DE102015210922A1

DE102015210922A1 - Wechselrichter, Flussbatteriesystem und Verfahren zum Laden und Entladen einer Flussbatterie

Info

Publication number: DE102015210922A1
Application number: DE102015210922.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Leypold; Peter Wiedemuth; Thomas Lüth
Original assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2016-12-15
Also published as: WO2016202846A1

Abstract

Ein Wechselrichter (1) für ein Flussbatteriesystem (100) weist auf: – einen bidirektional betreibbaren AC/DC-Wandler (2) mit einem Netz-Anschluss (3) und einem HVDC-Anschluss (4a, 4b), – mehrere Batterie-Anschlusspaare (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) zum Anschluss an Batterien des Flussbatteriesystems (100), – zumindest zwei DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) mit jeweils einem ersten DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) und einem zweiten DC-Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b), die jeweils ausgelegt sind, Leistung bidirektional sowohl vom ersten DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) zum zweiten DC Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) zu transportieren als auch in umgekehrter Richtung, – wobei jedes erste DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) mit einem Batterie-Anschlusspaar (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) verbunden ist, – wobei die ersten DC-Anschlusspaare (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) von den zweiten DC-Anschlusspaaren (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) galvanisch isoliert sind, – wobei zumindest zwei DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) an ihren zweiten DC-Anschlusspaaren (15a, 15b, 16a, 16b) in einer Serienschaltung verbunden sind, indem ein Anschluss (15b) des zweiten DC-Anschlusspaars (15a, 15b) einer ersten DC/DC-Wandlereinheit (5) eine Verbindung mit einem Anschluss (16a) eines zweiten DC-Anschlusspaars (16a, 16b) einer weiteren DC/DC-Wandlereinheit (6) aufweist, und wobei die Serienschaltung mit dem HVDC-Anschluss (4a, 4b) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter für ein Flussbatteriesystem, ein Flussbatteriesystem mit einem Wechselrichter sowie ein Verfahren zum Laden und Entladen einer Flussbatterie.
Ein Flussbatteriesystem, zum Beispiel ein Redox-Flow-Batteriesystem, das beispielsweise Elektrolyt-Kombinationen von V/V, Fe/Cr oder Zn/Br verwendet, findet in zunehmendem Maße als stationärer Energiespeicher Verwendung. Integriert in ein großes System aus Energieerzeugern und -verbrauchern, kann es zur Netzstabilisierung dienen oder kann Erzeuger- oder Lastspitzen abfangen.
Ein Flussbatteriesystem weist zumeist mehrere so genannte Stacks auf, bestehend aus mehreren elektrochemischen Zellen bzw. Flow-Batterien, wobei die Stacks jeweils eine relativ niedrige DC-Spannung von 40 V bis 70 V aufweisen In einem Stack können mehrere Zellen in Reihe geschaltet, die je nach Ladezustand eine Spannung von etwa 1,2 V bis 1,6 V aufweisen. Die Wandlung dieser relativ niedrigen DC-Spannung auf eine hohe AC-Spannung, wie sie in den meisten Stromversorgungsnetzen benötigt wird, ist verlustreich. Es wäre daher wünschenswert, eine höhere DC-Spannung zur Verfügung zu stellen. Man könnte die Stacks an ihren elektrischen Anschlüssen in Serie zu schalten, um eine höhere Spannung zu erhalten. Das ist jedoch mit Nachteilen verbunden. Die Stacks werden jeweils von zwei Elektrolyten durchströmt, die in großen Tanks gespeichert werden. Geeigneterweise werden die Stacks hydraulisch parallel geschaltet. Würde ein erster Stack mit einem zweiten Stack elektrisch in Reihe geschaltet, so würde über die Parallelschaltung der Elektrolytleitungen ein Ausgleichsstrom („Shunt current”) fließen, der zu erheblichen Verlusten führen würde.
