DE202019106279U1

DE202019106279U1 - Modularisiertes Ess und Energieverteilungssystem

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Publication number: DE202019106279U1
Application number: DE202019106279.7U
Authority: DE
Original assignee: Joule Case Inc
Current assignee: Joule Case Inc
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: CN212114874U; US20220173609A1; US11251649B2; AU2019101561A4; US20240250555A1; US11750024B2; US20210111582A1; US12088139B2; JP3225707U; FR3102018A3

Abstract

Modularisiertes Energiespeichersystem, aufweisend:einen ersten Schaltschrank, der konfiguriert ist, um als eine primäre Leistungs- und Lastausgleichsvorrichtung zu fungieren, wobei der erste Schaltschrank eine Leistungselektronik umfasst, die einen Gleichstrom-Wechselrichter, einen Transformator und einen Frequenzregler aufweist;einen Satz batteriebasierter Energiespeichersysteme - BESS -, die mit dem ersten Schaltschrank verbunden sind;einen zweiten Schaltschrank, der konfiguriert ist, um mit dem ersten Schaltschrank verbunden zu werden; undeinen dritten Schaltschrank, der konfiguriert ist, um mit dem ersten Schaltschrank verbunden zu werden;wobei der erste Schaltschrank den zweiten und dritten Schaltschränken mehrphasige Ausgangsspannungen bereitstellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf elektrische Energiesysteme, insbesondere auf mobile und stationäre gewerbliche und industrielle Energie-Erzeugungs-, Erfassungs- und Speichersysteme. Diese werden im Allgemeinen als elektrische Speicher-Systeme oder ESS bezeichnet. Ein batteriebetriebenes Energiespeichersystem wird allgemein als BESS bezeichnet.
ZUSAMMENFASSUNG
Wir beschreiben ein System und Verfahren zum Einsatz eines modularen, containerisierten ESS- und Schaltschranksteuerungssystems. Das innovative System ermöglicht eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) für Batterien und elektrochemische Speichergeräte über einen langen Zeitraum.
Figurenliste

1 zeigt mehrere BESS, die an einen einzelnen Schaltschrank angeschlossen sind. Die Figur zeigt eine Anordnung, die je nach Veranstaltungsort oder Standort versetzt oder aufgestellt werden kann. Ein Schaltschrank kann in der Lage sein, mehrere Spannungen innerhalb eines Schaltschranks auszugeben. Durch die Verwendung von isolierten Stromkreisen kann der Schaltschrank verschiedene Spannungen ohne den Einsatz von Abwärtstransformatoren im Feld liefern.
2 zeigt eine Anordnung eines Schaltschranks und zweier BESS-Container auf einem mobilen Anhänger.
3 zeigt einen Schaltschrank, der mit einem einzelnen BESS-Container verbunden ist, und zeigt die Systemfähigkeit zum Hinzufügen oder Entfernen zusätzlicher BESS- oder anderer ESS-Container. Jeder BESS-Container wird in dieser Darstellung aufgeladen.
4 zeigt mehrere Stränge von BESS-Containern in Paaren, die an einen einzelnen Schaltschrank angeschlossen sind. Jedes BESS wird in dieser Darstellung aufgeladen.
5 zeigt mehrere ESS, die verschiedene Kraftstoffquellen verwenden können, die an einen Schaltschrank angeschlossen und getrennt sind. In dieser Figur kann ein verbrauchte BESS vom Schaltschrank getrennt und ein geladenes BESS angeschlossen werden. Die Figur zeigt auch ein traditionelles Verbrennungskraftstoff-ESS, das die Möglichkeit besitzt, an den Schaltschrank angeschlossen oder von diesem getrennt zu werden.
6 zeigt ein verbrauchtes BESS, das vom Schaltschrank getrennt ist, und wobei ein herkömmliches Verbrennungsbrennstoff-ESS angeschlossen ist und den Schaltschrank mit Energie versorgt.
7 zeigt mehrere BESS-Container auf einem Anhänger, die in einem Solar- oder Windpark eingesetzt werden können.
