DE2546777A1 - Synchronous machine for peak load supply - is coupled to flywheel and is joined to power system by static converter - Google Patents
Synchronous machine for peak load supply - is coupled to flywheel and is joined to power system by static converterInfo
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Abstract
Description
"Energieversorgungsanlage mit Sc hwungradsp eic her"Energy supply system with flywheel storage
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher zur Abdeckung von zeitlich auftretenden Leistungsspitzen in Netzen, bestehend aus einer Synchronmaschine, die über einen Stromrichter an das zu versorgende Netz angeschlossen ist.The invention relates to an energy supply system with a flywheel storage device for covering power peaks that occur over time in networks, consisting of a synchronous machine that is connected to the grid to be supplied via a converter is.
Ein wesentliches Problem der Energieversorgung eines elektrischen Verbundnetzes ist die Abdeckung der zeitlich oft nur kurzen Leistungsspitzen. Für diese Zeiten ist eine beträchtliche Kraftwerkskapazität mit entsprechend schlechter Ausnutzung erforderlich.A major problem of the energy supply of an electrical The interconnected network is to cover the often short power peaks. For these times is a considerable power plant capacity with correspondingly worse Exploitation required.
Die Elaßnahmen der EVUS zielen darauf hin, eine möglichst gute Nivellierung des Leigtungspegels und damit einen hohen Ausnutzungsgrad der installierten Kraftwerksleistung zu erreichen. In diesem Zusammenhang sind auf Rundsteueranlagen für Wärmeverbraucher sowie auf Wasser- und Druckluft-Speicherwerke hinzuweisen. Durch die Tarifgestaltung nehmen die EVUS weiteren Einfluß auf den Spitzenleistungsbedarf von Großverbrauchern.The statements of the EVUS aim at the best possible leveling of the denial level and thus a high one Utilization of the installed To achieve power plant performance. In this context, ripple control systems are on for heat consumers as well as water and compressed air storage systems. With the tariff structure, the EVUS have further influence on the peak power demand of bulk consumers.
Eine weitere Speichermöglichkeit ist durch die Verwendung eines Schwungrades gegeben, das in Schwachlastzeiten auf große Drehzahlen aufgeladen wird. Der gespeicherte Energieinhalt wird dazu in Spitzenlastzeiten über geeignete Wandler in das Netz zurückgespeist bzw. entladen.Another storage option is through the use of a flywheel given, which is charged to high speeds in off-peak times. The saved For this purpose, the energy content is fed into the grid via suitable converters during peak load times fed back or discharged.
In dem Aufsatz "Energie speic herung " der Zeitschrift "Physik in unserer Zeit" 5. Jahrgang 1974, Heft Nr. 5, Seiten 131 und 132, werden verschiedene Möglichkeiten einer Energiespeicherung beschrieben. Insbesondere wird zu den modernen Schwungrädern ausgeführt, daß sie aus hochfesten Stählen, besonderen Legierungen sowie aus Fibermaterialien bestehenund in evakuierten Kammern untergebracht sind. Dementsprechend können sie auf hohe Umdrehungszahlen (12000 U/min) gebracht und die so gespeicherte Energie im Bedarfsfall an den Verbraucher abgeben.In the article "Energy storage" in the journal "Physik in our time "5th year 1974, issue No. 5, pages 131 and 132, will be different Possibilities of energy storage described. In particular, becomes the modern Flywheels run that they are made of high-strength steels, special alloys as well as made of fiber materials and housed in evacuated chambers. Accordingly, they can be brought up to high speeds (12000 rpm) and deliver the energy stored in this way to the consumer if necessary.
In diesem Aufsatz wird die besondere Anwendung der Schwungräder bei Omnibussen beschrieben.In this paper the special application of the flywheels is discussed Omnibuses described.
Weiterhin sind Schwungräder in Verbindung mit Notstromaggregaten bekannt, die während des Netzbetriebes auf eine vorbestimmte Drehzahl gebracht und bei einem plötzlichen Netzausfall unter Entladung der gespeicherten Energie die Stromversorgung des angeschlossenen Verbrauchers bis zur Betriebsbereitschaft des Notstromaggregates aufrechterhalten. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise die deutsche Patentschrift 446 285 genannt Mit Schwungrädern dieser Art und der zur Aufladung bzw. Entladung angewendeten Technik kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe nicht gelöst werden, die darin zu sehen ist, eine Energieversorgungsanlage zu schaffen, die geeignet ist, kruzzeitige Leistungsspitzen in Netzen mit einem verhältnismäßig kleinen technischen Aufwand abzudecken.Flywheels in connection with emergency power generators are also known, brought to a predetermined speed during mains operation and at a sudden power failure discharging the stored energy the power supply of the connected consumer until the emergency generator is ready for operation maintain. In this context for example, the German patent 446 285 called With flywheels of this type and the for Charging or discharging technology used can be that on which the invention is based Task cannot be solved, which can be seen in a power supply system to create that is suitable for sudden power peaks in networks with a to cover relatively small technical effort.
Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Schwungrad auf einer Welle mit dem Synchrongenerator und einem fremderre3ben Geichstrommotor als Anwurfmotor anzuordnen und eine Einrichtung im Gleichstromzwischenkreis vorzusehen, die wahlweise auf Speisung des Motors aus dem Netz oder auf Einspeisung in das Netz unter Entladung der Energie des Schwungrades umschaltet. Der wesentliche Vorteil der Energieversorgungsanlage nach der Erfindung besteht darin, daß das Schwungrad in Schwachlastzeiten auf große Drehzahlen aufgeladen wird und somit in Spitzenlastzeiten kurzfristig seine gespeicherte Energie über geeignete Wandler in das Netz zurückspeist. Wenn das Schwungrad mit einem Massen-Trägheitsmoment von 60 x 103kg/m versehen wird, sokann als obere maximale Drehzahl 4.000 U/min gewählt werden. Damit ergibt sich bei einer geforderten Energieentnahme von 1 P;IWh und einem verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad bei der Entladung von etwa 90 eine untere Drehzahl von ca. 2.000 U/min.To solve this problem, it is proposed according to the invention that Flywheel on a shaft with the synchronous generator and a third-party direct current motor to be arranged as a starting motor and a device to be provided in the direct current intermediate circuit, either to supply the motor from the mains or to feed it into the mains switches over while discharging the energy of the flywheel. The main advantage the power supply system according to the invention is that the flywheel is charged to high speeds in off-peak times and thus in peak-load times briefly feeds its stored energy back into the network via suitable converters. If the flywheel is provided with a mass moment of inertia of 60 x 103kg / m, 4,000 rpm can be selected as the upper maximum speed. This results in with a required energy consumption of 1 P; IWh and a relatively high one Efficiency at the discharge of about 90 a lower speed of about 2,000 rpm.
