AT502497B1 - Unterbrechungsfreies stromsystem - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein System, insbesondere unterbrechungsfreies Stromsystem, zur kurzzeitigen elektrischen Stromversorgung eines an ein elektrisches Netz, insbesondere an einen Wechselstromanschluss eines öffentlichen elektrischen Netzes, anschließbaren Verbrauchers, wobei das System eine mit einer hydraulisch betreibbaren Turbine verbundene Generatorein-5 richtung zur Erzeugung einer Gleichspannung in einem Gleichstromkreis aufweist.

Systeme dieser Art werden als Notstromversorgungen oder Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) für sensible Verbraucher verwendet. Bekannte Systeme sind aufgrund der hohen Anforderung an die Zuverlässigkeit mit einem hohen Aufwand der Instandhaltung und Wartung io verbunden. Die Notstrom-Anlagen sind typischerweise für Monate oder sogar Jahre nicht in Betrieb, müssen dennoch bei Bedarf innerhalb sehr kurzer Zeit, meist weniger Sekunden, aktivierbar sein. Häufig führt umgekehrt die Vernachlässigung der Wartung in der Vergangenheit zu Fehlfunktionen im Ernstfall. 15 Energiespeicher, die für Notstromversorgungen geeignet und nahezu wartungsfrei sind, sind gegenwärtig nicht bekannt. Ein bekannter Typus verwendet Batterien (z.B. Blei-Akkumulatoren). Damit ist die Realisierung einer USV möglich, jedoch ist die Überbrückungszeit, die durch Batterien gewährleistet werden kann, stark begrenzt. Außerdem ist der Wartungsaufwand hoch, und die Batterien müssen in regelmäßigen Abständen erneuert werden. Eine weitere bekannte 20 Notstromversorgung basiert auf Schwungradgeneratoren, bei denen kinetische Energie in einer großen rotierenden Masse gespeichert wird, die bei Bedarf (Netzausfall) über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt und in den betreffenden Stromkreis eingespeist werden. kann. Auch dadurch kann eine USV realisiert werden, jedoch mit sehr begrenzter Überbrückungszeit. 25

Mit Dieselgeneratoren dagegen können auch sehr große Verbraucher über einen langen Zeitraum versorgt werden; allerdings erfordern Verbrennungsmotoren besondere bauliche Infrastrukturen, nämlich zumindest ein Kraftstofftank, Abgasleitungen sowie Lärm- und Vibrationsdämpfende Einrichtungen. 30

Die DE 2915 531 A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung von Strom unter Nutzung des überschüssigen Drucks einer Rohrleitung, z.B. Trinkwasserleitung, zur Speisung einer Batterie und Versorgung von Gleichstrom verbrauchenden Einrichtungen. 35 Es ist Aufgabe der Erfindung, die Sicherstellung der elektrischen Versorgung von Verbrauchern mit geringerem Energieverbrauch, nämlich im einstelligen kW-Bereich, durch eine Überbrückung von Netzausfällen eines Wechselstromnetzes, insbesondere eines öffentlichen Netzes, zu verbessern. Insbesondere soll ein Verfahren zur Notstromversorgung solcher Verbraucher ermöglicht werden. 40

Die Aufgabe wird durch ein System der eingangs genannten Art gelöst, das neben der erwähnten mit einer hydraulisch betreibbaren Turbine verbundenen Generatoreinrichtung zur Eizeugung einer Gleichspannung in einem Gleichstromkreis eine an den Gleichstromkreis angeschlossene Speisungseinrichtung hat, die mittels eines eingangsseitig an den Glerchstromkreis 45 angeschlossenen Wechselrichters realisiert ist, der ausgangsseitig auf den als Wechselstromanschluss eines öffentlichen Elektrizitätsnetz realisierten Netzanschluss des Verbrauchers zu dessen elektrischer Versorgung zuschaltbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung gelingt eine USV eines Wechselstromverbrauchers unter so Ausnutzung des hydraulischen Drucks eines Flüssigkeitsreservoirs oder entsprechenden Flüssigkeitsversorgung. Solche Reservoirs können mit geringem Aufwand erstellt werden, oder stehen häufig bereits für andere Anwendungen zur Verfügung - z.B. Kühl- oder Löschwasserreservoirs. Auch könnte grundsätzlich der Druck eines öffentlichen Wasserleitungssystems verwendet werden (soweit dies durch den jeweiligen Wasserversorger gestattet wird). 55 3 AT 502 497 B1

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Komponenten vorgesehen, und zwar mit einem Netzwächter zur Überwachung der Spannung des öffentlichen elektrischen Netzes, wobei die Steuereinrichtung mit einem Steuereingang eines Ventils im Wasserversorgungsstrang (Zulauf und/oder Ablauf) der Turbine 5 verbunden und dazu eingerichtet ist, im Fall eines Spannungsabfalls im Netz das Ventil zu öffnen. Es ist weiters günstig, wenn die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, im Fall eines Spannungsabfalls im Netz über einen steuerbaren Umschalter die elektrische Versorgung des Verbrauchers auf den Ausgang des Wechselrichters zu schalten. io Um eine bessere Überbrückung der Anlaufzeit zu erreichen, ist ein mit dem Gleichstromkreis verbundener Gleichstromsspeicher, insbesondere eine Batterie oder ein (reversibler) Pufferkondensator, vorteilhaft, die mittels eines Ladegeräts beladbar ist.