8 zeigt ein BESS-Container-Set, einen stationären oder beweglichen Schaltschrank und eine „Stallung“, der es dem BESS ermöglicht, automatisch oder mit eingeschränkter menschlicher oder systemischer Interaktion eine Verbindung zum Schaltschrank herzustellen oder durch andere elektrische Verbindungen Energie bereitzustellen oder zu sammeln. In einer „Stallung“ können mehrere „Boxen“ vorhanden sein, so dass mehrere Strom- und Energiesysteme in verschiedenen Anordnungen miteinander verbunden werden können. Die Figur zeigt mindestens eine leere Box in der Stallung.
9 stellt den gleiche Stall wie in 8 dar, wobei ein zweites Leistungs-/Energiesystem entweder aus der zweiten Box kommt oder geht.
10 zeigt ein Netzwerk von Stallungen, die in Kraftwerken, Umspannwerken, Gewerbe- und Industrieanlagen installiert oder eingesetzt werden können. Diese Stallungen ermöglichen die Ein- und Ausschaltung von Energie auf kurz- oder langfristiger Basis.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mobile und stationäre Systeme zur Energie-Erzeugung, -Erfassung und -Speicherung im gewerblichen und industriellen Maßstab sind im Allgemeinen so konzipiert, dass sie ein Mittel zur Umwandlung gespeicherter Energie, die meist eine Verbrennungskraftstoffquelle ist, in Strom bereitstellen. Dies geschieht typischerweise, um eine Backup-, Notfall- oder unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) für eine große Stromquelle innerhalb eines Gebäudes, eines ganzen Gebäudes oder einer Gruppe von Gebäuden, Strukturen und Geräten innerhalb eines definierten Bereichs bereitzustellen. Typischerweise können diese Systeme Verbrennungskraftstoff hinzufügen, um bei Bedarf ihre Betriebszeit zu verlängern. Solche Systeme sind in der Regel auf den Leistungsbereich eingestellt, den sie bereitstellen können, und werden mit einem Bereichs- oder Leistungsausgang und einem Energiespeicher (Tank oder Reservoir) gebaut und werden üblicherweise als eine Einheit gebaut. Es wäre in den bisherigen Ausführungsformen weder machbar noch praktikabel, die Stromerzeugungsvorrichtung von der Energiespeichervorrichtung zu trennen.
Mit den technologischen Verbesserungen und der Preissenkung für fortschrittliche Batterie- und andere elektrochemische Speichersysteme ist es möglich, ein vollständig batteriebasiertes containerisiertes USV oder ESS zu bauen. Aufgrund der begrenzten Menge an gespeicherter Energie beschränkt sich diese Technologie jedoch aufgrund der typischen Topologie von containerisierten USV- und ESS-Konstruktionen auf kurzzeitige Leistungsereignisse. Erforderlich ist ein Verfahren zur Trennung des Stromerzeugungsabschnitts des containerisierten USV- und ESS-Designs, das es ermöglicht, es mit oder von mehreren energiespeicherspezifischen Containern zu koppeln bzw. zu entkoppeln. Diese Konstruktion ähnelt eher dem Hinzufügen von Verbrennungsraftstoff in den Tank herkömmlicher USV-Containersysteme.
Die Architektur des Leistungsgeräts muss daher in der Lage sein, mehrere Eingänge zu akzeptieren, so dass diese Stromkreise aktiviert und deaktiviert werden können und ein leerer Container gegen einen anderen ausgetauscht werden kann, unter Aufrechterhaltung der Stromverfügbarkeit. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System, das einen Hauptenergie-Container aufweist, der mit einer Vielzahl von Energie-Containern verbunden werden kann, einschließlich, aber nicht beschränkt auf ein herkömmliches Verbrennungskraftstoffsystem, falls erforderlich.
