-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein fehlertolerantes Gleichspannungsnetz sowie ein Verfahren für ein DC Stromnetz zum Abschalten einer Leitung im Störfall.
-
Der notwendige Ersatz fossiler Energieträger durch elektrische Energie stellt neuartige Anforderungen an die Funktion der elektrischen Netze. Im Bereich der Fernübertragung großer Leistungen - u.a. landesweit und europaweit - werden insbesondere elektronisch steuerbare Gleichspannungs-Netze („DC-Netze“) als Ergänzung der bestehenden Wechselspannungs-Netzen („AC-Netze“) erforderlich. Diese neuartigen Netze werden an bestimmten, wählbaren Orten durch leistungselektronische Converter mit dem AC-Netz verbunden. Bezüglich Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit bestehen höchste Anforderungen an die neuartigen DC-Netze, weil diese in erheblichem Umfang zur sicheren Fernübertragung hoher Leistungen und zur Stabilisierung der AC-Netze beitragen müssen. Letztgenannte Funktion wird u.a. durch die Fähigkeit der leistungselektronischen Converter zur Bereitstellung steuerbarer Blindleistung ermöglicht, welche seit der Ablösung der Thyristor-Stromrichter durch neuartige Topologien und Halbleiter nutzbar geworden ist. Als bevorzugte Topologie hat sich weltweit der Modular Multilevel Converter („MMC“) mit - entsprechend dem Stand der Technik - Silizium-IGBT als Halbleitern durchgesetzt. Die Einführung von Silizium-Carbid-Halbleitern befindet sich in der Entwicklung.
-
Bezüglich der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des DC-Netzes wurden, historisch betrachtet, lange Zeit die Converter als kritische Komponente eines DC-Netzes beurteilt. Durch die modulare, fehlertolerante Struktur des MMC, die Fortschritte der Halbleitertechnologie und die langjährigen, weltweiten Betriebserfahrungen ergibt sich jedoch eine neue Beurteilung: Isolationsfehler und mechanische Schäden in dem großräumigen Leitungsnetz sind in Zukunft als dominierende Fehlerquelle zu betrachten.
-
Der Stand der Technik für AC-Netze ist seit vielen Jahrzehnten im Wesentlichen unverändert. Die folgenden Ausführungen beziehen sich daher auf elektronisch steuerbare DC-Netze sowie die weiteren Gesichtspunkte, welche sich durch die Kopplung dieser Netze mit den AC-Netzen ergeben.
-
Eine grundsätzliche und bekannte Problematik in einem DC-Netz ergibt sich, wenn das Netz - zwecks Sicherstellung redundanter Leitungen - geschlossene Maschen aufweist: Im normalen Betrieb werden i.a. den Converter-Stationen gewisse Sollwerte der Wirkleistungen vorgegeben, welche an den Schnittstellen zum AC-Netz eingestellt und über das DC-Netz übertragen werden sollen. In einem DC-Netz, welches geschlossene Maschen aufweist, existieren jedoch mehrere Leitungen, die sich an der Leistungsübertragung beteiligen können. Da in einem DC-Netz die ohmschen Widerstände der Leitungen die Aufteilung der Ströme bestimmen, besteht i.a. der Wunsch die Stromverteilung gezielt steuern zu können, so dass sie gewissen Zielvorstellungen entspricht. Diese Zielvorstellungen beinhalten beispielsweise das Einhalten von maximalen Stromwerten, um die thermische Belastung einzelner Leitungen zu vermeiden. Als mögliche Stellglieder für diese Funktion sind Stromrichter bekannt, die relativ kleine, zusätzliche Spannungen in die Leitungen des DC-Netzes einfügen. Diese sogenannten Power-Flow-Controller (PFC) können vorzugsweise in den Leitungsknoten des DC-Netzes eingefügt werden. Dadurch lässt sich erreichen, dass sie keine Wirkleistung liefern müssen und folglich keine (hochspannungstechnisch isolierte) Energieeinspeisung benötigen. Des Weiteren ist bekannt, dass sie für ihre Funktion im Normalbetrieb nur eine - verglichen mit der Nennspannung des DC-Netzes relativ geringe Spannung generieren müssen. Beide genannten Randbedingungen ermöglichen es den technischen Aufwand bzw. die Kosten der PFC relativ gering zu halten. Um in einem typischen Fehlerfall in einem DC-Netz den Strom in einer Leitung zu begrenzen oder zu unterbrechen, ist jedoch eine Spannung größer als die DC-Netzspannung erforderlich.
