DE19850886A1 - Anordnung zur Energiespeicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Energiespeicherung mit einem elektrischen Energiespeicher, der elektrisch über einen elektrischen Stromrichter mit einem elektrischen Zwischenspeicher verbindbar ist.

Zur Erläuterung der verschiedenen Ausführungsformen von Stromrichtern wird auf Manfred Meier, "Leistungselektronik", Berlin; . . .; Hongkong: Springer, 1990, Seiten 197-256, verwiesen.

Aus James J. Skiles et al., "Performance of a power conversion system for superconductic magnetic energy storage (Smith)" IEEE transactions on power systems, Vol. 11, No. 4, November 1996, Seiten 1718-1723 ist eine Anordnung zur Leistungsumwandlung für einen supraleitenden magnetischen Energiespeicher entnehmbar. Der supraleitende Energiespeicher ist über einen Zwei-Quadranten-Stromrichter mit einem als Zwischenkreisspeicher ausgebildeten Zwischenspeicher elektrisch verbindbar. Die Anordnung ist über einen dreiphasig ausgebildeten Umrichter und über einen Transformator mit einem nicht näher dargestellten elektrischen Energieversorgungsnetz verbindbar. Die im Zwischenkreisspeicher gespeicherte elektrische Energie kann über den Umrichter entnommen und ins Netz abgegeben oder es kann elektrische Energie aus dem Netz über den Umrichter in den Zwischenkreisspeicher übertragen werden. Die Anordnung kann in den Betriebsarten Entladen, Laden und Stand-By betrieben werden:
Bei einer Entladung des supraleitenden Magnetspeichers wird diesem über den Zwei-Quadranten-Stromrichter elektrische Energie entnommen und dem Zwischenkreisspeicher zugeführt und dort mit hoher Zwischenkreissspannung gespeichert.

Zum Laden des supraleitenden Magnetspeichers wird dem Zwischenkreisspeicher elektrische Energie entnommen, die dem supraleitenden Magnetspeicher über den Zwei-Quadranten- Stromrichter zugeführt wird.

Beim Standby-Betrieb, bei dem dem supraleitenden Magnetspeicher weder Energie entnommen noch Energie zugeführt werden soll, wird über den Zwei-Quadranten-Stromrichter ein sogenannter elektrischer Freilaufpfad geschaltet, über den der supraleitende Magnetspeicher kurzgeschlossen wird. Bei diesem Standby-Betrieb fließt der im supraleitenden Magnetspeicher gespeicherte elektrische Strom nur in dem aus Speicher und dem Freilaufpfad gebildeten Stromkreis. Die Anordnung wird immer dann im Standby-Betrieb betrieben, wenn im Magnetspeicher lediglich elektrische Energie gespeichert, also der in ihm gespeicherte elektrische Strom nicht verbraucht werden soll.

Da bei der bekannten Anordnung der Freilaufpfad über den Zwei-Quadranten-Stromrichter also über dafür vorgesehene elektrische Ventile geschaltet ist, kommt es zum einen zu Verlusten in den elektrischen Ventilen. Zum anderen wird einer Umschaltung vom Standby- in den Ladebetrieb oder vom Standby- in den Endladebetrieb die vom Zwischenkreisspeicher abgegebene hohe Zwischenkreisspannung plötzlich an den Fnergiespeicher angelegt und an diesem ein schneller Spannungsanstieg erfolgt. Dabei kann es zu einem Spannungsdurchschlag vom Energiespeicher zu einem ihm umgebenden Gehäuse kommen. Der Spannungsanstieg hat auch zur Folge, daß der Strom durch den Energiespeicher erhöht und dadurch in diesem Wirbelströme induziert werden. Da der supraleitende Magnetspeicher im allgemeinen auch normal leitende Komponenten aufweist, kommt es aufgrund der in diesen normal leitenden Komponenten induzierten Wirbelströme zu elektrischen Verlusten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verlustarme Anordnung zur elektrischen Energiespeicherung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelost durch eine Anordnung zur elektrischen Energiespeicherung mit einem elektrischen Energiespeicher, der elektrisch über einen elektrischen Stromrichter mit einem elektrischen Zwischenkreisspeicher verbindbar ist, wobei ein elektrischer Freilaufpfad mit einem ersten mechanischen Schalter vorgesehen ist, mit welchem Freilaufpfad der elektrische Energiespeicher kurzschließbar ist.

Der Freilaufpfad ist dadurch sehr niederohmig ausgeführt, da der geschlossene erste mechanische Schalter eine sehr viel geringere elektrische Impedanz aufweist, als ein Ventil des Stromrichters.

Die Erfindung beruht auf der Idee, im Standby-Betrieb eine möglichst große Anzahl von Halbleiterventilen der in den Freilaufpfad geschalteten Stromrichterventile mit einem mechanischen Schalter zu überbrücken, so daß im Stand-By- Betrieb viel weniger Halbleiterventile in den Freilaufpfad geschaltet sind, als beim Stand der Technik. Durch das Überbrücken treten im Stand-By-Betrieb sehr viel geringere Verluste auf, die nur durch die wenigen im Freilaufpfad vorhandenen, nicht überbrückten Halbleiterventile verursacht werden.

