DE4010343A1 - Schaltungsanordnung fuer die verbindungsleitung zwischen einer batteriespeicheranlage und einem gleichstromnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Energie­ management in mit Batteriespeicheranlagen gekoppelten Gleichstromnetzen. Unter Energiemenagement versteht man beispielsweise die Spitzenlastminderung in einem Gleich­ stromnetz oder auch die Energierückführung der Nutz­ energie eines dazu entsprechend ausgerüsteten Verbrauchers an das Netz. Derartige Anordnungen sind aus der Publi­ kation "1 MWh -Battery -Storage in short-distance Traffic-net" von B. Voigt et al (Beitrag zur Second International Conference on Batteries for Utility Energie Storage, Book of Abstracts, July 1989, Newport Beach, California) und der Publikation "Einsatz von Batteriespeicheranlagen in Gleichstrom-Nahverkehrsbahnen" von K.G. Krämer und T. Mierke (Beitrag zum Zweiten Expertengespräch im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens "Energiebedarfsoptimierung bei Gleichstrom-Nahverkehrs­ bahnen" Berlin 16. Mai 1988) vorbekannt. Die Schaltungs­ anordnung besteht dort in einfachster Weise darin, daß eine Batteriespeicheranlage direkt mittels eines Ein/Aus- Schalters an das Gleichstromnetz, in diesem Fall ein U-Bahnnetz, angeschlossen ist. Die Batteriespeicher­ anlagen sorgen dafür, daß bei Spitzenlastanforderungen, z. B. beim Anfahren einer U-Bahn, ein Teil der Last aus der Batterie entnommen und so eine Verminderung der Last­ spitze erreicht wird. Moderne U-Bahnen sind in der Lage ihre Bremsenergie als Nutzenergie in das Gleichstromnetz zurückzuspeisen. Diese Bremsenergie kann von der Batterie­ speicheranlage teilweise aufgenommen werden und ist damit wiederverwertbar. Eine Umsetzung der gesamten Bremsenergie in Wärme wird so vermieden und führt zu einer Energieer­ sparnis.

Eine derartige, simple Direktverbindung einer Batterie­ speicheranlage mit einem Gleichstromnetz hat jedoch einige Nachteile. Es gibt hierbei keine Stellmöglichkeit der Batteriespannung, d. h. die Spannung des Gleichstromnetzes liegt immer direkt an der Batterie an und somit bestimmt das Netz immer die Aktivität der Batterie. Die Batterie ist also dauernd in Betrieb. Je nach Höhe der Netzspannung wird die Batterie geladen oder entladen und das mit dem durch den Netzwiderstand und die Batterieleerlaufspannung bedingten maximal möglichen Strom. Lies führt beispielsweise in U- Bahnnetzen dazu, daß Batteriespeicheranlagen bis zu 2/3 des Energieumsatzes eines Umrichterwerkes aufweisen. Da eine Batteriespeicheranlage kein idealer Speicher ist, verursacht sie wegen ihres Innenwiderstandes natürlich Verluste bei einem dauernden unkontrollierten Wechsel zwischen Aufladen und Entladen. Es ist daher durchaus möglich, daß die Energieeinsparungen durch Rückführung und Speicherung der Bremsenergie eines U-Bahnzuges, die maximal 35% der Ursprungsenergie betragen kann, durch die Batterieverluste wettgemacht und unrentabel werden.

Des weiteren wird durch einen derartigen direkten Betrieb einer Batteriespeicheranlage bedingt durch die Maximal­ belastungen ihre Lebensdauer herabgesetzt.