-
DC-Leistungsschalter (engl.: DC-Breaker, DCB), welche diese Aufgabe erfüllen können, stellen eine wesentliche Komponente bekannter Lösungen zur Fehlerbeherrschung in DC-Netzen dar. Der technische Aufwand aller bekannten Ausführungen ist jedoch sehr hoch, weil die Anforderungen und Randbedingungen für einen DC-Leistungsschalter wesentlich anspruchsvoller als für einen AC-Leistungsschalter sind. Diese erschwerten Randbedingungen sind:
- a) Der Fehlerstrom bei einem Isolationsfehler bzw. Kurzschluss in einem DC-Netz kann innerhalb weniger Millisekunden auf ein Vielfaches des Nennstromes steigen, da der Anstieg im Wesentlichen nur durch die Leitungsinduktivitäten begrenzt wird.
- b) Der mögliche Endwert des Fehlerstromes wird prinzipiell nur durch die ohmschen Leitungswiderstände begrenzt und kann daher bis zu ca. zwei Zehnerpotenzen über dem Nennstrom liegen
- c) Der Fehlerstrom weist keinen natürlichen Nulldurchgang auf, so dass mechanische Leistungsschalter üblicher Bauart den Strom nicht unterbrechen können
- d) Ein geeigneter, funktionierender DC-Leistungsschalter muss eine definierte Gegenspannung (typ. die 1,2.....1,6-fache DC-Nennspannung) generieren und zum Abbau des Stromes der betreffenden Leitung eine sehr hohe Energie absorbieren. Elektronische DC-Leistungsschalter, die eine Serienschaltung von Halbleiterschaltern (z.B. IGBT) beinhalten, können zumindest die zulässige Verzögerungszeit bis zum Aufbau einer genügend hohen Gegenspannung unterschreiten. Der Aufwand für einen derartigen elektronischen Hochspannungsschalter ist jedoch sehr groß. Halbleiterschalter sind zudem nicht für die Absorption hoher Energien geeignet, so dass weitere Elemente benötigt werden. Sehr nachteilig ist diesbezüglich, dass auch das Energieabsorptions-vermögen verfügbarer Varistoren um Größenordnungen überschritten wird. Der im normalen, ungestörten Betrieb des DC-Netzes stets eingeschaltete DC-Leistungsschalter weist in der notwendigen Ausführung mit seriengeschalteten Halbleiterschaltern zudem eine hohe Verlustleistung (Durchlassverlustleistung) auf, die im Dauerbetrieb zu inakzeptablen Energieverlusten führt.
-
Bekannte Konzepte und Ausführungsformen für DC-Leistungsschalter (DCB) verwenden deshalb i.a. zusätzlich einen oder mehrere mechanische Schalter, welche im ungestörten Dauerbetrieb die Halbleiterschalter überbrücken. Auf diese Weise können die hohen Energieverluste der Halbleiterschalter vermieden werden. Bei Auftreten eines unerwarteten Fehlers im DC-Netz stört jedoch die für mechanische Schalter typische Verzögerungszeit vom Schaltbefehl bis zur mechanischen Öffnung der Kontakte. Diesen Prinzip-bedingten Nachteil weisen alle DCB auf, die zwecks Vermeidung der Durchlass-Verlustleistung mechanische Schalter einsetzen. Durch verbesserte Methoden des elektromechanischen Antriebes ist es jedoch technisch möglich, diese Verzögerungszeiten auf Werte unter einigen Millisekunden zu reduzieren. Als besonders geeignet haben sich direkte elektrodynamische Antriebe nach dem Wirbelstromprinzip (engl.: eddy current, Thompson) gezeigt, welche an Prototypen Verzögerungszeiten bis ca. 1msec erzielt haben.
-
Obwohl somit schnell schaltende mechanische Schalter verfügbar sind, ist das genannte Konzept dennoch nachteilhaft, weil sowohl Halbleiterschalter als auch hochwertige mechanische Schalter zum Einsatz kommen, was die Herstellungskosten negativ beeinflusst.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein DC Stromnetz, insbesondere HVDC Stromnetz, zur Verfügung zu stellen, was die genannten Nachteile nicht aufweist und ein einfaches Abschalten einer Leitung im Störfall ermöglicht. Insbesondere soll ermöglicht werden bei Bedarf nur mit mechanischen Schaltern arbeiten zu können.
-
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, andere zusätzliche relevante Verzögerungszeiten im System bis zum erfolgreichen Abschluss einer Fehlerabschaltung durch geeignete Maßnahmen wesentlich zu reduzieren. Dadurch wird dann wiederum die Verwendung von mechanischen Leistungsschaltern ermöglicht, an die keine hohen Anforderungen zu stellen sind. Insbesondere kann dadurch auf zusätzliche Halbleiterschalter und/oder sehr schnelle mechanische Schalter bei Bedarf verzichtet werden.