Ein weiteres häufiges Problem bei herkömmlichen Verbrennungs-USV-Systemen ist die Aufrechterhaltung des Leistungslastausgleichs. Typischerweise verbinden sich diese großen Energiesysteme mit einer Anlage, die lastverteilt ist. Wird es jedoch in einem Bereich ohne richtigen Lastausgleich eingesetzt, kann es bei der Stromerzeugung für 3-Phasen-Wechselstrommotoren zu Störungen kommen. Eine bessere Lasttrennung kann mit speziellen Stromkreisen erreicht werden.
Massive Leistungsschwankungen können auch für diese traditionellen Motor-/Maschinen-basierten Systeme problematisch sein. Wenn die Impulsspitze Zehntel von Hundertstelsekunden oder weniger beträgt, kann es sein, dass die Drehung des Motors in Bezug auf den Schenkel der Drehstromleitung nicht aufholen und zu einem vollständigen Systemausfall führen kann. Elektronik-basierte USV-Systeme können eine wesentlich schnellere Reaktionszeit haben. Die Anwendung kann eine Reihe von Hochleistungs-Stroboskopleuchten sein, die nur einmal für zwei (2) Millisekunden blinken und nicht genügend Dauer erzeugen würden, damit ein typischer Generator aufholen kann. Dies verursacht Probleme mit anderen Geräten und liefert nicht genügend Strom für das Stroboskop, wodurch es ausgehungert wird und möglicherweise Schäden am Gerät entstehen.
In 1 ist eine Sammlung von BESS-Containern in einer undefinierten Anordnung dargestellt, die mit einem unabhängigen Schaltschrank verbunden oder gemeinsam gekoppelt wurden. Im Inneren des Schaltschranks befinden sich gemeinsame Spannungskombinationsgeräte wie Gleichstrom-Wechselrichter, Transformatoren, Frequenzregler und andere Leistungsgeräte, die häufig bei der Leistungsumwandlung verwendet werden. Der Schaltschrank kann auch eine unabhängige Energieversorgung enthalten, die für eine mehrminütige oder eine anderweitig kurzzeitige Strom- und Energieversorgung geeignet sein kann, ähnlich wie eine typische unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Der Schaltschrank kann in der Lage sein, verschiedene Eingänge von BESS oder anderen Energiequellen zu aktivieren oder zu deaktivieren, so dass der Schaltschrank als Primärstrom- und Lastausgleichsgerät fungieren kann. Diese Eingänge können Gleichstrom oder Wechselstrom sein, in einer Ausführungsform kann man sich mechanische Eingänge vorstellen, die in einen Motor oder ein Schwungrad eingefahren werden, mit dem verschiedene Energieeingänge übertragen und ausgeglichen werden.
1 zeigt auch, dass mehrere Spannungs- und Leistungsumwandlungsleitungen vorgesehen sind, so dass im weiteren Verlauf der Leitung weniger Transformatoren verwendet werden können. Die Leistungselektronik in einem Schaltschrank kann auf isolierten Stromkreisen betrieben werden, die das Problem des „Ausgleichs“ der Schenkel der 3-phasigen Stromverteilung eliminieren oder stark reduzieren. Auf Leitungen kann es aufgrund der erzeugten Felder zu Störungen im Signal kommen, die jedoch durch Abschirmung der Leitungen weiter reduziert werden können. Die abgebildeten kleineren oder spezifischen Schaltschränke können rekonfigurierbar sein und sich in einem Gerät befinden.
2 zeigt, wie Schaltschränke und BESS-Systeme ISO-Container für den Transport und die Mobilisierung dieser Systeme nutzen können. Es ist daher möglich, den anfänglichen Satz von Schaltschränken zu mobilisieren und dann die BESS-Systeme auf eine ähnliche Methode auszutauschen, wie herkömmlichen Verbrennungsgeneratoren Kraftstoff hinzuzufügen. In der Figur sehen wir einen 50' langen Tieflader mit einem Schaltschrank, der in einer Ausführungsform 10' lang sein kann und gleichzeitig zwei 20' ESS- oder BESS-Container trägt.