In der US 20120308856 A1 ist ein Redox-Flow-Batteriesystem beschrieben, bei dem zur Unterdrückung der Ausgleichsströme vorgeschlagen wird, Widerstandselemente in die Elektrolytleitungen einzubauen, die einen elektrisch möglichst großen Widerstand in der Elektrolytleitung aufbauen und zugleich die Elektrolyten hydraulisch möglichst nicht negativ beeinflussen. Das ist aber bauteilaufwendig, insbesondere weil diese Widerstandselemente aus säurefestem Material und zugleich elektrisch isolierend aufgebaut sein müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem ein Flussbatteriesystem aufgebaut und betrieben werden kann, das zum einen effizient betrieben werden kann und zum anderen kostengünstig im Aufbau ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Insbesondere kann die Aufgabe mit einem Wechselrichter für ein Flussbatteriesystem gelöst werden, aufweisend:

– einen bidirektional betreibbaren AC/DC-Wandler mit einem Netz-Anschluss und einem Hochspannungsgleichstromanschluss (HVDC-Anschluss),
– mehrere Batterie-Anschlusspaare zum Anschluss an Batterien des Flussbatteriesystems,
– zumindest zwei DC/DC-Wandlereinheiten mit jeweils einem ersten und einem zweiten DC-Anschlusspaar, wobei die DC/DC-Wandlereinheiten jeweils ausgelegt sind, Leistung bidirektional sowohl vom ersten DC-Anschlusspaar zum zweiten DC Anschlusspaar zu transportieren als auch in umgekehrter Richtung,
– wobei jedes erste DC-Anschlusspaar mit einem Batterie-Anschlusspaar verbunden ist,
– wobei die ersten DC-Anschlusspaare von den zweiten DC-Anschlusspaaren galvanisch isoliert sind,
– wobei zumindest zwei DC/DC-Wandlereinheiten an ihren DC-Anschlusspaaren in einer Serienschaltung verbunden sind, indem ein Anschluss des zweiten DC-Anschlusspaars einer ersten DC/DC-Wandlereinheit zumindest eine Verbindung mit einem Anschluss eines zweiten DC-Anschlusspaars einer weiteren DC/DC-Wandlereinheit aufweist – mit anderen Worten sind zumindest zwei DC/DC-Wandlereinheiten an ihren zweiten DC-Anschlusspaaren in Serie geschaltet –, und
– wobei die Serienschaltung mit dem HVDC-Anschluss verbunden ist.

Auf diese Weise können DC/DC-Wandlereinheiten eingesetzt werden, die die Spannung von ihrem ersten DC-Anschlusspaar zu ihrem zweiten DC-Anschlusspaar um weniger als den Faktor 3, insbesondere um weniger als den Faktor 2 verändern. Damit können die DC/DC-Wandlereinheiten sehr effizient betrieben werden. Das ist insbesondere für bidirektional betreibbare DC/DC-Wandler in Speicheranwendungen wichtig, denn die Wandlereffizienz wirkt sich in einem Lade-/Entladezyklus zweimal aus.
Auf diese Weise kann auch ein AC/DC-Wandler eingesetzt werden, der die Spannung von seinem DC-Anschlusspaar zu seinem AC-Anschlusspaar um weniger als den Faktor 3, insbesondere um weniger als den Faktor 2 verändert. Damit kann auch der AC/DC-Wandler sehr effizient betrieben werden. Das ist insbesondere für einen bidirektional betreibbaren AC/DC-Wandler wichtig.
Insgesamt kann damit der Wechselrichter sehr effizient betrieben werden, sowohl beim Laden der Batterien als auch beim Entladen dieser und bei der Netzeinspeisung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die direkte Reihenschaltung von Stacks aber auch von Zellen zu vermeiden und jedem Stack, aber wenn gewünscht auch jeder Zelle (oder einigen wenigen Zellen) einen eigenen potentialgetrennten DC/DC-Wandler zuzuordnen, welche dann sekundärseitig in Reihe geschaltet sind. Der oben verwendete Begriff „Batterie” umfasst somit im Sinne der Erfindung eine einzelne Zelle, aber auch mehrere Zellen und auch einen Stack, bestehend aus mehreren Zellen bzw. Batterien.
Es werden dann auch keine elektrischen Widerstandselemente in den hydraulischen Elektrolytleitungen benötigt, was den Aufbau eines Flussbatteriesystems deutlich kostengünstiger macht.
Der Wechselrichter kann mindestens drei an ihren zweiten DC-Anschlusspaaren in Serie geschaltete DC/DC-Wandlereinheiten aufweisen. So können der AC/DC-Wandler und/oder die DC/DC-Wandlereinheiten noch effizienter betrieben werden.