-
Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass es vorteilhaft ist, die gestörte Leitung über Leistungsschalter auf Erde zu schalten, damit die im gestörten System vorhandene erhebliche Energie abgebaut werden kann, was die Schaltvorgänge erleichtert. Sobald die gestörte Leitung durch Leistungsschalter an beiden Enden auf Erde geschaltet wurde, kann eine Ersatzleitung, also die zweite Leitung (falls nur 2 Leitungen vorhanden sind) über Leistungsschalter mit den Umrichtern verbunden werden. Dieses Anschalten ist relativ problemlos, da der Umrichter die Eigenschaft besitzen kann, den Strom zumindest während des Schaltintervalls zu begrenzen. Sobald die Ersatzleitung an beiden Enden zugeschaltet ist, kann die Last, die vormals von der gestörten Leitung geführt wurde, nun von der Ersatzleitung getragen werden.
-
Das Zuschalten der Ersatzleitung ist nicht nötig, wenn diese schon vorher stromführend war. In diesem Fall übernimmt die Ersatzleitung quasi fliesend die Last, die vormals in der gestörten Leitung vorhanden war. Typischerweise sind derartige Leitungssysteme so ausgelegt oder fähig, dass jede Leitung neben ihrer ständigen Nutzleistung noch in der Lage ist, zumindest für eine gewisse Zeit, die Leistung der gestörten Nachbarleitung zu übernehmen.
-
Durch das initiale Erden der fehlerhaften Leitung wird ein niederinduktiver Stromkreis geschaffen, der jeweils durch einen Umrichterausgang der DC Seite, den Erdungsschalter (also den Leistungsschalter der den Erdschluss ermöglicht) und den Trennschalter (also den Leistungsschalter der das Verbinden oder Trennen der Leitung vom Umrichter ermöglicht) gebildet wird. Dieser lokale Stromkreis, der nicht mehr mit der abgetrennten langen Leitung belastet ist erlaubt eine schnelle Stromänderung (mittels des Umrichters).
-
Die Erfindung schlägt ein DC Stromnetz, vorzugsweise ein HVDC Stromnetz einschließlich entsprechende Komponenten und Schalter vor, mit einer ersten und einer zweiten Leitung, die jeweils dafür ausgelegt sind, situationsbedingt die Last der jeweils anderen Leitung zumindest kurzzeitig zu übernehmen, einer ersten Leistungsschalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung des einen Endes der ersten Leitung mit Erde, einer zweiten Leistungsschalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung des anderen Endes der ersten Leitung mit Erde, einer dritten Leistungsschalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung des einen Endes der zweiten Leitung mit Erde, einer vierten Leistungsschalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung des anderen Endes der zweiten Leitung mit Erde, einem ersten Umrichter, wobei der erste Umrichter über eine fünfte Leistungsschalteinrichtung mit dem einen Ende der ersten Leitung verbunden ist und über eine sechste Leistungsschalteinrichtung mit dem einen Ende der zweiten Leitung verbunden ist, einem zweiten Umrichter, wobei der zweite Umrichter über eine siebte Leistungsschalteinrichtung mit dem anderen Ende der ersten Leitung verbunden ist und über eine achte Leistungsschalteinrichtung mit dem anderen Ende der zweiten Leitung verbunden ist, einer Steuereinrichtung, die so konfiguriert ist, dass im Störungsfall die gestörte aktive Leitung über die jeweiligen zwei Leistungsschalteinrichtungen geerdet wird, der erste und zweite Umrichter die Gleichspannung auf einen vorgegebenen Maximalgleichstrom begrenzen, die gestörte Leitung durch die jeweiligen zwei mit den Umrichtern verbundenen Schalteinrichtungen von den Umrichtern getrennt wird, und die jeweils andere Leitung über die mit den Umrichtern verbundenen Leistungsschalteinrichtungen zu den Umrichtern durchgeschaltet wird, falls nicht bereits durchgeschaltet.
