DE4010343A1 - Schaltungsanordnung fuer die verbindungsleitung zwischen einer batteriespeicheranlage und einem gleichstromnetz - Google Patents
Schaltungsanordnung fuer die verbindungsleitung zwischen einer batteriespeicheranlage und einem gleichstromnetzInfo
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- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Energie
management in mit Batteriespeicheranlagen gekoppelten
Gleichstromnetzen. Unter Energiemenagement versteht man
beispielsweise die Spitzenlastminderung in einem Gleich
stromnetz oder auch die Energierückführung der Nutz
energie eines dazu entsprechend ausgerüsteten Verbrauchers
an das Netz. Derartige Anordnungen sind aus der Publi
kation "1 MWh -Battery -Storage in short-distance
Traffic-net" von B. Voigt et al (Beitrag zur Second
International Conference on Batteries for Utility
Energie Storage, Book of Abstracts, July 1989, Newport
Beach, California) und der Publikation "Einsatz von
Batteriespeicheranlagen in Gleichstrom-Nahverkehrsbahnen"
von K.G. Krämer und T. Mierke (Beitrag zum Zweiten
Expertengespräch im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens
"Energiebedarfsoptimierung bei Gleichstrom-Nahverkehrs
bahnen" Berlin 16. Mai 1988) vorbekannt. Die Schaltungs
anordnung besteht dort in einfachster Weise darin, daß
eine Batteriespeicheranlage direkt mittels eines Ein/Aus-
Schalters an das Gleichstromnetz, in diesem Fall ein
U-Bahnnetz, angeschlossen ist. Die Batteriespeicher
anlagen sorgen dafür, daß bei Spitzenlastanforderungen,
z. B. beim Anfahren einer U-Bahn, ein Teil der Last aus der
Batterie entnommen und so eine Verminderung der Last
spitze erreicht wird. Moderne U-Bahnen sind in der Lage
ihre Bremsenergie als Nutzenergie in das Gleichstromnetz
zurückzuspeisen. Diese Bremsenergie kann von der Batterie
speicheranlage teilweise aufgenommen werden und ist damit
wiederverwertbar. Eine Umsetzung der gesamten Bremsenergie
in Wärme wird so vermieden und führt zu einer Energieer
sparnis.
Eine derartige, simple Direktverbindung einer Batterie
speicheranlage mit einem Gleichstromnetz hat jedoch einige
Nachteile. Es gibt hierbei keine Stellmöglichkeit der
Batteriespannung, d. h. die Spannung des Gleichstromnetzes
liegt immer direkt an der Batterie an und somit bestimmt
das Netz immer die Aktivität der Batterie. Die Batterie ist
also dauernd in Betrieb. Je nach Höhe der Netzspannung wird
die Batterie geladen oder entladen und das mit dem durch den
Netzwiderstand und die Batterieleerlaufspannung bedingten
maximal möglichen Strom. Lies führt beispielsweise in U-
Bahnnetzen dazu, daß Batteriespeicheranlagen bis zu 2/3
des Energieumsatzes eines Umrichterwerkes aufweisen.
Da eine Batteriespeicheranlage kein idealer Speicher ist,
verursacht sie wegen ihres Innenwiderstandes natürlich
Verluste bei einem dauernden unkontrollierten Wechsel
zwischen Aufladen und Entladen. Es ist daher durchaus
möglich, daß die Energieeinsparungen durch Rückführung
und Speicherung der Bremsenergie eines U-Bahnzuges, die
maximal 35% der Ursprungsenergie betragen kann, durch die
Batterieverluste wettgemacht und unrentabel werden.
Des weiteren wird durch einen derartigen direkten Betrieb
einer Batteriespeicheranlage bedingt durch die Maximal
belastungen ihre Lebensdauer herabgesetzt.