Der Erfindung liegt die weitere Idee zu Grunde, den Energiespeicher unter anlegen einer geringeren Spannung zu Laden, als beim Stand der Technik.

Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

In Fig. 1 sind drei Anwendungsmöglichkeiten 1A, 1B und 1C für eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zur Energiespeicherung dargestellt. Jede der Anwendungsmöglichkeiten 1A, 1B und 1C weist jeweils die Anordnung 1 zur Energiespeicherung auf. Diese Anordnung 1 umfaßt einen Energiespeicher 2, der über einen Stromrichter 3 mit einem als Zwischenkreisspeicher ausgeführten Zwischenspeicher 4 verbindbar ist. Die Anordnung 1 ist jeweils so ausgeführt, zum Laden des Energiespeichers 2 elektrische Energie aus dem Zwischenspeicher 4 entnommen und in den Energiespeicher 2 übertragen werden kann, zum Entladen des Energiespeichers 2 aus diesem elektrische Energie entnommen und dem Zwischenspeicher 4 zugeführt werden kann und in einem Standby-Betrieb dem Energiespeicher 2 weder Energie entnommen noch zugeführt wird, wobei der Energiespeicher 2 kurzgeschlossen ist.

Bei jeder der Anwendungsmöglichkeiten 1A, 1B und 1C ist die Anordnung 100 über zumindest einen Umrichter 5, über einen elektrischen Transformator 6 und eine elektrische Energieversorgungsleitung 7 mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz 8 und einer elektrischen Last 9 verbindbar. Die elektrische Last 9 kann beispielsweise ein weiteres elektrisches Energieversorgungsnetz oder eine Fabrik, insbesondere eine Fabrik zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, sein.

Bei der Anwendungsmöglichkeit 1A ist der Transformator 6 über einen Schalter 10 parallel zur Last 9 und zum Energieversorgungsnetz 8 anschaltbar.

Bei der Anwendungsmöglichkeit 1B ist eine zum Transformator 6 zugehörige Sekundärwicklung 11 seriell in die elektrische Energieversorgungsleitung 7 geschaltet. Über einen Schalter 12 ist die Sekundärwicklung 11 elektrisch überbrückbar.

Die Anwendungsmöglichkeit 1C stellt eine Kombination der Anwendungsmöglichkeiten 1A und 1B dar, wobei im Unterschied zur Anwendungsmöglichkeit 1A der Zwischenspeicher 4 über einen weiteren Umrichter 5a und über einen weiteren Transformator 6a in die elektrische Energieversorgungsleitung 7 geschaltet ist. Der Transformator 6a ist mit einer zugehörigen Sekundärwicklung 11a in Analogie zur Anwendungsmöglichkeit 1b seriell in die elektrische Energieversorgungsleitung 7 geschaltet, wobei diese mit dem vorhandenen Schalter 12 elektrisch überbrückbar ist.

Der Zwischenspeicher 4 der Anordnung 100 kann über den Umrichter 5 durch Energieentnahme aus Energieversorgungsnetz 8 geladen werden. Ebenfalls kann dem Zwischenspeicher 4 elektrische Energie über den Umrichter 5 entnommen und an die Last 9 oder das Energieversorgungsnetz 8 abgegeben werden.

Eine solche Anordnung 100 zur elektrischen Energiespeicherung ist insbesondere bei sogenannten flexiblen Wechselspannungsübertragungssystemen (flexible AC transmission systems, FACTS) einsetzbar. Durch entsprechende Steuerung des Umrichters 5, 5a und des Stromrichters 3 können verschiedene Dämpfungsaufgaben (Inter Area, POD und SSR) geleistet werden, verschiedene Arten von Störungen im Energieversorgungsnetz 8, wie zum Beispiel Leistungspendelungen, gedämpft werden, zusätzlich elektrische Lnergie an die Last 9 oder das Energieversorgungsnetz 8 abgegeben werden und Störungen, wie Spannungseinbrüche oder kurze Spannungsausfälle ausgeglichen werden. Die Anordnung 100 kann auch im Sinne einer unterbrechungsfreien Stromversorgung eingesetzt werden kann.

