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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur unterbrechungsfreien Stromversorgung mindestens eines Verbrauchernetzes,
dessen Energie im Normalfall eine Primärstromquelle und bei Ausfall
oder Störung
der Primärstromquelle
eine Sekundärstromquelle
entnehmbar ist, umfassend ein Wechselstromnetz und eine wechselstromnetzunabhängige Gleichstromquelle.
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Stand der Technik
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Anordnungen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung,
auch USV-Anlagen genannt, werden zur Speisung von Verbrauchern eingesetzt,
deren Ausfall aufgrund des Wegfalls der Versorgungsspannung zu einer
unzulässigen
oder unerwünschten
Störung
eines Betriebsablaufs führt.
Manche Betriebsabläufe
sind bereits durch Spannungseinbrüche von kurzer Dauer gefährdet. Spannungseinbrüche in einem
Versorgungsnetz können
beispielsweise durch Erd- oder Kurzschlüsse, Leistungsunterbrechungen
oder Schaltvorgänge,
oder aber auch durch Einwirkungen aus der Umwelt wie Stürme, Blitze
und Erdbeben, entstehen. Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen
werden beispielsweise in Krankenhäusern eingesetzt, in denen
ein Ausfall des öffentlichen
Netzes Leben und Gesundheit von Menschen gefährden kann. Auch zur Vermeidung
von Sachschäden
bei Netzausfällen
sind unterbrechungsfreie Stromversorgungs einrichtungen zweckmäßig. So
sind in der heutigen computerisierten Zeit Daten und Programme in
Computeranlagen so wichtig, dass keine Fehler auftreten dürfen. Statistisch
gesehen, ist knapp die Hälfte
aller Rechnerausfälle
und Datenverluste auf Netzspannungsprobleme zurückzuführen. Kein zeitgemäßer EDV-Anwender
kann heute noch Datenverluste verantworten, welche durch Störungen oder
Unterbrechungen der Energieversorgung verursacht werden. Daher werden
unterbrechungsfreie Stromversorgungseinrichtungen in der Regel auch
zur Energieversorgung von Rechenzentren eingesetzt.
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Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen
sind zu unterscheiden von Netzersatzanlagen, die bei längerem Netzausfall
die Stromversorgung sicherstellen. Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen übernehmen
in der Regel bereits bei Netzausfällen von wenigen Millisekunden
die Stromversorgung für
eine Überbrückungszeit
von einigen Minuten bis zu 15 Minuten oder mehr. Unterbrechungsfreie
Stromversorgungseinrichtungen zeichnen sich in der Regel dadurch
aus, dass dem Verbraucher, der im Normalbetrieb aus dem öffentlichen
Stromnetz mit Energie versorgt wird, eine netzunabhängige Stromquelle
parallel geschaltet ist, die bei Netzausfall selbsttätig die
Stromversorgung des Verbrauchers übernimmt. Solche netzunabhängigen Stromversorgungsquellen
können
beispielsweise aufladbare Batterien oder auch Kondensatoren sein,
die über
entsprechende Ladeeinrichtungen von dem Netz mit Energie versorgt
werden. Nachteilig an derartigen Anlagen ist, dass sie einer sorgfältigen Pflege
bedürfen und
oft einen erheblichen zusätzlichen
Aufwand erfordern. Beispielsweise ist es notwendig, die Batterien
nach einem Netzausfall wieder zu laden, um dadurch den vollen Füllungsgrad
zu erhalten. Auch ist die begrenzte Speicherkapazität von Batterien
oder Kondensatoren bei längerem
Netzausfall oft nicht ausreichend. In wichtigen Anlagen ist daher
in der Regel ein Notstromaggregat als Sekundärstromquelle vorgesehen, beispielsweise
eine Brennstoffzelle, wobei zusätzlich
ein Energiespeicher vorgesehen sein kann, um kurzzeitige Spannungseinbrüche während des
Umschaltens vom Netz auf das Notstromaggregat aufzufangen.