Der Wechselrichter kann eine gemeinsame Steuerung für den AC/DC-Wandler und die DC/DC-Wandlereinheiten aufweisen. Der Wechselrichter kann eine Datenverbindung von der Steuerung zum AC/DC-Wandler und zu den DC/DC-Wandlereinheiten aufweisen. Die Steuerung kann ausgelegt sein, sowohl den AC/DC-Wandler als auch die DC/DC-Wandlereinheiten anzusteuern. So kann der Wechselrichter noch effizienter betrieben werden.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, eine Ladezustandserkennung an jedem einzelnen Batterie-Anschlusspaar vorzunehmen. Dazu kann der Wechselrichter eine Spannungsmessvorrichtung an jedem einzelnen Batterie-Anschlusspaar aufweisen und die Steuerung kann ausgelegt sein, eine Ladezustandserkennung an jedem einzelnen Batterie-Anschlusspaar aufgrund der durch die Spannungsmessvorrichtungen gemessenen Spannungen vorzunehmen. Durch diese Maßnahme lässt sich auf mögliche Fehler bei den Batterien oder Pumpen, die zum Umwälzen des Elektrolyts verwendet werden, schließen.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, bei Leistungsflussrichtung in eine DC/DC-Wandlereinheit von einem zweiten DC-Anschlusspaar zu einem ersten DC-Anschlusspaar eine Stromregelung mit vorgegebenem Ausgangsstrom am ersten DC-Anschlusspaar vorzunehmen. Somit kann sowohl das Laden der Batterien als auch die Einspeisung von Leistung in ein Netz genau geregelt werden.
Der Wechselrichter kann einen Datenanschluss zur datentechnischen Verbindung der Steuerung mit weiteren Komponenten des Flussbatteriesystems aufweisen, die außerhalb des Wechselrichters angeordnet sind, insbesondere zur Ansteuerung von Pumpen. Somit kann mit der Steuerung des Wechselrichters unter Umständen das gesamte Flussbatteriesystem gesteuert werden.
Der Wechselrichter kann eine Ausfallerkennung einzelner Komponenten, insbesondere der DC/DC-Wandlereinheiten oder Batterien, aufweisen. Die Ausfallerkennung kann dabei eine separate Einheit sein oder Bestandteil der Steuerung sein.
Die Steuerung kann ausgelegt sein, bei Ausfallerkennung einer der DC/DC-Wandlereinheiten und/oder einer Batterie, das zur Batterie oder zur DC/DC-Wandlereinheit zugeordnete zweite DC-Anschlusspaar kurz zu schließen und/oder deren erstes DC-Anschlusspaar in Leerlauf zu schalten. Mit dieser Maßnahme kann eine DC/DC-Wandlereinheit einfach abgeschaltet werden, ohne das übrige System zu sehr zu beeinflussen bzw. abschalten zu müssen. Fehlerzustände und gefährliche Zustände können dadurch vermieden werden.
Die Anzahl der DC/DC-Wandlereinheiten und deren Regelbereich der Spannung am zweiten DC-Anschlusspaar kann ausgelegt sein, bei Ausfall einer DC/DC-Wandlereinheit oder einer Batterie die gleiche Spannung am HVDC-Anschluss bereitzustellen wie bei Betrieb mit allen in Serie geschalteten DC-Wandlereinheiten, wobei jede DC/DC-Wandlereinheit ausgelegt ist, bei Leistungsflussrichtung von einem ersten DC-Anschlusspaar zu einem zweiten DC-Anschlusspaar eine Gleichspannung in einen vorgegebenen Gleichstrom zu wandeln und bei umgekehrter Leistungsflussrichtung einen Gleichstrom in eine vorgegebene Gleichspannung und/oder Gleichstrom. Durch diese Maßnahme kann der Ausfall einer DC/DC-Wandlereinheit kompensiert werden.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Flussbatteriesystem mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter, der zudem aufweist:

– zumindest zwei Batterien, die elektrisch jeweils an die Batterie-Anschlusspaare des Wechselrichters angeschlossen sind,
– zwei Tanks gefüllt mit Elektrolyten,
– Verbindungsleitungen von den Tanks zu den Batterien zur Zuführung und Rückführung des Elektrolyts von den Tanks zu den Batterien,
– Je eine Zirkulationspumpe zur Umwälzung des Elektrolyts von den Tanks zu den Batterien und zurück.