Es ergibt sich die Aufgabe,eine Schaltungsanordnung zu
entwickeln, die ein optimales Energiemanagement in einem
System aus Batteriespeicheranlage und Gleichstromnetz und damit
eine maximale Energieeinsparung bei größtmöglicher Spitzen
lastdeckung und Batterielebensdauer ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1.
Die Erfindung sieht vor einen Vorwiderstand mit zwei dazu
parallel geschalteten Stromrichterventilen zum Ver
binden der Batteriespeicheranlage mit dem Gleichstromnetz
einzusetzen. Die steuerbaren Stromrichterventile
haben entgegengesetzte Durchlaßrichtungen. Der Regler
steuert in Abhängigkeit von dem gemessenen Netzstrom
und der gemessenen Netzspannung die Stromventile. Zum Ein
satz kommt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ins
besondere in Gleichstromnetzen hoher Leistung, wie dies
z. B. in U-Bahn- und S-Bahnnetzen mit den Zügen als Verbrauchern
der Fall ist. Mittels des Reglers ist es möglich, bei Strom
bedarf des Netzes das Stromrichterventil mit der Durchlaß
richtung Batterie-Netz leitend zu schalten. Damit liegt die
Batteriespeicheranlage direkt am Gleichstromnetz
und kann die benötigte Energie ganz oder teilweise liefern.
Dedektiert der Regler einen Leistungsüberschuß auf dem Netz,
so kann das andere Stromventil durchgeschaltet werden und die
Batterie speichert die anfallende Energie, die beispiels
weise bei der Rückführung der Bremsenergie eines Zuges
anfällt. Sind beide Stromventile nicht leitend, so
wird der in die Batterie oder aus der Batterie fließende
Strom von dem Vorwiderstand begrenzt. Die Batterie liegt
dann nicht auf dem Netzpotential. Die Erfindung bietet
die Möglichkeit eines aktiven Energiemanagements durch
Regelung des Leistungsflusses in die Batterie oder aus der
Batterie heraus.
Die weiteren Vorteile der Erfindung werden im folgenden
aufgeführt.
Es werden kurzfristige Lastspitzen nivelliert.
Langfristige, gemittelte Lastspitzen, wie sie beispiels
weise die sogenannten Rush-hour-peaks bei U-Bahnen im
Tagesverlauf, bedingt durch kürzere Zugfolgen, bilden,
werden ebenfalls gemindert.
Ins Netz rückgeführte Verbraucherenergie wird kontrolliert
in die Batteriespeicheranlage eingespeist.
Die Batteriespannung kann in einem vorgegebenen Bereich
verstellt werden und ist nicht netzabhängig.
Die Regelung kann so beschaffen sein, daß das Nachladen der
Batterien im wesentlichen nur in Schwachlastzeiten erfolgt.
Der Batterieumsatz kann an die Herstellerangaben unter wirt
schaftlichen Gesichtspunkten angeglichen werden, und es wird
somit eine optimale Lebensdauer der Batterien erreicht.
Eine Notstromversorgung des Gleichstromnetzes ist ebenso
gegeben.
Beim Einsatz der Erfindung in U-oder S-Bahnnetzen können
die Umrichterwerke bezüglich kleinerer Spitzenlast ausge
legt werden.
Bei der Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 2 werden
die Regelmöglichkeiten durch Einbeziehen der Regelgrößen
Umrichterstrom und Gleichrichterspannung erweitert.
Eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3 benutzt sinnvolle
Triggerkriterien für die Stromrichterventile.
Die Größenwahl des Vorwiderstandes gemäß Anspruch 4 ergibt
ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen dem Kurzschlußstrom beim
Durchschalten eines Stromventiles und dem durch den Vor
widerstand begrenzten Strom bei Nichtleiten beider Strom
ventile. Ein optimaler Energieumsatz und eine optimale
Batterielebensdauer werden damit erreicht.