Für das Schwungradsystem ergeben sich folgende Betriebszustände: a) Hochfahren von n = 0 auf 2.000 min 1 Das Hochfahren des Schwungrades vom Stillstand auf die untere Betriebsdrehzahl von 2.000 min-l soll ohne Zusatzeinrichtungen möglich sein.The following operating states result for the flywheel system: a) Raising from n = 0 to 2,000 min 1 Raising the flywheel from a standstill The lower operating speed of 2,000 rpm should be possible without additional equipment be.
b) Laden von n = 2.000 auf 4.000 min Das Hochfahren des Schwungrades von seiner unteren Betriebsdrehzahl auf die obere Betriebsdrehzahl soll unter Berücksichtigung von Wirkungsgrad und Hochfahrzeiten mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand erfolgen.b) Loading from n = 2,000 to 4,000 min Raising the flywheel from its lower operating speed to the upper operating speed is to be taken into account efficiency and ramp-up times with an economically justifiable effort.
c) Entladen von n = 4.000 auf 2.000 min Beim Abfahren von der oberen Betriebsdrehzahl auf die untere Betriebsdrehzahl wird eine konstante Leistung von 1 MW in das Netz gespeist, dabei wird das System vom Netz geführt.c) Unloading from n = 4,000 to 2,000 min when leaving the upper one Operating speed to the lower operating speed is a constant power of 1 MW fed into the grid, while the system is run from the grid.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further developments of the invention are characterized in the subclaims.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt.In the drawing, exemplary embodiments according to the invention are shown.
Darin zeigt Figur 1 eine Anlage mit getrennter Lade- und Entlademaschine, Figur 2 eine Anlage mit kombinierter Lade- und Entlademaschine, Figur 3 den Signalflußplan einer Anlage nach Figur 1 und Figur 4 den Prinzipschaltplan einer Anlage nach Figur 2.FIG. 1 shows a system with separate loading and unloading machines, FIG. 2 shows a system with a combined loading and unloading machine; FIG. 3 shows the signal flow diagram a system according to FIG. 1 and FIG. 4 shows the basic circuit diagram of a system according to FIG 2.
Nach Figur 1 ist ein Generator 1 über einen statischen Gleichrichter 2, einen netzgeführten Stromrichter 6 und. einen Transformator 8 mit einem nicht dargestellten Mittelspannungsnetz verbunden. Der Antrieb des Schwungrades 9 erfolgt über eine Gleichstrommaschine 12, die über den Stromrichter 6 des Wandlers gespeist wird.According to Figure 1 is a generator 1 via a static rectifier 2, a line-commutated converter 6 and. a transformer 8 with a no shown medium voltage network. The flywheel 9 is driven Via a direct current machine 12, which is fed via the converter 6 of the converter will.
In dem Anlagenkonzept nach Figur 2 werden Motor- und Generatorfunlction durch eine einzige Maschine 51 wahrgenommen. Während der Generator der Maschine 51 über den Gleichrichter 52, den Wechselrichter 53 und den Transformator 54 in das Mittelspannungsnet, 7 X 7espswist, wird zur Aufladung des Schwungrades 55 der Motorteil der Maschine 51 aus dem Netz über die jetzt als Gleichrichter und Wechselrichter arbeitenden Baugruppen des Stromrichters 53 und 52 auf die erforderliche Drehzahl gebracht.In the system concept according to FIG. 2, the motor and generator functions perceived by a single machine 51. While the generator of the machine 51 via the rectifier 52, the inverter 53 and the transformer 54 in the medium voltage network, 7 X 7espswist, is used to charge the flywheel 55 the motor part of the machine 51 from the network via the now as a rectifier and Inverter working modules of the converter 53 and 52 to the required Speed brought.
Nach Darstellung der allgemeinen Anlagenkonzepte soll jetzt anhand der Figur 3 die Anlage nach Figur 1 näher erläutert werden.After the presentation of the general system concepts should now be based on 3, the system according to FIG. 1 will be explained in more detail.
Der Energiewandler besteht aus dem Drehstrom-Synchrongenerator 1 mit dem nachgeschalteten, ungesteuerten Gleichrichter 2, der den Gleichstromzwischenkreis speist. In diesem sind der mechanische Umschalter 3 und der elektronische Schnellschalter 4 angeordnet, der im Kurzschlußfall den Schutzwiderstand 5. in den Gleichstromkreis schaltet. Der netzkonmiutierte Wechselrichter 6 verbindet den Gleichstromzwischenkreis mit dem frequenzstarren Netz 7.The energy converter consists of the three-phase synchronous generator 1 with the downstream, uncontrolled rectifier 2, which is the DC link feeds. In this are the mechanical changeover switch 3 and the electronic high-speed switch 4 arranged, in the event of a short circuit, the protective resistor 5. in the DC circuit switches. The network-connected inverter 6 connects the direct current intermediate circuit with the frequency-locked network 7.
