CN103650283B - 蓄能器装置和交变负载用电设备 - Google Patents

蓄能器装置和交变负载用电设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于与供电系统（2）交换电功率的电负载（4）的蓄能器装置（8），其具有两个用于与负载（4）和供电系统（2）并联的接头（6a，b）和在接头（6a，b）之间接入的、施加电压的、包含蓄能器（12）的变流器（10），蓄能器（12）设计用于储存能量（E1+E2+E3），该能量超出变流器（10）正常运行所需的能量的数倍。作为负载（4）由供电系统供电的电弧炉包含蓄能器装置（8）。

Description

蓄能器装置和交变负载用电设备
技术领域
本发明涉及一种用于与供电系统交换功率的电负载的蓄能器装置以及一种作为这种电负载的交变负载用电设备。
背景技术
连接在供电系统上的或者由供电系统供电的电负载是例如连接在中压供电系统上的工业设备。确定的工业设备、例如炼钢设备、轧钢机列或熔炼设备、特别是其电炉、例如电弧炉具有非常高的电功率需求以及能量需求，该需求可由供电系统来满足。对于这种工业设备而言，现在越来越多地使用直接连接在供电系统、例如中压供电系统或高压供电系统上的静态变流器(VSC，voltage source converter，电压源变流器)。在此，变流器不仅与负载、而且也与供电系统并联。这种设备中的特定的用电设备、例如电弧炉或轧钢机也被称作交变负载用电设备。
例如当电弧炉运行时存在时间间隔，在这些时间间隔中，所需的电气瞬时功率在非常短的时间间隔中、即在毫秒的范围内剧烈地波动(所谓的闪变：Flicker)。此外还在较长的时间间隔内、例如大约30-60分钟的时间间隔内(即在用于炼钢的电弧炉的过程持续时间内)产生这样的过程，即在该过程中，负载的待吸取的功率平均值是可粗略预计的并且仅相对缓慢地、即在分钟的范围内波动。这种负载的通常剧烈波动的功率需求给供电系统施加大量的负荷并给供电企业带来高昂的成本，而该成本重新由负载的运行企业来承担。由于高的功率峰值而不可能有效地降低来自供电系统的再生的电能。
另一个问题出现在对供电系统中的电压波动反应敏感的电负载、例如用于制造半导体的装置中。在此必须使供电系统的供给电压在负载一侧稳定。同样适用于特别是在机器故障的情况下、例如甩负荷的情况下使作为负载(能量源、负载荷)的、产生电流的同步电机稳定。在此，也必须在机器与供电系统相连接的情况下将直至断开机器功率时仍在该机器中产生的能量导出。目前是将这种能量在分流电阻器上转化为热量。
目前在这种工业设备、例如炼钢设备中的功率波动通常被传递至供电系统上。
长期以来，对于工业设备的无功功率波动而言存在无功功率补偿设备。新式的、例如基于IGBT(绝缘栅双极晶体管)技术的变流器(VSC)已能够实现对无功功率的补偿。然而，对有效功率功率波动的补偿还只在非常低的程度上得到实现。
蓄电池储能器系统原则上对于高能量而言也是已知的，然而不能同时在高的蓄能器性能的情况下用于预定的或例如电弧炉所需的高功率或功率峰值。
从专利WO 2009/121656A2中已知了，将双电层电容(DLC，double layercapacitor，也就是EPCOS公司的“Ultracaps”)作为所谓的超级电容器使用在有轨电车的运行中。这些超级电容器则用作用于较小能量的蓄能器。
ABB公司以产品提供一个基于锂离子电池与中压变流器联合的蓄能器，该蓄能器具有高的蓄能器性能。在此，功率变化是适度的并且被限定在允许的负载周期。
为了改进对于敏感的用电设备的电压质量，所谓的“dynamic voltage restorer(动态电压恢复器)(DVR)”储能器系统也是已知的，该储能器系统通过变压器使用储存在蓄电池中的能量大意是说，通过添加的电压部件将待处理的供电系统电压波动补偿至最优值。
