WO2015113964A1 - Stromwandlervorrichtung und verfahren zum laden und entladen von energiespeichern - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a current transformer device for charging and discharging energy storage devices comprising at least one
  • a bidirectional voltage converter connectable to a power supply network and to at least one electrochemical energy converter, the power conversion device having a controller connected to the voltage converter and configured to operate
  • the invention relates to a method for charging and discharging energy storage.
  • As energy storage is a flow battery or a
  • a redox flow battery with a circulation arrangement for electrolytes, electrolyte conduits for supplying and discharging one or more electrolytes from a storage tank to the electrochemical energy converter and further back into the respective storage tank in the form of a circulation process, wherein the electrochemical energy converter at least one reaction cell with two electrodes and one
  • ion-conducting membrane preferably comprises a plurality of electrically interconnected single cells, which are preferably supplied with electrolyte in parallel and each one Inlet area for introducing the electrolyte into the reaction cell and an outlet area for discharging the electrolyte from the
  • Reaction cell have. In order to be able to convert electrical energy particularly efficiently in such an electrochemical energy store, it is necessary to control energy storage peripheral devices, such as, for example, the circulation pumps. In addition, the must
  • Conventional energy storage systems include a control unit for the energy storage peripheral devices, which attempts by various parameters to detect the current state of charge of the energy storage, such as current, voltage, flow, temperature, pressure of the electrolyte, so as to control the energy storage peripheral devices such as the circulation pumps ,
  • the current transformer device controls the power flow direction of the electrical power in the voltage converter.
  • Object of the present invention is therefore, a
  • the power conversion device comprises at least one bidirectional voltage converter connected to a power supply network and to at least one electrochemical energy converter for one
  • the power conversion device also has a
  • Control which is connected to the voltage converter and is adapted to the voltage converter in terms of its
  • controller is designed one or more of the following energy storage peripheral devices depending on the predetermined by the controller
  • the controller has at least one control connection to
  • the power conversion device can thereby already significantly increase its own efficiency, since the control of the power flow direction of
  • Voltage converter converted power can be removed or made available by the energy converter to a significantly improved extent. Very fast current peaks or voltage peaks in the power supply network can be intercepted very efficiently.
  • the controller may be configured to additionally control the voltage converter as a function of the amount of power. Thus, the efficiency of the voltage converter can be further increased.
  • the controller may be configured to additionally control the voltage converter as a function of the amount of energy. Thus, the efficiency of the voltage converter can be further increased.
  • the controller may be configured to additionally control the control connection for at least one energy storage peripheral device as a function of the amount of power. This can improve the efficiency of the
  • Voltage converter can be further increased.
  • the controller can be designed to additionally control the control connection for at least one energy storage peripheral device as a function of the amount of energy. This can improve the efficiency of the
  • Voltage converter can be further increased.
  • the controller may include a signal input for detecting one or more of the following process parameters:
  • Voltage converter can be further increased because the controller can recognize even faster, as they the power flow direction, the
  • Amount of power and / or the amount of energy must control.
  • it can be more reliable and efficient at least one
  • Control energy storage peripheral device In addition, this is also a regulation of at least one energy storage peripheral device, for. B. a temperature control device for the electrolyte possible.
  • Other process parameters that can be detected by the signal input can be: Temperature monitoring of the environment, Monitoring of environmental influences in the environment, such as atmospheric pressure, humidity, or a leak in the acid tank.
  • the controller can have a connector for the graphic display of the
  • fault conditions are easier to detect and, if necessary, faults can be remedied earlier, which also contributes to efficiency improvement, as any failure means a deterioration of the energy balance.
  • any failure means a deterioration of the energy balance.
  • such a device of security of supply Certain power consumers can also be switched on or off deliberately, depending on
  • Charging state of the energy storage e.g. electrically powered vehicles, which can make a very large energy demand, but often do not have to be charged directly.
  • the controller can use a data memory to store the
  • control connection and / or the signal input and / or the connection to the graphic display can be designed as digital connections or inputs. Digital connections are more reliable in environments where the energy storage system is large electromagnetic
  • the controller may have an interface for data transmission to a data communication network, eg to the Internet or to mobile communication networks (GSM, UMTS, LTE).
  • a data communication network eg to the Internet or to mobile communication networks (GSM, UMTS, LTE).
  • the controller can transmit eg warning signals.
  • the controller may be configured to control at least one energy storage peripheral device via the control port in response to a power flow direction predetermined by the controller at the same time as the controller sets the voltage converter with its power flow direction
  • the controller may be configured to drive at least one energy storage peripheral device via the control port in response to a power flow direction predetermined by the controller before the controller drives the voltage converter with respect to it
  • Power flow direction controls with this predetermined power flow direction.
  • the efficiency of the power conversion device can be further improved.
  • the energy storage system may also have at least one flow battery, in particular a redox flow battery, with a circulation arrangement for electrolytes.
  • electrolyte conduits for supplying and discharging one or more electrolytes from a storage tank to the
  • the electrochemical energy converter comprises at least one reaction cell with two electrodes and an ion-conducting membrane, wherein the reaction cell each have an inlet region for introducing the electrolyte into the reaction cell and an outlet region for discharging the electrolyte from the
  • the energy storage system may also comprise at least one energy converter whose energy conversion capability by means of a
  • Flow rate of an electrolyte is adjustable by the energy converter.
  • the energy storage system may also include at least one pump for circulating the electrolyte.
  • the voltage converter can be mains-controlled or self-guided.
  • a mains-driven first voltage converter is advantageous if the
  • Power grid is a public power grid or a network with a directly coupled rotating machine.
  • a self-commutated first voltage converter is advantageous when the power grid is islanding without directly coupled rotating machines.
  • the current transformer device can have a plurality of voltage transformers and an intermediate circuit, wherein a first voltage converter can be connected to a power supply network and connected to a DC link. Furthermore, the power conversion device
  • Have voltage converter which are connected to a DC link. At least one energy store can be connected to the second and the third voltage converter in each case.
  • the controller may be connected to the second and third voltage converters and configured to control the second and third voltage transformers with respect to the power flow direction.
  • the controller may be configured at the same time as the power flow direction in the second voltage converter in the reverse direction as the
  • the controller can be set up to control the second and third voltage transformers in such a way that energy from the
  • Energy storage connection of the third voltage converter is passed.
  • the controller is set up to monitor the voltage at the second and third voltage transformers, in particular the voltages at the energy storage terminals of the voltage transformers. As a result, it can be detected whether energy from an energy store, which is connected to one of the voltage transformers, is to be transmitted to an energy store, which is connected to another voltage converter.
  • controller may be configured to determine the charging status or state of charge of the connectable energy store. This information can also be helpful in deciding whether one of the connectable energy store.
  • Energy storage to be loaded with the energy of the other energy storage.
  • the controller may be further configured to control the voltage transformers in terms of their performance. Thereby, the memory state or state of charge of the connectable energy storage can be controlled.
  • the controller may further be connected to the first voltage converter and configured to control the first voltage converter with respect to its power flow direction. Thus, it can be influenced by the controller, whether energy from the
  • the first voltage converter can be switched off.
  • the controller may be configured to turn off the first voltage converter while the second and third voltage converters continue to run and energy from one
  • the current transformer device according to the invention can be connected or the current transformer device can be connected to only one type of energy store, for example only to flow batteries.
  • the controller may be configured to charge and discharge a plurality of flow batteries, all connected to a common pair of electrolytes and connectable to the power conversion device. Such a system can be very energy efficient.
  • the controller may be configured to charge and discharge a plurality of flow batteries and at least one other energy storage of another type. As energy storage of another kind, for example, a lead-acid battery can be provided.
  • the controller can be designed with a
  • the first voltage converter can be used as bidirectional inverter and / or the second and third voltage converter as
  • the first voltage converter can be designed as a bidirectional AC / DC converter.
  • the bidirectional AC / DC converter it is possible to remove energy from a single- or multi-phase power supply network and supply the DC link or energy from the
  • DC / DC converters are bidirectional, energy can be transferred from the energy storage devices into the DC link and energy from the DC link can also be transferred to the energy storage devices.
  • the second and third voltage transformers can be isolated potential. This can ensure that an energy transfer between two energy stores exclusively via the
  • Transformers can be used in the second and third voltage transformers
  • DC link voltage can be achieved energy-efficiently.
  • the DC link voltage can be between 500 V and 1500 V.
