[發(fā)明專利]抽水蓄能電站的電單元

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380013199.5
• 申請(qǐng)日: 2013-03-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104145395A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: C-E.斯蒂芬;C.希爾貝格;H.埃爾布;P.施泰默
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: ABB技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): H02J3/36
• 分類號(hào): H02J3/36;H02H7/04;H02M7/483;H02P27/14
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐予紅;湯春龍

技術(shù)領(lǐng)域

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)

再生能量源（例如風(fēng)能和太陽(yáng)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(guò)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。?

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100MWh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(guò)100MWh并且大多超過(guò)1GWh的大能量數(shù)量使用泵存儲(chǔ)器。?

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(guò)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(shì)能。為恢復(fù)電力水從位置更高的蓄水池通過(guò)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(guò)程中的損失的最小化尤其重要。?

現(xiàn)代泵存儲(chǔ)器具有轉(zhuǎn)速可變的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)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?gòu)耐Ｖ範(fàn)顟B(tài)與網(wǎng)絡(luò)相連或同步。?

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(guò)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。?

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)，泵和電動(dòng)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(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地面上在建筑中或同樣在井中設(shè)置。?

機(jī)器設(shè)備的這個(gè)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。?

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。?

這個(gè)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实?-2%的數(shù)量級(jí)的損失。總的來(lái)說(shuō)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(xiǎn)并且因此顯示出巨大安全風(fēng)險(xiǎn)。?

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)缺點(diǎn)在于，電壓差在一個(gè)或兩個(gè)等級(jí)或步上超過(guò)。一方面由此得出，高并且陡峭的電壓步要求平滑或?yàn)V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(guò)度增加負(fù)荷并且避免損傷隔離。平滑或?yàn)V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。?

從此得出，本發(fā)明以該任務(wù)提出為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)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

這個(gè)任務(wù)通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的抽水蓄能電站的電單元來(lái)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。?

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(gè)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(dòng)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(jì)為模塊化多級(jí)轉(zhuǎn)換器MMC并且直接或立即（即沒(méi)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。?

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。?