Fig. 2 zeigt eine nach dem Stand der Technik ausgeführte Anordnung 100, die über den mit gestrichelten Linien dargestellten Umrichter 5 an die nicht näher dargestellt Energieversorgungsleitung angeschlossen ist. Der Energiespeicher 2 ist hier über einen sogenannten Zwei- Quadranten-Stromrichter mit dem als Zwischenkreisspeicher ausgeführten Zwischenspeicher 4 elektrisch verbindbar. Der Stromrichter 3 weist zwei Brückenzweige 13 und 14 auf, wobei jeder Brückenzweig zwei Stromrichterventile 15 und 16 bzw. 17 und 18 umfaßt. Jedes Stromrichterventil 15, 16, 17 und 18 weist hier beispielsweise jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterventile 15a und 15b, bzw. 16a und 16b, bzw. 17a und 17b, bzw. 18a und 18b. Die Stromrichterventile 15 bis 18 weisen im Allgemeinen eine größere Anzahl von in Serie geschalteten Halbleiterventilen auf. Die Stromrichterventile 15 und 18 sind jeweils abschaltbar. Dazu sind die Halbleiterventile 15a, 15b, 18a und 18b abschaltbar ausgebildet. Die Stromrichterventile 16 und 17 sind nicht schaltbar und beispielsweise als Halbleiterdioden ausgebildet. Die steuerbaren Stromrichterventile 15 und 18 sind mit einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung verbunden, über die sie zeitlich gezielt ein- und ausgeschaltet werden können. Der Energiespeicher 2 ist nicht näher dargestellt, er weist im Allgemeinen einen bei seiner Betriebstemperatur supraleitenden Leiter auf, dem aus Sicherheitsgründen ein bei der Betriebstemperatur normal leitender Leiter parallel geschaltet ist.

Im Energiespeicher 2 ist elektrische Energie in Form eines elektrischen Stromes IE und im Zwischenspeicher 4 ist elektrische Energie in Form einer elektrischen Ladung mit einer hohen Zwischenspeicherspannung UZ gespeichert. Dazu ist der Zwischenspeicher 4 beispielsweise als elektrischer Kondensator ausgeführt.

Die Anordnung 100 kann in einem Ladebetrieb, einem Entladebetrieb und einem Stand-By-Betrieb betrieben werden.

Beim Ladebetrieb wird dem Zwischenspeicher 4 elektrische Energie entnommen und über den Stromrichter dem Energiespeicher 2 zugeführt. Dazu sind die Stromrichterventile 15 und 18 eingeschaltet, so daß ein Ladestrom IL vom Zwischenspeicher 4 in dem Energiespeicher 2 fließen kann. Dabei erhöht sich der im Energiespeicher 2 gespeicherte Strom IE. Der Ladebetrieb ist erforderlich, um zum einen elektrische Energie zu einer möglichen Entnahme zu einem späteren Zeitpunkt in dem Energiespeicher 2 zwischenzuspeichern und um elektrische Verluste, die innerhalb der Anordnung 100 entstehen, auszugleichen.

Beim Endladebetrieb wird dem Energiespeicher 2 über den Stromrichter 3 elektrische Energie entnommen und dem Zwischenspeicher 4 zugeführt wird. Dazu sind die Stromrichterventile 15 und 18 ausgeschaltet, so daß der Strom IE über die Stromrichterventile 16 und 17 zum Zwischenspeicher 4 fließen kann. Dabei sinkt der im Energiespeicher 2 gespeicherte Strom IE und die über den Zwischenspeicher 4 anliegende elektrische Spannung UZ steigt an. Der Endladebetrieb ist erforderlich, wenn elektrische Energie über den Umrichter 5 an das nicht näher dargestellte Energieversorgungsnetz abgegeben werden soll.

Beim Standby-Betrieb wird die im Energiespeicher 2 in Form des Stromes IE gespeichert elektrische Energie gehalten, daß heißt es wird dem Energiespeicher 2 keine elektrische Energie zugeführt und es soll möglichst wenig elektrische Energie verbraucht werden. Dazu ist beispielsweise das Stromrichterventil 15 eingeschaltet und das Stromrichterventil 18 ausgeschaltet. Der Strom IE fließt dann über den aus dem Stromrichterventil 17 und dem Stromrichterventil 15 gebildeten Freilaufpfad 19 und über den Energiespeicher 2 im Kreis. Bei dem Stromrichter 3 ist ein zweiter Freilaufpfad 19a schaltbar, der bei ausgeschaltetem Stromrichterventil 15 über das eingeschaltete Stromrichterventil 18 und das Stromrichterventil 16 führt. Der Energiespeicher 2 ist dann über die Stromrichterventile 18 und 16 kurzgeschlossen. Im Standby-Betrieb ist die am Energiespeicher 2 anliegende elektrische Spannung UE sehr niedrig, da der Energiespeicher dieser sehr niederohmig ausgeführt ist.

Da die zum jeweiligen Freilaufpfad 19 oder 19a zugehörigen Stromrichterventile 15 und 17 bzw. 16 und 18 jeweils einen Durchlaßwiderstand aufweisen, wird ein den Stromrichterventilen 15 bis 18 jeweils elektrische Verlustleistung verbraucht. Diese elektrischen Verlustleistungen führen im Standby-Betrieb zu einem Absinken des elektrische Strom IE, so daß der Energiespeicher 2 in kurzen zeitlichen Abständen zum Laden in den Ladebetrieb geschaltet werden muß.

