DE102014100989B4

DE102014100989B4 - Stromwandlervorrichtung und Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102014100989B4
Application number: DE102014100989.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lüth
Original assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: KR102089125B1; CA2933516A1; US10199846B2; DE102014100989A1; US20160336780A1; CA2933516C; KR20160114090A; WO2015113964A1

Abstract

Stromwandlervorrichtung (1) zum Laden und Entladen von Energiespeichern aufweisend zumindest einen bidirektionalen Spannungswandler (2, 5, 6), der an ein Stromversorgungsnetz (3) und an zumindest einen elektrochemischen Energiewandler (7-10) für einen als Durchflussbatterie, insbesondere als Redox-Flow-Batterie, ausgestalteten Energiespeicher mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten anschließbar ist, wobei die Stromwandlervorrichtung (1) eine Steuerung (11) aufweist, die mit dem Spannungswandler (2, 5, 6) verbunden ist und eingerichtet ist, den Spannungswandler (2, 5, 6) hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) ausgelegt ist, eine oder mehrere der folgenden Energiespeicherperipherievorrichtungen in Abhängigkeit der von der Steuerung (11) vorgegebenen Leistungsflussrichtung des Spannungswandlers (2, 5, 6) zu steuern:- Pumpen (33, 34) zur Umwälzung des Elektrolyts,- Durchflussregler (35, 36) zur Regelung der Elektrolytd u rchflussmenge,- Temperatursteuerung zur Einstellung der Elektrolyttemperatur,- Drucksteuerung zur Einstellung des Elektrolytdrucks, und wobei die Steuerung (11) zumindest einen Steueranschluss (17) zum Anschluss zumindest einer dieser Energiespeicherperipherievorrichtungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromwandlervorrichtung zum Laden und Entladen von Energiespeichern aufweisend zumindest einen bidirektionalen Spannungswandler, der an ein Stromversorgungsnetz und an zumindest einen elektrochemischen Energiewandler anschließbar ist, wobei die Stromwandlervorrichtung eine Steuerung aufweist, die mit dem Spannungswandler verbunden ist und eingerichtet ist, den Spannungswandler hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung zu steuern.
Eine derartige Vorrichtung ist z.B. in Druckschrift DE 10 2011 106 944 A1 genannt.
Alternativenergien gewinnen immer mehr an Bedeutung. Problematisch an Alternativenergien, wie z.B. Solarenergie oder Windkraft, ist, dass die Zeiten der Energieerzeugung nicht beeinflussbar sind und überschüssige Energie zwischengespeichert werden muss, so dass sie zu Zeiten verfügbar ist, in denen keine Energie erzeugt werden kann. Es ist daher notwendig, Energiespeichersysteme einzusetzen. Energiespeichersysteme sind jedoch mit Verlusten behaftet, die vermieden werden sollten.
Als Energiespeicher eignet sich eine Durchflussbatterie oder ein elektrochemischer Energiewandler für eine Durchflussbatterie, insbesondere eine Redox-Flow-Batterie mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten, Elektrolytleitungen zur Zu- und Abführung eines oder mehrerer Elektrolyten von einem Vorratstank zu dem elektrochemischen Energiewandler und weiter zurück in den jeweiligen Vorratstank in Form eines Kreislaufprozesses, wobei der elektrochemische Energiewandler mindestens eine Reaktionszelle mit zwei Elektroden und einer ionenleitenden Membran, bevorzugt eine Vielzahl von elektrisch zusammengeschalteten Einzelzellen umfasst, wobei diese bevorzugt mit Elektrolyten in Parallelschaltung versorgt werden und die jeweils einen Einlassbereich zur Einleitung des Elektrolyten in die Reaktionszelle und einen Auslassbereich zur Ausleitung des Elektrolyten aus der Reaktionszelle aufweisen. Um elektrische Energie besonders effizient in einem solchen elektrochemischen Energiespeicher umwandeln zu können, bedarf es der Steuerung von Energiespeicherperipherievorrichtungen, wie zum Beispiel der Zirkulationspumpen. Außerdem muss die Stromwandlervorrichtung die Leistungsflussrichtung steuern.
Herkömmliche Energiespeichersysteme weisen eine Steuereinheit für die Energiespeicherperipherievorrichtungen auf, die anhand verschiedener Parameter versucht, den derzeitigen Ladezustand der Energiespeicher zu erfassen, wie zum Beispiel Strom, Spannung, Durchfluss, Temperatur, Druck des Elektrolyten, um so die Energiespeicherperipherievorrichtungen wie zum Beispiel die Zirkulationspumpen zu steuern.
Herkömmliche Stromwandlervorrichtungen arbeiten unabhängig von dieser Steuereinheit und wandeln mittels eines Spannungswandlers die Spannung vom Stromversorgungsnetz zu einer Spannung für die Energiespeicher im Lademodus und umgekehrt im Entlademodus. Dabei steuert die Stromwandlervorrichtung die Leistungsflussrichtung der elektrischen Leistung im Spannungswandler.