  • the DC link voltage can be at least 10 times higher than the voltage at the connectable energy storage devices. Then, the first voltage converter can convert the energy very efficiently and realized cost-effectively. In particular, he does not need to be potential separated. In addition, flows in the
  • the voltage converter in particular the first voltage converter can be potential separated.
  • the voltage converter in particular the first voltage converter, can be designed for connection to a single-phase or multi-phase, in particular three-phase, power supply network.
  • Each voltage converter can be designed as a resonant voltage converter. In this way, energy can be converted very efficiently.
  • the controller can be designed as a self-learning controller.
  • the controller may be designed so that it learns to empty or recharge individual energy storage devices depending on the daily power requirement or cycle.
  • the controller may have a communication link with a so-called “smart grid.”
  • the term “smart grid” includes the communicative networking and control of power generators, storage, electrical loads, and network resources in power transmission and distribution networks the electricity supply. This can also be advantageous in an island power network.
  • the scope of the invention also includes a
  • Energy storage system arrangement comprising a plurality of current transformer devices according to the invention, wherein the current transformer devices have a common control. This makes it possible to first perform an energy transfer between the energy storage devices within a power conversion device in order to minimize losses. Subsequently, it is possible to have an energy transfer between the
  • Energy storage can be reduced. Through the joint control, it is possible to both the energy flow between the individual
  • This common control can be realized as a master control in a power conversion device.
  • the master controller can then use one or more controllers of another
  • DC link voltage of two current transformer devices can be connected or connected. Then the energy can be transhipped very energy-saving from energy storage devices of various current transformer devices.
  • the voltage converter (s) and the controller may preferably be accommodated in a common housing in a metallic housing. This increases the reliability and immunity of the current transformer device and thus the efficiency.
  • Energy storage peripherals can be integrated on a common printed circuit board. This makes the system cheaper. But it also increases the reliability and immunity of the
  • Energy storage peripherals can work on a common
  • Microprocessor in particular DSP be integrated. This makes the system cheaper. But it also increases the reliability and immunity to interference of the power conversion device and thus the efficiency.
  • Energy storage peripherals can work on a common
  • FPGA field programmable gate array
  • the control of the voltage converter can additionally with the
  • Voltage converter are controlled in terms of their power flow direction, in particular at the same time the power flow direction is controlled in the one power converter in the reverse direction as the power flow direction in the other voltage converter. Because of this
  • Power converter device can be increased.
  • the current transformer device may comprise a further voltage converter which is connected to the intermediate circuit, wherein a
  • Energy transfer of at least one energy storage device via one of the first two voltage transformers and the intermediate circuit to the other voltage converter or vice versa is performed. This makes it possible to transfer energy from an energy store to a power supply network which is connected to a further voltage converter. In addition, it is possible to transfer energy from the power grid to an energy store and store it there.
  • the power of the voltage converter can be controlled.
  • the power of the voltage converter can be controlled so that energy losses are kept low.
  • the state of charge of the energy store is monitored.
  • Energetically it may be beneficial, instead of holding a plurality of energy storage in a partially charged state, to completely empty an energy store, in particular to empty it, that the energy stored in it is fed to another energy store. It can be an energy transfer between at least two
  • Energy storage of the power conversion device can be carried out and then an energy transfer between at least two
  • Fig. 1 is a schematic representation of a power conversion device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of an energy storage system according to the invention.
  • Fig. 3 is a schematic representation of an energy storage system according to the prior art
  • FIG. 1 shows a current transformer device 1, which has a first voltage converter 2 which is connected to a single-phase or multi-phase
  • the first voltage converter 2 can be designed as a bidirectional AC / DC converter in particular. It is connected to a DC link 4, to which in turn a second and a third voltage converter 5, 6 are connected.
  • the first voltage converter 2 can be designed as a bidirectional AC / DC converter in particular. It is connected to a DC link 4, to which in turn a second and a third voltage converter 5, 6 are connected.
  • Voltage transformers 5, 6 can be used, for example, as particular
  • Voltage converter 5, 6 connected to the intermediate circuit 4.
  • the voltage transformers 5, 6 are each connected to one or more
  • electrochemical energy converter 7 to 10 can be connected, in the illustrated embodiment, the voltage converter 5 to the
  • electrochemical energy converter 7 and the voltage converter 6 to the electrochemical energy converter 8 to 10 is connected.
  • the electrochemical energy converters 8 to 10 could also be connected in parallel to the voltage converter 6.
  • the voltage at the DC link 4 can be significantly higher than that
  • the current transformer device 1 a controller 11, which with both the first voltage converter 2 and with the
  • Voltage converters 5, 6 is connected and is arranged to control these.
  • the controller 11 is set up, the
  • Power flow in particular the direction of the power flow, in the voltage transformers 5, 6 to control.
  • the controller 11, the voltage converter 5, 6 control so that, for example, energy from the electrochemical energy converter 7 via the voltage converter 5, the intermediate circuit 4 and the voltage converter 6 in the
  • electrochemical energy converter 8 is transferred or vice versa.
  • the controller 11, the voltage converter 2 off.
  • the controller 11, the voltage converter 2, 5, 6 control so that a power flow from the power grid 3 via the voltage converter 2, the intermediate circuit 4 and the
  • Voltage converter 5, 6 takes place in the electrochemical energy converter 7 to 10.
  • the controller 11 can only one of the
  • Voltage converters 5, 6 drive so that, for example, only one
  • the controller 11 can control the power flow so that, for example, energy stored in the energy converter 7 via the voltage converter 5, the intermediate circuit 4 and the voltage converter 2 in the
  • Power supply network 3 is fed.
  • controller 11 has a control connection 17 for connecting at least one energy storage peripheral device.
  • controller 11 a signal input 18 to
  • controller 11 has a terminal 19 for the graphic display of the process parameters, the power flow direction, the
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an energy storage system 100 according to the invention.
  • the one power conversion device 1 of FIG. 1 is part of the energy storage system 100 and it is connected to a single- or multi-phase power supply network 3.
  • the controller 11 has a control terminal 17 to the connection at least an energy storage peripheral device, a signal input 18 for detecting one or more process parameters and a
  • a graphic display device 191 may also be provided in or on the power conversion device 1.
  • electrochemical energy converters 8, 9, 10 which are part of an energy storage, which is designed as a flow battery.
  • An energy store with such electrochemical energy converters 8, 9, 10 is also known as a redox flow battery. He has one
  • the energy converters each have an inlet region for introducing the electrolyte into the reaction cell and an outlet region for discharging the electrolyte from the
  • a flow battery is a rechargeable battery in which the energy is stored chemically in liquid electrolytes (saline aqueous solution).
  • Flow batteries are also referred to as redox flow batteries or redox batteries only if they undergo reduction and oxidation.
  • tanks are provided for storing the electrolytes in which the entire reactive material is in liquid form.
  • the electrolytes are transported in a closed loop system, with electrical energy in chemically bound form is removed from the system or added (reduction / oxidation), so that a chemical energy storage is realized.
  • the circulatory system also includes piping systems, the electrolyte conduits in which the electrolytes are transported by means of pumps or the like.
  • the two electrolytes are not mixed together, but are separated by a very thin membrane in a reaction cell, the electrochemical reaction space.
  • the very thin membrane is an ion-conducting membrane that
  • the electrochemical reaction chamber also contains very stable electrodes on which the critical reactions take place. Since the reactions only affect the dissolved salts, the electrodes themselves are not subject to any chemical or physical change, which is why a large number of charging and discharging cycles are possible without a significant decrease in capacity.
  • vanadium redox flow battery A very special type is the vanadium redox flow battery.
  • the vanadium salts are both negative and positive
  • Electrolytes present in different oxidation states.
  • vanadium is distinguished by its four
  • a corresponding flow-through battery with these vanadium electrolytes reaches virtually any number of cycles of charging and discharging, at the same time achieving a very high energy density per volume or per mass.
  • Such vanadium redox flow batteries are for the energy supply of household electrical energy, the photovoltaic Operate plants, or, for example, wind turbines or parks very interesting.
  • the pump 33 pumps the positive electrolyte from the storage tank 31 through the supply line 53 to the energy converters (stacks) 8, 9, 10. The positive electrolyte then flows through the return 55th back into the storage tank 31.
  • pump 34 pumps the negative electrolyte from the storage tank 32 through the
  • the negative electrolyte then flows through the return line 56 back into the storage tank 32.
  • the flow and the pressure of the electrolyte can be controlled alternatively or additionally by controllable throttle valves 35, 36.
  • the level of the electrolyte can by level sensors 39, 40th
  • the flow rate of the electrolyte can be monitored with flow sensors 37, 38 in the inlet and / or with flow sensors 45, 46 in the return of the electrolyte.
