SE518121C2 - Elkraftsystem baserat på förnyelsebara energikällor - Google Patents

Description

40 518 121 ' 2 Förutom vindkraftverk kan elkraftverken innefatta s k minihydrokraftverk, geotermiska kraftverk och kraftverk baserade på solceller m m. Även om fördelarna med uppfinningen i det följ ande i huvudsak kommer att behandlas i samband med att vindturbinerna, generatorerna och strömriktarna placeras till havs eller i insjöar kan uppfinningen också innebära fördelar där några av eller samtliga av AC-maskinerna respektive vindturbinernas generatorer och strörnriktare är placerade på land och där förbindelsen, som då icke nödvändigtvis behöver bestå av en kabel utan i stället kan realiseras i form av luftledningar eller kablar, knyter samman flera sådana elkraftverk till distributions- eller transmissionsnätet.

TEKNIKENS STÅNDPUNKT, PROBLEMEN Vid lokalisering av nämnda delar av vindkraftverk till havs krävs, för att få ekonomi i projektet, att stora grupper av vindkraft- anläggningar lokaliseras inom en begränsad area. Havsbaserade vindkraftverk kräver relativt stora vindkraftverk, dvs í detta sammanhang som regel 3 «MW och däröver, och en total anläggningseffekt på 50 - 100 MW anses vara lämplig. Hittills har planeringen för sådana vindkraftanläggningar huvudsakligen förutsatt att den elektriska effektöverföringen sker genom traditionell växelströmsöverföring i trefas växelspänningssjökabel.

Generatorn är då i regel en trefas asynkrongenerator. Det finns också exempel på att synkrongeneratorer har använts direktkopplade till nätet. Detta har dock ofta lett till att man har fått installera komplicerad mekanisk fjädring mellan generatorn och maskinhuset för att dämpa effektpendlingar som uppstår på grund av vindlastens varierande karaktär. Orsaken till detta är att en synkrongenerators rotordynarnik beter sig mekaniskt som en fjäder mot ett styvt växelspänningsnät medan en asynkrongenerator beter sig som en dämpare. 40 518121 I ett växelbaserat vindkraftverk skulle en konventionell asynkrongenerator på 3 MW förmodligen göras för 3 - 6 kV och kopplas till en transformator för transformering upp till, säg 24 kV, i ett första steg. I en vindkraftanläggning med 30 - 40 vindkraftverk parallellkopplas sedan generatorerna/transformatorerna för att sedan via en central transformator ytterligare transforrnera spänningen upp till säg 130 kV. Fördelen med ett sådant system är att det är billigt och inte kräver några komplicerade delsystem. En nackdel med ett sådant system är svårigheten att transmittera effekt över långa sträckor i en högspänd växelspänningskabel. Detta beror på att kabeln producerar kapacitiv reaktiv effekt som ökar proportionellt med kabelns längd och med spänningen i kvadrat.

Strömmen genom ledaren och i kabelskärmen ökar då så mycket att kabeln inte kan realiseras för långa avstånd. En annan nackdel ligger i att den varierande vindlasten ger upphov till spänningsvariationer på transmissionsledningen, som kan komma att drabba elkonsumenter som är inkopplade i närheten av anläggningen. Detta gäller speciellt om nätet är ”svagt”, dvs har låg kortslutningseffekt. På grund av ovan nämnda tekniska problem med långa kabeltransmissionsavstånd tvingas man i bland koppla in vindkraftanläggningen på ett ”svagt” nät. Enligt vissa bestämmelser får spänningsvariationernas amplitud på nätet inte vara mer än 4 %.

Olika länder har olika bestämmelser i detta avseende. Ofta mildras bestämmelserna vid lägre spänningsnivå på transmissions- ledningen. Det finns också olika bestämmelser beträffande snabba spänningsvariationer. Dessa kan som bekant ge upphov till s k ”flicker”, dvs ljusvariationer i glödlampor.

En lösning på ovan nämnda problem med långa kabelavstånd är att överföra effekten med högspänd likspänning, s k HVDC- överföring. Man kan då dra kabel ända till ett starkt nät. En annan fördel är att DC-överföringen har lägre förluster än AC- överföringar. Kabelavståndet kan då i princip vara hur långt som helst, tekniskt sett. 40 518121 4 n u n a u n o Q o u v ø v: EN HVDC-länk består av en likriktarstation, en transmissions- ledning i form av en kabel eller luftledning, en station för växelriktning och ett eller flera filter för att ta bort övertoner som genereras vid växelriktningen. I en äldre variant av en HVDC-länk används tyristorer både för likriktning och växelriktning. Tyristorer är tändbara men ej släckbara. Kommuteringen sker nära spänningens nollgenomgång, vilken bestäms av växelspänningen och växelriktarna. Dessa strörnriktare kallas därför nätkommuterade. En nackdel med denna teknik är att växelriktning konsumerar reaktiv effekt och leder till övertoner som skickas ut på nätet. I det följ ande kommer strömriktare/omriktare som används för växelriktning att omtalas som växelriktare.

I en modernare likspänningslösning används s k IGBT:er i stället för tyristorer i växelriktarna. En sådan anläggning beskrivs bl a i en artikel ”HVDC Light-DC transmission based on voltage sourced converters” publicerad i ABB Review 1/1998, pp 4 - 9. En IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) är både tänd- och släckbar och har dessutom hög switchfrekvens. Detta gör att växelriktarna kan göras enligt en helt annan princip, såsom s k sj älvkommuterade växelriktare. Sammanfattningsvis är fördelarna med sj älv- kommuterade strömriktare att de både kan avge och konsumera ~ reaktiv effekt. Detta möjliggör aktiv kompensation av spänningsnivån på nätsidan om anslutningen har skett till ett svagt nät. Detta gör således att denna strörnriktartyp är överlägsen den äldre tekniken. Den högfrekventa switchtekniken leder också till att problemet med övertoner minskar jämfört med den äldre generationen av HVDC. Växelriktare med IGBT innebär dock att förlusterna i växelriktarstationen är högre. Kostnaden för sj älva växelriktarstationen med IGBT är även högre än för en sådan med tyristorer.

En sj älvkommuterad strömriktare karakteriseras av att spänningen byggs upp av ett snabbt pulsmönster, som genereras av strömriktaren. Spänningsskillnaden mellan pulsmönstret och den sinusformade nätspänningen kommer att ligga över induktanser på 40 518121 nätsidan. Det finns två typer av sj älvkommuterade växelriktare med något olika egenskaper. Den ena är en s k spännningsstyv växel- riktare, VSI (Voltage Source Inverter) med minst en kondensator på DC-sidan, och den andra är en s k strömstyv växelriktare, CSI (Current Source Inverter).