Häufig werden Verluste erzeugt, weil das Steuern der Energiespeicherperipherievorrichtungen durch die Steuereinheit nicht ausreichend mit der Leistungsflussrichtungssteuerung der Stromwandlervorrichtung zusammenspielt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Stromwandlervorrichtung und ein Energiespeichersystem und ein Verfahren zum Laden und Entladen von Energiespeichern bereitzustellen, mit denen die Energieeffizienz gesteigert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Stromwandlervorrichtung zum Laden und Entladen von Energiespeichern, wobei die Stromwandlervorrichtung zumindest einen bidirektionalen Spannungswandler aufweist, der an ein Stromversorgungsnetz und an zumindest einen elektrochemischen Energiewandler für einen als Durchflussbatterie, insbesondere als Redox-Flow-Batterie, ausgestalteten Energiespeicher mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten anschließbar ist. Die Stromwandlervorrichtung weist zudem eine Steuerung auf, die mit dem Spannungswandler verbunden ist und eingerichtet ist, den Spannungswandler hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung zu steuern. Außerdem ist die Steuerung ausgelegt eine oder mehrere der folgenden Energiespeicherperipherievorrichtungen in Abhängigkeit der von der Steuerung vorgegebenen Leistungsflussrichtung des Spannungswandlers zu steuern:

- Pumpen zur Umwälzung des Elektrolyts,
- Durchflussregler zur Regelung der Elektrolytdurchflussmenge,
- Temperatursteuerung zur Einstellung der Elektrolyttemperatur,
- Drucksteuerung zur Einstellung des Elektrolytdrucks.

Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Spannungswandler zusätzlich in Abhängigkeit der Leistungsmenge zu steuern. Damit kann die Effizienz des Spannungswandlers weiter gesteigert werden.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Spannungswandler zusätzlich in Abhängigkeit der Energiemenge zu steuern. Damit kann die Effizienz des Spannungswandlers weiter gesteigert werden.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, den Steueranschluss für zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung zusätzlich in Abhängigkeit der Leistungsmenge zu steuern. Damit kann die Effizienz des Spannungswandlers weiter gesteigert werden.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, den Steueranschluss für zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung zusätzlich in Abhängigkeit der Energiemenge zu steuern. Damit kann die Effizienz des Spannungswandlers weiter gesteigert werden.
Die Steuerung kann einen Signaleingang zur Erfassung von einem oder mehreren der folgenden Prozessparameter aufweisen:

- Temperatur des Elektrolyts,
- Druck des Elektrolyts
- Durchflussmenge des Elektrolyts
- Füllstand des Elektrolyts in einem Vorratstank.

Die Steuerung kann einen Datenspeicher zur Speicherung der Leistungsflussrichtung, der Leistungsflussmenge und/oder der Energiemenge aufweisen. Damit lässt sich das Energiespeichersystem besser überwachen und stetig verbessern.
Der Steueranschluss und/oder der Signaleingang und/oder der Anschluss zur grafischen Anzeige können als digitale Anschlüsse bzw. Eingänge ausgelegt sein. Digitale Anschlüsse sind zuverlässiger in Umgebungen, in denen das Energiespeichersystem großen elektromagnetischen Störfeldern ausgesetzt ist.
Die Steuerung kann eine Schnittstelle zur Datenübermittlung an eine Datenkommunikationsnetzwerk aufweisen, z.B. an das Internet oder an mobile Kommunikationsnetze (GSM, UMTS, LTE) aufweisen. Hier kann die Steuerung z.B. Warnsignale übermitteln.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung über den Steueranschluss in Abhängigkeit von einer von der Steuerung vorgegebenen Leistungsflussrichtung zum gleichen Zeitpunkt anzusteuern, zu dem die Steuerung den Spannungswandler hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung mit dieser vorgegebenen Leistungsflussrichtung steuert. Damit kann die Effizienz der Stromwandlervorrichtung weiter verbessert werden.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung über den Steueranschluss in Abhängigkeit von einer von der Steuerung vorgegebenen Leistungsflussrichtung anzusteuern, bevor die Steuerung den Spannungswandler hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung mit dieser vorgegebenen Leistungsflussrichtung steuert. Damit kann die Effizienz der Stromwandlervorrichtung weiter verbessert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß auch durch ein Energiespeichersystem mit einer oben beschriebenen Stromwandlervorrichtung und zumindest einer Durchflussbatterie, insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten.
Das Energiespeichersystem kann zudem zumindest einen Energiewandler aufweisen, dessen Energieumwandelfähigkeit mittels einer Durchflussmenge des Elektrolyts durch den Energiewandler einstellbar ist. Das Energiespeichersystem kann zudem zumindest eine Pumpe zur Umwälzung des Elektrolyts aufweisen.
Der Spannungswandler kann netzgeführt oder selbstgeführt sein. Ein netzgeführter erster Spannungswandler ist vorteilhaft, wenn das Stromversorgungsnetz ein öffentliches Stromnetz oder ein Netz mit einer direkt gekoppelten drehenden Maschine ist. Ein selbstgeführter erster Spannungswandler ist vorteilhaft, wenn das Stromversorgungsnetz ein Inselbetrieb ohne direkt gekoppelte drehende Maschinen ist.