  • the temperature of the electrolyte can be monitored with temperature sensors 41, 42.
  • the temperature may be controlled by a controllable temperature control device 57, which may be configured as a separate or combined cooling and heating device.
  • the energy converters 8, 9, 10 each have a positive electrode and a negative electrode.
  • Fig. 2 only the positive electrode 50 of the power converter 8 and the negative electrode 51 of the power converter 10 are provided with a reference mark for the sake of clarity.
  • Energy storage peripheral devices connected, such as the pumps 33, 34 or the temperature control device 57. These are directly connected in the present embodiment with cable connections. These can be analog or digital control lines. They can be used to control and regulate the energy storage peripheral devices.
  • a transmitting-receiving device 78 is connected to the control terminal 17. It can be used for wireless data transmission and for controlling and regulating the
  • Throttle valves 35, 36 are used.
  • the spool valves 35, 36 are used.
  • Throttle valves 35, 36 each have a transceiver 76 on. All sensors and sensors have a transceiver 77. Several sensors can also share a transceiver 77.
  • the signal input 18 also has a transceiver 79, with which it receives the data from the
  • Process parameters can receive. All in the exemplary embodiment wirelessly executed data connections can also be realized by means of cable connection. All wired in the embodiment
  • Data connections can also be realized wirelessly. Due to the direct control of the peripherals by the
  • the power conversion device 1 can control the state of charge of the
  • Energy storage system 100 much faster and better recognize and also the energy converter forward with sufficient electrolyte to flow through, so that a more efficient energy conversion is possible.
  • a conventional energy storage system 101 is shown.
  • Circulation pumps 31, 32 to control.
  • the control unit itself must be supplied with power, which contributes to a deterioration of the efficiency.
  • the energy storage system 101 requires additional sensors, such as a current measuring device 48 and a
  • Voltage measuring device 47 in order to capture sufficient information about the state of charge of the energy storage system 101.

Abstract

Stromwandlervorrichtung (1) zum Laden und Entladen von Energiespeichern aufweisend zumindest einen bidirektionalen Spannungswandler (2, 5, 6), der an ein Stromversorgungsnetz (3) und an zumindest einen elektrochemischen Energiewandler (7-10) für einen als Durchflussbatterie ausgestalteten Energiespeicher mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten anschließbar ist, wobei die Stromwandlervorrichtung (1) eine Steuerung (11) aufweist, die mit dem Spannungswandler (2, 5, 6) verbunden ist und eingerichtet ist, den Spannungswandler (2, 5, 6) hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) ausgelegt ist, eine oder mehrere der folgenden Energiespeicherperipherievorrichtungen in Abhängigkeit der von der Steuerung (11) vorgegebenen Leistungsflussrichtung des Spannungswandlers (2, 5, 6) zu steuern: - Pumpen (33, 34) zur Umwälzung des Elektrolyts, - Durchflussregler (35, 36) zur Regelung der Elektrolytdurchflussmenge, - Temperatursteuerung zur Einstellung der Elektrolyttemperatur, - Drucksteuerung zur Einstellung des Elektrolytdrucks, und wobei die Steuerung (11) zumindest einen Steueranschluss (17) zum Anschluss zumindest einer dieser Energiespeicherperipherievorrichtungen aufweist.

Description

Stromwandlervorrichtung und Verfahren zum Laden und Entladen von Energiespeichern
Die Erfindung betrifft eine Stromwandlervorrichtung zum Laden und Entladen von Energiespeichern aufweisend zumindest einen
bidirektionalen Spannungswandler, der an ein Stromversorgungsnetz und an zumindest einen elektrochemischen Energiewandler anschließbar ist, wobei die Stromwandlervorrichtung eine Steuerung aufweist, die mit dem Spannungswandler verbunden ist und eingerichtet ist, den
Spannungswandler hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung zu steuern.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden und Entladen von Energiespeichern.
Alternativenergien gewinnen immer mehr an Bedeutung. Problematisch an Alternativenergien, wie z.B. Solarenergie oder Windkraft, ist, dass die Zeiten der Energieerzeugung nicht beeinflussbar sind und überschüssige Energie zwischengespeichert werden muss, so dass sie zu Zeiten verfügbar ist, in denen keine Energie erzeugt werden kann. Es ist daher notwendig, Energiespeichersysteme einzusetzen. Energiespeichersysteme sind jedoch mit Verlusten behaftet, die vermieden werden sollten.
Als Energiespeicher eignet sich eine Durchflussbatterie oder ein
elektrochemischer Energiewandler für eine Durchflussbatterie,
insbesondere eine Redox-Flow-Batterie, mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten, Elektrolytleitungen zur Zu- und Abführung eines oder mehrerer Elektrolyten von einem Vorratstank zu dem elektrochemischen Energiewandler und weiter zurück in den jeweiligen Vorratstank in Form eines Kreislaufprozesses, wobei der elektrochemische Energiewandler mindestens eine Reaktionszelle mit zwei Elektroden und einer
ionenleitenden Membran, bevorzugt eine Vielzahl von elektrisch zusammengeschalteten Einzelzellen umfasst, wobei diese bevorzugt mit Elektrolyten in Parallelschaltung versorgt werden und die jeweils einen Einlassbereich zur Einleitung des Elektrolyten in die Reaktionszelle und einen Auslassbereich zur Ausleitung des Elektrolyten aus der
Reaktionszelle aufweisen. Um elektrische Energie besonders effizient in einem solchen elektrochemischen Energiespeicher umwandeln zu können, bedarf es der Steuerung von Energiespeicherperipherievorrichtungen, wie zum Beispiel der Zirkulationspumpen. Außerdem muss die
Stromwandlervorrichtung die Leistungsflussrichtung steuern.
Herkömmliche Energiespeichersysteme weisen eine Steuereinheit für die Energiespeicherperipherievorrichtungen auf, die anhand verschiedener Parameter versucht, den derzeitigen Ladezustand der Energiespeicher zu erfassen, wie zum Beispiel Strom, Spannung, Durchfluss, Temperatur, Druck des Elektrolyten, um so die Energiespeicherperipherievorrichtungen wie zum Beispiel die Zirkulationspumpen zu steuern.
Herkömmliche Stromwandlervorrichtungen arbeiten unabhängig von dieser Steuereinheit und wandeln mittels eines Spannungswandlers die Spannung vom Stromversorgungsnetz zu einer Spannung für die
Energiespeicher im Lademodus und umgekehrt im Entlademodus. Dabei steuert die Stromwandlervorrichtung die Leistungsflussrichtung der elektrischen Leistung im Spannungswandler.
Häufig werden Verluste erzeugt, weil das Steuern der
Energiespeicherperipherievorrichtungen durch die Steuereinheit nicht ausreichend mit der Leistungsflussrichtungssteuerung der
Stromwandlervorrichtung zusammenspielt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine
Stromwandlervorrichtung und ein Energiespeichersystem und ein
Verfahren zum Laden und Entladen von Energiespeichern bereitzustellen, mit denen die Energieeffizienz gesteigert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine
Stromwandlervorrichtung zum Laden und Entladen von Energiespeichern, wobei die Stromwandlervorrichtung zumindest einen bidirektionalen Spannungswandler aufweist, der an ein Stromversorgungsnetz und an zumindest einen elektrochemischen Energiewandler für einen als
Durchflussbatterie, insbesondere als Redox-Flow-Batterie, ausgestalteten Energiespeicher mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten anschließbar ist. Die Stromwandlervorrichtung weist zudem eine
Steuerung auf, die mit dem Spannungswandler verbunden ist und eingerichtet ist, den Spannungswandler hinsichtlich seiner
Leistungsflussrichtung zu steuern. Außerdem ist die Steuerung ausgelegt eine oder mehrere der folgenden Energiespeicherperipherievorrichtungen in Abhängigkeit der von der Steuerung vorgegebenen
Leistungsflussrichtung des Spannungswandlers zu steuern :
- Pumpen zur Umwälzung des Elektrolyts,
- Durchflussregler zur Regelung der Elektrolytdurchflussmenge,
- Temperatursteuerung zur Einstellung der Elektrolyttemperatur,
- Drucksteuerung zur Einstellung des Elektrolytdrucks.
Dabei weist die Steuerung zumindest einen Steueranschluss zum
Anschluss zumindest einer dieser Energiespeicherperipherievorrichtungen auf.