Zur Anpassung der Ausgangsspannung des Wechselrichters an das Mittelspannungsnetz dient der Transformator 8. Dem Energiewandler sind die Elemente der Leistungsregelung, die auf die Erregerwicklung des Synchrongenerators wirken, und die zur Steuerung des netzseitigen Wechselrichters erforderlichen Funktionsblöcke zugeordnet. Die folgende Beschreibung bezieht sich zunächst auf die Komponenten cles Energiewandlers.To adapt the output voltage of the inverter to the medium-voltage network is used by the transformer 8. The energy converter is made up of the elements of power control, which act on the excitation winding of the synchronous generator, and those for the control of the grid-side inverter are assigned to the required function blocks. the The following description initially relates to the components of the energy converter.
Mit dem Schwungrad 9 der Speichereinheit ist der Synchrongenerator 1 gekuppelt. Elit dem Synchrongenerator bildet der Gleichrichter 2 eine:konstruktive Einheit. Zwischen den Ausgängen der Generatorwicklungen und. den drehstromseitigen Eingängen des sechspulsigen Brückengleichrichters 2 sind keine Halbleitersicherungen geschaltet.With the flywheel 9 of the storage unit is the synchronous generator 1 coupled. Elit the synchronous generator, the rectifier 2 forms a: constructive Unit. Between the outputs of the generator windings and. the three-phase The inputs of the six-pulse bridge rectifier 2 are not semiconductor fuses switched.
Jedoch sind in den Drehstromzuleitungen Wandler angeordnet, die zu einer Überwachungsschaltung für die Dioden des Brückengleichrichters zusammengefaßt sind. Derartige Synchrongeneratoren sind für Anlagen im Inselbetrieb bekannt.However, converters are arranged in the three-phase supply lines that lead to a monitoring circuit for the diodes of the bridge rectifier combined are. Such synchronous generators are known for systems in isolated operation.
Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß der Synchrongenerator ohne Dämpferwicklung ausgeführt ist und eine große Ständerstreuung aufweist. Das hat zur Folge, daß der Wert der transienten Reaktanz erheblich größer ist als bei Netzgeneratoren üblicher Bauart. Bei einer Synchronmaschine dieser Auslegung sind die wirksamen Reaktanzen im Vergleich zu denen der Belastungsreaktanzen groß. Die Maschine arbeitet infolgedessen als Stromgenerator. f)as bedeutet für den Gleichrichter, daß die einzelnen Dioden in jedem Brückenzweig über jeweils 1800 hinweg Strom führen. Wegen des hohen dynamischen Innenwiderstandes der Synchronmaschine kann der Gleichrichter ohne großen wirtschaftlichen aufwand so ausgelegt werden, 'aß er beim direkten Kurzschluß auf der Gleichstromseite nicht zerstört wird. Daher kann auf lilbleitersicherungen im Drehstromeingang des Gleichrichters verzichtet werden.It should be mentioned in this context that the synchronous generator without Damper winding is carried out and a large stator dispersion having. As a result, the value of the transient reactance is considerably greater than with mains generators of the usual design. With a synchronous machine of this design the effective reactances are large compared to those of the stress reactances. As a result, the machine works as an electricity generator. f) as means for the rectifier, that the individual diodes in each bridge branch carry current over 1800 each. Because of the high dynamic internal resistance of the synchronous machine, the rectifier can can be designed in such a way without great economic outlay, 'he ate in the event of a direct short circuit is not destroyed on the DC side. Therefore you can use solid conductor fuses can be dispensed with in the three-phase input of the rectifier.
Der Thyristor-Wechselrichter 6 verbindet den Gleichstrotnzwischenkreis mit der Unterspannungsseite des Transformators 8. Der Wechselrichter ist netzgeführt. Die Zündung der Thyristoren erfolgt synchron zu den Spannungen des vorhandenen Netzes.The thyristor inverter 6 connects the DC link with the low voltage side of transformer 8. The inverter is grid-led. The thyristors are fired synchronously with the voltages in the existing network.
Im Speisebetrieb wird er mit festem Steuerwinkel betrieben.In feed mode, it is operated with a fixed control angle.
Wenn die Blindleistung für den Wechselrichter ausschließlich aus dem }}ittelspannungsx.elz gedeckt wird, kann auf die Kommutierungsdrossel 10 verzichtet werden, da die Kurzschlußreaktanz des Transformators 8 ausreichend groß bemessen ist. Die Drossel 10 ist jedoch vorzusehen, wenn, wie später beschrieben wird, eine zusätzliche Blindleistungsmaschine zur Führung und Blindleistungsversorgung des Wechselrichters installiert wird.If the reactive power for the inverter comes exclusively from the }} ittelspannungsx.elz is covered, the commutation reactor 10 can be dispensed with be, as the short-circuit reactance of the transformer 8 dimensioned sufficiently large is. However, the throttle 10 is to be provided if, as will be described later, one additional reactive power machine for the management and reactive power supply of the Inverter is installed.
Der Umschalter 3 im Gleichstromzwischenkreis trennt die Gleichstromseite des Stromrichters 6 von dem AUSSaS.O es Al-ichrichters 2 ab und verbindet diese mit dem Anierkreis des Gleichstrom-Antriebsmotors 12. Dieser Schalter wird stets stromlos umgeschaltet. Hierfür kann ein zweipoliger Trennuirschalter mit Fernbetätigung vorgesehen sein.The changeover switch 3 in the DC link separates the DC side of the converter 6 from the AUSSaS.O es Al-ichrichters 2 and connects them with the adjustment circuit of the DC drive motor 12. This switch is always switched over without current. A two-pole isolating switch with remote control can be used for this be provided.
Als Kurzschlußschutz dient der Thyristorschnellschalter 4, der bei einem Kurzschluß auf der Netzseite des Wechselrichters den Schutzwiderstand 5 in rien 'ileichstrom-Zwiscllenkreis kommutiert.The thyristor high-speed switch 4 serves as short-circuit protection a short circuit on the grid side of the inverter, the protective resistor 5 in rien 'ileichstrom-intermediate circuit commutates.