由此原则上已知了蓄能器系统。然而，已知的系统要么涉及非常高的功率峰值、例如上述的具有储存了少量能量的双电层电容器，要么在功率峰值适度和相对较小的负载周期数时却涉及非常高的蓄能器数量。
发明内容
本发明的目的在于，改进供电系统与电负载的功率交换并且给出一个改进的电弧炉。
所述第一个目的通过根据本发明的蓄能器装置来实现。该蓄能器装置具有两个接头，该接头用于与负载和供电系统的并联连接。施加电压的、包含蓄能器的变流器接在这两个接头之间。由此拓扑结构与借助VSC的、负载在供电系统上的传统的连接相对应。然而，根据本发明在变流器中的蓄能器设计用于储存能量，该能量超出变流器正常运行所需的能量的数倍。
上述变流器的通常的、即传统的、到目前为止已知的运行的特征在于，蓄能器设计为，即它仅能接收对变流器的阀进行整流的、即例如用于运行存在于变流器中的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的能量。那么该蓄能器是一个传统的中间电路电容器，该中间电路电容器通常具有在毫法拉范围内的电容量。
根据本发明的蓄能器则达到非常大的存储电容量。根据本发明的、在相应的变流器中的蓄能器则例如在法拉范围内变动，即其与传统的蓄能器之间相差几十或几百、直至几千甚至更高的倍数。由此蓄能器用于接收大数倍的有效能量和/或无功能量或者是有效功率和/或无功功率。换句话说，即蓄能器所包含的能量明显大于在例如变流器的一个通断周期中所需的能量。
因此到目前为止的、传统的、具有传统的中间电路电容器的变流器仅能够储存例如在单个供电系统周期内在变流器中产生的功率。然而，对于有效功率缓冲存储仅存在非常小的、即在设备运行时不能觉察到的容量。通过根据本发明的、明显更大的蓄能器也能够在该处储存在供电系统和负载共同起作用时可察觉到的、即有关的功率以及能量。因此，在变流器中储存明显大于一个供电系统周期的相应的有效功率。在此供电系统周期例如在20毫秒的范围内变动。在此根据本发明的蓄能器的可察觉到的存储容量持续数毫秒、数秒或者也持续分钟。根据本发明即大功率的蓄能器配属于变流器或者是配置给这个变流器，该大功率的蓄能器能够用于解决上述的存在的问题。这个蓄能器则一方面具有高的功率动态性并且另一方面对于数个负载周期具有高的存储容量。
本发明基于这一认识，即此时可供使用的蓄能器同时能够用于对特别是有效功率进行可察觉到的补偿并且也在可用的范围内或在可用的技术中供使用。
根据本发明即提出一种用于储存和释放电能的蓄能器装置，该蓄能器装置一方面允许出现非常高的功率峰值并且另一方面储存大量的能量。在这种情况下能够提供和接收瞬间的较大功率的蓄能器集成在变流器(VSC)中。由此能够在对于负载和供电系统而言有关的数值范围(Maβ)上实现对无功功率波动和有效功率波动的补偿。也就是说，实现将蓄能器、特别是瞬时蓄能器直接集成在变流器中以作为其模块化的和与需求相适应的扩展。由此能够以简单的方式显著地改进负载或设备的供电系统连接直至能够进行电源补偿。
具有创造性的步骤在于使用在实际的蓄能器的数量级内的、即在高的法拉范围内的电容量替代在毫法拉范围内的、用于对IGBT进行整流的纯中间电路电容量。利用直接储存在变流器中的能量能够以简单的方式实现对有效功率波动的补偿。这能够在一方面用于显著地降低与变流器并联的负载、例如电弧炉的峰值负荷接收。
因此，除了实际的变流器功能之外，变流器也能够基于高的蓄能器性能而承担上述的、用于有效功率的和无功功率的补偿功能。
