CN105340152A - 包含一个直流链路的能量存储模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电能可逆储存的能量储存模块(1)，包括几个通过一个共享的直流链路(3)并联的飞轮电能储存单元(2)；包括一与直流链路(3)连接的第一调节系统(31)，第一调节系统在正常运转期间(NO)将直流链路(3)连接到一个或多个外部电网(ES1、ES2)，以从外部电网(ES1、ES2)中获取(En)能量或将能量释放(Ep)到外部电网中，包括一个第二调节系统(32)，具有一输入端(32E)和一输出端(32A)，借此输入端(32E)至少连接至直流链路(3)，而输出端(32A)连接至一内部电网(4)，用于为运转飞轮能量储存单元(2)所需的一个或多个电力驱动操作集合体(51,52,53,54)供电，借此所述第二调节系统(32)，至少在外部电网缺席时的紧急运转(NF)期间，用于连接直流链路(3)与外部电网(4)，并且至少在第一次间隔(T)期间，为供电网(4)供应只来自直流电路(3)的必要的电能(VL)，以保证飞轮储能单元(2)的持续运转。本发明还公开了一种控制这种能量存储模块(1)的方法。

Description

包含一个直流链路的能量存储模块

技术领域

本发明涉及包含一个直流链路的能量存储模块，以及一种方法，用于控制这种能量存储模块。

背景技术

需要运行一个电网的能量由许多种不同类型的发电厂提供。在本文中，大多数的发电厂，例如核电站，燃煤发电厂，燃气发电厂，风力发电厂，沼气发电厂或太阳能发电厂仅仅是能源生产者，它们把能源送入非本地(或外部)的电网。非本地电网是，例如，运行于德国的传输网，例如为Amprion,50Hertz,Tennet及TransnetEnBW。这些传输网是欧洲互连网络的一部分。作为纯能源生产商，上述的发电厂不能吸收来自电网的剩余能量并把它存储，如果需要的话。与此相反，能量存储系统，可用于吸收能量并将之存储于电网。能量存储系统的例子为集中的能量存储系统，例如抽水蓄能电厂，或分散的能量存储系统，例如电池或飞轮能量存储系统。抽水蓄能电厂构成了主要的气象独立的能量存储系统，以便通常来说，它们总是可用的。集中的能量存储系统通常具有大容量的规格。为了向非本地电网提供运行储备，集中的能量存储系统，由于其可用的输出，是适合在非本地电网用于这样的目的的。抽水蓄能电厂可具有几百MW的输出，或者更多，这取决于它们的规模，虽然发电机通常用于在满载下发电，并因而可瞬时利用抽水蓄能电厂带有一对应效率水平的完全输出。此运行模式并未使它自身借出，用于稳定或改善电网中的本地网络质量，其中电网中具有的电力需求与抽水蓄能电厂能力相比，是微不足道的。

集中使用的电池存储系统当前正在建造中，并具有执行一引导操作的目的，用于网络稳定化(非地域性)任务(运行储备)。然而，被计划到现在的系统，没有实现任何区域性的目标。然而，从根本上说，电池存储系统，由于在输出，容量和老化之间它们固有的内在关系，不适合于这种包含每天多个负载周期的应用，并且它们由于温度影响，系统故障和错误操作而快速降级。为此，电池存储系统是具有非常高的维护费用的。此外，由于它们的高火灾和化学风险，电池存储系统对环境和/或水产生危险，因而需要广阔的安全防护资源。

分散的能量存储系统通常对本地电力需求的稳定进行优化，并且它们并不配置或限制提供运行储备，以支撑非本地电网。这些系统不能为满足所有电网的需要作出贡献。直到现在，分散的存储系统没有被互相连通，以形成一个局部或非局部的系统。

专利号为7,400,052B1的美国专利公开了一种负载暂态能量系统，一般情况下该系统仅通过网络中的中间直流总线充电作为主电源。如果主电源无法供电，那么负载会暂时通过同样连接于直流总线的暂态电源补充电能。在这种背景下，该暂态电源包括两个分离的瞬变电源，在网络故障时间为1秒内的情况下提供一个飞轮能量存储系统作为快捷的暂态电源，同时提供一个带有储气层的燃气轮机作为第二暂态电源以应对更长时间的网络故障。这里，在网络故障情况下，在第一次短暂的时间间隔中，完全是飞轮能量存储系统为直流总线供应电能，然而在接下来的第二次时间间隔中飞轮能量存储系统和燃气发电机站一起为直流总线供电，在接下来的第三次时间间隔中只有燃机发电机站为直流总线供电，而飞轮能量存储系统从直流总线中充电。因此，燃气发电机站也承担了为飞轮能量存储系统供电的任务——而一般情况下是通过电网为飞轮能量存储系统供电的——而电网在瞬态运行中并不可用。为了使这些储能装置可靠地完成他们的任务，这些装置必须被配以瞬态集合体，这样他们就可以在第一和第二时间间隔期间应付网络故障。在网络故障持续的时间更长的情况下，燃气发电机站作为能量来源自身能够完成暂态电能供应的任务，因而燃气发电机站必须被设计得足够大，而这又复杂化和限制了分散式储能单元的机动性，因而使它们的运行更困难。在这种情况下，供应商，也就是飞轮能量存储系统和燃气发电机站只在网络故障的情况下为直流总线充电，并且在编号为7,400,052B1的美国专利中，这并没有被用于在电网可用的情况下提供运行储备以支持外部电网。此外，飞轮能量存储系统的运行集合体并不是从直流总线中充电，因而它们需要一个独立电能供应。

由于这些原因，需要一种有效的，环境友好的，能失效保护和易于运行的能量存储系统。并且该系统有一个大的容量，根据需求，能为所连接的外部电网输入电能或从外部电网中获取电能，并且在网络故障情况下仍能为运行做好准备。

发明内容

在上述背景下，本发明目标在于提供一种有效的，环境友好的，能失效保护和易于运行的能量存储系统。该系统有一个大的容量，根据需求，能为所连接的外部电网输入电能或从外部电网中获取电能，并且在网络故障情况下仍能为运行做好准备。

为实现该目标，本发明提供了一种用于电能可逆存储的能量储存模块，包括几个通过一个共享的直流链路并联的飞轮电能储存单元；包括一与直流链路连接的第一调节系统，所述第一调节系统在正常运转期间将直流链路连接到一个或多个外部电网,包括一个有输入端和输出端的第二调节系统，所述输入端至少与直流链路连接，所述输出端与一内部电网连接，用于为运转飞轮能量储存单元所需的一个或多个电力驱动运行集合体供电，；至少在外部电网不存在时的紧急运转期间，所述第二调节系统用于连接直流链路至内部电网，并且至少在第一次间隔期间，为电网供应来自直流电路的必要的电力，以保证飞轮储能单元的持续运转。

通过使用飞轮能量存储单元，能量被以机械旋转能的形式储存。这种形式的能量存储并不需要化学和/或火力危险材料，因此这种存储系统并不对环境和/或水构成危险。得益于单个飞轮能量存储单元与直流链路的并联，联合单个飞轮能量存储单元的每个单元的容量和每个单元的输出以创造一个共享的能量存储容量和能量存储模块的模块输出所需的技术耗费微乎其微。此外，原则上，任何期望数量的飞轮能量存储单元能并联直流链路，进而使模块容量和模块输出能被用于所需，并且原则上能使之根据能量存储模块所期望的按比例缩放。这就提供了一种大容量的能量存储模块，该大容量的存储模块不仅改善了局部电源和电流网(比如，交流电网)的局部网络质量，而且实现了非局部电源和电流网(比如，交流电网)的供电可靠性。

当只有一个大型网络变流器作为第一调节系统时，损耗比几个小型网络变流器被使用时要少些，比如当所有的飞轮能量存储单元被分别连接到拥有各自的网络变流器的电网中时。此外，只用一个大型网络变流器比使用多个小型网络变流器要划算。本发明所述的能量存储模块能被用作能量存储系统，且能很经济地达到前面两个效果。由于模块存储容量和模块输出供应能通过合适地选择连接于直流链路的飞轮能量存储单元的数量来适应特殊要求，能量存储模块能非常有效率地运行，进而能避免出现未使用的过剩产能。更进一步的，很容易将直流链路调节到一个目标直流电压，从而简化了能量存储模块的整体调节过程。此外，飞轮能量存储单元的并联排列转化了误差冗余，由此阻止了单个飞轮能量存储单元故障对能量存储模块在其所连接的外部电网(如，交流电网)内规则和系统任务中的可用性造成实质性损害。这增加了能量存储模块的安全性。这种情况下，目标直流电压取决于所连接的外部电网和能量存储模块中所使用的组件。

