WO1999053592A1 - Device and method for supplying an electric load with electric energy - Google Patents

Device and method for supplying an electric load with electric energy Download PDF

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WO1999053592A1
WO1999053592A1 PCT/DE1999/000961 DE9900961W WO9953592A1 WO 1999053592 A1 WO1999053592 A1 WO 1999053592A1 DE 9900961 W DE9900961 W DE 9900961W WO 9953592 A1 WO9953592 A1 WO 9953592A1
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WO
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converter
energy
arrangement
load
electrical
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Application number
PCT/DE1999/000961
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Weinhold
Ulrich Halfmann
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1821Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
    • H02J3/1835Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control
    • H02J3/1842Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control wherein at least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. active filters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00Systems for storing electric energy
    • H02J15/007Systems for storing electric energy involving storage in the form of mechanical energy, e.g. fly-wheels
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/20Active power filtering [APF]

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the electrical energy supply of an electrical load, which is connected via an electrical line to an electrical energy supply network.
  • the invention further relates to a method for the electrical energy supply of an electrical load.
  • US Pat. No. 5,514,915 describes an energy stabilization system for an electrical load, which is connected to an electrical energy supply network via an electrical line.
  • the energy stabilization system can be connected in parallel to the load and has a disconnecting device with which the electrical energy supply network can be disconnected from the electrical line.
  • the energy stabilization system also has a superconducting magnet, which is connected to an energy storage cell via a voltage regulator.
  • the energy storage cell is coupled to the electrical line via a converter and a transformer.
  • energy is taken from the superconducting magnet and fed to the energy storage cell via the voltage regulator.
  • the energy stored in the energy storage cell is transferred to the line and thus to the load via the converter and the transformer.
  • the superconducting magnet is connected to the energy supply network via an additional electrical path and can be charged via this.
  • the object of the invention is to provide a simple circuit arrangement and a method for the electrical energy supply of an electrical load.
  • the object directed to an arrangement for electrical energy supply is achieved by an arrangement for electrical energy supply to an electrical one Load, which is connected to an electrical power supply network via an electrical line, with an electrical energy source and with a control device, the energy source having an externally managed converter and an energy store, which can be connected to the load via the externally managed converter, and wherein the control device with the externally managed converter is connected to its control.
  • the electrical load can be, for example, a factory, in particular for the production of semiconductor components, which requires a stable, fail-safe energy supply.
  • a power failure can cause a production process in the factory to be significantly disrupted.
  • a disruption in the production process may require that it be restarted or that part of the results of the production process cannot be used.
  • the load can also be a further energy supply network, it being possible, for example, to require that the further energy supply network be used to supply energy according to predetermined quality features.
  • an energy supply network is understood to mean, for example, a three-phase medium-voltage or low-voltage network, in particular for energy distribution, or a three-phase high-voltage network, in particular for energy transmission.
  • a current can be emitted from the energy store of the energy source, which current can be converted with the externally managed converter and can be emitted to the load.
  • Intermediate storage of a current delivered by the energy store of the energy source in an energy storage cell which is required in the prior art, can be omitted.
  • the power can be fed directly to the externally managed power converter.
  • the configuration of the converter as a third-party converter offers the advantage of lower costs compared to a configuration as a self-controlled converter.
  • a voltage required for guiding the externally controlled converter can be taken from the electrical power supply network via the electrical line.
  • An instantaneous power can preferably be delivered from the energy source to the load, the instantaneous power that can be delivered being adaptable to an instantaneous power requirement of the load.
  • Active power can be delivered to the load and / or reactive power can be exchanged between the energy source and the load, the ratio of reactive power to active power being controllable with a constant active power.
  • the converter is preferably designed such that it can be short-circuited on the energy storage side via a preferably controllable electrical path.
  • the electrical path is also referred to as the zero anode.
  • the current emitted by the energy store can be short-circuited via the electrical path.
  • the current can be redirected, in particular for short time intervals, to ensure that no redirected current can be delivered to the load in the time intervals.
  • the ratio and the instantaneous power that can be output can be controlled by a corresponding time control of the electrical path in conjunction with a control of further circuit parts of the externally controlled converter.
  • the current which is redirected to the load by the externally managed converter, generally has several harmonics with different frequencies.
  • An operating characteristic of the converter during the conversion the pulse number is large. The higher the pulse number, the higher the respective frequencies of the harmonics.
  • An externally controlled converter can generally be operated with a high number of pulses, so that the harmonics caused by it have high frequencies. Harmonics with high frequencies are advantageous because they can be filtered with little effort in terms of circuitry.
  • An externally managed converter has a reactive power requirement that is necessary for the conversion. This reactive power requirement is usually reduced by a phase sequence control of the externally controlled converter, which simultaneously reduces the number of pulses and, undesirably, the frequency of the harmonics. Because the externally guided power converter according to the invention can be short-circuited for conversion, its reactive power requirement is advantageously reduced without the number of pulses and the associated frequencies of the harmonics being reduced.
  • the electrical path further preferably has at least one
  • valve that is particularly controllable.
  • the valve can be designed with a semiconductor valve, for example a semiconductor diode, a thyristor or a switch-off thyristor.
  • a semiconductor valve for example a semiconductor diode, a thyristor or a switch-off thyristor.
  • the short-circuiting of the current via the electrical path can be realized at any time and is technically simple by controlling the valve.
  • the energy store is preferably designed to store electrical and / or mechanical energy.
  • the energy store can be designed, for example, as a flywheel store.
  • the energy store preferably has a superconducting magnet for storing electrical energy. These types of memory are particularly suitable for the present application, and the superconducting magnet can be designed to store energy from 10 MVAs to 1000 MVAs.
  • the energy source preferably has a transformer, by means of which the externally managed converter can be connected to the load.
  • the transformer can be designed as a separate unit belonging to the arrangement.
  • the control device can preferably generate a control signal that can be output to the externally managed power converter.
  • the externally controlled power converter can be controlled with the control signal in such a way that an instantaneous power output from the energy source to the load can be largely adapted to the instantaneous power requirement of the load, as a result of which an energy supply that is tailored to the needs can be carried out.
  • the arrangement has an electrical AC voltage source which is connected on the load side to the externally managed converter, wherein a voltage can be at least partially output from the AC voltage source to the externally managed converter.
  • the AC voltage source advantageously makes it possible to provide the voltage required for guiding the externally managed converter independently of the voltage emitted by the power supply network. In the event of slight fluctuations in the voltage emitted by the power supply network, the AC voltage source also serves to stabilize the voltage.
  • the AC voltage source preferably comprises a DC voltage source and a self-controlled converter.
  • the self-guided converter can be controlled in such a way that a direct voltage supplied by the direct voltage source can be converted into an alternating voltage that can be delivered to the externally managed converter and to the load.
  • the AC voltage serves, at least in part, as a voltage for guiding the externally managed converter.
  • the AC voltage that can be output by the AC voltage source can be superimposed on the voltage output by the power supply network, so that other The voltage output by the power supply network can be counteracted.
  • the voltage required for guiding the externally controlled converter can thus be prepared regardless of the voltage emitted by the power supply network.
  • the control device of the energy source is preferably connected to the self-commutated converter. This means that the self-commutated converter can be controlled in conjunction with the externally managed converter.
  • the DC voltage source preferably has an energy store which can be charged from the energy supply network, in particular via the self-commutated converter.
  • the energy storage device can be charged from the energy supply network during a time interval in which it is not necessary to supply an AC voltage by the AC voltage source.
  • the self-commutated converter can be controlled in such a way that the voltage emitted by the electrical power supply network can be converted into a DC voltage with which the energy store of the DC voltage source can be charged. As a result, an electrical path provided only for charging the energy store is not necessary.
  • the energy store of the DC voltage source further preferably has a capacitor. This configuration is simple in terms of circuitry and can be implemented with components that have been tried and tested in practice.
  • the arrangement is preferably serial or parallel to that
  • the arrangement When the arrangement is connected to the load in series, which load is, for example, a factory, the voltage that can be output by the power supply network can be stabilized in particular.
  • the arrangement can be used to counteract particularly brief, rapid changes in voltage or a deviation of the voltage from the sinusoidal shape.
  • the arrangement with a serial connection can also serve to stabilize the voltage for quality improvement. With such an arrangement, power fluctuations in particular can be steamed. If the arrangement is connected to a branch of the further energy supply network, a power flow over the branch can be influenced with the arrangement.
  • Reactive power requirement of the load can be covered.
  • the arrangement can supply the load with energy.
  • harmonics of the voltage of the energy supply network or of a current supplied by the energy supply network can also be largely damped.
  • An arrangement with a parallel connection to the load also has the advantage that the power that can be output from the energy supply network does not have to be conducted via the self-commutated converter, so that the energy transmission between the energy supply network and the load is associated with low losses.
  • the AC voltage source can preferably be connected to the line via a transformer. This provides a galvanic isolation from the load and the AC voltage source, and it is also possible to adapt different voltages.
  • the AC voltage source comprises an instantaneous power generator, which is dimensioned for an exchange of at least one instantaneous power required for the operation of the externally guided converter.
  • An externally managed converter usually has an instantaneous power requirement required for the conversion.
  • This instantaneous power requirement is due to the AC Coverable source, so that the instantaneous power requirement does not have to be covered from the energy supply network.
  • a further control signal can be generated by the control device depending on an instantaneous power requirement of the externally controlled converter, which can be fed to the self-controlled converter.
  • the self-commutated converter can advantageously be controlled with the control signal in such a way that the instantaneous power requirement of the externally managed converter is at least covered by the instantaneous power exchanged with the AC voltage source. Furthermore, the control signal supplied to the externally managed converter and the control signal supplied to the self-managed converter can be coordinated with one another in such a way that the instantaneous power requirement of the externally managed converter and the instantaneous power requirement of the load can be largely covered.
  • the energy store of the energy source can preferably be charged from the energy supply network, in particular via the externally managed converter.
  • a controllable isolating element is provided, by means of which the energy supply network can be separated from the line.
  • the energy supply network can be separated from the line.
  • a return flow path in particular a switchable one, is preferably provided to form a closed circuit with the load and the energy source.
  • a closed circuit with the load and the energy source can advantageously be formed with the aid of the return flow path, in particular when the energy supply network is disconnected from the line.
  • a capacitive memory can also be connected to the line, which serves for the temporary storage and the exchange of reactive power with the energy source and / or the load.
  • a reactive power requirement of the load and / or the energy source can be covered at least partially via the capacitive memory, so that the AC voltage source only has to give a required reactive power component to the load and / or the energy source to cover the reactive power requirement.
  • the object directed to a method for supplying electrical energy to an electrical load is achieved by a method for supplying energy to an electrical load from an energy source, which comprises an energy store and an externally managed converter connected to the energy store, an alternating voltage being generated and the externally managed converter is led to its leadership.
  • the AC voltage is preferably generated at least partially by a self-commutated converter.
  • instantaneous power is at least partially exchanged between the two converters.
  • An advantage of the method is that the voltage required for guiding the externally controlled power converter is generated separately and does not have to be taken exclusively from the electrical power supply network. Another advantage is that an instantaneous power requirement of the externally managed converter is at least partially covered by exchanging instantaneous power with the self-guided converter.