Die Stromwandlervorrichtung kann mehrere Spannungswandler und einen Zwischenkreis aufweisen, wobei ein erster Spannungswandler an ein Stromversorgungsnetz anschließbar und an einen Zwischenkreis angeschlossen ist. Weiterhin kann die Stromwandlervorrichtung zumindest einen zweiten und insbesondere einen dritten Spannungswandler aufweisen, die an einen Zwischenkreis angeschlossen sind. An den zweiten und an den dritten Spannungswandler kann jeweils zumindest ein Energiespeicher anschließbar sein. Die Steuerung kann insbesondere mit dem zweiten und dritten Spannungswandler verbunden und eingerichtet sein, den zweiten und dritten Spannungswandler hinsichtlich derer Leistungsflussrichtung zu steuern. Insbesondere kann die Steuerung eingerichtet sein, zeitgleich die Leistungsflussrichtung in dem zweiten Spannungswandler in umgekehrter Richtung wie die Leistungsflussrichtung in dem dritten Spannungswandler zu steuern. Durch diese Maßnahme ist es nicht nur möglich, Energie von einem Energieerzeuger in einen Energiespeicher und anschließend von dem Energiespeicher in ein Stromversorgungsnetz zu transferieren, sondern es ist auch möglich, Energie von einem Energiespeicher in einen anderen Energiespeicher innerhalb der Stromwandlervorrichtung zu transferieren. Dies kann energetisch sinnvoll sein. Verluste können dadurch wesentlich reduziert werden. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Stromwandlervorrichtung einen solchen Energietransfer in jedem Betriebszustand des Gesamtsystems.
Die Steuerung kann dabei eingerichtet sein, den zweiten und dritten Spannungswandler derart anzusteuern, dass Energie vom Energiespeicheranschluss des zweiten Spannungswandlers zum Energiespeicheranschluss des dritten Spannungswandlers geleitet wird. Dabei wird die Energie vom Energiespeicheranschluss des zweiten Spannungswandlers über den Zwischenkreis zum Energiespeicheranschluss des dritten Spannungswandlers geleitet. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eingerichtet ist, die Spannung am zweiten und dritten Spannungswandler zu überwachen, insbesondere die Spannungen an den Energiespeicheranschlüssen der Spannungswandler. Dadurch kann erkannt werden, ob Energie von einem Energiespeicher, der an einen der Spannungswandler angeschlossen ist, an einen Energiespeicher übertragen werden soll, der an einen anderen Spannungswandler angeschlossen ist.
Weiterhin kann die Steuerung eingerichtet sein, den Ladestatus bzw. Ladezustand der anschließbaren Energiespeicher zu ermitteln. Auch diese Information kann hilfreich sein, um zu entscheiden, ob einer der Energiespeicher mit der Energie des anderen Energiespeichers geladen werden soll.
Die Steuerung kann weiterhin eingerichtet sein, die Spannungswandler hinsichtlich ihrer Leistung zu steuern. Dadurch kann der Speicherzustand bzw. Ladezustand der anschließbaren Energiespeicher gesteuert werden. Die Steuerung kann weiterhin mit dem ersten Spannungswandler verbunden sein und eingerichtet sein, den ersten Spannungswandler hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung zu steuern. Somit kann durch die Steuerung beeinflusst werden, ob Energie aus der Stromwandlervorrichtung über den ersten Spannungswandler an das Stromversorgungsnetz transferiert wird oder ob umgekehrt die anschließbaren Energiespeicher der Stromwandlervorrichtung über den ersten Spannungswandler mit dem Stromversorgungsnetz verbunden werden, so dass Energie aus dem Stromversorgungsnetz in den anschließbaren Energiespeichern gespeichert wird.
Um die Verluste gering zu halten, kann der erste Spannungswandler abschaltbar sein. Insbesondere kann die Steuerung eingerichtet sein, um den ersten Spannungswandler abzuschalten, während der zweite und dritte Spannungswandler weiter laufen und Energie von einem Energiespeicher zum anderen transferieren. Somit können innerhalb der Stromwandlervorrichtung Energien transferiert werden, um die Energieeffizienz der Stromwandlervorrichtung zu steigern, ohne dass dabei Energie aufgewendet wird, um den ersten Spannungswandler zu betreiben, oder gar Energie über den ersten Spannungswandler an das Stromversorgungsnetz gegeben wird.
Es können gleichartige oder verschiedenartige Energiespeicher an die Stromwandlervorrichtung anschließbar sein. Beispielsweise können herkömmliche Akkumulatoren, Flussbatterien (Redox Flow Zellen) oder andere elektrochemische/physikalische Membranen zum Einsatz kommen.
Diese unterschiedlichen Energiespeicher können parallel an die erfindungsgemäße Stromwandlervorrichtung anschließbar sein oder die Stromwandlervorrichtung kann an nur eine Art eines Energiespeichers, beispielsweise nur an Flussbatterien, angeschlossen sein.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, eine Vielzahl von Flussbatterien, die alle an einem gemeinsamen Paar von Elektrolyten angeschlossen sind und an die Stromwandlervorrichtung anschließbar sind, zu laden und entladen. Ein solches System kann sehr energieeffizient arbeiten.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, eine Vielzahl von Flussbatterien und zumindest einen weiteren Energiespeicher anderer Art zu laden und entladen. Als Energiespeicher anderer Art kann z.B. ein Bleiakkumulator vorgesehen sein. Die Steuerung kann ausgelegt sein, mit einem Energiespeicher anderer Art die Flussbatterien hochzufahren, auch wenn die Flussbatterien selbst zu wenig Ladung aufweisen, um von selbst wieder starten zu können.
Der erste Spannungswandler kann als bidirektionaler Wechselrichter und/oder der zweite und dritte Spannungswandler können als bidirektionale DC/DC-Wandler ausgebildet sein. Insbesondere kann der erste Spannungswandler als bidirektionaler AC/DC-Wandler ausgebildet sein. Durch den bidirektionalen AC/DC-Wandler ist es möglich, Energie aus einem ein- oder mehrphasigen Stromversorgungsnetz zu entnehmen und dem Zwischenkreis zuzuführen oder Energie aus den Energiespeichern über den Zwischenkreis zu entnehmen und in das ein- oder mehrphasige Stromversorgungsnetz einzuspeisen.