Självkommuterade strörnriktare har nyttjats för inmatning och DC- transmission av aktiv effekt för vindkraft vid Näs på Gotland. De har också nyttj ats för kompensation av AC-spänningen för vindkraft i Rej sby Hede på Jylland.

De flesta vindkraftverk har av olika skäl en växel mellan vindturbinen och vindkraftverkets generator. Då problem uppstår på sådana utföringsformer är det oftast växeln som är orsaken. Det är därför önskvärt att ha en dírektdriven generator. Med utgångspunkt från den rotationshastighet som är aktuell för vindturbinen är det att föredra att ett växellöst system är utformat med en mångpolig generator. När det gäller mångpoliga maskiner är synkronmaskinen att föredra framför en asynkronmaskin. För att få god ekonomi i en synkronmaskin krävs att den skall arbeta vid relativt låg frekvens, säg 5 - 10 Hz för MW-anläggningar. Ett elkraftnät arbetar med högre frekvens, dvs 50 eller 60 Hz vilket innebär att detmåste finnas en frekvensomriktare mellan generator och elkraftnät. Frekvensomriktaren kan i vanlig ordning utformas som en cycloconverter, matrisomvandlare eller med likströms- rnellanled. När det gäller havsbaserade vindkraftanläggningar är det som redovisat tidigare, p g a långa transmissionslinjer, att föredra effektöverföring via likströmskablar. Frekvensomformaren ersätts då av en AC/DC-omvandlare.

Det finns dokumenterat flera olika DC-överföringsprinciper från vindkraftverken till den växelriktarstation som sedan skall omvandla den överförda DC-effekten till elkraftnätet. I US 5,083,039, ”Variable speed Wind turbine” anges hur varje generator i en vindkraftanläggning kan ha var sin interna DC- Voltage-Link. Efter växelriktning av varje skenas överförda effekt 40 518121 kopplas de (combined) via en gemensam transformator till elkraftnätet. I WO 97/45908, ”Windenergiepark” som närmare redovisas nedan, visas hur ett flertal vindkraftgeneratorer efter var sin AC/DC-omvandlare parallellkopplas till en gemensam DC- överföringslinje.

Ett problem som är förknippat med vindkraftverk är att den varierande vindhastigheten kommer att påverka generatorernas frekvens. Detta problem har bl a behandlats i ovan nämnda US 5,083,039. Ett annat sätt för att vid varierande vindhastighet kunna anpassa frekvensen hos ett vindkraftverks elgenerator till ett anslutet kraftnäts frekvens sker med ett borstlöst system, OPTI- SLIP®, framtagen av Vestas Danish Wind Technol. A/S, Danmark, beskrivet i en artikel ”Semi-Variable speed operation-a compromise?”, presenterad vid Proceedings of 17 Annual Conference, British Wind Energy Association. 19-21 July 1995, Warwick, UK. Principen för regleringen är baserad på den välkända metoden med förlustreglering med hjälp av varierande yttre rotonnotstånd anslutna via släpringar till elgeneratorns rotorlindning. Till skillnad från den välkända släpringsmetoden är OPTI-SLIP®-anläggningen anordnad med en medroterande vs-ls- ls-omriktare och medroterande fasta rotormotstånd direkt anslutna till rotorlindningen. Vs-ls-omvandlingen är utförd med en diodlikriktare, som i sin tur kortsluts av en ls-ls-omvandlare.

Vindkraftverkets hastighetsreglering sker via en inre rotorströmsreglering. Den med regleringen förknippade förlusteffekten utvecklas således i det medroterande rotormotståndet för att sedan avges till omgivande luft. Av konferensuppsatsen framgår det att varvtalet kan vara upp till 4 % över det synkrona med påföljden att lika många procent effekt förloras som förluster i rotorkretsen.

Problemet med varierande vindhastighet och därmed förknippade varvtalsvariationer på vindkraftverkets generator har också studerats och testats experimentellt på Chalmers Tekniska Högskolas testanläggning på Hönö. Proven redovisas bl a i l0 40 518121 Technical Report No. 176L ”Asynkrongenerator och frekvensomriktare för drift av vindkraftverk med variabelt varvtal” och i Technical Report No. 185 ”Analys av synkrongeneratorer med frekvensomriktare för elgenerering vid variabelt varvtal”, båda från Chalmers Tekniska Högskolas Elektrotekniska sektion i Göteborg. I de redovisade utföringsformerna ”frikopplas” vindkraftverkets AC-generator-spänning från nätets frekvens via en DC-länk på låg spänning, typiskt 400 V- eller 600 V-nivån. Att ha variabelt varvtal på turbinen ger energivinst och lägre påkänningar i det mekaniska systemet samtidigt som det i regel leder till att man kan utnyttja varvtalsvariationerna till att ur elkraftnätet eliminera tornskuggans snabba effektpulsationer som ger upphov till ovan nämnda ”flicker”. Populärt sagt kommer turbinens tröghetsmoment att fungera som ett mellanlager för rörelseenergi. Däremot kan man naturligtvis inte eliminera de långsamma effektvariationema, som ju ligger i vindkraftens natur.

Om man vill ha en direktdriven generator och således eliminera behovet av växellåda mellan turbin och generator, måste generatom vara synkron p g a att den får många poler. En direktdriven generator kräver med andra ord en frekvensomvandlare. Om en styrd likriktare används kan man dessutom reglera momentet aktivt genom att ändra styrvinkeln. I de flesta koncept med variabelt varvtal har man dessutom en yttre aktiv varvtalsreglering genom s k pitch-reglering, vilket innebär att turbinens bladvinkel ändras.

En nackdel med variabelt varvtal enligt det relaterade konceptet är kostnaden på den nödvändiga kraftelektroniken och dessutom att underhåll av sådan kraftelektronik ute till havs blir besvärligt och kostsamt.

I ovan nämnda WO 97/45908, ”Windenergiepark”, anges ett variabelt varvtalssystem med en HVDC-länk av äldre modell enligt ovan. Enligt denna tekniska lösning, se t ex figur 3/8 i nämnda WO-publicerade patenansökan, skall en likriktare med drossel anslutas till var och en av de havsbaserade generatorerna. De på detta sätt likriktade spänningarna från varje generator 40 518 121 -1:=.-_;I§.j;â 8 parallellkopplas till den gemensamma DC-transmissionslänken. På nätsidan har man en central växelriktare med tillhörande drossel som kopplas till en nättransformator på konventionellt sätt.