  • the AC voltage is preferably drawn at least partially from an electrical power supply network.
  • the externally controlled converter can be short-circuited on the energy storage side.
  • a ratio of exchanged 10 ter reactive power and delivered active power at least partially controllable independently of the active power.
  • the instantaneous power that can be output can be controlled in conjunction with a short circuit caused by the energy storage.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an arrangement for energy supply
  • FIG. 2 shows a block diagram of the energy source
  • FIG. 3 shows a further arrangement for energy supply with a return flow path.
  • the voltages and currents in the case of arrangements which are designed for a plurality of phases relate to one of the phases, and the powers referred to relate to the total power emitted by a source or consumed by a sink.
  • the energy supply network 4 can in particular be a three-phase medium-voltage or low-voltage network for energy distribution or a three-phase high-voltage network for energy transmission.
  • the electrical load 2 can, for example, be a factory, in particular for the production of semiconductor components, which requires a stable, fail-safe energy supply. A power failure with such a load 2 can cause 11 a production process running in the factory is significantly disrupted. A disruption in the production process may require that it be restarted or that part of the results of the production process cannot be used.
  • the load 2 can also be a further energy supply network.
  • the electrical line 3 is designed as a three-phase line 3.
  • the arrangement 1 has an electrical energy source 5 and a control unit 7.
  • the electrical energy source 5 comprises an energy store 8, which is connected to the line 3 via an externally managed converter 9 and an electrical transformer 10.
  • the converter 9 can optionally also be connected directly to the line 3.
  • the electrical energy store 8 can be designed to store both mechanical and electrical energy and can be designed, for example, as a flywheel store and / or as a magnetic store.
  • the electrical line 3 also has a first measuring device 20 and a second measuring device 20a, each of which is connected to the control device 7 via a first measuring line 21 and a second measuring device 21a.
  • the measuring device 20a is used to measure a voltage U1 and a current II emitted by the energy supply network 4.
  • the measuring device 20 is used to measure a voltage U2 applied to the load 2 and a current 12 supplied to the load 2.
  • the externally controlled Converter 9 is connected to control device 7 via a third measuring line 11 and a first control line 12.
  • the electrical power supply network 4 gives the electrical voltage U1 and the electrical current II and thus a corresponding instantaneous electrical power 12
  • the measuring device 20 measures the voltage U2 applied to the load and the current 12 delivered to the load. Measured values 22 obtained in this way are passed to the control device 7 via the first measuring line 21. The measured values 22 are evaluated in the control device 7, the instantaneous power S2 delivered to the load 2 being determined. A change in the voltage U2, in particular a drop in the voltage U2, and a change in the instantaneous power S2 can thus be detected by the control device 7.
  • the energy source 5 emits an instantaneous power S3.
  • the energy store 8 of the energy source 5 outputs a current I to the externally managed converter 9, with which the current I is converted into a corresponding 3-phase current and is delivered to the line 3 via the transformer 10.
  • the control of the converter 9 is carried out with the aid of a control signal 24 generated by the control device 7 in accordance with a requirement of the load 2 for instantaneous power S2, the control signal 24 being fed to the externally managed converter 9 via the first control line 12.
  • the arrangement 1 optionally has an electrical AC voltage source 6.
  • the electrical alternating voltage source 6 comprises an electrical direct voltage source 13 which is connected to the electrical line 3 via a self-controlled converter 14 and via an electrical transformer 15. As a result, the AC voltage source 6 is electrically connected to the externally managed power converter 10.
  • the self-controlled converter 14 can be connected directly, in parallel or also in series to the line 3. 13
  • the DC voltage source 13 comprises an energy store 40a, which can have, for example, a capacitor 40 - as indicated schematically.
  • the transformer 15 of the AC voltage source 6 is connected in parallel to the load 2. However, it can also be connected in series with the load 2 (see FIG. 3).
  • the DC voltage source 13 and the self-guided converter 14 serve to generate an alternating voltage U4 and at the same time form an instantaneous power generator 16.
  • the self-guided converter 14 is connected to the control device 7 via a second control line 17.
  • the AC voltage source 6 outputs a voltage U4 and / or exchanges an instantaneous power S4 with the externally managed power converter 9 and / or with the load 2.
  • a voltage U output from the DC voltage source 13 of the AC voltage source 6 is converted into the corresponding 3-phase voltage U4 with the aid of the self-controlled converter 14 and is output to the line 3 via the transformer 15.
  • An instantaneous power requirement of the externally guided converter 9 required for the conversion is measured internally in the converter and measured values 23 determined are supplied to the control device 7 via the third measuring line 11.
  • the control device 7 When the measured values 23 are evaluated, the control device 7 generates a control signal 25, with which the commutation of the direct voltage U with the self-controlled converter 14 is controlled as a function of the instantaneous power requirement of the externally managed converter 9.
  • the AC voltage source 6 can be controlled in such a way that it covers the instantaneous power requirement of the externally managed converter. 14
  • the electrical line 3 has a controllable isolating element 18 which is connected to the control device 7 via a third control line 19 and with which the energy supply network 4 can be separated from the electrical line 3.
  • the converters 9 and 14, the transformers 10 and 15 and the isolating element 18 and the measuring device 20 are preferably of three-phase design.
  • the separator 18 is preferably formed with controllable semiconductor valves, not shown in any more detail.
  • the power supply network 4 can be separated from the electrical line 3 with the isolating element 18, controlled by the control device 7 via the control line 19.
  • the energy supply to the load 2 is maintained after the energy supply network 4 has been disconnected, in particular by the energy source 5 and the AC voltage source 6.
  • the voltage U1 and the current II emitted by the power supply network 4 can be measured with the measuring device 20a. Measured values 22a obtained in this way can be fed to the control device 7 via the second measuring line 21a and can be evaluated by the latter. In particular, after the power supply network 4 has been disconnected, it can thus be determined whether the voltage U 1 is undisturbed and whether the power supply network 4 can be reconnected to the line 3. In order to be switched on again, the power supply network 4 and the line 3 are again connected to one another by the control device 7 via the isolating element 18.
  • the converters 9 and 14 each include controllable valves (not shown in detail) and a control unit (not shown in more detail), the control unit being used for direct control of the respective valves and for other in-converter or near-converter tasks.
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of the energy source 5 with the energy store 8, the externally managed converter 9 and the electrical transformer 10.
  • the transformer 10 is designed as a three-phase transformer 10.
  • the transformer 10 has the windings 26, 27 and
  • the phase windings of the winding 26 are connected as a star and connected to the electrical line 3.
  • the respective phase windings of the windings 27 and 28 are connected as a triangle.
  • the externally managed power converter 9 has two series-connected bridge converters 29, 30.
  • the first bridge converter 29 is connected to the windings 27 and the second bridge converter 30 is connected to the winding 28 of the transformer 10.
  • the bridge jumpers 29 and 30 have valves 36, for the guidance of which a voltage U5 is required.
  • the voltage U5 can be taken from the power supply network 4 (see FIG. 1) via the transformer 10.
  • An electrical path 31 with a control valve 32 is connected in parallel to the bridge converters 29 and 30.
  • the electrical path 31 with the valve 32 is also referred to as the zero anode.
  • the valve 32 can also be designed as an uncontrolled diode.
  • the externally managed converter 9 comprises a control device 41 which controls the bridge converters 29 and 30 and the direct control of the 16
  • Valves 36 is used.
  • the control device 41 is connected to the control device 7 (see FIG. 1) via the first control line 12 and can be controlled by the control device 7.
  • the control device 7 is not shown in FIG 2.
  • the energy store 8 has a superconducting magnet 33, which is located in a thermally insulating vessel 34.
  • the electrical energy store 8 is designed for a power between 10 MVAs to 1000 MVAs, in particular between 250 MVAs to 350 MVAs.
  • the other parts and components of the arrangement 1 are dimensioned accordingly.
  • the superconducting magnet 33 outputs a current I to the externally managed power converter 9 to supply energy to the electrical load 2.
  • the current I is uiti directed by the externally led power converter 9 into a corresponding 3-phase current 13 and via the transformer 10 to the electrical one
  • the externally managed converter 9 is controlled via the first control line 12 by the control device 7 as a function of an instantaneous power requirement of the load 2.
  • the converter 9 can be short-circuited on the energy storage side via the electrical path 31, so that the current I emitted by the energy store 8 can flow as a circulating current Ik.
  • the short-circuiting of the externally guided converter 9 during a time interval .DELTA.t means that in the time interval .DELTA.t no current is redirected by the externally managed converter 9 and therefore no current is delivered to the line 3 via the transformer 10.
  • the current I flows during the time interval ⁇ t as a circulating current Ik.
  • Active power P3 and reactive power Q3 exchanged with load 2 can be changed at a constant active power P3. This makes it possible to vary the reactive power Q3 exchanged with the load 2 at a constant active power P3 delivered to the load 2, depending on the reactive power requirement. As a result, the instantaneous power S3 that can be output by the energy source 5 can also be controlled.
  • an electrical path for short-circuiting the externally controlled converter 9 with a plurality of valves 36 can be formed solely by correspondingly controlling the bridge converters 29 and 30. In this case, the electrical path 31 is not necessary.
  • FIG. 1 The arrangement 1 shown in FIG. 1 is shown in FIG. 3, the transformer 15 being connected in series in the line 3. With this arrangement, a slight drop in voltage U2 can be counteracted in particular.
  • a return flow path 38 is provided in this embodiment, which can be connected to line 3 via a separating element 37.
  • the return flow path 38 serves to form a closed circuit with the load 2, the energy source 5 and the AC voltage source 6. The formation of such a closed circuit is necessary in the case in which the energy supply network 4 is separated from the electrical line 3 by means of the isolating element 18 is.
  • the return flow path 38 can also have inductors, not shown in detail.
  • the isolating element 37 is connected to the control device 7 via a fourth control line 39 and can be controlled by it. CO co r M P- »P>
  • the arrangement 1 can be used to influence a power flow of an instantaneous power transported via the line 3.

Landscapes

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Abstract

To continue to supply an electric load (2) connected to an electricity supply network (4) with energy during an interruption in the power supply, the invention provides for a device (1) having an energy storage element (8) from which electric power can be supplied to the load (2) via an externally commutated power converter (9). Said externally commutated power converter (9) can be short-circuited on the side of the energy storage element. The device (1) can further comprise an alternating voltage source (6) which is able to supply a voltage (U5) required for commutating the externally commutated power converter (9).

Description

Beschreibungdescription
Anordnung und Verfahren zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen LastArrangement and method for the electrical energy supply of an electrical load
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Last, die über eine elektrische Leitung an ein elektrisches Energieversorgungsnetz angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Last.The invention relates to an arrangement for the electrical energy supply of an electrical load, which is connected via an electrical line to an electrical energy supply network. The invention further relates to a method for the electrical energy supply of an electrical load.