Außerdem ist es wegen der geringeren Wartungsanforderungen günstig, wenn die Generator-15 einrichtung als von der Turbine antreibbarer Wechselstrom-Generator mit nachgeschalteter Gleichrichtereinrichtung realisiert ist.

Zum Antrieb der Turbine kann eine Wasserversorgung vorgesehen sein, die aus einem Wasserreservoir und/oder aus einer öffentlichen Wasserleitung gespeist ist. 20

Die Erfindung samt weiterer Vorzüge wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die beigefügten Zeichnungen herangezogen werden. Die Zeichnungen zeigen: 25 Fig. 1 eine schematische Übersicht des ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 eine Variante des Ausführungsbeispiels mit einem Gleichstrom-Generator; und Fig. 3 eine schematische Übersicht eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Eine Hilfsstromversorgung HV für Wechselstrom-Verbraucher VB gemäß der Erfindung ist in 30 Fig. 1 gezeigt. Der Verbraucher VB ist über einen Anschluss EA an das öffentliche Elektrizitätsnetz ENT angeschlossen. Zur Sicherung der Stromversorgung des Verbrauchers im Falle eines Ausfalls des Stromnetzes ENT ist der Verbraucher VB mittels eines steuerbaren Umschalters US auf eine Hilfsstromversorgung HV nach der Erfindung schaltbar. Die wesentlichsten Komponenten der Hilfsstromversorgung HV sind eine wassergetriebene Turbine WT, eine Gleich-35 Stromversorgung DS und ein Wechselrichter WR, deren Betrieb durch eine Steuereinheit STE gesteuert wird; weitere Komponenten gehen aus der Diskussion der erfindungsgemäßen Versorgung HV im Folgenden hervor.

Die Steuereinheit STE überwacht das Elektrizitätsnetz ENT mittels eines Netzwächters NW, der 40 der Steuereinheit STE ein Überwachungssignal ws liefert. Fällt das Netz ENT aus, so werden die Wasserturbine WT und der Wechselrichter WR aktiviert; zugleich wird der Verbraucher VB mittels des Umschalters US auf den Ausgang des Wechselrichters WR geschaltet, wodurch die Stromversorgung des Verbrauchers für die Dauer des Netzausfalls gewährleistet wird. Die Steuereinheit ist z.B. mittels einer internen Batterie oder (vorzugsweise) eines Pufferkondensa-45 tors als autarke Elektronik realisiert. Alternativ kann die Steuereinheit mittels passiver Schalter (z.B. mittels eines im stromlosen Zustand schließenden Relais) derart ausgeführt sein, dass der bei Ausfall des Netzes ENT eintretende stromlose Zustand einem Aktivierungssignal z.B. für den Wechselrichter entspricht (negative Ansteuerung); entsprechend ist das Ventil WV günstiger Weise im Ruhezustand geöffnet. 50

Die Wasserturbine WT ist an eine Wasserversorgung WF angeschlossen, im Bedarfsfall - insbesondere bei Ausfall des Elektrizitätsnetzes ENT - kann die Wasserversorgung WF über im Zu- und/oder Ablauf der Wasserturbine geschaltete Ventile TV, WV aktiviert werden. Die Wasserversorgung wird z.B. von einem Wasserreservoir WRES gespeist (dessen Zulauf nicht 55 gezeigt ist); auch die Speisung durch die öffentliche Wasserversorgung WVS oder eines natürli- 4 AT 502 497 B1 chen Wasserreservoirs (Speichersee) ist grundsätzlich möglich.