Ist zum Beispiel der Freilaufpfad 19 geschaltet, dann wird zum Übergang in den Ladebetrieb beide Stromrichterventile 15 und 18 eingeschaltet. Zu einem Laden des Energiespeichers 2 ist selbstverständlich erforderlich, daß der Zwischenspeicher 4 aufgeladen ist. Beim Umschalten vom Standby-Betrieb in den Ladebetrieb wird nahezu die gesamte Zwischenkreisspannung UZ plötzlich an den Energiespeicher 2 angelegt, wodurch die Spannung UE schnell ansteigt. Die hohe Spannung UE kann zu einem Spannungsüberschlag zwischen dem Energiespeicher 2 und einem ihn umgebenden Gehäuse 2a führen. Der schnelle Anstieg der Spannung UE führt auch zu einem schnellen Ansteigen des Stromes IE, wodurch im Energiespeicher 2, insbesondere in dem vorhandenen normal leitenden Leiter Wirbelströme induziert werden, die zu elektrischen Verlusten führen.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 101 dargestellt, die sich von der Anordnung 100 nach Fig. 2 zum Einen dadurch unterscheidet, daß ein erster mechanischer Schalter 22 und ein Ventil 20 vorgesehen sind über die im Stand-By Betrieb ein verlustärmerer Freilaufpfad 20 schaltbar ist.

Da der geschlossene erste mechanische Schalter 22 eine sehr viel geringere elektrische Impedanz aufweist, als ein jedes der Stromrichterventile 15 bis 18 sind die elektrischen Verluste im Stand-By sehr viel geringer, als beim Betrieb eines der Freilaufpfade 19 oder 19a. Dadurch ist im Standby- Betrieb die Entladung des Energiespeichers 2 erheblich verringert, so daß dieser zur Haltung der gleichen elektrischen Energie sehr viel seltener nachgeladen werden muß.

Zum Zweiten ist bei der Anordnung 101 im Unterschied zur Anordnung 100 nach Fig. 2 eine Ladevorrichtung 23 vorgesehen, die über ein Ventil 24 in Serie zu dem ersten mechanischen Schalter 22 in den Freilaufpfad 20 schaltbar ist.

Im folgenden werden der Ladebetrieb, der Entladebetrieb und der Stand-By-Betrieb erläutert.

Zum Laden des Energispeichers 2 mit der Ladevorrichtung ist das Ventil 24 eingeschaltet, das Ventil 21 ausgeschaltet und sowohl der Freilaufpfad 20 als auch der Energiespeicher 2 durch einen geöffneten Schalter 23 elektrisch vom Stromrichter getrennt. Die Ladevorrichtung gibt dann den Strom IL2 ab, der über das Ventil 24 und den geschlossenen Schalter 22 zum Energiespeicher 2 gelangt, wodurch dieser geladen wird. Durch die Ladevorrichtung ist der Energiespeicher 2 unter Anlegen einer sehr geringen Ladespannung UL ladbar, so daß die Spannung UE nunmehr nur geringfügig ansteigt. Dadurch ist die Gefahr eines Spannungsdurchschlags vom Energiespeicher 2 zu seinem Gehäuse 2A erheblich vermindert. Durch den geringeren Anstieg der Spannung UE ist auch der Anstieg des Stromes IL verringert, so daß auch die Wirbelstromverluste im Energiespeicher 2 vermindert sind.

Im Entladebetrieb sind das Ventil 21 und das Ventil 24 ausgeschaltet. Der Schalter 22 ist geöffnet und der Schalter 23 ist geschlossen. Die beiden Stromrichterventile 15 und 18 sind ausgeschaltet.

Im Stand-By-Betrieb sind das Ventil 21 eingeschaltet und der Schalter 22 geschlossen. Der Schalter 23 ist geöffnet und das Ventil 24 ist ausgeschaltet.

Zum Übergang vom Ladebetrieb in den Stand-By-Betrieb wird das Ventil 24 ausgeschaltet und das Ventil 21 eingeschaltet. Zum Übergang vom Stand-By-Betrieb wird in umgekehrter Reihenfolge geschaltet.

Zum Übergang vom Entladebetrieb in den Stand-By-Betrieb wird zunächst eines der Stromrichterventile 15 oder 18 eingeschaltet, so daß einer der Freilaufpfade 19 oder 19a geschaltet ist. Danach werden das Ventil 21 eingeschaltet und der Schalter 22 geschlossen. Im Anschluß daran wird der Schalter 23 geöffnet. Zum Übergang vom Stand-By-Betrieb in den Entladehetrieb wird in umgekehrter Reihenfolge geschaltet.

In Fig. 4 ist eine weitere erfindungsgemäße Anordnung 102 dargestellt, bei der im Unterschied zu Fig. 3 der Stromrichter 3 als Ein-Quadranten-Stromrichter ausgebildet ist. Der Stromrichter 3 weist dabei nur einen Brückenzweig 14 mit den Stromrichterventilen 17 und 18 auf, wobei letzteres abschaltbar ist.