In der US-PS 5,514,915 ist ein Energiestabilisierungssystem für eine elektrische Last beschrieben, die über eine elektrische Leitung an ein elektrisches Energieversorgungsnetz ange- schlössen ist. Das Energiestabilisierungssystem ist parallel an die Last anschaltbar und weist eine Trenneinrichtung auf, mit der das elektrische Energieversorgungsnetz von der elektrischen Leitung trennbar ist. Das Energiestabilisierungssystem weist weiterhin einen supraleitenden Magneten auf, der über einen Spannungsregler an eine Energiespeicherzelle angeschlossen ist. Die Energiespeicherzelle ist über einen Stromrichter und einen Transformator an die elektrische Leitung angekoppelt. Zur Stabilisierung der Energieversorgung der Last wird dem supraleitenden Magneten Energie entnommen und über den Spannungsregler der Energiespeicherzelle zugeführt. Die in der Energiespeicherzelle gespeicherte Energie wird über den Stromrichter und den Transformator an die Leitung und damit an die Last abgegeben. Der supraleitende Magnet ist über einen zusätzlichen elektrischen Pfad mit dem Energiever- sorgungsnetz verbunden und über diesen ladbar.US Pat. No. 5,514,915 describes an energy stabilization system for an electrical load, which is connected to an electrical energy supply network via an electrical line. The energy stabilization system can be connected in parallel to the load and has a disconnecting device with which the electrical energy supply network can be disconnected from the electrical line. The energy stabilization system also has a superconducting magnet, which is connected to an energy storage cell via a voltage regulator. The energy storage cell is coupled to the electrical line via a converter and a transformer. To stabilize the energy supply to the load, energy is taken from the superconducting magnet and fed to the energy storage cell via the voltage regulator. The energy stored in the energy storage cell is transferred to the line and thus to the load via the converter and the transformer. The superconducting magnet is connected to the energy supply network via an additional electrical path and can be charged via this.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine schaltungstechnisch einfache Anordnung und ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Last anzugeben. Erfindungsgemäß wird die auf eine Anordnung zur elektrischen Energieversorgung gerichtete Aufgabe gelöst durch eine Anordnung zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Last, die über eine elektrische Leitung an ein elektrisches Energieversorgungsnetz angeschlossen ist, mit einer elektrischen Energiequelle und mit einer Steuereinrichtung, wobei die Energiequelle einen fremdgeführten Stromrichter und einen Energiespeicher aufweist, der über den fremdgeführten Stromrichter an die Last anschließbar ist und wobei die Steuereinrichtung mit dem fremdgeführten Stromrichter zu dessen An- steuerung verbunden ist.The object of the invention is to provide a simple circuit arrangement and a method for the electrical energy supply of an electrical load. According to the invention, the object directed to an arrangement for electrical energy supply is achieved by an arrangement for electrical energy supply to an electrical one Load, which is connected to an electrical power supply network via an electrical line, with an electrical energy source and with a control device, the energy source having an externally managed converter and an energy store, which can be connected to the load via the externally managed converter, and wherein the control device with the externally managed converter is connected to its control.
Dabei wird davon ausgegangen, daß die elektrische Last beispielsweise eine Fabrik, insbesondere zur Herstellung von Halbleiterbauteilen, sein kann, die eine stabile, ausfallsichere Energieversorgung benötigt. Ein Energieausfall kann bewirken, daß ein in der Fabrik laufender Produktionsprozess erheblich gestört wird. Eine Störung des Produktionsprozesses kann erfordern, daß dieser neu gestartet werden muß oder daß ein Teil der Ergebnisse des Produktionsprozesses nicht verwertbar ist. Die Last kann auch ein weiteres Energieversorgungsnetz sein, wobei beispielsweise gefordert sein kann, daß über das weitere Energieversorgungsnetz eine Energieversorgung nach vorgegebenen Qualitätsmerkmalen erfolgen muß.It is assumed that the electrical load can be, for example, a factory, in particular for the production of semiconductor components, which requires a stable, fail-safe energy supply. A power failure can cause a production process in the factory to be significantly disrupted. A disruption in the production process may require that it be restarted or that part of the results of the production process cannot be used. The load can also be a further energy supply network, it being possible, for example, to require that the further energy supply network be used to supply energy according to predetermined quality features.
Unter einem Energieversorgungsnetz wird vorliegend beispielhaft ein dreiphasiges Mittel- oder Niederspannungsnetz, ins- besondere zur Energieverteilung, oder ein dreiphasiges Hoch- pannungsnetz, insbesondere zur Energieübertragung, verstanden.In the present case, an energy supply network is understood to mean, for example, a three-phase medium-voltage or low-voltage network, in particular for energy distribution, or a three-phase high-voltage network, in particular for energy transmission.
Zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Last ist vom Energiespeicher der Energiequelle ein Strom abgebbar, der mit dem fremdgeführten Stromrichter umrichtbar und an die Last abgebbar ist. Dabei kann eine Zwischenspeicherung eines von dem Energiespeicher der Energiequelle abgegebenen Stroms in einer Energiespeicherzelle, die beim Stand der Technik er- forderlich ist, entfallen. Der Strom ist dem fremdgeführten Stromrichter direkt zuführbar. Durch den Wegfall einer zur Zwischenspeicherung notwendigen Energiespeicherzelle ist der schaltungstechnische Aufbau der Energiequelle vereinfacht.For the electrical energy supply of the electrical load, a current can be emitted from the energy store of the energy source, which current can be converted with the externally managed converter and can be emitted to the load. Intermediate storage of a current delivered by the energy store of the energy source in an energy storage cell, which is required in the prior art, can be omitted. The power can be fed directly to the externally managed power converter. By eliminating one Intermediate storage of the necessary energy storage cell simplifies the circuitry of the energy source.
Die Ausgestaltung des Stromrichters als fremdgeführter Stromrichter bietet gegenüber einer Ausgestaltung als selbstgeführter Stromrichter weiterhin den Vorteil geringerer Kosten. Eine zur Führung des fremdgeführten Stromrichters erforderliche Spannung ist über die elektrische Leitung dem elektrischen Energieversorgungsnetz entnehmbar.The configuration of the converter as a third-party converter offers the advantage of lower costs compared to a configuration as a self-controlled converter. A voltage required for guiding the externally controlled converter can be taken from the electrical power supply network via the electrical line.
Vorzugsweise ist von der Energiequelle eine Augenblicksleistung an die Last abgebbar, wobei die abgebbare Augenblicksleistung an einen momentanen Leistungsbedarf der Last anpaßbar ist. Dabei ist Wirkleistung an die Last abgebbar und/oder Blindleistung zwischen der Energiequelle und der Last austauschbar, wobei das Verhältnis von Blindleistung zu Wirkleistung bei einer konstanten Wirkleistung steuerbar ist.An instantaneous power can preferably be delivered from the energy source to the load, the instantaneous power that can be delivered being adaptable to an instantaneous power requirement of the load. Active power can be delivered to the load and / or reactive power can be exchanged between the energy source and the load, the ratio of reactive power to active power being controllable with a constant active power.
Bevorzugtermaßen ist der Stromrichter so ausgestaltet, daß er energiespeicherseitig über einen, vorzugsweise steuerbaren, elektrischen Pfad kurzschließbar ist. Der elektrische Pfad wird in der Praxis auch als Nullanode bezeichnet. Über den elektrischen Pfad kann der vom Energiespeicher abgegebene Strom kurzgeschlossen werden. Durch entsprechende Ansteuerung des elektrischen Pfades ist bei der Umrichtung des Stroms für insbesondere kurze Zeitintervalle bewirkbar, daß kein umgerichteter Strom in den Zeitintervallen an die Last abgebbar ist. Durch eine entsprechende zeitliche Ansteuerung des elektrischen Pfades im Zusammenspiel mit einer Ansteuerung von weiteren Schaltungsteilen des fremdgeführten Stromrichters ist das Verhältnis und die abgebbare Augenblicksleistung steuerbar .The converter is preferably designed such that it can be short-circuited on the energy storage side via a preferably controllable electrical path. In practice, the electrical path is also referred to as the zero anode. The current emitted by the energy store can be short-circuited via the electrical path. By appropriately controlling the electrical path, the current can be redirected, in particular for short time intervals, to ensure that no redirected current can be delivered to the load in the time intervals. The ratio and the instantaneous power that can be output can be controlled by a corresponding time control of the electrical path in conjunction with a control of further circuit parts of the externally controlled converter.
Der durch den fremdgeführten Stromrichter umgerichtete, an die Last abgebbare Strom weist in der Regel mehrere Oberschwingungen mit verschiedenen Frequenzen auf. Eine für den Stromrichter bei der Umrichtung charakteristische Betriebs- große ist die Pulszahl. Je höher die Pulszahl ist, desto höher sind die jeweiligen Frequenzen der Oberschwingungen. Ein fremdgeführter Stromrichter kann allgemein mit einer hohen Pulszahl betrieben werden, so daß die durch ihn verursachten Oberschwingungen hohe Frequenzen aufweisen. Oberschwingungen mit hohen Frequenzen sind vorteilhaft, da sie mit einem schaltungstechnischen geringen Aufwand filterbar sind.The current, which is redirected to the load by the externally managed converter, generally has several harmonics with different frequencies. An operating characteristic of the converter during the conversion the pulse number is large. The higher the pulse number, the higher the respective frequencies of the harmonics. An externally controlled converter can generally be operated with a high number of pulses, so that the harmonics caused by it have high frequencies. Harmonics with high frequencies are advantageous because they can be filtered with little effort in terms of circuitry.
Ein fremdgeführter Stromrichter hat einen zur Umrichtung er- forderlichen Blindleistungsbedarf. Dieser Blindleistungsbedarf wird üblicherweise durch eine Phasenfolgesteuerung des fremdgeführten Stromrichters verringert, wodurch gleichzeitig die Pulszahl und unerwünschter Weise die Frequenz der Oberschwingungen verringert sind. Dadurch, daß der erfindungsge- mäße fremdgeführte Stromrichter zur Umrichtung kurzschließbar ist, ist sein Blindleistungsbedarf vorteilhaft verringert, ohne daß die Pulszahl und damit verbunden die Frequenzen der Oberschwingungen verringert sind.An externally managed converter has a reactive power requirement that is necessary for the conversion. This reactive power requirement is usually reduced by a phase sequence control of the externally controlled converter, which simultaneously reduces the number of pulses and, undesirably, the frequency of the harmonics. Because the externally guided power converter according to the invention can be short-circuited for conversion, its reactive power requirement is advantageously reduced without the number of pulses and the associated frequencies of the harmonics being reduced.
Weiter bevorzugt weist der elektrische Pfad zumindest einThe electrical path further preferably has at least one
Ventil auf, das insbesondere steuerbar ist. Das Ventil kann mit einem Halbleiterventil, beispielsweise einer Halbleiterdiode, einem Thyristor oder einem Abschaltthyristor ausgebildet sein. Bei einer Ausgestaltung des Ventils als steuerbares Ventil, ist das Kurzschließen des Stroms über den elektrischen Pfad durch eine Ansteuerung des Ventils zeitlich beliebig und technisch einfach realisierbar.Valve that is particularly controllable. The valve can be designed with a semiconductor valve, for example a semiconductor diode, a thyristor or a switch-off thyristor. In the case of a configuration of the valve as a controllable valve, the short-circuiting of the current via the electrical path can be realized at any time and is technically simple by controlling the valve.