Es ergibt sich die Aufgabe,eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die ein optimales Energiemanagement in einem System aus Batteriespeicheranlage und Gleichstromnetz und damit eine maximale Energieeinsparung bei größtmöglicher Spitzen­ lastdeckung und Batterielebensdauer ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Die Erfindung sieht vor einen Vorwiderstand mit zwei dazu parallel geschalteten Stromrichterventilen zum Ver­ binden der Batteriespeicheranlage mit dem Gleichstromnetz einzusetzen. Die steuerbaren Stromrichterventile haben entgegengesetzte Durchlaßrichtungen. Der Regler steuert in Abhängigkeit von dem gemessenen Netzstrom und der gemessenen Netzspannung die Stromventile. Zum Ein­ satz kommt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ins­ besondere in Gleichstromnetzen hoher Leistung, wie dies z. B. in U-Bahn- und S-Bahnnetzen mit den Zügen als Verbrauchern der Fall ist. Mittels des Reglers ist es möglich, bei Strom­ bedarf des Netzes das Stromrichterventil mit der Durchlaß­ richtung Batterie-Netz leitend zu schalten. Damit liegt die Batteriespeicheranlage direkt am Gleichstromnetz und kann die benötigte Energie ganz oder teilweise liefern. Dedektiert der Regler einen Leistungsüberschuß auf dem Netz, so kann das andere Stromventil durchgeschaltet werden und die Batterie speichert die anfallende Energie, die beispiels­ weise bei der Rückführung der Bremsenergie eines Zuges anfällt. Sind beide Stromventile nicht leitend, so wird der in die Batterie oder aus der Batterie fließende Strom von dem Vorwiderstand begrenzt. Die Batterie liegt dann nicht auf dem Netzpotential. Die Erfindung bietet die Möglichkeit eines aktiven Energiemanagements durch Regelung des Leistungsflusses in die Batterie oder aus der Batterie heraus.

Die weiteren Vorteile der Erfindung werden im folgenden aufgeführt.

Es werden kurzfristige Lastspitzen nivelliert.

Langfristige, gemittelte Lastspitzen, wie sie beispiels­ weise die sogenannten Rush-hour-peaks bei U-Bahnen im Tagesverlauf, bedingt durch kürzere Zugfolgen, bilden, werden ebenfalls gemindert.

Ins Netz rückgeführte Verbraucherenergie wird kontrolliert in die Batteriespeicheranlage eingespeist.

Die Batteriespannung kann in einem vorgegebenen Bereich verstellt werden und ist nicht netzabhängig.

Die Regelung kann so beschaffen sein, daß das Nachladen der Batterien im wesentlichen nur in Schwachlastzeiten erfolgt.

Der Batterieumsatz kann an die Herstellerangaben unter wirt­ schaftlichen Gesichtspunkten angeglichen werden, und es wird somit eine optimale Lebensdauer der Batterien erreicht.

Eine Notstromversorgung des Gleichstromnetzes ist ebenso gegeben.

Beim Einsatz der Erfindung in U-oder S-Bahnnetzen können die Umrichterwerke bezüglich kleinerer Spitzenlast ausge­ legt werden.

Bei der Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 2 werden die Regelmöglichkeiten durch Einbeziehen der Regelgrößen Umrichterstrom und Gleichrichterspannung erweitert.

Eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3 benutzt sinnvolle Triggerkriterien für die Stromrichterventile.

Die Größenwahl des Vorwiderstandes gemäß Anspruch 4 ergibt ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen dem Kurzschlußstrom beim Durchschalten eines Stromventiles und dem durch den Vor­ widerstand begrenzten Strom bei Nichtleiten beider Strom­ ventile. Ein optimaler Energieumsatz und eine optimale Batterielebensdauer werden damit erreicht.

Die Ausbildung des Reglers als Prozeßrechner, PC oder µ-Controller nach Anspruch 5 erlaubt ein einfaches Anpassen der Messung, der Auswertung und der daraus folgenden Steuerung des Energiemanagements an die vorhandenen Betriebs­ bedingungen durch die Bestimmung bzw. Wahl entsprechender Triggerpunkte der Stromrichterventile. Ein entsprechend programmierter µ-Controller stellt ein extrem leistungs­ fähiges, flexibles und preisgünstiges Meß-und Regelelement dar.

Beim Einsatz von Thyristoren als Stromrichterventile gemäß Anspruch 6 ist es möglich auf spezielle Unterbrecher- bzw. Löschschaltungen der Stromrichterventile zu verzichten, da ein leitender Thyristor selbsttätig in den sperrenden Zustand übergeht, wenn der Batteriestrom seine Richtung ändert, bzw. folglich der Spannungsabfall über dem Vorwiderstand Null ist. Der Batteriestrom ist definiert als der Strom der in aus der Batterie fließt.

Werden Gate-Turn-Off Thyristoren als Stromerrichter­ ventile gemäß Anspruch 7 gewählt, so kann ein leitender Gate-Turn-Off Thyristor durch einen Löschpuls zu jeder Zeit wieder in den sperrenden Zustand versetzt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausgestaltung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 den Einsatz der Schaltungsanordnung in einem typischen Gleichstromnetz für U- Bahnen, und

Fig. 3 den schematischen Strom-und Spannungs­ verlauf der Batterie, des Umrichters und des Verbrauchers, im vorliegenden Fall einer U-Bahn.