Die Stromwandlervorrichtung kann dadurch schon ihre eigene Effizienz deutlich steigern, da die Steuerung die Leistungsflussrichtung des
Spannungswandlers zeitlich genau so steuern kann, dass die vom
Spannungswandler gewandelte Leistung von dem Energiewandler in deutlich verbessertem Umfang abgenommen bzw. zur Verfügung gestellt werden kann. Sehr schnelle Stromspitzen oder Spannungsspitzen im Stromversorgungsnetz können so sehr effizient abgefangen werden.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Spannungswandler zusätzlich in Abhängigkeit der Leistungsmenge zu steuern. Damit kann die Effizienz des Spannungswandlers weiter gesteigert werden. Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Spannungswandler zusätzlich in Abhängigkeit der Energiemenge zu steuern. Damit kann die Effizienz des Spannungswandlers weiter gesteigert werden.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, den Steueranschluss für zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung zusätzlich in Abhängigkeit der Leistungsmenge zu steuern. Damit kann die Effizienz des
Spannungswandlers weiter gesteigert werden.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, den Steueranschluss für zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung zusätzlich in Abhängigkeit der Energiemenge zu steuern. Damit kann die Effizienz des
Spannungswandlers weiter gesteigert werden.
Die Steuerung kann einen Signaleingang zur Erfassung von einem oder mehreren der folgenden Prozessparameter aufweisen :
- Temperatur des Elektrolyts,
- Druck des Elektrolyts
- Durchflussmenge des Elektrolyts
- Füllstand des Elektrolyts in einem Vorratstank.
Dadurch kann die Steuerung Informationen über den Zustand des
Energiespeichersystems erhalten. Damit kann die Effizienz des
Spannungswandlers weiter gesteigert werden, weil die Steuerung noch schneller erkennen kann, wie sie die Leistungsflussrichtung, die
Leistungsmenge und/oder die Energiemenge steuern muss. Außerdem kann sie noch zuverlässiger und effizienter die zumindest eine
Energiespeicherperipherievorrichtung steuern. Außerdem ist damit auch eine Regelung der zumindest einen Energiespeicherperipherievorrichtung, z. B. einer Temperatursteuerungsvorrichtung für das Elektrolyt möglich. Weitere Prozessparameter, die durch den Signaleingang erfasst werden können, können sein : Temperaturüberwachung der Umgebung, Überwachung von Umwelteinflüssen in der Umgebung, wie zum Beispiel Luftdruck, Feuchte, oder ein Leck im Säuretank.
Die Steuerung kann einen Anschluss zur grafischen Anzeige der
Prozessparameter, der Leistungsflussrichtung, der Leistungsflussmenge und/oder der Energiemenge aufweisen. Damit lässt sich das
Energiespeichersystem besser überwachen. Fehlerzustände sind leichter zu erkennen und gegebenenfalls können Fehler früher behoben werden, was ebenfalls zur Effizienzverbesserung beiträgt, da jeder Ausfall eine Verschlechterung der Energiebilanz bedeutet. Außerdem dient eine solche Vorrichtung der Versorgungssicherheit. Bestimmte Stromverbraucher können aber auch bewusst zu- oder abgeschaltet werden, je nach
Ladezustand der Energiespeicher, z.B. elektrisch betriebene Fahrzeuge, die einen sehr großen Energiebedarf ausmachen können, die aber häufig nicht unmittelbar geladen werden müssen.
Die Steuerung kann einen Datenspeicher zur Speicherung der
Leistungsflussrichtung, der Leistungsflussmenge und/oder der
Energiemenge aufweisen. Damit lässt sich das Energiespeichersystem besser überwachen und stetig verbessern.
Der Steueranschluss und/oder der Signaleingang und/oder der Anschluss zur grafischen Anzeige können als digitale Anschlüsse bzw. Eingänge ausgelegt sein. Digitale Anschlüsse sind zuverlässiger in Umgebungen, in denen das Energiespeichersystem großen elektromagnetischen
Störfeldern ausgesetzt ist.
Die Steuerung kann eine Schnittstelle zur Datenübermittlung an eine Datenkommunikationsnetzwerk aufweisen, z.B. an das Internet oder an mobile Kommunikationsnetze (GSM, UMTS, LTE) aufweisen. Hier kann die Steuerung z.B. Warnsignale übermitteln. Die Steuerung kann ausgelegt sein, zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung über den Steueranschluss in Abhängigkeit von einer von der Steuerung vorgegebenen Leistungsflussrichtung zum gleichen Zeitpunkt anzusteuern, zu dem die Steuerung den Spannungswandler hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung mit dieser vorgegebenen
Leistungsflussrichtung steuert. Damit kann die Effizienz der
Stromwandlervorrichtung weiter verbessert werden.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung über den Steueranschluss in Abhängigkeit von einer von der Steuerung vorgegebenen Leistungsflussrichtung anzusteuern, bevor die Steuerung den Spannungswandler hinsichtlich seiner
Leistungsflussrichtung mit dieser vorgegebenen Leistungsflussrichtung steuert. Damit kann die Effizienz der Stromwandlervorrichtung weiter verbessert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß auch durch ein
Energiespeichersystem mit einer oben beschriebenen
Stromwandlervorrichtung. Das Energiespeichersystem kann zudem zumindest eine Durchflussbatterie, insbesondere eine Redox-Flow-Batterie, mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten aufweisen. Zudem können vorgesehen sein : Elektrolytleitungen zur Zu- und Abführung eines oder mehrerer Elektrolyten von einem Vorratstank zu dem
elektrochemischen Energiewandler und weiter zurück in den jeweiligen Vorratstank in Form eines Kreislaufprozesses, wobei der elektrochemische Energiewandler mindestens eine Reaktionszelle mit zwei Elektroden und einer ionenleitenden Membran umfasst, wobei die Reaktionszelle jeweils einen Einlassbereich zur Einleitung des Elektrolyten in die Reaktionszelle und einen Auslassbereich zur Ausleitung des Elektrolyten aus der
Reaktionszelle aufweist. Das Energiespeichersystem kann zudem zumindest einen Energiewandler aufweisen, dessen Energieumwandelfähigkeit mittels einer
Durchflussmenge eines Elektrolyts durch den Energiewandler einstellbar ist.
Das Energiespeichersystem kann zudem zumindest eine Pumpe zur Umwälzung des Elektrolyts aufweisen.
Der Spannungswandler kann netzgeführt oder selbstgeführt sein. Ein netzgeführter erster Spannungswandler ist vorteilhaft, wenn das
Stromversorgungsnetz ein öffentliches Stromnetz oder ein Netz mit einer direkt gekoppelten drehenden Maschine ist. Ein selbstgeführter erster Spannungswandler ist vorteilhaft, wenn das Stromversorgungsnetz ein Inselbetrieb ohne direkt gekoppelte drehende Maschinen ist.
Die Stromwandlervorrichtung kann mehrere Spannungswandler und einen Zwischenkreis aufweisen, wobei ein erster Spannungswandler an ein Stromversorgungsnetz anschließbar und an einen Zwischenkreis angeschlossen ist. Weiterhin kann die Stromwandlervorrichtung
zumindest einen zweiten und insbesondere einen dritten
Spannungswandler aufweisen, die an einen Zwischenkreis angeschlossen sind. An den zweiten und an den dritten Spannungswandler kann jeweils zumindest ein Energiespeicher anschließbar sein. Die Steuerung kann insbesondere mit dem zweiten und dritten Spannungswandler verbunden und eingerichtet sein, den zweiten und dritten Spannungswandler hinsichtlich derer Leistungsflussrichtung zu steuern. Insbesondere kann die Steuerung eingerichtet sein, zeitgleich die Leistungsflussrichtung in dem zweiten Spannungswandler in umgekehrter Richtung wie die
Leistungsflussrichtung in dem dritten Spannungswandler zu steuern.
Durch diese Maßnahme ist es nicht nur möglich, Energie von einem
Energieerzeuger in einen Energiespeicher und anschließend von dem Energiespeicher in ein Stromversorgungsnetz zu transferieren, sondern es ist auch möglich, Energie von einem Energiespeicher in einen anderen Energiespeicher innerhalb der Stromwandlervorrichtung zu transferieren. Dies kann energetisch sinnvoll sein. Verluste können dadurch wesentlich reduziert werden. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße
Stromwandlervorrichtung einen solchen Energietransfer in jedem
Betriebszustand des Gesamtsystems.