Vorzugsweise ist der Energiespeicher zur Speicherung elektrischer und/oder mechanischer Energie ausgebildet. Zur Speiche- rung mechanischer Energie kann der Energiespeicher beispielsweise als Schwungradspeicher ausgebildet sein. Zur Speicherung elektrischer Energie weist der Energiespeicher bevorzugt einen supraleitenden Magneten auf. Diese Speichertypen sind insbesondere für die vorliegende Anwendung geeignet, wobei der supraleitende Magnet zur Speicherung einer Energie von 10 MVAs bis 1000 MVAs ausgelegt sein kann. Bevorzugtermaßen weist die Energiequelle einen Transformator auf, über den der fremdgefuhrte Stromrichter an die Last an- schließbar ist. Der Transformator kann als eine separate, zur Anordnung gehörige Einheit ausgebildet se n.The energy store is preferably designed to store electrical and / or mechanical energy. To store mechanical energy, the energy store can be designed, for example, as a flywheel store. The energy store preferably has a superconducting magnet for storing electrical energy. These types of memory are particularly suitable for the present application, and the superconducting magnet can be designed to store energy from 10 MVAs to 1000 MVAs. The energy source preferably has a transformer, by means of which the externally managed converter can be connected to the load. The transformer can be designed as a separate unit belonging to the arrangement.
Vorzugsweise ist von der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von einem Augenblicksleistungsbedarf der Last ein Steuersignal erzeugbar, das an den fremdgefuhrten Stromrichter abgebbar ist. Mit dem Steuersignal ist der fremdgefuhrte Strom- richter so steuerbar, daß eine von der Energiequelle an die Last abgegebene Augenblicksleistung an den Augenblicksleistungsbedarf der Last weitgehend anpaßbar ist, wodurch eine bedarfsgerechte Energieversorgung vornehmbar ist.Depending on an instantaneous power requirement of the load, the control device can preferably generate a control signal that can be output to the externally managed power converter. The externally controlled power converter can be controlled with the control signal in such a way that an instantaneous power output from the energy source to the load can be largely adapted to the instantaneous power requirement of the load, as a result of which an energy supply that is tailored to the needs can be carried out.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Anordnung eine elektrische Wechselspannungsquelle auf, die lastseitig mit dem fremdgefuhrten Stromrichter verbunden ist, wobei von der Wechselspannungsquelle an den fremdgefuhrten Stromrichter zu dessen Fuhrung zumindest teilweise eine Spannung abgebbar ist. Durch die Wechselspannungsquelle ist vorteilhaft die zur Fuhrung des fremdgefuhrten Stromrichters erforderliche Spannung unabhängig von der durch das Energieversorgungsnetz abgegebenen Spannung bereitstellbar . Bei leichten Schwankungen der durch das Energieversorgungsnetz abgegebenen Spannung dient die Wechselspannungsquelle zusätzlich der Stabilisierung der Spannung.According to a preferred embodiment, the arrangement has an electrical AC voltage source which is connected on the load side to the externally managed converter, wherein a voltage can be at least partially output from the AC voltage source to the externally managed converter. The AC voltage source advantageously makes it possible to provide the voltage required for guiding the externally managed converter independently of the voltage emitted by the power supply network. In the event of slight fluctuations in the voltage emitted by the power supply network, the AC voltage source also serves to stabilize the voltage.
Vorzugsweise umfaßt die Wechselspannungsquelle eine Gleich- spannungsquelle und einen selbstgefuhrten Stromrichter. Der selbstgefuhrte Stromrichter ist so ansteuerbar, daß eine von der Gleichspannungsquelle gelieferte Gleichspannung in eine Wechselspannung umrichtbar ist, die an den fremdgefuhrten Stromrichter und an die Last abgebbar ist. Die Wechselspannung dient dabei zumindest teilweise als Spannung zur Fuhrung des fremdgefuhrten Stromrichters. Die von der Wechselspannungsquelle abgebbare Wechselspannung ist der vom Energieversorgungsnetz abgegebenen Spannung uberlagerbar, so daß Ande- rungen der vom Energieversorgungsnetz abgegebenen Spannung entgegengewirkt werden kann. Somit ist unabhängig von der vom Energieversorgungsnetz abgegebenen Spannung die zur Führung des fremdgeführten Stromrichters erforderliche Spannung be- reitstellbar.The AC voltage source preferably comprises a DC voltage source and a self-controlled converter. The self-guided converter can be controlled in such a way that a direct voltage supplied by the direct voltage source can be converted into an alternating voltage that can be delivered to the externally managed converter and to the load. The AC voltage serves, at least in part, as a voltage for guiding the externally managed converter. The AC voltage that can be output by the AC voltage source can be superimposed on the voltage output by the power supply network, so that other The voltage output by the power supply network can be counteracted. The voltage required for guiding the externally controlled converter can thus be prepared regardless of the voltage emitted by the power supply network.
Bevorzugtermaßen ist die Steuereinrichtung der Energiequelle mit dem selbstgeführten Stromrichter verbunden. Dadurch ist der selbstgeführte Stromrichter im Zusammenspiel mit dem fremdgeführten Stromrichter steuerbar.The control device of the energy source is preferably connected to the self-commutated converter. This means that the self-commutated converter can be controlled in conjunction with the externally managed converter.
Vorzugsweise weist die Gleichspannungsquelle einen Energiespeicher auf, der aus dem Energieversorgungsnetz, insbesondere über den selbstgeführten Stromrichter, ladbar ist. Eine Ladung des Energiespeichers aus dem Energieversorgungsnetz ist während eines Zeitintervalls, in dem keine Abgabe einer Wechselspannung durch die Wechselspannungsquelle erforderlich ist, durchführbar. Der selbstgeführte Stromrichter ist so steuerbar, daß die vom elektrischen Energieversorgungsnetz abgegebene Spannung in eine Gleichspannung umrichtbar ist, mit der der Energiespeicher der Gleichspannungsquelle ladbar ist. Dadurch ist ein nur für die Ladung des Energiespeichers vorgesehener elektrischer Pfad nicht notwendig.The DC voltage source preferably has an energy store which can be charged from the energy supply network, in particular via the self-commutated converter. The energy storage device can be charged from the energy supply network during a time interval in which it is not necessary to supply an AC voltage by the AC voltage source. The self-commutated converter can be controlled in such a way that the voltage emitted by the electrical power supply network can be converted into a DC voltage with which the energy store of the DC voltage source can be charged. As a result, an electrical path provided only for charging the energy store is not necessary.
Weiter bevorzugt weist der Energiespeicher der Gleichspannungsquelle einen Kondensator auf. Diese Ausgestaltung ist schaltungstechnisch einfach und läßt sich mit in der Praxis erprobten Komponenten realisieren.The energy store of the DC voltage source further preferably has a capacitor. This configuration is simple in terms of circuitry and can be implemented with components that have been tried and tested in practice.
Vorzugsweise ist die Anordnung seriell oder parallel zu derThe arrangement is preferably serial or parallel to that
Last schaltbar. Bei einer seriellen Anschaltung der Anordnung an die Last, welche Last beispielsweise eine Fabrik ist, ist insbesondere die vom Energieversorgungsnetz abgebbare Spannung stabilisierbar. Dabei ist mit der Anordnung besonders kurzzeitigen schnellen Änderungen der Spannung oder auch einer Abweichung der Spannung von der Sinusform entgegenwirkbar. Ist die Last beispielsweise ein weiteres Energieversor- 7 gungsnetz, kann die Anordnung mit einer seriellen Anschaltung ebenfalls der Stabilisierung der Spannung zur Qualitätsverbesserung dienen. Mit einer solchen Anordnung sind insbesondere Leistungspendelungen dampfbar. Sofern die Anordnung an einen Zweig des weiteren Energieversorgungsnetzes angeschlossen ist, kann mit der Anordnung ein Leistungsfluß über den Zweig beeinflußt werden.Switchable load. When the arrangement is connected to the load in series, which load is, for example, a factory, the voltage that can be output by the power supply network can be stabilized in particular. The arrangement can be used to counteract particularly brief, rapid changes in voltage or a deviation of the voltage from the sinusoidal shape. For example, is the load another energy supply 7 supply network, the arrangement with a serial connection can also serve to stabilize the voltage for quality improvement. With such an arrangement, power fluctuations in particular can be steamed. If the arrangement is connected to a branch of the further energy supply network, a power flow over the branch can be influenced with the arrangement.
Mit einer Anordnung mit einer parallelen Anschaltung der Wechselspannungsquelle an die Last ist insbesondere einWith an arrangement with a parallel connection of the AC voltage source to the load, in particular one
Blindleistungsbedarf der Last deckbar. Insbesondere bei einem Totalausfall des Energieversorgungsnetzes ist die Last durch die Anordnung mit Energie versorgbar. Weiterhin sind mit einer solchen Anordnung Oberschwingungen der Spannung des Ener- gieversorgungsnetzes oder eines vom Energieversorgungsnetz gelieferten Stromes weitgehend dampfbar. Eine Anordnung mit einer parallelen Anschaltung an die Last bietet weiterhin den Vorzug, daß die vom Energieversorgungsnetz abgebbare Leistung nicht über den selbstgefuhrten Stromrichter gefuhrt werden muß, so daß die Energieübertragung zwischen dem Energieversorgungsnetz und der Last mit geringen Verlusten behaftet ist.Reactive power requirement of the load can be covered. In the event of a total failure of the energy supply network, the arrangement can supply the load with energy. With such an arrangement, harmonics of the voltage of the energy supply network or of a current supplied by the energy supply network can also be largely damped. An arrangement with a parallel connection to the load also has the advantage that the power that can be output from the energy supply network does not have to be conducted via the self-commutated converter, so that the energy transmission between the energy supply network and the load is associated with low losses.
Bevorzugtermaßen ist die Wechselspannungsquelle über einen Transformator mit der Leitung verbindbar. Dadurch ist eine galvanische Trennung von der Last und der Wechselspannungsquelle gegeben und weiterhin eine Anpassung von unterschiedlichen Spannungen möglich.The AC voltage source can preferably be connected to the line via a transformer. This provides a galvanic isolation from the load and the AC voltage source, and it is also possible to adapt different voltages.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfaßt die Wechselspannungsquelle einen Augenblicksleistungserzeuger, der für einen Austausch von mindestens einer zum Betrieb des fremαgefuhrten Stromrichters erforderlichen Augenblicksleistung bemessen ist. Ein fremdgefuhrter Stromrichter hat in der Regel einen zur Umrichtung erforderlichen Augenblicksleistungsbedarf .According to a preferred embodiment, the AC voltage source comprises an instantaneous power generator, which is dimensioned for an exchange of at least one instantaneous power required for the operation of the externally guided converter. An externally managed converter usually has an instantaneous power requirement required for the conversion.
Dieser Augenblicksleistungsbedarf ist durch die Wechselspan- nungsquelle deckbar, so daß der Augenblicksleistungsbedarf nicht aus dem Energieversorgungsnetz gedeckt werden muß.This instantaneous power requirement is due to the AC Coverable source, so that the instantaneous power requirement does not have to be covered from the energy supply network.