Zur Erläuterung des Ladebetriebs und des Stand-By-Betriebs und der Verfahrensweise bei den Übergangen zwischen Ladebetrieb und Stand-By-Betrieb wird auf die Beschreibung der Fig. 3 verwiesen.

Im Entladebetrieb sind das Ventil 21 und das Ventil 24 ausgeschaltet. Der Schalter 22 ist geöffnet und der Schalter 23 ist geschlossen. Das Stromrichterventil 18 ist ausgeschaltet.

Zum Übergang vom Entladebetrieb in den Stand-By-Betrieb wird zunächst das Stromrichterventil 18 eingeschaltet. Danach werden das Ventil 21 eingeschaltet und der Schalter 22 geschlossen. Im Anschluß daran wird der Schalter 23 geöffnet. Zum Übergang vom Stand-By-Betrieb in den Entladebetrieb wird in umgekehrter Reihenfolge geschaltet.

Den in Serie geschalteten Halbleiterventilen 18a und 18b des Stromrichterventils 18 sind die in Serie geschalteten Halbleiterventile 18c und 18d parallel geschaltet. Dadurch wird der jeweilige über das Stromrichterventil 18 geführte Strom auf die beiden Zweige 25 und 26 aufgeteilt. Jeder Zweig wird nur von der Hälfte des über das Stromrichterventil 18 geführten Stroms durchflossen, so daß die jeweilige elektrische Verlustleistung in den Ventilen 18a und 18b verringert ist. Dadurch ist die Gefahr eines Ausfalls des Stromrichterventils 18 durch Versagen eines der Halbleiterventile 18a bis 18d vermindert.

In Fig. 5 ist eine weitere erfindungsgemäße Anordnung 1 dargestellt. Im Unterschied zur Anordnung 1 nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 2 weist das Stromrichterventil 15 ein erstes Ventil 151 und ein zweites dazu in Serie geschaltetes Ventil 152 auf. Ebenso weist das Stromrichterventil 17 ein erstes Ventil 171 und ein zweites dazu in Serie geschaltetes Ventil 172 auf. Die ersten Ventile 152 und 172 umfassen jeweils zumindest zwei in Serie geschaltete Halbleiterventile 15C bis 15E, bzw. 17C bis 17E. Dadurch weisen die ersten Ventile 151 und 171 jeweils eine höhere Spannungsfestigkeit als ein einzelnes Halbleiterventil auf. Die zweiten Ventile 152 und 172 weisen jeweils zwei parallel geschaltete Halbleiterventile 15A und 15B, bzw. 17A und 17B auf. Dadurch weisen die zweiten Ventile 152 und 172 jeweils eine höhere Stromfestigkeit als ein einzelnes Halbleiterventil auf. Darüberhinaus sind ein mechanischer Schalter 22 und mechanischer Schalter 27 vorgesehen, mit denen das erste Ventil 151 des Stromrichterventils 1 und das erste Ventil 17 des Stromrichterventils 17 elektrisch überbrückbar sind. Zu einem Laden des Energiespeichers 2 ist eine Ladevorrichtung 23 vorgesehen, die über ein Ventil 24 in Serie zum ersten mechanischen Schalter 22 schaltbar ist.

Beim Ladebetrieb sind die Schalter 22 und 27 geschlossen und das Ventil 24 sowie das zweite Ventil 152 des Stromrichterventils 15 eingeschaltet. Das Stromrichterventil 18 ist ausgeschaltet. Die Ladeeinrichtung 23 ist dadurch elektrisch mit dem Energiespeicher 2 verbunden und gibt zu dessen Ladung einen Ladestrom 11 ab. Dabei liegt die von der Ladeeinrichtung 23 abgegebene sehr geringe Ladespannung UL am Energiespeicher 2 an. Die Ladespannung UL ist sehr viel kleiner als die Zwischenkreisspannung UZ, so daß bei einem Übergang in den Ladebetrieb ein plötzliches Ansteigen der am Energiespeicher 2 anliegenden Spannung UE vermieden und dadurch die schon zuvor beschriebenen Wirbelstromverluste verringert und ein Spannungsdurchschlag vermieden sind.

Im Entladebetrieb sind die Schalter 22 und 27 geöffnet und das Ventil 24 und die Stromrichterventile 15 und 18 ausgeschaltet. Dadurch ist der Energiespeicher 2 zu einer Energieabgabe mit dem Zwischenspeicher 4 elektrisch verbunden.

Im Stand-By-Betrieb sind die Schalter 22 und 27 geschlossen und das zweite Ventil 152 des Stromrichterventils 15 eingeschaltet. Das Stromrichterventil 18 und das Ventil 24 sind ausgeschaltet. Dadurch ist ein Freilaufpfad 20A über die Schalter 22 und 27 und das zweite Ventil 152 des Stromrichterventils 15 und das zweite Ventil des Stromrichterventils 172 geschaltet, wobei die ersten Ventile 152 und 172 elektrisch überbrückt sind und daher im Stand-By- Betrieb keine elektrischen Verluste verursachen. Dadurch sind die elektrischen Verluste sehr viel geringer, als bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik. Der Energiespeicher 2 ist über den Freilaufpfad 20A kurzgeschlossen.