Die l;urze Reaktionszeit des Thyristor-Sciineliscialters stellt sicher, daß die Halbleitersicherungen des Wechselrichters nicht abbrennen. Naci Aufhebung des lkurzscl-lusses wird der Schalter selbsttätig zurückgestellt, so daß rfie Anlage wieder den Betrieb fortsetzt.The short response time of the thyristor sciineliscialter ensures that the semiconductor fuses of the inverter do not blow. Naci repeal the switch is automatically reset so that the system resumes operation.
Die Regeleinrichtung des Synchrongenerators sorgt dafür, daf dieser während Her S,~zeisephase konstante Leistung abgibt. Die Regeleinrichtung enthält einen übergeordneten regler 13 für den Generatorstram und einen unterlagerten ziegler 14 für den Erregerstrom. Die unterlagerte Regelung verhindert Überlastungen im Polrad des Synchrongenerators und dient der Stabilität der Gesamtregelung. Soll- und Istwert des Erregerstromes werden im Eingang des Erregerstromregi er s 14 miteinander verglichen.The control device of the synchronous generator ensures that this while Her S, ~ zeisephase delivers constant power. The control device contains a higher-level controller 13 for the generator power and a subordinate brick 14 for the excitation current. The subordinate control prevents overloads in the pole wheel of the synchronous generator and is used for the stability of the overall control. Setpoint and actual value of the excitation current are compared with each other in the input of the excitation current regulator s 14.
Die Regelabweichung wird verstärkt und als Steuersignal für das Zündgerät 15 verwendet. Mit Hilfe des Zündgerätes werden die netzsynchronen Zündimpulse für die Thyristoren des Erreger-.The control deviation is amplified and used as a control signal for the ignition device 15 used. With the help of the ignition device, the network-synchronous ignition pulses for the thyristors of the exciter.
kreisstromrichters 16 erzeugt und entsprechend den Erfordernissen der übergeordneten Regelung verstellt. Der Istwert des Erregerstromes wird auf der Drehstromseite der Thyristorbrücke 16 mit Hilfe von Wechselstromwandlern 17 gemessen. Zur Anpassung des Istwertes an das Signalniveau der Regelung dient die Istwerterfassung, die die Gleichrichtung 18 und die Glättungsstufe 19 enthält. Innerhalb des Linearbereiches der Regelung ist der Sollwert der Erregerstromregelung proportional der Regelabweichung der übergeordneten Generatorstromregelung. Die Sallwertbegrenzung 20 begrenzt das Ausgangssignal des Generatorstromreglers auf den Maximalwert des Erregerstromsollwertes, der für die Polradwicklung zulässig ist.circular converter 16 generated and according to the requirements adjusted to the higher-level regulation. The actual value of the excitation current is displayed on the Three-phase side of the thyristor bridge 16 measured with the aid of AC converters 17. The actual value acquisition is used to adapt the actual value to the signal level of the control system, which contains the rectification 18 and the smoothing stage 19. Within the linear range the control, the target value of the excitation current control is proportional to the control deviation the higher-level generator current control. The salary limit 20 limits that Output signal of the generator current regulator to the maximum value of the excitation current setpoint, which is permissible for the rotor winding.
Der übergeordnete Regler für den Generatorstrom ist in Figur 1 mit 13 bezeichnet. Ein Krämerwandler 21 im Gleichstromzwischenkreis dient zur Erfassung des Generatorstromes. Das Ausgangssignal wird mit Hilfe der Gleichrichtung 22 und einer Glättungsstufe 23 zu dem Istwertsignal der Stromregelung umgeformt. Dieses Signal wird im Eingang des Stromreglers 13 mit dem Sollwert des Generatorstromes verglichen, der als Festwert von dem Sollwertgeber 24 vorgegeben wird.The higher-level controller for the generator current is shown in FIG 13 designated. A Krämer converter 21 in the direct current intermediate circuit is used for detection of the generator current. The output signal is with the help of the rectifier 22 and a smoothing stage 23 to form the actual value signal of the current control. This The signal is in the input of the current regulator 13 with the nominal value of the generator current compared, which is specified as a fixed value by the setpoint generator 24.
Bei der Abschaltung des Generators wird der Sollwert eingang des Stromreglers mit Hilfe eines Umschalters 25 auf Null gelegt.When the generator is switched off, the setpoint value is input to the current controller set to zero with the aid of a switch 25.
Die Folge ist, daß der Generator entregt wird und dadurch der Strom im Yischenkreis zu Null wird.The result is that the generator is de-energized and thereby the current becomes zero in the Yischen circle.
Die Steuerung des netzgeführten Wechselrichters 6 erfolgt synchron zu dem Drehspannungssystem des vorhandenen Netzes. Zur Erzeugung und Verstellung der Zündimpulse dient ein Steuergerät 26. Die für die netzsynchrone Erzeugung der Zündimpulse benötigte Synchronisierspannung wird auf der Unterspannungsseite des Transformators 8 abgegriffen und dem Zündgerät 26 über einen Phasenschwenktransformator 27 zugeführt. Während des Speisebetriebes wird der Wechselrichter mit konstantem Steuerwinkel betrieben. Das bedeutet, daß die Span:iung im Zwischenkreis auf einen Konstantwert eingestellt wird. Ein Umschalter 28 verbindet den Eingang des Steuergerätes 26 während des Speisebetriebes mit einen Steuerwinkelgeber 29.The line-commutated inverter 6 is controlled synchronously to the three-phase voltage system of the existing network. For generation and adjustment A control unit 26 is used for the ignition pulses The synchronization voltage required for ignition pulses is on the low-voltage side of the Transformer 8 tapped and the igniter 26 via a phase swivel transformer 27 supplied. During the feed operation, the inverter runs at a constant Steering angle operated. This means that the voltage in the intermediate circuit is reduced to one Constant value is set. A changeover switch 28 connects the input of the control unit 26 during the feed operation with a control angle encoder 29.
