DE3612937C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft einen supraleitfähigen Energiespeicherkreis mit einer an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Stromrichteranordnung zur Bereithaltung eines Ausgangs-Gleichstroms und mit einer an die Stromrichteranordnung angeschlossenen, supraleitfähigen Energiespeicherspule sowie mit einem der Energiespeicherspule parallel geschalteten Kondensator. Eine solche Schaltung ist aus der Literaturstelle MASUDA M. und SHITOMI I.: "Superconducting magnetic energy storage" in CRYOGENICS, November 1977, Seite 607-612 bekannt.
In großen Kraftwerken, die mit Atomenergie oder auch mit konventioneller Energie betrieben werden, ist es einerseits wünschenswert, diese mit konstanter Last zu betreiben. Andererseits geht der Energiebedarf nachts erheblich zurück, so daß erhebliche Anstrengungen unternommen worden sind, hier einen Ausgleich zwischen Bereitstellung und Abruf von Leistung zu schaffen, wofür Energiespeichersysteme erforderlich sind. Als solche Energiespeicher sind auch supraleitfähige Energiespeichersysteme in Erwägung gezogen worden.
Aus der US-PS 41 22 512 ist bereits ein solches supraleitfähiges Energiespeichersystem bekannt, und Fig. 7 der vorliegenden Anmeldung zeigt die Schaltung dieses bekannten Systems. In dieser Schaltungsanordnung ist ein Anschluß für ein Wechselstromnetz 1 vorgesehen sowie eine dreiphasige Stromrichteranordnung 2 mit Thyristoren zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Weiterhin ist ein Kurzschlußschalter 3 zum Kurzschließen einer supraleitfähigen Energiespeicherspule 4 vorgesehen, ein Kühlsystem 5 für die supraleitfähige Energiespeicherspule 4, Umschaltinduktivitäten 21 für die Dreiphasen-Stromrichteranordnung, eine Thyristorbrückenschaltung 22 für die Stromrichteranordnung 2 und eine Phasensteuerschaltung 23 für die Steuerung des Energieflusses durch die Dreiphasen-Stromrichteranordnung 2.
Die Funktion der Schaltungsanordnung nach Fig. 7 wird nachfolgend beschrieben. Die an das Wechselstromnetz 1 angeschlossene Dreiphasen-Stromrichteranordnung 2 wird in zwei Richtungen betrieben. Die Phasensteuerschaltung 23 steuert den Energiefluß zwischen dem Wechselstromnetz 1 und der supraleitfähigen Energiespeicherspule 4 durch Einstellen der Phasendifferenz zwischen der Wechselspannung des Wechselstromnetzes und dem Strom des Stromkreises.
Die Schaltungsanordnung liefert Energie von dem Wechselstromnetz an die supraleitfähige Energiespeicherspule 4, wenn der Strom gegenüber der Spannung des Wechselstromnetzes verzögert ist, während Energie in der entgegengesetzten Richtung fließt, wenn der Strom der Spannung voreilt. Wird der Leistungsfaktor auf Null eingestellt, so verbleibt die Energie in der supraleitfähigen Energiespeicherspule 4. Darüber hinaus ist es möglich, den durch die supraleitfähige Energiespeicherspule fließenden Strom von dem Wechselstromnetz abzutrennen, indem der Kurzschlußschalter 3 geöffnet bzw. geschlossen wird, wodurch die Thyristorbrückenschaltung 22 überbrückt wird.
Die supraleitfähige Energiespeicherspule 4 wird durch ein Kühlsystem 5 gekühlt. Die Umschaltinduktivität 21 ist für den Fall vorgesehen, daß die Thyristorbrückenschaltung 22 durch getrennte Erregung umschaltet.