Die Wasserturbine kann z.B. in den Zulaufkreis der Wasserversorgung eines größeren Wasserverbrauchers W1 geschaltet sein (Haus-Wasserversorgung). Dadurch ist auch für die Zeitperio-5 den zwischen den Einsatzfällen ein steter, zumindest geringfügiger Wasserstrom durch die Turbine WT gegeben, die somit auch im Leerlauf in (geringer) Bewegung bleibt, um einem Festfahren der Turbine oder anderen Wartungsproblemen vorzubeugen. Im Bedarfsfall wird das Ventil WV geöffnet, wodurch die erforderliche große Wassermenge durch die Turbine WT fließen kann (unabhängig vom Verbrauch im Wasserverbraucher W1); zugleich kann mittels des io Dreiwegventils TV vom öffentlichen Wasserversorgernetz WVS auf das Reservoir WRES umgeschaltet werden, falls erforderlich um das Wasserversorgungsnetz nicht unnötig zu belasten. In Fig. 1 ist außerdem ein Bypassweg der Wasserturbine WT mit Bypassventil BV gezeigt, beispielsweise um für Wartungszwecke, die Wasserturbine im Wasserversorgungsstrang WF kurzzuschließen. 15

Mittels der Wasserturbine WT wird ein Wechselstrom-Generator ACG angetrieben, und die von ihm erzeugte Wechselspannung wird mittels eines Gleichrichters RR in eine Gleichspannung umgesetzt, mit der ein Gleichstromkreis DN gespeist wird. Der Generator ACG und der Gleichrichter RR bilden somit eine Notfall-Gleichstromversorgung DS des Gleichstromkreises DN. An 20 den Gleichstromkreis ist der Eingang eines Wechselrichters WR gelegt. Der Wechselrichter WR ist für den Inselbetrieb ausgelegt und erzeugt aus der Wechselspannung, deren Frequenz in Abhängigkeit von den Verhältnissen der Wasserspeisung schwanken kann, eine stabile Ausgangsspannung mit definierter Spannungshöhe und Frequenz an der Schnittstelle EIF zum Netzanschluss EA des Verbrauchers VB. 25

In einer in Fig. 2 gezeigten Variante der Gleichstromversorgung DS' wird ein Gleichstrom-Generator DCG verwendet. Eine Entkoppeldiode ED verhindert Rückwirkungen des Gleichstromkreises auf den Generator DCG. Im übrigen entspricht diese Variante dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1. 30

Durch die rasche Verfügbarkeit - typischerweise innerhalb 1 bis 2 Sekunden - der Energie aus der Wasserturbine WT ist es möglich, die Anlaufzeit der Turbinen mittels geeignet ausgelegter Zwischenkreis-Kondensatoren PK zu überbrücken, die am Eingang des Wechselrichters geschaltet sind. Soll die Zeitspanne zwischen dem Erkennen des Netzausfalles und der Hochlauf-35 zeit der Turbine WT ebenfalls überbrückt werden, so ist der Pufferkondensator PK entsprechend größer auszuführen. Weiters ist eine Rückspeisediode RSD und ein Ladegerät LG vorgesehen, um die Kondensatoren PK ständig auf Ladespannung <z.B. 24 V) zu halten. Das Ladegerät LG wird zweckmäßiger Weise vom öffentlichen Netz ENT aus betrieben, da es im Ernstfall ohnehin außer Betrieb zu nehmen ist; bei Bedarf kann auch das Ladegerät über die 40 Steuereinheit STE angesteuert sein. Für den Pufferkondensator PK können beispielsweise Ultra-Cap-Kondensatoren (Firma EPCOS) verwendet werden, um die erforderliche Kapazität zur Überbrückung der Anlaufzeit zu realisieren. Kondensatoren dieser Art stellen Kapazitäten im Bereich von z.B. 4,7 F bis 2700 F 45 bei einer Zellenspannung von 2 V zur Verfügung, und haben zudem den Vorteil eines sehr geringen Innenwiderstands. Für eine Pufferung einer Gleichspannung von 24 V über 3 Sekunden mit 1 kW wäre ein Puffer PK mit Ultra-Cap-Kondensatoren realistisch, der einen Platzverbrauch von lediglich einigen Litern hätte. so Durch das Auslegen der Pufferkondensatoren als kurzzeitiger Energiespeicher ist es möglich, dass der Wechselrichter WR im Leerlauf hochfahren kann und dessen Startsequenz ohne Verzögerungen durchlaufen werden kann.

Die Erfindung kann auch für die Überbrückung von Netzausfällen anderer Netze als öffentlicher 55 (Wechselstrom-)Netze verwendet werden. Auch die Überbrückung für Gleichstromnetze, insbe-

Claims (6)