-
Außerdem schlägt die Erfindung ein Verfahren für ein DC Stromnetz zum Abschalten einer Leitung im Störfall und Verteilen der Last auf eine zweite Leitung vor, mit folgenden Schritten: Verbinden mindestens einer der Leitungen zu beiden Seiten mit jeweils der Gleichstromseite eines Umrichters, wobei jeder der Umrichter mit seiner anderen Seite an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist und jeder Umrichter in der Lage ist, die Gleichstromseite unabhängig von der Wechselstromseite zu regeln, Detektieren eines Störfalles auf der mindestens einen Leitung, Verbinden der gestörten Leitung an beiden Seiten mit Erde mittels jeweils eines Leistungsschalters, Begrenzen der maximalen Gleichstromstärke der beiden Umrichter auf einen vorgegebenen Maximalstrom, Abtrennen der gestörten Leitung zu beiden Seiten von den Umrichtern mittels jeweils eines Leistungsschalters, Verbinden der ungestörten Leitung mit den Umrichtern an beiden Seiten mittels jeweils eines Leistungsschalters für den Fall, dass die ungestörte Leitung nicht bereits über diese Leistungsschalter mit den Umrichtern verbunden ist.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung mit klassischen Umrichtern funktioniert und somit nicht auf die Verwendung von modularen Multilevel Umrichtern (MMCs) beschränkt ist, eignen sich diese insbesondere gut für die erfindungsgemäße Lösung wie unten noch näher erläutert. Insbesondere können klassische Umrichter mit nachgeschaltetem bidirektionalem Gleichstromsteller zum Regeln des abgegebenen Stromes zum Einsatz kommen. Auch dadurch ist es möglich, die Gleichstromseite zumindest für kurze Zeit unabhängig von der Wechselstromseite zu regeln, so wie es für die Abschaltung erforderlich ist. Es ist diese Eigenschaft, die auch MMCs besonders geeignet erscheinen lässt.
-
Der Umrichter sollte den Strom im Zeitpunkt der Abschaltung zunächst auf den gerade anstehenden Strom begrenzen und dann auf einen relativ kleinen Wert wie z.B. 10 A oder Null herunterregeln. Dies ermöglicht dann das Öffnen der mechanischen Schalter ohne Probleme.
-
Bei den DC Stromnetzen handelt es sich vorzugsweise um HVDC (High-Voltage-DC) Stromnetze. Es können mehr als zwei Leitungen vorhanden sein, entsprechend kann die Last im Störfall dann auf mehrere ungestörte Leitungen verteilt werden.
-
Vorzugsweise sind im System Sensoren zum Detektieren einer gestörten Leitung vorhanden. Diese Sensorfunktion kann in den Umrichtern, vorzugsweise MMCs, integriert sein.
-
Für die Auslösung des Schaltvorganges sind neben den, den Störfall detektierenden Sensoren, vorzugsweise Steuereinheiten vorgesehen, die den Leistungsschaltern die Schaltimpulse liefern. Auch diese Steuerfunktion kann in die Umrichter integriert werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird die Erfindung unter Einsatz von MMC in den Converter-Stationen ausgeführt und nutzt einige ihrer spezifischen Eigenschaften, wie im Folgenden näher erläutert.
-
Bei den Leitungen kann es sich insbesondere um Freileitungen, Erdkabel oder Seekabel handeln. Insbesondere wird mit der Erfindung bei Fehlern im Leitungsnetz ermöglicht, den störungsfreien, weiteren Betrieb der AC- und DC-Netze mit den gewünschten Sollwerten der Wirk- und Blindleistungen zu erhalten.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform gemäß der Erfindung,
- 2: eine Ausführungsform für einen Leistungsschalter,
- 3: eine alternative Ausführungsform für einen Leistungsschalter, und
- 4: eine Ausführungsform für einen Umrichter mit bipolarem Gleichstromsteller
-
1 zeigt eine Ausführungsform in schematischer Ansicht. Diese Ausführungsform ist als Grundaufbau zu verstehen, selbstverständlich kann es sich statt um 2 Leitungen auch um ein verzweigtes Leitungssystem handeln, welches dann ebenfalls in entsprechender Weise ganz oder teilweise abgeschaltet werden kann.
-
Das DC-Stromnetz 1 weist Umrichter 2,3 zu beiden Seiten der Leitungen 4,5 auf. Leitungen 4,5 sind in der üblichen schematischen Weise dargestellt, einschließlich parasitärer Kapazitäten 9 und Induktivitäten 8. Die Leitungen 4,5 können im Normalbetrieb beide Strom führen oder eine der beiden Leitungen ist als redundante Leitung vorgesehen, die im Störfall die Last der gestörten Leitung übernimmt. Stehen beide Leitungen unter Last, kann eine der beiden Leitungen im Störfall zusätzlich die Last der gestörten Leitung zumindest für eine gewisse Zeit mit übernehmen.
-
Jede der Leitungen (es sind auch mehr als zwei Leitungen möglich), ist über ein Paar von Leistungsschaltern 10a, 10b, 11a,11b an seinen beiden Enden mit den beiden Umrichtern 1, 2 verbindbar. Jede der beiden Leitungen ist über ein weiteres Paar von Leistungsschaltern 12a,12b, 13a, 13b mit Erde verbunden, wie in der 1 gezeigt. Optional können zusätzlich Induktivitäten 6,7 vorhanden sein zur Gleichstromdrosselung bzw. zur Glättung des Gleichstromes.