当装置连接到低压网中时，直流链路中一个具有技术上的意义的电压范围是，比如，550V—1000V。其下限基本上由低压网的电压条件来定义，而其上限基本上由能量储存模块中所使用组件的技术特性来决定。在中压网或直流链路中，由于技术和财务方面的原因，直流链路中的目标直流电压也可能基于这些网络电压条件存在不同值。在一个实施例中，直流链路中的目标直流电压是750V±5V。直流链路中直流电压的瞬时值可以通过第一调节系统的适当配置来确定，也可以通过直流链路中合适的测量装置来确定，和/或通过飞轮能量存储单元中的电机控制装置来确定，并且这些值能够接下来作为调节的基础。在此过程中，直流链路中的直流电压唯一由飞轮能量存储单元来支持，而当外部电网可用(能量存储模块的正常运转)时，直流电压也可以通过连接外部电网的第一调节系统来支持。直流链路中没有连接不同类型的附加电源。在正常运转期间，没有其它电源接收器连接到直流链路。在网络故障的情况下，甚至在持久的网络故障持续的情况下，比如几个小时或者更长时间，直流链路中的直流电压只由飞轮能量存储单元来支持。这种运行状态被称为紧急运转。

术语“飞轮能量存储单元”在此表示一种功能单元，包括一个飞轮整体的转子，能量通过转子的旋转以机械旋转能的形式存储起来；包括运行集合体，比如用于给转子加速、减速和使之以给定的转速旋转的承座部件和电机部件；包括一个将电能转换成机械能的电磁变换器，反之依然，同时还包括其它运行集合体的连接件，例如真空系统或者通过内部电网供电的内部电源。根据负载状态，飞轮能量存储单元的转子甚至能以50000rpm(每分钟50000转)的转速旋转。典型的转速范围为15000rpm至最大转速之间。单个飞轮能量存储单元的单位容量和单位输出量取决于运转条件，比如转子的转速和电磁变换器的配置。例如，单位容量可以为大约5kWh，最大单位输出量可以达到200kW。以旋转能形式存储的能量是可逆的，如果必要的话，以作为旋转能储存的能量可以再一次从飞轮能量存储单元中获取并作为电能通过直流链路和调节系统送到外部电网中，反之亦然。飞轮能量存储系统所具有的一些方面的优势在于，它们为消费者提供的能量能以一种很灵活和精确的方式获取或释放，并且它们也能以机械能的形式存储这些能量。因此，在遭遇火灾的情况下，飞轮能量存储系统比，例如，互相连接成为一个电池能量存储系统的大的电池阵列或者含有装有可燃氢的氢罐或装有压缩气体的罐子的氢气存储装置，所构成的潜在风险要小的多。因此，与其它存储技术相比，飞轮能量存储单元构成了一种环保且更安全的能量提供方面的技术，并且飞轮能量存储单元非常适合于每日任何期望数量的负载循环。说到能量或电能的提供，现将负能量供应(能量流)或负电能供应(功率流)表述为En，此时能量或电能被从外部电网和/或直流链路中获取并随后以机械旋转能的形式存储在飞轮能量存储单元中。相应的，将正向的能量供应(能量流)或正向的电能供应(功率流)表述为Ep，此时通过降低飞轮(或转子)转速而从飞轮能量存储单元中获取的以机械旋转能形式存储的能量或电能被作为能量或电能送入到外部电网和/或者直流链路中。在这种背景下，飞轮能量存储系统在几毫秒的时间内使能量变成可用的能力是一个有利的方面，同样，它们在几分钟或更长时间内内输送指定电能的能力也是一个有利的方面。在某个转速如50000rpm下，根据配置，可用获取或释放达200KW的输出。在一个实施例中，飞轮模块中飞轮能量存储单元数量适合于为能量存储模块提供一个模块存储容量，该能量存储模块至少在超过30秒的时间内足以将额定电流送入到非局部电网中。

为了能量存储模块尤其是飞轮能量存储单元的运转，此模块包括多个运行集合体，例如一个飞轮电机，一个逆变器，一个带有真空泵的真空系统，一个带有冷却集合体的冷却系统，一个模块控制单元以及其它各种各样靠电力运转的组件和传感器。所有这些运行集合体必须被供应电能以保证无故障正常运转。例如，冷却系统出现故障会引起飞轮能量存储单元尤其是其转子的轴承过热的情况。由于这些转子必须在真空中，例如低于10^-3bar的情况下运转以保持磨损在正常运行期间尽可能地小，真空系统的故障就会导致更高的能量损耗，而能量存储模块中的摩擦热会自动引起温度升高。不再由外部电网供电的运行集合体的内部电网同样会在短时间内崩溃，进而导致运行集合体无法运转，对能量存储模块产生相应的负面影响。

但是，由于在外部电网的发生这些故障的情况下，通常能量存储模块仍然有数量可观的能量存储其中，一般为50％的平均电荷水平，并且由于这些能量能根据需求在较长的时间内被释放到直流链路中，飞轮能量存储系统能作为内部紧急电源通过直流链路为运行集合体供电，而不需要额外的、复杂的、需要额外保养且必须安装在能量存储模块然后被监控和维护的紧急电源单元。由于直流链路通过第二调节系统与内部电网连接—随后运行集合体(单个飞轮能量存储单元的运行集合体和和能量存储模块的运行集合体以允许飞轮存储单元)连接至内部电网—飞轮能量存储单元中出现的能量能被简单可靠地应用于内部电网，直到为内部电网供应能量的外部电网再次可用。照这种方式，是可以应付几分钟或更长时间的网络故障的，在此期间能量存储模块保持运行，之后外部电网又重新连接进来。因此，燃气机、柴油发电机或应急电池之类的紧急电源可以不需要了，从而减少了保证能量存储系统的无故障运行所需的组件。由于无需提供和维护任何额外的紧急电力组件，这种组件数量上的减少同时使一个更有效率、更环境友好、更简单的运转过程得以实现。由于这类额外的紧急电力组件可以可以避免使用，能量存储模块将更易于被设计为一个在有限时间内能灵活应用于不同地理位置的紧凑的移动单元。直流链路中提供的内部电源使得衔接有限持续时间的网络故障成为可能，并且在网络故障时间更长的情况下，它能利用飞轮能量存储单元中剩余的能量使飞轮能量存储单元在停止模式的范围内以一种可控的方式倾斜下降。如果不能从直流链路中给运行集合体供应能量，一个网络故障会导致一次不可控的紧急关闭或者导致飞轮能量存储单元崩溃，结果势必会对能量存储装置造成伤害。

本发明所提供的能量存储模块提供了一种环境友好、自动防止故障并且易于操作运转的能量存储系统，本系统拥有用以执行外部电网中管理和系统相关任务的大容量，其中根据需要，所述系统能将能量送入到所连接的外部电网中或者反过来，从外部电网中获取能量，且在有限持续时间内的网络故障情况下，本系统依旧能为接下来的正常运转做准备。

这种情况下，当外部电网可用时的正常运转期间，第一调节系统调节一个或多个连接的外部电网(局部和/或非局部的电网)和能量存储模块的飞轮能量存储单元之间的能量流。在这个过程中，第一调节系统调节直流链路中的直流电压以使之保持在一个基本恒定的目标直流电压值，如750V。表述“基本恒定”的意思是，直流电压能在容许公差(±5V)范围内暂时性地波动，第一调节系统一直以此种方式来调节，这样直流链路中的实际直流电压就能被纠正为目标直流电压，或者在理想情况下与目标直流电压匹配。不过，公差范围也可能比前述所提到的值要大。第一调节系统进行如下调整，根据功率流的方向，将外部电网作为无尽的电力来源(为飞轮能量存储单元补充能量)或将外部电网作为直流链路中剩余能量的接收器。为达到这个目的合理的第一调节系统包括一个或多个网络逆变器或逆向变换器。这种借助于第一调节系统的调节类型只应用于正常运转中，之所以这样是因为如果外部电网缺位，它们就不能再作为能量存储模块的能量源或能量接收器。

本发明中的能量存储模块中，第二调节系统：(a)在正常运转和紧急运转期间，能将供电网连接到直流链路，以通过直流链路为供电网供应能量，并且相应地在正常运转和紧急运转期间被控制，或者，(b)只在紧急运转状态下，第二调节系统实行了供电网与直流链路的连接，以在紧急运转期间通过直流链路为供电网供应能量。在后一种情况下，在正常情况下，供电网直接由外部电网提供电力。相比之下，在第一种情况下，由于这种连接已经通过直流链路和第一、第二调节系统间接的存在，也就不需要供电网与外部电网间的单独连接。

在一个实施例中，紧急运转期间，第二调节系统以一种基本恒定的方式调节内部供电网的供电网络电压，以此方式根据需求通过直流链路提供电能。在外部电网无法使用时的紧急运转期间，第二调节系统调节直流链路和内部供电网间的能量流，该过程中第二调节系统将供应电压调节到内部供电网的目标电压。依据实施例，供电网可能有不同的供应电压，例如240V-AC或230V-AC，或者，110V-DC或24V-DC，或者供电网被分为若干个子供应网，如果它适用于不同的子供应网电压的话。表述“基本恒定”的意思是，电压可以在容许公差(如±5V)范围内暂时性地波动，借此第二调节系统一直以此方式进行调节，使得内部供电网中当前的实际电压被矫正为目标电压或者在理想的情况下与目标电压匹配。第二调节系统实施调节，将直流链路作为准外部且接近于用之不尽的电力来源。表述“准外部”指的是给内部供电网供应能量的供电网络外部的能量来源(直流链路)的设置。表述“接近于用之不尽”指的是，按规定通过飞轮能量存储系统可用的大量能量，与运行集合体单位时间内所消耗的和因此随后必须从直流链路中供应于内部供电网的相对少量的能量之间的巨大差别。为达到以上目的，合适的第二调节系统包括一个或多个网络逆变器或者逆向变换器。