1. 5 AT 502 497 B1 sondere unterbrechungsfreier Stromversorgungen ist möglich, wie im Folgenden beschrieben ist. Fig. 3 zeigt eine Gleichstrom-Hilfsstromversorgung GV nach der Erfindung für an ein Unterbre-5 chungsfreies Stromnetz UNT einer USV-Anlage UV1 angeschlossene Verbraucher VD (Gleichstromanschluss UA). Wie bei der oben behandelten Hilfsstromversorgung HV ist auch hier eine Wasserturbine WT (nicht gezeigt) mit einer Gleichstromversorgung DS und einem Gleichstromkreis DN' vorgesehen, die von einer Steuereinheit STE gesteuert werden. Über eine Gleichstromschnittstelle DIF kann im Bedarfsfall durch die Hilfsversorgung GV Gleichspannung in das io Stromnetz UNT gespeist werden. Die Einspeisung ins Gleichstrom-Netz UNT erfolgt aus der Gleichspannung des Gleichstromkreises DN über eine Speisungseinrichtung SPE (die an die Stelle des Wechselrichters WR des Wechselstromfalles tritt). In diesem Beispiel ist angenommen, dass die von der Gleichstromversorgung DS gelieferte 15 Gleichspannung der Gleichspannung des Netzes UNT entspricht, weshalb die Speisungseinrichtung einfach mittels einer Entkoppeldiode KD realisiert werden kann. Diese Dioide KD verhindert, dass die USV-Anlage UV1 im normalen Netzbetrieb durch die Anwesenheit des Gleichstromkreises DN' und des dort angeschlossenen Puffersystems PK' beeinflusst wird, und schütz auch die Kondensatoren des Puffers PK' vor möglicher Weise vorhandenen Welligkeiten des 20 Netzes UNT. Anderenfalls kann in der Speisungseinrichtung SPE beispielsweise mittels eines Gleichspannungswandlers (DC-DC-Wandler) die für im Netz UNT nötige Spannung erzeugt werden. Die Steuereinheit schaltet die Turbine zu, wenn der aus dem Gleichstromkreis DN entnommen 25 Strom über eine Ruheschwelle ansteigt. Dies wird beispielsweise mittels eines Shunt-Widerstands SW gemessen, der in diesem Beispiel in der Speisungseinrichtung realisiert ist. In einer Variante kann ein Überwachungssignal ws' auch von der USV-Anlage UV1 geliefert werden; in diesem Fall wird die Turbine zugeschaltet, wenn die USV-Anlage anzeigt, dass sie keine stabile Gleichspannung mehr liefern (gewährleisten) kann. 30 Im Übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel einer Gleichstrom-Hilfsstromversorgung GV der anhand der Fig. 1 und 2 behandelten Hilfsstromversorgung HV. Die Erfindung eignet sich besonders für Verbraucher-Anlagen im einstelligen kW-Bereich, wobei 35 als besonderer Vorteil der Erfindung auch Wechselrichter bekannter Art verwendet werden können. Insbesondere können für den Einsatz in Solaranlagen konzipierte Wechselrichter, wie z.B. ein SITOP-Gerät der Anmelderin, verwendet werden, die ebenfalls für die Einspeisung von Wechselstrom in ein Wechselstromnetz im Inselbetrieb ausgelegt sind. 40 Patentansprüche: 1. System (HV), insbesondere unterbrechungsfreies Stromsystem, zur kurzzeitigen elektrischen Stromversorgung eines an ein elektrisches Netz (ENT) anschließbaren Verbrau-45 chers (VB, VD), wobei das System eine mit einer hydraulisch betreibbaren Turbine (WT) verbundene Generatoreinrichtung (DS) zur Erzeugung einer Gleichspannung in einem Gleichstromkreis (DN) aufweist, gekennzeichnet durch eine an den Gleichstromkreis (DN) angeschlossene Speisungseinrichtung (SPE, WR), die so mittels eines eingangsseitig an den Gleichstromkreis (DN) angeschlossenen Wechselrich ters (WR) realisiert ist, der ausgangsseitig zur elektrischen Versorgung des Verbrauchers (VB) auf den als Wechselstromanschluss (EA) eines öffentlichen Elektrizitätsnetz (ENT) realisierten Netzanschluss des Verbrauchers (VB) zuschaltbar ist.
2. 2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (STE) mit einem 6 AT 502 497 B1 Netzwächter (NW, SW) zur Überwachung der Spannung des elektrischen Netzes (ENT), wobei die Steuereinrichtung mit einem Steuereingang eines Ventils (TV, WV) im Wasserversorgungsstrang (WF) der Turbine (WT) verbunden und dazu eingerichtet ist, im Fall eines Spannungsabfalls im Netz (ENT) das Ventil (WV) zu öffnen. 5
3. 3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, im Fall eines Spannungsabfalls im Netz (ENT) über einen steuerbaren Umschalter (US) die elektrische Versorgung des Verbrauchers (VB) auf die Speiseeinrichtung (WR, KD) zu schalten. 10
4. 4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen mit dem Gleichstromkreis (DN) verbundenen Pufferkondensator (PK), der mittels eines Ladegeräts (LG) beladbar ist.
5. 5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Generator einrichtung (DS) als von der Turbine antreibbarer Wechselstrom-Generator (DCG) mit nachgeschalteter Gleichrichtereinrichtung (RR) realisiert ist.
6. 6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der 20 Turbine (WT) eine Wasserversorgung vorgesehen ist, die aus einem Wasserreservoir (WRES) gespeist ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 25 30 35 40 45 50 55