-
Die Umrichter 2,3 können wechselstromseitig mit typischen AC-Netzen verbunden sein oder aber mit Stromerzeugungssystemen, wie Kraftwerke oder Generatoren, wobei in diesen Fällen häufig ein Transformator zwischengeschaltet ist. Darüber hinaus können die Umrichter 2,3 (bzw. sämtliche beteiligten Umrichter eines Leitungssystems) über eine Erdleitung 14 miteinander verbunden.
-
Die Erdleitung kann dabei als zusätzliche Leitung zusammen mit den Leitungen 4, 5 und gegebenenfalls weiteren Leitungen verlegt sein, oder durch den Kabelschirm um diese Leitungen gebildet sein.
-
Im Folgenden wird die Arbeitsweise für eine Abschaltung einer Leitung im Störfall beschrieben.
-
Hierfür sei angenommen, dass zu Beginn nur Leitung 4 Strom führt, d.h. Leitung 4 ist über Leistungsschalter 10a, 10b an beiden Enden mit den Umrichtern 2,3 verbunden. Die Leistungsschalter 12a, 12b hin zur Erde sind dagegen geöffnet.
-
Stromleitung 5 ist mittels der Leistungsschalter 11a, 11b von den Umrichtern 2,3 getrennt und über die Leistungsschalter 13a, 13b vorzugsweise geerdet.
-
Wenn nun mittels Sensoren (nicht gezeigt) ein Störfall auf Leitung 4 detektiert wird, wird die gestörte Leitung mittels der Schalter 12a, 12b auf Erde gelegt, damit sich die im gestörten System vorhandene Energie abbauen kann. Vorher, zeitgleich oder kurz danach werden die Schalter 10a, 10b geöffnet, um die gestörte Leitung von den Umrichtern 2,3 zu isolieren. Dieses Öffnen ist aufgrund der Erdung einerseits sowie aufgrund der strombegrenzenden und stromsteuernden Eigenschaft der Umrichter, vorzugsweise MMC, andererseits, problemlos möglich, im Gegensatz zur Situation ohne Erdung und/oder ohne die Anwesenheit von Umrichtern mit diesen Eigenschaften. Die gestörte Leitung 4 ist nunmehr vollständig abgeschaltet.
-
Zeitgleich, kurz zuvor oder kurz danach wird die redundante Leitung 5 zugeschaltet, indem die Schalter 11a, 11b geschlossen werden. Damit ist die redundante Leitung 5 mit den Umrichtern verbunden. Für den Fall, dass die Leitung vorher geerdet war, müssen etwa zeitgleich die Schalter 13a, 13b geöffnet werden, um ein Abfließen des Stroms zu Erde zu vermeiden.
-
Leitung 5 trägt nun die Last, die vormals durch Leitung 4 geflossen ist. Um den Ablauf wie beschrieben zu ermöglichen bedarf es einer zentralen oder verteilt angeordneten Steuervorrichtung, um damit alle relevanten Schalterpärchen zeitgerecht zu schalten. Diese Steuervorrichtung kann, ebenso wie die Sensoren, in den Umrichtern untergebracht sein.
-
Es ist jedoch auch möglich, dass die Leitung 5 vorher bereits mit den Umrichtern 2,3 über die Schalter 11a, 11b verbunden war, also neben Leitung 4 ebenfalls Last getragen hat. In diesem Fall übernimmt Leitung 5 dann sämtliche Leistung alleine, zumindest für einen Zeitraum, bis Leitung 4 wieder funktionsfähig ist.
-
Durch die strombegrenzende und stromsteuernde Eigenschaft des Umrichters kann der Strom beliebig eingestellt werden. Wenn nach Abschalten der Leitung 4 sich der Gesamtstrom entsprechend verringert (also nur noch Leitung 5 seinen Strom transportiert wie zuvor), so kann über die Umrichter eine Erhöhung des Stromes in Leitung 5 erreicht werden, sodass letztlich der vorherige Gesamtstrom nun allein über Leitung 5 geführt wird.
-
Das bedeutet für das angegebene Verfahren nach dieser Ausführungsform, dass in diesem Fall die Schalter 11a und 11b bereits anfänglich durchgeschaltet waren und somit nicht nochmal geschaltet werden müssen. Eine Erdung über die Schalter 13a, 13b lag dann nicht vor.
-
Nach dem Abschalten einer Leitung, kann diese nach kurzer Zeit bzw. nach Behebung der Störung wieder an das System angeschaltet werden, indem zunächst über die beiden Erdschalter eine Trennung von Erde vorgenommen wird und anschließend oder zeitgleich über die beiden Trennschalter eine Verbindung zu den Umrichtern hergestellt wird.
-
Die Detektion der Störung der Leitung ist besonders einfach an den oberen Punkten K in 1 möglich, weil dort wegen einer Störung auf der Leitung die Spannung transient von der Nennspannung abweicht.