Die Antriebseinheit für den Schwungradspeicher besteht aus einem Gleichstrommotor 12 und einer Regeleinrichtung, die den Schwungradspeicher während der zwischen den Speisephasen liegenden Ladezeiten wieder auf die Enddrehzahl beschleunigt.The drive unit for the flywheel accumulator consists of a direct current motor 12 and a control device that controls the flywheel accumulator during the between Charging times during the feeding phases are accelerated back to the final speed.
Der Schwungradspeicher wird während der Aufladezeit von dem fremderregten Gleichstrommotor 12 angetrieben, der mit dem Synchrongenerator 1 gekuppelt ist. Da die Ladezeit groß im Vergleich zu dem Zeitraum des Speisebetriebes ist, kann die Typenleistung des Gleichstrommotors gegenüber der Typenleistung des Synchrongenerators erheblich verringert werden.The flywheel accumulator is externally excited during the charging time DC motor 12 driven, which is coupled to the synchronous generator 1. Since the charging time is long compared to the duration of the feed operation, the type output of the DC motor compared to the type output of the synchronous generator can be reduced significantly.
Bei einer Ladezeit von 15 Stunden hat der Gleichstrommotor eine Typenleistung von etwa 100 kW. Der Ankerkreis des Anw triebsmotors wird im Ladebetrieb mit Hilfe des Stromrichters 6 iiber den Transformator 8 aus dem Mittelspannungsnetz versorgt.With a charging time of 15 hours, the DC motor has a type output of about 100 kW. The armature circuit of the drive motor is in the charging mode with the help of the converter 6 is supplied via the transformer 8 from the medium-voltage network.
Hierfür wird die Gleichstromseite des Stromrichters 6 durch den Umschalter 3 mit den Ankerklemmen des Gleichstrommotors verbunden. Fenner wird in diesem Fall der Steuereingang des Zündgerätes 26 von dem Steuerwinkel geb er 29 abgetrennt und durch den Umschalter 28 auf den Ausgang der Regel einrichtung des Antriebes umgeschaltet. Bei Ladebetrieb arbeitet der Stromrichter 6 überwiegend als Gleichrichter. Die nicht dargestellte Erregerstronwicklung des Antriebsmotors wird aus einem ungesteuerten Diodengleichrichter versorgt.For this purpose, the direct current side of the converter 6 is switched by the changeover switch 3 connected to the armature terminals of the DC motor. Fenner will in this case the control input of the igniter 26 from the control angle he 29 separated and switched by the switch 28 to the output of the control device of the drive. During charging, the converter 6 works predominantly as a rectifier. They don't The exciter current winding shown in the drive motor is made from an uncontrolled Diode rectifier supplied.
Die Regeleinrichtung des Antriebsmotors besteht aus einer Drehzahlregelung, der die Regelung des Ankerstromes unterlagert ist.The control device of the drive motor consists of a speed control, which is subordinate to the regulation of the armature current.
Der übergeordnete Drehzahlregler 30 ist zusammen mit seiner Übergangsfunktion dargestellt. Zur Vorgabe des Drehzahlwollwertes dient der Sollwertgeber 31, dessen Justagewert dem Endwert der Schwungraddrehzahl entspricht. Der Istwert der Motordrehzahl wird mit einem Tachogenerator 32 gemessen und im Block 33 auf das Signalniveau der Regelung normiert. Das Ausgangssignal der nachgeschalteten Glättungsstufe 34 ist der Istwert der Drehzahlregelung, der im Eingang des Reglers 30 mit dem Sollwert vergleichen wird.The superordinate speed controller 30 is together with its transition function shown. The setpoint generator 31, whose Adjustment value corresponds to the final value of the flywheel speed. The actual value of the motor speed is measured with a tachometer generator 32 and in block 33 to the signal level of the Regulation standardized. The output signal of the downstream smoothing stage 34 is the actual value of the speed control, which is in the input of the controller 30 with the setpoint will compare.
Die aus dem Vergleich zwischen Sollwert und Istwert der Drehzahl resultierende Regel abweichung wird als Sollwert für die Ankerstromregelung herangezogen. Die verstärkte Drehzahlabweichung wird einer Sollwertbegrenzung 35 als Eingangssignal zugeführt.The one resulting from the comparison between the setpoint and the actual value of the speed Control deviation is used as the setpoint for the armature current control. the Increased speed deviation is a setpoint limit 35 as an input signal fed.
Mit Hilfe dieses Begrenzungsbausteines wird der Sollwert des Audçerstromes selbsttätig auf den jeweils zulässigen Maximalwert begrenzt. Hierbei sind zwei verschiedene Stromgrenzen vorgesehen: 1. Beim Anfahren des Schwungrades aus dem Stillstand wird die obere Sollwertgrenze für eine begrenzte Zeit auf einen dem zweifachen Nennstrom entsprechenden Wert heraufgesetzt.With the help of this limitation module, the target value of the Audçer current is set automatically limited to the maximum permissible value. There are two different ones Current limits provided: 1. When starting the flywheel from a standstill the upper setpoint limit for a limited time to twice the nominal current corresponding value increased.
2. Nach Ablauf einer Zeit, die durch einen Zeitgeber 36 fest vorgegeben ist, wechselt eine Kippstufe 37 ihren Ausgangszustand und veranlaßt dadurch, daß die Begrenzung des Ankerstromsollwertes vom zweifachen auf den einfachen Nenner t zurückgeschaltet wird.2. After a time that is fixed by a timer 36 has elapsed is, a flip-flop 37 changes its initial state and thereby causes that the limitation of the armature current setpoint from the double to the single denominator t is switched back.
Im Ladebetrieb ist der auf der Gleichstromseite des Stromrichters 6 fließende Gleichstrom erheblich kleiner als im Speisebetrieb.The one on the DC side of the converter is in charging mode 6 flowing direct current is considerably smaller than in feed mode.