Aufgrund des Aufbaus des supraleitfähigen Energiespeicherkreises muß der durch die Energiespeicherspule fließende Strom durch die Dreiphasen-Stromrichteranordnung und dann in das Dreiphasen-Wechselstromnetz fließen, so daß sowohl das Wechselstromnetz als auch der Thyristorstromrichter den Maximalwert des Stromes in der Energiespeicherspule verarbeiten können müssen. Aus diesem Grunde entspricht die Stromauslegung der Teile auf der Wechselstromseite des Energiespeicherkreises nicht der Nennleistung, und aufgrund der Bemessung nach der Strombelastung der Energiespeicherspule ergeben sich erhebliche Verluste, was den Einsatz dieser bekannten Schaltung zurückgedrängt hat.
Bei der Schaltung nach der anfangs angegebenen Literaturstelle CRYOGENICS, November 1977 ist der Energiespeicherspule zwar ein Kondensator parallel geschaltet, dieser wird beim Einspeichern von Energie in die Energiespeicherspule jedoch auf eine andere Spannungspolarität aufgeladen als beim Ausspeichern, so daß dieser Kondensator also bipolar ausgeführt sein muß. Darüber hinaus werden keine Angaben gemacht, welche Funktion dieser Kondensator hat und wie groß er bemessen sein muß.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen supraleitfähigen Energiespeicherkreis vorzuschlagen, bei dem nicht nur die Stromauslegung der Wechselstromseite entsprechend der Nennleistung verkleinert werden kann und die Betriebsverluste deutlich reduziert werden, sondern bei dem auch der der Energiespeicherspule parallel geschaltete Kondensator einfacher aufgebaut sein kann und kostengünstiger ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der Kondensator ein Gleichspannungs-Kondensator ist, der mittels einer Schalteranordnung derart an die Spule anschaltbar ist, daß
  • a) zum Einspeichern von Energie in die Energiespeicherspule der Einspeicherstrom sowohl vom Ausgang der Stromrichteranordnung als auch vom Gleichspannungskondensator durch die Schalteranordnung in die Energiespeicherspule fließt,
  • b) zum Halten der Energie der Strom in der Energiespeicherspule über die Schalteranordnung in der gleichen Richtung weiter zirkuliert, und
  • c) zum Ausspeichern von Energie der Ausspeicherstrom in der gleichen Richtung aus der Energiespeicherspule herausfließt und über die Schalteranordnung umgepolt den Gleichspannungskondensator auf eine Spannung gleicher Polarität auflädt.
Aus dem Buch WÜSTEHUBE Joachim u. a. "Schaltnetzteile", 1979, expert-verlag, 7031 Grafenau/Württ. Seite 35, 37 ist es an sich allgemein bekannt, zur Übertragung von Energie mittels Induktivitäten, diese an einer Gleichspannungsquelle in Halbbrücken- oder Brücken-Gegentaktschaltung zu betreiben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Energiespeicherkreises gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2a-2d Prinzipschaltbilder zur Erläuterung des Stromflusses in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1;
Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer Stromrichteranordnung für den Energiespeicherkreis gemäß der Erfindung;
Fig. 4 einen Dreiphasen-Stromrichter für den Energiespeicherkreis gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine andere Ausführungsform eines reversiblen Zerhackerkreises für den Energiespeicherkreis gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines reversiblen Zerhackerkreises; und
Fig. 7 das Blockschaltbild eines bekannten, supraleitfähigen Energiespeicherkreises.
Die in Fig. 1 vorhandenen Komponenten, die denen der Fig. 7 gleich sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Eine supraleitfähige Energiespeicherspule 4 ist mit einem reversiblen Zerhackerkreis 10 verbunden, während die supraleitfähige Energiespeicherspule 4 durch ein Kühlsystem 5 gekühlt wird. Weiterhin sind ein Trenntransformator 6, ein Wechselstrom/Gleichstrom-Stromrichter 7, ein Gleichstrom/Wechselstrom-Stromrichter 8, ein an den Stromrichter 7 angeschlossener Gleichspannungskondensator 9, ein mit dem Gleichspannungskondensator 9 verbundener, reversibler Zerhackerkreis 10 und eine Steuerschaltung 11 vorgesehen.