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Aus der
DE 195 38 381 C2 ist eine
Anordung zur unterbrechungsfreien Energieversorgung eines elektrischen
Verbrauchers bekannt, der mit einem Wechselstromnetz und über einen
Wechselrichter mit einer Brennstoffzelle gekoppelt ist, wobei die
Energieversorgung bei einem Ausfall des Wechselstromnetzes durch
die Brennstoffzelle erfolgt. Bei dieser bekannten Anordnung befindet
sich die Brennstoffzelle im Stand-By-Betrieb. Das Umschalten vom Wechselstromnetz
zur Brennstoffzelle erfolgt über
einen Schalter, der bei einer über
einer Schwelle liegenden Spannung des Wechselstromnetzes dem Verbraucher
zuschaltet. Liegt dagegen die Netzspannung unter der vorgegebenen
Schwelle, so wird das Wechselstromnetz von dem Verbraucher abgetrennt und
die Brennstoffzelle zugeschaltet. Diese soll gemäß der Druckschrift in der Lage
sein, innerhalb einiger Millisekunden die Energieversorgung des
Verbrauchers zu übernehmen.
Der Brennstoffzelle ist bei der bekannten Anlage ein Kondensator
parallel geschaltet, der die Verbraucher während der kurzen Zeitspanne
zwischen dem Abfall der Netzspannung und dem vollen Betrieb der
Brennstoffzelle beziehungsweise dem Öffnen des Schalters mit Energie versorgen
soll.
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Nachteilig an der bekannten Anordnung
ist, dass diese nur bei vollständigem
Ausfall des Versorgungsnetzes aktiviert wird. Sonstige Störungen der Netzspannung,
wie beispielsweise Störspannungsspitzen
oder Rauschen oder dergleichen, gehen ungefiltert an den Verbraucher
weiter.
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Darstellung
der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Anordnung zur
unterbrechungsfreien Stromversorgung zu schaffen, die nicht nur
zuverlässig
eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellt, sondern unabhängig von
eventuellen Netzstörungen,
gleich welcher Art, eine störungsfreie
und stabile Spannung an das Verbrauchernetz liefert.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer
Anordnung nach Patentanspruch 1. Eine bevorzugte Verwendung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
ist in Patentanspruch 14 beschrieben. Die Unteransprüche betreffen
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Die Erfindung sieht
vor, dass bei einer Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung
mindestens eines Verbrauchernetzes, dessen Energie im Normalfall
einer Primärstromquelle
und bei Ausfall oder Störung
der Primärstromquelle
einer Sekundärstromquelle
entnehmbar ist, welche ein Wechselstromnetz und eine vom Wechselstromnetz
unabhängige Gleichstromquelle
umfasst, die Primärstromquelle durch
die Gleichstromquelle und die Sekundärstromquelle durch das Wechselstromnetz
gebildet werden.
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Die vorliegende Erfindung sieht somit
vor, die Gleichstromquelle als primäre Energiequelle und das elektrische
Festnetz als Back-Up-Stromquelle zu nutzen, während die bisherige Praxis
ausnahmslos die Nutzung des elektrischen Festnetzes als primäre Stromquelle
und die Verwendung eines Notstromaggregates als Back-Up-Stromquelle
vorsieht. Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die Verbraucher im Normalbetrieb mit einer künstlichen
störungsfreien
und stabilen Spannung beliefert. Die Netzspannung dient lediglich
dazu, Ausfälle
der Gleichstromquelle zu überbrücken und
gegebenenfalls vorhandene Energiespeicher aufzuladen. Die erfindungsgemäße Anordnung
zur unterbrechungsfreien Stromversorgung bietet damit einen sicheren
und zuverlässigen
Schutz des Verbrauchernetzes vor Netzstörungen, wie z.B. Stromausfall,
Netzausfall, Spannungseinbruch, Spannungsabfall, Spannungsstöße, Unterspannung, Überspannung,
Frequenzschwankungen, Schaltspitzen oder Störspannungen usw.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung speist das Wechselstromnetz seine elektrische Energie
in einen sogenannten Gleichstromzwischenkreis ein. Hierzu ist ein
Gleichrichter zum Gleichrichten der Ausgangsspannung des Wechselstromnetzes
vorgesehen. Die Gleichstromquelle wird bei dieser Ausführungsform
parallel zur gleichgerichteten Netzspannung geschaltet.