Vorteilhafterweise können die Batterien in ihren Anschlüssen zur Zu- und Rückführung des Elektrolyts hydraulisch parallel geschaltet sein.
Dadurch dass der Wechselrichter potentialgetrennte DC/DC-Wandler aufweist, kann man die eine Anschlussseite dieser Wandler in Reihe schalten und so eine genügend hohe Spannung für den Wechselrichter erzeugen, ohne dass über den Batterien eine Spannung auftritt, so dass kein Shunt Current fließt, obwohl diese hydraulisch parallel geschaltet sind.
Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Laden und Entladen einer Flussbatterie, wobei ein Elektrolyt von zwei Tanks jeweils zu mehreren Batterien an jeweils zwei Anschlüsse geführt und von den Batterien von jeweils zwei weiteren Anschlüssen zu den Tanks zurückgeführt wird, und durch die Batterien jeweils ein Lade- bzw. Entladestrom fließt, der jeweils einem bidirektional betreibbaren DC/DC-Wandler zugeführt wird, wobei die DC/DC-Wandler an ihrer anderen Wandlerseite in Serie zusammengeschlossen sind, so dass im Entladebetrieb eine Spannung erzeugt wird, die ausreichend groß ist, um ein Einspeisen ins Stromnetz mit einem einstufigen Wechselrichter ohne zusätzlichen Transformator zu ermöglichen. Mit einem solchen Verfahren können die oben beschriebenen Vorteile erreicht werden.
Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Flussbatteriesystems, bei dem zumindest zwei Batterien elektrisch jeweils an Batterie-Anschlusspaare eines Wechselrichters angeschlossen werden, und hydraulisch, insbesondere parallel, an mindestens zwei mit Elektrolyten gefüllte Tanks angeschlossen werden, eine Umwälzung der Elektrolyten von den Tanks zu den Batterien zurück erfolgt und jeder Batterie ein DC/DC-Wandler zugeordnet wird, deren erste DC/DC-Anschlusspaare mit jeweils einer Batterie verbunden werden und deren zweite DC/DC-Anschlusspaare in einer Serienschaltung verbunden werden, wobei eine Potentialtrennung der ersten und zweiten DC/DC-Anschlusspaare erfolgt. Durch die Serienschaltung der DC/DC-Wandler kann eine hinreichend hohe DC-Spannung erzeugt werden, um ins Stromnetz einspeisen zu können. Durch die Potentialtrennung können trotzdem hydraulische Parallelschaltungen der Batterien verwendet werden. Probleme mit Shunt Currents können so vermieden werden, die auftreten, wenn Batterien elektrisch in Reihe geschaltet werden, während sie gleichzeitig hydraulisch parallel geschaltet sind.
An jedem Batterie-Anschlusspaar kann eine Ladezustandserkennung durchgeführt werden. Somit kann der Ladezustand von jeder Batterie überwacht werden.
Bei einer Leistungsflussrichtung in einer DC/DC-Wandlereinheit von einem zweiten DC-Anschlusspaar zu einem ersten DC-Anschlusspaar kann eine Stromregelung auf einen vorgegebenen Ausgangsstrom am ersten DC-Anschlusspaar durchgeführt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass DC/DC-Wandlereinheiten und/oder die Batterien hinsichtlich eines Ausfalls überwacht werden. Somit kann auf einen Ausfall entsprechend reagiert werden.
Bei Erkennung eines Ausfalls einer der DC/DC-Wandlereinheiten und/oder einer Batterie, kann das zur Batterie oder zur DC/DC-Wandlereinheit zugeordnete zweite Anschlusspaar kurzgeschlossen und/oder deren erstes DC-Anschlusspaar in Leerlauf geschaltet werden. Somit kann das System in einen sicheren Zustand überführt werden, ohne dass die Gefahr eines Brandes entsteht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu sehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein schematisches Bild eines Flussbatteriesystems mit einem Wechselrichter;
2 ein schematisches Bild einer DC/DC-Wandlereinheit.