Die Ausbildung des Reglers als Prozeßrechner, PC oder
µ-Controller nach Anspruch 5 erlaubt ein einfaches Anpassen
der Messung, der Auswertung und der daraus folgenden
Steuerung des Energiemanagements an die vorhandenen Betriebs
bedingungen durch die Bestimmung bzw. Wahl entsprechender
Triggerpunkte der Stromrichterventile. Ein entsprechend
programmierter µ-Controller stellt ein extrem leistungs
fähiges, flexibles und preisgünstiges Meß-und Regelelement
dar.
Beim Einsatz von Thyristoren als Stromrichterventile
gemäß Anspruch 6 ist es möglich auf spezielle Unterbrecher-
bzw. Löschschaltungen der Stromrichterventile zu verzichten,
da ein leitender Thyristor selbsttätig in den sperrenden
Zustand übergeht, wenn der Batteriestrom seine Richtung
ändert, bzw. folglich der Spannungsabfall über dem
Vorwiderstand Null ist. Der Batteriestrom ist definiert
als der Strom der in aus der Batterie fließt.
Werden Gate-Turn-Off Thyristoren als Stromerrichter
ventile gemäß Anspruch 7 gewählt, so kann ein leitender
Gate-Turn-Off Thyristor durch einen Löschpuls zu jeder
Zeit wieder in den sperrenden Zustand versetzt werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer bevorzugten
Ausgestaltung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung,
Fig. 2 den Einsatz der Schaltungsanordnung in
einem typischen Gleichstromnetz für U-
Bahnen, und
Fig. 3 den schematischen Strom-und Spannungs
verlauf der Batterie, des Umrichters und
des Verbrauchers, im vorliegenden Fall
einer U-Bahn.
Die Fig. 1 zeigt eine typische Ausgestaltung der Erfindung.
Ein Vorwiderstand 1 mit zwei dazu parallel geschalteten
Thyristoren 2 und 3, die entgegengesetzte Durchlaßrichtungen
haben, verbindet die Batteriespeicheranlage 5 mit dem
Gleichstromnetz 6. Die Batteriespeicheranlage 5 ist
schematisch dargestellt durch ihren Innenwiderstand 5′
und ihre Kapazität 5′′. Die eine Seite der Batterie
speicheranlage 5 liegt auf Masse, so daß natürlich auch
der eine Pol des Netzes 6 auf Masse liegen muß. Der Regler
4 mißt die Netzspannung und den Umrichterstrom, wobei die
Meßleitungen hier schematisch durch die Leitungen 7, 10 dar
gestellt sind. Des weiteren ist es unter Umständen nötig,
den Batteriestrom, die Batteriespannung 12 und die
Batterietemperatur zu messen. Aus diesen
Meßwerten bestimmt der Regler 4 die Triggerpunkte der
Thyristoren 2 und 3. Die Schaltpulse werden über die
Leitungen 8 und 9 den Thyristoren 2 und 3 zugeführt.
Die Fig. 2 zeigt den Einsatz einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung in einer typischen U-Bahnnetzumgebung.
Dargestellt ist der Vorwiderstand 1 mit den beiden
antiparallel geschalteten Thyristoren 2 und 3, der die
Batteriespeicheranlage 5 bestehend aus Innenwiderstand
5′ und Kapazität 5′′, mit der positiven Schiene des Gleich
stromnetzes 6 verbindet. Die andere Schiene des Gleich
stromnetzes 6 liegt auf Masse, genauso wie der andere
Pol der Batteriespeicheranlage 5. Die Thyristoren 2 und 3
werden über die Leitungen 8 und 9 von dem Regler 4
getriggert. Dieser mißt über die Leitung 7 den Umrichter
strom, den Netzstrom und die Netzspannung. Eine Messung von
Batteriespannung, -strom und -temperatur durch den Regler
ist eingezeichnet. Der Regler 4 ist vorzugsweise als
Prozessrechner, PC- oder µ-Controller ausgebildet. Die
stromführende Schiene des Gleichstromnetzwerkes 6 hat
einen Widerstand von 0,025 Ohm pro km und ist positiv.