-
Aufgrund der Tatsache, dass durch Erdung die Energie aus der gestörten Leitung abgeleitet wird einerseits und der strombegrenzenden und stromsteuernden Wirkung der verbundenen Umrichter andererseits, gelingt die Trennung der Umrichter mittels der Schalter von der gestörten Leitung problemlos.
-
Über die Umrichter kann der Strom nicht nur auf den derzeitigen Strom begrenzt werden, also ein Anstieg vermieden werden, sondern der Strom kann auch bis auf sehr kleine Werte, wie etwa 10 A oder Null heruntergesteuert werden. Gerade diese Funktion kann mittels MMCs sehr komfortabel erreicht werden. Dadurch ist nun auch die Verwendung sehr einfacher und somit günstiger mechanischer Schalter statt komplexer Schalter und/oder Halbleiterschalter möglich. In großen Systemen stellt dies einen entscheidenden Kostenvorteil dar. Ein möglicher Schalter hierfür, der sehr schnell und dennoch günstig ist, ist der Vakuumschalter.
-
Auf die erfindungsgemäße Art und Weise sind somit Abschaltungen gestörter Leitungen leicht, schnell und kostengünstig realisierbar. Durch die Erdung wird störende Energie aus dem System entfernt. Das Abschalten ist damit in kürzerer Zeit, einfacher und kostengünstiger möglich. Deshalb kann das Abschalten gezielt eingesetzt werden, um über systematisches Ab- und Anschalten vieler Leitungen eines Netzverbundes in kurzer Zeit nach gestörten Leitungen und/oder Ursachen dafür zu suchen. Das Abschalten von Leitungen nur zur Fehlersuche ist im Stand der Technik zwar möglich, aber aufwendig und kostenintensiv. Mit der Erfindung sind derartige Abschaltungen einfach zu handhaben und es entstehen somit neue Möglichkeiten zur Fehlersuche. Da die Abschaltungen schnell ablaufen können, spüren die angeschlossenen AC-Systeme davon praktisch nichts, da mittels der Umrichter genug Energie gespeichert ist, um das Abschalten einzelner Leitungen kurzzeitig zu kompensieren.
-
Das Abschalten einer gestörten Leitung oder mehrerer Leitungen, also eines gestörten Systems, ist deshalb leicht möglich, da verbundene Systeme, DC und AC Systeme, davon nicht gestört werden, es praktisch nicht bemerken.
-
Die 2 und 3 zeigen mögliche Ausführungsformen für die genannten Leistungsschalter. Die Leistungsschalter können alle gleich oder auch unterschiedlich zueinander ausgeführt sein. Vorzugsweise werden günstige, mechanische Schalter mit geringem Schaltvermögen (können weder hohen Strom noch hohe Spannung schalten) eingesetzt.
-
2 zeigt einen möglichen Aufbau. Die Innenschaltung einer ersten Ausführungsform für ein Schalteinheit/Leistungsschalter 20 weist einen elektromechanischen Leistungsschalter 21 auf, der vorzugsweise über einen Antrieb verfügt, der - gegenüber sonst gängigen marktüblichen Ausführungen - eine verkürzte Verzögerungszeit von nur einigen Millisekunden hat. Parallel zum Schalter ist eine hochsperrende Halleiterdiode 22 verschaltet, die marktüblich ausgeführt sein kann. Ebenfalls parallel geschaltet ist eine Serienschaltung aus einem Beschaltungs-Kondensator 23 und einem Beschaltungswiderstand 24, welche zur Reduktion der Spannungssteilheiten an dem Schalter 21 und der Halbleiterdiode 22 dienen. Zusätzlich parallel verschaltet ist ein hochohmiger Widerstand 25, welcher optional zur statischen Symmetrierung der Schalterspannungen im Falle von Serienschaltungen dient. Die Leistungsschalteinheit 20 besteht somit im Wesentlichen aus bekannten, marktüblichen Komponenten.
-
Allerdings ist keine der genannten zusätzlichen Komponenten zwingend erforderlich, es kann auch nur mit dem Schalter gearbeitet werden. Die Verwendung einer parallel geschalteten Diode ist jedoch besonders vorteilhaft, da dann die Spannung begrenzt ist, die der Schalter sieht, nämlich auf die Durchlassspannung der Diode. Neben dem Schalter sollte also eine Diode dann vorhanden sein, wenn der Schalter nur geringe Spannungen aushält.