Wenn die DC/DC-Wandler bidirektional ausgeführt sind, kann Energie aus den Energiespeichern in den Zwischenkreis übertragen werden und kann auch Energie aus dem Zwischenkreis in die Energiespeicher transferiert werden.
Der zweite und der dritte Spannungswandler können potential getrennt sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Energietransfer zwischen zwei Energiespeichern ausschließlich über die Spannungswandler erfolgt.
Im zweiten und im dritten Spannungswandler können Übertrager (Transformatoren) vorgesehen sein. Damit kann eine hohe Zwischenkreisspannung energieeffizient erreicht werden.
Die Zwischenkreisspannung kann zwischen 500 V und 1500 V betragen. Die Zwischenkreisspannung kann mindestens um den Faktor 10 höher als die Spannung an den anschließbaren Energiespeichern sein. Dann kann auch der erste Spannungswandler die Energie sehr effizient umwandeln und kostengünstig realisiert werden. Insbesondere braucht er nicht potential getrennt ausgelegt zu werden. Außerdem fließt in dem Zwischenkreis nur ein vergleichsweise geringer Strom gegenüber dem Strom, der bei einer Zwischenkreisspannung bei z.B. 48 V fließen würde.
Somit verringern sich die Kupferverluste. Zudem wird weniger Kupfer benötigt, was die Kosten der Stromwandlervorrichtung gering hält.
Der Spannungswandler insbesondere der erste Spannungswandler kann potential getrennt sein.
Der Spannungswandler insbesondere der erste Spannungswandler kann zum Anschluss an ein einphasiges oder mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges Stromversorgungsnetz ausgelegt sein.
Jeder Spannungswandler kann als resonanter Spannungswandler ausgelegt sein. Auf diese Weise kann Energie sehr effizient umgewandelt werden.
Die Steuerung kann als selbstlernende Steuerung ausgebildet sein. Insbesondere kann die Steuerung so ausgelegt sein, dass sie lernt, je nach Tagesstrombedarf oder Zyklus einzelne Energiespeicher leer zu fahren bzw. wieder aufzuladen.
Die Steuerung kann eine Kommunikationsverbindung mit einem so genannten „Intelligenten Stromnetz“ aufweisen. Der Begriff „Intelligentes Stromnetz“ (smart grid) umfasst die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und -verteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung. Das kann auch in einem Inselstromnetz vorteilhaft sein.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Energiespeichersystemanordnung mit mehreren erfindungsgemäßen Stromwandlervorrichtungen, wobei die Stromwandlervorrichtungen eine gemeinsame Steuerung aufweisen. Dadurch ist es möglich, zunächst einen Energietransfer zwischen den Energiespeichern innerhalb einer Stromwandlervorrichtung durchzuführen, um Verluste gering zu halten. Anschließend ist es möglich, einen Energietransfer zwischen den Stromwandlervorrichtungen durchzuführen, um somit weiterhin Verluste zu reduzieren. Insbesondere können die Verluste auf einen Energiespeicher reduziert werden. Durch die gemeinsame Steuerung ist es möglich, sowohl den Energiefluss zwischen den einzelnen Energiespeichern als auch zwischen den Stromwandlervorrichtungen zu optimieren.
Diese eine gemeinsame Steuerung kann als eine Master-Steuerung in einer Stromwandlervorrichtung realisiert sein. Die Master-Steuerung kann dann mit einer oder mehreren Steuerungen einer anderen Stromwandlervorrichtung verbunden sein, die dann als Slave-Steuerungen ausgebildet sind.
In einer solchen Energiespeichersystemanordnung kann die Zwischenkreisspannung von zwei Stromwandlervorrichtungen verbindbar oder verbunden sein. Dann kann die Energie sehr energiesparend von Energiespeichern verschiedener Stromwandlervorrichtungen umgeladen werden.
Der oder die Spannungswandler und die Steuerung können in einem gemeinsamen Gehäuse vorzugsweise in einem metallischen Gehäuse untergebracht sein. Das erhöht die Zuverlässigkeit und die Störsicherheit der Stromwandlervorrichtung und damit auch die Effizienz.
Die Steuerung der Spannungswandler und der Energiespeicherperipheriegeräte kann auf einer gemeinsamen Leiterkarte integriert sein. Das macht das System zum einen kostengünstiger. Es erhöht aber auch die Zuverlässigkeit und die Störsicherheit der Stromwandlervorrichtung und damit auch die Effizienz.
Die Steuerung der Spannungswandler und der Energiespeicherperipheriegeräte kann auf einem gemeinsamen Mikroprozessor insbesondere DSP integriert sein. Das macht das System zum einen kostengünstiger. Es erhöht aber auch die Zuverlässigkeit und die Störsicherheit der Stromwandlervorrichtung und damit auch die Effizienz.
Die Steuerung der Spannungswandler und der Energiespeicherperipheriegeräte kann auf einem gemeinsamen programmierbaren Logikbaustein insbesondere FPGA (field programmable gate array) integriert sein. Das macht das System zum einen kostengünstiger. Es erhöht aber auch die Zuverlässigkeit und die Störsicherheit der Stromwandlervorrichtung und damit auch die Effizienz. Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Laden und Entladen von Energiespeichern mit einer einen Spannungswandler aufweisenden Stromwandlervorrichtung mit den folgenden Verfahrensschritten:

- Ermitteln einer Leistungsflussrichtungsvorgabe für den Spannungswandler ,
- Ermitteln eines Ansteuersignals für zumindest eine Energ iespeicherperipherievo rrichtu ng,
- Ausgabe des Ansteuersignals über einen Steueranschluss.