Systemet verkar i första hand vara tänkt för nätkommuterade, eller i varje fall för strömstyva likriktare och växelriktare eftersom drosslar i likströmkretsen gör detta strömstyvt. Systemet har en fördel eftersom DC-spänningen efter likriktaren kan varieras inom ett stort område. Detta är nödvändigt vid drift med variabelt varvtal eftersom generatorn i vindkraftverket vid låga varvtal endast kan ge låg utspänning. En nackdel med en strömstyv växelriktare är dock att den inte kan reglera den reaktiva effekten till nätet lika effektivt som en spänningsstyv växelriktare. I denna utföringsform är det således den likström som går ut från de havsbaserade generatorerna, och som likströmstransmissionslänken förmedlar, som går in till växelriktaren på land, till skillnad från nedanstående referens. Det framgår i övrigt av patentskriften att spänningen förutsätts ligga på den för konventionella generatorer typiska spänningen på 6 - 10 kV. Detta innebär i sin tur att DC-spänningen hamnar på maximalt 12 kV, vilket är en orealistiskt låg spänning för att överföra en total effekt på 50 - 100 MW en längre sträcka eftersom den ström som skall överföras då medför stora förluster i kabeln. Om man vill hålla kabelförlustena låga kan man använda en kabel med stor ledararea vilket dock är en oekonomísk lösning p g a höga kabelkostnader.

För en vindkraftanläggning av storleksordningen 50 - 100 MW skulle det i stället vara önskvärt att överföra effekten med en likspänningsnivå på ca 100 kV. Detta skulle kunna vara möjligt om man kopplar en transformator för upptransformering till ca 100 kV för varje generator. Efter likriktning skulle, enligt nämnda patentskrift, vindkraftverken parallellkopplas för anslutning till DC-transniissionslänken.

Ett sätt att kunna överföra effekten från en vindpark med hög DC- spänning redovisas i PCT/SE 99/00943, ”Vindkraftanläggning”.

Sammanfattningsvis sker detta genom att till de parallellkopplade 40 518 121 9 vindkraftgeneratorerna/likriktarna ute till havs ansluta en DC/DC- omvandlare med lågspänningssida mot likriktarna och med sin högspänningssida via en DC-transmissionslänk till en landbaserad växelriktare. DC/DC-omvandlaren är anordnad som en ”DC/DC- transformator”, dvs den skall växla upp likriktarnas likspänning till önskad DC-överföringsspänningsnivå. Detta innebär i sin tur att DC/DC-omvandlaren växlar ned den överförda strömmen i samma proportion, se ovan anförda referens. Summaström från likriktarna är således ej längre lika med strömmen i DC-transmissionsledet och växelriktarens ström. I en utföringsform av vindkraft- anläggningens havsbaserade del består likriktarna av passiva diodlikriktare i serie med en lokal step-uplikspänningsornriktare bestående av en drossel, seriekopplade IGBT-ventiler och seriekopplade dioder. DC/DC-omvandlaren kan också ha samma grundläggande utformning. När det gäller den landbaserade delen föredras att växelriktaren utgörs av ett spänningsstyvt sj älvkommuterat system. Ett sådant kan enligt nämnda PCT/SE- ansökan bestå av en kondensator kopplad parallellt över växelriktaren på DC-sidan och att induktorer kopplas i serie med varje fas på nätsidan.

Det är känt sedan publiceringen av WO 97/45919, ”Rotating eleectric machines With magnetic circuit for high voltage and method for manufactoring the same”S att hos roterande elmaskiner kan statorlindningen utformas för högspänning. Tekniken för att åstadkomma detta är baserad på att statorlindningen är utförd av en elektrisk ledare omgiven av ett isolationssystem innefattande ett inre halvledande skikt, en extruderad fast PEX/XLPE-isolering, dvs tvärbunden polyeten eller etenpropen, samt ett yttre halvledande skikt. En sådan isolerad ledare kallas allmänt och fortsättningsvis i denna ansökan ”kabel”. Med denna möjlighet ligger det nära tillhands att i vindkraft-sammanhang tillverka vindkraftgeneratorerna för högre isolationsspänning än de befintliga konventionella generatorerna på 10 - 12 kV. I princip är det därför möjligt att ersätta den elektromagnetiska upptransformering till t ex 100 kV som omtalats ovan samt även 518121 den DC/DC-omvandlare som anges i PCT/SE-ansökningen med högspända generatorer. Detta innebär dock att kostnaderna för strörnriktarna blir högre än för det relativt lågspända utförandet.

Det förutsätts enligt teknikens ståndpunkt att vindkraftverken skall parallellkopplas till DC-transmissionslänken.

Eftersom nämnda kabel spelar en väsentlig roll i rubricerade uppfinning skall här kort redogöras för de kablar som avses i ovan anförda WO 97/45919 patent och som har kommit till användning i en levererad växelspänningsgenerator. Denna kabel är, bortsett från yttre armering och skyddslager, motsvarande den kabel som i ett flertal decennier har använts som AC-transmissions- och distributionskabel, t ex s k XLPE isolerad AC-kabel.

De två halvledande skikten hos isolationssystemet fungerar potentialutj ämnande och reducerar på detta sätt risken för glimning.

Det inre skiktet skall vara i elektriskt ledande kontakt med den innanför skiktet liggande elektriska ledaren eller en del av denna för att få samma potential som denna. Både det inre och det yttre halvledande skiktet är intimt förbundet till den mellanliggande fasta isolationen. Det yttre skiktets funktion är att innehålla det elektriska fältet inom den fasta isolationen. Det yttre halvledande skiktet är anslutet till jordpotential. En viktig fördel i det sammanhanget är att det elektriska fältet är nära noll i härvändsregionen utanför det yttre halvledande skiktet. Det innebär att inga fältkoncentrationer kommer att uppträda i vare sig kärnan, i härvändsregionen eller i övergången mellan dem. En sådan lindning utförs med fördel med ökad isolation från statoms inre diameter räknad.

De kablar som har använts för HVDC-överföring både till lands och som kablar förlagda på havsbotten är av två typer. Den ena är en s k MIND-kabel vilket är en kabel där ledaren har en med tjockflytande olja impregnerad pappersisolation (Mass Impregnated Non Drained). Den andra kabeln är en pappersisolerad oljefylld kabel. Denna kabel är användbar för både AC- och HVDC- 40 518121 ll effektöverföring. Dessa kablar finns redovisade i ett flertal sammanhang, t ex i en broschyr ”Submarine Power Cables”, ABB SEHVC M-Ol2E från svenska' ABB.

Det har diskuterats att ersätta dessa DC-kablar med kablar som har samma isolationssystem som AC-transmissions- och distributions- kablar med ovan redovisade inre och yttre halvledande skikt och ett mellanliggande skikt av fast extruderad PEX. Det har visat sig att detta är ett svårt tekniskt problem eftersom den fasta extruderade isolationen på grund av DC-påkänningen måste ha andra isolationsegenskaper än de som behövs i en AC-kabel. I en artikel författad av P. Carstensen, K. Johannesson och A. Gustafsson: ”Extruded DC power cables and assessories for use in HVDC transmission systems” publicerad i ICC Fall Meeting 1999, pp 1 - 7 beskrivs dock en nyutvecklad kabel för detta ändamål.