Mit Vorteil ist dabei von der Steuereinrichtung ein weiteres Steuersignal abhängig von einem Augenblicksleistungsbedarf des fremdgeführten Stromrichters erzeugbar, das dem selbstgeführten Stromrichter zuleitbar ist.Advantageously, a further control signal can be generated by the control device depending on an instantaneous power requirement of the externally controlled converter, which can be fed to the self-controlled converter.
Vorteilhafterweise ist der selbstgeführte Stromrichter mit dem Steuersignal so steuerbar, daß der Augenblicksleistungsbedarf des fremdgeführten Stromrichters durch die mit der Wechselspannungsquelle ausgetauschte Augenblicksleistung zumindest gedeckt ist. Weiterhin können das dem fremdgeführten Stromrichter zugeleitete Steuersignal und das dem selbstge- führten Stromrichter zugeführte Steuersignal so aufeinander abgestimmt werden, daß der Augenblicksleistungsbedarf des fremdgeführten Stromrichters und der Augenblicksleistungsbedarf der Last weitgehend deckbar sind.The self-commutated converter can advantageously be controlled with the control signal in such a way that the instantaneous power requirement of the externally managed converter is at least covered by the instantaneous power exchanged with the AC voltage source. Furthermore, the control signal supplied to the externally managed converter and the control signal supplied to the self-managed converter can be coordinated with one another in such a way that the instantaneous power requirement of the externally managed converter and the instantaneous power requirement of the load can be largely covered.
Vorzugsweise ist der Energiespeicher der Energiequelle aus dem Energieversorgungsnetz, insbesondere über den fremdgeführten Stromrichter, ladbar.The energy store of the energy source can preferably be charged from the energy supply network, in particular via the externally managed converter.
Nach einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist ein steuerbares Trennglied vorgesehen, mit dem das Energieversorgungsnetz von der Leitung trennbar ist. Damit ist insbesondere bei einem Totalausfall des Energieversorgungsnetzes dieses von der Leitung trennbar, so daß das Energieversorgungsnetz bei der Energieversorgung der elektrischen Last mit der Anordnung nicht als eine zusätzliche Last wirkt.According to a further preferred embodiment, a controllable isolating element is provided, by means of which the energy supply network can be separated from the line. Thus, in particular in the event of a total failure of the energy supply network, the latter can be disconnected from the line, so that the energy supply network does not act as an additional load with the arrangement when the electrical load is supplied with energy.
Bevorzugtermaßen ist zur Bildung eines geschlossenen Stromkreises mit der Last und der Energiequelle ein, insbesondere schaltbarer, Rückflußpfad vorgesehen. Vorteilhaft ist mit Hilfe des Rückflußpfades ein geschlossener Stromkreis mit der Last und der Energiequelle insbesondere dann bildbar, wenn das Energieversorgungsnetz von der Leitung abgetrennt ist. Parallel zur Energiequelle kann auch ein kapazitiver Speicher mit der Leitung verbunden sein, der der Zwischenspeicherung und dem Austausch von Blindleistung mit der Energiequelle und/oder der Last dient. Über den kapazitiven Speicher ist ein Blindleistungsbedarf der Last und/oder der Energiequelle zumindest teilweise deckbar, so daß die Wechselspannungsquelle zur Deckung des Blindleistungsbedarfs nur noch einen dazu erforderlichen Blindleistungsanteil an die Last und/oder die Energiequelle abgeben muß.A return flow path, in particular a switchable one, is preferably provided to form a closed circuit with the load and the energy source. A closed circuit with the load and the energy source can advantageously be formed with the aid of the return flow path, in particular when the energy supply network is disconnected from the line. In parallel to the energy source, a capacitive memory can also be connected to the line, which serves for the temporary storage and the exchange of reactive power with the energy source and / or the load. A reactive power requirement of the load and / or the energy source can be covered at least partially via the capacitive memory, so that the AC voltage source only has to give a required reactive power component to the load and / or the energy source to cover the reactive power requirement.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Last gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Energieversorgung einer elektrischen Last aus einer Energiequelle, die einen Energiespei- eher und einen mit dem Energiespeicher verbundenen fremdgeführten Stromrichter umfaßt, wobei eine Wechselspannung erzeugt und dem fremdgeführten Stromrichter zu dessen Führung zugeführt wird.According to the invention, the object directed to a method for supplying electrical energy to an electrical load is achieved by a method for supplying energy to an electrical load from an energy source, which comprises an energy store and an externally managed converter connected to the energy store, an alternating voltage being generated and the externally managed converter is led to its leadership.
Bevorzugt wird die Wechselspannung zumindest teilweise durch einen selbstgeführten Stromrichter erzeugt. Vorzugsweise wird zwischen den beiden Stromrichtern zumindest teilweise Augenblicksleistung ausgetauscht.The AC voltage is preferably generated at least partially by a self-commutated converter. Preferably, instantaneous power is at least partially exchanged between the two converters.
Vorteilhaft an dem Verfahren ist, daß die zur Führung des fremdgeführten Stromrichters erforderliche Spannung separat erzeugt wird und nicht ausschließlich aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz entnommen werden muß. Weiter von Vorteil ist, daß ein Augenblicksleistungsbedarf des fremdgeführ- ten Stromrichters durch Austausch von Augenblicksleistung mit dem selbstgeführten Stromrichter zumindest teilweise gedeckt wird.An advantage of the method is that the voltage required for guiding the externally controlled power converter is generated separately and does not have to be taken exclusively from the electrical power supply network. Another advantage is that an instantaneous power requirement of the externally managed converter is at least partially covered by exchanging instantaneous power with the self-guided converter.
Bevorzugterweise wird die Wechselspannung zumindest teilweise an einem elektrischem Energieversorgungsnetz abgenommen. Der fremdgeführte Stromrichter kann energiespeicherseitig kurzgeschlossen werden. Dadurch ist ein Verhältnis aus ausgetausch- 10 ter Blindleistung und abgegebener Wirkleistung zumindest teilweise unabhängig von der Wirkleistung steuerbar. Beim fremdgeführten Stromrichter kann im Zusammenspiel mit einem energiespeicherseitig bewirkten Kurzschließen die abgebbare Augenblicksleistung gesteuert werden.The AC voltage is preferably drawn at least partially from an electrical power supply network. The externally controlled converter can be short-circuited on the energy storage side. As a result, a ratio of exchanged 10 ter reactive power and delivered active power at least partially controllable independently of the active power. In the case of an externally controlled power converter, the instantaneous power that can be output can be controlled in conjunction with a short circuit caused by the energy storage.
Anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele werden die Anordnung und das Verfahren zur Energieversorgung näher erläutert. Es zeigen:The arrangement and the method for energy supply are explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown schematically in the drawing. Show it:
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Energieversorgung, Figur 2 ein Blockschaltbild der Energiequelle, und Figur 3 eine weitere Anordnung zur Energieversorgung mit einem Rückflußpfad.1 shows a block diagram of an arrangement for energy supply, FIG. 2 shows a block diagram of the energy source, and FIG. 3 shows a further arrangement for energy supply with a return flow path.
Die Bezugszeichen sämtlicher Figuren haben jeweils die gleiche Bedeutung. Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich bezeichnete Spannungen und Ströme bei Anordnungen, die für mehreren Phasen ausgebildet sind auf eine der Phasen, bezeichnete Leistungen beziehen sich auf die jeweils insgesamt von einer Quelle abgegebene oder von einer Senke aufgenommme- ne Leistung.The reference numerals of all figures have the same meaning. Unless otherwise stated, the voltages and currents in the case of arrangements which are designed for a plurality of phases relate to one of the phases, and the powers referred to relate to the total power emitted by a source or consumed by a sink.
In Figur 1 ist eine Anordnung 1 zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Last 2 dargestellt. Die elektrische Last 2 ist über eine elektrische Leitung 3 an ein elektrisches Energieversorgungsnetz 4 angeschlossen. Das Energieversorgungsnetz 4 kann insbesondere ein dreiphasiges Mittel- spannungs- oder Niederspannungsnetz zur Energieverteilung oder ein dreiphasiges Hochspannungsnetz zur Energieübertragung sein.1 shows an arrangement 1 for the electrical energy supply of an electrical load 2. The electrical load 2 is connected to an electrical power supply network 4 via an electrical line 3. The energy supply network 4 can in particular be a three-phase medium-voltage or low-voltage network for energy distribution or a three-phase high-voltage network for energy transmission.
Die elektrische Last 2 kann beispielsweise eine Fabrik, ins- besondere zur Herstellung von Halbleiterbauteilen, sein, die eine stabile, ausfallsichere Energieversorgung benötigt. Ein Energieausfall kann bei einer derartigen Last 2 bewirken, daß 11 ein in der Fabrik laufender Produktionsprozess erheblich gestört wird. Eine Störung des Produktionsprozesses kann erfordern, daß dieser neu gestartet werden muß oder daß ein Teil der Ergebnisse des Produktionsprozesses nicht verwertbar ist. Die Last 2 kann auch ein weiteres Energieversorgungsnetz sein. Die elektrische Leitung 3 ist als dreiphasige Leitung 3 ausgebildet. Die Anordnung 1 weist eine elektrische Energiequelle 5 und eine Steuereinheit 7 auf.The electrical load 2 can, for example, be a factory, in particular for the production of semiconductor components, which requires a stable, fail-safe energy supply. A power failure with such a load 2 can cause 11 a production process running in the factory is significantly disrupted. A disruption in the production process may require that it be restarted or that part of the results of the production process cannot be used. The load 2 can also be a further energy supply network. The electrical line 3 is designed as a three-phase line 3. The arrangement 1 has an electrical energy source 5 and a control unit 7.
Die elektrische Energiequelle 5 umfaßt einen Energiespeicher 8, der über einen fremdgeführten Stromrichter 9 und einen elektrischen Transformator 10 mit der Leitung 3 verbunden ist. Der Stromrichter 9 kann gegebenenfalls auch direkt mit der Leitung 3 verbunden sein. Der elektrische Energiespeicher 8 kann sowohl zur Speicherung von mechanischer als auch von elektrischer Energie ausgebildet und dazu beispielweise als Schwungradspeicher und/oder als magnetischer Speicher ausgeführt sein.The electrical energy source 5 comprises an energy store 8, which is connected to the line 3 via an externally managed converter 9 and an electrical transformer 10. The converter 9 can optionally also be connected directly to the line 3. The electrical energy store 8 can be designed to store both mechanical and electrical energy and can be designed, for example, as a flywheel store and / or as a magnetic store.