Das Netzwerk wird von Umrichterwerken mit Energie ver
sorgt. Diese Umrichterwerke bestehen aus einer dreiphasigen
Drehstrombrückschaltung 15, 19 und den jeweils vorge
schalteten Stromrichtertransformatoren 16, 18. Dabei ist
der Stromrichtertransformator 16 in einer Sternschaltung
ausgeführt, während der Stromrichtertransformator 18 eine
Sternbrückenschaltung beinhaltet. Somit ergibt sich ins
gesamt auf dem Netz ein zwölfpulsiger Gleichstrom an
der Schiene mit einer Spannung von 850 Volt. Die Umrichter
werke werden vom Drehstromnetz auf der 10 KV Spannungsebene
versorgt. Schematisch dargestellt ist der Verbraucher 14,
bestehend aus einem komplexen Widerstand und einer
Kapazität, der im vorliegenden Fall ein U-Bahnzug ist
der seine kinetische Energie beim Bremsen in wiederein
speisbaren Gleichstrom rückverwandelt.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsan
ordnung in einer Umgebung, die der Fig. 2 entspricht,
läßt sich am besten anhand der Fig. 3 erläutern. Darge
stellt sind jeweils die zeitlichen Abhängigkeiten, und
zwar in Teil I diejenige des U-Bahnstromes IZ, in II der
Umrichterspannung UU, in III des Umrichterwerkstromes IU
und schließlich in IV des Batteriestromes IB. Zusätzlich ist
in II die Batteriespannung UB als gepunktete Linie einge
zeichnet. Auf der zeitlichen Achse ergeben sich fünf Bezugs
punkte t0-t5. Die Bedeutung der Zeitabschnitte ist die
folgende:
Zeitraum t0-t1: Stehen der U-Bahn (v=0)
Zeitraum t1-t2: Anfahren der U-Bahn (v ≠ const.)
Zeitraum t2-t3: Fahren der U-Bahn (v=const.)
Zeitraum t3-t4: Bremsen der U-Bahn (v ≠ const.)
Zeitraum t4-t5: Stehen der U-Bahn (v=0)
Zeitraum t1-t2: Anfahren der U-Bahn (v ≠ const.)
Zeitraum t2-t3: Fahren der U-Bahn (v=const.)
Zeitraum t3-t4: Bremsen der U-Bahn (v ≠ const.)
Zeitraum t4-t5: Stehen der U-Bahn (v=0)
Im Zeitraum t0-t1 findet kein Anfahr- oder Fahrvorgang einer
U-Bahn im Bereich des Umrichterwerkes statt, die U-Bahn steht.
In dieser Schwachlastzeit kann die Batterie von dem Um
richterwerk geladen werden. Voraussetzung ist, daß
die Batteriespannung niedriger ist als die Streckenspannung
(Netz). Dies kann wahlweise mit einem großen oder kleinen
Ladestrom erfolgen, je nachdem ob der Thyristor 3 leitend
ist oder nicht.
Aufgrund des Anfahrstromes des U-Bahnzuges bricht die
Streckenspannung im Zeitraum t1-t2 zusammen. Die
Batterieanlage versucht, die Streckenspannung zu stützen,
d. h. die Batterie übernimmt einen Teil des Anfahrstromes
der U-Bahn. Dies kann wiederum wahlweise mit einem kleinen
oder großen Batteriestrom erfolgen, je nachdem ob der
Thyristor 2 leitet oder sperrt.
Nach Abschluß des Beschleunigungsvorganges der U-Bahn
fährt die U-Bahn mit konstanter Geschwindigkeit im Zeit
raum t2-t3. Zur Aufrechterhaltung der Geschwindigkeit
wird nur eine geringe Leistung und somit ein geringer
Strom benötigt. Die Streckenspannung steigt wieder auf
fast ihren Nennwert an. Wenn die Streckenspannung größer
ist als die Batteriespannung wird die Batterie geladen, da der
Thyristor 3, falls er leitend war, beim Nulldurchgang
des Batteriestromes sperrt. Bleibt die Streckenspannung
kleiner als die Batteriespannung, dauert der Entladevor
gang an.
