(57)【要約】  本発明は、揚水発電所に関し、殊にコンバータ（３）と、回転電気同期機械（４）とを有する電気ユニット（１）に関する。コンバータ（３）は、モジュラー・マルチレベル・コンバータとして構成されており、機械（４）は、コンバータ（３）に直接接続可能であり、コンバータ（３）は、調整可能な電圧を有する。
2015516790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電網（２）に接続可能であり、かつ、周波数コンバータ（３）と、回転式電気同期機械（４）とを含む揚水発電所用電気ユニット（１）であって、
前記機械（４）は水タービンおよび水ポンプに連結可能である、電気ユニット（１）において、
前記コンバータ（３）は、モジュラー・マルチレベル・コンバータとして構成されており、
前記機械（４）は前記コンバータ（３）に直接接続されており、
当該コンバータ（３）は、調整可能な出力電圧を有しており、
前記機械の入力電圧に等しい、前記機械に供給される前記コンバータの出力電圧が調整可能である、
ことを特徴とする電気ユニット（１）。
【請求項２】
請求項１に記載の電気ユニット（１）であって、
少なくとも前記電気機械（４）は、前記揚水発電所の下側の水プールの下にある閉じられた空間、空洞または縦穴に設けられている、
ことを特徴とする電気ユニット（１）。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気ユニット（１）において、
前記コンバータ（３）は、スケーリングによって前記出力電圧を調整するため、直列接続された複数のユニットセルを有しており、
当該ユニットセルは独立して駆動制御可能である、
ことを特徴とする電気ユニット（１）。
【請求項４】
請求項３に記載の電気ユニット（１）において、
前記コンバータ（２）の出力側と、前記機械（４）と、前記変圧器（５）との間で、個別の前記ユニットセルを接続することによって形成されるパルスのエッジ峻度および振幅は、付加的なフィルタ部材がなくても、前記機械（４）および前記変圧器（５）の絶縁部に対して高い要求が課されないように制限可能である、
ことを特徴とする電気ユニット（１）。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の電気ユニット（１）において、
前記コンバータ（３）の前記出力電圧を変化させるために複数の電圧ステップを使用可能である、
ことを特徴とする電気ユニット（１）。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の電気ユニット（１）において、
前記出力電圧は、付加的なフィルタリングを行わなくても商用電源網接続条件が満たされ、かつ、高調波について前記機械（４）を設計する際に、直接の商用電源網接続に比べて相違が生じないような小さな高調波歪みを有する、
ことを特徴とする電気ユニット（１）。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の電気ユニット（１）において、
前記ユニットには発電所変圧器（５）が含まれており、
該発電所変圧器は、商用電源網側において前記コンバータ（３）に接続されている、
ことを特徴とする電気ユニット（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揚水発電所に関し、殊にコンバータおよび回転電気同期機械を有する揚水発電所用電気ユニットに関する。ここで上記の機械は空洞に設けられている。
【０００２】
従来の技術
例えば風力エネルギおよび太陽エネルギのような再生可能エネルギ源は、電力需要のますます大きく割合を賄うようになって来ている。これらのエネルギ源の動作時間は安定していない。したがってこれらのエネルギ源から直接かつ持続的に電力を需要家に供給することは保証されないのである。このためには、電力過剰と電力不足との迅速な交替を可能にし、その出力およびエネルギの流れの方向を迅速かつ連続して変更できるエネルギ蓄積器を使用しなければならないのである。
【０００３】
エネルギ蓄積器として、それぞれ所定のエネルギ量および適用例に殊に適している種々異なるシステムが利用可能である。約２０ＭＷｈまでの少ないエネルギ量に対しては、適用に応じて、有利には運動学的蓄積器（例えばフライホイール）、電気化学式蓄積器（バッテリ、レドックスフロー電池）または電磁式蓄積器（コンデンサ、スーパーコンデンサ、超伝導コイル）が使用される。数１００ＭＷｈまでの中間のエネルギ量に対しては、基本的に熱力学式蓄積器（圧縮空気式蓄積器、熱電蓄積器）が殊に適している。一般的に１００ＭＷｈを上回り、多くの場合には１ＧＷｈを上回る大きなエネルギ量に対しては揚水式蓄積器が使用される。
【０００４】