从供电系统的角度得出另一个优点：变流器在负载侧空转时也能够用于补偿供电系统中的急剧的负荷波动。也就是说，能够将来自供电系统中的有效功率缓冲储存在蓄能器中。对供电系统的无功功率的补偿在有关的范围内是可能的。由此而改进了供电系统特性，这能为供电企业带来明显的运行上的简化以及成本的节约。
利用蓄能器也用于使供电企业的供电系统稳定的这种可能性，该蓄能器获得了一项附加的功能：即它能够根据供电企业的需求而用作备用储能器。
对于具有较敏感的电压供给的负载来说，能够通过这种系统在同等的程度上实现临时的紧急供电。在此，同样也可以考虑附加的、在供电系统侧的备用功能。
在本发明的一个优选的实施方式中，蓄能器包含不同的子储能器，其中，子储能器具有各不相同的充电速度和/或存储容量。目前，蓄能器要么设计在较小的存储容量下用于输出大的功率，要么设计对于大的存储容量却输出较小的或中等的功率。在具有高的贮能密度的蓄电池中，充电周期的数量也起着作用，其中，当仅少量地放电时，较高的充电循环数是可能的。利用子储能器的模块化的方案、例如以将不同的诸如电容器、双电层电容器、(例如锂离子技术中的)蓄电池等储能器模块级联地布置的形式将每个单个的子储能器的优点组合在唯一的蓄能器中。有意义的是，通过相应的、配属于子储能器的充电器或放电器提供对于后面的储能器媒介、即子储能器而言最优的负荷曲线。
例如存在两个子储能器，其中一个子储能器具有相对大的充电速度和较小的充电容量，然而另一个子储能器具有较低的充电速度和较大的存储容量。因此，两个子储能器能够运行关于供电系统或负载的、在能量供给中或在能量补偿中的确定的子任务。
在这个实施方式的一个变体中，蓄能器包含作为第一子储能器的、传统的储能电容器和作为第二子储能器的备用储能器。储能电容器设计用于储存处于用于正常运行变流器所需能量的范围内的能量。备用储能器设计为，即它用于储存超出储能电容器中的能量数倍的能量。因此，换句话说，根据本发明变流器中的传统的储能电容器通过以备用储能器的形式的附加的蓄能器在它的存储容量方面数倍地被补充或提高。
在上述的实施方式的另一个变体中，子储能器中的其中一个直接连接在变流器中。在该子储能器与另一个子储能器之间接着接入充电电路。该充电电路控制这两个子储能器之间的能量流。例如将上述的储能电容器作为第一子储能器直接地集成在变流器中，即像通常一样在没有中间接入充电电路的情况下嵌入该变流器中。备用储能器接着通过充电电路例如并联地连接在储能电容器上。换句话说，充电电路处于具有储能电容器的变流器与备用储能器之间。变流器则始终或者仅仅通过该充电电路实现变流器存取在备用储能器中的能量。该充电电路控制备用储能器的充电和放电。
在这个实施方式的一个变体中，这样自动地调节能量流，即在这些子储能器中的其中一个上的电压保持在确定的电压范围内。例如通过在其它的子储能器之间的或者是与其它的子储能器的充电补偿将储能电容器上的电压保持在规定的电压范围内。储能电容器上的电压降低例如在负载需要有效功率的情况下出现。
在这个实施方式的一个变体中，蓄能器装置附加地具有控制器。该控制器关于在由充电电路隔开的子储能器之间的能量流来控制充电电路，其中，根据负载和/或供电系统的需求实现这种控制。例如可以为了关于负载补偿有效负荷或无功负荷而出现负载的需求。由此保护供电系统不受负载的功率波动的损害以及接收相对于供电系统的功率波动。而供给供电系统的需求则例如能够用于将供电系统中的瞬间的、过流的功率峰值缓冲储存在蓄能器装置中并由此通过供电企业在供电系统侧使用蓄能器装置。