Daher ist eine zweite Stromerfassung vorgesehen, mit der der Istwert des Ankerstromes mit Hilfe eines Wandlers 38 auf der Drehstromseite des Stromrichters 6 gemessen und in einer Gleichrichtung 39 und einer Glättungsstufe 40 zum Istwertsignal der Ankerstromregelung weiterverarbeitet wird.A second current measurement is therefore provided with which the actual value of the armature current with the help of a converter 38 on the three-phase side of the converter 6 measured and in a rectification 39 and a smoothing stage 40 to the actual value signal the armature current control is processed further.
Der Stromregler 41 bildet aus dem Vergleich zwischen dem Sollwert und dem Istwert die Regelabweichung, die die Impulseinheit 26 des Stromrichters 6 steuert. Wie bereits ausgeführt, ist im Ladebetrieb der Ausgang des Ankerstromle$1ers 41 über den Umschalter 28 mit dem Eingang der Impulseinheit 26 verbunden.The current regulator 41 forms from the comparison between the setpoint value and the actual value is the control deviation that the pulse unit 26 of the converter 6 controls. As already stated, the output of the armature current is $ 1 in charging mode 41 is connected to the input of the pulse unit 26 via the changeover switch 28.
Hiermit ist sichergestellt, daß der Antriebsmotor während der Ladezeit das Schwungrad niit konstantem Ankerstrom und daher mit konstantem Drehmoment entsprechend dem Nennwert beschleunigt.This ensures that the drive motor during the charging time the flywheel with constant armature current and therefore with constant torque accordingly accelerated to face value.
Ist die Enddrehzahl erreicht, so wird der Ankerstrorn selbsttë.tig auf einen kleineren Wert reduziert, der durch die Verluste der Speichereinheit im stationären Lauf bei Enddrehzahl festgelegt ist. Der Drehzahlregler hält anschließend die Drehzahl des Schwungrades konstant auf dem Endwert. Zu Beginn der Speisephase wird der Stromrichter 6 in die Wechselrichterendlage gesteuert. Als Folge davon geht der Strom im Anh-erkreis auf den Wert Null. Danach wird der Gleichstromzwischenkreis mit Hilfe des Umschalters 3 geschlossen und die Erregung des Antriebsmotors abgeschaltet.Once the final speed has been reached, the armature current becomes automatic reduced to a smaller value, which is due to the losses of the storage unit in the stationary run at maximum speed is set. The speed controller then stops the speed of the flywheel constant at the final value. At the beginning of the meal phase the converter 6 is controlled in the inverter end position. As a consequence of this the current in the trailer circuit goes to the value zero. Then the DC link closed with the help of the switch 3 and the excitation of the drive motor switched off.
Die Enddrehzahl der Speichereinheit liegt wegen der geforderten Rohe der im Schwungrad gespeicherten Energie (i >iwh) sehr hoch.The final speed of the storage unit is due to the required raw material the energy stored in the flywheel (i> iwh) is very high.
Daher müssen Überdrehzahlen auf jeden Fall vermieden werden.Therefore, overspeed must be avoided in any case.
Eine Drehzahlüberwachung schaltet deshalb die Einspeisungen der Notorwicklungen unverzüglich ab, wenn der Drehzahlistwert einen definierten Grenzwert überschreitet. Die Drehzahlüberschreitung wird mit Hilfe einer Kippstufe 42 erfaßt, die die Abschaltung der Überdrehzahl veranlaßt.A speed monitoring therefore switches the feeds of the notor windings immediately when the actual speed value exceeds a defined limit value. The overspeed is detected with the help of a flip-flop 42, which switches off caused by overspeed.
Die überwachungseinrichtung benötigt das Istwertsignal der Drehzahl. Fällt dieses durch einen Fehler in der Erfassung oder in der Istwertanpassung aus, so ist die Drehzhal der Speichereinheit nicht mehr überwacht. Aus diesem Grunde muß auch das Drehzahlistwertsignal überwacht werden. Da zwischen der Drehzahl und der Ankerspannung des Antriebsmotors bei konstanter Erregung ein proportionaler Zusammenhang besteht, kann das Ankerspannungssignal zur Überwachung des Drehzahlsignals herangezogen werden.The monitoring device requires the actual value signal for the speed. If this fails due to an error in the acquisition or in the actual value adjustment, the speed of rotation of the storage unit is no longer monitored. For this reason the actual speed value signal must also be monitored. Since between the speed and the armature voltage of the drive motor with constant excitation a proportional If there is a connection, the armature voltage signal can be used to monitor the speed signal can be used.
Das mit Hilfe eines Trennverstärkers im Gleichstromausgang des Stromrichters 6 gemessene Spannungssignal 43 wird angepaßt und geglättet in den Blöcken 44 und 45. Bei gleicher Normierung und gleicher Bewertung des Spannungs- und des Drehzahlsignales hat das Ausgangssignal der Differenzstufe 46 den Wert Null, wenn beide Signale vorhanden sind. Fällt das Drehzahlsignal jedoch aus, so veranlaßt eine Kippstufe 47, die von dem Ausgangssignal der Differenzstufe 46 angesteuert wird, die Abschaltung des Antriebes.This with the help of an isolation amplifier in the DC output of the converter 6 measured voltage signal 43 is adapted and smoothed in blocks 44 and 45. With the same normalization and the same evaluation of the voltage and speed signals the output signal of the differential stage 46 has the value zero when both signals are present are. If the speed signal fails, however, a trigger 47 causes the from the output signal of the differential stage 46 is controlled, the shutdown of the drive.
Sowohl die für die Kommutierung des Wechselrichters 6 benötigte Blindleistung, als auch die der Wirkleistung des Schwungradspeichers zugeordnete Blindleistung kann entweder aus dem Mittelspannungsnetz bezogen oder durch zusätzliche komponenten bereitgestellt werden.Both the reactive power required for commutation of the inverter 6, as well as the reactive power assigned to the active power of the flywheel storage system can either be obtained from the medium-voltage network or through additional components to be provided.