揚水式蓄積器または揚水発電所は、蓄積可能なエネルギが大きいことによって殊に関心が高い。ここでは余剰の電力により、このために設けられた自然のまたは人工的な第１の蓄積プールから、より高い位置に配置された第２の蓄積プールに水がポンピングされる。ここでは電気エネルギが、位置エネルギに変換されるのである。電力を再生するためには、上記の高い位置に配置された蓄積プールから、タービンを介して、上記の低い方の位置に配置された蓄積プールに水が戻される。このシステムに対しては、上記の変換プロセスにおける損失を最小化することが殊に重要である。
【０００５】
今日の揚水式蓄積器は、回転数可変の駆動器を有する。上記の機械の回転数と、商用電源周波数とをデカップリングすることにより、ポンプおよびタービン回転速度を調整して、これらが最適効率の付近で動作できるようにすることが可能である。さらにポンプ動作において回転数を変化させることにより、消費電力を自由に設定可能である。殊に回転数可変のシステムは、停止状態から出発して迅速に商用電源網に接続できるかまたはこれと同期することができる。
【０００６】
従来技術による揚水式蓄積器は、二重給電型非同期機械と、パワーエレクトロニクス式周波数変換器とを有しており、ポンプおよびタービンの回転数制御が可能である。ここでは、上記の二重給電型非同期機械のステータは、商用電源周波数を有する送電網に直接接続される。この二重給電型非同期機械のロータは、周波数変換器を介して、商用電源網に接続されており、したがって可変の周波数を有し得る。これにより、第１にはポンプ出力が制御され、第２には必要に応じて設備の効率を増大させることができるのである。
【０００７】
揚水式蓄積器では、例えばタービン、ポンプ、モータ発電機および変圧器などの機械設備が、例えば岩壁に掘られた空洞、空所または第２の蓄積プールに下側の閉じられた空間に収容されるようにすることが多い。揚水式蓄積器の別の形態では、ポンプ、タービンおよびモータ発電機は、縦穴の最も下側の端部に設けられ、別の発電所コンポーネントは、例えば地上の建物に設けられるかまたは同様に上記の縦穴内に設けられる。
【０００８】
このような発電所の設置の仕方は、状況によるものであり、タービンはキャビテーションを回避するために下側の蓄積プールの十分下側になるようにする必要がある。これは、場所および幾何学的理由から多くの場合に、機械設備を収容するための機械室または発電室が地下に建設されることによってのみ可能にある。さらに地下の建設形態により、例えば雪崩流のような周囲環境の影響から保護される。また同様に環境上または景観保護上の理由から地下の建設形態が使用されることが多い。
【０００９】
従来技術にしたがって使用されるコンバータは一般的に３ないしは６ｋＶの出力電圧を有する。これに対して、上記の電気機械では１０ないしは２１ｋＶの電圧が使用されることが多い。したがってコンバータの出力側と、上記の機械の端子との間に、それぞれ電圧差分を調整する出力変換器を設けなければならないのである。この際に大きな電流によって要求されるのは、上記の変圧器が上記の機械の直ぐ近くに設けられること、すなわち上記の空洞内に設けられることである。
【００１０】
二重給電型非同期機械を有するこのような配置構成の重大な欠点は、上記の空洞内における所要スペースが増大し、これによって揚水発電所を建設するためおよび空洞を掘るためのコストが格段に増大してしまうことである。さらに上記の変圧器は、伝送される有効電力の１〜２％のオーダの損失を有する。全体として変圧器を使用することは、この変圧器の高いコストによって不利である。さらに変圧器は、変圧器オイルに起因して爆発する危険性が極めて高く、安全面からの危険性が高いのである。
【００１１】
従来技術によるコンバータの別の欠点は、上記の電圧差分が１つまたは２つの段階またはステップで解消されることである。このことから第１には、大きくかつ急峻な電圧ステップにより、上記の周波数変換器に直接接続される変圧器および上記の機械の電気絶縁部に過剰な負荷が加わらないようにし、またこの絶縁部の損傷を回避するため、平滑化またはフィルタリングが必要なのである。平滑化またはフィルタ装置は、高価であり、有効電力をさらに損失させ、また大きな空間が必要である。第２に上記の伝送される出力は、大きな割合の高調波を有しており、この高調波は上記の機械および接続される上記の変圧器において付加的な損失を発生させるのである。
【００１２】
上記のことから出発して、本発明の課題は、揚水発電所の建設、動作および保守を容易にして効率を増大させることである。
【００１３】
本発明の説明
上記の課題は、請求項１に記載した揚水発電所用電気ユニットによって解決される。別の有利な発展形態は、従属請求項から得られ、ここでこれらの請求項の引用は、有効な別の請求項の組み合わせを排除するものではない。
【００１４】
本発明では、揚水発電所用電気ユニットが提供され、この電気ユニットは送電網に接続可能である。この電気ユニットには少なくとも１つの周波数コンバータと、上記の機械の動作モードに依存してモータまたは発電機として使用される回転式電気同期機械とが含まれている。この機械は、水タービンおよび水ポンプまたは可逆式のポンプタービンに、例えば機械的に接続可能である。上記のコンバータは、モジュラー・マルチレベル・コンバータＭＭＣとして構成されており、ダイレクトないしは直接、すなわち、中間接続される変圧器なしに上記の機械に接続され、ここで上記のコンバータは、調整可能な電圧を有する。