在上述的实施方式的另一个变体中，具有较低充电速度的子储能器关于变流器被串联地连接在具有较高的充电速度的子储能器下游。因此更靠近变流器的、具有较高充电速度的子储能器能够特别迅速地对变流器的需求作出反应。由此来支持例如附加地直接存在于变流器中的、传统的储能电容器。具有较低充电速度的子储能器又串联连接较快速的子储能器的下游并关于较大的能量中等期限地或长期地支持该较快速的子储能器。在储能电容器与第二子储能器之间的能量传输则经由第一子储能器地或穿过该第一储能器地进行。其中，相应的子储能器可以分别具有自身的充电电路。
对于刚刚描述过的实施方式的一个可替换的实施方式是这样的，其中具有不同的充电速度的两个或多个子储能器自身分别与变流器或者是例如与配属于变流器的、传统的储能电容器并联。这两个子储能器接着能够直接支持传统的储能电容器。
在另一个实施方式中，蓄能器包括具有大量超级电容器的电容器储能器。通常这种电容器储能器是多个子储能器中的一个，这些子储能器例如附加地支持传统的、集成在变流器中的储能电容器。在此这种电容器储能器则可以用作备用储能器。然而电容器储能器也可以直接替代传统的储能电容器、即在没有中间连接充电电路的情况下与变流器连接、或者是集成在变流器中。通常这种电容器储能器负责或设计用于迅速地提供较小的能量、高的功率峰值和多个负载周期。
利用现在已知的电容器技术、例如基于双电层电容器(DLC，也称作超级电容器)的电容器技术能通过电容器储能器实现这种功率补偿以及能量补偿。
在另一个实施方式中，蓄能器包含具有至少一个蓄电池的蓄电池储能器。通常蓄电池储能器也是多个子储能器中的一个、特别是用作具有较大的总电容量和适度的功率峰值以及相对较小的负载周期数的备用储能器。相应的蓄电池储能器可以具有例如几倍的1000法拉的存储容量，以便能够在十分钟内提供两兆瓦的功率。这例如适用于具有600V电压的蓄电池储能器。因此负载能够要么单独由子储能器要么也部分地由在来自子储能器的支持下的供电系统来运行。在后者的情况下，使电压供电系统的负荷下降。
在蓄能器装置的另一个实施方式中，在接头之间通常是串联地中间连接不仅一个单独的、而是多个可单独控制的变流器。这些变流器中的至少一个变流器是在本发明的想法下设计的，即配备有各一个根据本发明的蓄能器。这种变流器拓扑结构也被称作多级变流器，在此变流器和它的充电电路例如是分别能够自身单独控制的。相应的、根据本发明的变流器或蓄能器的结构对于多个变流器而言可以是相同的，但也可以是不同的。
另一个创造性的步骤即在于变流器的以及蓄能器中的相应的储能器层级的、即子储能器的功能的去耦。该去耦通过分别控制配属于子储能器的充电电路的独立控制来进行。由此也能够使用上述的变流器的多级拓扑结构，而不必对变流器控制本身、即例如关于对H-电桥中的阀的控制做出重大改变。
主要的优点在于，利用所提出的结构实现在炼钢设备中的较大的功率的应用。如果根据本发明对具有传统的中间电路电容器的标准多级变流器加以扩展，那么能够进一步补偿电弧炉的动态的有效负荷波动。
关于交变负载用电设备，本发明的目的通过交变负载用电设备来实现，该交变负载用电设备作为负载由供电系统供电并且在交变负载用电设备系统意义下根据本发明的蓄能器装置配属于交变负载用电设备。特别是对于交变负载用电设备、例如电弧炉或轧机驱动装置而言，所述的蓄能器装置是特别有用的，即不仅减缓(abzufangen)它的例如在电容器储能器中的高频率的功率峰值以及保护供电系统，而且通过变流器支持在工艺过程(例如熔炼过程/轧制过程)期间它的例如来自蓄电池储能器的持续能量需求并由此需要来自供电系统的较少的能量。
在一个优选的实施方式中，交变负载用电设备系统或者蓄能器具有有效功率波动和/或无功功率波动，这些波动关于交变负载用电设备中的通常的过程持续时间是高频率的。这例如是在上文提到的、电弧炉中的、在毫秒范围内的闪变。蓄能器则设计为，即该蓄能器补偿去向所述供电系统中的、高频率的有效功率波动和/或无功功率波动的至少一个有关部分。在此能够看到该有关部分例如在较大的个位数或两位数的百分比范围内。有意义的是，几乎完全地、例如至少60％或80％地平衡了所述的高频率的波动，以使得只有较少部分的功率波动最终到达供电系统中。