Gemäß Figur 3 ist der Stromrichter 6 drehstromseitig mit einer Synchronmaschine 1@ zusammengeschaltet, die als Blindleistungsmaschine ausgelegt ist und mit einem Asynchrolunotor 48 hochgefahren werden kann. Die Blindleistungsmaschine ist so ausgelegt, daß sie den Blindleistungsanteil, der zur Wirkleistungsabgabe des Schwungradspeichers gehört und die für den Wechselrichter benötigte Kommutierungsblindleistung liefern kann.According to FIG. 3, the converter 6 is on the three-phase side with a synchronous machine 1 @ interconnected, which is designed as a reactive power machine and with a Asynchrolunotor 48 can be started. The reactive power machine is designed so that they have the reactive power component, which is responsible for the real power output of the flywheel accumulator and supply the reactive power required for the inverter can.
Es ist bekannt, daß ein Wechselrichter eine Stromquelle ist, die dem angeschlossenen Netz Oberwellenströme aufprägt. Diese haben Spannungsabfälle an den beteiligten Reaktanzen zur Folge, die den Klirrfaktor der Spannung auf der Drehstromseite beeinflussen.It is known that an inverter is a power source that the connected network impresses harmonic currents. These have voltage drops the reactances involved, which reduce the harmonic distortion of the voltage on the three-phase side influence.
Wegen der verwendeten sechs-pulsigen Stromrichterschaltung dominieren die fünfte und die siebte Harmonische. Mit Hilfe eines Siebkreises 50 kann ein Teil der Oberwellenspannungen kurzgeschlossen werden. Die Resonanzfrequenz wird erfindungsgemäß zwischen zie frequenzen der fünften und der siebten IIarmonischen gelegt. Wenn der Siebkreis und die Blindleistungsmaschine vorgesehen werden, kann der Siebkreiskondensator größer ausgelegt werden, so daß etwa 20% zer Typenleistung des Synchrongenerators mit diesem Kondensator aufgebracht wird.Dominate because of the six-pulse converter circuit used the fifth and seventh harmonics. With the help of a sieve circle 50, a part the harmonic voltages short-circuited will. The resonance frequency is according to the invention between ze frequencies of the fifth and seventh harmonics placed. If the filter circuit and the reactive power machine are provided, can the filter circuit capacitor can be designed larger, so that about 20% zer type power of the synchronous generator is applied with this capacitor.
In Figur 4 ist eine Variante des oben beschriebenen Antriebssystems dargestellt, das eine kombinierte Lade- und Entlademaschine aufweist. An die Stromrichter-Synchronmaschine 51 ist ein Polrad-Stellungsgeber 52 angekuppelt. Ein netzgeführter Stromrichter 53 prägt dem Gleichstromzwischenkreis einen Gleichstrom ein und gibt damit die dem Netz entnommene Wirkleistung an den Gleichstrom-Zwischenkreis ab. Der maschinenkommutierte Stromrichter 55 arbeitet im Notorbetrieb der Synchronmaschine als Wechselrichter. Mit seiner Hilfe werden Anschnitte aus dem Gleichstrom im Zwischenkreis im zyklischen Wechsel auf die Drehstromwicklungen der Synchronmaschine geschaltet. Die Höhe der vom Wechselrichter'gelieferten Gegengleichspannung ist bei konstanter Erregung der Maschinendrehzahl proportional. Eine Glättungsdrossel 54 im Gleichstrom-Zwischenkreis nimmt die unterschiedlichen Momentanwerte der von Netz- und Maschinenstromrichter abgegebenen Gleichspannungen auf. Zur Erregung der Synchronmaschine 51 dient eine Erregereinrichtung, die einen Erregerstromrichter 56, Schleifringe und Bürsten 57 sowie die Erregerwicklung 58 aufweist.In Figure 4 is a variant of the drive system described above shown, which has a combined loading and unloading machine. To the converter synchronous machine 51 a pole wheel position transmitter 52 is coupled. A line-commutated converter 53 impresses a direct current on the direct current intermediate circuit and thus gives the The active power drawn from the network is transferred to the DC link. The machine commutated Power converter 55 works as an inverter in the emergency mode of the synchronous machine. With its help, cuts are made from the direct current in the intermediate circuit in the cyclical Changeover switched to the three-phase windings of the synchronous machine. The high of The reverse DC voltage supplied by the inverter with constant excitation is the Machine speed proportional. A smoothing choke 54 in the direct current intermediate circuit takes the different instantaneous values of the line and machine converters delivered DC voltages. To excite the synchronous machine 51 is used Excitation device comprising an excitation converter 56, slip rings and brushes 57 as well as the excitation winding 58.
Der mit der Welle gekuppelte Polrad-Stellungsgeber 52 mißt die Lage des Polrades. über ein Verknüpfungsglied 59 wird ausgewählt, welche Thyristoren des Maschinenstromrichters von dem Steuersatz 60, 61 gezündet werden müssen, um ein Drehmoment in der gewünschten Richtung aufzubauen. Die vom Polrad-St ellungsgeb er abgegebenen Signale werden gleichzeitig zur Drehzahl-Istwerterfassung benutzt. Diese Signale werden in einem Digital-Analog-Umsetzer 62 in einen analogen Drehzahl-Istwert umgewandelt. Einem Drehzahlregler 63 ist ein Stromregler 65 unterlagert, auf dessen Eingang Soll- und Istwert des Zwischenkreisstromes verglichen werden. Das Ausgangssignal des Reglers 65 beeinflußt über ein Impulsgerät 66 die Ansteuerung der Thyristoren des netzseitigen Stromrichters.The pole wheel position transmitter 52 coupled to the shaft measures the position of the pole wheel. A logic element 59 is used to select which thyristors of the machine converter must be ignited by the control set 60, 61 in order to a torque to build in the desired direction. The ones from The signals emitted by the pole wheel position encoder are simultaneously used to record the actual speed value used. These signals are converted to analog in a digital-to-analog converter 62 Actual speed value converted. A speed controller 63 is subordinated to a current controller 65, on whose input the setpoint and actual value of the intermediate circuit current are compared. The output signal of the controller 65 influences the control via a pulse device 66 the thyristors of the line-side converter.