在一个实施例中，第二调节系统的输出端额外连接一外部电网，并且第二调节系统用于在正常运转期间通过外部电网和在紧急运转期间通过直流链路，为内部供电网提供电力来源。因此，只有在紧急运转期间第二调节系统需要调节直流链路到供电网间的功率流，在正常运转期间则不需要，例如在供电网(作为一个交流网络)其将直流电压转换成需要的交流电压，相反地其已经被外部电网提供了交流电压，且只需将其在供电网络内调节到目标电压。因此第二调节系统将在控制工程中很少被涉及到。此外，以此种方式，如果需要连接内部供电网和外部电网，那么就不再需要用于连接内部供电网和外部电网的额外的单独组件了。

在另一个实施例中，能量存储模块用于持续地监控直流链路中的直流电压，并且飞轮能量存储单元各自拥有独立于模块控制单元的电机控制装置，用来在正常运转期间控制飞轮能量存储单元，这些电机控制装置在紧急运转状态下被如此配置—至少在被监控的直流电压基础上—以至于不允许直流链路中的直流电压至少在附属的飞轮能量存储单元中存储的能量没有下降到最低能量水平之下期间，下降到一个下限阀值以下，其中它们从附属的飞轮能量存储单元中释放能量。为了支持内部供电网的运行，直流链路中的电压一定不能降到低于供电网中的电压水平。优选的，直流链路中的电压值保持在正常运作期间的目标电压值与内部供电网的目标电压值之间，这一目的通过从飞轮能量存储单元中送入能量来实现。在这个实施例中，下限阈值将会是供电网目标电压的目标值。在一个优选的实施例中，即使在外部电网出现临时性的故障情况下，直流链路中的电压被调节到正常运转期间的目标电压，例如，750V。在这个实施例中，下限阀值为，例如，745V。在这种情况下，很快在外部电网重新恢复之后，能量存储模块能又一次恢复到正常运转而不需要适应时间，鉴于直流链路中的电压上升到目标值是不必要的——之所以不必要是因为电压早已在之前就被调节到那个值了。

在另一个实施例中，直流链路中至少有一个测量装置用于测量直流链路中的直流电压，并且所述装置至少连接飞轮存储单元的附属电机控制装置。该测量装置在直流链路中为电机控制装置提供了瞬时直流电压，并且它可以被用于控制飞轮能量存储单元以调节到目标电压。这种测量装置可以能够非常精确地测量当前的电压，并且有了这些测量数据，它能为控制电压提供一个精确的基础。合适的用于测量电压的测量装置是本领域的技术人员所已知的。

在一个实施例中，单个的飞轮能量存储单元的电机控制装置彼此之间互相连接，独立于模块控制单元，并且它们各自包括一个飞轮控制装置，该飞轮控制装置在紧急运转期间通过所有的飞轮存储单元实施一个针对直流链路中直流电压的联合协调支持操作。在这种方式中，飞轮存储单元能够更快地对电压变化做出反应，并且能实施一个能精确的支持操作。电机控制装置做出的反应比第一或第二调节系统快出，例如一个数量级。借助于飞轮存储单元之间的直接交流，快速的反应可以被更好地利用。

在一个可供选择的实施例中，正常运转期间和紧急运转期间都提供模块控制单元，用以向飞轮能量存储单元发送适用于紧急运转的扭矩要求，这样能量就能被释放到直流链路中。在这种情况下，模块控制单元被用于为飞轮存储单元进行时间相关的发电和扭矩要求的发送，作为回应，在紧急运转期间，飞轮存储单元在时间相关的扭矩要求的基础上向直流链路送入电能，这样直流链路中的电压就可以被调节到阈值之上尽可能的恒定值。为达到这一目的，每个飞轮存储单元接收来自于模块控制单元的单个扭矩要求。归因于单个飞轮能量存储单元的单独控制，单个飞轮能量存储单元的不同负载状态能被考虑进去，这样，任何时候，飞轮能量存储单元的转速不会低于最小值，因为否则的话，在不佳的低转速情况下飞轮能量存储单元的转子的最理想的承载和运行是不能实现的。

在一个实施例中，为了获得最佳的能量送入(或者能量摄取)，每个飞轮能量存储单元包括一个通过电机控制装置连接直流链路的电磁变换器，优选的是变频器。电磁变换器也被成为电机。电机控制装置通过数据线连接到模块控制单元，这样它就可以接收目标值要求(例如，扭矩要求)并且，在其电能和输出极限的框架内它能从直流链路中接受(被充电，获取能量)或者向直流链路释放(放电，释放能量)任何期望数量的电能。这种情况下，直流链路中的所有组件都以此种方式配置，这就使得任何一个诸如短路或者直流链路中的振荡之类的互相影响因素被排除。

为了使对飞轮存储单元的控制与它们各自的负载状态相适应，在一个实施例中，模块控制单元会从电机控制装置中查询飞轮能量存储单元的瞬时转速，并且根据所查询的转速，在转速与存储于电机控制单元中负载状态的关系的基础上，决定单个飞轮能量存储单元的相关的瞬时负载状态。可能的转速会在最大与最小转速间变化(极端情况下，没有旋转)，这种情况下负载状态100％为最大转速。因此，每种情况下的瞬时负载状态取决于瞬时转速。转速会被周期性地查询，比如以1Hz的频率。这里对转速的查询是指对主动查询信号的影响的反馈，该信号由模块控制单元发送，或者借助于模块控制单元自主产生(模块控制单元的被动查询)。电机控制装置的自主传输信息能连续产生，或者只在转速被规定值改变后产生。正常运转状态下，典型的转速范围为，例如，300Hz～800Hz，容许公差范围为±5％。

在一个实施例中，飞轮能量存储单元的电机控制装置中可实施一个较高的转速限制值和/或一个较低的转速限制值。现场(飞轮能量存储单元中)的当前转速限制值用于保护机器，也就是说，防止飞轮能量存储单元过度充电，亦或用于防止源源不断地放电。在一个优选的实施例中，较高的转速限制值和/或较低的转速限制值由一个组件实施，例如，一个单独的微型控制器。不过，转速限制值也能够借助于电机控制装置中的软件程序来实施。以附加组件形式存在的所谓的硬件装置确保转速限制值的正常运转，而不考虑电机控制装置的功能状态。同样电机控制装置中会设置合适的硬件设施以限制直流链路中输入或输出的最大扭矩或电量。

在另一个实施例中，根据转速要求，在模块控制单元中设置较高的转速限制值和/或较低的转速限制值，用于转速规定。在一个优选的实施例中，转速限制值依靠电脑程序中的指令实施，这样任何一个可能会改变的转速限制值能很快被设置完成。模块控制单元中的转速限制值不一定要与电机控制装置中的一样。后者用于保护机器。相反，模块控制单元的转速限制值能在一定的有效转速范围内用于控制能量存储模块。这种情况下，模块控制单元中较高或较低的转速限制值不会高于或低于电机控制装置中的较高或较低的转速限制值。在这个实施例中，计算将要被发送的扭矩要求时，转速限制值或者电机控制装置中的最大扭矩和电流都被模块控制单元考虑在内。

在一个实施例中，能量存储模块包括一个或多个测量单元，以持续测量与之连接的外部电网的电压质量，如果至少一个所连接的外部电网中出现过压或欠压情况，这些测量单元会在能量存储模块中发送紧急运转信号。这种情况下，能量存储模块，尤其是第二调节系统，会从正常运转状态转换到紧急运转状态作为对紧急运转信号的自动反应。如果外部电网或网络失灵或出现故障，那么就要断开与能量存储模块的连接，并且紧急运转状态开始了。归功于持续的测量，测量单元能提前探测外部电网中的可能的危险的过压过欠压，这样，与网格连接的断开就能阻止能量存储模块被摧毁，因而加强了能量存储模块的安全性。测量装置可以被整合到外部电网中，亦或被配置与外部电网中的一个或多个地方。测量单元也可以设置在能量存储模块和外部电网间的连接点。表述“测量单元”这个概念，在本发明中解释为，例如，测量作为所连接的局部电网的示例相关数据的网络电压和网络频率的测量探头。其它测量变量为，例如，根据时间、起点、网络频率、网络电流和其它变量的电压过程。外部交流电网的期望频率为50Hz情况下，在网络频率下降的基础上，测量单元可以确定外部电网会不会在那一刻脱离。其它测量变量的例子有，对局部交流电网中相位角的测量、或者在外部电网内有太多或太少负载吸收的情况下对电压的测量，以维持电压质量。在这种情况下，第二调节系统通过直流链路必要的供应为内部供电网供应能量，作为对紧急运转信号的响应。

在另一个实施例中，模块控制单元不仅控制正常和紧急运转状态下能量存储模块的运行，还控制正常运转状态到紧急运转状态的切换。优选的，直流链路同样的断开与外部电网的连接，该连接的断开也可以直接由测量单元引发。