在另一个实施方式中，在交变负载用电设备系统中蓄能器设计为，即它提供交变负载用电设备在过程持续时间期间所需的总的有效功率或无功功率的至少一个有关部分。换句话说，在此实现相对于供电系统的持续功率的有关的支持。关于有关性可以按上面所述地来理解百分比份额。例如由蓄能器来提供大于10％的、对于过程中在电弧炉中所需的有效功率。在此，虽然交变负载用电设备本身具有较高的功率，并且由蓄能器提供功率差，但却能够例如降低交变负载用电设备去向供电系统中的连接功率。
利用根据本发明的、由不同的储能器类型构成的组合以及同时设计的充电管理和放电管理提出了例如下述的、最优地在中压上运行的并且满足上述需求的蓄能器系统：该装置包括任意结构类型的中间电路变流器的供电系统端以及与双电层电容器和其充电系统/放电系统下游布置的装置。具有带有另一个充电系统/放电系统的储能器蓄电池的装置又处于双电层电容器的下游。
附加地包含在中间电路变流器中的、传统的、已知的技术中的中间电路电容器提供高的电流变化。在中间电路电容器上连接双电层电容器充电系统，该双电层电容器充电系统为下游的双电层电容器充电到一定电压，该电压大小不必与电容器电压相同。双电层电容器的充电功能/放电功能在中间电路电容器的电压窗口上耦合。当中间电路电容器的电压过低时，双电层电容器向中间电路电容器供电，以提高其电压。当中间电路电容器的电压过高时，由该中间电路电容器对双电层电容器充电。
附加地存在用于在位于下游的蓄电池系统的充电需求。当达到双电层电容器的和蓄电池的相应的充电阈值时，通过这些充电电路防止过度充电。
在双电层电容器上连接有另一个蓄电池充电器，该蓄电池充电器为下游的蓄电池充电。蓄电池电压通过这些单电池的串联电路来选择，该蓄电池电压也不必强制性地与双电层电容器上的电压保持一致。蓄电池的充电功能/放电功能仅部分地耦合在双电层电容器电压的电压窗口上。也就是说，对于蓄电池的充电需求也可以直接地传递到双电层电容器充电器上，以便在充分利用中间接入的双电层电容器和蓄电池充电器的情况下优化蓄电池的充电过程。与双电层电容器的充电相比，蓄电池的充电特性缓慢得多。充电和放电都是根据各项目的特性、即取决于待供给的负载以及取决于所采用的蓄能器技术来进行的。例如当应达到较高的充电周期数时，则不允许使锂离子储能器极端地放电。
此外变流器控制器还可以具有外部的接口。该接口获取例如关于在负载流动的电流中剧烈波动的、有效功率信息/无功功率的信息。有效功率峰值接着例如通过控制变流器作用在充电器上、即通过双电层电容器的储能器电容来限定；这些都是特别迅速的过程。
替换方案是，可以为负载的能量消耗预设有效功率功率平均值，由此能够实现相对于供电系统的智能供电系统功能并且限定来自供电系统的、对于包含负载的装置的能量需求。
通过对充电电路的另一种控制也能够将在供电系统中产生的、多余的、可再生的能量缓冲储存在蓄能器装置中。变流器控制器的外部接口也获取例如关于供电企业的信息，以便要求以及产生通过向蓄能器充电而实现的、用于保持供电系统稳定的有效负荷。由此实现了蓄能器装置的所谓的备用功能。
变流器控制器的外部接口此外还能够获取关于包含产生能量的、“负(negative)”荷载的装置的信息。在此，当供电系统不具有有效功率接收容量或者通向该处的连接中断时(例如在卸下电荷时)，也可以要求用于保持供电系统稳定的有效负荷，以便在有效负荷的意义上接收由负载产生的能量。在此也涉及蓄能器装置的备用功能。
附图说明
对于本发明的其他的说明参见附图的实施例。分别在示意性的原理图中示出：