3 zeigt, dass ein Schaltschrank entweder temporär oder semitemporär/permanent mit einem oder mehreren angeschlossenen ESS- oder BESS-Geräten aufgestellt werden kann. Jedes BESS oder ESS ist auch in der Lage, miteinander „verkettet“ oder anderweitig elektrisch verbunden, gekoppelt oder entkoppelt zu werden.
4 zeigt mehrere Ketten von BESS- oder ESS-Containern, die gekoppelt werden können, und dann zusätzliche Kopplungen von BESS-Einheiten, die ebenfalls zur Energieversorgung oder zum Sammeln und Speichern angeschlossen sind.
In 5 zeigen wir, dass, während drei verschiedene Energie- und Stromquellen an einen einzelnen Schaltschrank oder mehrere Schaltschränke angeschlossen werden können, es möglich ist, auszuwählen, aus welcher Quelle die Energie bezogen werden soll. In der Zeichnung ist die erste Kette oder Kopplung der BESS-Einheiten aufgebraucht; der Schaltschrank kann dann beginnen, von der nächsten BESS oder einer anderen Vorrichtung zu beziehen. Ebenfalls dargestellt ist ein traditionelles Verbrennungssystem, das auch zur Hybridisierung des Systems verwendet werden kann. In dieser Zeichnung kann das traditionelle Verbrennungssystem verwendet werden, um einen Schaltschrank für jede gewünschte Dauer zu ergänzen, wieder aufzuladen oder mit der primären Energiequelle zu versorgen. In diesem Ansatz ist es einfacher, die Ausgabe des traditionellen Verbrennungsgenerators zu optimieren, um die von ihm erzeugte Gesamtenergie zu maximieren.
In 6 wurde das erste verbrauchte BESS in 5 verschoben, um an einem anderen Ort wieder aufzuladen. Die BESS, die in 5 vollständig geladen wurde, ist nun aufgebraucht. Das traditionelle Verbrennungskraftstoffsystem hat die Energieerzeugung für kurze Zeit oder bis zur Rückgabe eines wiederaufgeladenen BESS übernommen.
In 7 kann eine Flotte von BESS-Anhängern an einem Standort zur Erzeugung erneuerbarer Energien (Farm), einem traditionellen Umspannwerk oder einem Standort zur Energieerzeugung und -verteilung eingesetzt werden, um Verschiebungsenergie zu erfassen und zu laden. Dieses System ist auch dadurch einzigartig, dass ein entfernter Standort Strom aufnehmen kann und dass gespeicherte Energie leicht an einen anderen Ort bewegt werden kann, der möglicherweise Zugang zu Energie hat oder nicht. Die Mobilität des BESS-Anhängersystems kann Energie an einen Ort transportieren, an dem das herkömmliche Netz nicht erreichbar ist, wo es angegriffen oder beschädigt wurde oder wo die Kosten für die Energieverteilung und den Service unerschwinglich sein können.
Anhänger können als Spitzenressourcen für diese erneuerbaren Produktionsanlagen dienen. Man kann dem Wind nicht sagen, ob er blasen soll oder nicht, aber es ist vernünftig vorherzusagen, dass er mit einer gewissen Vorwarnung Strom produzieren kann. Es wäre dann möglich, unerwünschte oder unterausgelastete Energieproduktion zu entnehmen, zu speichern und zu nutzen, wenn der Wert gestiegen ist, wenn der Bedarf entsteht, oder sie an einen Ort zu transportieren, an dem die aufgenommene Energie bei Bedarf genutzt werden kann.
8 zeigt ein automatisiertes oder anderweitig vereinfachtes Verfahren zum Verbinden und Trennen von BESS oder anderen Energieerzeugungsanlagen mit einer sogenannten „Stallung“. Eine „Stallung“ kann wie dargestellt mit einem Schaltschrank, einer Einrichtung oder einem Campus oder einem Standort für die Energieerzeugung/-verteilung verbunden werden. Eine „Stallung“ kann aus mehreren Schnell-/Auto-Verbindungen bestehen und die „Boxen“ trennen. Diese „Boxen“ bieten Mittel und Verfahren zum einfachen Austausch von mobilen BESS- oder anderen Energie- und Stromerzeugungs-Containern. Die Zeichnung zeigt einen Satz mobiler Anhänger, die mit der Stallung in 1 Box verbunden sind, während eine weitere offene Box verfügbar ist.