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Für
den Fall, dass das Verbrauchernetz ein Wechselstromnetz ist, ist
weiterhin wenigstens ein Wechselrichter zum Umwandeln der Gleichspannung
aus dem Gleichstromzwischenkreis in Wechselspannung am verbraucherseitigen
Ausgang des Gleichstromzwischenkreises vorgesehen. Um einem Geräteausfall
vorzubeugen, sind vorzugsweise wenigstens zwei Wechselrichter parallel
geschaltet, so dass auch bei Ausfall eines Wechselrichters die Energieversorgung
unterbrechungsfrei sichergestellt ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, ist bei der oben beschriebenen Ausführungsform
die Gleichstromquelle direkt, d.h. ohne Schalteinrichtung an den
Gleichstromzwischenkreis angeschlossen, wobei die Ausgangsspannung
der Gleichstromquelle höher
ist als die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Wechselstromnetzes.
Bei dieser Anordnung liegen somit die Gleichstromquelle und das
Wechselstromnetz ständig
parallel am Verbrauchernetz an. Da die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle
jedoch höher ist
als die gleichgerichtetet Ausgangsspannung des Wechselstromnetzes
erfolgt die Versorgung des Verbrauchernetzes mit elektrischer Energie
aus der Gleichstromquelle. Fällt
die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle unter die gleichgerichtete
Ausgangsspannung des Wechselstromnetzes ab, beispielsweise infolge
einer Betriebsstörung
der Gleichstromquelle, so erfolgt die Energieeinspeisung in das Verbrauchernetz
unmittelbar ohne jegliche zeitliche Verzögerung aus dem Wechselstromnetz.
Da keine Schalter vorgesehen sind, entfallen die aus dem Stand der
Technik bekannten Umschaltzeiten. Ein Einspeisen elektrischer Energie
aus der Gleichstromquelle bzw. dem Energiespeicher in das Wechselstromnetz
bei Ausfall des Wechselstromnetzes wird durch die Sperrwirkung des
Gleichrichters in dieser Richtung verhindert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist, so wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein
Energiespeicher vorgesehen, der parallel zur gleichgerichteten Ausgangsspannung
des Wechselstromnetzes und zur Gleichstromquelle geschaltet ist.
Der Energiespeicher, der über das
Wechselstromnetz aufgeladen wird, hat die Aufgabe, bei Ausfall oder
Störung
sowohl der Primär-
als auch der Sekundärstromquelle
und ggf. vorhandener zusätzlicher
Sicherheitseinrichtungen die Störungen, die
beispielsweise auch aus Schaltvorgängen resultieren können, zu
kompensieren bzw. die Stromversorgung des Verbrauchernetzes vollständig zu übernehmen.
Der Energiespeicher hat den weiteren Vorteil, dass er Spannungsabfälle, die
aus dem üblicherweise
trägen
Nachregeln der Brennstoffzelle resultieren können, zu kompensieren. Ein
solcher Energiespeicher kann beispielsweise eine Batterie oder ein Kondensator
sein.
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Weiterhin kann die Stromversorgung
zusätzlich
dadurch sichergestellt werden, dass eine direkte Bypassverbindung
zwischen dem Wechselstromnetz und dem Verbrauchernetz bereit gestellt
wird, die bei Ausfall des Gleichrichters und/oder der Wechselrichter
zuschaltbar ist.
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Eine weitere Sicherheitsmaßnahme ist,
dass zwischen dem Wechselstromnetz und dem Verbrauchernetz außerhalb
der USV-Anlage eine weitere, manuell zuschaltbare elektrische Hand-Bypass-Verbindung
zur Verfügung
steht.
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Das gemäß der vorliegenden Erfindung
als Notstromaggregat eingesetzte Wechselstromnetz ist in der Regel
das öffentliche
Versorgungsnetz.
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Als Gleichstromquelle sind alle Gleichstromaggregate
geeignet, die dauerhaft eine konstante Ausgangsspannung liefern.