在另一个实施例中，第一调节系统断开直流链路与外部电网的连接，作为对紧急运转信号的响应。第一调节系统以模块控制单元规定的方式控制能量流向所连接的外部电网。在另一个实施例中，第一调节系统只断开所连接的多个外部电网中有故障的电网。任何情况下，第一调节系统连接的断开可以在几毫秒内立即发生。这也就防止了对能量存储模块的破坏，加强了能量存储模块未来的安全性，这样就可以为任何额外连接的外部电网和内部供电网的内部支持运行保持运转状态。否者，短路或者过载情况可能会发生。在另一个实施例中，为达到这一目的，调节系统包括一个控制盒，控制盒带有至少一个控制组件及一个或多个断开开关，断开开关由控制组件控制且其数量取决于连接于调节单元的外部电网的数量。这种情况下，控制盒通过调节系统或者直接连接于模块控制单元，和/或通过数据线连接于测量单元，模块控制单元借助该控制盒可传送调节功能的的配置数据至控制组件。这里，作为第一调节系统额外的或者另一种选择，第二调节系统能用于断开内部供电网与外部电网的连接，以作为对紧急运转信号的响应。结果，与外部电网连接的断开以及直流链路与内部供电网间的连接能在一个共享的组件中进行。因此，通过模块控制单元的更进一步的控制通信能被排除掉，并且两个程序能在第二调节系统中被立即执行，作为对紧急运转信号的响应，为达到该目的，优选的，第二调节系统的相关开关已经由硬件互相连接好。因此，在几毫秒内，外部电网能被断开连接并且用于内部供电网支持运转的直流链路能被添加进来，因而供电网中的电压波动和运行集合体中可能的故障就会被阻止了。在另一个实施例中，为达到该目的，第二调节系统包括一个控制盒，控制盒带有至少一个控制组件及一个或多个断开开关，断开开关由控制组件控制且其数量取决于连接于调节单元的外部电网的数量。在这里，控制盒通过第二调节系统或者直接连接于模块控制单元，和/或通过数据线连接于测量单元，测量单元和/或模块控制单元借助该控制盒传送调节功能的配置数据至控制组件。

在另一个实施例中，一旦外部电网再次可用，测量单元会在能量存储模块中发送正常运转信号，优选的，直接送到模块控制单元。这里，能量存储模块，优选的模块控制单元，用于从紧急运转状态切换到正常运转状态，以作为对正常运转信号的自动响应，此时直流链路和内部供电网再次连接到外部电网。以此种方式，正常的电力供应自动复原，这样，这阻止了能量存储模块即使在外部电网存在的情况下继续保持紧急运转模式—这会导致能量存储模块在没有负载的情况下继续运行。

在另一个实施例中，模块控制单元用于使对运行集合体的控制与内部运行数据相适应。在这里，内部运行数据优选的包括来自飞轮能量存储单元或其它诸如真空系统、加热或冷却系统、其它供应系统等运行集合体的能量存储模块中的热负载。这也就提高了能量存储模块的效率。内部电损耗依据内部或外部瞬时测量变量的装置，能通过系统影响运行集合体的运行点或运行行为减到最小。比如，冷却机的流动温度——作为运行集合体的例子，——会被升高还是降低，这取决于瞬时内部或外部荷载。当能量存储模块中可用的能量被有效地应用，这样更长时间的外部电网故障也能被应付，这是紧急运转状态下的特别优势。例如，飞轮能量存储单元中废热的减少意味着冷却机的冷却输出能减少，这些减少的能量根据冷却机需要运行的能力被转化为储能。在另一个例子中，用于生成飞轮能量存储系统中的运行真空的真空泵的输出可以以时钟控制模式运行或甚至可以完全被关掉，这个取决于能量存储装置的内部压力。这些方案节省了运行耗能，因而提高了正常运转的效率，并且延长了在飞轮能量存储系统规定负载状态下内部供电网的支持运行时间，因此使提供一种更有效率和自动防故障的能量存储模块成为可能。

在另一个实施例中，能量存储模块另外还包括一个或多个连接于运行集合体的电力接收器。这意味着当飞轮存储单元充满电后需要额外获取能量。例如，能量存储模块通过冷却装置的系统使用获取外部电能(例如，交流电网中初级或次级运行残余)的容量转化为初级冷却系统的更大的冷却容量(作为第二个电力接收器的冷却装置的更大的能量摄取)，前述的冷却装置有初级和次级冷却回路，其中次级冷却回路同时被初级回路冷却和被电力加热——比如借助于容器中的浸入式加热器作为第一个电力接收器。根据环境条件或者装置运行点，单个能量存储单元的单位存储容量名义总数之上的模块存储容量的增长，能够通过通过从冷却系统和/或真空系统获取(电能)能量，被刻意地增长到正常运转所需的水平之上，进而更多的能量可用于紧急运转情况，这样，借助于供应网络的支持运转，甚至外部电网的更长时间的故障能够被衔接而没有任何问题。这样一个存储的冷却数量或者目标值之下的额外实现的真空水平——归功于有些运行集合体没有运行而节省了能耗，因而两者都是可用的——能够被节省下来，继而能在后面被及时利用以应对需求的上升或延长。

因此，本发明所述的能量存储模块构成了一个能量存储系统，该系统能在任何期望的地点被快捷灵活使用而只需要耗费很少的努力。在一个实施例中，能量存储模块被设置成一个移动容器中的移动单元。这里，能量存储模块通过第一调节系统连接外部电网(局部或非局部的网络)，亦或者，如果第一调节系统被合理设置的话，也可以连接一个或多个外部电网比如，一个或多个局部和/或非局部网络。向外部电网释放或者从外部电网获取能量的过程在扭矩要求的基础上发生，而且该过程由模块控制单元完成，随后模块控制单元能从外部源获取控制要求。这种控制任务可以为，例如，调节和系统任务，这些任务将会在所连接的外部电网中被执行并作为扭矩要求的基础。在这里，调节和系统任务被分为位置约束调节和系统任务，用于局部电网，以及非位置约束调节和系统任务，用于非局部电网。为了执行非位置约束和位置约束调节和系统任务，能量存储模块能被直接连接到非局部地区电网和一个或多个局部地区电网，亦或者通过所连接的局部电网被间接地连接到非局部电网中，假设局部电网本身连接到非局部电网。

模块控制单元使得能量存储模块能够在分别所连接的局部和非局部电网中执行不同的调节和系统任务——如果适用的话，因而同时带来了局部电网中局部网络质量和非局部电网中供应可靠性的改善。表述“局部约束调节和系统任务”指的是本地电网(如本地交流电网)并且包括，如，必要的网络电压的保护、通过调节电压信号的振幅角和相位角对无功功率的补偿、为可能已经连接进来的大一些的电能消费者或者为用电高峰切换以及为了储存局部能量残余而提供局部电能储备。在这里，表述“非局部约束调节和系统任务”指的是非局部电网(非局部交流电网)并且包括，例如，提供初级或者运营储备的配置。运营储备(也指储备电能)确保电网中发生意外事件时网络的稳定性。为达到此目的，可以为可调节的发电厂实行简要的输出适应，上升迅速的发电厂或能量存储系统如本发明中的能量存储模块可以被使用。其它非局部约束调节和系统任务的例子有网络故障无电源启动支持、电力高峰的一般存储和非局部电网中无功功率的补偿。其它局部和非局部电网的局部约束和非局部约束调节和系统任务有联合已存在的电力供应商和无功功率管理，为电源提供冗余度(安全性)。

这篇文章里，“非局部电网”表示，例如，跨地区延展到很大一片地区的交流电网，在非局部电网中非局部约束调节和系统任务被执行。非局部电网的例子有输电或配电网(公共电网)。德国的公共电网由，例如，由网络运营商运营的四个输电网组成。这四个输电网共同组成了德国的互相连接的网络。附带的有地区配电网。其他国家，相应的输电网由其他网络运营商运营。输电网的电网频率保持稳定(频率调节).由各个国家的附属输电网组成的高级欧洲互联网格同样被视为非局部地区电网，目前只有运营备用的标准被明确提出。非局部约束调节和系统任务在附属输电网中被执行。本发明中所展示的局部电网也表示，例如，交流电网，上述局部约束调节和系统任务也在该电网中执行。通常情况下，局部电网都有物理限制，比如说，工厂设施中的内部电网或者一座单独建筑或建筑群内的电网。

模块控制单元是能量存储模块在的一个组件，它控制能量存储模块，也就是说，它设置期望的运行状态(例如，正常运转状态或紧急运转状态)和运行参数并依照包含作为时间函数的期望运行参数的运行计划控制能量存储模块。局部约束和非局部约束调节以及系统任务(控制指令)作为运行计划的基础。为了控制能量存储模块，模块控制单元通过合适的数据线连接到能量存储模块中的附属部件，附属部件包括第一和第二调节系统以及飞轮存储单元，所述的数据线为，例如，一个总线系统，比如说CAN总线、PROFIBUS或以太网的形式。

