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(fā)明實(shí)現(xiàn)在洞穴5外部使用分塊變壓器8。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)的情況 下分塊變壓器8安置在洞穴5內(nèi)部，其中由于變壓器油的爆炸危險(xiǎn)必須設(shè)置花費(fèi)大的爆炸 保護(hù)并且作為其結(jié)果例如分塊變壓器8安置在附加洞穴中。根據(jù)本發(fā)明分塊變壓器8安置 在洞穴5的外部。這是有可能的，因?yàn)榉謮K變壓器8在根據(jù)本發(fā)明的布置的情況下必須僅 位于ARU的附近，而不是機(jī)器4的附近。優(yōu)點(diǎn)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(dú)或更多的進(jìn)出通道，和爆炸保護(hù)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(shí)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(shè)置在元件6, 7之間并且在此可以設(shè)計(jì)成集中或分布的。
[0031] 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。尤其是在具有頻率變換器和 同步電機(jī)的實(shí)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(shí)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(gè)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)在于非常快速的網(wǎng)絡(luò)耦合和頻率變換器3的ARU 7中網(wǎng)絡(luò)2請(qǐng)求的正和 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。此外通過使用頻率變換器3可以快速例如從泵吸運(yùn)行轉(zhuǎn)換到渦輪機(jī)運(yùn) 行。
[0032] 附圖標(biāo)記列表 1電單元 2 電網(wǎng) 3頻率變換器 4電同步電機(jī) 5洞穴 6機(jī)器側(cè)電元件 7網(wǎng)絡(luò)側(cè)電元件 8分塊變壓器 9 中間電路
【權(quán)利要求】
1. 一種抽水蓄能電站的電單元（1)，能與電網(wǎng)（2)連接并且包括具有旋轉(zhuǎn)電同步電機(jī) (4)的機(jī)器空間（5)并且包括頻率變換器（3)， 其中機(jī)器（4)能與水渦輪機(jī)和/或水泵連接， 其中變換器（3)具有機(jī)器側(cè)電元件（6)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)電元件（7)，所述元件（6,7)彼此連 接，以及 其中根據(jù)機(jī)器（4)的運(yùn)行分別元件（6, 7)可作為整流器并且元件可作為逆變器運(yùn)行， 其特征在于， 機(jī)器側(cè)元件（6)設(shè)置在機(jī)器空間（5)內(nèi)部并且與機(jī)器（4)的定子連接，并且網(wǎng)絡(luò)側(cè)元 件（7)設(shè)置在機(jī)器空間（5)外面并且通過DC連接（9)與機(jī)器側(cè)元件（6)連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的電單元，其特征在于，機(jī)器空間（5)是洞穴。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的電單元，其特征在于，所述單元包括設(shè)置在機(jī)器空間（5)外 面的分塊變壓器（8)和/或?yàn)V波器。
4. 如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)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(fā)電機(jī)方式電感，以發(fā)電機(jī)方式電容，以電動(dòng)機(jī)方式電感或以電動(dòng)機(jī)方式電容 的運(yùn)行。
5. 如權(quán)利要求1或4中任一項(xiàng)所述的電單元，其特征在于，變換器（3)設(shè)計(jì)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(quán)利要求1或4中任一項(xiàng)所述的電單元，其特征在于，頻率變換器（3)設(shè)計(jì)作為外 換向的變流器。
7. 如權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)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(hào)】H02P6/00GK104145416SQ201380013200
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月9日
【發(fā)明者】F.溫克勒, G.特拉西勒-薩梅克, S.林德 申請(qǐng)人:Abb 技術(shù)有限公司