Die Steuerung kann dabei eingerichtet sein, den zweiten und dritten Spannungswandler derart anzusteuern, dass Energie vom
Energiespeicheranschluss des zweiten Spannungswandlers zum
Energiespeicheranschluss des dritten Spannungswandlers geleitet wird. Dabei wird die Energie vom Energiespeicheranschluss des zweiten Spannungswandlers über den Zwischenkreis zum
Energiespeicheranschluss des dritten Spannungswandlers geleitet.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eingerichtet ist, die Spannung am zweiten und dritten Spannungswandler zu überwachen, insbesondere die Spannungen an den Energiespeicheranschlüssen der Spannungswandler. Dadurch kann erkannt werden, ob Energie von einem Energiespeicher, der an einen der Spannungswandler angeschlossen ist, an einen Energiespeicher übertragen werden soll, der an einen anderen Spannungswandler angeschlossen ist.
Weiterhin kann die Steuerung eingerichtet sein, den Ladestatus bzw. Ladezustand der anschließbaren Energiespeicher zu ermitteln. Auch diese Information kann hilfreich sein, um zu entscheiden, ob einer der
Energiespeicher mit der Energie des anderen Energiespeichers geladen werden soll .
Die Steuerung kann weiterhin eingerichtet sein, die Spannungswandler hinsichtlich ihrer Leistung zu steuern. Dadurch kann der Speicherzustand bzw. Ladezustand der anschließbaren Energiespeicher gesteuert werden. Die Steuerung kann weiterhin mit dem ersten Spannungswandler verbunden sein und eingerichtet sein, den ersten Spannungswandler hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung zu steuern. Somit kann durch die Steuerung beeinflusst werden, ob Energie aus der
Stromwandlervorrichtung über den ersten Spannungswandler an das Stromversorgungsnetz transferiert wird oder ob umgekehrt die
anschließbaren Energiespeicher der Stromwandlervorrichtung über den ersten Spannungswandler mit dem Stromversorgungsnetz verbunden werden, so dass Energie aus dem Stromversorgungsnetz in den
anschließbaren Energiespeichern gespeichert wird.
Um die Verluste gering zu halten, kann der erste Spannungswandler abschaltbar sein. Insbesondere kann die Steuerung eingerichtet sein, um den ersten Spannungswandler abzuschalten, während der zweite und dritte Spannungswandler weiter laufen und Energie von einem
Energiespeicher zum anderen transferieren. Somit können innerhalb der Stromwandlervorrichtung Energien transferiert werden, um die
Energieeffizienz der Stromwandlervorrichtung zu steigern, ohne dass dabei Energie aufgewendet wird, um den ersten Spannungswandler zu betreiben, oder gar Energie über den ersten Spannungswandler an das Stromversorgungsnetz gegeben wird.
Es können gleichartige oder verschiedenartige Energiespeicher an die Stromwandlervorrichtung anschließbar sein. Beispielsweise können herkömmliche Akkumulatoren, Flussbatterien (Redox Flow Zellen) oder andere elektrochemische/physikalische Membranen zum Einsatz kommen.
Diese unterschiedlichen Energiespeicher können parallel an die
erfindungsgemäße Stromwandlervorrichtung anschließbar sein oder die Stromwandlervorrichtung kann an nur eine Art eines Energiespeichers, beispielsweise nur an Flussbatterien, angeschlossen sein.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, eine Vielzahl von Flussbatterien, die alle an einem gemeinsamen Paar von Elektrolyten angeschlossen sind und an die Stromwandlervorrichtung anschließbar sind, zu laden und entladen. Ein solches System kann sehr energieeffizient arbeiten. Die Steuerung kann ausgelegt sein, eine Vielzahl von Flussbatterien und zumindest einen weiteren Energiespeicher anderer Art zu laden und entladen. Als Energiespeicher anderer Art kann z.B. ein Bleiakkumulator vorgesehen sein. Die Steuerung kann ausgelegt sein, mit einem
Energiespeicher anderer Art die Flussbatterien hochzufahren, auch wenn die Flussbatterien selbst zu wenig Ladung aufweisen, um von selbst wieder starten zu können.
Der erste Spannungswandler kann als bidirektionaler Wechselrichter und/oder der zweite und dritte Spannungswandler können als
bidirektionale DC/DC-Wandler ausgebildet sein. Insbesondere kann der erste Spannungswandler als bidirektionaler AC/DC-Wandler ausgebildet sein. Durch den bidirektionalen AC/DC-Wandler ist es möglich, Energie aus einem ein- oder mehrphasigen Stromversorgungsnetz zu entnehmen und dem Zwischenkreis zuzuführen oder Energie aus den
Energiespeichern über den Zwischenkreis zu entnehmen und in das ein- oder mehrphasige Stromversorgungsnetz einzuspeisen.
Wenn die DC/DC-Wandler bidirektional ausgeführt sind, kann Energie aus den Energiespeichern in den Zwischenkreis übertragen werden und kann auch Energie aus dem Zwischenkreis in die Energiespeicher transferiert werden.
Der zweite und der dritte Spannungswandler können potential getrennt sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Energietransfer zwischen zwei Energiespeichern ausschließlich über die
Spannungswandler erfolgt.
Im zweiten und im dritten Spannungswandler können Übertrager
(Transformatoren) vorgesehen sein. Damit kann eine hohe
Zwischenkreisspannung energieeffizient erreicht werden.
Die Zwischenkreisspannung kann zwischen 500 V und 1500 V betragen. Die Zwischenkreisspannung kann mindestens um den Faktor 10 höher als die Spannung an den anschließbaren Energiespeichern sein. Dann kann auch der erste Spannungswandler die Energie sehr effizient umwandeln und kostengünstig realisiert werden. Insbesondere braucht er nicht Potential getrennt ausgelegt zu werden. Außerdem fließt in dem
Zwischenkreis nur ein vergleichsweise geringer Strom gegenüber dem Strom, der bei einer Zwischenkreisspannung bei z.B. 48 V fließen würde. Somit verringern sich die Kupferverluste. Zudem wird weniger Kupfer benötigt, was die Kosten der Stromwandlervorrichtung gering hält.
Der Spannungswandler insbesondere der erste Spannungswandler kann Potential getrennt sein.
Der Spannungswandler insbesondere der erste Spannungswandler kann zum Anschluss an ein einphasiges oder mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges Stromversorgungsnetz ausgelegt sein.
Jeder Spannungswandler kann als resonanter Spannungswandler ausgelegt sein. Auf diese Weise kann Energie sehr effizient umgewandelt werden.
Die Steuerung kann als selbstlernende Steuerung ausgebildet sein.
Insbesondere kann die Steuerung so ausgelegt sein, dass sie lernt, je nach Tagesstrombedarf oder Zyklus einzelne Energiespeicher leer zu fahren bzw. wieder aufzuladen.
Die Steuerung kann eine Kommunikationsverbindung mit einem so genannten„Intelligenten Stromnetz" aufweisen. Der Begriff„Intelligentes Stromnetz" (smart grid) umfasst die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und -Verteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung. Das kann auch in einem Inselstromnetz vorteilhaft sein.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine
Energiespeichersystemanordnung mit mehreren erfindungsgemäßen Stromwandlervorrichtungen, wobei die Stromwandlervorrichtungen eine gemeinsame Steuerung aufweisen. Dadurch ist es möglich, zunächst einen Energietransfer zwischen den Energiespeichern innerhalb einer Stromwandlervorrichtung durchzuführen, um Verluste gering zu halten. Anschließend ist es möglich, einen Energietransfer zwischen den
Stromwandlervorrichtungen durchzuführen, um somit weiterhin Verluste zu reduzieren. Insbesondere können die Verluste auf einen
Energiespeicher reduziert werden. Durch die gemeinsame Steuerung ist es möglich, sowohl den Energiefluss zwischen den einzelnen
Energiespeichern als auch zwischen den Stromwandlervorrichtungen zu optimieren.
Diese eine gemeinsame Steuerung kann als eine Master-Steuerung in einer Stromwandlervorrichtung realisiert sein. Die Master-Steuerung kann dann mit einer oder mehreren Steuerungen einer anderen
Stromwandlervorrichtung verbunden sein, die dann als Slave- Steuerungen ausgebildet sind .
In einer solchen Energiespeichersystemanordnung kann die
Zwischenkreisspannung von zwei Stromwandlervorrichtungen verbindbar oder verbunden sein. Dann kann die Energie sehr energiesparend von Energiespeichern verschiedener Stromwandlervorrichtungen umgeladen werden.