在另一个实施例中，所有能量存储单元的电机控制装置可以持续监控上限阈值有关的直流链路中的直流电压，并且最晚在上限阈值被超过时，自动阻止飞轮能量存储单元中任何能量流流向直流链路。尽管直流链路中的直流电压被调节地尽可能地稳定，得亏于外部电网(主要事由)比如，来源于能量存储模块外部的高量的能量被快速地馈入到交流电网中，直流链路中可能会产生一个过高的电压。在调节和系统任务被执行或者会导致能量从能量存储模块馈入到外部电网的情况下，直流链路中的直流电压可能会上升到临界功率等级之上——如果所连接的外部网络不能作为接收器摄取这些能量的话——就像正常条件下那样，鉴于能量存储模块自身恰好构成了以能量源。由于这一原因，为了保护装置，飞轮能量存储单元的电机控制装置自动打断能量的馈入而独立于将要发生的调节和系统任务之外。甚至可以在上限阈值没有被超过的情况下阻止从飞轮能量存储单元到直流链路中的能量流动——如果直流电压太接近与上限阈值的话，比如，直流链路的直流电压和上限阈值的差距已经降低到被定义为电机控制装置临界值的值以下的时候。

本发明也涉及到一种控制能量存储模块的方法，包括以下步骤：

--与若干飞轮能量储存单元(2)并联的直流链路(3)中的能量被释放到一个或多个通过第一调节系统(31)与直流链路(3)连接的外部电网(ES1，ES2中或从外部电网中被获取，

--一个或多个运行飞轮能量存储单元所需的操作集合体(51,52,53,54)通过内部供电网被供应在能量存储模块正常运转(NO)期间自身运行所需的电能，供电网与第二调节系统(32)的输出端连接，所述第二调节系统的输入端至少与直流链路(3)连接。

--当外部电网(ES1，ES2)不存在时，能量存储模块从正常运转(NO)状态切换到紧急运转(NF)状态；

--至少在第一次间隔期间，内部供电网被提供以供应电能以保持外部电网(ES1，ES2)缺位期间飞轮能量储存单元的持续运行，且只从直流链路(3)中提供供应电能。

在一个实施例中，本方法还包括以下步骤：

--内部供电网(4)的供电网电压(VS)被调到一个定值，在此定值电压下，根据所需，借助第二调节系统从直流链路(3)供应电能。

内部供电网中的目标电压除去一个与恒定值相关的调节差异。

另一个实施例中，本方法还包括以下步骤：

--最好借助于配置在直流链路(3)中的至少一个测量装置持续监控直流链路(3)的直流电压。

--所述电机控制装置独立于模块控制单元(6)以控制正常运转(NO)期间的飞轮能量存储单元，在被监控的直流电压基础上借助单个飞轮能量储存单元的关联电机控制装置(51)控制飞轮能量储存单元，由于能量从关联飞轮存储单元向直流链路(3)中的释放，直流电压不会在飞轮能量存储单元中存储的能量没有下降到最低能量水平之下期间下降到一个较低的阈值(SW2)，最好通过为关联飞轮能量存储单元规定时间相关的扭矩要求。

当能量存储模块达到了最低能量水平或者降到最低能量水平之下(如，外部电网几天不能用)，残留的能量被用来完成斜降并关掉能量存储模块。

在一个实施例中，本方法还包括以下步骤：

--借助电机控制装置(51)执行飞轮能量存储单元(2)的联合协调支持运行(SB)以调节直流链路(3)中的直流电压，使直流电压在紧急运转(NF)期间为一个定值，正常运转期间此定值直流电压下每个电机控制装置包括有飞轮控制装置，并且飞轮能量存储单元的单个的电机控制装置彼此互相连接且独立于模块控制单元(6)。

这样的背景下，一个优选的实施例为，能量存储模块的单个飞轮存储单元能被从共享的支持运行中排除出去以为飞轮存储单元的受控的斜降提供最少的能量。已被从支持运行中排除出去的飞轮能量存储单元中的能量被保留下来用以最终进行受控斜降并关掉所有飞轮存储单元以使所有装备转换到安全模式以防延长的网络故障。

在一个实施例中，本方法还包括以下步骤：

--一旦飞轮能量存储单元(2)中的电量降到最低电量水平之下，内部供电网(4)就会通过第二调节系统(32)与直流链路(3)断开连接。

在另一实施例中，本方法还包括以下步骤：

--连接于能量存储模块的外部电网(ES1，ES2)的电压质量被能量存储模块中的一个或多个测量单元(7)所测量；

--测量单元(7)在能量存储模块内部发送紧急运转信号(NFS)以防至少一个连接的外部电网(ES1，ES2)出现过电压或欠电压的情况；

--借助于第一调解系统(31)，外部电网(ES1，ES2)至少与直流链路(3)连接；

--作为对直流链路(3)中直流电压下降或对紧急运转信号(NFS)的回应：飞轮能量存储单元(2)从正常运转(NO)转换到紧急运转(NO)，且借助于第二调节系统(32)通过直流链路(3)向内部供电网提供必要的供应电能；

--一旦外部电网(ES1，ES2)可用，测量单元(7)会发送正常运转信号(NOS)；

--能量存储模块从紧急运转(NF)切换到正常运转(NO)；

--作为对正常运转信号(NOS)的自动反馈，内部供电网(4)最好借助于第二调节系统(32)与外部电网(ES2)连接。

附图说明

现结合下面的附图进一步说明本发明的这些以及其他方面：

图1：能量存储模块的一个具体例子；

图2：带有控制盒的第一调节系统的一个例子；

图3：带有控制盒的第二调节系统的一个例子；

图4：本发明所述的正常运转状态期间能量存储模块的运行方法的一个例子；

图5：本发明所述的紧急运转状态期间能量存储模块的运行方法一个例子。

具体实施例

图1展示了储能模块1的一个实施例，用于以机械旋转能形式可逆储存电能，这里包括4个带有附属单位存储容量和单位输出的飞轮存储单元2。选择如此少的数量是为了使示意图更清楚。在实际应用中，一个能量存储模块包含比如，30个飞轮存储单元2。这样的配置中，以上所提到的单个容量将会放弃每个飞轮存储装置150kw的最大存储容量和每个储能模块0.6MW的最大输出。每个飞轮存储单元2包括一个通过电机控制装置51连接于直流链路3的电磁变换器53，最好为变频器51。直流链路3允许所有飞轮存储单元2彼此并联，使单位存储容量EK和单位输出EL能加总到一起作为总的模块存储容量和总的模块输出，并且使得全部的储能模块1不会被一个有缺陷的飞轮存储单元所损害。直流链路通过第一调节系统31连接于两个外部电网ES1，ES2。模块控制单元6借助于扭矩要求DV(最好为时间相关的扭矩要求)控制储能模块1，扭矩要求DV由模块控制单元6在储能模块1运行过程中生成和传输到飞轮存储单元2中去。在扭矩要求的基础上，飞轮存储单元2以电流的形式将能量馈入到直流链路3中，亦或从直流链路3中将能量以电流的形式摄取过来。这里，在正常运转期间，调节系统31通过将能量释放到至少两个外部电网ES`1，ES2中的一个中去或从至少两个外部电网ES1，ES2中的一个中获取能量En来调节直流链路3中的直流电压，使得直流电压在上限阈值SW1(例如，目标直流电压+5V)和下限阈值SW2(例如，目标直流电压-5V)之间，这样，直流电压就保持在一个基本恒定的值，比如750V。另外，除了将直流链路中的直流电压值恒定保持在一个上限和下限阈值之间的第一调节系统31之外，一个第二调节系统32的输入端32E连接于直流链路3。在一个实施例中，输入端32E能被另外连接于电网ES2中，用以在正常运转NO期间为内部电网4提供能量。没有此项连接的话，直接通过第一调节系统31或者、直流链路3和第二调节系统32为供电网4供应能量。正常运转NO期间T没有外部电网ES1，ES2时，第二调节系统32实行断网运行(只给内部供电网4供应能量，通过直流链路3从飞轮能量存储单元2。)这是个有利的方面，也就是当外部电网ES1，ES2刚恢复可用时，能量存储模块1在低模块内部能量的情况下保持运行。由于没有与外部电网ES1，ES2连接，当内部供电网4从直流链路3中馈入能量时，调节和系统任务保持在未处理状态。当外部电网ES2缺位时，如果第一调节系统31保持与继续运转的外部电网ES1的连接，那么内部供电网4也能通过直流链路从外部电网ES1中被供应能量；直流链路通过来自外部电网ES1的第一调节系统31被馈入能量，亦可借助于第二调节系统32。第一调节系统31和模块控制单元6也用于执行这一运行状态。为了控制飞轮能量存储单元2，模块控制单元6从电机控制装置51中查询单个飞轮能量存储单元2的旋转速度，并在查询的旋转速度基础上确定单个飞轮能量存储单元2的一个特定的瞬时负载状态。由于机器保护相关的原因，一个较高转速限制/或一个较低转速限制被以硬件形式设入，该硬件为飞轮能量存储单元2的附属电机控制装置51中的一个特殊组件52(传感器或调节器)作为另一种选择或者另外的选择，转速限制也能被设入到模块控制单元6中，最好是模块控制单元6中执行的电脑程序里。较低转速限制最小为0转每秒，选择一个搞一下的较低转速限制在技术上比较有利，因为这样的话电动系统能提供一个最小输出——由于运转—技术上的需要。在向上的方向，转速被电动变换器频率或旋转组件的坚固性所限制。一般，最大转速为，比如，800Hz。