Utvecklingen av samma kabel beskrivs också av M. Byggeth, K. Johannesson, C. Liljegren, U. Axelsson m fl i en artikel ”The development of an extruded HVDC cable system and its first application in the Gotland HVDC light project” publicerad i en rapport från Fifth International Conference on Insulated Power Cables 20-24 June, 1999, Versailles, France. Här beskrivs också dess användningi samband med en s k HVDC Light-anläggning.

Den med kabeln transmitterade effektens märkdata är 50 MW vid 80 kV och sker med en bipolär 72 km extruderad HVDC- kraftkabel. Överföring av elektrisk effekt via en växelströms högspänningsförbindelse kan också vara en attraktiv metod under vissa speciella förutsättningar. En anläggning för sådan överföring innefattar, förutom högspänningsförbindelsen, en anordning för genereríng av en växelström med en frekvens som är väsentligt lägre än den frekvens en växelström matad till anslutna slutförbrukare har. En sådan anläggning redovisas i patentansökan PCT/SE 99/00944, ”Vindkraftanläggning samt förfarande för reglering”. Vid väljande av aktuell frekvens för 40 518121 12 högspänningsförbindelsen tas hänsyn till förbindelsens längd, maximal överförbar effekt, nivån på den anläggningsspänning som högspänningsförbindelsen är anordnad att ligga på, högspänningsförbindelsens induktans och kapacitans.

Sammanfattningsvis väljs överföringsfrekvensen beroende av anläggningens elektriska förhållanden.

Som det har framgått har de redovisade exemplen på teknikens ståndpunkt visat hur man parallellkopplar flera generatorer med anslutna strömriktare, eventuellt efter att på olika sätt ha höjt likspänningen i samband med anslutningen till en gemensam DC- transmissionslinje.

Det finns dock en teknik med seriekopplade likströmsmaskiner som speciellt användes under 1900-talets första decennier. I kapitel 23 i en bok av Arnold la Cour: ”Die Gleichstrommaschine” Zweiter Band, Springer, Berlin 1927 beskrivs ”Serienkraftübertragungs- systeme mit veränderlichem und konstantem Strom”. Här refereras till två något olika system kallade ”Oerlikons Kraftübertragungs- system” och ”Thurys Kraftübertragungssystem”. Det omtalas här att 20 till 30 likströmsmaskiner med data 5000 V och 120 A seriekopplas för transmission vid 100 - 150 kV. I sådana system är det ett ”måste” att maskinerna isoleras upp från jordpotential och detta har skett genom mekanisk isolering.

Av detta kan man utläsa att de ingående likströmsmaskinerna i huvudsak hade arbetspunkter med lika stora effekter. Systemet var utrustat med synnerligen enkla ”ställdon” som bl a framgår av en beskrivning av ”Thury”-systemet som finns på sid 3 i ”Direct Current Transmission”, Vol 1, av E Wilson Kimbark. Här sägs att ”The system operated at constant current. The voltage of each machine in the HV series was regulated by shifting the brushesf' Likströmseffektöverföring under de första decennierna av 1900- talet omtalas också inledningsvis av E Uhlmann i ”Power Transmission by Direct Current”, Springer 1975. På sid 1 säger 40 518121 13 E Uhlmann att: ”Of the various direct current systems that existed around that period, the Thury system has become the best known.

The largest plant, which Thury built, was still in operation in France up to the thirties. By means of a cascade of series connected d. c. generators, mounted on insulators, a direct voltage of 57 kV was produced, a power of 4 MW was transmitted over a distance of about 180 km and at the far end, by means of a corresponding cascade of motor generators, the transmission voltage was reduced to the required consumer voltage level.” I US 4,057,736, ”Electrical power generation and distribution system” från mitten av 1970-talet, redovisas ett system som verkar som ett nyuppfinnande av det beskrivna Thury-systemet. Av patentskriftens Abstract framgår det att ” a plurality of relatively low voltage generating stations are connected in series to cumulatively produce the high voltage needed för long distance transmission line delivery. Power-generating devices of succesive stations are supported on insulative structures of progressively greater height and are driven or supplied with fuel through insulative means. The generating devices may take various forms including, for example, AC or DC generators driven through insulative drive shafts or fuel cells or magnetohydrodynamic devices supplied with fuel through insulative pipes, and the system is adaptable to large-scale power production from scattered energy sources as oil or natural gas wells, oil shale mines, geothermal steamwells, coal mines, solar energy sources or hydro-electrical installatins, for example. The stations may be adjacent, widely separated or vertically spaced apart within a single structure depending on the nature of the fuel source. Power may be converted to smaller voltages at the distribution region by coupling a plurality of electrical motors in series, each being supported on insulative structure, and each driving a generator through an insulative shaftf' Det framgår således av denna text och speciellt av figur 1 i nämnda US-patent att den transmitterade effekten och spänningen fördelas på ett antal seriekopplade motorer som får ta var sin del av transmissionsspänningen. 40 518121 14 Av detta US-patent framgår i övrigt av figurerna 2, 3, 4 och 5 att de enskilda seriekopplade maskinerna kan vara utformade för ett seriekopplat AC-system eller för ett seriekopplat DC-system. I det seriekopplade AC-systemet består maskinerna av AC-generatorer eventuellt med anpassningstransformator. I det seriekopplade DC- systemet kan maskinerna vara utformade som AC-generatorer med anpassningstransformator och strörnriktare eller att maskinerna är utformade som DC-generatorer. Det framgår i övri gt att när det gäller de DC-genererande delarna av en seriekoppling kan en eller flera av delarna vara utformade med parallellkopplade DC- energikällor.

De seriekopplade systemen som redovisas i US-patentet ger upphov till icke redovisade stora tekniska problem, som främst gäller vid seriekoppling av AC-maskiner. Vid seriekoppling av AC-maskiner finns problemet med att få dem att gå i synkronism såväl vad gäller generatorerna som motorerna i serielänken. Om de seriekopplade AC-maskinema ej går synkront kommer man att få en blandning av frekvenser i transmissionslänken med ökande förluster, stabilitetsproblem och pendlande moment som följd.

Några ställdon för att lösa härmed förknippade problem finns inte angivna, ej heller finns någon principiell beskrivning av hur dessa skall lösas. När det gäller AC-seriekoppling och speciellt ur isolations- och jordningssynpunkt verkar beskrivningen som om systemen enbart är anpassade för enfasi ga utföranden även om det talas om ”multiphase”. Enfassystem innebär att överföringarnas respektive distributionsledningarnas reaktanser blir en tiopotens högre än motsvarande för trefassystem med samma begränsningar i övrigt i överföringsförmågan.