Darüber hinaus sind ein Stromdetektor 12, ein Spulenstromsensor 13, ein Spannungsdetektor 14 für den Gleichspannungskondensator 9, eine Induktivität 15 zur Siebung, Dioden 16, Schaltelemente 17a, 17b für den umkehrbaren Zerhackerkreis 10 und eine Thyristorbrückenschaltung 22a, 22b, die den Wechselspannungs/Gleichspannungs-Stromrichter bildet, vorgesehen.
Nachfolgend soll die Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung nach Fig. 1 beschrieben werden, wobei auf die Fig. 2a bis 2d Bezug genommen wird. Die Schaltungsanordnung arbeitet in drei Betriebsarten. Einer ersten (Fig. 2a), in der der Energiespeicherspule Energie zugeführt wird, einer zweiten (Fig. 2c und 2d), in der die Energie in der Energiespeicherspule gespeichert bleibt, und einer dritten (Fig. 2b), in der Energie von der Energiespeicherspule abgegeben wird.
In der ersten Betriebsart bewirkt der reversible Zerhackerkreis 10 eine Entladung der in dem Gleichspannungskondensator 9 gespeicherten Spannung, wobei die Schaltelemente 17a und 17b geöffnet und geschlossen werden, so daß Energie in Richtung des Pfeiles in Fig. 2a zur supraleitfähigen Energiespeicherspule 4 fließt. Der Wechselspannungs/Gleichspannungs-Stromrichter 7 führt eine solche Steuerung aus, daß der mittlere Wert der Spannung am Kondensator höher als die Spannung in der supraleitfähigen Energiespeicherspule ist, diese entspricht dem Wert
und auf diese Weise wird dem Gleichspannungskondensator 9 entsprechende Energie vom Wechselstromnetz zugeführt.
Bei einer solchen Betriebsart befindet sich der Gleichspannungs/Wechselspannungs-Stromrichter 8 im Ruhezustand. Wenn die supraleitfähige Energiespeicherspule 4 über den reversiblen Zerhackerkreis 10 mit dem Gleichspannungskondensator 9 verbunden wird, so fließt ein Abzweigstrom durch den Gleichspannungskondensator 9 und den Wechselspannungs/Gleichspannungs-Stromrichter 7, so daß es für die reversible Dreiphasen-Stromrichteranordnung 2 unnötig ist, für den hohen Strom der Energiespeicherspule ausgelegt zu sein, d. h. also, daß diese Teile lediglich für die zu übertragende Nennleistung bemessen sein müssen.
In der zweiten Betriebsart (Fig. 2c und 2d) übernimmt der reversible Zerhackerkreis 10 eine Funktion, bei der ein Strom entsprechend dem Pfeil zirkuliert, wobei dieser geschlossene Zustand des Stromkreises durch abwechselnde Betätigung eines der Schaltelemente 17a und 17b erfolgt. Zur gleichen Zeit dient die reversible Dreiphasen-Stromrichteranordnung 2 dazu, die Spannung am Gleichspannungskondensator 9 in Übereinstimmung mit der nächsten Betriebsart aufrechtzuerhalten. In diesem Fall wird die reversible Dreiphasen-Stromrichteranordnung 2 von dem Strom der Energiespeicherspule abgekoppelt, was einen hohen Wirkungsgrad bedeutet, bei dem keinerlei Verluste durch in dem Stromrichteranordnung fließende Ströme auftreten können.
In dieser Betriebsart fleißt kein Strom durch den Wechselstromkreis, so daß der Wirkungsgrad des Energiespeicherkreises noch weiter verbessert wird, wenn dieser von der Wechselstromseite betrachtet wird.
In der dritten Betriebsart wird der reversible Zerhackerkreis 10 dazu benutzt, die in der supraleitfähigen Energiespeicherspule 4 gespeicherte Energie an den Gleichspannungskondensator 9 abzugeben, und die Spannung am Gleichspannungskondensator 9 wird durch den Betrieb des Gleichspannungs/Wechselspannungs-Stromrichters 8 auf den entsprechenden Wert geregelt.
Der Gleichspannungs/Wechselspannungs-Stromrichter 8 wandelt diese Energie in einen Wechselstrom um, um auf diese Weise die in der supraleitfähigen Energiespeicherspule 4 gespeicherte Energie über den Gleichspannungskondensator 9 in das Wechselstromnetz 1 einzuspeisen. Bei dieser Betriebsart befindet sich der Wechselspannungs/Gleichspannungs-Stromrichter 7 im Ruhezustand.