Durch dieses Verfahren ist es möglich, Energie besonders effizient und kostensparend zu wandeln.
Die Ansteuerung des Spannungswandlers kann zusätzlich mit der Leistungsflussrichtungsvorgabe erfolgen.
Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Steigern der Energieeffizienz einer Stromwandlervorrichtung mit einem Zwischenkreis sowie zumindest zwei Spannungswandlern, die an den Zwischenkreis angeschlossen sind, wobei an jeden Spannungswandler zumindest ein Energiespeicher anschließbar ist, wobei die Spannungswandler hinsichtlich ihrer Leistungsflussrichtung gesteuert werden, insbesondere zeitgleich die Leistungsflussrichtung in dem einen Leistungswandler in umgekehrter Richtung wie die Leistungsflussrichtung in dem anderen Spannungswandler gesteuert wird. Durch dieses Verfahren ist es möglich, Energie von einem Energiespeicher über Spannungswandler und Zwischenkreis in einen anderen Energiespeicher zu transferieren. Dadurch kann die Energieeffizienz der Stromwandlervorrichtung erhöht werden.
Die Stromwandlervorrichtung kann einen weiteren Spannungswandler aufweisen, der an den Zwischenkreis angeschlossen ist, wobei ein Energietransfer von zumindest einem Energiespeicher über einen der ersten beiden Spannungswandler und den Zwischenkreis zu dem weiteren Spannungswandler oder umgekehrt durchgeführt wird. Dadurch ist es möglich, Energie aus einem Energiespeicher an ein Stromversorgungsnetz zu transferieren, das an einen weiteren Spannungswandler angeschlossen ist. Außerdem ist es möglich, Energie aus dem Stromversorgungsnetz an einen Energiespeicher zu transferieren und dort zu speichern.
Die Leistung der Spannungswandler kann gesteuert werden. Insbesondere kann die Leistung der Spannungswandler so gesteuert werden, dass Energieverluste gering gehalten werden. Zu diesem Zweck kann auch vorgesehen sein, dass der Ladezustand der Energiespeicher überwacht wird.
Weiterhin ist es bezüglich der Energieeffizienz günstig, wenn der weitere Spannungswandler abgeschaltet wird, während die beiden ersten Spannungswandler weiterlaufen und Energie von einem Energiespeicher zum anderen Energiespeicher transferieren.
Energetisch kann es günstig sein, anstatt mehrere Energiespeicher in einem teilweise geladenen Zustand vorzuhalten, einen Energiespeicher vollständig zu entleeren, insbesondere dadurch zu entleeren, dass die in ihm gespeicherte Energie einem anderen Energiespeicher zugeführt wird. Es kann zunächst ein Energietransfer zwischen zumindest zwei Energiespeichern der Stromwandlervorrichtung durchgeführt werden und anschließend kann ein Energietransfer zwischen zumindest zwei Stromwandlervorrichtungen durchgeführt werden. Somit kann die Energieeffizienz des gesamten Systems verbessert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Bezeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Stromwandlervorrichtung gemäß der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß dem Stand der Technik

Die 1 zeigt eine Stromwandlervorrichtung 1, welche einen ersten Spannungswandler 2 aufweist, der an ein ein- oder mehrphasiges Stromversorgungsnetz 3 anschließbar ist. Der erste Spannungswandler 2 kann als insbesondere bidirektionaler AC/DC Wandler ausgebildet sein. Er ist an einen Zwischenkreis 4 angeschlossen, an den wiederum ein zweiter und ein dritter Spannungswandler 5, 6 angeschlossen sind. Die Spannungswandler 5, 6 können beispielsweise als insbesondere bidirektionale DC/DC Wandler ausgebildet sein und jeweils über 5 kW Leistung umwandeln. Es können mehr als die zwei dargestellten Spannungswandler 5, 6 an den Zwischenkreis 4 angeschlossen sein. Die Spannungswandler 5, 6 sind jeweils an einen oder mehrere elektrochemische Energiewandler 7 bis 10 anschließbar, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel der Spannungswandler 5 an den elektrochemischen Energiewandler 7 und der Spannungswandler 6 an die elektrochemischen Energiewandler 8 bis 10 angeschlossen ist. Die elektrochemischen Energiewandler 8 bis 10 könnten auch parallel an den Spannungswandler 6 angeschlossen werden.
Die Spannung am Zwischenkreis 4 kann deutlich höher sein als die Spannung an den Energiewandlern 7 bis 10. Das macht die Stromwandlervorrichtung 1 besonders effizient.
Weiterhin weist die Stromwandlervorrichtung 1 eine Steuerung 11 auf, die sowohl mit dem ersten Spannungswandler 2 als auch mit den Spannungswandlern 5, 6 verbunden ist und eingerichtet ist, diese zu steuern. Insbesondere ist die Steuerung 11 eingerichtet, den Leistungsfluss, insbesondere die Richtung des Leistungsflusses, in den Spannungswandlern 5, 6 zu steuern. Dabei kann die Steuerung 11 die Spannungswandler 5, 6 so ansteuern, dass beispielsweise Energie aus dem elektrochemischen Energiewandler 7 über den Spannungswandler 5, den Zwischenkreis 4 und den Spannungswandler 6 in den elektrochemischen Energiewandler 8 transferiert wird oder umgekehrt. Während dieses Transfers kann die Steuerung 11 den Spannungswandler 2 abschalten. Weiterhin kann die Steuerung 11 die Spannungswandler 2, 5, 6 so ansteuern, dass ein Leistungsfluss von dem Stromversorgungsnetz 3 über den Spannungswandler 2, den Zwischenkreis 4 und die Spannungswandler 5, 6 in die elektrochemischen Energiewandler 7 bis 10 erfolgt. Die Steuerung 11 kann dabei auch nur einen der Spannungswandler 5, 6 ansteuern, so dass beispielsweise nur ein Energietransfer in den Energiewandler 7 erfolgt. Weiterhin kann die Steuerung 11 den Leistungsfluss so steuern, dass beispielsweise Energie, die im Energiewandler 7 gespeichert ist, über den Spannungswandler 5, den Zwischenkreis 4 und den Spannungswandler 2 in das Stromversorgungsnetz 3 eingespeist wird.