Der oder die Spannungswandler und die Steuerung können in einem gemeinsamen Gehäuse vorzugsweise in einem metallischen Gehäuse untergebracht sein. Das erhöht die Zuverlässigkeit und die Störsicherheit der Stromwandlervorrichtung und damit auch die Effizienz. Die Steuerung der Spannungswandler und der
Energiespeicherperipheriegeräte kann auf einer gemeinsamen Leiterkarte integriert sein. Das macht das System zum einen kostengünstiger. Es erhöht aber auch die Zuverlässigkeit und die Störsicherheit der
Stromwandlervorrichtung und damit auch die Effizienz.
Die Steuerung der Spannungswandler und der
Energiespeicherperipheriegeräte kann auf einem gemeinsamen
Mikroprozessor insbesondere DSP integriert sein. Das macht das System zum einen kostengünstiger. Es erhöht aber auch die Zuverlässigkeit und die Störsicherheit der Stromwandlervorrichtung und damit auch die Effizienz.
Die Steuerung der Spannungswandler und der
Energiespeicherperipheriegeräte kann auf einem gemeinsamen
programmierbaren Logikbaustein insbesondere FPGA (field programmable gate array) integriert sein. Das macht das System zum einen
kostengünstiger. Es erhöht aber auch die Zuverlässigkeit und die
Störsicherheit der Stromwandlervorrichtung und damit auch die Effizienz. Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Laden und Entladen von Energiespeichern mit einer einen Spannungswandler aufweisenden Stromwandlervorrichtung mit den folgenden
Verfahrensschritten :
- Ermitteln einer Leistungsflussrichtungsvorgabe für den
Spannungswandler ,
- Ermitteln eines Ansteuersignais für zumindest eine
Energiespeicherperipherievorrichtung,
- Ausgabe des Ansteuersignais über einen Steueranschluss.
Durch dieses Verfahren ist es möglich, Energie besonders effizient und kostensparend zu wandeln. Die Ansteuerung des Spannungswandlers kann zusätzlich mit der
Leistungsflussrichtungsvorgabe erfolgen.
Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Steigern der Energieeffizienz einer Stromwandlervorrichtung mit einem
Zwischenkreis sowie zumindest zwei Spannungswandlern, die an den Zwischenkreis angeschlossen sind, wobei an jeden Spannungswandler zumindest ein Energiespeicher anschließbar ist, wobei die
Spannungswandler hinsichtlich ihrer Leistungsflussrichtung gesteuert werden, insbesondere zeitgleich die Leistungsflussrichtung in dem einen Leistungswandler in umgekehrter Richtung wie die Leistungsflussrichtung in dem anderen Spannungswandler gesteuert wird . Durch dieses
Verfahren ist es möglich, Energie von einem Energiespeicher über
Spannungswandler und Zwischenkreis in einen anderen Energiespeicher zu transferieren. Dadurch kann die Energieeffizienz der
Stromwandlervorrichtung erhöht werden.
Die Stromwandlervorrichtung kann einen weiteren Spannungswandler aufweisen, der an den Zwischenkreis angeschlossen ist, wobei ein
Energietransfer von zumindest einem Energiespeicher über einen der ersten beiden Spannungswandler und den Zwischenkreis zu dem weiteren Spannungswandler oder umgekehrt durchgeführt wird. Dadurch ist es möglich, Energie aus einem Energiespeicher an ein Stromversorgungsnetz zu transferieren, das an einen weiteren Spannungswandler angeschlossen ist. Außerdem ist es möglich, Energie aus dem Stromversorgungsnetz an einen Energiespeicher zu transferieren und dort zu speichern.
Die Leistung der Spannungswandler kann gesteuert werden.
Insbesondere kann die Leistung der Spannungswandler so gesteuert werden, dass Energieverluste gering gehalten werden. Zu diesem Zweck kann auch vorgesehen sein, dass der Ladezustand der Energiespeicher überwacht wird.
Weiterhin ist es bezüglich der Energieeffizienz günstig, wenn der weitere Spannungswandler abgeschaltet wird, während die beiden ersten Spannungswandler weiterlaufen und Energie von einem Energiespeicher zum anderen Energiespeicher transferieren.
Energetisch kann es günstig sein, anstatt mehrere Energiespeicher in einem teilweise geladenen Zustand vorzuhalten, einen Energiespeicher vollständig zu entleeren, insbesondere dadurch zu entleeren, dass die in ihm gespeicherte Energie einem anderen Energiespeicher zugeführt wird . Es kann zunächst ein Energietransfer zwischen zumindest zwei
Energiespeichern der Stromwandlervorrichtung durchgeführt werden und anschließend kann ein Energietransfer zwischen zumindest zwei
Stromwandlervorrichtungen durchgeführt werden. Somit kann die
Energieeffizienz des gesamten Systems verbessert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Bezeichnung näher erläutert. Es zeigen :
Fig . 1 eine schematische Darstellung einer Stromwandlervorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig . 2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß dem Stand der Technik
Die Figur 1 zeigt eine Stromwandlervorrichtung 1, welche einen ersten Spannungswandler 2 aufweist, der an ein ein- oder mehrphasiges
Stromversorgungsnetz 3 anschließbar ist. Der erste Spannungswandler 2 kann als insbesondere bidirektionaler AC/DC Wandler ausgebildet sein. Er ist an einen Zwischenkreis 4 angeschlossen, an den wiederum ein zweiter und ein dritter Spannungswandler 5, 6 angeschlossen sind. Die
Spannungswandler 5, 6 können beispielsweise als insbesondere
bidirektionale DC/DC Wandler ausgebildet sein und jeweils über 5 kW Leistung umwandeln. Es können mehr als die zwei dargestellten
Spannungswandler 5, 6 an den Zwischenkreis 4 angeschlossen sein. Die Spannungswandler 5, 6 sind jeweils an einen oder mehrere
elektrochemische Energiewandler 7 bis 10 anschließbar, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel der Spannungswandler 5 an den
elektrochemischen Energiewandler 7 und der Spannungswandler 6 an die elektrochemischen Energiewandler 8 bis 10 angeschlossen ist. Die elektrochemischen Energiewandler 8 bis 10 könnten auch parallel an den Spannungswandler 6 angeschlossen werden.
Die Spannung am Zwischenkreis 4 kann deutlich höher sein als die
Spannung an den Energiewandlern 7 bis 10. Das macht die
Stromwandlervorrichtung 1 besonders effizient.
Weiterhin weist die Stromwandlervorrichtung 1 eine Steuerung 11 auf, die sowohl mit dem ersten Spannungswandler 2 als auch mit den
Spannungswandlern 5, 6 verbunden ist und eingerichtet ist, diese zu steuern. Insbesondere ist die Steuerung 11 eingerichtet, den
Leistungsfluss, insbesondere die Richtung des Leistungsflusses, in den Spannungswandlern 5, 6 zu steuern. Dabei kann die Steuerung 11 die Spannungswandler 5, 6 so ansteuern, dass beispielsweise Energie aus dem elektrochemischen Energiewandler 7 über den Spannungswandler 5, den Zwischenkreis 4 und den Spannungswandler 6 in den
elektrochemischen Energiewandler 8 transferiert wird oder umgekehrt. Während dieses Transfers kann die Steuerung 11 den Spannungswandler 2 abschalten. Weiterhin kann die Steuerung 11 die Spannungswandler 2, 5, 6 so ansteuern, dass ein Leistungsfluss von dem Stromversorgungsnetz 3 über den Spannungswandler 2, den Zwischenkreis 4 und die
Spannungswandler 5, 6 in die elektrochemischen Energiewandler 7 bis 10 erfolgt. Die Steuerung 11 kann dabei auch nur einen der
Spannungswandler 5, 6 ansteuern, so dass beispielsweise nur ein
Energietransfer in den Energiewandler 7 erfolgt. Weiterhin kann die Steuerung 11 den Leistungsfluss so steuern, dass beispielsweise Energie, die im Energiewandler 7 gespeichert ist, über den Spannungswandler 5, den Zwischenkreis 4 und den Spannungswandler 2 in das
Stromversorgungsnetz 3 eingespeist wird.
Weiter weist die Steuerung 11 einen Steueranschluss 17 zum Anschluss zumindest einer Energiespeicherperipherievorrichtung auf.
Zusätzlich weist die die Steuerung 11 einen Signaleingang 18 zur
Erfassung von einem oder mehreren der folgenden Prozessparameter auf:
- Temperatur des Elektrolyts,
- Druck des Elektrolyts
- Durchflussmenge des Elektrolyts
- Füllstand des Elektrolyts im Vorratstank 31, 32.