9 ist die gleiche Stallung und eine Reihe von Stallungen, welche die Aufnahme- oder Freigabemöglichkeit für einen zweiten mobilen BESS-Container zeigt. Dieser Prozess ermöglicht es, Energie kontinuierlich zu liefern und zu bewegen.
10 zeigt Ställe mit mehreren Boxen in einer Energieerzeugungsanlage, die mehrere mobile BESS-Container mit unterschiedlichen Ladezuständen zeigen. Die Boxen verbinden die Anhänger mit der Stallung, und die Stallungen sind mit der Energieerzeugungsanlage oder dem Standort verbunden, um Energie zu liefern.
Fazit
Das erfinderische System und Verfahren bieten die folgenden Merkmale:

• Ein Schaltschrank, der mehrere Energieeingänge empfangen kann.
• Ein Schaltschrank, der in der Lage ist, mehrere Ausgangsspannungen bereitzustellen, einschließlich, aber nicht begrenzt auf 110, 200, 208, 220, 240, 300, 380, 400 und 480V, mit verschiedenen Frequenzen und Phasen nach Bedarf.
• Ein Schaltschrank, der in der Lage ist, einen oder mehrere Eingänge zu aktivieren und zu deaktivieren, während ein oder mehrere andere Eingänge unter Spannung gesetzt werden oder bereits unter Spannung gesetzt wurden.
• Ein Schaltschrank mit eigenem internen Energiespeicher, der es ermöglicht, einige Zeit ohne Hinzufügen von Energiespeicher-Containern betrieben zu werden.
• Ein Schaltschrank, der über eine interne oder externe physikalische Schnittstelle verfügt, um einen Eingang oder mehrer Eingänge aus verschiedenen Quellen zu verbinden.
• Ein Schaltschrank mit verschiedenen Leistungsausgängen, die dedizierte und optional netzisolierte Spannungen und Frequenzen nach Bedarf bereitstellen können.
• Ein Schaltschrank, der mit einer Computerschnittstelle gesteuert werden kann, die es dem Benutzer ermöglicht, die Ein- und Ausgänge des Systems auszuwählen.
• Ein Schaltschrank, der in der Lage ist, Ausgangs- und Eingangsparameter wie durch den Benutzer definiert oder automatisch erkannt basierend auf einem definierten Satz von bekannten oder möglichen Anwendungen zu rekonfigurieren.
• Ein Verfahren zur Verbindung von Energiespeicher-Containern, um Energie zu erfassen, und für Produktionsstätten wie Solar- oder Windparks.
• Ein Verfahren zum Transportieren von Energiespeicher-Containern, die eine Vielzahl von modularen Batteriesätzen enthalten können, welche die Granularität einer mobilen Energieverteilung weiter reduzieren können.
• Ein Verfahren zum Verbinden von Energiespeichern zu Unterstationen im Versorgungsbereich oder für andere industrielle und gewerbliche Energie-Erzeugungs, -Verteilungs- und Übertragungseinrichtungen.
• Ein Verfahren zur Bereitstellung von Spitzenleistungsressourcen für Netzsysteme im Versorgungssektor und im gewerblichen Bereich, die eine unerwünschte Energieerzeugung nutzen können.
• Die zeitliche Verschiebung der Energie-Erfassung und -Erzeugung ermöglicht, dass intermittierende erneuerbare Energiesysteme effektiver am Management von Leistungsschwankungen und der Nachfrageseite eines Versorgungssystems partizipieren.
• Ein Verfahren zum Erfassen, Transportieren und Verteilen von Energie an ein System ohne Infrastruktur, oder dessen Infrastruktur nicht ausreichend ist, oder bei dem ein Problem aufgetreten ist.
• Ein Verfahren zum Verteilen des gespeicherten Inhalts eines großen containerisierten ESS auf kleineren Energiebedarf, der großflächig verteilt werden kann.