Zum Übergang vom Ladebetrieb in den Stand-By-Betrieb wird das Ventil 24 ausgeschaltet. Zum Übergang vom Stand-By-Betrieb in den Ladebetrieb wird das Ventil 24 eingeschaltet.

Zum Übergang vom Entladebetrieb in den Stand-By-Betrieb wird zunächst das Stromrichterventil 18 ausgeschaltet. Danach werden die Schalter 22 und 27 geschlossen. Danach wird das erste Ventil 152 des Stromrichterventils 15 ausgeschaltet. Zum Übergang vom Stand-By-Betrieb in den Entladebetrieb wird in umgekehrter Reihenfolge geschaltet.

In Fig. 6 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 104 dargestellt, die im Gegensatz zur Anordnung 103 nach Fig. 5 einen Ein-Quadranten-Stromrichter 3 aufweist. Der Stromrichter 3 weist dabei nur einen Brückenzweig 13 mit den Stromrichterventilen 16 und 15 auf, wobei letzteres abschaltbar ist.

Zur Erläuterung des Ladebetriebs und des Stand-By-Betriebs und der Verfahrensweise bei den Übergangen zwischen Ladebetrieb und Stand-By-Betrieb wird auf die Beschreibung der Fig. 5 verwiesen.

Im Entladebetrieb ist das Ventil 24 ausgeschaltet. Die Schalter 22 und 27 sind geöffnet. Das Stromrichterventil 15 ist ausgeschaltet. Dadurch ist der Energiespeicher 2 zu einer Energieabgabe mit dem Zwischenspeicher 4 elektrisch verbunden.

Zum Übergang vom Entladebetrieb in den Stand-By-Betrieb wird zunächst das Stromrichterventil 15 eingeschaltet. Danach werden die Schalter 22 und 27 geschlossen. Danach wird das erste Ventil 152 des Stromrichterventils 15 ausgeschaltet.

Zum Übergang vom Stand-By-Betrieb in den Entladebetrieb wird in umgekehrter Reihenfolge geschaltet.

In Fig. 7 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 105 dargestellt, die sich von der Anordnung 100 nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 2 dadurch unterscheidet, daß der Zwischenspeicher 4 zwei Speicherteile 4a und 4b aufweist, weiterhin ein dritter mechanischer Schalter 28 und ein weiterer mechanischer Schalter 29 und darüberhinaus eine Ladevorrichtung 23 vorgesehen ist. Die Speicherteile 4B sind so dimensioniert, das die am Speicherteil anliegenden Spannung UZ2 sehr viel kleiner ist als die am Speicherteil 4A anliegenden Spannung UZ1.

Im Ladebetrieb ist der Schalter 28 geschlossen und der Schlter 29 geöffnet. Die Stromrichterventile 15 und 17 sind eingeschaltet. Dadurch ist nur der Speicherteil 4B und die zu diesem parallel geschaltete Ladevorrichtung mit dem Enerqiespeicher 2 elektrisch verbunden. Dadurch ist nur die kleine elektrische Spannung UZ1 an den Energiespeicher angelegt, so daß ein schneller Anstieg der Spannung UE bei einem Umschalten in den Ladebetrieb vermieden ist. Die schon zuvor beschriebenen Wirbelstromverluste sind dadurch verringert und ein Spannungsdurchschlag ist vermieden. Prinzipiell kann der Energiespeicher 2 nur aus dem Speicherteil 4B ohne eine Ladeeinrichtung 23 geladen werden. Durch die Ladeeinrichtung 23 kann möglichen Umladungsvorgängen, bei denen elektrische Energie zwischen den Speicherteilen 4A und 4B ausgetauscht wird, entgegengewirkt werden.

Im Stand-By-Betrieb sind die Schalter 28 und 29 geöffnet. Die Stromrichterventile 15 und 17 können so wie bei einem Stand- By-Betrieb nach dem Stand der Technik geschaltet werden.

Im Entladebetrieb ist der Schalter 28 geöffnet und der Schalter 29 geschlossen. Die Stromrichterventile 15 und 17 können so wie bei einem Stand-By-Betrieb nach dem Stand der Technik geschaltet werden.

Zum Übergang vom Ladebetrieb in den Stand-By-Betrieb wird der Schalter 28 geöffnet. Zum Übergang vom Stand-By-Betrieb in den Ladebetrieb wird der Schalter 28 geschlossen.

Beim Übergang vom Entladebetrieb in den Stand-By-Betrieb werden die Stromrichterventile 15 und 17 wie beim Stand-By- Betrieb nach dem Stand der Technik geschaltet und anschließend der Schalter 29 geöffnet. Beim Übergang vom Stand-By- in den Entladebtrieb wird umgekehrt verfahren.

Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung 106 ist eine Kombination der Anordnung 105 gemäß Fig. 7 und der Anordnung 103 gemäß Fig. 5. Bei der Anordnung 106 weisen, wie auch die Anordnung 103 gemäß Fig. 5, das Stromrichterventil 15 ein erstes Ventil 151 und ein dazu in Serie geschaltetes zweites Ventil 152 und das Stromrichterventil 17 ein erstes Ventil 171 und ein dazu in Serie geschaltetes zweites Ventil 172 aufweist. Ebenso wie bei der Anordnung 103 sind die mechanischen Schalter 22 und 27 zur jeweiligen elektrischen Überbrückung der ersten Ventile 152, bzw. 172 vorgesehen.

Zur Erläuterung des Ladebetriebs wird auf die Beschreibung der Anordnung 105 verwiesen. Zusätzlich sind die Schalter 22 und 27 geschlossen, um die ersten Ventile 152, bzw. 172 elektrisch zu überbrücken.

Zur Erläuterung des Stand-By-Betriebs wird auf die Beschreibung der Anordnung 105 verwiesen. Zusätzlich sind die Schalter 22 und 27 geschlossen, um die ersten Ventile 152, bzw. 172 elektrisch zu überbrücken.

Zur Erläuterung des Entladebetriebs wird auf die Beschreibung der Anordnung 105 verwiesen. Zusätzlich sind die Schalter 22 und 27 geöffnet.

Zum Übergang vom Ladebetrieb in den Stand-By-Betrieb wird der Schalter 28 geöffnet. Zum Übergang vom Stand-By-Betrieb in den Ladebetrieb wird der Schalter 28 geschlossen.

Beim Übergang vom Entladebetrieb in den Stand-By-Betrieb werden die Stromrichterventile 15 und 17 wie beim Stand-By- Betrieb nach dem Stand der Technik geschaltet und die Schalter 22 und 27 geschlossen. Anschließend der Schalter 29 geöffnet. Beim Übergang vom Stand-By- in den Entladebtrieb wird umgekehrt verfahren.

In Fig. 9 ist eine Anordnung 107 dargestellt, bei der der Stromrichter 3 als sogenannter Drei-Punkt-Zwei-Quadranten- Stromrichter ausgebildet ist. Dieser weist dazu zwei weitere Stromrichterventile 30 und 31 auf, wobei das Stromrichterventil 30 in Serie zum Stromrichterventil 15 und das Stromrichterventil 31 in Serie zum Stromrichterventil 18 geschaltet ist.

Zur Erläuterung der Funktionsweise eines Dreipunkt-Zwei- Quadranten-Stromrichters wird auf die zum Stand der Technik genannte Literatur verwiesen.

Wesentlich für die Erfindung ist hier, daß der Zwischenspeicher 4 als sogenannte Zwischenkreisspeicherhälfte ausgebildet ist. Ein weiterer Zwischenspeicher 5 und der Zwischenspeicher 4 bilden gemeinsam einer Zwischenkreisspeicher 200. Der Zwischenspeicher 4 weist wie auch bei der Anordnung 105 gemäß Fig. 7 zwei Speicherteile 4a und 4b auf.

Analog zur Vorgehensweise beim Ladebetrieb bei der Anordnung 105 gemäß Fig. 7 ist zum Laden der Energiespeicher 2 über den Stromrichter 3 bei geschlossenem Schalter 28 und geöffnetem Schalter 29 nur mit dem Speicherteil 4b elektrisch verbindbar. Dabei ergeben sich die schon für die Anordnung 105 genannten Vorteile einer niedrigen Ladespannung UE für den Energiespeicher 2 zur Vermeidung eines Spannungsdurchschlags und zur Verringerung der Wirbelstromverluste im Energiespeicher 2.

Die Ladeeinrichtung 23 ist hier ebenfalls parallel zum Speicherteil 4b an den Energiespeicher 2 schaltbar.

In Fig. 10 ist eine weitere Anordnung 108 dargestellt, bei der Stromrichter 3 auch als Drei-level-Zwei-Quadranten- Stromrichter.

Der Stromrichter 3 weist ein weiteres Stromrichterventil 30 auf, das in Serie zum Stromrichterventil 15 geschaltet ist. Das Stromrichterventil 15 weist ein erstes Ventil 151 auf, zu dem ein zweites Ventil 152 in Serie geschaltet ist. Das Stromrichterventil 18 weist ein erstes Ventil 181 auf, zu dem ein zweites Ventil 182 in Serie geschaltet ist. Zwei mechanische Schalter 23 und 28 sind vorgesehen, über die die ersten Ventile 181, bzw. 151 elektrisch überbrückbar sind.

Beim Ladebtrieb sind die Stromrichterventile 15 und 30 und das Stromrichterventil 18 ausgeschaltet. Das Ventil 24 ist eigeschaltet und der Schalter 23 ist geschlossen. Dadurch ist die Ladeeinrichtung 23 an den Energeispeicher 2 geschaltet.