Zusätzlich weist die die Steuerung 11 einen Anschluss 19 zur grafischen Anzeige der Prozessparameter, der Leistungsflussrichtung, der
Leistungsflussmenge und/oder der Energiemenge auf.
Dadurch, dass der Spannungswandler 2 abschaltbar ist und ein
Energietransfer zwischen den Energiewandlern 7 bis 10 ermöglicht wird, kann die Energieeffizienz der Stromwandlervorrichtung 1 weiter gesteigert werden.
Fig . 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems 100 gemäß der Erfindung. Die eine Stromwandlervorrichtung 1 aus Fig. 1 ist Teil des Energiespeichersystems 100 und sie ist an ein ein- oder mehrphasiges Stromversorgungsnetz 3 angeschlossen. Auch hier weist die Steuerung 11 einen Steueranschluss 17 zum Anschluss zumindest einer Energiespeicherperipherievorrichtung, einen Signaleingang 18 zur Erfassung von einem oder mehreren Prozessparametern und einen
Anschluss 19 zur grafischen Anzeige der Prozessparameter, der
Leistungsflussrichtung, der Leistungsflussmenge und/oder der
Energiemenge auf. Eine grafische Anzeigevorrichtung 191 kann auch in oder an der Stromwandlervorrichtung 1 vorgesehen sein.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind drei parallelgeschaltete
elektrochemische Energiewandler 8, 9, 10 dargestellt, die Teil eines Energiespeichers sind, der als eine Durchflussbatterie ausgeführt ist. Ein Energiespeicher mit solchen elektrochemischen Energiewandlern 8, 9, 10 ist auch als Redox-Flow-Batterie bekannt. Er weist eine
Zirkulationsanordnung für Elektrolyten, Elektrolytleitungen zur Zu- und Abführung eines oder mehrerer Elektrolyten von einem Vorratstank 31, 32 zu dem elektrochemischen Energiewandler 8, 9, 10 und weiter zurück in den jeweiligen Vorratstank 31, 32 in Form eines Kreislaufprozesses auf, wobei die elektrochemischen Energiewandler 8, 9, 10 mindestens eine Reaktionszelle mit zwei Elektroden 50, 51 und einer ionenleitenden
Membran (nicht gezeigt) aufweisen. Die Energiewandler weisen jeweils einen Einlassbereich zur Einleitung des Elektrolyten in die Reaktionszelle und einen Auslassbereich zur Ausleitung des Elektrolyten aus der
Reaktionszelle auf.
Eine Durchflussbatterie ist eine wiederaufladbare Batterie, bei der die Energie chemisch in flüssigen Elektrolyten (salzhaltige wässrige Lösung) gespeichert wird bzw. ist. Durchflussbatterien (flow battery) werden auch als Redox-Durchflussbatterien oder nur als Redox-Batterien bezeichnet, wenn in ihnen eine Reduktion und eine Oxidation abläuft.
Bei diesen Batterietypen werden Tanks zur Bevorratung der Elektrolyten vorgesehen, in denen sich das gesamte reaktive Material in flüssiger Form befindet. Beim Laden und Entladen werden die Elektrolyten in einem geschlossenen Kreislaufsystem transportiert, wobei elektrische Energie in chemisch gebundener Form dem System entzogen bzw. hinzugefügt wird (Reduktion/Oxidation), so dass ein chemischer Energiespeicher realisiert ist. Das Kreislaufsystem umfasst neben den Vorratsbehältern für die Elektrolyten auch Rohrleitungssysteme, die Elektrolytleitungen, in denen die Elektrolyten mittels Pumpen oder dgl. transportiert werden.
Es gibt zwei Elektrolyten, einen für die positive Reaktion und einen für die negative Reaktion. Die beiden Elektrolyten werden nicht miteinander vermischt, sondern sind in einer Reaktionszelle, dem elektrochemischen Reaktionsraum, durch eine sehr dünne Membran voneinander getrennt. Die sehr dünne Membran ist eine ionenleitende Membran, die
ausgewählte Ionen von einer zur anderen Seite durchlässt.
Im elektrochemischen Reaktionsraum befinden sich weiterhin auch sehr stabile Elektroden an denen die kritischen Reaktionen ablaufen. Da die Reaktionen nur die gelösten Salze betreffen, unterliegen die Elektroden selbst keiner chemischen oder physikalischen Veränderung weshalb eine große Anzahl an Lade- und Entladezyklen möglich ist, ohne dass dabei eine signifikante Abnahme der Kapazität erfolgt.
Ein sehr spezieller Typ ist die Vanadium-Redox-Durchflussbatterie. Die Vanadium-Salze sind sowohl im negativen als auch im positiven
Elektrolyten in unterschiedlichen Oxidationsstufen vorhanden.
Insbesondere ist Vanadium durch seine vier ausgezeichneten
unterschiedlichen Oxidationsstufen, in denen es stabile Lösungen ausbildet, besonders gut geeignet, um als chemischer Speicher in
Durchflussbatterien zu fungieren. Eine entsprechende Durchfluss-Batterie mit diesen Vanadium-Elektrolyten erreicht quasi beliebig viele Zyklen der Auf- und Entladung, wobei gleichzeitig eine sehr hohe Energiedichte pro Volumen beziehungsweise pro Masse erreicht wird.
Derartige Vanadium-Redox-Durchflussbatterien sind für die Energieversorgung von elektrischer Energie in Haushalten, die photovoltaische Anlagen betreiben, oder beispielsweise Windenergieanlagen oder -parks sehr interessant. Auch der Einsatz als sehr großer Energiespeicher, d.h. größer 1 MWh, ist sinnvoll und zudem äußerst effizient.
Um elektrische Energie besonders effizient in einen solchen elektrochemischen Energiespeicher umwandeln zu können, bedarf es der
Steuerung von Energiespeicherperipherievorrichtungen, wie zum Beispiel der Zirkulationspumpen 33, 34. Dabei pumpt die Pumpe 33 den positiven Elektrolyten aus dem Vorratstank 31 durch die Zuleitung 53 zu den Energiewandlern (Stacks) 8, 9, 10. Der positive Elektrolyt fließt dann über den Rücklauf 55 zurück in den Vorratstank 31. Analog pumpt die Pumpe 34 den negativen Elektrolyten aus dem Vorratstank 32 durch die
Zuleitung 54 zu den Energiewandlern (Stacks) 8, 9, 10. Der negative Elektrolyt fließt dann über den Rücklauf 56 zurück in den Vorratstank 32. Der Durchfluss und der Druck der Elektrolyten kann alternativ oder zusätzlich durch steuerbare Drosselventile 35, 36 gesteuert werden. Der Füllstand der Elektrolyten kann durch Füllstandssensoren 39, 40
überwacht werden. Die Durchflussmenge der Elektrolyten kann mit Durchflusssensoren 37, 38 im Zulauf und / oder mit Durchflusssensoren 45, 46 im Rücklauf des Elektrolyten überwacht werden. Die Temperatur der Elektrolyten kann mit Temperaturfühlern 41, 42 überwacht werden. Die Temperatur kann durch eine steuerbare Temperatursteuerungsvorrichtung 57 gesteuert werden, die als separate oder kombinierte Kühl- und Wärmevorrichtung ausgelegt sein kann.
Die Energiewandler 8, 9, 10 weisen jeweils eine positive Elektrode und eine negative Elektrode auf. In Fig. 2 ist nur die positive Elektrode 50 des Energiewandlers 8 und negative Elektrode 51 des Energiewandlers 10 mit einem Referenzzeichen versehen, um die Übersichtlichkeit zu erhalten.
Elektrische Verbindungen von den positiven Elektroden sind über eine positive Verbindungsleitung 49 und von den negativen Elektroden über eine negative Verbindungsleitung 52 der Stromwandlervorrichtung 1 zugeführt.