图1是具有蓄能器的电弧炉，
图2是可替换的、具有并联的子储能器的蓄能器，
图3是具有蓄能器的多级变流器，
图4是可替换的多级变流器，
图5是另一个可替换的多级变流器。
具体实施方式
图1示出由供电系统2供电的负载4，在例子中为电弧炉。通过两个接头6a，b蓄能器装置8并联地连接供电系统以及负载4。
蓄能器装置8具有接在接头6a，b之间的、施加电压的变流器10。该变流器10包含蓄能器12。蓄能器12包括不同的子储能器14a-c，这些子储能器设计用于总地储存能量E1+E2+E3，该能量超出变流器10正常运行所需的能量的数倍。
为了简单起见，在附图中仅示出一个两相装置。然而，正如在图1中仅用虚线象征性地表示出来的负载4、供电系统2和变流器10一样，整体装置也可以具有三相位或多相位。
第一子储能器14a由通常的变流器中的传统的储能电容器16构成。该储能电容器16仅能够储存例如处于变流器10正常运行所需能量的范围内的第一能量E1。在此，子储能器14a直接集成在变流器10中，即相应于传统的储能电容器直接地和固定地与变流器10的所示出的开关阀相连接。
子储能器14b和14c共同构成备用储能器18。在此，子储能器14b是包含多个超级电容器22的电容器储能器20。电容器储能器20储存能量E2，该能量本身便已经超出能量E1数倍。
子储能器14c是包含多个蓄电池26的蓄电池储能器24。可存储在蓄电池储能器24中的能量E3又超出能量E2的数倍。
子储能器14a-c分别具有充电速度V1-3。用于子储能器14a的充电速度是最大的，子储能器14b是相对较小的并且子储能器14c是更加小的。也就是说，相对于变流器10来看，具有最小充电速度V3的子储能器14c串联地连接具有相应更大的充电速度V1和V2的子储能器14a和14b。这同样也适用于子储能器14a与14b之间。
充电电路28c配属于子储能器14c，该充电电路控制子储能器的充电和放电。充电电路28b配属于子储能器14b，该充电电路不仅控制子储能器14b的充电和放电，而且由于级联也共同控制子储能器14c的充电和放电。充电电路28b，c通过充电器实现。也就是说，充电电路28b控制在子储能器14a与14b或14c之间的能量流，充电电路28c控制在子储能器14b与14c之间的能量流。在相应的充电电路28b，c中进行对在这些子储能器14a-c之间流动的电流的电流控制。
此外蓄能器装置8还包括变流器控制器的形式的控制器30，该控制器识别相应的子储能器14b和14c的充电特性32b，c并且相应地控制相应的充电电路28b和28c。在此，充电特性32b包含不仅对于电容器储能器20的、而且也对于蓄电池储能器24的充电特性。充电特性32c只是蓄电池储能器24的充电特性。
自动地实现充电电路28b，c的控制。为此，通过子储能器14a，b，c之间的充电补偿将储能电容器16上的电压保持在确定的范围内。电压降低在负载4需要有效功率的情况下出现。也可以设想可替换的标准。
可替换的以及附加的控制根据不同的需求34a-c来进行。需求34来自于例子中或者说是由供电系统2引起的并且这个需求意味着，即将能量E2，3中的至少一部分能量输送至供电系统2中，以便通过相应地传输的有效功率而实施供电系统支持。
需求34b同样来自于供电系统2并用于使能量E1，E2和E3与负载4或装置网络中的任一其它的负载、例如轧机驱动装置相交换。因此，相对于供电系统2实现使装置网络稳定。
相反，需求34c则来自于负载4并应当通过能量E2与负载4的快速交换引起对于剧烈的动态的负荷波动、例如在电弧炉中出现的闪变的功率补偿，由此使负荷波动不被传输至供电系统2上。