När det gäller US-patentet och de seriekopplade DC-systemen med den ovan omtalade strörnriktaren anges att ”Rectifiers may utilize diodes, tyristors or the like in known circuit configurations Det framgår inte av beskrivningen om det finns ställdon för styrning/anpassning av tyristorernas spänning. Det 40 518121 verkar dock finnas någon form av ställdon, främst beträffande eventuell bortkoppling av delar av parallellkopplade energikällor för att kunna upprätthålla driften med reducerad effekttillgång.

Av texten i kolonn 9 i US-patentet, raderna 5 - 9 framgår det vidare att ”In some instances, the voltage step-up provided by the generators (l8a) of the several stations multiplied by the number of such stations may not equal the high voltage which is desired to apply to the transmission line.” Det verkar således som om systemet med seriekoppling är baserat på att samtliga genererande källor har samma spänning och med den gemensamma strömmen lika stora effekter.

Avslutningsvis kan som en komplettering, till vad som har anförts tidigare beträffande HVDC-överföringar, kort kommenteras att i dessa anläggningar/system seriekopplas ett antal, beroende på aktuell DC-spänningsnivå, såväl enskilda krafthalvledare som strömriktarmoduler som växelspänningsmatas från s k strömriktartransformatorer. Detta är transformatorer som är skilda från konventionella, oftast olj eisolerade, transformatorer på så sätt att lindningama ur isolationssynpunkt måste kunna tåla den höga DC-potential som de utsätts för. Exempel på detta framgår bl ai WO97/45907, ”Rotating electrical machine plants”.

I vissa sammanhang har s k DC-DC-omvandlare försetts med ett mellanliggande högfrekvent AC-led i form av ett transformatorarrangemang för att åstadkomma en galvanisk isolation mellan de båda DC-sidorna. En sådan omvandlare beskrivs bl a i en artikel ”Coaxially Wound Transformers for High- power High-Frequency Applications” presenterad i IEEE Trans on Power Electronics, VOL. 7. No. l, January 1992. En motsvarande DC-DC-omvandlare beskrivs i WO 91/07807, ”DC/DC power Transformer”. Det framgår inte av dessa dokument hur man har tänkt sig bemästra en hög isolationsnivå mellan de båda DC- sidorna ej heller hur den höga DC-potentialen relativt jord är tänkt bemästras. En DC-DC-omvandlare med ett mellanliggande AC-led 40 518121 l6 för den applikation som är tänkt i detta sammanhang avser en transformator med lindningar av den ovan relaterade extruderade HVDC-kraftkabeln eller eventuellt av den ovan nämnda MIND- kabeln.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN, FÖRDELAR Syftet med uppfinningen är att med ledning av det senaste decenniets utveckling av kraftelektroniska effektomvandlare åstadkomma elkraftsystem baserat på tillgång till ett antal nära varandra liggande mindre, relativt sett, genererande elkraftverk på ett icke oväsentligt avstånd från elkraftförbrukare.

Ett annat syfte med uppfinningen är att möjliggöra överföring av effekt från den havsbaserade delen av en vindkraftanläggning bestående av ett flertal vindkraftverk till den landbaserade delen av vindkraftanläggningen via en HVDC-transmíssionslinje, dvs en överföring baserad hög likspänningsnivå. Uppfinningen kan självfallet även kunna komma till användning vid sådan HVDC- transmission då även vindkraftverkens generatorer och strömriktare är landbaserade respektive då de genererande verken är godtyckligt placerade längs HVDC-linjen.

Som det har framgått av den redovisade teknikens ståndpunkt ligger det i tiden att låta transmission av havsbaserad vindkrafteffekt ske via lågfrekvent högspänningstransmission eller via DC- eller HVDC-transmission. Vid båda dessa redovisade transmissionsprinciper parallellkopplas, via olika metoder, de olika vindkraftverken till transmissionslinjen i fråga.

Tekniken med att använda seriekopplade effektkällor för högspänd transmission tillhör också den redovisade teknikens ståndpunkt. De redovisade referenserna för denna teknik beskriver dock system som vari användning fram till slutet av 1930-talet respektive i form av ett patent från mitten av 1970-talet. Karakteristiskt för dessa 40 518121 . | ~ n - . I ~ . » - en 17 system är att förbrukarna av den transmitterade effekten består i ett antal seriekopplade roterande elektriska maskiner som förbrukare vilka får ta upp var sin del av transmissionsspänningen. Det verkar vidare vara så att inga kända referenser finns tillgängliga som visar seriekopplade effektkällor i form av vindkraftverk.

Det senaste decenniets utveckling av kraftelektroniska komponenter och system innebär att principen med seriekopplade energikällor och seriekoppling av vindkraftverk i synnerhet har fått förnyad aktualitet.

I sin enklaste och principiella form består uppfinningen av ett elkraftsystem innefattande minst två elkraftverk, vart och ett bestående av en av en förnyelsebar energikälla driven AC-maskin, ansluten till en strörnriktare fungerande som en likriktare och att elkraftsystemet dessutom innefattar en DC-transrnissionslinje och en strömriktare fungerande som en växelriktare för vidarekoppling via en krafttransformator av en transmitterad effekt till ett distributions- eller transmissionsnät och att uppfinningen karakteriseras av att det bildas en serielänk bestående av en seriekoppling av likriktarnas utgångssidor och växelriktarens ingångssida via DC-transrriíssionslinjen.

Den väsentliga skillnaden mellan den parallellkoppling av ett antal elkraftverk/vindkraftverk som har beskrivits under teknikens ståndpunkt och den seriekoppling som sker enligt uppfinningen är att inför DC-transmissionen skall samtliga i elkraftsystemet ingående elkraftverk/vindkraftverk vid parallellkoppling bibringas till samma DC-spänning medan vid seriekoppling skall samtliga elkraftverk/vindkraftverk dimensioneras för den gemensamma märkströmmen och bibringas arbeta med samma DC-ström men generellt ej med samma DC-spänning.

Ett problem som en seriekoppling enligt ovan innebär är den högspända isolationsnivå relativt jord som uppstår på maskiner och strörnriktare. Det ingår som en integrerad del av uppfinningen att 518121 18 bemästra dessa problem med olika nya metoder relativt teknikens ståndpunkt. Dessa metoder innefattar användning av maskin- och transformatorlindningar med speciella kablar anpassade för högspänd likspänningspåkänning samt högfrekventa mellanled med transforrntorer i DC-DC-omvandlare. Högohmig jordning av DC-slingan och subsystem i vindkraftverken nyttjas för att begränsa felströmmarna vid jordfel.

RITNINGSF ÖRTECKN IG Figur la - le redovisar de strömriktarsymboler som kommer till användning i samband med beskrivning av uppfinningens utföringsformer.