In 1 ist ein Flussbatteriesystem 100 mit einem Wechselrichter 1, zwei Tanks 21, 22 und drei Stacks 8, 9, 10 gezeigt. Die Stacks sind als (Flow-)Batterien ausgebildet. Insbesondere können die Stacks mehrere Zellen bzw. (Flow-)Batterien aufweisen. Hier können auch nur zwei oder auch mehr als drei Stacks vorgesehen sein. Der erste Tank 21 ist über eine erste Zuführungsleitung 27 mit den Stacks 8, 9, 10 verbunden. In diese Zuführungsleitung 27 eingefügt ist eine erste Pumpe 23, die den Elektrolyt umwälzen kann. Der erste Tank 21 ist über eine erste Rückführungsleitung 25 mit den Stacks 8, 9, 10 verbunden.
Der zweite Tank 22 ist über eine zweite Zuführungsleitung 28 mit den Stacks 8, 9, 10 verbunden. In diese Zuführungsleitung 28 eingefügt ist eine zweite Pumpe 24, die den Elektrolyt umwälzen kann. Der zweite Tank 22 ist über eine zweite Rückführungsleitung 26 mit den Stacks 8, 9, 10 verbunden.
Die Stacks 8, 9, 10 sind mit den Rück- und Zuführungsleitungen 25, 26, 27, 28 parallel verbunden. Würde der erste Stack 8 auf einem anderen elektrischen Potential liegen als z. B. der zweite Stack 9, so würde über die Parallelschaltung der Elektrolyt-Rück- und Zuführungsleitungen 25–28 ein Ausgleichsstrom, so genannter Shunt Current, fließen, der zu Verlusten führen würde.
Der Wechselrichter 1 weist im Ausführungsbeispiel ebenso viele DC/DC-Wandlereinheiten 5, 6, 7 auf wie Stacks 8, 9, 10 vorgesehen sind. Zum Anschluss an den ersten Stack 8 weist der Wechselrichter 1 ein Batterie-Anschlusspaar 8a, 8b auf. Zum Anschluss an den zweiten Stack 9 weist der Wechselrichter 1 ein Batterie-Anschlusspaar 9a, 9b auf. Zum Anschluss an den dritten Stack 10 weist der Wechselrichter 1 ein Batterie-Anschlusspaar 10a, 10b auf.
Die DC/DC-Wandlereinheiten 5, 6, 7 weisen jeweils ein erstes DC-Anschlusspaar 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b und ein zweites DC-Anschlusspaar 15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b auf. Die DC/DC-Wandlereinheiten 5, 6, 7 sind jeweils ausgelegt, Leistung bidirektional sowohl vom ersten DC-Anschlusspaar 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b zum zweiten DC Anschlusspaar 15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b zu transportieren als auch in umgekehrter Richtung.
Jedes erste DC-Anschlusspaar 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b ist mit einem Batterie-Anschlusspaar 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b des Wechselrichters 1 verbunden. An den DC-Anschlusspaaren 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b bzw. den verbundenen Batterie-Anschlusspaaren 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b ist jeweils eine Spannungsmessvorrichtung 35, 36, 37 vorgesehen. Damit kann der Ladezustand der Stacks 8, 9, 10 überwacht werden. Gleichzeitig kann auch der Zustand der DC/DC-Wandlereinheiten 5, 6, 7 überwacht werden.
Die DC/DC-Wandlereinheiten 5, 6, 7 sind so ausgestaltet, dass die ersten DC-Anschlusspaare 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b von den zweiten DC-Anschlusspaaren 15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b galvanisch isoliert sind. Die DC/DC-Wandlereinheiten 5, 6, 7 sind an ihren zweiten DC-Anschlusspaaren 15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b in Serie geschaltet und die Serienschaltung ist an einen Hochspannungs-Gleichstromanschluss (HVDC-Anschluss) 4a, 4b angeschlossen. An diesen ist auch ein Glättungskondensator 14 angeschlossen und die DC-Seite eines bidirektional betreibbaren AC/DC-Wandlers 2.