-
Es wird somit eine freizügige Anpassung an die Erfordernisse verschiedenartiger, mechanischer Hochspannungsschalter ermöglicht, sodass die wirtschaftlich oder technisch geeignetsten Schalter gewählt werden können. Es ist bekannt, dass insbesondere das Abschalten hoher Ströme, sowie die Forderung nach einer hohen Lichtbogenspannung des Schalters zu sehr hohem Verschleiß bzw. hohem Aufwand führen. Wenn Schalter mit hoher Lichtbogenschalter zur Verfügung stehen, kann erfindungsgemäß auf die Beschaltung mit den parallelen Dioden und/oder den RC-Dämpfungsgliedern verzichtet werden. Sehr aufwandsarme, kostengünstige Schalter können jedoch Prinzip bedingt i.a. nur sehr kleine Lichtbogenspannungen von typ. einigen zehn Volt generieren. Dies trifft z.B. auf Vakuum-Schaltröhren zu. In diesem Anwendungsfall ermöglicht es die Erfindung, dass die mechanischen Schalter nur eine sehr kleine Lichtbogenspannung generieren müssen, welche größer als die Durchlassspannung der parallelen Dioden ist. Der vom mechanischen Schalter abzuschaltende Strom kann für derartige Schalter nicht nur näherungsweise zu Null, sondern auch gezielt sehr kleine, jedoch in der Stromrichtung des aktiven Abschaltens der mechanischen Schalter geringfügig über Null gewählt werden - wie es dem Schaltvermögen dieser Schalter an besten entspricht.
-
Eine andere Ausführungsform für die Schalteinheit 30 zeigt 3. Diese Variante kann eingesetzt werden, wenn die zulässige Spannung der Halbleiterdioden 32 wesentlich niedriger ist als die der verfügbaren Leistungsschalter 31. In 3 ist exemplarisch eine Serienschaltung von drei Halbleiterdioden dargestellt. Die Anzahl ist jedoch beliebig. Ebenso sind die optionalen Kondensatoren 33 und Widerstände 34 und 35 ähnlich zu 2 gezeigt.
-
Beide Varianten der Schalteinheiten 20 und 30 können des Weiteren auch beliebig in Serie geschaltet werden, um Schalteinheiten für beliebig hohe Spannungen zu erhalten. Es ist ein wesentlicher Vorteil dieser Schalteinheiten, dass die technisch unvermeidbaren Toleranzen der Verzögerungszeiten der Leistungsschalter deren sichere Spannungsaufteilung und Schaltfähigkeit nicht stören. Wie im Folgenden erläutert, stellt die bevorzugte Betriebsweise der Schalteinheiten sicher, dass die Leistungsschalter bei ihrem Abschaltvorgang nur mit der Durchlassspannung der ihnen direkt parallelgeschalteten Halbleiterdioden beansprucht werden. Dies ermöglicht es die Leistungsschalter mittels einer Serienschaltung mehrerer Schalter niedriger Spannung zu realisieren. Dadurch wird die Erzielung besonders kurzer Verzögerungszeiten in Kombination mit extrem hohen Spannungen ermöglicht.
-
4 zeigt eine Ausführungsform für einen Umrichter, der verwendet werden kann, aber kein MMC ist. Ein herkömmlicher Wechselrichter 40 ist mit seiner Gleichstromseite mit einem bipolaren Stromsteller 41 verbunden, wobei vorzugsweise noch ein Kondensator 42 zwischengeschaltet ist. Der resultierende Umrichter weist strombegrenzende und stromsteuernde Funktion auf und ermöglicht die Gleichstromseite unabhängig von der Wechselstromseite zu steuern. Über die Klemmen 43, 44 kann er in die Schaltung nach 1 angeschlossen werden.
-
Im Folgenden wird nochmal im Detail ein mögliches Schaltszenario für die Abschaltung einer gestörten Leitung anhand von 1 erläutert.
-
Dieser Ablauf beginnt mit der Detektion eines Fehlers im Zeitpunkt (t1) an der Leitung 4 im Leitungssystem 1 der 1. Obwohl im Folgenden von nur einer Leitung gesprochen wird, die fehlerbehaftet ist, ist dem Fachmann klar, dass dies auch ein Leitungssystem betreffen kann und somit ein gesamtes Leitungssystem ausgeschaltet werden kann.
-
Nach Detektion des Fehlers sollte die defekte Leitung 4 an allen seinen Klemmen so schnell wie möglich vom „Rest“ des DC-Netzes getrennt werden.