Wenn die supraleitfähige Energiespeicherspule 4 über den reversiblen Zerhackerkreis 10 mit dem Gleichspannungskondensator 9 verbunden wird (siehe Fig. 2b), fließt ein Abzweigstrom durch den Gleichspannungskondensator und die Stromrichteranordnung 2, so daß es unnötig ist, daß die Stromrichteranordnung 2 die gleiche Stromauslegung wie die Energiespeicherspule hat, so daß diese Teile also nur für die Nennleistung bemessen werden müssen, wie es bereits bei der Betriebsart 1 der Fall war. Die Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt eine Einstellung des Wechselstrom-Leistungsfaktors während des Betriebes der Dreiphasen-Stromrichteranordnung 2, indem die Spannung des Gleichspannungskondensators 9 in Übereinstimmung mit der Betriebsart und den Betriebsbedingungen gesteuert wird. Hierdurch ist es möglich, zusätzlich auch die Blindleistung einzustellen.
Anstelle einer Thyristorbrückenschaltung 22a und einer Gleichspannungsinduktivität 15a, wie sie für den Dreiphasen-Stromrichter 7 in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 benutzt werden, kann auch ein Zerhackerkreis in Booster-Bauart nach Fig. 3 benutzt werden. In diesem Zerhackerkreis 71 ist ein Anschluß der Gleichspannungsinduktivität 15a mit einem Ausgangsanschluß eines Wechselspannungs/Gleichspannungs-Stromrichters, d. h. einer Diodenbrücke 22a, verbunden, während der andere Anschluß mit dem Kollektor eines Transistors 72 und über eine Diode 73 mit dem Gleichspannungskondensator 9 verbunden ist. Der Transistor 72 wird durch externe Signale angesteuert, und sein Emitter ist mit den anderen Anschlüssen der Diodenbrücke 22a verbunden. Der Aufbau eines solchen Booster-Zerhackerkreises ist an sich bekannt.
Die Benutzung eines Spannungs-Wechselrichters 31 bekannter Bauart als Dreiphasen-Stromrichteranordnung 2 nach Fig. 4 ermöglicht als Doppelfunktion sowohl eine Umwandlung in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung. Auf diese Weise ist eine Steuerung der effektiven Leistung auf der Basis der Phasendifferenz zwischen der Wechselstromnetzspannung und der Wechselrichterspannung sowie eine Steuerung der Blindleistung durch die Impedanz des Trenntransformators 6 möglich.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Zerhackerkreises 101, die aus vier umkehrbaren Schaltelementen 51a, 51b, 51c und 51d besteht, die zusammen eine Brückenschaltung bilden. Diese Kombination ist als Austausch der Dioden 16a und 16b des reversiblen Zerhackerkreises 10 der Fig. 1 vorgesehen und erlaubt die Steuerung eines umkehrbaren Stromflusses in der einen oder anderen Richtung in der supraleitfähigen Energiespeicherspule 4, so daß auf diese Weise das in dieser erzeugte Magnetfeld ausgenutzt werden kann. Fig. 6 zeigt wiederum eine andere Ausführungsform eines Zerhackerkreises 102 für einen nicht-reversiblen Betrieb, bei dem nur eine Einspeicherung von Energie in die Energiespeicherspule 4 erfolgen kann, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Der Zerhackerkreis 102 enthält einen Transistor 103, der durch externe Signale gesteuert wird und dessen Kollektor mit einem Anschluß des Gleichspannungskondensators 9 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 103 ist mit einem Anschluß der Energiespeicherspule 4 verbunden, während eine Diode 104 zwischen die Anschlüsse der Energiespeicherspule 4 geschaltet ist, wobei die Kathode der Diode mit dem Emitter des Transistors 103 verbunden ist. Dieser Zerhackerkreis hat folgende Vorteile: Er kann mit weniger Teilen aufgebaut werden, erlaubt eine Energiespeicherung mit hohem Wirkungsgrad, und bei dieser Schaltung besteht weniger die Gefahr einer unerwünschten Energiefreigabe.
In allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ein Kurzschlußschalter parallel zu der supraleitfähigen Energiespeicherspule geschaltet werden, wie es bei der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 7 der Fall ist.
Gemäß der Erfindung ist also ein Gleichspannungskondensator und ein Zerhackerkreis zwischen der reversiblen Stromrichteranordnung und der supraleitfähigen Energiespeicherspule geschaltet, wodurch die Stromauslegung der Wechselstromseite nicht an den in der Energiespeicherspule fließenden Strom angepaßt sein muß, sondern lediglich an die durch die Schaltungsanordnung zu verarbeitende Nennleistung. Dies hat den Vorteil, daß nur klein dimensionierte Bauteile und eine einfache Verdrahtung benötigt werden, was zu einem einfacheren und preiswerteren Betrieb führt.

Claims (7)

1. Supraleitfähiger Energiespeicherkreis mit einer an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Stromrichteranordnung zur Bereitstellung eines Ausgangs-Gleichstromes und mit einer an die Stromrichteranordnung angeschlossenen, supraleitfähigen Energiespeicherspule sowie mit einem der Energiespeicherspule parallelgeschalteten Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator ein Gleichspannungskondensator (9) ist, der mittels einer Schalteranordnung (10, 101, 102) derart an die Spule anschaltbar ist, daß
  • a) zum Einspeichern von Energie in die Energiespeicherspule (4) der Einspeicherstrom sowohl vom Ausgang der Stromrichteranordnung (2) als auch vom Gleichspannungskondensator (9) durch die Schalteranordnung (10, 101, 102) in die Energiespeicherspule (4) fließt (Fig. 2a),
  • b) zum Halten der Energie der Strom in der Energiespeicherspule über die Schalteranordnung (10, 101, 102) in der gleichen Richtung weiter zirkuliert (Fig. 2c, 2d), und
  • c) zum Ausspeichern von Energie der Ausspeicherstrom in der gleichen Richtung aus der Energiespeicherspule (4) herausfließt und über die Schalteranordnung (10, 101, 102) umgepolt den Gleichspannungskondensator (9) auf die Spannung gleicher Polarität auflädt (Fig. 2b).
2. Supraleitfähiger Energiespeicherkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Stromrichteranordnung (2) als auch die Schalteranordnung (10, 101, 102) reversibel betreibbar ausgebildet sind.
3. Supraleitfähiger Energiespeicherkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gleichspannungskondensator (9) die Stromrichteranordnung (2) und/oder die Schalteranordnung (10, 101, 102) parallel geschaltet sind.
4. Supraleitfähiger Energiespeicherkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichteranordnung (2) aus einem Spannungsstromrichter besteht und daß die Energiespeisung und Energieentnahme gegenüber dem Wechselstromnetz (1) auf der Basis der Differenz zwischen der Spannungsphase des Stromrichters (2) und der Spannungsphase des Wechselstromnetzes (1) erfolgt.
5. Supraleitfähiger Energiespeicherkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter (2) Energie von der supraleitfähigen Energiespeicherspule (4) in das Wechselstromnetz (1) speist, wenn das Wechselstromnetz nicht mehr leistungsfähig ist.
6. Supraleitfähiger Energiespeicherkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgleichspannung der AC/DC-Stromrichteranordnung abhängig von der Phasendifferenz zwischen der Ausgangswechselspannung und dem Ausgangswechselstrom gesteuert wird, und daß die Spannung des Gleichspannungskondensators (9) abhängig von dem Betriebszustand veränderbar ist, um die Blindleistung des Wechselstromnetzes (1) zu steuern.
7. Supraleitfähiger Energiespeicherkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindleistung zwischen dem Wechselstromnetz und dem supraleitfähigen Energiespeicherkreis (4) gleichzeitig mit der Zufuhr- und Freigabesteuerung, abhängig von der Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Spannungsstromrichters und des Wechselstromnetzes gesteuert wird.
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