Die elektrische Leitung 3 weist weiterhin eine erste Meßeinrichtung 20 und eine zweite Meßeinrichtung 20a auf, die jeweils über eine erste Meßleitung 21 und eine zweite Meßeinrichtung 21a mit der Steuereinrichtung 7 verbunden ist. Die Meßeinrichtung 20a dient der Messung einer vom Energieversor- gungsnetz 4 abgegebenen Spannung Ul und eines von diesem abgegebenen Stromes II. Die Meßeinrichtung 20 dient der Messung von einer an der Last 2 anliegenden Spannung U2 und einem an die Last 2 abgegebenen Strom 12. Der fremdgeführte Stromrichter 9 ist über eine dritte Meßleitung 11 und eine erste Steu- erleitung 12 mit der Steuereinrichtung 7 verbunden.The electrical line 3 also has a first measuring device 20 and a second measuring device 20a, each of which is connected to the control device 7 via a first measuring line 21 and a second measuring device 21a. The measuring device 20a is used to measure a voltage U1 and a current II emitted by the energy supply network 4. The measuring device 20 is used to measure a voltage U2 applied to the load 2 and a current 12 supplied to the load 2. The externally controlled Converter 9 is connected to control device 7 via a third measuring line 11 and a first control line 12.
Zu einem Betrieb der Anordnung 1 wird folgendermaßen verfahren:Operation of the arrangement 1 is as follows:
Im Normalbetrieb gibt das elektrische Energieversorgungsnetz 4 die elektrische Spannung Ul und den elektrischen Strom II und damit eine entsprechende elektrische Augenblicksleistung 12In normal operation, the electrical power supply network 4 gives the electrical voltage U1 and the electrical current II and thus a corresponding instantaneous electrical power 12
Sl über die elektrische Leitung 3 an die Last 2 ab. Mit der Meßeinrichtung 20 werden die an der Last anliegende Spannung U2 und der an die Last abgegebene Strom 12 gemessen. Dabei gewonnene Meßwerte 22 werden über die erste Meßleitung 21 an die Steuereinrichtung 7 geleitet. Die Meßwerte 22 werden in der Steuereinrichtung 7 ausgewertet, wobei die an die Last 2 abgegebene Augenblicksleistung S2 ermittelt wird. Eine Änderung der Spannung U2, insbesondere ein Abfall der Spannung U2, sowie eine Änderung der Augenblicksleistung S2 ist damit von der Steuereinrichtung 7 erfaßbar.Sl via the electrical line 3 to the load 2. The measuring device 20 measures the voltage U2 applied to the load and the current 12 delivered to the load. Measured values 22 obtained in this way are passed to the control device 7 via the first measuring line 21. The measured values 22 are evaluated in the control device 7, the instantaneous power S2 delivered to the load 2 being determined. A change in the voltage U2, in particular a drop in the voltage U2, and a change in the instantaneous power S2 can thus be detected by the control device 7.
In einem Storungsbetπeb zur Stabilisierung der Energieversorgung der Last 2, womit ein Entgegenwirken einer unerwünschten Änderung der Spannung U2 der Augenblicksleistung S2 zu verstehen ist, gibt die Energiequelle 5 eine Momentanlei- stung S3 ab. Dazu gibt der Energiespeicher 8 der Energiequelle 5 einen Strom I an den fremdgefuhrten Stromrichter 9 ab, mit dem der Strom I in einen entsprechenden 3-phasιgen Strom gewandelt und über den Transformator 10 an die Leitung 3 ab- gegeben wird. Die Steuerung des Stromrichters 9 wird dabei mit Hilfe eines von der Steuereinrichtung 7 erzeugten Steuersignals 24 entsprechend einem Bedarf der Last 2 an Augenblicksleistung S2 vorgenommen, wobei das Steuersignal 24 dem fremdgefuhrten Stromrichter 9 über die erste Steuerleitung 12 zugeleitet wird.In a disturbance operation for stabilizing the energy supply to the load 2, which is to be understood as counteracting an undesired change in the voltage U2 of the instantaneous power S2, the energy source 5 emits an instantaneous power S3. For this purpose, the energy store 8 of the energy source 5 outputs a current I to the externally managed converter 9, with which the current I is converted into a corresponding 3-phase current and is delivered to the line 3 via the transformer 10. The control of the converter 9 is carried out with the aid of a control signal 24 generated by the control device 7 in accordance with a requirement of the load 2 for instantaneous power S2, the control signal 24 being fed to the externally managed converter 9 via the first control line 12.
Die Anordnung 1 weist optional eine elektrische Wechselspannungsquelle 6 auf. Die elektrische Wechselspannungsquelle 6 umfaßt eine elektrische Gleichspannungsquelle 13, die über einen selbstgefuhrten Stromrichter 14 und über einen elektrischen Transformator 15 an die elektrische Leitung 3 angeschlossen ist. Dadurch ist die Wechselspannungsquelle 6 mit dem fremdgefuhrten Stromrichter 10 elektrisch verbunden. Der selbstgefuhrte Stromrichter 14 kann direkt, parallel oder auch seriell mit der Leitung 3 verbunden sein. 13The arrangement 1 optionally has an electrical AC voltage source 6. The electrical alternating voltage source 6 comprises an electrical direct voltage source 13 which is connected to the electrical line 3 via a self-controlled converter 14 and via an electrical transformer 15. As a result, the AC voltage source 6 is electrically connected to the externally managed power converter 10. The self-controlled converter 14 can be connected directly, in parallel or also in series to the line 3. 13
Die Gleichspannungsquelle 13 umfaßt einen Energiespeicher 40a, der beispielsweise einen Kondensator 40 - wie schematisch angedeutet - aufweisen kann. Der Transformator 15 der Wechselspannungsquelle 6 ist parallel zu der Last 2 geschal- tet . Er kann aber auch seriell mit der Last 2 (siehe FIG 3) verbunden sein. Die Gleichspannungsquelle 13 und der selbst- gefuhrte Stromrichter 14 dienen der Erzeugung einer Wechselspannung U4 und bilden gleichzeitig einen Augenblickslei- stungserzeuger 16. Der selbstgefuhrte Stromrichter 14 ist über eine zweite Steuerleitung 17 mit der Steuereinrichtung 7 verbunden.The DC voltage source 13 comprises an energy store 40a, which can have, for example, a capacitor 40 - as indicated schematically. The transformer 15 of the AC voltage source 6 is connected in parallel to the load 2. However, it can also be connected in series with the load 2 (see FIG. 3). The DC voltage source 13 and the self-guided converter 14 serve to generate an alternating voltage U4 and at the same time form an instantaneous power generator 16. The self-guided converter 14 is connected to the control device 7 via a second control line 17.
Zur Stabilisierung der Energieversorgung im Storungsbetrieb wird wie folgt verfahren:Proceed as follows to stabilize the energy supply in fault operation:
Die Wechselspannungsquelle 6 gibt zur Stabilisierung der Energieversorgung eine Spannung U4 ab und/oder tauscht mit dem fremdgefuhrten Stromrichter 9 und/oder mit der Last 2 eine Momentanleistung S4 aus. Eine von der Gleichspannungsquel- le 13 der Wechselspannungsquelle 6 abgegebene Spannung U wird mit Hilfe des selbstgefuhrten Stromrichters 14 in die entsprechende 3-phasιge Spannung U4 umgerichtet und über den Transformator 15 an die Leitung 3 abgegeben.To stabilize the energy supply, the AC voltage source 6 outputs a voltage U4 and / or exchanges an instantaneous power S4 with the externally managed power converter 9 and / or with the load 2. A voltage U output from the DC voltage source 13 of the AC voltage source 6 is converted into the corresponding 3-phase voltage U4 with the aid of the self-controlled converter 14 and is output to the line 3 via the transformer 15.
Ein zur Umrichtung erforderlicher Momentanleistungsbedarf des fremdgefuhrten Stromrichters 9 wird stromrichterintern gemessen und dabei ermittelte Meßwerte 23 über die dritte Meßleitung 11 der Steuereinrichtung 7 zugeleitet. Unter Auswertung der Meßwerte 23 erzeugt die Steuereinrichtung 7 ein Steuersi- gnal 25, mit dem m Abhängigkeit von einem Bedarf des fremdgefuhrten Stromrichters 9 an Momentanleistung die Kommutierung der Gleichspannung U mit dem selbstgefuhrten Stromrichter 14 gesteuert wird. Die Wechselspannungsquelle 6 ist dadurch so steuerbar, daß sie den Momentanleistungsbedarf des fremdgefuhrten Stromrichters deckt. 14An instantaneous power requirement of the externally guided converter 9 required for the conversion is measured internally in the converter and measured values 23 determined are supplied to the control device 7 via the third measuring line 11. When the measured values 23 are evaluated, the control device 7 generates a control signal 25, with which the commutation of the direct voltage U with the self-controlled converter 14 is controlled as a function of the instantaneous power requirement of the externally managed converter 9. The AC voltage source 6 can be controlled in such a way that it covers the instantaneous power requirement of the externally managed converter. 14
Die elektrische Leitung 3 weist ein steuerbares Trennglied 18 auf, das über eine dritte Steuerleitung 19 mit der Steuereinrichtung 7 verbunden ist und mit dem das Energieversorgungsnetz 4 von der elektrische Leitung 3 trennbar ist. Die Stromrichter 9 und 14, die Transformatoren 10 und 15 sowie das Trennglied 18 und die Meßeinrichtung 20 sind bevorzugt 3- phasig ausgebildet. Das Trennglied 18 ist bevorzugt mit nicht naher dargestellten, steuerbaren Halbleiterventilen ausgebildet.The electrical line 3 has a controllable isolating element 18 which is connected to the control device 7 via a third control line 19 and with which the energy supply network 4 can be separated from the electrical line 3. The converters 9 and 14, the transformers 10 and 15 and the isolating element 18 and the measuring device 20 are preferably of three-phase design. The separator 18 is preferably formed with controllable semiconductor valves, not shown in any more detail.
Falls erforderlich, ist mit dem Trennglied 18, gesteuert von der Steuereinrichtung 7 über die Steuerleitung 19, das Energieversorgungsnetz 4 von der elektrische Leitung 3 trennbar. Die Energieversorgung der Last 2 wird nach einer Abtrennung des Energieversorgungsnetzes 4 allem durch die Energiequelle 5 und die Wechselspannungsquelle 6 aufrechterhalten.If necessary, the power supply network 4 can be separated from the electrical line 3 with the isolating element 18, controlled by the control device 7 via the control line 19. The energy supply to the load 2 is maintained after the energy supply network 4 has been disconnected, in particular by the energy source 5 and the AC voltage source 6.
Die vom Energieversorgungsnetz 4 abgegebene Spannung Ul und der Strom II sind mit der Meßeinrichtung 20a meßbar. Dabei gewonnene Meßwerte 22a sind über die zweite Meßleitung 21a der Steuereinrichtung 7 zuleitbar und von dieser auswertbar. Insbesondere nach einer Abtrennung des Energieversorgungsnetzes 4 ist somit ermittelbar, ob die Spannung Ul ungestört vorliegt und eine Wiederanschaltung des Energieversorgungs- netzes 4 an die Leitung 3 vornehmbar ist. Zu einer Wiederanschaltung werden durch die Steuereinrichtung 7 gesteuert das Energieversorgungsnetz 4 und die Leitung 3 über das Trennglied 18 wieder miteinander verbunden.The voltage U1 and the current II emitted by the power supply network 4 can be measured with the measuring device 20a. Measured values 22a obtained in this way can be fed to the control device 7 via the second measuring line 21a and can be evaluated by the latter. In particular, after the power supply network 4 has been disconnected, it can thus be determined whether the voltage U 1 is undisturbed and whether the power supply network 4 can be reconnected to the line 3. In order to be switched on again, the power supply network 4 and the line 3 are again connected to one another by the control device 7 via the isolating element 18.