Figur 2 visar i blockschemaform ett principiellt basutförande av uppfinningen, dvs ett högspänt, seriekopplat DC uppsamlings-, transmissions- och omvandlingssystem för elektriskt ivaratagande av vindenergi samt för överföring och inmatning av energin till ett AC-elkraftnät. Generellt för figur 2 och följande figurer gäller att - i uppfinningen ingår ett antal vindkraftverk med vardera en AC-maskin och en AC-DC-strörnriktare - genom successiv seriekoppling på DC-sidan formas en DC-slinga som - via en DC-kabel ansluts till en DC-AC-strömriktare vars AC-sida kopplas till ett AC-elkraftnät.

Figur 3 visar principiellt hur de till de roterande AC-maskinerna kopplade AC-DC-strömriktarna kan vara utformade med en intern DC-DC-strömriktare för anpassning till optimal ström eller märkeffekt hos vindkraftverken. 518121 19 Figur 4 visar hur DC-DC-strömriktaren enligt figur 3 kan vara utformad med ett internt relativt högfrekvent AC-mellanled för likströmsanpassning och galvanisk isolation.

Figur 5 visar hur den till AC-elkraftnätet anslutna DC-AC- strörnriktaren kan vara utförd med en intern DC-DC-strömriktare.

Fgur 6 visar hur den interna DC-DC-strömriktaren enligt figur 5 kan vara utformad med ett internt relativt högfrekvent AC- mellanled.

Figur 7 visar hur en vindkraftanläggning enligt uppfinningen kan bestå av vindkraftverk med olika utformning.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Som inledningsvis omtalat och som framgår av bifogade krav avser uppfinningen ett elkraftsystem som innefattar minst två elkraftverk, vart och ett innefattande en AC-maskin driven av en förnyelsebar energikälla. De utföringsformer som kommer att redovisas nedan visar uppfinningen applicerad på elkraftsystem i form av i vindkraftanläggningar/vindkraftverk. De visade utföringsformerna kan dock representera uppfinningen även när det, generellt sett, gäller förnyelsebara energikällor eftersom det enda som behövs är att ersätta drivningen av AC-maskinen med någon annan förnyelsebar energikälla.

Speciellt när det gäller vindkraftverk gäller att de drivna AC- maskinerna i föredragna utföringsformer är utförda som relativt långsamt roterande mångpoliga synkronmaskiner med frekvenser upp till tiotalet Hz. AC-maskinerna kan vara direktdrivna av vindturbinen eller så kan en enkel mekanisk växel förekomma inne i vindkraftverken mellan vindturbin och AC-maskin. 40 518121 De enskilda vindkraftverken i en vindkraftanläggning kan ha olika data vad avser märkeffekt, märkvarvtal, märkspänning osv. De kan arbeta vid olika arbetspunkter vad avser vindhastighet. För en vindkraftanläggning kan, vid en och samma tidpunkt, vindkraftverken drivas med olika hastighet beroende på att vindhastigheten kan variera inom olika delar av anläggningen.

Detta innebär att de olika AC-maskinerna kan komma att generera spänning med olika frekvens. Även om AC-maskinerna respektive anslutna AC-DC-strömriktare kan ha olika märkeffekt måste dock samtliga vara dimensionerade för den för vindkraftanläggningen gemensamma märkströmmen. Beroende på tillgång på vindkraft kan självfallet aktuell ström variera.

Som det har framgått både av ”Teknikens ståndpunkt” och ”Redogörelse för uppfinningen” utgör ”strörnriktare” en väsentlig del av uppfinningen. Det kan därför vara på sin plats att under den inledande delen av beskrivningen av uppfinningens olika utföringsformer ge en sammanfattande beskrivning av olika strömriktarkopplingar och deras huvudsakliga applikations- områden.

Den enklaste strömriktarkopplingen som kan komma till i användning är en-diodströmriktare. Eftersom den inte är styrbar krävs dock vid användning av en sådan strörnriktare andra reglerbara enheter.

Strömriktarkopplingar för stora effekter utförs för närvarande oftast med kiselbaserade tyristorer, s k SCR. Dessa kopplingar kräver ofta stora reaktiva effekter p g a att vs-nätets strömmar får stor fasförskj utning relativt dess spänningar. Detta innebär att dimensioneringen av strörnriktare och av maskiner för strörnriktarbaserade system förutom de rent aktiva effektflödena måste ta hänsyn till reaktiva effektflöden, dvs till reaktiva förluster i maskiners och vs-nätets reaktanser samt även till behov av faskompensering. 40 518121 21 Strömriktarkopplingar för medelstora effekter utförs för närvarande i allt högre grad med kiselbaserade transistorer. En fördel med sådana strörnriktarkopplingar är, så som även beskrivet under teknikens ståndpunkt, att problemen med reaktiva effekter och övertoner kan undvikas genom att nyttja s k självkommuterade kopplingar. Denna typ av strörnriktarkopplingar är således synnerligen lämpad för de effektområden som ryms inom ramen för de elkraftsystem som innefattas i uppfinningen. De utförs idag främst med krafthalvledare som GTO, IGBT och IGCT.

Kopplingarna som nyttjas kan generellt utföras med alla släckbara krafthalvledare.

Som framgått av ritningsförteckningen redovisar figur la - le de strömriktarsymboler som kommer till användning i samband med beskrivning av uppfinningens utföringsformer. Här gäller att figur la avser omvandling från AC till DC, dvs vs-ls-omvandling figur lb avser omvandling från DC till AC, dvs ls-vs-omvandling figur lc avser omvandling från AC till AC, dvs vs-vs-omvandling figur ld avser omvandling från DC till DC, en direkt omvandling av en likspänning till en annan likspänning, dvs ls-ls-omvandling figur le avser omvandling från DC till DC via AC, en indirekt omvandling av en likspänning till en annan likspänning med ett växelspänningsmellanled, dvs ls-ls-omvandling.

En föredragen principiell utföringsform av uppfinningen framgår av figur 2. Figuren visar ett elkraftsystem bestående av ett antal elkraftverk/vindkraftverk. I den exemplifierade utföringsformen består elkraftsystemet av ett antal vindkraftverk 1, L, _., N, vart och ett innefattande en vindturbin 2a 2n, en AC-maskin 3a 3n och en AC-DC-strörrlriktare 4a 4n. Den i figuren streckade delen ”L” indikerar att det kan finnas ett antal vindkraftverk mellan 40 518121 | v Q - ø u ø u ; | n oc 22 vindkraftverken 1 och N. I enlighet med uppfinningen visar figuren hur strörnriktarnas DC-sidor seriekopplas. Den i vindkraftverket genererade effekten överförs via en DC-transmissionslinje 7 företrädesvis bestående av två extruderade HVDC-kraftkablar till en DC-AC-strömriktare 8 arbetande som en växelriktare för vidarekoppling av den genererade effekten via en krafttransformator 9 till ett distributions- eller transmissionsnät.