正常运转期间模块控制单元6在为附属外部交流电网ES1,ES2执行的外部控制指令SA(调节和系统任务)的基础上控制能量存储模块1。模块控制单元6通过来自能量存储模块外部的网络控制装置的一个合适的数据界面(此处没有明确现实出来)接受以外部数据形式发送过来的SA指令。将要被发送到飞轮能量存储单元2中的扭矩要求由模块控制单元6在所接受的外部数据的基础上生成。外部数据为，比如，测量的物理量、逻辑量、顺序控制的实时控制要求或控制要求。在一个实施例中，模块控制单元6还包括存储单元61，用于存储外部数据，尤其是SA指令；在另一个实施例中，模块控制单元6包括一个为执行控制指令而存在的优先管理62。为了控制能量存储模块1，模块控制单元6绘制了一个运行计划用于执行所连接的外部电网ES1，ES2中的SA指令并向附属飞轮能量存储单元2传送相关的扭矩要求，最好是扭矩要求已经与单个飞轮能量存储单元2的附属负载状态相适应。在一个实施例中，为了让模块存储单元6总是能接收到用于控制能量存储模块1的瞬时外部数据，模块控制单元6会发送出去一个检测信号，在此信号的基础上外部系统会发回一个相关的回复信号——来检测外部通信连接的存在。回复信号的接收证实了与外部系统通信连接的正常运作，能量存储模块从外部系统中接收SA指令，比如外部数据形式的SA指令。为了使外部数据被计算在能量存储模块1的瞬时状态内，在一个实施例中，模块控制单元6发送能量存储模块1的运行数据，比如，阶段性地，到外部系统。

在这里，运行数据能包含飞轮能量存储单元2的负载状态，以及瞬时并且原则上可用的模块存储容量和模块输出、能量存储模块1的身份或其他能量存储模块1的组件。

为了能量和电能流从交流网ES1，ES2流入直流链路3或者从直流链路3流入交流网ES1，ES2的过程能被合适地分开以实现合适的SA指令，能量存储模块1包括一个控制盒8，控制盒8(见图2)将整个来自于直流链路3的能量和功率流分为：针对交流网ES1的能量和功率流EF1，LF1和针对交流网ES2的能量和功率流EF2，LF2。为了最好地执行所连接的交流网ES1，ES2中的SA指令，能量存储模块1包括一个测量单元7，该测量单元为交流网ES1，ES2持续测量电压量和/或电流强度，并测量相关数据以评估交流网ES1，ES2的电压量和电流强度。在另一个实施例中，使用多个测量单元7也是可能的。测量单元7用于在能量存储模块1中发送紧急运转信号，这里是发送到模块控制单元6，至少用以防止连接于内部供电网4的外部电网ES2中的过压或欠压。能量存储模块1，尤其是第二调节系统，作为对紧急运转信号的自动反馈，从正常运转状态切换到紧急运转状态，并断开内部供电网4与外部电网ES2或外部电网ES1，ES2的连接，这里，作为对紧急运转信号的回馈，第二调节系统32从直流链路3为内部供电网4提供必要的网络电压。为了使第二调节系统32能在紧急运转期间通过根据所需提供能量将内部供电网电压调节到一个基本恒定的值，供电网电压能在供电网中被测量，比如，持续地，以合适的方法，并且供电网电压能值能被发送到模块控制单元6。一旦外部电网ES1,ES2在此可用时，测量单元7也被设置成用于在能量存储模块1中发射正常运转信号NOS，这时，能量存储模块1，这里比如，借助于模块控制单元6从紧急运转切换到正常运转作为对正常运转信号的自动反馈，并且测量它们也被用于将直流链路和内部供电网4再次连接到外部电网ES1，ES2并且，如果可以的话，断开直流链路3与内部供电网4件的连接——借助于第二调节系统在一个实施例中，外部电网ES1和ES2也能作为一个共用的外部电网而彼此相连。

用于获得相关数据的合适的测量量有这些例子：作为时间函数的电压过程，相位角，星星点，网络频率或者网络电流等。就本发明来看，精于技术的人可以选择合适的测量单元或测量探头并将它们放置在合适的位置。当交流网ES1，ES2中的规定限制值被超过之后，能量存储模块1因此也能积极地断开与交流电网ES1，ES2的连接。

为了使飞轮存储单元2的运转，所有电力驱动的运行集合体51,52,53,54都连接于内部供电网4，正常运转期间，内部供电网4直接或间接连接(通过直流链路)到外部电网ES2以给运行集合体51,52,53,54提供能量。在这个实施例中，第二调节系统32输入端32E到外部电网ES2的任意连接被描绘成虚线。到第二调节系统32的电路连接可以被一个控制盒8调节，在这里见图3。这里，第二调节系统32被连接于直流链路3，并且在紧急运转期间，为了确保飞轮能量存储单元的持续运行，至少在第一个时间间隔期第二调节系统32通过直流链路3从飞轮能量存储单元为内部供电网4提供必要的网络电压VS。直流链路中的直流电压被持续监控，飞轮能量存储单元2各自包括电机控制装置51，——紧急运转期间至少在被监控直流电压的基础上，并独立于在紧急运转期间控制飞轮能量存储单元2的模块控制单元6——电机控制装置51释放从相关飞轮能量存储单元2中获取的能量，至少在相关飞轮能量存储单元2中存储的能量的量没有下降到最低能量水平之下期间用以防止直流链路3中的直流电压下降到下限阈值SW2之下。这里，为了实现内部供电网4的支持运转，直流链路3中的直流电压不能降到供电网电压之下。此外，直流链路3可以包含一个测量单元33用来测量直流链路3的电压，该电压值会被发送到模块控制单元6。在一个实施例中，模块控制单元6而不是电机控制装置51也能在测量电压基础上驱动飞轮能量存储单元2——通过从一个或多个飞轮能量存储单元2中释放能量到直流链路3，这样其电压至少在相关飞轮能量存储单元2中存储的能量的量没有下降到最低能量水平之下期间用以防止直流链路3中的直流电压下降到下限阈值SW2之下。

为了正常运转，模块控制单元6也控制从直流链路3的能量的获取和向一个或多个飞轮能量存储单元2的能量馈入，如果其电压上升到一个较高目标值之上的话。该控制过程在借助测量单元33所测量的电压基础上发生。在一个实施例中，为了紧急运转，单个飞轮能量存储单元2的电机控制装置51也能直接互相连接，独立于模块控制单元6，并且它们各自包括一个飞轮控制装置(此处没有明显显示出来)，飞轮控制装置用于在紧急运转期间执行对于所有飞轮能量存储单元2间直流链路中电压的联合协调支持运转。电机控制装置51的直接连接被绘制成虚线51d。

除了飞轮能量存储单元2中的运行集合体外，诸如，电机控制装置51，一些例如运行集合体54之类的运行集合体也能被配置在飞轮能量存储单元2之外比如，真空系统，该真空系统通过管路系统(此处为了清晰度的，没有明确显示出来)连接到飞轮能量存储单元2中转子的容器中，用于在40000rpm转速下制造一个低于0.1mbar的真空，该真空对于确保转子在高转速下以尽可能最低的损耗旋转非常必要。另一个运行集合体54可以是冷却单元，用以驱散能量存储模块1运转中的热量。模块控制单元6可以用来使对运行集合体54的控制与所接收的内部数据或外部数据相适应，这也是为什么运行集合体54也连接于模块控制单元6。内部电损耗可以通过系统影响作为装置-内部或外部瞬时测量量函数的运行集合体54的运行点或运行状态达到最小化比如，冷却机器54的流动温度——运行集合体54的一个例子——能够根据瞬时内部或外部负载情况被升高或降低。比如，飞轮能量存储单元2的废热的缩减意味着冷却机器54的冷却输出，减少了冷却机器54所需的运转能量。另一个例子中，真空泵在飞轮能量存储单元2的转子容器中生成运行真空的输出可以以时钟模式运行或者甚至作为(转子)离心质量排气行为的函数被完全关掉。这些手段节省了能量，因此将现时的效率提高了10％，继而提供了一种更有效率的能量存储模块1.。

本实施例中，能量存储模块1另外还包括一个电源接收器9，该电源接收器9连接于一个或多个运行集合体51,52,53,54，当飞轮能量存储单元2完全充电后借助于该接收器9能进一步获取额外的能量。比如，通过系统利用冷却设备54可以增加用于获取外部电能(例如，交流网ES1，ES2中的初级或次级运转残余)的模块存储容量；该冷却设备54有一个初级和次级冷却回路，该回路中冷却设备的次级冷却回路被电热比如，利用冷却水池中的一个容积为400公升的浸入式加热器作为第一电源接收器9，转化成一个更大的初级冷却回路(作为第二冷却回路更大的电能消耗)。根据环境条件或者设备运行点，通过冷却系统54和/或真空系统的电能消耗，模块存储容量可以被可以扩大到超过单个飞轮存储单元2的单位存储容量，这样就达到了一个相当大的超过运行所需的值。归因于存在运行集合体54没有运转，因而节省了能耗，这样一个存储的冷却容量或者额外获取的目标真空执行的真空水平比如，10-3mbar，都是可用的，且能够被节省下来并在后续过程被及时利用以应对需求的升高和延迟。