• Ein Verfahren zur Integration kleinerer Energiespeichersysteme in ein größeres Kollektiv von containerisierten ESSs, das eine höhere kollektive Leistungsabgabe bieten kann.

Claims

Modularisiertes Energiespeichersystem, aufweisend: einen ersten Schaltschrank, der konfiguriert ist, um als eine primäre Leistungs- und Lastausgleichsvorrichtung zu fungieren, wobei der erste Schaltschrank eine Leistungselektronik umfasst, die einen Gleichstrom-Wechselrichter, einen Transformator und einen Frequenzregler aufweist; einen Satz batteriebasierter Energiespeichersysteme - BESS -, die mit dem ersten Schaltschrank verbunden sind; einen zweiten Schaltschrank, der konfiguriert ist, um mit dem ersten Schaltschrank verbunden zu werden; und einen dritten Schaltschrank, der konfiguriert ist, um mit dem ersten Schaltschrank verbunden zu werden; wobei der erste Schaltschrank den zweiten und dritten Schaltschränken mehrphasige Ausgangsspannungen bereitstellt.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Schaltschrank ferner eine unabhängige Energieversorgung umfasst, die für eine kurzzeitige Strom- und Energieversorgung geeignet ist.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Schaltschrank ferner ein Verbrennungskraftstoffsystem umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Schaltschrank eine Vielzahl von Spannungs- und Leistungswandlerschaltungen aufweist, die es ermöglichen, dass weniger Transformatoren in dem zweiten und dritten Schaltschrank verwendet werden können.
System nach Anspruch 4, wobei die Leistungselektronik im ersten Schaltschrank auf isolierten Stromkreisen konfiguriert ist, die den Bedarf an Ausgleichsstrecken einer 3-phasigen Leistungsverteilung reduzieren.
System nach Anspruch 5, wobei die Leistungselektronik im ersten Schaltschrank ferner Mittel zum Abschirmen der isolierten Stromkreise gegen elektrische Störungen beinhaltet.
System nach Anspruch 6, wobei der zweite und dritte Schaltschrank in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Schaltschrank und der Satz von BESS für den Transport auf einem mobilen Anhänger konfiguriert sind.
System nach Anspruch 1, wobei das einzelne BESS mit dem ersten Schaltschrank verbunden und von diesem getrennt werden kann, während der erste Schaltschrank die Ausgangsleistung für den zweiten und dritten Schaltschrank bereitstellt.
Modularisiertes Energiespeichersystem, aufweisend: einen ersten Schaltschrank, der konfiguriert ist, um als eine primäre Leistungs- und Lastausgleichsvorrichtung zu fungieren, wobei der erste Schaltschrank eine Leistungselektronik umfasst, die einen Gleichstrom-Wechselrichter, einen Transformator und einen Frequenzregler aufweist; einen Satz batteriebasierter Energiespeichersysteme - BESS -, die mit dem ersten Schaltschrank verbunden sind; einen zweiten Schaltschrank; einen dritten Schaltschrank; und Mittel zum Verbinden des ersten Schaltschrankes mit dem zweiten und dritten Schaltschrank und zum Ermöglichen, dass der erste Schaltschrank den zweiten und dritten Schaltschrank mit Energie versorgt; wobei der erste Schaltschrank den zweiten und dritten Schaltschränken mehrphasige Ausgangsspannungen bereitstellt; wobei die Leistungselektronik im ersten Schaltschrank auf isolierten Stromkreisen konfiguriert ist, die den Bedarf an Ausgleichsstrecken einer 3-phasigen Leistungsverteilung reduzieren, und wobei die Leistungselektronik Mittel zum Abschirmen der isolierten Stromkreise gegen elektrische Störungen beinhaltet; und wobei das einzelne BESS mit dem ersten Schaltschrank verbunden und von diesem getrennt werden kann, während der erste Schaltschrank die Ausgangsleistung für den zweiten und dritten Schaltschrank bereitstellt.