Die Fig. 1 zeigt eine typische Ausgestaltung der Erfindung. Ein Vorwiderstand 1 mit zwei dazu parallel geschalteten Thyristoren 2 und 3, die entgegengesetzte Durchlaßrichtungen haben, verbindet die Batteriespeicheranlage 5 mit dem Gleichstromnetz 6. Die Batteriespeicheranlage 5 ist schematisch dargestellt durch ihren Innenwiderstand 5′ und ihre Kapazität 5′′. Die eine Seite der Batterie­ speicheranlage 5 liegt auf Masse, so daß natürlich auch der eine Pol des Netzes 6 auf Masse liegen muß. Der Regler 4 mißt die Netzspannung und den Umrichterstrom, wobei die Meßleitungen hier schematisch durch die Leitungen 7, 10 dar­ gestellt sind. Des weiteren ist es unter Umständen nötig, den Batteriestrom, die Batteriespannung 12 und die Batterietemperatur zu messen. Aus diesen Meßwerten bestimmt der Regler 4 die Triggerpunkte der Thyristoren 2 und 3. Die Schaltpulse werden über die Leitungen 8 und 9 den Thyristoren 2 und 3 zugeführt.

Die Fig. 2 zeigt den Einsatz einer bevorzugten Ausführung der Erfindung in einer typischen U-Bahnnetzumgebung. Dargestellt ist der Vorwiderstand 1 mit den beiden antiparallel geschalteten Thyristoren 2 und 3, der die Batteriespeicheranlage 5 bestehend aus Innenwiderstand 5′ und Kapazität 5′′, mit der positiven Schiene des Gleich­ stromnetzes 6 verbindet. Die andere Schiene des Gleich­ stromnetzes 6 liegt auf Masse, genauso wie der andere Pol der Batteriespeicheranlage 5. Die Thyristoren 2 und 3 werden über die Leitungen 8 und 9 von dem Regler 4 getriggert. Dieser mißt über die Leitung 7 den Umrichter­ strom, den Netzstrom und die Netzspannung. Eine Messung von Batteriespannung, -strom und -temperatur durch den Regler ist eingezeichnet. Der Regler 4 ist vorzugsweise als Prozessrechner, PC- oder µ-Controller ausgebildet. Die stromführende Schiene des Gleichstromnetzwerkes 6 hat einen Widerstand von 0,025 Ohm pro km und ist positiv. Das Netzwerk wird von Umrichterwerken mit Energie ver­ sorgt. Diese Umrichterwerke bestehen aus einer dreiphasigen Drehstrombrückschaltung 15, 19 und den jeweils vorge­ schalteten Stromrichtertransformatoren 16, 18. Dabei ist der Stromrichtertransformator 16 in einer Sternschaltung ausgeführt, während der Stromrichtertransformator 18 eine Sternbrückenschaltung beinhaltet. Somit ergibt sich ins­ gesamt auf dem Netz ein zwölfpulsiger Gleichstrom an der Schiene mit einer Spannung von 850 Volt. Die Umrichter­ werke werden vom Drehstromnetz auf der 10 KV Spannungsebene versorgt. Schematisch dargestellt ist der Verbraucher 14, bestehend aus einem komplexen Widerstand und einer Kapazität, der im vorliegenden Fall ein U-Bahnzug ist der seine kinetische Energie beim Bremsen in wiederein­ speisbaren Gleichstrom rückverwandelt.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung in einer Umgebung, die der Fig. 2 entspricht, läßt sich am besten anhand der Fig. 3 erläutern. Darge­ stellt sind jeweils die zeitlichen Abhängigkeiten, und zwar in Teil I diejenige des U-Bahnstromes I_Z, in II der Umrichterspannung U_U, in III des Umrichterwerkstromes I_U und schließlich in IV des Batteriestromes I_B. Zusätzlich ist in II die Batteriespannung U_B als gepunktete Linie einge­ zeichnet. Auf der zeitlichen Achse ergeben sich fünf Bezugs­ punkte t₀-t₅. Die Bedeutung der Zeitabschnitte ist die folgende:

Zeitraum t₀-t₁: Stehen der U-Bahn (v=0)
Zeitraum t₁-t₂: Anfahren der U-Bahn (v ≠ const.)
Zeitraum t₂-t₃: Fahren der U-Bahn (v=const.)
Zeitraum t₃-t₄: Bremsen der U-Bahn (v ≠ const.)
Zeitraum t₄-t₅: Stehen der U-Bahn (v=0)

Im Zeitraum t₀-t₁ findet kein Anfahr- oder Fahrvorgang einer U-Bahn im Bereich des Umrichterwerkes statt, die U-Bahn steht. In dieser Schwachlastzeit kann die Batterie von dem Um­ richterwerk geladen werden. Voraussetzung ist, daß die Batteriespannung niedriger ist als die Streckenspannung (Netz). Dies kann wahlweise mit einem großen oder kleinen Ladestrom erfolgen, je nachdem ob der Thyristor 3 leitend ist oder nicht.