Der AC/DC-Wandler 2 ist an seiner AC-Seite an ein Stromnetz 3 angeschlossen. Das Stromnetz 3 kann ein- oder mehrphasig sein. Sicherungen und Schütze sowie manuell zu betätigende Sicherheitsschalter können zwischen Stromnetz 3 und AC/DC-Wandler 2 vorgesehen sein. Filter zur Bedämpfung von Störungen sowohl aus dem Stromnetz 3 als auch aus dem Wechselrichter 1 können vorgesehen sein. Der Wechselrichter 1 weist eine Steuerung 11 auf. Der Wechselrichter 1 weist eine Datenverbindung 12 von der Steuerung 11 zum AC/DC-Wandler 2 und zu den DC/DC-Wandlereinheiten 5, 6, 7 auf. Der Wechselrichter 1 weist einen Datenanschluss 13 zur datentechnischen Verknüpfung der Steuerung 11 mit weiteren Komponenten des Flussbatteriesystems 100 auf, die außerhalb des Wechselrichters 1 angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Pumpen 23, 24 von der Steuerung 11 angesteuert.
Die 2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines DC/DC-Wandlers 5. An das Batterie-Anschlusspaar 8a, 8b ist eine erste Schaltbrücke 40 mit den Schaltelementen S1–S4 angeschlossen. Diese Schaltbrücke 40 ist mit der Primärwicklung 41 eines Übertragers 42 verbunden. Die Primärwicklung 41 und die Sekundärwicklung 43 des Übertragers 42 sind galvanisch isoliert. Die Sekundärwicklung 43 ist an eine weitere Schaltbrücke 44 angeschlossen, die die schaltenden Elemente S5–S8 aufweist. Der Ausgang der Schaltbrücke 44 ist an einen Hochsetzsteller 45 angeschlossen, der die Spannung an den DC-Anschlusspaaren 15a, 15b zur Verfügung stellt. Dadurch, dass der Übertrager 42 galvanisch isoliert ist, sind auch die Anschlusspaare 8a, 8b und 15a, 15b galvanisch isoliert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20120308856 A1 [0004]

Claims

Wechselrichter (1) für ein Flussbatteriesystem (100) aufweisend: – einen bidirektional betreibbaren AC/DC-Wandler (2) mit einem Netz-Anschluss (3) und einem HVDC-Anschluss (4a, 4b), – mehrere Batterie-Anschlusspaare (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) zum Anschluss an Batterien des Flussbatteriesystems (100), – zumindest zwei DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) mit jeweils einem ersten DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) und einem zweiten DC-Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b), die jeweils ausgelegt sind, Leistung bidirektional sowohl vom ersten DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) zum zweiten DC Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) zu transportieren als auch in umgekehrter Richtung, – wobei jedes erste DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) mit einem Batterie-Anschlusspaar (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) verbunden ist, – wobei die ersten DC-Anschlusspaare (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) von den zweiten DC-Anschlusspaaren (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) galvanisch isoliert sind, – wobei zumindest zwei DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) an ihren zweiten DC-Anschlusspaaren (15a, 15b, 16a, 16b) in einer Serienschaltung verbunden sind, indem ein Anschluss (15b) des zweiten DC-Anschlusspaars (15a, 15b) einer ersten DC/DC-Wandlereinheit (5) eine Verbindung mit einem Anschluss (16a) eines zweiten DC-Anschlusspaars (16a, 16b) einer weiteren DC/DC-Wandlereinheit (6) aufweist, und – wobei die Serienschaltung mit dem HVDC-Anschluss (4a, 4b) verbunden ist.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1) eine gemeinsame Steuerung (11) für den AC/DC-Wandler (2) und die DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) aufweist.
Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) ausgelegt ist, eine Ladezustandserkennung an jedem einzelnen Batterie-Anschlusspaar (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) vorzunehmen.
Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) ausgelegt ist, bei Leistungsflussrichtung in einer DC/DC-Wandlereinheit (5, 6, 7) von einem zweiten DC-Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) zu einem ersten DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) eine Stromregelung mit vorgegebenem Ausgangsstrom am ersten DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) vorzunehmen.
Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1) eine Spannungsmessvorrichtung (35, 36, 37) an jedem einzelnen Batterie-Anschlusspaar (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) aufweist.
Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1) einen Datenanschluss (13) zur datentechnischen Verbindung der Steuerung (11) mit weiteren Komponenten des Flussbatteriesystems (100) aufweist, die außerhalb des Wechselrichters (1) angeordnet sind, insbesondere zur Ansteuerung von Pumpen (23, 24).
Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1) eine Ausfallerkennung einzelner Komponenten, insbesondere der DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) oder Batterien, aufweist.
Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) ausgelegt ist, bei Ausfallerkennung einer der DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) und/oder einer Batterie (8, 9, 10) das zur Batterie oder zur DC/DC-Wandlereinheit (5, 6, 7) zugeordnete zweite DC-Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) kurz zu schließen und/oder deren erstes DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) in Leerlauf zu schalten.
Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) und deren Regelbereich der Spannung am zweiten DC-Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) ausgelegt ist, bei Ausfall einer DC/DC-Wandlereinheit (5, 6, 7) oder einer Batterie die gleiche Spannung am HVDC-Anschluss (4a, 4b) bereitzustellen wie bei Betrieb mit allen in Serie geschalteten DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7), wobei jede DC/DC Wandlereinheit (5,6,7) ausgelegt ist, bei Leistungsflussrichtung von einem ersten DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) zu einem zweiten DC-Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) eine Gleichspannung in einen vorgegebenen Gleichstrom zu wandeln und bei umgekehrter Leistungsflussrichtung einen Gleichstrom in eine vorgegebene Gleichspannung und/oder vorgegebenen Gleichstrom.
Flussbatteriesystem (100) mit einem Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: – zumindest zwei Batterien, die elektrisch jeweils an die Batterie-Anschlusspaare (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) des Wechselrichters (1) angeschlossen sind, – zwei Tanks (21, 22) gefüllt mit Elektrolyten, – Verbindungsleitungen (25–28) von den Tanks (21, 22) zu den Batterien zur Zuführung und Rückführung des Elektrolyts von den Tanks (21, 22) zu den Batterien, – je eine Zirkulationspumpe (23, 24) zur Umwälzung des Elektrolyts von den Tanks (21, 22) zu den Batterien und zurück.
Flussbatteriesystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien an ihren Anschlüssen zur Zu- und Rückführung des Elektrolyts hydraulisch parallel geschaltet sind.
Verfahren zum Laden und Entladen einer Flussbatterie, wobei ein Elektrolyt von zwei Tanks (21, 22) jeweils zu mehreren Batterien an jeweils zwei Anschlüsse geführt und von den Batterien von jeweils zwei weiteren Anschlüssen zu den Tanks (21, 22) zurückgeführt wird, und durch die Batterien jeweils ein Lade- bzw. Entladestrom fließt, der jeweils einem bidirektional betreibbaren DC/DC-Wandler (5–7) zugeführt wird, wobei die DC/DC-Wandler (5–7) an ihrer anderen Wandlerseite in Serie zusammengeschlossen sind, so dass im Entladebetrieb eine Spannung erzeugt wird, die ausreichend groß ist, um ein Einspeisen ins Stromnetz (3) mit einem einstufigen Wechselrichter (1) ohne zusätzlichen Transformator zu ermöglichen.
Verfahren zum Betrieb eines Flussbatteriesystems (100), bei dem zumindest zwei Batterien elektrisch jeweils an Batterie-Anschlusspaare (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) eines Wechselrichters (1) angeschlossen werden, und hydraulisch, insbesondere parallel, an mindestens zwei mit Elektrolyten gefüllte Tanks (21, 22) angeschlossen werden, eine Umwälzung der Elektrolyten von den Tanks (21, 22) zu den Batterien und zurück erfolgt und jeder Batterie ein DC/DC-Wandler (5–7) zugeordnet wird, deren erste DC/DC-Anschlusspaare (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) mit jeweils einer Batterie verbunden werden und deren zweite DC/DC-Anschlusspaare (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) in einer Serienschaltung verbunden werden, wobei eine Potentialtrennung der ersten und zweiten DC/DC-Anschlusspaare (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Batterie-Anschlusspaar (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) eine Ladezustandserkennung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Leistungsflussrichtung in einer DC/DC-Wandlereinheit (5, 6, 7) von einem zweiten DC-Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) zu einem ersten DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) eine Stromregelung auf einen vorgegebenem Ausgangsstrom am ersten DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) und/oder die Batterien hinsichtlich eines Ausfalls überwacht werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung eines Ausfalls einer der DC/DC-Wandlereinheiten (5, 6, 7) und/oder einer Batterie das zur Batterie oder zur DC/DC-Wandlereinheit (5, 6, 7) zugeordnete zweite DC-Anschlusspaar (15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b) kurzgeschlossen und/oder deren erstes DC-Anschlusspaar (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) in Leerlauf geschlossen wird.