Beim Stand-By-Betrieb sind die Stromrichterventile 30 und 18 sowie das erste Ventil 151 des Stromrichterventils 15 ausgeschaltet. Das zweite Ventil 152 ist eingeschaltet. Die Schalter 23 und 28 sind geschlossen. Dadurch ist der Energeispeicher über einen verlustarmen Freilaufpfad kurzgeschlossen. Durch die Überbrückung des ersten Ventils 151 des Stromrichterventils 15 durch den mechanischen Schalter 28 bzw. des ersten Ventils 181 des Stromrichterventils 18 durch den mechanischen Schalter 23 sind die Verluste im Freilauf, wie auch zuvor schon erläutert, verringert.

Im Ladebetrieb sind die Stromrichterventile 15 und 18 eingeschaltet. Das Stromrichterventil 30 ist ausgeschaltet. Die Schalter 23 und 28 sind geöffnet. Dadurch ist der Energiespeicher 2 mit dem Zwischenspeicher 5 elektrisch verbunden, der aus dem Energiespeicher 2 geladen wird.

Bei allen erfindungsgemäßen Anordnungen 101 bis 108 können die abschaltbaren Halbleiterventile als GTO (Gate-Turn-Off- Thyristor), IGBT, MCT, MTO oder IGCT ausgeführt sein.

Claims (22)

1. Anordnung zur elektrischen Energiespeicherung mit einem elektrischen Energiespeicher, der elektrisch über einen elektrischen Stromrichter mit einem elektrischen Zwischenkreisspeicher verbindbar ist, wobei ein elektrischer Freilaufpfad mit einem ersten mechanischen Schalter vorgesehen ist, mit welchem Freilaufpfad der elektrische Energiespeicher kurzschließbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei ein zweiter mechanischer Schalter vorgesehen ist, mit dem der Energiespeicher und der Freilaufpfad elektrisch vom Stromrichter trennbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der elektrische Stromrichter einen elektrischen Brückenzweig mit zwei Stromrichterventilen aufweist und ein Stromrichterventil mit einem ersten und einem dazu in Serie geschalteten zweiten Ventil ausgebildet ist und wobei mit dem ersten mechanischen Schalter das erste Ventil elektrisch überbrückbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, wobei das erste Ventil aus zumindest zwei in Serie geschalteten Halbleiterventilen gebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das zweite Ventil aus zumindest zwei parallel geschalteten Halbleiterventilen gebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 3, 4 oder 5, wobei der Zwischenkreisspeicher einen ersten und einen dazu in Serie geschalteten zweiten Speicherteil aufweist und wobei der elektrische Energiespeicher nur mit dem ersten Speicherteil elektrisch verbindbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei der elektrische Energiespeicher und der erste Speicherteil über einen dritten mechanischen Schalter verbindbar sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei der zweite Speicherteil zumindest einen elektrischen Kondensator umfaßt.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ladevorrichtung vorgesehen ist, die in Serie zum ersten mechanischen Schalter in den Freilaufpfad schaltbar ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromrichter als Ein-Quadranten-Stromrichter ausgebildet ist.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der mechanischen Schalter als MS-AC- Leistungsschalter ausgebildet ist.

12. Anordnung zur elektrischen Energiespeicherung mit einem elektrischen Energiespeicher, der elektrisch über einen elektrischen Stromrichter mit einem elektrischen Zwischenkreisspeicher verbindbar ist, der einen ersten und einen dazu in Serie geschalteten zweiten Speicherteil aufweist, wobei der elektrische Energiespeicher nur mit dem ersten Speicherteil elektrisch verbindbar ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11, wobei der elektrische Energiespeicher und der erste Speicherteil über einen weiteren mechanischen Schalter verbindbar sind.

14. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei eine Ladevorrichtung vorgesehen ist, die parallel zum ersten Speicherteil an den elektrischen Energiespeicher schaltbar ist.

15. Anordnung nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei der elektrische Stromrichter einen elektrischen Brückenzweig mit zwei Stromrichterventilen aufweist und ein Stromrichterventil mit einem ersten und einem dazu in Serie geschalteten zweiten Ventil ausgebildet ist und wobei mit dem ersten mechanischen Schalter das erste Ventil elektrisch überbrückbar ist.

16. Anordnung nach Anspruch 14, wobei das erste Ventil aus zumindest zwei in Serie geschalteten Halbleiterventilen gebildet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, wobei das zweite Ventil aus zumindest zwei parallel geschalteten Halbleiterventilen gebildet ist.

18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromrichter als Zwei-Quadranten-Steller ausgebildet ist.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 12, 13, 14, 15, 16 oder 17, wobei zumindest einer der mechanischen Schalter als MS-AC-Leistungsschalter ausgebildet ist.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 12, 13, 14, 15, 16, 17 oder 18, wobei der Zwischenspeicher elektrische Kondensatoren umfaßt.

21. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher als supraleitender Magnetspeicher ausgebildet ist.

22. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromrichter mit abschaltbaren Halbleiterventilen ausgebildet ist.