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Funktionsweise und Anwendungsgebiete des hybriden DC-Leistungsschalters

Raphael Görner, ABB-Pressekonferenz, 16. Januar 2013

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Energiewende in Europa Erneuerbare Energien verändern unser Energiesystem

Standortferne, große Kraftwerke Windenergie, speziell offshore Wasserkraft (Alpen, Skandinavien) Solarthermie (langfristig)

Dezentrale, kleine Einheiten Photovoltaik Kraft-Wärme-Kopplung

Volatile Erzeugung Windenergie Sonnenenergie

Quelle: DG Energy, European Commission

Neue Herausforderungen für die Übertragungsnetze in Europa


Drehstromübertragung Bis heute das System der Wahl für Europa

Vorteile

Transformierbarkeit

Einfache elektromechanische Energieumwandlung

Einfache Stromunterbrechung

Frequenz als systemweite Führungsgröße

Vermaschbarkeit

Übertragungsnetz der ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity).

Quelle: www.entsoe.eu

http://www.entsoe.eu/


Von Edison favorisierter Gleichstrom verlor Stromkrieg im späten 19. Jahrhundert gegen Westinghouse’s Wechselstrom.

Nachteil: Gleichstrom war nicht auf höhere Spannungen transformierbar.

Dadurch hohe Verluste bei der Übertragung über größere Entfernungen.

Erst seit Mitte des 20. Jahrhunderts kann auch Gleichstrom wirtschaftlich über große Distanzen und sogar mit geringeren Verlusten als Wechselstrom transportiert werden.

Der Stromkrieg Edison versus Westinghouse


Drehstromübertragung Grenzen

Energieübertragung über lange Strecken

Verluste (Wirtschaftlichkeit)

Stabilität

Drehstromkabel bereits bei Entfer- nungen < 100 km wegen Blind- leistungsbedarf technisch schwierig


Anwendungsgebiete und Technik der Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragung (HGÜ)


Anwendungsgebiete für HGÜ-Technologie Installierte Leistung und Anwendungsgebiete

Installierte Leistung HGÜ weltweit:

2003: 50.000 MW

2010: 100.000 MW

2015: 200.000 MW** geschätzt

Neue Anwendungsgebiete Anbindung von Offshore-Windparks Verstärkung und Stabilisierung

bestehender Drehstromnetze durch parallelen Betrieb von HGÜ-Systemen

Aufbau von überlagerten DC-Netzen (HVDC Overlay-Netze)

Klassische Anwendungsgebiete Übertragung großer Leistungen über

weite Strecken Asynchrone Verbindung von

Drehstromnetzen (auch als HGÜ- Kurzkupplung)

Seekabelverbindungen

Interkonnektoren Anbindung von Wasserkraft

Anbindung von Offshore-WindAnbindung von Onshore-Wind

„Embedded DC“ (Parallel zu bestehenden Drehstrom- verbindungen)

Zukünftige Einsatzgebiete der HGÜ


HochspannungskabelLeistungshalbleiterUmrichterstationen

ABB mit einzigartiger Position bei HGÜAlles aus einer Hand

Kernelemente für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Übertragung von Energie über Land und unter Wasser

Umwandlung von AC zu DC und umgekehrt

Hochleistungs-Bauelemente auf Silliziumbasis


Investitionen und Erweiterungen für HGÜ in den letzten zwei Jahren

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Neues Büro- und Fertigungsgebäude Investitionsvolumen: ~ 50 MUSD

Leistungshalbleiter

Erweiterung und Modernisierung der Fertigung von Hochleistungshalbleitern Investitionsvolumen: ~ 200 MUSD

Kabelfertigung

Neubau einer Landkabelfabrik in Huntersville, USA Investitionsvolumen: ~ 90 MUSD

Erweiterung und Ausbau der Kabelfabrik in Karlskrona, Schweden Investitionsvolumen: ~ 400 MUSD


Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Systemverhalten

Klassische HGÜ (netzgeführte HGÜ)

Induktiver Blindleistungsbedarf

Kurzschlussleistung / spannungsstarres Netz wird benötigt

Minimaler Leistungsfluss erforderlich

Leistungsflussumkehr nur mit Ver-zögerung bei Kabelsystemen

Filterschaltungen notwendig

HVDC Light (selbstgeführte HGÜ)