为了控制能量存储模块1，模块控制单元6和能量存储模块1的各个组件通过数据线(图1中所示虚线)比如，CANbus或PROFIBUS，互相连接。通过通向调节系统31,32的数据线13(如图2、3)，模块控制单元6将配置数据传输到控制盒8的调节函数。图2显示了一个控制盒8的实施例。为了使互相连接的电网ES1，ES2和能量存储模块1中的能量和功率流EF,LF依据SA指令被分开，本实施例中的能量存储模块1包括一个带有控制组件81和分别针对电网ES1，ES2的隔离开关82的控制盒8。模块控制单元6通过数据连接10连接到控制盒8的控制组件81，并且向控制盒8传输调节器函数的合适配置数据，这里直接传输到控制组件81以控制能量和功率流动。在调节器函数的配置数据基础上，控制组件81控制能量和功率流向——来自于直流链路3——所连接的电网ES1，ES2，作为电网ES1的能量和功率流EF1，LF1，并作为非局部电网ES2的能量和功率流EF1，LF1。在本实施例中，当能量被馈入到所连接的电网ES1，ES2中时，例子所展示的都是能量流EF的分配。控制盒8同样用于控制所连接的电网(无论是交流电网还是直流电网)的能量流出和能量向所连接电网的流入，依靠着两股能量流的巨大数量，消极能量剩余被存储在能量存储模块1中或者积极能量剩余又能量存储模块1所提供。能量存储模块1没有在此明确显示出来，但是被相关的组件象征性地暗示出来了。控制盒8通过相关测量单元接收来自两个互相连接的电网ES1，ES2的相关数据，在此数据基础上控制组件81通过标准值或阈值吸引互相连接的电网ES1，ES2的相关数据。在这个背景下，在紧急运转信号的基础上，第一调节系统31用于断开直流链路与外部电网ES1，ES2的连接。如果外部电网ES1，ES中的一个或者两者都因为网络故障不可用，那么相关电网ES1，ES2将会在相关数据中表现出来，在本实施例中，该数据也已经被传送给控制组件81，并且作为对该数据传送的反馈，本实施例中控制组件81本身，甚至不需要基于紧急运转信号的相关配置数据的传输信息，就能从模块控制单元6自动发送合适的断开指令TA到相关隔离开关82，以使能量存储模块1从所连接的电网ES1，ES2中断开，之后隔离开关82从之前连接的电网ES1，ES2中断开。这个过程中，连接的电网在仅仅几毫秒内被断开。如果只有一个电网被断开，能量存储模块1为其他仍然连接的电网继续运行，如果一个电网出故障了，有效地阻止能量存储模块1中的一次短路或者过载是可能的。这里所展示的实施例，涉及到一个连接的局部电网ES1和一个连接的非局部电网ES2，改实施例仅仅是两个连接电网的例子。其他实施例中，控制盒8可以被连接到两个以上电网中。该两个以上电网也能是局部电网，至少其中一个局部电网连接于非局部电网以执行非局部约束调节和系统任务SA(控制指令)。这里所展示的控制盒8被配置在，例如，第一调节系统31中。

图3绘制了另一个实施例，展示了配置在第二调节系统32中且带有一个另外连接于输入端以在正常运转期间为供电网4供电的外部电网ES2的控制盒8。这里，隔离开关82中的一个连接于一个外部电网ES2，而其他隔离开关82连接于直流链路3.这里，控制组件81控制隔离开关：隔离开关82在紧急运转期间从外部电网ES2断开后，之前向直流链路3断开的隔离开关82闭合，这样使得内部供电网4连接到直流链路3以向内部供电网输入供电网电压(虚线箭头暗示了功率流的方向)。能量存储模块1没有在此明确显示出来，只是通过相关组件象征性地暗示出来。控制盒8通过测量单元7同时接受连接电网ES2中的相关数据，在该数据基础上，控制组件81通过存储于控制组件81中的标准值或者阈值推断所连接的电网ES2的存在。如果所连接的电网ES2由于网络故障不再可用，那么该电网ES2的故障将会在相关数据中显示出来并被传输到控制组件81中，并且作为对其的反馈，在一个实施例中，控制组件81本身，甚至在没有相关配置数据的情况下，自动从模块控制单元6发送合适的断开指令到相关隔离开关82，以断开来自电网ES2的内部供电网电压，此后隔离开关82从供电网断开之前所连接的电网ES2。这个过程中，所连接的电网在几毫秒内被断开。由于内部供电网4对其反馈后，接下来连接到直流链路3以提供供应电压，运行集合体能继续运行。以这种方式，如果一个电网ES2无法运行，有效地阻止能量存储模块1一次短路或者过载情况是可能的，继而确保了继续运行的容量。

图4展示了本发明所述正常运转期间能量存储模块1的运行方法。模块控制单元6接收控制指令SA并检测直流链路3中的直流电压是否与直流电压目标值GS-S匹配。如果是如此(GS-S＝”J”[yes]匹配SW2<GS<SW1)并且如果反而没有SA指令用以向连接的电网ES1，ES2中馈入能量或者从中获取能量，那么，借助于合适的发送到飞轮能量存储单元中的扭矩要求，模块控制单元6保持直流链路中的直流电压在目标范围内。如果直流电压GS超过了直流电压目标值(GS-S＝”N”[NO])，那么从电网ES1，ES2流向直流链路3的能量流中用于加速飞轮能量存储单元2的扭矩要求被发送(用电机控制装置51或者模块控制单元6)。如果直流电压GS降到直流电压目标值(GS-S＝”N”[NO])一下，那么从直流链路3流向电网ES1，ES2的能量流中的用于减速飞轮存储单元2的扭矩要求被发送(用电机控制装置51或者模块控制单元6)。在调节函数的配置数据基础上——该数据有控制盒8从模块控制单元6接收而来——控制盒8调节能量和功率流EF,LF——由控制盒8从调节系统31中接收——根据所连接的外部电网ES1，ES2的SA指令依比例为相关电网ES1，ES2将之转化为能量和功率流ES1，ES2.

图5显示了本发明所述的紧急运转期间能量存储模块1的运行方法，能量存储模块1最初处于正常运转状态。该能量存储模块包括一个第二调节系统32，该系统直接连接到外部电网ES2以为供电网4供应能量。控制盒8这里对应是图3中的控制盒。正常运转期间，连接于能量存储模块1的外部电网ES1，ES2中的电压量被一个或多个测量单元7持续测量。这个过程中，至少在连接于内部供电网4的外部电网ES2中发生过压或欠压时，测量单元7在能量存储模块1中发送紧急运转信号。接下来，模块控制单元6从正常运转状态切换到紧急运转状态(虚线所示)，并且使得第二调节系统32断开外部电网ES2至少与内部供电网4的连接，在内部供电网4中合适的配置数据被传送到第二调节系统32的控制盒8中，作为对控制盒8通过断开信号TA断开外部电网ES2到能量存储模块1的连接的反馈。然后，直流链路3通过第二调节系统32连接到内部供电网4，并供应内部供电网4必要的供电网电压以确保飞轮能量存储单元2的继续运行。如果能量存储模块拥有足够大的容量，该供应过程能在没有功能限制的情况下被保持一段很长的第一次时间间隔。这个背景下，内部供电网4的供电网电压被调节到一个恒定值，该恒定值下，根据需求，从直流链路3中供应电能，为达到该目的，直流链路3中的电压被电机控制装置51或者只是一个测量单元33所测量，并且飞轮存储单元2被电机控制装置51在作为时间相关扭矩要求函数而测量的电压基础上所控制，通过一个或多个飞轮存储单元2向直流链路3中释放能量，其电压至少在飞轮能量存储单元2存储的能量没有降到最低能量水平之下期间不会降到下限阈值SW2之下。一旦外部电网ES1，ES2(至少外部电网ES2)又一次可用以为内部供电网4供电，测量单元7发射一个正常运转信号NOS并且模块控制单元6从紧急运转切换到正常运转，内部供电网4再次连接到外部电网ES2，且直流链路3与内部供电网4之间的连接再次被第二调节系统32断开作为对正常运转信号NOS的自动反馈。然后，正常运转状态再次继续下去，如图4。如果能量存储模块1中存储的能量的量降到最低值以下，在另一个实施例中，能量存储模块1斜降并且内部供电网4借助于第二调节系统32被从直流链路3中断开。

本文所提供的实施例仅仅构成本发明中的例子，而不应该以一种限制性的方式被解释。技术人员所考虑的其他实施例同样包含在本发明的保护范围内。

参考标号列表

1能量存储模块

13数据线，数据总线

2飞轮存储单元

3直流链路

31第一调节系统

32第二调节系统

32A第二调节系统输出端

32E第二调节系统输入端

33测量直流链路中的电压的测量装置

4内部供电网

51运营装置：电机控制装置

51d紧急运转状态中电机控制装置间的直接数据连接

52运营装置：转速限制组件

53运营装置：电磁变换器

54运营装置：真空系统，冷却系统，磁性承载系统，其他供应系统

6模块控制单元

61存储外部数据的存储模块

62执行控制指令的优先管理

7测量单元

8控制盒

81控制组件

82隔离开关

9电力接收器

10外部电网与第二调节系统输入端的连接

A飞轮存储单元的减速

B飞轮存储单元的架势

DV扭矩要求

EF能量流

EF1，EF2流向外部电网ES1，ES2的能量流

En，LFn能量流/功率流流向能量存储模块或者流向飞轮存储单元(消极能量流/功率流)