För att en utföringsform enligt figur 2 skall fungera förutsätts att AC-maskinerna är försedda med magnetiseringlindningar för reglering av den genererade AC-spänningen.

Det finns en stor valfrihet när det gäller val av AC-DC-strömriktare 3a .. 3n. De kan vara utformade som diodströmriktare, tyristorströmriktare eller med kiselbaserade transistorer. Med ledning av vad som har redovisats tidigare utgör strörnriktarkoppling med kiselbaserade transistorer en föredragen utföringsform. Som det kommer att framgå nedan kan de enskilda vindkraftverken i vindkraftanläggningen vara utformade med olika, och från varandra skilda utföranden av strömriktarkopplingar för AC-DC-strömriktarna 4a .. 4n.

När det gäller växelriktaren 8 kan den också vara baserad på tyristorströmriktare eller strömriktare med kiselbaserade transistorer. Även här är utföringsformen med kiselbaserade transistorer en föredragen utföringsform.

Problematiken kring AC-maskinernas norninella spänning och kraven på AC-maskinernas högspända isolationsnivå relativt jord kan enligt uppfinningen bemästras genom att maskinen lindas med den tidigare nämnda extruderade HVDC-kraftkabeln. Ett annat alternativ inom ramen för uppfinningen är att AC-maskinen lindas med den tidigare nämnda MIND-kabeln. Ytterligare ett alternativ för att bemästra detta problem kommer att redovisas i samband med beskrivning av nedanstående utföringsformer. 518121 23 I figur 3 visas en alternativ utföringsform som utgör en komplettering av vindkraftverken enligt figur 2 med var sin DC-DC-omvandlare Sa .. Sn. Denna utföringsform medger att AC-maskinerna förutom att vara försedda med magnetiseringlindningar kan utformas med permanenta magneter, dvs som s k PM-maskiner. Förutsättningarna när det gäller den högspända isolationen relativt jord hos AC-maskiner och strörnriktare är desamma som de som gäller för utföringsformema enligt figur 2. l figur 4 visas ytterligare en utföringsform som innebär att kraven på högspänd isolationsnivå relativt jord hos AC-maskiner och anslutna strömriktare i stort sett bortfaller. Detta förutsätter att dei figur 3 redovisade DC-DC-omvandlarna Sa .. Sn ersätts av DC-DC- omvandlare 6a .. 6n med det tidigare omtalade mellanliggande högfrekventa AC-ledet i form av ett transformatorarrangemang för att åstadkomma en högspänd isolationsnivå mellan de båda DC- sidorna. I transformatorerna har därvid ovannämnda extruderade HVDC-kraftkabel kommit till användning på DC-länkens högspända sida och den ovan nämnda extruderade AC-kraftkabeln på den jordade lågspänningssidan.

En utföringsform enligt figur S är en variant på utföringsforment enligt figur 2 kompletterad med en DC-DC-omvandlare 10 placerad vid eller integrerad med DC-AC-strömriktaren 8 för växelriktning. Fördelen med detta arrangemang är att driften i viss mån kan upprätthållas även då vindkraftverkens summaspänning blir lägre än den som behövs för att kunna leverera effekt till distributions- eller transmissionsnätet. Detta är t ex fallet när AC- maskinerna 3a .. 3n ansluts till AC/DC-strömriktarna 4a .. 4n utförda med dioder medan DC/AC-strömriktaren 8 mot elkraftnätet är utförd med självkommuterade IGBT-ventiler och dioder. För detta fall blir vid låg vind summautspänning från strömriktarna 4a .. 4n lägre än utspänningen från strörnriktare 8 varför en step- down AC-ströriktare 10 behövs. Kraven på AC-maskiners och 40 518121 24 strörnriktares högspända isolationsnivå relativt jord är de samma som för utföringsformer enligt figurerna 2 och 3.

I en utföringsform enligt figur 6 har DC-DC-omvandlaren 10 i figur ersatts av en DC-DC-omvandlare 11 med det tidigare omtalade mellanliggande högfrekventa AC-ledet i form av ett transformatorarrangemang för att åstadkomma en högspänd isolationsnivå mellan de båda DC-sidorna. Fördelarna med detta arrangemang är desamma som relaterats med DC-DC-omvandlaren i figur 5 samt att extra isolation, spännings-anpassning m m före inmatningen via strörnriktaren 8 till elkraftnätet behövs. Kraven på AC-maskiners och strömriktares högspända isolationsnivå relativt jord är även vid detta arrangemang desamma som för utföringsformer enligt figurerna 2 och 3.

Figur 7 visar ett exempel på hur en vindkraftanläggnings olika vindkraftverk kan vara utformade. Vindkraftverk 1 motsvarar den i figur 2 redovisade utföringsformen. Vindkraftverk ”K” motsvarar den i figur 3 redovisade utföringsforrnen och vindkraftverken ”L” kan vara utformade som vilka som helst av de i figur 2 - 6 visade utföringsformerna. Vindkraftverk N motsvarar den i figur 4 redovisade utföringsformen. Vindkraftverk ”M” visar en variant på vindkraftverken enligt figur 1 där. man har försett vindkraftverket med en mekanisk växel 12m mellan vindturbin och AC-maskin samt att en transformator 13m har införts mellan AC-maskin och strörnriktare 4m. Vindkraftverket ”M” indikerar också hur AC- maskinen kan jordas via ett högohmi gt motstånd l4m i AC- maskinens neutralpunkt. Transmissionslinjen mellan vindkraftverken och växelriktarstationen 8 kan bestå av två extruderade HVDC-kraftkablar 7' och en luftlinje 7” . Systemet kan som visats även jordas i krafttransformatorn 9 via ett högohmigt motstånd 15m. Figur 7 indikerar dessutom hur den producerade vindkraftenergin kan transporteras vidare till ett avlägset distributions- eller transmissionsnät. Vindkraft- verket/vindkraftverken ”M” kan mycket väl vara vindkraftverk som tidigare var anslutet/anslutna till ett 3-fas AC-nät. 40 518121 Ytterligare andra snarlika utföringsformer, t ex genom andra kombinationer av utföranden enligt figurerna samt genom intern serie- och eller parallellkoppling av strömriktare och/eller krafthalvledare, ligger inom ramen för uppfinningen.