【００１５】
本発明の有利な実施形態において、少なくとも上記の電気機械は、下側の水面の下にある閉じられた空間、空洞または縦穴に設けられている。
【００１６】
別の有利な実施形態において、上記のコンバータは、出力電圧をスケーリングするため、直列接続された多数のユニットセルを有する。これらのユニットセルは、例えば１つずつのコンデンサまたはインダクタンスを有している。さらに上記のユニットセルは、例えば、上記の電気機械における出力電圧を適合させるため、独立して駆動制御可能である。
【００１７】
殊に有利な実施形態では、上記の絶縁部の負荷を軽減するため、上記のコンバータの出力部と、例えば上記の機械の端子である機械との間で、パルスのエッジ峻度および振幅を制限できるようにする。
【００１８】
別の有利な実施形態では、出力電圧を変化させるため、多数の電圧ステップを、例えば複数の小さなステップを使用可能である。
【００１９】
別の実施形態では、上記の出力電圧の高調波歪みが小さくなるようにし、これにより、付加的なフィルタリングを行わなくても商用電源網接続条件が満たされるようにし、かつ、高調波について上記の機械を設計する際に、直接的な商用電源網接続に比べて相違が生じないようにする。このような商用電源網接続条件は、例えば、系統連係要件に定められている。
【００２０】
本発明の実施形態では、上記のコンバータが、商用電源網側で発電所変圧器に接続されるようにする。
【００２１】
これに相応して本発明により、機械とコンバータとの間に変圧器が省略されることにより、殊に、例えば岩壁空洞における地下建設方式の際には揚水発電所の建設が容易になる。さらに省略された変圧器の有効出力損失がなくなり、上記の電気ユニットの効率が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】コンバータと、電気同期機械と、発電所変圧器とを有する電気ユニットの概略図である。
【００２３】
本発明の別の特徴、詳細および利点は、請求項の文言ならびに図面に基づく実施例の説明から得られる。
【００２４】
図面に基づく有利な実施例を参照し、以下のテキストにより、本発明のさらなる詳細を詳しく説明する。
【００２５】
参照符号およびその意味は、参照符号一覧にまとめられている。一般的に同じ参照符号は同じ部分を表している。
【００２６】
例示的な実施形態の詳細な説明
図１には、送電網２に接続された電気ユニット１が略示されている。電気ユニット１には、モジュラー・マルチレベル・コンバータ３および回転式電気同期機械４が含まれている。この機械４は、例えば、空洞に収容されている。さらにこの実施例では上記の電気ユニットと送電網２とを接続するために発電所変圧器５が設けられている。
【００２７】
周波数変換は、集中型または分散型の電圧中間管路または電流中間回路を介して互いに接続されている整流器とインバータとの組み合わせによって行われる。この中間回路はさらに、エネルギ蓄積のためのユニットを有しており、このユニットは、例えば電圧中間回路においてはコンデンサであり、電流中間回路においてはインダクタンスである。
【００２８】
自由に選択可能な回転数で上記の機械を動作させることは極めて有利である。殊に周波数コンバータおよび同期機械を有する実施形態では、確立され、信頼性が高く、かつ保守の容易な発電機技術を使用することができる。さらにポンプおよびタービンを互いに独立して、それらの最適な回転数領域において動作させることができる。同期機械４を使用することにより、殊に高出力時にも、例えば大きな落差に対して、高い回転数を実現することができる。さらに、動作的に到達可能な回転数領域は、連続してゼロから最大回転数まで達し、ポンプおよびタービンの動作上の限界だけによって制限される。上記のポンプおよびタービンは、基本的に１つのユニットに統合することができ、例えばポンプタービンに統合することができる。殊に既存の発電機を交換することなく、比較的旧い設備を可変の周波数領域に増強することができる。別の利点は、極めて迅速に商用電源網に結合できることと、正および負の無効電力をコンバータ３において形成することとであり、これによって上記の発電機を有効電力だけで動作させることができ、これによってこの発電機の構造が小型になる。さらにコンバータ３を使用することにより、迅速に、例えばポンプ動作からタービン動作に切り換えることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  電気ユニット、  ２  送電網、  ３  コンバータ、  ４  電気同期機械、  ５  発電所変圧器
【図１】
2015516790.tif 000003
【国際調査報告】
2015516790.tif 000004
2015516790.tif 000005
2015516790.tif 000006
2015516790.tif 000007
2015516790.tif 000008
2015516790.tif 000009