Weiter weist die Steuerung 11 einen Steueranschluss 17 zum Anschluss zumindest einer Energiespeicherperipherievorrichtung auf.
Zusätzlich weist die die Steuerung 11 einen Signaleingang 18 zur Erfassung von einem oder mehreren der folgenden Prozessparameter auf:

- Temperatur des Elektrolyts,
- Druck des Elektrolyts
- Durchflussmenge des Elektrolyts
- Füllstand des Elektrolyts im Vorratstank 31, 32.

Zusätzlich weist die die Steuerung 11 einen Anschluss 19 zur grafischen Anzeige der Prozessparameter, der Leistungsflussrichtung, der Leistungsflussmenge und/oder der Energiemenge auf.
Dadurch, dass der Spannungswandler 2 abschaltbar ist und ein Energietransfer zwischen den Energiewandlern 7 bis 10 ermöglicht wird, kann die Energieeffizienz der Stromwandlervorrichtung 1 weiter gesteigert werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems 100 gemäß der Erfindung. Die eine Stromwandlervorrichtung 1 aus 1 ist Teil des Energiespeichersystems 100 und sie ist an ein ein- oder mehrphasiges Stromversorgungsnetz 3 angeschlossen. Auch hier weist die Steuerung 11 einen Steueranschluss 17 zum Anschluss zumindest einer Energiespeicherperipherievorrichtung, einen Signaleingang 18 zur Erfassung von einem oder mehreren Prozessparametern und einen Anschluss 19 zur grafischen Anzeige der Prozessparameter, der Leistungsflussrichtung, der Leistungsflussmenge und/oder der Energiemenge auf. Eine grafische Anzeigevorrichtung 191 kann auch in oder an der Stromwandlervorrichtung 1 vorgesehen sein.
Im Ausführungsbeispiel der 2 sind drei parallelgeschaltete elektrochemische Energiewandler 8, 9, 10 dargestellt, die Teil eines Energiespeichers sind, der als eine Durchflussbatterie ausgeführt ist. Ein Energiespeicher mit solchen elektrochemischen Energiewandlern 8, 9, 10 ist auch als Redox-Flow-Batterie bekannt. Er weist eine Zirkulationsanordnung für Elektrolyten, Elektrolytleitungen zur Zu- und Abführung eines oder mehrerer Elektrolyten von einem Vorratstank 31, 32 zu dem elektrochemischen Energiewandler 8, 9, 10 und weiter zurück in den jeweiligen Vorratstank 31, 32 in Form eines Kreislaufprozesses auf, wobei die elektrochemischen Energiewandler 8, 9, 10 mindestens eine Reaktionszelle mit zwei Elektroden 50, 51 und einer ionenleitenden Membran (nicht gezeigt) aufweisen. Die Energiewandler weisen jeweils einen Einlassbereich zur Einleitung des Elektrolyten in die Reaktionszelle und einen Auslassbereich zur Ausleitung des Elektrolyten aus der Reaktionszelle auf.
Eine Durchflussbatterie ist eine wiederaufladbare Batterie, bei der die Energie chemisch in flüssigen Elektrolyten (salzhaltige wässrige Lösung) gespeichert wird bzw. ist. Durchflussbatterien (flow battery) werden auch als Redox-Durchflussbatterien oder nur als Redox-Batterien bezeichnet, wenn in ihnen eine Reduktion und eine Oxidation abläuft.
Bei diesen Batterietypen werden Tanks zur Bevorratung der Elektrolyten vorgesehen, in denen sich das gesamte reaktive Material in flüssiger Form befindet. Beim Laden und Entladen werden die Elektrolyten in einem geschlossenen Kreislaufsystem transportiert, wobei elektrische Energie in chemisch gebundener Form dem System entzogen bzw. hinzugefügt wird (Reduktion/Oxidation), so dass ein chemischer Energiespeicher realisiert ist. Das Kreislaufsystem umfasst neben den Vorratsbehältern für die Elektrolyten auch Rohrleitungssysteme, die Elektrolytleitungen, in denen die Elektrolyten mittels Pumpen oder dgl. transportiert werden.
Es gibt zwei Elektrolyten, einen für die positive Reaktion und einen für die negative Reaktion. Die beiden Elektrolyten werden nicht miteinander vermischt, sondern sind in einer Reaktionszelle, dem elektrochemischen Reaktionsraum, durch eine sehr dünne Membran voneinander getrennt.
Die sehr dünne Membran ist eine ionenleitende Membran, die ausgewählte Ionen von einer zur anderen Seite durchlässt.