Die Stromrichter 9 und 14 umfassen jeweils nicht naher dargestellte steuerbare Ventile und jeweils ein nicht naher dargestelltes Steuergerat, wobei das Steuergerat einer direkten Ansteuerung der jeweiligen Ventile und für sonstige stromrichterinterne oder stromrichternahe Aufgaben dient.The converters 9 and 14 each include controllable valves (not shown in detail) and a control unit (not shown in more detail), the control unit being used for direct control of the respective valves and for other in-converter or near-converter tasks.
Mit einer Anordnung 1 mit einer parallelen Anschaltung der Wechselspannungsquelle 6 an die Last 2 ist insbesondere ein 15With an arrangement 1 with a parallel connection of the AC voltage source 6 to the load 2 is in particular a 15
Bl dleistungsbedarf der Last 2 deckbar. Insbesondere bei einem Totalausfall und nach einer Abtrennung des Energieversorgungsnetzes 4 ist die Last 2 mit der Anordnung 1 mit Energie versorgbar. Weiterhin sind mit einer solchen Anordnung 1 Oberschwingungen der Spannung Ul oder des Stromes II weitgehend dampfbar. Eine solche Anordnung 1 bietet weiterhin den Vorzug, daß die vom Energieversorgungsnetz 4 abgebbare Augenblicksleistung S3 nicht über die Wicklung 26 (siehe FIG 2) gefuhrt werden muß .Power requirement of load 2 can be covered. In particular in the event of a total failure and after the power supply network 4 has been disconnected, the load 2 with the arrangement 1 can be supplied with energy. Furthermore, with such an arrangement 1 harmonics of the voltage U1 or the current II can be largely damped. Such an arrangement 1 also offers the advantage that the instantaneous power S3 that can be output by the energy supply network 4 does not have to be conducted via the winding 26 (see FIG. 2).
In Figur 2 ist in einer detaillierten Darstellung die Energiequelle 5 mit dem Energiespeicher 8, dem fremdgefuhrten Stromrichter 9 und dem elektrischen Transformator 10 gezeigt. Der Transformator 10 ist als Drehstromtransformator 10 ausge- fuhrt. Der Transformator 10 weist die Wicklungen 26, 27 undFIG. 2 shows a detailed illustration of the energy source 5 with the energy store 8, the externally managed converter 9 and the electrical transformer 10. The transformer 10 is designed as a three-phase transformer 10. The transformer 10 has the windings 26, 27 and
28 auf, die jeweils drei nicht naher dargestellte Phasenwicklungen umfassen. Die Phasenwicklungen der Wicklung 26 sind als Stern geschaltet und mit der elektrischen Leitung 3 verbunden. Die jeweiligen Phasenwicklungen der Wicklungen 27 und 28 sind als Dreieck geschaltet. Der fremdgefuhrte Stromrichter 9 weist zwei Serie geschaltete Bruckenumπchter 29, 30 auf. Der erste Bruckenumπchter 29 ist mit der Wicklungen 27 und der zweite Bruckenumπchter 30 ist mit der Wicklung 28 des Transformators 10 verbunden.28, each comprising three phase windings, not shown in detail. The phase windings of the winding 26 are connected as a star and connected to the electrical line 3. The respective phase windings of the windings 27 and 28 are connected as a triangle. The externally managed power converter 9 has two series-connected bridge converters 29, 30. The first bridge converter 29 is connected to the windings 27 and the second bridge converter 30 is connected to the winding 28 of the transformer 10.
Die Bruckenumπchter 29 und 30 weisen Ventile 36 auf, zu deren Fuhrung eine Spannung U5 erforderlich ist. Die Spannung U5 ist im Normalbetrieb dem Energieversorgungsnetz 4 (siehe Figur 1) über den Transformator 10 entnehmbar.The bridge jumpers 29 and 30 have valves 36, for the guidance of which a voltage U5 is required. In normal operation, the voltage U5 can be taken from the power supply network 4 (see FIG. 1) via the transformer 10.
Parallel zu den Bruckenumrichtern 29 und 30 ist ein elektrischer Pfad 31 mit einem steueroaren Ventil 32 geschaltet. Der elektrische Pfad 31 mit dem Ventil 32 wird in der Praxis aucn als Nullanode bezeichnet. Das Ventil 32 kann auch als unge- steuerte Diode ausgeführt sein. Der fremdgefuhrte Stromrichter 9 umfaßt ein Steuergerat 41, das einer Steuerung der Bruckenumrichter 29 und 30 sowie der direkten Ansteuerung der 16An electrical path 31 with a control valve 32 is connected in parallel to the bridge converters 29 and 30. In practice, the electrical path 31 with the valve 32 is also referred to as the zero anode. The valve 32 can also be designed as an uncontrolled diode. The externally managed converter 9 comprises a control device 41 which controls the bridge converters 29 and 30 and the direct control of the 16
Ventile 36 dient. Das Steuergerat 41 ist über die erste Steuerleitung 12 mit der Steuereinrichtung 7 (siehe Figur 1) verbunden und von der Steuereinrichtung 7 steuerbar. Zur besseren Übersicht ist die Steuereinrichtung 7 in der FIG 2 nicht dargestellt.Valves 36 is used. The control device 41 is connected to the control device 7 (see FIG. 1) via the first control line 12 and can be controlled by the control device 7. For a better overview, the control device 7 is not shown in FIG 2.
Der Energiespeicher 8 weist einen supraleitenden Magneten 33 auf, der sich in einem thermisch isolierenden Gefäß 34 befindet. In dem thermisch isolierenden Gefäß 34 befindet sich ein Kuhlmittel 35, mit dem der supraleitende Magnet 33 kuhlbar ist. Der elektrische Energiespeicher 8 ist für eine Leistung zwischen 10 MVAs bis 1000 MVAs, insbesondere zwischen 250 MVAs bis 350 MVAs, ausgelegt. Die übrigen Bauteile und Komponenten der Anordnung 1 sind dementsprechend bemessen.The energy store 8 has a superconducting magnet 33, which is located in a thermally insulating vessel 34. A coolant 35, with which the superconducting magnet 33 can be cooled, is located in the thermally insulating vessel 34. The electrical energy store 8 is designed for a power between 10 MVAs to 1000 MVAs, in particular between 250 MVAs to 350 MVAs. The other parts and components of the arrangement 1 are dimensioned accordingly.
Zu einer Energieversorgung der elektrischen Last 2 gibt der supraleitende Magnet 33 einen Strom I an den fremdgefuhrten Stromrichter 9 ab. Der Strom I wird durch den fremdgefuhrten Stromrichter 9 in einen entsprechende 3-phasigen Strom 13 uiti- gerichtet und über den Transformator 10 an die elektrischeThe superconducting magnet 33 outputs a current I to the externally managed power converter 9 to supply energy to the electrical load 2. The current I is uiti directed by the externally led power converter 9 into a corresponding 3-phase current 13 and via the transformer 10 to the electrical one
Last 2 abgegeben. Der fremdgefuhrte Stromrichter 9 wird über die erste Steuerleitung 12 von der Steuereinrichtung 7 Abhängigkeit von einem Augenblicksleistungsbedarf der Last 2 gesteuert .Load 2 delivered. The externally managed converter 9 is controlled via the first control line 12 by the control device 7 as a function of an instantaneous power requirement of the load 2.
Über den elektrischen Pfad 31 ist der Stromrichter 9 energiespeicherseitig kurzschließbar, so daß der vom Energiespeicher 8 abgegeben Strom I als Kreisstrom Ik fließen kann. Bei der Umrichtung des Stroms I ist durch das Kurzschließen des fremdgefuhrten Stromrichters 9 wahrend eines Zeitintervalls Δt bewirkbar, daß in dem Zeitintervall Δt kein Strom durch den fremdgefuhrten Stromrichter 9 umgerichtet und dadurch kein Strom über den Transformator 10 an die Leitung 3 abgegeben wird. Der Strom I fließt wahrend des Zeitmtervalls Δt als Kreisstrom Ik. Durch ein entsprechend gesteuertes kurzzeitiges energiespeicherseitiges Kurzschließen des Stromrichters 9 kann das Verhältnis V von an die Last 2 abgegebener 17The converter 9 can be short-circuited on the energy storage side via the electrical path 31, so that the current I emitted by the energy store 8 can flow as a circulating current Ik. When the current I is converted, the short-circuiting of the externally guided converter 9 during a time interval .DELTA.t means that in the time interval .DELTA.t no current is redirected by the externally managed converter 9 and therefore no current is delivered to the line 3 via the transformer 10. The current I flows during the time interval Δt as a circulating current Ik. By means of a correspondingly controlled short-time short-circuiting of the converter 9 on the energy storage side, the ratio V of the output to the load 2 can be reduced 17
Wirkleistung P3 und mit der Last 2 ausgetauschten Blindleistung Q3 bei einer konstanten Wirkleistung P3 verändert werden. Dadurch ist es möglich, bei einer an die Last 2 abgegebenen konstanten Wirkleistung P3 die mit der Last 2 ausge- tauschte Blindleistung Q3 je nach Blindleistungsbedarf zu variieren. Dadurch ist auch die von der Energiequelle 5 abgebbare Augenblicksleistung S3 steuerbar.Active power P3 and reactive power Q3 exchanged with load 2 can be changed at a constant active power P3. This makes it possible to vary the reactive power Q3 exchanged with the load 2 at a constant active power P3 delivered to the load 2, depending on the reactive power requirement. As a result, the instantaneous power S3 that can be output by the energy source 5 can also be controlled.
Alternativ ist ein elektrischer Pfad zum Kurzschließen des fremdgeführten Stromrichters 9 mit mehreren Ventilen 36 allein durch entsprechende Ansteuerung der Brückenumrichter 29 und 30 bildbar. In diesem Fall ist der elektrische Pfad 31 nicht notwendig.Alternatively, an electrical path for short-circuiting the externally controlled converter 9 with a plurality of valves 36 can be formed solely by correspondingly controlling the bridge converters 29 and 30. In this case, the electrical path 31 is not necessary.
Bei einem Totalausfall des Energieversorgungsnetzes 4 - also einem Wegfall der Spannung Ul - wird die Spannung U5 vollständig der Wechselspannungsquelle 6 über den selbstgeführten Stromrichter 9 (siehe FIG 1) und über den Transformator 15 entnommen.In the event of a total failure of the energy supply network 4 - that is to say a loss of the voltage Ul - the voltage U5 is completely removed from the AC voltage source 6 via the self-commutated converter 9 (see FIG. 1) and via the transformer 15.
In Figur 3 ist die in Figur 1 dargestellte Anordnung 1 gezeigt, wobei der Transformator 15 seriell in die Leitung 3 geschaltet ist. Mit dieser Anordnung ist insbesondere einem geringfügigen Absinken der Spannung U2 entgegenwirkbar.The arrangement 1 shown in FIG. 1 is shown in FIG. 3, the transformer 15 being connected in series in the line 3. With this arrangement, a slight drop in voltage U2 can be counteracted in particular.
