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Wechselspannungstechnologiebasierte bipolare Mehrphasensysteme

Brüggmann, Jan

In dieser Arbeit werden auf Wechselspannungstechnologie basierende bipolare Mehrphasen-Kabelsysteme zum Anschluss großer Windparkcluster vorgestellt und diskutiert. In einem Überblick über andere, derzeit diskutierte Übertragungssysteme wird herausgestellt, dass derzeit oft der Gleichspannungstechnologie der Vorzug eingeräumt wird. Dies wird mit den Zusatzverlusten und dem Blindleistungsbedarf der Wechselspannungstechnologie begründet. Zur Minderung des Einflusses solcher Effekte werden daher mehrere Ansätze verfolgt: Es werden Kabel mit Verbundleitern zur Übertragung hoher Ströme vorgestellt. Diese längswasserdichte und somit für Seekabel gut geeignete Konstruktion ermöglicht Leiterquerschnitte, die vergleichsweise höhere Übertragungsströme zulassen. Als weiterer Schritt zu höheren Übertragungsleistungen werden bipolare Mehrphasensysteme diskutiert. In diesen wechselspannungsbasierten Systemen entstehen, durch geeignete Transformatorschaltungen, aus dem dreiphasigen Drehstromsystem Spannungen mit vier oder sechs unterschiedlichen Phasenlagen, von denen jeweils zwei um 180° versetzt sind. Um die dadurch generierten Eigenschaften vorteilhaft ausnutzen zu können, werden, neben bestehenden, neue Kabelkonzepte entwickelt: So wird der Einsatz von Einleiterseekabeln diskutiert, die in Strängen mit je zwei Kabeln angeordnet sind. Aufgrund des bipolaren Charakters des Übertragungssystems sind die einzelnen Stränge magnetisch voneinander entkoppelt, so dass auch bei großen Abständen zwischen den Strängen keine negativen Einflüsse auf die Übertragungsparameter zu befürchten sind. Durch die größere räumliche Trennung ist die thermische Kopplung gering, so dass die einzelnen Stränge höher belastbar sind. Als Neuerung werden vieradrige Seekabel diskutiert. Dieser Kabeltyp benötigt keine Metallmäntel oder -schirme mit hohen elektrischen Leitwerten, wohl aber eine höhere Aderzahl. Hier können durch Optimierung hohe Übertragungsleistungen erreicht werden, die denen vergleichbarer einadriger Lösungen bei kleineren Systemspannungen entsprechen. Dies stellt geringere Ansprüche an die Isolierung und die Garniturentechnik, weshalb diese Option hochspannungstechnisch und auch vom Gesamtaufwand her interessant ist. Die Erhöhung der übertragbaren Leistung durch Verbundleiter und die Reduktion der Zusatzverluste führen dazu, dass der Anteil der nahezu konstant bleibenden, spannungsabhängigen Blindleistung an der gesteigerten Übertragungsleistung (Scheinleistung) geringer wird. Somit kann die übertragbare Wirkleistung gesteigert werden. Anhand der für die Nordsee diskutierten Windparkcluster wird gezeigt, dass selbst größte Übertragungsleistungen mit dem auf Wechselspannung basierenden bipolaren Mehrphasensystem über große Distanzen übertragbar sind. Beim Vergleich zur Gleichspannungstechnologie wird deutlich, dass zwar die Kabelverluste bei Wechselspannungssystemen höher sind, aber die Konverterverluste der Gleichspannung die Gesamtbilanz negativ dominieren. Auch ist die Anzahl der notwendigen Verbindungen der Bipolarlösung in den diskutierten Beispielen nur um Eine höher. An Land können bipolare Mehrphasensysteme mit der gleichen Strangzahl weitergeführt werden. Die Trassen besitzen eine hohe Leistungsdichte, so dass die resultierenden Trassenbreiten schmal ausfallen können. Je nach Übertragungsleistung sind thermisch stabilisierte, abmessungsoptimierte Grabenrückfüllungen notwendig. Zudem wird das Übertragungsvermögen der Landtrasse unter Berücksichtigung der Windlastcharakteristik diskutiert. Bei Landkabelsystemen zeigt sich, dass Mehrphasensysteme geringere äußere Magnetfelder besitzen. Restriktionen, die durch Grenzwerte des magnetischen Feldes entstehen, können durch Anwendung bipolarer Technik umgangen werden. Für besonders niedrige Grenzwerte der magnetischen Induktion wird eine in beiden wechselspannungsbasierten Systemen einsetzbare, in die Einleiterkabelkonstruktion integrierte Schirmungsmaßnahme vorgestellt, die höchste Schirmungsfaktoren auch bei Kabelanlagen großer räumlicher Ausdehnung ermöglicht.

In this thesis, AC-based bipolar systems of higher phase order for the connection of offshore-windfarm-clusters are introduced and discussed. In most publications, the VSC-based HVDC technology is the preferred solution for this task. This is justified by the additional losses and the reactive power consumption of the HVAC-technology. These effects cannot be avoided, but their influence can be decreased: In a first step, submarine cables with a new conductor type combining aluminium and copper for the transmission of high currents is introduced. This watertight construction is well suited for submarine cables. In a next step to higher transmission powers, bipolar systems of higher phase order are discussed. These AC-based systems are generated from three-phase systems by means of transformer groups. The created voltage-systems have four or six phases. There are two or three pairs of voltages with opposing phases (phase-shifts of 180°). To utilise the favourable properties of these bipolar system, existing cable-designs as well as new cable designs are applied: At first, single-core submarine cables are discussed. Six single-core cables are placed in three strings. In a string, two cables are placed next to each other, whereas the strings itself can have larger spacing. This is because of the bipolar characteristic of each string. The strings are magnetically decoupled so that there are no negative influences on the transmission-line parameters. By the large distances between the strings, they are thermally decoupled, too. This leads to higher current ratings of the system. As a new cable-design, four-core cables are introduced. This cable-type does not need sheaths with high electric conductivities, but a higher number of cores. Four-core cables can reach the transmission capacity of single-core cables at lower system-voltages. This means lower stresses of the insulation and accessories. The increased transmission power by the new conductor design and the reduction of additional losses by the bipolar system leads to a better ratio of active- and reactive power. It is shown that the HVAC-bipolar system is suitable to connect the planned windpark-clusters in the German North-Sea to the onshore grid. To show up the effectiveness of the new transmission system, comparisons to VSC-based HVDC-systems are given. It is shown, that the AC-cable losses are still higher than the DC-cable losses but the additional losses of the VSCs dominate the whole power-loss balance. The number of cable-routes of HVAC-systems in the examples is increased by one in comparison to HVDC-systems. Onshore, bipolar cable systems can find a continuation with the same number of strings. The cable routes have a high power density resulting in smaller trench widths. Depending on the actual transmission tasks, artificial backfill materials can be applied. The geometrical shape of the backfill is optimized. Additionally, the influence of the wind characteristic on the transmission capacity is displayed. Onshore, bipolar cable systems are set into contrast to conventional three-phase systems of equivalent transmission capacities. It is shown, that bipolar cable systems have lower outer magnetic fields. This can help to meet the requirements in case of stricter legal limits. When there is a demand for lowest outer magnetic fields, a new cable construction with integrated electromagnetic shielding is introduced. This shielding measure leads to highest shielding-factors and can be applied to high-power cable routes with large core-spacing.

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Brüggmann, Jan: Wechselspannungstechnologiebasierte bipolare Mehrphasensysteme. 2013.

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