Zu Beginn des Zeitraumes t3-t4 steigt die Streckenspannung
über die ideelle Leerlaufspannung des Umrichterwerkes an
und somit tritt ein Bremsvorgang eines U-Bahneszuges in
Erscheinung. Der Thyristor 3 wird nun durchgeschaltet,
damit die Batterie die Energie des bremsenden Zuges auf
nehmen kann. Die Bremsenergie wird dann nicht mehr über
die Streckenwiderstände in entferntere Netzbezirke ab
fließen bzw. in Bremswiderständen vernichtet werden.
Im Zeitraum t4-t5 steht der U-Bahnzug wieder und nimmt
keinen Strom auf (Teil I). Vorausgesetzt, daß die Um
richterwerkspannung größer ist als die Batteriespannung
wird die Batterie über den durchgeschalteten Thyristor 3
nachgeladen. Die Nachladung der Batterie aus dem Umrichter
werk erfolgt solange über den durchgeschalteten Thyristor
3 bis die Umrichterwerkspannung infolge eine Anfahrvorganges
zusammenbricht und unter die Batteriespannung fällt.
Im Zeitraum t5 wechselt das Vorzeichen des Batteriestromes,
und der Thyristor 3 schaltet selbsttätig in den sperrenden
Zustand.
Claims (7)
1. Schaltungsanordnung für die Verbindungsleitung zwischen
einer Batteriespeicheranlage und einem Gleichstromnetz,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Vorwiderstand (1) und zwei zu dem Vorwiderstand (1)
parallel geschaltete, steuerbare Stromrichterventile
(2, 3) mit jeweils entgegengesetzter Durchlaßrichtung die
Batteriespeicheranlage (5) mit dem Gleichstromnetz (6)
verbinden, und daß ein Regelkreis (4) die Stromrichter
ventile (2, 3) in Abhängigkeit von der Netzspannung und
dem Netzstrom ansteuert.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Regelgrößen für den Regelkreis (4)
der Umrichterstrom und die Batteriespannung verwendet
werden .
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Stromrichterventil (2) mit der
Durchlaßrichtung Batterie-Netz dann durchgeschaltet wird,
wenn eine erhöhte Leistungsanforderung des Netzes vor
liegt, und daß das Stromrichterventil (3) mit der Durch
laßrichtung Netz-Batterie dann durchgeschaltet wird, wenn
das Netz einen Leistungsüberschuß aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der voran
gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Vorwiderstand (1) 5- bis 100mal größer ist als der Innen
widerstand der Batteriespeicheranlage (5).
5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der
vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Regler (4) als Prozeßrechner, PC oder als µ-Controller
ausgebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der voran
gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stromrichterventile (2, 3) als Thyristoren ausgebildet sind.
7. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom
richterventile (2, 3) als Gate-Turn-Off Thyristoren aus
gebildet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904010343 DE4010343A1 (de) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | Schaltungsanordnung fuer die verbindungsleitung zwischen einer batteriespeicheranlage und einem gleichstromnetz |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904010343 DE4010343A1 (de) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | Schaltungsanordnung fuer die verbindungsleitung zwischen einer batteriespeicheranlage und einem gleichstromnetz |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4010343A1 true DE4010343A1 (de) | 1991-10-02 |
Family
ID=6403452
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904010343 Ceased DE4010343A1 (de) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | Schaltungsanordnung fuer die verbindungsleitung zwischen einer batteriespeicheranlage und einem gleichstromnetz |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4010343A1 (de) |
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- 1990-03-29 DE DE19904010343 patent/DE4010343A1/de not_active Ceased
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