Zusätzlich ist bei dieser Ausführung ein Rückflußpfad 38 vorgesehen, der mit der Leitung 3 über ein Trennglied 37 verbindbar ist. Der Rückflußpfad 38 dient der Bildung eines geschlossenen Stromkreises mit der Last 2, der Energiequelle 5 und der Wechselspannungsquelle 6. Die Bildung eines solchen geschlossenen Stromkreises ist in dem Fall erforderlich, in dem das Energieversorgungsnetz 4 mit Hilfe des Trenngliedes 18 von der elektrischen Leitung 3 abgetrennt ist. Der Rückflußpfad 38 kann auch nicht näher dargestellte Induktivitäten aufweisen. Das Trennglied 37 ist über eine vierte Steuerleitung 39 mit der Steuereinrichtung 7 verbunden und von dieser gesteuert schaltbar. CO co r M P-» P>In addition, a return flow path 38 is provided in this embodiment, which can be connected to line 3 via a separating element 37. The return flow path 38 serves to form a closed circuit with the load 2, the energy source 5 and the AC voltage source 6. The formation of such a closed circuit is necessary in the case in which the energy supply network 4 is separated from the electrical line 3 by means of the isolating element 18 is. The return flow path 38 can also have inductors, not shown in detail. The isolating element 37 is connected to the control device 7 via a fourth control line 39 and can be controlled by it. CO co r M P- »P>
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1 1 rt 1 1 1 1 1
19 leistung Sl dämpfbar. Desweiteren ist die Anordnung 1 zur Beeinflussung eines Leistungsflusses einer über die Leitung 3 transportierten Augenblicksleistung einsetzbar. 19 performance Sl can be damped. Furthermore, the arrangement 1 can be used to influence a power flow of an instantaneous power transported via the line 3.

Claims

20Patentansprüche 20 patent claims
1. Anordnung (1) zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Last (2) , die über eine elektrische Leitung (3) an ein elektrisches Energieversorgungsnetz (4) angeschlossen ist, mit einer elektrischen Energiequelle (5) und mit einer Steuereinrichtung (7), wobei die Energiequelle (5) einen fremdgeführten Stromrichter (9) und einen Energiespeicher (8) aufweist, der über den fremdgeführten Stromrichter (9) an die Last (2) anschließbar ist, und wobei die Steuereinrichtung (7) mit dem fremdgeführten Stromrichter (9) zu dessen Ansteuerung verbunden ist.1. Arrangement (1) for the electrical energy supply of an electrical load (2), which is connected via an electrical line (3) to an electrical energy supply network (4), with an electrical energy source (5) and with a control device (7), wherein the energy source (5) has an externally managed converter (9) and an energy store (8) which can be connected to the load (2) via the externally managed converter (9), and the control device (7) with the externally managed converter (9) is connected to its control.
2. Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei von der Energiequelle (5) Augenblicksleistung (S3) , insbesondere Wirkleistung (P3) , an die Last (2) abgebbar und/oder Blindleistung (Q3) zwischen der Energiequelle (5) und der Last (2) austauschbar sind/ist, wobei das Verhältnis von Blindleistung (Q3) zu Wirkleistung (P3) bei einer konstanten Wirkleistung (P3) steuerbar ist.2. Arrangement (1) according to claim 1, wherein from the energy source (5) instantaneous power (S3), in particular active power (P3), deliverable to the load (2) and / or reactive power (Q3) between the energy source (5) and Load (2) are / can be exchanged, the ratio of reactive power (Q3) to active power (P3) being controllable at a constant active power (P3).
3. Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der fremdgeführte Stromrichter (9) energiespeicherseitig über einen insbesondere steuerbaren elektrischen Pfad (31) kurzschließbar ist.3. Arrangement (1) according to claim 1 or 2, wherein the externally guided converter (9) on the energy storage side can be short-circuited via a particularly controllable electrical path (31).
4. Anordnung (1) nach Anspruch 3, wobei der elektrische Pfad (31) zumindest ein insbesondere steuerbares Ventil (32) aufweist .4. Arrangement (1) according to claim 3, wherein the electrical path (31) has at least one in particular controllable valve (32).
5. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher (8) zur Speicherung elektrischer und/oder mechanischer Energie ausgebildet ist.5. Arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the energy store (8) is designed for storing electrical and / or mechanical energy.
6. Anordnung (1) nach Anspruch 5, wobei der Energiespeicher (8) einen supraleitenden Magneten (33) aufweist.6. Arrangement (1) according to claim 5, wherein the energy store (8) has a superconducting magnet (33).
7. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiequelle (5) einen Transformator (10) aufweist, 217. Arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the energy source (5) has a transformer (10), 21
über den der fremdgeführte Stromrichter (9) an die Last (2) anschließbar ist.Via which the externally managed converter (9) can be connected to the load (2).
8. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo- bei von der Steuereinrichtung (7) in Abhängigkeit von einem Augenblicksleistungsbedarf der Last (2) ein Steuersignal (24) erzeugbar ist, das an den fremdgeführten Stromrichter (9) abgebbar ist.8. Arrangement (1) according to any one of the preceding claims, wherein the control device (7) depending on an instantaneous power requirement of the load (2), a control signal (24) can be generated, which can be output to the externally managed converter (9).
9. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer elektrischen Wechselspannungsquelle (6), die lastseitig mit dem fremdgeführten Stromrichter (9) verbunden ist, wobei von der Wechselspannungsquelle (6) an den fremdgeführten Stromrichter (9) zu dessen Führung zumindest teilweise eine Spannung (U4) abgebbar ist.9. Arrangement (1) according to one of the preceding claims, with an electrical AC voltage source (6), which is connected on the load side to the externally managed converter (9), wherein from the AC voltage source (6) to the externally managed converter (9) for guiding it at least partially a voltage (U4) can be output.
10. Anordnung (1) nach Anspruch 9, wobei die Wechselspannungsquelle (6) eine Gleichspannungsquelle (13) und einen selbstgeführten Stromrichter (14) umfaßt.10. The arrangement (1) according to claim 9, wherein the AC voltage source (6) comprises a DC voltage source (13) and a self-commutated converter (14).
11. Anordnung (1) nach Anspruch 10, wobei die Gleichspannungsquelle (13) einen Energiespeicher (40a) aufweist, der aus dem Energieversorgungsnetz (4), insbesondere über den selbstgeführten Stromrichter (14), ladbar ist.11. The arrangement (1) according to claim 10, wherein the DC voltage source (13) has an energy store (40a), which can be charged from the energy supply network (4), in particular via the self-commutated converter (14).
12. Anordnung (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Energiespeicher (40a) der Gleichspannungsquelle (13) einen Kondensator (40) aufweist.12. The arrangement (1) according to claim 10 or 11, wherein the energy store (40a) of the DC voltage source (13) has a capacitor (40).
13. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, die seriell oder parallel zu der Last (2) schaltbar ist.13. Arrangement (1) according to one of claims 9 to 12, which can be connected in series or in parallel to the load (2).
14. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Wechselspannungsquelle (6) über einen Transformator (15! mit der Leitung (3) verbindbar ist. 2214. Arrangement (1) according to one of claims 9 to 13, wherein the alternating voltage source (6) via a transformer (15!) With the line (3) can be connected. 22
15. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Wechselspannungsquelle (6) einen Augenblicksleistungserzeuger (16) umfaßt, der für einen Austausch von mindestens einer zum Betrieb des fremdgeführten Stromrichters (9) erfor- derlichen Augenblicksleistung (S3) bemessen ist.15. Arrangement (1) according to any one of claims 9 to 14, wherein the AC voltage source (6) comprises an instantaneous power generator (16) which for an exchange of at least one instantaneous power (S3) required for the operation of the externally managed converter (9) is.
16. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Steuereinrichtung (7) mit dem selbstgeführten Stromrichter verbunden ist, und wobei von der Steuereinrichtung (7) ein weiteres Steuersignal (25) abhängig von einem Augenblicksleistungsbedarf des fremdgeführten Stromrichters (9) erzeugbar ist, das dem selbstgeführten Stromrichter (14) zuleitbar ist.16. The arrangement (1) according to any one of claims 9 to 15, wherein the control device (7) is connected to the self-commutated converter, and wherein from the control device (7) a further control signal (25) depending on an instantaneous power requirement of the externally managed converter (9 ) that can be fed to the self-commutated converter (14).
17. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher (8) der Energiequelle (5) aus dem Energieversorgungsnetz (4), insbesondere über den fremdgeführten Stromrichter (9), ladbar ist.17. The arrangement (1) according to any one of the preceding claims, wherein the energy store (8) of the energy source (5) from the energy supply network (4), in particular via the externally managed converter (9), can be charged.
18. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein steuerbares Trennglied (18) aufweist, mit dem das Energieversorgungsnetz (4) von der Leitung (3) trennbar ist.18. Arrangement (1) according to one of the preceding claims, which has a controllable isolating element (18) with which the energy supply network (4) can be separated from the line (3).
19. Anordnung (1) nach Anspruch 18, wobei zur Bildung eines geschlossenen Stromkreises mit der Last (2) und der Energiequelle (5) ein, insbesondere schaltbarer, Rückflußpfad (38) vorgesehen ist.19. The arrangement (1) according to claim 18, wherein a, in particular switchable, return path (38) is provided to form a closed circuit with the load (2) and the energy source (5).
20. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein kapazitiven Energiespeicher (50) parallel zur Last20. The arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein a capacitive energy store (50) parallel to the load
2 schaltbar ist.2 is switchable.
21. Verfahren zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Last (2) aus einer Energiequelle (5), die einen Energiespeicher (8) und einen mit dem Energiespeicher (8) verbundenen fremdgeführten Stromrichter (9) umfaßt, wobei ei- 2321. A method for the electrical energy supply of an electrical load (2) from an energy source (5), which comprises an energy store (8) and an externally managed power converter (9) connected to the energy store (8). 23
ne Spannung (U4) erzeugt und dem fremdgeführten Stromrichter (9) zu dessen Führung zugeführt wird.ne voltage (U4) generated and fed to the externally managed power converter (9) to guide it.
22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Spannung (U4) zu- mindest teilweise an einem selbstgeführten Stromrichter (14) abgenommen wird.22. The method according to claim 21, wherein the voltage (U4) is at least partially tapped at a self-commutated converter (14).
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei zwischen den beiden Stromrichtern (9, 14) zumindest teilweise Augenblicksleistung (S3) ausgetauscht wird.23. The method according to claim 22, wherein at least partially instantaneous power (S3) is exchanged between the two converters (9, 14).
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Spannung (U5) zumindest teilweise an einem elektrischem Energieversorgungsnetz (4) abgenommen wird.24. The method according to any one of claims 21 to 23, wherein the voltage (U5) is at least partially taken from an electrical power supply network (4).
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei der fremdgeführte Stromrichter (9) energiespeicherseitig kurzgeschlossen wird. 25. The method according to any one of claims 21 to 24, wherein the externally guided converter (9) is short-circuited on the energy storage side.
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