Aufgrund des Anfahrstromes des U-Bahnzuges bricht die Streckenspannung im Zeitraum t₁-t₂ zusammen. Die Batterieanlage versucht, die Streckenspannung zu stützen, d. h. die Batterie übernimmt einen Teil des Anfahrstromes der U-Bahn. Dies kann wiederum wahlweise mit einem kleinen oder großen Batteriestrom erfolgen, je nachdem ob der Thyristor 2 leitet oder sperrt.

Nach Abschluß des Beschleunigungsvorganges der U-Bahn fährt die U-Bahn mit konstanter Geschwindigkeit im Zeit­ raum t₂-t₃. Zur Aufrechterhaltung der Geschwindigkeit wird nur eine geringe Leistung und somit ein geringer Strom benötigt. Die Streckenspannung steigt wieder auf fast ihren Nennwert an. Wenn die Streckenspannung größer ist als die Batteriespannung wird die Batterie geladen, da der Thyristor 3, falls er leitend war, beim Nulldurchgang des Batteriestromes sperrt. Bleibt die Streckenspannung kleiner als die Batteriespannung, dauert der Entladevor­ gang an.

Zu Beginn des Zeitraumes t₃-t₄ steigt die Streckenspannung über die ideelle Leerlaufspannung des Umrichterwerkes an und somit tritt ein Bremsvorgang eines U-Bahneszuges in Erscheinung. Der Thyristor 3 wird nun durchgeschaltet, damit die Batterie die Energie des bremsenden Zuges auf­ nehmen kann. Die Bremsenergie wird dann nicht mehr über die Streckenwiderstände in entferntere Netzbezirke ab­ fließen bzw. in Bremswiderständen vernichtet werden.

Im Zeitraum t₄-t₅ steht der U-Bahnzug wieder und nimmt keinen Strom auf (Teil I). Vorausgesetzt, daß die Um­ richterwerkspannung größer ist als die Batteriespannung wird die Batterie über den durchgeschalteten Thyristor 3 nachgeladen. Die Nachladung der Batterie aus dem Umrichter­ werk erfolgt solange über den durchgeschalteten Thyristor 3 bis die Umrichterwerkspannung infolge eine Anfahrvorganges zusammenbricht und unter die Batteriespannung fällt. Im Zeitraum t₅ wechselt das Vorzeichen des Batteriestromes, und der Thyristor 3 schaltet selbsttätig in den sperrenden Zustand.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung für die Verbindungsleitung zwischen einer Batteriespeicheranlage und einem Gleichstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorwiderstand (1) und zwei zu dem Vorwiderstand (1) parallel geschaltete, steuerbare Stromrichterventile (2, 3) mit jeweils entgegengesetzter Durchlaßrichtung die Batteriespeicheranlage (5) mit dem Gleichstromnetz (6) verbinden, und daß ein Regelkreis (4) die Stromrichter­ ventile (2, 3) in Abhängigkeit von der Netzspannung und dem Netzstrom ansteuert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Regelgrößen für den Regelkreis (4) der Umrichterstrom und die Batteriespannung verwendet werden .

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromrichterventil (2) mit der Durchlaßrichtung Batterie-Netz dann durchgeschaltet wird, wenn eine erhöhte Leistungsanforderung des Netzes vor­ liegt, und daß das Stromrichterventil (3) mit der Durch­ laßrichtung Netz-Batterie dann durchgeschaltet wird, wenn das Netz einen Leistungsüberschuß aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand (1) 5- bis 100mal größer ist als der Innen­ widerstand der Batteriespeicheranlage (5).

5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (4) als Prozeßrechner, PC oder als µ-Controller ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterventile (2, 3) als Thyristoren ausgebildet sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom­ richterventile (2, 3) als Gate-Turn-Off Thyristoren aus­ gebildet sind.