Im elektrochemischen Reaktionsraum befinden sich weiterhin auch sehr stabile Elektroden an denen die kritischen Reaktionen ablaufen. Da die Reaktionen nur die gelösten Salze betreffen, unterliegen die Elektroden selbst keiner chemischen oder physikalischen Veränderung weshalb eine große Anzahl an Lade- und Entladezyklen möglich ist, ohne dass dabei eine signifikante Abnahme der Kapazität erfolgt.
Ein sehr spezieller Typ ist die Vanadium-Redox-Durchflussbatterie. Die Vanadium-Salze sind sowohl im negativen als auch im positiven Elektrolyten in unterschiedlichen Oxidationsstufen vorhanden. Insbesondere ist Vanadium durch seine vier ausgezeichneten unterschiedlichen Oxidationsstufen, in denen es stabile Lösungen ausbildet, besonders gut geeignet, um als chemischer Speicher in Durchflussbatterien zu fungieren. Eine entsprechende Durchfluss-Batterie mit diesen Vanadium-Elektrolyten erreicht quasi beliebig viele Zyklen der Auf- und Entladung, wobei gleichzeitig eine sehr hohe Energiedichte pro Volumen beziehungsweise pro Masse erreicht wird.
Derartige Vanadium-Redox-Durchflussbatterien sind für die Energieversorgung von elektrischer Energie in Haushalten, die photovoltaische Anlagen betreiben, oder beispielsweise Windenergieanlagen oder -parks sehr interessant. Auch der Einsatz als sehr großer Energiespeicher, d.h. größer 1 MWh, ist sinnvoll und zudem äußerst effizient.
Um elektrische Energie besonders effizient in einen solchen elektrochemischen Energiespeicher umwandeln zu können, bedarf es der Steuerung von Energiespeicherperipherievorrichtungen, wie zum Beispiel der Zirkulationspumpen 33, 34. Dabei pumpt die Pumpe 33 den positiven Elektrolyten aus dem Vorratstank 31 durch die Zuleitung 53 zu den Energiewandlern (Stacks) 8, 9, 10. Der positive Elektrolyt fließt dann über den Rücklauf 55 zurück in den Vorratstank 31. Analog pumpt die Pumpe 34 den negativen Elektrolyten aus dem Vorratstank 32 durch die Zuleitung 54 zu den Energiewandlern (Stacks) 8, 9, 10. Der negative Elektrolyt fließt dann über den Rücklauf 56 zurück in den Vorratstank 32. Der Durchfluss und der Druck der Elektrolyten kann alternativ oder zusätzlich durch steuerbare Drosselventile 35, 36 gesteuert werden. Der Füllstand der Elektrolyten kann durch Füllstandssensoren 39, 40 überwacht werden. Die Durchflussmenge der Elektrolyten kann mit Durchflusssensoren 37, 38 im Zulauf und / oder mit Durchflusssensoren 45, 46 im Rücklauf des Elektrolyten überwacht werden. Die Temperatur der Elektrolyten kann mit Temperaturfühlern 41, 42 überwacht werden. Die Temperatur kann durch eine steuerbare Temperatursteuerungsvorrichtung 57 gesteuert werden, die als separate oder kombinierte Kühl- und Wärmevorrichtung ausgelegt sein kann.
Die Energiewandler 8, 9, 10 weisen jeweils eine positive Elektrode und eine negative Elektrode auf. In 2 ist nur die positive Elektrode 50 des Energiewandlers 8 und negative Elektrode 51 des Energiewandlers 10 mit einem Referenzzeichen versehen, um die Übersichtlichkeit zu erhalten.
Elektrische Verbindungen von den positiven Elektroden sind über eine positive Verbindungsleitung 49 und von den negativen Elektroden über eine negative Verbindungsleitung 52 der Stromwandlervorrichtung 1 zugeführt.
An den Steueranschluss 17 der Steuerung 11 sind mehrere Energiespeicherperipherievorrichtungen angeschlossen, wie zum Beispiel die Pumpen 33, 34 oder die Temperatursteuerungsvorrichtung 57. Diese sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel direkt mit Kabelverbindungen verbunden. Dies können analoge oder digitale Steuerleitungen sein. Sie können zur Steuerung und Regelung der Energiespeicherperipherievorrichtungen genutzt werden. Außerdem ist an den Steueranschluss 17 eine Sende-Empfangsvorrichtung 78 angeschlossen. Sie kann zur kabellosen Datenübermittlung und zur Steuerung und Regelung der Drosselventile 35, 36 genutzt werden. Zu diesem Zweck weisen die Drosselventile 35, 36 jeweils eine Sende-Empfangsvorrichtung 76 auf. Alle Sensoren und Messfühler weisen eine Sende-Empfangsvorrichtung 77 auf. Dabei können sich mehrere Sensoren auch eine Sende-Empfangsvorrichtung 77 teilen. Der Signaleingang 18 weist ebenfalls eine Sende-Empfangsvorrichtung 79 auf, mit der er die Daten von den Sensoren und Messfühlern zur Erfassung von einem oder mehreren Prozessparametern empfangen kann. Alle im Ausführungsbeispiel kabellos ausgeführten Datenverbindungen können auch mittels Kabelverbindung realisiert werden. Alle im Ausführungsbeispiel verkabelten Datenverbindungen können auch kabellos realisiert werden. Durch die direkte Steuerung der Peripheriegeräte durch die Stromwandlervorrichtung 1 kann die Effizienz erheblich gesteigert werden. Die Stromwandlervorrichtung 1 kann den Ladezustand des Energiespeichersystems 100 viel schneller und besser erkennen und außerdem die Energiewandler vorausschauend mit ausreichend Elektrolyt durchströmen, damit eine effizientere Energiewandlung möglich wird.