在例子中，在电弧炉4中进行将废铁熔炼成钢的熔炼过程，该熔炼过程具有约十分钟的过程持续时间T。在电弧炉中与该过程持续时间相关地发生高频率的、在毫秒范围内的有效功率波动和/或无功功率波动。具有其能量E2的子储能器14b设计为，即它能够压制去向供电系统2中的、高频率的有效功率波动和/或无功波动的至少一个有关部分。
子储能器14c又设计为，即其能量E3足以在总的过程持续时间、即约10分钟的持续时间内为电弧炉4提供所需的有效功率和/或无功功率的有关部分，因此不必从供电系统2中获得该能量。
图2示出蓄能器装置8的一个可替换的实施方式。以电容器储能器20的和蓄电池储能器24的形式的子储能器14b和14c连同配属于它们的充电电路28b，c一起分别各自并联地连接以储能电容器16的形式的第一子储能器14a。这与根据图1的、级联的串联电路相反。因此，在图2中，分别在子储能器14a与14b之间或在子储能器14a与14c之间流动的电流是互相独立的。因此，这促使子储能器14b，c相互独立地充电或放电。换句话说，用于子储能器14c的充电电流不必强制地也如在图1中流经子储能器14b或至少流经其充电电路28b。
图3示出所谓的多级变流器。在此，在接头6a，b之间串联多个变流器10。在此每一个变流器在此均与图1中相同地配备有相应的蓄能器装置8。然而，也可以考虑的是各个变流器10或其蓄能器装置8的不同的设计方案。相应的变流器10能够单独地通断。
图4示出一个可替换的、具有多个单个的变流器10的多级变流器，这些变流器又在接头6a，b之间串联。仅示出了两个变流器，在此，典型地串联直至46个变流器10。对于具有三相的完整的多级变流器，其中图4仅示出用于一个相位的装置，直至138个模块与直至2000V的部分中间电路电压串联。该子中间电路电压施加在相应的蓄能器12上。
此外，图4作为蓄能器12的一个可替换的实施方案示出了这样一个蓄能器，即它仅包含由超级电容器22构成的电容器储能器20，在图4中，仅象征性地示出了这些超级电容器中的一个。在此，蓄能器20相应于在图1-3中的储能电容器16直接接入在变流器10中，即没有充电电路的中间电路。换句话说，即在该实施方式中，替代通常的、在微法拉数量级上的高伏特中间电路电容器，直接将双电层电容器用作分别具有100-3000法拉的高电容的超级电容器22。然而，可替换地也还能够将传统的中间电路电容器直接与这些超级电容器并联。
能够以大功率提供这种短期地并迅速可供使用地储存的能量并且用于补偿有效功率和无功功率。
当电容器储能器20直接在变流器10中接通时，需要考虑接通时的最大电感、例如低感应的母线以及短路功率，在此可以考虑接入保险装置。在直接接通时除了中间电路电容器之外必须使具有电感和保险装置的电容器储能器20去耦。电容器储能器20中的可利用的能量E2在此依据E＝1/2C(Umax2-Umin2)按照中间电路的电压范围确定并由此受到限制。
图5示出对于图4的一个可替换的实施方式，其中，根据图1在变流器10中直接连接作为子储能器14a的储能电容器16。此外，根据图1以电容器储能器20的形式的子储能器14b通过在此以升压变换器以及降压变换器(DC/DC-Chopper(直流斩波器))的形式的充电电路28b配属于子储能器14a。这能够实现对电容器的较大的电压范围的利用并由此根据方程E＝1/2C(Umax2-Umin2)而实现对更大能量的利用。因此，与根据图4的变体相比，在根据图5的电容器储能器20的实施方式中可以使用更少的超级电容器22。然而，由于充电电路28b而需要更高的部件费用：在此例如带有自身调节的变流器支路和斩波扼流圈。然而，实际的变流器10及其H-电桥是保持不变的。

Claims (10)

1.一种用于与供电系统(2)交换电功率的电负载(4)的蓄能器装置(8)，所述蓄能器装置，
