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© ABB16.01.2013, ABB-Pressekonferenz
Funktionsweise und Anwendungsgebiete des hybriden DC-Leistungsschalters
Raphael Görner, ABB-Pressekonferenz, 16. Januar 2013
© ABB 16.01.2013, ABB-Pressekonferenz | Slide 2
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
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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
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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
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Drehstromübertragung Grenzen
Energieübertragung über lange Strecken
Verluste (Wirtschaftlichkeit)
Stabilität
Drehstromkabel bereits bei Entfer- nungen < 100 km wegen Blind- leistungsbedarf technisch schwierig
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Anwendungsgebiete und Technik der Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragung (HGÜ)
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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
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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
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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
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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
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+ 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
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HVDC Light-Technologie±320 kV-Ventilarm (2 x 18 Doppelzellen)
+
-
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Offshore-Netzanbindung DolWin1 Erste ±320 kV HVDC Light-Umrichterstation
Konverterstation (im Umspannwerk Dörpen-West der TenneT TSO GmbH)
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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
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Der bestätigte Netzentwicklungsplan 2012 HGÜ als wichtiger Baustein für die Energiewende
Quelle: Bundesnetzagentur
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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
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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
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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
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Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Normalbetrieb
1. Normaler Betrieb, Strom fließt durch den verlustarmen Bypass
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Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Fehler im DC-Stromkreis erkannt
1. Normaler Betrieb, Strom fließt durch den verlustarmen Bypass
2. Fehler erkannt, Widerstand wird erhöht, Strom kommutiert auf Hauptstrompfad
© ABB 16.01.2013, ABB-Pressekonferenz | Slide 23
Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Mechanischer Trennschalter öffnet
1. Normaler Betrieb, Strom fließt durch den verlustarmen Bypass
2. Fehler erkannt, Widerstand wird erhöht, Strom kommutiert auf Hauptstrompfad
3. Ultra-Fast Disconnector öffnet, DC-Strom kann nur noch über den Hauptstrompfad fließen
© ABB 16.01.2013, ABB-Pressekonferenz | Slide 24
Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Strom unterbrochen
1. Normaler Betrieb, Strom fließt durch den verlustarmen Bypass
2. Fehler erkannt, Widerstand wird erhöht, Strom kommutiert auf Hauptstrompfad
3. Ultra-Fast Disconnector öffnet, DC-Strom kann nur noch über den Hauptstrompfad fließen
4. Leistungselek- tronik unterbricht im Hauptstrompfad den DC-Fehler- strom
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Funktionsweise des hybriden DC-Leistungsschalters Testergebnisse
© ABB 16.01.2013, ABB-Pressekonferenz | Slide 26
Anwendung des hybriden DC-Leistungsschalters Verifikation in Echtzeit im DC-Simulationszentrum
© ABB 16.01.2013, ABB-Pressekonferenz | Slide 27
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