Um eine Reihenschlußcharakteristik des Antrieb es zu erreichen, kann die Führungsgröße für den Erregerstrom mit Hilfe eines Funktionsbildners 67, abhängig vom Motorstrom, beeinflußt werden.In order to achieve a series connection characteristic of the drive it can the reference variable for the excitation current with the help of a function generator 67, depending can be influenced by the motor current.
Bei der Drehzahl Null und bei sehr niedrigen Drehzahlen, wenn die Synchronmagchine noch keine ausreichend große Klemmenspannung abgeben kann, wird die Kommutierung des Naschinenstromrichters durch den eingriff der Anfahrautomatik 68 in die Steuerung des Netzstromsrichters erreicht. Der Netzstromric;1ter wird kurzzeitig in den Wechseirichterbetieb gesteuert, der Strom im Gleichrichter-2wischenkrtis und damit in den Thyristoren des Maschinenstromrichters wird zu Null und nach einer Pausenzeit von etwa 7 ms wird der Netzstromrichter wieder in den Gleichrichterbetrieb gesteuert und die nächstfolgenden Thyristoren des Maschinenstrom-Sichters werden gezündet.At zero speed and at very low speeds when the Synchronous machine cannot deliver a sufficiently high terminal voltage yet the commutation of the machine converter through the intervention of the automatic start-up 68 reached in the control of the line converter. The Netzstromric; 1st is briefly controlled in the inverter operation, the current in the rectifier-2wischenkrtis and thus in the thyristors of the machine converter becomes zero and after one The mains converter returns to rectifier mode with a pause time of around 7 ms controlled and the next thyristors of the machine current sifter are ignited.
pie e Stromrichtep-Synchronmaschine hat - wie ein üblicher Netzgenerator - eine Dämpferwicklung und ist im vorliegenden Anwendungsfalle bürstenbehaftet ausgeführt. Mit der Synchronmaschine ist ein Polradwinkelgeber starr gekuppelt, der die Zündung des Naschinenstromrichters steuert. Der Polradwinkelgeber wird an der Nichtantriebsseite der Maschine auf das freie Wellenende aufgesetzt und einjustiert.pie e Stromrichtep synchronous machine - like a normal mains generator - A damper winding and is designed with brushes in the present application. A magnet wheel angle encoder is rigidly coupled to the synchronous machine, which controls the ignition of the machine converter controls. The rotor angle encoder is on the The non-drive side of the machine is placed on the free shaft end and adjusted.
Der Betrieb der Gesamtanlage wird durch folgende Steuerungsbefehle bestimmt und läuft nach Eingabe mit den angegebenen Werten automatisch und geregelt ab.The operation of the entire system is controlled by the following control commands determined and runs automatically and regulated after input with the specified values away.
a) Befehl 1,Hochfahren": Das Schwungrad wird bis auf eine maximale Drehzahl von 4.000 min beschleunigt und auf dieser Drehzahl in stand-by gehalten.a) Command 1, Run up ": The flywheel is up to a maximum Speed of 4,000 min accelerated and held at this speed in stand-by.
b) Befehl tlEinspeisung ins Netz": Es wird eine Leistung von 1 MW ins Netz gespeist bis die untere Drehzahl von 2.000 min 1 erreicht ist, danach schaltet die Anlage ab und das Schwungrad läuft ohne Antrieb im Leerlauf.b) Command "feed into the grid": The output is 1 MW fed into the network until the lower speed of 2,000 rpm is reached, then switches the system turns off and the flywheel idles without a drive.
c) Befehl "Abfahren auf Stillstand": Es wird bis zur Drehzahl von 2.000 min eine Leistung von 1 M ins Netz gespeist. Ab 2.000 min 1 verringert sich die Leistung mit der Abnahme der Drehzahl kontinuierlich bis zum Stillstand.c) Command "Move to standstill": It is up to the speed of 2,000 min a power of 1 M fed into the network. From 2,000 rpm it is reduced the power with the decrease of the speed continuously up to a standstill.
d) Befehl "Leerlauf": Der Umrichter wird abgeschaltet, das Schwungrad läuft mit seiner entsprechenden Drehzahl ohne Antrieb.d) "Idle" command: The converter is switched off, the flywheel runs at its corresponding speed without a drive.
Bei Störungen während des Betriebes wird automatisch auf Leerlauf geschaltet und es erfolgt eine Störmeldung. Das Erreichen eines vorgewählten Endzustandes und die Drehzahl des Schwungrades werden optisch angezeigt.In the event of malfunctions during operation, the system automatically switches to idle switched and an error message is issued. The achievement of a preselected final state and the speed of the flywheel are displayed optically.
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19752546777 DE2546777A1 (en) | 1975-10-18 | 1975-10-18 | Synchronous machine for peak load supply - is coupled to flywheel and is joined to power system by static converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19752546777 DE2546777A1 (en) | 1975-10-18 | 1975-10-18 | Synchronous machine for peak load supply - is coupled to flywheel and is joined to power system by static converter |
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| DE2546777A1 true DE2546777A1 (en) | 1977-04-21 |
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ID=5959493
Family Applications (1)
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| DE19752546777 Pending DE2546777A1 (en) | 1975-10-18 | 1975-10-18 | Synchronous machine for peak load supply - is coupled to flywheel and is joined to power system by static converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE2546777A1 (en) |
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-
1975
- 1975-10-18 DE DE19752546777 patent/DE2546777A1/en active Pending
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