So ist beispielsweise der Einsatz von Dieselaggregaten oder aber
auch von Photovoltaik-Kraftwerken denkbar. Vorzugsweise wird jedoch
als Gleichstromquelle ein Brennstoffzellen-Aggregat eingesetzt,
vorzugsweise ein Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen aggregat. Brennstoffzellen
an sich sind bekannt und in der Literatur vielfach beschrieben.
Brennstoffzellen-Kraftwerke haben den Vorteil, dass sie neben elektrischer Energie
noch Wärmeenergie
liefern, die zur Wärme und/oder
Kälteversorgung
genutzt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
daher Einrichtungen zur Nutzung der Abwärme der Brennstoffzelle vorgesehen.
Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Einrichtungen um Heizungen und/oder
wärmebetriebenen
Kühleinrichtungen
wie beispielsweise Absorptions-Kühlanlagen,
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Eine Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer Brennstoffzelle als Gleichstromquelle wird vorzugsweise
da eingesetzt, wo nicht nur die Versorgung mit einem konstanten,
unterbrechungsfreien Strom sichergestellt werden muss, sondern auch noch
die mit der Stromerzeugung einhergehende Entstehung von Wärmeenergie
sinnvoll genutzt werden kann. Hier kommen beispielsweise Rechenzentren,
Krankenhäuser,
Einrichtungen im Bankenbereich oder dergleichen in Frage, für die nicht
nur eine stete und zuverlässige
Stromversorgung unerlässlich ist,
sondern bei denen die mit Hilfe der Abwärme betreibbaren Heizungen
und Kühleinrichtungen
zur Klimatisierung der Gebäude
eingesetzt werden können.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Figuren näher
beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild für
eine Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 in
einer schematischen Darstellung den Verlauf der am Gleichstromzwischenkreis
anliegenden gleichgerichteten Netzspannung bzw. Brennstoffzellenspannung
mit der Zeit;
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3 ein
Blockdiagramm für
eine bevorzugte Verwendung für
eine unterbrechungsfreie Stromversorgung in Kombination mit einer
Brennstoffzelle;
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4 in
einem Blockdiagramm eine Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung
mit modularem Aufbau des Brennstoffzellenkraftwerks.
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In 1 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
für eine
Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Man erkennt einen Gleichstromzwischenkreis 2,
an den in Parallelschaltung ein Wechselstromnetz 3a mit
Netzfilter 3b und eine Gleichstromquelle 4 geschaltet
sind. Ebenfalls parallel zum Wechselstromnetz 3a und zur
Gleichstromquelle 4 ist ein Energiespeicher 5 in
dem Gleichstromzwischenkreis 2 geschaltet. Dem Wechselstromnetz 3a ist
ein Gleichrichter 6 nachgeschaltet, der die von dem Wechselstromnetz 3a in
den Gleichstromzwischenkreis 2 eingespeiste Spannung gleichrichtet.
Am verbraucherseitigen Ausgang des Gleichstromzwischenkreises 2 befindet
sich zwei zueinander parallel geschaltete Wechselrichter 7a und 7b zur
Umwandlung der Ausgangsspannung des Gleichstromzwischenkreises 2 in
Wechselspannung. Die Wechselrichter 7a, 7b sind
dann vorgesehen, wenn das Verbrauchernetz ein Wechselstromnetz ist.
Die Parallelschaltung zweier Wechselrichter erhöht die Sicherheit der USV-Anlage 1 gegenüber Ausfällen durch
einen defekten Wechselrichter. Man erkennt in der Figur weiterhin,
dass die Einspeisung der elektrischen Energie aus der Gleichstromquelle 4 in
den Gleichstromzwischenkreis 2 direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung
einer Schalteinrichtung, erfolgt. Wie aus 2 ersichtlich wird dabei gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Gleichspannung der Gleichstromquelle 4 etwas
höher gewählt ist
als die Gleichspannungshöhe
aus der gleichgerichteten Netzspannung. Solange dies der Fall ist,
wird das Verbrauchernetz 9 ausschließlich aus der Gleichstromspannungsquelle 4 mit
elektrischer Energie versorgt. Sinkt dagegen die Gleichspannungshöhe der Gleichstromquelle 4 unter
die der gleichgerichteten Netzspannung ab, so speist das Wechselstromnetz 3a ohne
Schaltvorgang und ohne zeitliche Verzögerung Energie in den Gleichstromzwischenkreis 2 ein.