-
Die Detektion kann auf bekannte und verschiedenste Arten erfolgen. Es ist bekannt, dass eine schnelle und räumlich genaue Fehlerdetektion und Lokalisierung schwierig und anfällig für eigene Fehler ist. Die Erfindung ermöglicht es, die transiente Abweichung der DC-Spannung von der Nennspannung an den Klemmen der Leitungssysteme als einfache, sichere Fehlerdetektion zu verwenden. Vorzugsweise sollten die Detektoren für den Störfall hier messen. Alternativ kann zusätzlich der Entladestrom in den Beschaltungselementen 23,24 der 2 der Schalteinheiten 20 zu diesem Zweck detektiert werden. Die zeitlich erste Converter-Station in der der Fehler detektiert wird, ist i.a. eine leistungseinspeisende Station, welche dem Fehler räumlich am nächsten liegt. Es ist vorteilhaft und technisch gut realisierbar die Detektion des Fehlers allen anderen Converter-Stationen mittels moderner Kommunikationstechnik zu übermitteln. Diese kann dann auch Sollwerte der zu übertragenden Leistung zwischen allen Stationen vermitteln.
-
Für den Fall einer Verwendung von MMCs für die Umrichter/Converter Stationen werden folgende Eigenschaften dieser Vorrichtungen genutzt:
- a) Die Gleichströme der MMC können regelungstechnisch schnell eingestellt und in engen Toleranzbändern gehalten werden.
- b) Die AC- und DC-Größen der MMC können regelungstechnisch unabhängig voneinander eingestellt werden. Insbesondere können große Leistungsdifferenzen zwischen der AC-Leistung und der DC-Leistung durch die internen Energiespeicher (Kondensatoren der Submodule) des MMC (für die Zeitspannen von typ. 5... 10 ms) ausgeglichen werden.
-
In Folge dieser Randbedingungen kann sichergestellt werden, dass die Gleichströme der MMC (auch nach Fehlereintritt) zunächst auf dem vorhergehenden, betrieblichen Wert bleiben, bzw. in einem engen, vorgegebenen Toleranzband um diesen Wert. (Dabei ist dieser Wert kein maximaler Überstromgrenzwert, sondern der (wesentlich niedrigere) Wert, welcher für den betrieblich vorgegebenen Sollwert der Leistung benötigt wurde).
-
Die erste Maßnahme stellt nun das Einschalten der elektromechanischen Schalter 12 a, 12b dar, welche an der Erdleitung 14 angeschlossen sind. Nach einer gewissen Laufzeit der Kommunikation erfolgt dies an allen beteiligten Stationen, falls ein gesamtes Leitungssystem abzuschalten ist.
-
Die Verzögerungszeit der Schalter 12a, 12b und die der Kommunikation liegt in einem Bereich von typ. wenigen Millisekunden.
-
Durch diese „Erdung“ der defekten Leitung oder des defekten Leitungssystems wird der mögliche Lichtbogen an der Fehlerstelle gelöscht. Das defekte Leitungssystem wird entladen und der Fehlerstrom in diesem klingt durch die natürlichen Verluste in diesem Leitungssystem in typ. 100ms... 500ms ab. Es ist nun energielos.
-
Nach o.a. Betätigung der Schalter 12a, 12b können die MMC ihre Gleichströme sehr schnell (typ. 0,5ms) gegen Null steuern. Dies wird dadurch ermöglicht, dass nun ein (um mehr als 2 Zehnerpotenzen) induktionsärmerer Stromkreis über die Leistungsschalter, die Gleichstromdrosselung 6,7 und der DC-Strom des MMC besteht. Es können nun die gewünschten Schalter 10a, 10b geöffnet werden, die zur Abtrennung der defekten Leitung oder Leitungssystems benötigt werden. Es ist eine Vielzahl bekannter elektromechanischer Schalter einsetzbar, weil diese nun unter näherungsweise „Null Volt / Null Amper“-Bedingungen schalten.
-
Als letzter Schritt wird die Gleichspannung wieder auf die Betriebswerte hochgefahren. (Diese Zeitspanne ist ebenfalls als < 1ms bis einige ms realisierbar und regelungstechnisch einstellbar. Der gesamte Ablauf der Fehlerklärung dauert somit eine Zeitspanne von typ. 5ms, wenn die Verzögerungszeit der elektromechanischen Schalter (100) mit ca. 2...3ms vorgegeben ist.
-
Innerhalb dieser Zeitspanne können die MMC, wie bereits erklärt, mit Hilfe ihrer inneren Energiespeicher gewährleisten, dass die AC-Netze weiterhin ungestört die geforderten Übertragungsleistungen erreichen. Die Erfindung ermöglicht es daher, die ungestörte, volle Leistung über die verbliebenen Leitungssysteme weiterhin zu übertragen. Diese Zeitspanne ist nur durch die thermische Zeitkonstante dieser Leitungen begrenzt, welche zumindest einige Minuten bis ca. 10 Minuten beträgt.
-
Innerhalb dieser Zeit können nun auch „Versuche“ zur teilweisen oder vollständigen Wiedereinschaltung der defekten Leitungssystems erfolgen, da dies ohne Störung der Leistungsübertragung erfolgen kann.