Ep，LFn来自于能量存储模块或飞轮存储单元的能量流/功率流(积极能量流/功率流)

EK飞轮能量存储单元的单位存储容量

EL飞轮能量存储单元的单位存储输出

En从电网中获取能量

Ep向电网中释放能量

ES1连接于第一调节系统的外部电网

ES2连接于第二调节系统的外部电网

GS直流链路中的直流电压

GS-S直流链路中直流电压的目标值

KMES1，ES2中电压量的持续测量

LF功率流

LF1，LF2流入外部电网ES1，ES2的功率流

M直流链路总电压的测量

NO正常运转

NOS正常运转信号

NF紧急运转

NFS紧急运转信号

KD配置数据

R供电网电压的调节

RD相关数据

SA外部控制指令(调节和系统任务)

ST飞轮存储单元的控制

SW1直流电压的上限阈值

SW2直流电压的下限阈值

TA断开指令，从外部电网断开

V供电网馈入电压

VB内部供电网与直流链路的连接

VS供电网电压。

Claims (15)

1.一种用于电能可逆存储的能量储存模块(1)，包括几个飞轮电能储存单元(2)，飞轮电能储存单元通过一个共享的直流链路(3)并联；包括一与直流链路(3)连接的第一调节系统(31)，所述第一调节系统在正常运转期间(NO)将直流链路(3)连接到一个或多个外部电网(ES1、ES2)，以从外部电网(ES1、ES2)中吸收(En)能量或释放(Ep)能量，包括一个第二调节系统(32)，具有一输入端(32E)和一输出端(32A)，借此输入端(32E)至少连接至直流链路(3)，而输出端(32A)至少连接至一内部电网(4)，用于为运转飞轮能量储存单元(2)所需的一个或多个电力驱动操作集合体(51,52,53,54)供电，借此所述第二调节系统(32)，至少在外部电网缺席时的紧急运转(NF)期间，用于连接直流链路(3)与外部电网(4)，并且至少在第一次间隔(T)期间，为供电网(4)供应只来自直流电路(3)的必要的电能(VL)，以保证飞轮储能单元(2)的持续运转。

2.根据权利要求1所述能量储存模块(1)，其特征在于：在紧急运转(NF)期间，所述第二调节系统(32)以基本恒定的方式在所述内部供电网(4)内调节供电网电压(VS)，所述内部供电网根据需求从直流链路(3)供电。

3.根据权利要求2所述能量储存模块(1)，其特征在于：所述第二调节系统(32)的输入端(32E)还额外与以外部电网(ES2)连接，在正常运转期间(NO)所述第二调节系统从外部电网为内部供电网提供电能，在紧急运转期间所述第二调节系统从直流链路为内部供电网提供电能。

4.根据权利要求3所述能量储存模块(1)，其特征在于：所述能量储存模块持续监控直流链路(3)中的直流电压，所述飞轮能量储存单元(2)中的每个设有电机控制装置(6)，所述电机控制装置独立于模块控制单元(6)，用于在正常运转期间控制飞轮储能单元(2)，所述电机控制装置是如此配置，以便在紧急运转(NF)情况下—至少在被监控的直流电压基础上—不允许直流链路(3)中的直流电压(GS)至少在所属的飞轮能量储存单元(2)所存储的能量没有下降到最低能量水平期间，下降到其所属的飞轮能量储存单元释放能量的下限阈值(SW2)之下。

5.根据权利要求4所述能量储存模块(1)，其特征在于：直流链路(3)中至少设有一个测量装置(33)，用以测量直流链路(3)中的直流电压(GS)，且所述装置至少与飞轮能量储存单元(2)所属的电机控制装置连接。

6.根据权利要求5所述能量储存模块(1)，其特征在于：单个飞轮能量储存单元(2)的电机控制装置(51)直接彼此连接且独立于模块控制单元(6)，且它们各自包括一个飞轮控制装置，所述飞轮控制装置在紧急运转(NF)期间通过所有的飞轮能量储存单元(2)为直流链路(3)中的直流电压(GS)执行一次联合协调支持操作(SB)。

7.根据权利要求6所述能量储存模块(1)，其特征在于：所述能量储存模块(1)包括一个或多个测量单元(7)，用以连续测量外部电网(ES1、ES2)的电压质量，其中外部电网与能量储存模块(1)相连，所述测量单元(7)用于在至少一个与之连接的外部电网(ES2)过电压或者欠电压的情况下，在能量储存模块(1)内发送紧急运转信号(NFS)，所述第二调节系统用于从正常运转状态(NO)切换到紧急运转状态(NF)，以作为对紧急运转信号(NFS)的自动响应。

8.根据权利要求7所述能量储存模块(1)，其特征在于：所述第一调节系统(31)用于断开直流链路(3)与外部电网(ES1、ES2)的连接，以作为对紧急运转信号(NFS)的响应，和/或所述第二调节系统(32)用于断开内部电网与外部电网(ES2)的连接，以作为对紧急运转信号(NFS)的响应。

9.根据权利要求8所述能量储存模块(1)，其特征在于：一旦外部电网(ES1、ES2)再次可用，所述测量单元(7)在能量存储模块(1)中发送一个正常运转信号(NOS)，所述能量存储模块用于从紧急运转(NF)转换成正常运转(NO)，以作为对正常运转信号(NOS)的自动响应，并用于使直流链路(3)和内部电网(4)连接到外部电网(ES1，ES2)

10.一种控制如权利要求1所述的能量储存模块的方法，包括以下步骤：

-来自直流链路(3)的，与几个飞轮能量储存单元(2)并联的能量，被释放(Ep)到一个或多个外部电网(ES1，ES2)，或从一个或多个外部电网中吸收(En)，一个或多个外部电网通过一第一调节系统(31)与直流链路(3)连接，

一个或多个操作集合体(51,52,53,54)，用于运行(BT)飞轮能量存储单元(2)所需的电能，电能用于在能量存储模块正常运转(NO)期间通过内部电网(4)运行(BT)操作集合体(4)，电网(4)与第二调节系统(32)的输出端(32A)连接，所述第二调节系统的输入端(32E)至少与直流链路(3)连接，

当外部电网(ES1，ES2)缺席时，能量存储模块从正常运转(NO)状态切换到紧急运转(NF)状态，

至少在第一次间隔(T)期间，内部电网(4)被提供(V)电能(VL)，以在外部电网(ES1，ES2)缺席期间保持飞轮能量储存单元(2)的持续运行(BT)，并且这只通过从直流链路(3)中提供电能而完成。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：

内部电网(4)的供电网电压(VS)被调到一个定值，在此定值电压下，根据需要，借助第二调节系统(32)从直流链路(3)供应电能。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：

优选的，借助于配置在直流链路(3)中的至少一个测量装置(33)，持续监控直流链路(3)的直流电压(GS)；

独立于模块控制单元(6)以在正常运转(NO)期间控制飞轮存储单元(2)，在紧急状态(NF)下，飞轮储存单元(2)在被监控的直流电压(GS)的基础上借助单个飞轮储存单元(2)所属的电机控制装置(51)被控制，因此由于从所属的飞轮存储单元(2)向直流链路(3)中释放(EFp)能量，至少在飞轮存储单元(2)中存储的能量没有下降到最低能量水平之下期间，它的直流电压(GS)不会下降到一个较低的阈值(SW2)之下，优选的，通过为所属的飞轮存储单元(2)规定时间相关的扭矩要求(DV)来达到以上目的。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：借助电机控制装置(51)，执行所有飞轮能量存储单元(2)的联合协调支持操作(SB)，以调节直流链路(3)中的直流电压(GS)在紧急运转(NF)期间为一个定值，其中每个电机控制装置包括有飞轮控制装置，并且飞轮存储单元(2)的单个的电机控制装置彼此互相连接且独立于模块控制单元(6)；

单个飞轮存储单元(2)被系统地排除在共享支持操作(SB)之外，以为飞轮存储单元(2)的受控的斜降提供最少的能量。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：一旦飞轮能量存储单元(2)中存储的电能降到最低能量水平之下，内部电网(4)通过第二调节系统(32)与直流链路(3)断开连接。

15.根据权利要求10-14中任一权利要求所述的方法，还包括以下步骤：

连接于能量存储模块(1)的外部电网(ES1，ES2)的电压质量被能量存储模块中的一个或多个测量单元(7)所连续的测量(KM)；

在至少一个连接的外部电网(ES1，ES2)出现过电压或欠电压的情况下，一个测量单元(7)在能量存储模块(1)内部发送紧急运转信号(NFS)；

借助于第一调节系统(31)，外部电网(ES1，ES2)至少与直流链路(3)断开连接；

借助于第二调节系统(32)，飞轮存储单元(2)从正常运转(NO)状态转换到紧急运转(NO)状态，且内部电网(4)通过直流链路(3)供给必要的电能(VL),作为对直流链路(3)中直流电压(GS)下降的自动响应，或作为对紧急运转信号(NFS)的自动响应；

一旦外部电网(ES1，ES2)再次可用，测量单元(7)会发送一个正常运转信号(NOS)；

能量存储模块(1)从紧急运转(NF)状态切换到正常运转(NO)状态；

优选的，内部电网(4)借助于第二调节系统(32)与外部电网(ES2)连接，以作为对正常运转信号(NOS)的自动响应。