-具有至少两个、用于与所述负载(4)和所述供电系统(2)并联的接头(6a，b)，
-具有接在所述接头(6a，b)之间的、施加电压的、包含蓄能器(12)的变流器(10)，
-其中，所述蓄能器(12)设计用于储存能量(E1+E2+E3)，所述能量超出所述变流器(10)正常运行所需的能量的数倍，
-其中，所述蓄能器(12)包含具有彼此不同的充电速度(V1-3)的和用于不同的能量(E1-3)的存储容量的不同的子储能器(14a-c)，
-其中，所述蓄能器(12)包含作为所述子储能器(14a-c)的传统的储能电容器(16)和备用储能器(18)，其中，所述储能电容器(16)设计用于储存能量(E1)，所述能量处于所述变流器正常运行所需的能量的范围内，并且由多个所述子储能器(14b，c)构成的所述备用储能器(18)超出所述能量的数倍，
-其中，这些所述子储能器(14a-c)中的一个直接连接在所述变流器(10)中并且在所述子储能器与另一个子储能器(14a-c)之间连接有充电电路(28b，c)，所述充电电路控制在所述子储能器(14a-c)之间的能量流，
-其中，将具有较低的充电速度(V1-3)的子储能器(14a-c)关于所述变流器(10)串联地连接在具有较高的充电速度(V1-3)的子储能器(14a-c)的下游，
其中，自动地调节所述能量流，以使得在这些所述子储能器(14a-c)中的一个上的电压保持在确定的电压范围内，其中，通过在其它的子储能器之间的充电补偿将所述储能电容器上的电压保持在规定的电压范围内，
其中，所述蓄能器装置还包括控制器，用于识别相应的所述子储能器的充电特性并相应地控制相应的所述充电电路。
2.根据权利要求1所述的蓄能器装置(8)，所述蓄能器装置具有关于在所述负载(4)的和/或所述供电系统(2)的要求下的能量流来控制所述充电电路(28b，c)的控制器(30)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的蓄能器装置(8)，其中，所述蓄能器(12)包含具有多个超级电容器(22)的电容器储能器(20)。
4.根据权利要求1或2所述的蓄能器装置(8)，其中，所述蓄能器(12)包含具有至少一个蓄电池(26)的蓄电池储能器(24)。
5.根据权利要求3所述的蓄能器装置(8)，其中，所述蓄能器(12)包含具有至少一个蓄电池(26)的蓄电池储能器(24)。
6.根据权利要求1或2所述的蓄能器装置(8)，所述蓄能器装置具有多个、在所述接头(6a，b)之间串联的、能够分别单独地控制的、具有相应的所述蓄能器(12)的所述变流器(10)。
7.根据权利要求5所述的蓄能器装置(8)，所述蓄能器装置具有多个、在所述接头(6a，b)之间串联的、能够分别单独地控制的、具有相应的所述蓄能器(12)的所述变流器(10)。
8.一种交变负载用电设备，所述交变负载用电设备作为负载(4)由供电系统(2)供电，所述交变负载用电设备具有根据权利要求1至7中任一项所述的蓄能器装置(8)。
9.根据权利要求8所述的交变负载用电设备，所述交变负载用电设备相关于所述交变负载用电设备的过程持续时间(T)具有高频率的有效功率波动和/或无功功率波动，在所述交变负载用电设备中，所述蓄能器装置(8)这样设计，即所述蓄能器装置补偿去向所述供电系统(2)的、高频率的有效功率波动和/或无功功率波动的至少一个有关部分。
10.根据权利要求8或9所述的交变负载用电设备，其中，所述蓄能器装置(8)设计为，即所述蓄能器装置提供所述交变负载用电设备在过程持续时间(T)期间所需的总的有效功率和/或无功功率的至少一个有关部分。
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