Die Stromversorgung des Verbrauchers 9 erfolgt in diesem
Fall ausschließlich aus
dem Wechselstromnetz 3.
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Der Energiespeicher 5 hat
die Aufgabe, bei Ausfall sowohl der Gleichstromquelle 4 als
auch des Wechselstromnetzes 3a die Stromversorgung noch für einen
bestimmten Zeitraum sicherzustellen. Darüber hinaus kompensiert der
Energiespeicher 5 Spannungsabfälle, die aus der trägen Nachregelung
der Brennstoffzelle resultieren können. Weitere Sicherheitseinrichtungen,
die die Verfügbarkeit
der elektrischen Leistung sicherstellen, sind eine Bypass-Leitung 10 zwischen
dem Wechselstromnetz 3a und dem Verbrauchernetz 9 innerhalb
der USV-Anlage 1 sowie eine Handbypass-Verbindung 11,
ebenfalls zwischen dem Wechselstromnetz 3a und dem Verbrauchernetz 9,
aber außerhalb
der USV-Anlage 1.
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In 3 ist
in einem Blockdiagramm eine bevorzugte Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV-Anlage) 1 mit einer Brennstoffzelle 14 als Gleichstromquelle
zur unterbrechungsfreien Spannungsversorgung 19a eines
Rechenzentrums 19 dargestellt, wobei die Abwärme der
Brennstoffzelle 14 in der dargestellten Ausführungsform
ohne Beschränkung
der Allgemeinheit zum Betreiben einer Klimaanlage 20, einer
Absorptionskältemaschine 21 und
einer Heizung 16 benutzt wird. Durch die Brennstoffzelle 14 wird
im Normalbetrieb die Spannungsversorgung 19a des Rechenzentrums
sichergestellt. Im Falle einer Betriebsstörung der Brennstoffzelle 14 übernimmt
gemäß der Erfindung
des Wechselstromnetz 3 nach Art eines Notstromaggregat
die Stromversorgung 19a des Rechenzentrums. Die durch die Abwärme der
Brennstoffzelle 14 betriebene Klimaanlage 20,
die Absorptionskältemaschine 21 und
die Heizung 16 werden in vorteilhafter Weise zur Klimatisierung
bzw. Heizung der Gebäude 19b des
Rechenzentrums und ggf. weiterer Gebäude 19c genutzt. Wahlweise
kann der Brennstoffzelle eine Gasbrennwerttherme 18 zugeordnet
werden zur Unterstützung der
Heizungs- 16, Klima- 10 und Kühlungseinrichtung 21,
insbesondere zur Zusatzbeheizung im Winter oder in der Übergangszeit.
Mit 17 ist in der Figur die Gasversorgung für die Brennstoffzelle 14 bzw.
die Gasbrennwerttherme 18 gekennzeichnet. Die von der Absorptionskältemaschine 21 produzierte
Kälte kann
zum Betreiben eines Kühlers 12 sowie
auch zur Kühlung
der USV-Anlage 1. Insbesondere bei Verwendung einer Batterie
als Energiespeicher erhöht sich
durch die Kühlung
dessen Lebensdauer.
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3 zeigt
eine Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem modular aufgebauten Brennstoffzellenkraftwerk 24,
dass sich aus parallel zueinander geschalteten Brennstoffzellen 14a, 14b, 14c, 14d,
..., zusammensetzt. Die Regelung der Gaszufuhr für die einzelnen Brennstoffzellen
ist mit dem Bezugszeichen 20 versehen. Diese umfasst insbesondere
eine Einrichtung zum Messen der Spannung des Wechselstromnetzes,
um zu gewährleisten,
dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle immer höher ist
als die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Wechselstromnetzes.
Der modulare Aufbau hat den Vorteil, dass das Brennstoffzellenkraftwerk 24 bei
Bedarf beliebig erweitert werden kann.