In 3 ist ein herkömmliches Energiespeichersystems 101 gezeigt. Vergleichbare Komponenten zu dem in 2 gezeigten System weisen das gleiche Referenzzeichen auf. Eine separate Steuereinheit 60 versucht anhand verschiedener Parameter den derzeitigen Ladezustand der Energiespeicher zu erfassen, wie zum Beispiel Strom, Spannung, Durchfluss, Temperatur, Druck des Elektrolyten, um so die Energiespeicherperipherievorrichtungen wie zum Beispiel die Zirkulationspumpen 31, 32 zu steuern. Die Steuereinheit muss ihrerseits mit Strom versorgt werden, was zu einer Verschlechterung der Effizienz beiträgt. Das Energiespeichersystem 101 benötigt zusätzliche Sensoren, wie zum Beispiel eine Strommesseinrichtung 48 und eine Spannungsmesseinrichtung 47, um ausreichend Informationen über den Ladezustand des Energiespeichersystems 101 zu erfassen.

Claims

Stromwandlervorrichtung (1) zum Laden und Entladen von Energiespeichern aufweisend zumindest einen bidirektionalen Spannungswandler (2, 5, 6), der an ein Stromversorgungsnetz (3) und an zumindest einen elektrochemischen Energiewandler (7-10) für einen als Durchflussbatterie, insbesondere als Redox-Flow-Batterie, ausgestalteten Energiespeicher mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten anschließbar ist, wobei die Stromwandlervorrichtung (1) eine Steuerung (11) aufweist, die mit dem Spannungswandler (2, 5, 6) verbunden ist und eingerichtet ist, den Spannungswandler (2, 5, 6) hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) ausgelegt ist, eine oder mehrere der folgenden Energiespeicherperipherievorrichtungen in Abhängigkeit der von der Steuerung (11) vorgegebenen Leistungsflussrichtung des Spannungswandlers (2, 5, 6) zu steuern: - Pumpen (33, 34) zur Umwälzung des Elektrolyts, - Durchflussregler (35, 36) zur Regelung der Elektrolytd u rchflussmenge, - Temperatursteuerung zur Einstellung der Elektrolyttemperatur, - Drucksteuerung zur Einstellung des Elektrolytdrucks, und wobei die Steuerung (11) zumindest einen Steueranschluss (17) zum Anschluss zumindest einer dieser Energiespeicherperipherievorrichtungen aufweist.
Stromwandlervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (11) eingerichtet ist, den Spannungswandler (2, 5, 6) zusätzlich in Abhängigkeit der Leistungsmenge und/oder Energiemenge zu steuern.
Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (11) ausgelegt ist, den Steueranschluss (17) für zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung zusätzlich in Abhängigkeit der Leistungsmenge und/oder Energiemenge zu steuern .
Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (11) einen Signaleingang (18) zur Erfassung von einem oder mehreren der folgenden Prozessparameter aufweist: - Temperatur des Elektrolyts, - Druck des Elektrolyts - Durchflussmenge des Elektrolyts - Füllstand des Elektrolyts in einem Vorratstank (31, 32).
Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (11) einen Anschluss (19) zur grafischen Anzeige der Prozessparameter, der Leistungsflussrichtung, der Leistungsflussmenge und/oder der Energiemenge aufweist.
Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (11) ausgelegt ist, zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung über den Steueranschluss (17) in Abhängigkeit von einer von der Steuerung (11) vorgegebenen Leistungsflussrichtung zum gleichen Zeitpunkt anzusteuern, zu dem die Steuerung (11) den Spannungswandler (2, 5, 6) hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung mit dieser vorgegebenen Leistungsflussrichtung steuert, oder bevor die Steuerung (11) den Spannungswandler (2, 5, 6) hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung mit dieser vorgegebenen Leistungsflussrichtung steuert.
Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromwandlervorrichtung (1) einen ersten Spannungswandler (2) aufweist, der an ein Stromversorgungsnetz (3) anschließbar ist, einem an den ersten Spannungswandler (2) angeschlossenen Zwischenkreis (4) sowie zumindest einem zweiten und einem dritten Spannungswandler (5, 6), die an den Zwischenkreis (4) angeschlossen sind, wobei an den zweiten und an den dritten Spannungswandler (5, 6) jeweils zumindest ein Energiewandler (7-10) anschließbar ist, wobei die Steuerung (11) mit den zweiten und dritten Spannungswandlern (5, 6) verbunden ist und eingerichtet ist, die zweiten und dritten Spannungswandler (5, 6) hinsichtlich ihrer Leistungsflussrichtung zu steuern, insbesondere eingerichtet ist, zeitgleich die Leistungsflussrichtung in dem zweiten Spannungswandler (5) in umgekehrte Richtung wie die Leistungsflussrichtung in dem dritten Spannungswandler (6) zu steuern.
Energiespeichersystem (100) mit einer Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energiespeichersystem (100) zudem zumindest eine Durchflussbatterie, insbesondere eine Redox-Flow-Batterie, mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten aufweist.
Energiespeichersystem (100), nach Anspruch 8 wobei das Energiespeichersystem (100) zudem zumindest einen Energiewandler (7-10), dessen Energieumwandelfähigkeit mittels einer Durchflussmenge des Elektrolyts durch den Energiewandler (7-10) einstellbar ist, aufweist.
Energiespeichersystem (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Energiespeichersystem (100) zudem zumindest eine Pumpe (33, 34) zur Umwälzung des Elektrolyts aufweist.