Claims (31)

10 20 25 30 35 518121 26 PATENTKRAV

1. l. Elkraftsystem innefattande minst två elkraftverk, vart och ett innefattande en AC-maskin (3a .. 3n) driven av en förnyelsebar energikälla (2a .. 2n) och att AC-maskinen är ansluten till en strörnriktare (4a .. 4n) fungerande som en likriktare och att elkraftsystemet innefattar en HVDC-transmissionslinje (7) för överföring av elkraftverkens producerade effekt, k ä n n e t e c k n a t av att elkraftsystemet ytterligare innefattar en strörnriktare (8) fungerande som en växelriktare för vidarekoppling via en krafttransformator (9) av den med HVDC- transmissionslinjen överförda effekten till ett distributions- eller transmissionsnät och att det bildas en serielänk bestående av en seriekoppling av likriktarnas utgångssidor och växelriktarens ingångssida via HVDC-transrnissionslinjen.

2. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att de förnyelsebara energikällorna (2a .. 2n) kan ha olika märkeffekter och arbetspunkter.

3. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att AC-maskinerna (3a .. 3n) och de anslutna strömriktarna (4a .. 4n) kan ha olika märkeffekt, märkspänning och märkvarvtal.

4. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att samtliga AC-maskiner (3a .. 3n) och anslutna strömriktare (4a .. 4n) skall vara dimensionerade för en för elkraftsystemet gemensam märkström.

5. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den förnyelsebara energikällan kan vara vindkraft, rninihydrokraft, geotermisk kraft eller solceller.

6. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den till AC-maskinen (3a ..3n) anslutna strörnriktaren (4a .. 4n) är 10 20 25 30 35 518121 27 anordnad som en högspänd AC/DC-kraftelektronisk effektomvandlare utformad med IGBT, IGCT, GTO eller SCR.

7. Elkraftsystem enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t av att DC-transmissionslinjen (7) är anordnad som en HVDC- transmísssionslinje.

8. Elkraftsystem enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t av att strörnriktaren fungerande som en växelriktare (8) är anordnad som en högspänd DC/AC-kraftelektronisk effektomvandlare.

9. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att vidarekopplingen av den med DC-transmissionslinjen (7) överförda effekten till ett distributions- eller transmissionsnät sker via en till växelriktaren ansluten krafttransformator (9).

10. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 8, k ä n n e t e c k n a t av att den högspända DC/AC-kraftelektroniska effektomvandlaren anordnad som växelriktare är utförd med sj älvkommuterade halvledarventiler.

11. ll. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 8, k ä n n e t e c k n a t av att den högspända DC/AC-kraftelektroniska effektomvandlaren (8) anordnad som en växelriktare är pulsbreddsmodulerad.

12. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 8, k ä n n e t e c k n a t av att den högspända DC/AC-kraftelektroniska effektomvandlaren (8) anordnad som en växelriktare är utförd med nätkommuterade halvledarventiler.

13. Elkraftsystem enligt patentktav 1 och 6, k ä n n e t e c k n a t av att den till AC- generatorn anslutna strömriktaren (4a .. 4n) anordnad som en AC/DC-kraftelektronisk effektomvandlare kan vara utförd med en intern DC/DC-strörnriktare (Sa ..5n) , för likströmsanpassning till DC-seriekopplingens optimala strömnivå 10 20 25 30 35 518121 28 vid olika märkeffekter eller olika arbetspunkter hos de förnyelsebara energikällorna.

14. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 13, k ä n n e t e c k n at av att den interna DC/DC-strörririktaren (5a .. Sn) är pulsbreddsmodulerad.

15. Elkraftsystem enligt patentktav 1 och 6, k ä n n e t e c k n a t av att den till AC-generatorn anslutna strömriktaren (4a .. 4n) anordnad som en AC/DC-kraftelektronisk effektomvandlare kan vara utförd med en intern DC/DC-strömriktare (6a ..6n) med isolerande AC-mellanled, för likströmsanpassning till DC- seriekopplingens optimala strömnivå vid olika märkeffekter eller olika arbetspunkter hos de förnyelsebara energikällorna samt för att åstadkomma en högspänd isolationsnivå.

16. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och15, k ä n n e t e c k n a t av att den interna DC/DC-strömriktaren (6a .. 6n) i den AC/DC- kraftelektroniska effektomvandlaren är pulsbreddsmodulerad.

17. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 8, k ä n n e t e c k n a t av att den högspända DC/AC-kraftelektroniska effektomvandlaren (8) anordnad som en växelriktare kan vara utformad med en DC/DC- strömriktare (10) för spänningsanpassning till den högsplända DC/AC-kraftelektroniska effektomvandlaren.

18. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 ochl7, k ä n n e t e c k n a t av att DC/DC-strömriktaren (10) för spänningsanpassning till den högspända DC/AC-kraftelektroniska effektomvandlaren (8) är pulsbreddsmodulerad.

19. Elkraftsystem enligt patentkrav l och 8, k ä n n e t e c k n a t av att den högspända DC/AC-kraftelektroniska effektomvandlaren (8) anordnad som en växelriktare kan vara utformad med en DC/DC- strömriktare (11) med isolerande AC-mellanled, för 10 15 20 25 30 35 40 518121 29 spänningsanpassning till den högspända DC/AC-kraftelektroniska effektomvandlaren.

20. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och19, k ä n n e t e c k n a t av att DC/DC-strörnriktaren (11) för spänningsanpassning till den högspända DC/AC-kraftelektroniska efffektomvandlaren (8) är pulsbreddsmodulerad.

21. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e e k n a t av att AC-maskinerna (3a .. 3n) är utförda för en nominell fasspänning på 1 - 10 kV.

22. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att AC-maskinerna (3a .. 3n) är isolerade för minst 40 kV mot jord.

23. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 8, k ä n n e t e c k n a t av att den högspända DC/AC-kraftelektroniska effektomvandlaren (8) anordnad som växelriktare är utförd för en norninell likspänning på minst +/- 20 kV och företrädesvis för +/- 50 kV.

24. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att serielänken är högohmigt jordad i en punkt.

25. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 7, k ä n n e t e c k n a t av att kraftransformatorn (9) är högohmigt jordad i dess neutralpunkt.

26. Elkraftsystem enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att AC-maskinerna (3a .. 3n) är lindade med en extruderad HVDC-kraftkabel.

27. Elkraftsystem enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t av att AC-maskinerna (3a .. 3n) är lindade med en MIND-kabel. 10 20 25 30 35 40 518121 30

28. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 14 eller 16, k ä n n e t e c k n a t av att de isolerande AC-mellanleden innefattar transformatorer.

29. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 24, k ä n n e t e c k n at av att transformatorerna är lindade med en extruderad HVDC- kraftkabel.

30. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 24, k ä n n e t e c k n at av att transforrnatorerna är lindade med en MIND-kabel.

31. Elkraftsystem enligt patentkrav 1 och 24, k ä n n e t e c k n at av att de isolerande AC-mellanledens norninella arbetsfrekvens är större än 60 Hz.