Unabhängige Blindleistungsregelung

Benötigt keine Kurzschlussleistung

Jeder Wirkleistungsfluss einstellbar

Sofortige Leistungsflussumkehr

Keine Filterschaltungen notwendig

Multiterminalfähigkeit


+ Ud

- Ud

HVDC Light-Technologie Weiterentwicklung von Generation 1 zu Generation 4

Generation 1 (1997)

Zwei-Punkt-Umrichter

Umrichterverluste 3%

AC-Filter

Hohe Schaltfrequenz

Generation 4 (2010)

Kaskadierte Zwei-Punkt-Umrichter (CTLC)

Umrichterverluste 1%

Keine AC-Filter

Niedrige Schaltfrequenz (pro Zelle)

+ Ud

- Ud

Grundschwingung

0 2

CTL Spannung am Umrichter0 2


HVDC Light-Technologie±320 kV-Ventilarm (2 x 18 Doppelzellen)

+

-


Offshore-Netzanbindung DolWin1 Erste ±320 kV HVDC Light-Umrichterstation

Konverterstation (im Umspannwerk Dörpen-West der TenneT TSO GmbH)


Gleichstrom-Leistungsschalter


Szenario Europa 20XX mit erneuerbarer Energie Die Vision von ABB für ein DC-Overlay-Netz aus 1992

Windenergie300 GW

25 000 km2

5000 x 10 km

Wasserkraft200 GW

Sonnenenergie700 GW

8000 km2

90 x 90 km

Wasserkraft

Sonnenenergie

Windenergie

HGÜ-Verbindungen


Der bestätigte Netzentwicklungsplan 2012 HGÜ als wichtiger Baustein für die Energiewende

Quelle: Bundesnetzagentur


Fehlerschutzkonzepte für HVDC-Systeme Kurzschluss auf der Übertragungsstrecke

Alle AC-Leistungsschalter öffnen bei einem DC- Leitungsfehler

DC-Trenner öffnen und isolieren den fehlerhaften Teil der Übertragungsstrecke

Wiedereinschalten des nichtfehlerhaften Teils

Kurzzeitiges Abschalten für Fehlerklärung notwendig

x x x

X = AC-Leistungsschalter


Fehlerschutzkonzepte für HVDC-Systeme Kurzschluss auf der Übertragungsstrecke

Schnelles Freischalten der fehlerhaften Leitung mit DC-Leistungsschaltern

KEIN Abschalten für Fehlerklärung notwendig

DC-Leistungsschalter

DC-Schaltanlage

xx x

x


Aufbau des hybriden DC-Leistungsschalters Standardelemente intelligent kombiniert

Einsatz von zuverlässigen 4,5 kV Stakpak IGBTs die auch schon in den Konverterstationen eingesetzt werden

Schneller mechanischer Trennschalter (UFD) basierend auf bekannter gasisolierter Schaltanlagentechnik


Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Normalbetrieb

1. Normaler Betrieb, Strom fließt durch den verlustarmen Bypass


Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Fehler im DC-Stromkreis erkannt


2. Fehler erkannt, Widerstand wird erhöht, Strom kommutiert auf Hauptstrompfad


Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Mechanischer Trennschalter öffnet



3. Ultra-Fast Disconnector öffnet, DC-Strom kann nur noch über den Hauptstrompfad fließen


Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Strom unterbrochen



3. Ultra-Fast Disconnector öffnet, DC-Strom kann nur noch über den Hauptstrompfad fließen

4. Leistungselek- tronik unterbricht im Hauptstrompfad den DC-Fehler- strom


Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Testergebnisse


Anwendung des hybriden DC-Leistungsschalters Verifikation in Echtzeit im DC-Simulationszentrum


Funktionsweise und Anwendungsgebiete des hybriden DC-Leistungsschalters – Zusammenfassung

Neue Herausforderungen für die Übertragungsnetze in Europa

Deutschland setzt zukünftig gezielt auf die Hochspannungs-Gleichstrom- Technologie für Nord-Süd-Stromtrassen

Hybrider DC-Leistungsschalter sorgt für zuverlässigeren Netzbetrieb, auch im Wechselstromnetz

Innovative Kombination aus schneller Mechanik und Leistungselektronik

Gleichstrom-Leistungsschalter unterstützt die Energiewende

in Deutschland

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