An den Steueranschluss 17 der Steuerung 11 sind mehrere
Energiespeicherperipherievorrichtungen angeschlossen, wie zum Beispiel die Pumpen 33, 34 oder die Temperatursteuerungsvorrichtung 57. Diese sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel direkt mit Kabelverbindungen verbunden. Dies können analoge oder digitale Steuerleitungen sein. Sie können zur Steuerung und Regelung der Energiespeicherperipherievorrichtungen genutzt werden. Außerdem ist an den Steueranschluss 17 eine Sende-Empfangsvorrichtung 78 angeschlossen. Sie kann zur kabellosen Datenübermittlung und zur Steuerung und Regelung der
Drosselventile 35, 36 genutzt werden. Zu diesem Zweck weisen die
Drosselventile 35, 36 jeweils eine Sende-Empfangsvorrichtung 76 auf. Alle Sensoren und Messfühler weisen eine Sende-Empfangsvorrichtung 77 auf. Dabei können sich mehrere Sensoren auch eine Sende- Empfangsvorrichtung 77 teilen. Der Signaleingang 18 weist ebenfalls eine Sende-Empfangsvorrichtung 79 auf, mit der er die Daten von den
Sensoren und Messfühlern zur Erfassung von einem oder mehreren
Prozessparametern empfangen kann. Alle im Ausführungsbeispiel kabellos ausgeführten Datenverbindungen können auch mittels Kabelverbindung realisiert werden. Alle im Ausführungsbeispiel verkabelten
Datenverbindungen können auch kabellos realisiert werden. Durch die direkte Steuerung der Peripheriegeräte durch die
Stromwandlervorrichtung 1 kann die Effizienz erheblich gesteigert werden. Die Stromwandlervorrichtung 1 kann den Ladezustand des
Energiespeichersystems 100 viel schneller und besser erkennen und außerdem die Energiewandler vorausschauend mit ausreichend Elektrolyt durchströmen, damit eine effizientere Energiewandlung möglich wird.
In Fig . 3 ist ein herkömmliches Energiespeichersystems 101 gezeigt.
Vergleichbare Komponenten zu dem in Fig. 2 gezeigten System weisen das gleiche Referenzzeichen auf. Eine separate Steuereinheit 60 versucht anhand verschiedener Parameter den derzeitigen Ladezustand der
Energiespeicher zu erfassen, wie zum Beispiel Strom, Spannung,
Durchfluss, Temperatur, Druck des Elektrolyten, um so die
Energiespeicherperipherievorrichtungen wie zum Beispiel die
Zirkulationspumpen 31, 32 zu steuern. Die Steuereinheit muss ihrerseits mit Strom versorgt werden, was zu einer Verschlechterung der Effizienz beiträgt. Das Energiespeichersystem 101 benötigt zusätzliche Sensoren, wie zum Beispiel eine Strommesseinrichtung 48 und eine
Spannungsmesseinrichtung 47, um ausreichend Informationen über den Ladezustand des Energiespeichersystems 101 zu erfassen.

Claims

Patentansprüche
Stromwandlervorrichtung (1) zum Laden und Entladen von
Energiespeichern aufweisend zumindest einen bidirektionalen
Spannungswandler (2, 5, 6), der an ein Stromversorgungsnetz (3) und an zumindest einen elektrochemischen Energiewandler (7-10) für einen als Durchflussbatterie, insbesondere als Redox-Flow- Batterie, ausgestalteten Energiespeicher mit einer
Zirkulationsanordnung für Elektrolyten anschließbar ist, wobei die Stromwandlervorrichtung (1) eine Steuerung (11) aufweist, die mit dem Spannungswandler (2, 5, 6) verbunden ist und eingerichtet ist, den Spannungswandler (2, 5, 6) hinsichtlich seiner
Leistungsflussrichtung zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) ausgelegt ist, eine oder mehrere der folgenden Energiespeicherperipherievorrichtungen in Abhängigkeit der von der Steuerung (11) vorgegebenen Leistungsflussrichtung des
Spannungswandlers (2, 5, 6) zu steuern :
- Pumpen (33, 34) zur Umwälzung des Elektrolyts,
- Durchflussregler (35, 36) zur Regelung der
Elektrolytdurchflussmenge,
- Temperatursteuerung zur Einstellung der Elektrolyttemperatur,
- Drucksteuerung zur Einstellung des Elektrolytdrucks,
und wobei die Steuerung (11) zumindest einen Steueranschluss (17) zum Anschluss zumindest einer dieser Energiespeicherperipherievorrichtungen aufweist.
Stromwandlervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (11) eingerichtet ist, den Spannungswandler (2, 5, 6) zusätzlich in Abhängigkeit der Leistungsmenge und/oder Energiemenge zu steuern.
3. Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Steuerung (11) ausgelegt ist, den
Steueranschluss (17) für zumindest eine
Energiespeicherperipherievorrichtung zusätzlich in Abhängigkeit der Leistungsmenge und/oder Energiemenge zu steuern .
4. Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Steuerung (11) einen Signaleingang (18) zur Erfassung von einem oder mehreren der folgenden Prozessparameter aufweist:
- Temperatur des Elektrolyts,
- Druck des Elektrolyts
- Durchflussmenge des Elektrolyts
- Füllstand des Elektrolyts in einem Vorratstank (31, 32).
5. Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Steuerung (11) einen Anschluss (19) zur grafischen Anzeige der Prozessparameter, der Leistungsflussrichtung, der Leistungsflussmenge und/oder der Energiemenge aufweist.
6. Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Steuerung (11) ausgelegt ist, zumindest eine Energiespeicherperipherievorrichtung über den Steueranschluss (17) in Abhängigkeit von einer von der Steuerung (11) vorgegebenen Leistungsflussrichtung zum gleichen Zeitpunkt anzusteuern, zu dem die Steuerung (11) den Spannungswandler (2, 5, 6) hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung mit dieser vorgegebenen
Leistungsflussrichtung steuert, oder bevor die Steuerung (11) den Spannungswandler (2, 5, 6) hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung mit dieser vorgegebenen Leistungsflussrichtung steuert.
7. Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Stromwandlervorrichtung (1) einen ersten Spannungswandler (2) aufweist, der an ein Stromversorgungsnetz (3) anschließbar ist, einem an den ersten Spannungswandler (2) angeschlossenen Zwischenkreis (4) sowie zumindest einem zweiten und einem dritten Spannungswandler (5, 6), die an den
Zwischenkreis (4) angeschlossen sind, wobei an den zweiten und an den dritten Spannungswandler (5, 6) jeweils zumindest ein
Energiewandler (7-10) anschließbar ist, wobei die Steuerung (11) mit den zweiten und dritten Spannungswandlern (5, 6) verbunden ist und eingerichtet ist, die zweiten und dritten Spannungswandler (5, 6) hinsichtlich ihrer Leistungsflussrichtung zu steuern, insbesondere eingerichtet ist, zeitgleich die Leistungsflussrichtung in dem zweiten Spannungswandler (5) in umgekehrte Richtung wie die
Leistungsflussrichtung in dem dritten Spannungswandler (6) zu steuern.
8. Energiespeichersystem (100) mit einer Stromwandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Energiespeichersystem (100) zudem zumindest eine
Durchflussbatterie, insbesondere eine Redox-Flow-Batterie, mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten aufweist.
9. Energiespeichersystem (100), nach Anspruch 8 wobei das
Energiespeichersystem (100) zudem zumindest einen Energiewandler (7-10), dessen Energieumwandelfähigkeit mittels einer
Durchflussmenge des Elektrolyts durch den Energiewandler (7-10) einstellbar ist, aufweist.
10. Energiespeichersystem (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Energiespeichersystem (100) zudem zumindest eine Pumpe (33, 34) zur Umwälzung des Elektrolyts aufweist.
11. Verfahren zum Laden und Entladen von Energiespeichern mit einer einen Spannungswandler (2, 5, 6) aufweisenden
Stromwandlervorrichtung (1) mit den folgenden Verfahrensschritten :
- Ermitteln einer Leistungsflussrichtungsvorgabe für den
Spannungswandler (2, 5, 6),
- Ermitteln eines Ansteuersignais für zumindest eine
Energiespeicherperipherievorrichtung,
- Ausgabe des Ansteuersignais über einen Steueranschluss (17)
- Ansteuerung des Spannungswandlers (2, 5, 6) mit der
Leistungsflussrichtungsvorgabe.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei zum Steigern der
Energieeffizienz die Stromwandlervorrichtung (1) einen
Zwischenkreis (4) aufweist sowie zumindest zwei Spannungswandler (5,6), die an den Zwischenkreis (4) angeschlossen sind, wobei an jeden Spannungswandler (5,6) zumindest ein Energiespeicher (7,8,9,10) anschließbar ist, wobei die Spannungswandler (5,6) hinsichtlich ihrer Leistungsflussrichtung gesteuert werden,
insbesondere zeitgleich die Leistungsflussrichtung in dem einen Leistungswandler (5) in umgekehrter Richtung wie die
Leistungsflussrichtung in dem anderen Spannungswandler (6) gesteuert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Energie von einem
Energiespeicher (7) über Spannungswandler (5,6) und Zwischenkreis (4) in einen anderen Energiespeicher (8,9,10) transferiert wird.
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