DE69207088T2

DE69207088T2 - Supraleitendes Energiestabilisierungssystem im Nebenschluss

Info

Publication number: DE69207088T2
Application number: DE69207088T
Authority: DE
Inventors: Carel C Dewinkel; Sang H Kim; Paul F Koeppe
Original assignee: Superconductivity Inc
Current assignee: Superconductivity Inc
Priority date: 1991-07-01
Filing date: 1992-06-27
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2012-06-28
Also published as: ES2081525T3; JPH05211732A; JP2796471B2; AU646957B2; EP0521424A1; AU1806592A; DE69207088D1; EP0521424B1; ATE132306T1; US5376828A; US5514915A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein im Nebenschluß liegendes supraleitendes Energiestabilisierungssystem mit Trennschaltung, um einen oder mehrere Wechselstrom- oder Gleichstrom-Verbraucher und/oder eine elektrische Stromquelle mit Energie zu versorgen. Im besonderen betrifft die Erfindung ein supraleitendes Stabilisierungssystem, welches die Verbraucher, vorzugsweise bei Spannungseinbrüchen oder kurzzeitigen Stromausfällen, mit Energie versorgt, während ein Trennschalter die Verbraucher von der Stromquelle trennt. Außerdem kann das supraleitende Energiestabilisierungssystem gleichzeitig sowohl den Verbrauchern als auch der Quelle Energie zuführen, bis sich die elektrische Stromquelle von dem Energieeinbruch oder kurzzeitigen Stromausfall erholt hat.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Supraleitende Energiespeichersysteme nach dem Stand der Technik sind auf die Speicherung von aus einer Wechselstrom-(AC-)Quelle hergeleiteter Energie und Rückspeisung der gespeicherten Energie an die Wechselstrom-Quelle ausgerichtet. Typischerweise erfolgt Speicherung von Energie zu Zeiten niedrigen Energiebedarfs, wenn Energieüberschuß vorliegt, und Energierücklieferung an die Stromquelle, wenn der Energiebedarf hoch ist.
Ein derartiges System erscheint in Peterson et al., US-Patent 4 122 512. Peterson et al. verwenden einen umkehrbaren Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, um den aus der Wechselstrom-Quelle erhaltenen Wechselstrom zwecks Speicherung in einem supraleitenden Magneten in Gleichstrom umzuformen und den gespeicherten Gleichstrom zwecks Rückspeisung an die Wechselstrom- Quelle in Wechselstrom umzuwandeln. Diese Art von System ermöglicht zwar die wirksame Speicherung und Rückspeisung von Energie an die Wechselstrom-Quelle; sie ist jedoch nicht darauf ausgerichtet, Verbraucher direkt mit Energie zu beliefern.
Ein anderes, in Higashino, US-Patent 4 695 932, beschriebenes supraleitendes Energiespeichersystem offenbart eine Energiespeicherschaltung, welche Dreiphasenwechselstrom in Gleichstrom umwandelt, um diesen in einer supraleitenden Energiespeicherspule zu speichern. Hierbei kommen ein Gleichstrom-Kondensator und eine Zerhacker-Schaltung zur Anwendung, um die Gleichstrommenge in der supraleitenden Energiespeicherspule zu kontrollieren. Nach Higashino gestattet es diese Anordnung, die Strombelastbarkeit der Wechselstrom-Speiseleitungeinrichtung und des Wandlers je nach durch die Nennstromstärke der Spule aufgebauter Betriebsleistung herunterzuskalieren und ermöglicht ferner eine Reduzierung von Betriebsverlusten.
Diese bekannten supraleitenden Energiespeichersysteme ermöglichen die wirksame Speicherung und Rücklieferung von Energie an eine elektrische Stromquelle; sie ermöglichen es jedoch nicht, die Stromquelle von den die Energie empfangenden Verbrauchern zu trennen und gespeicherte Energie direkt ausschließlich an die Verbraucher zu liefern. Derartige Systeme müssen deshalb ausreichend Energie erzeugen, um das gesamte Elektroenergie- System und jegliche daran angeschlossene Verbraucher zu versorgen. Dieses hohe Versorgungsniveau bedeutet zwangsläufig, daß diese supraleitenden Energiespeichersysteme ziemlich groß sein müssen, und zwar nicht nur hinsichtlich Strombelastbarkeit und Energie-Kapazität, sondern auch hinsichtlich ihrer physikalischen Größe.
In dem am 9. Oktober 1990 an Superconductivity Inc. erteilten US-Patent 4 962 354 beschreiben Visser et al. einen supraleitenden Spannungsstabilisator. Der supraleitende Spannungsstabilisator umfaßt einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, einen Spannungsregler, eine Energiespeicherzelle und eine supraleitende Energiespeicherspule. Wechselstrom wird in Gleichstrom umgewandelt und in einer supraleitenden Energiespeicherspule gespeichert. Der gespeicherte Gleichstrom wird an eine Energiespeicherzelle abgegeben, die ihrerseits die Energie an einen Verbraucher liefert. Die Energiefreigabe erfolgt auf kontrollierte Weise entsprechend den Energieanforderungen des Verbrauchers, um dadurch den Betrieb des Verbrauchers aufrechtzuerhalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein im Nebenschluß liegendes Energiestabilisierungssystem zur Stabilisierung der Funktion einer elektrischen Stromquelle sowie der daran angeschlossenen Verbraucher durch Energiezufuhr zu den Verbrauchern und Trennung der Verbraucher von der Stromquelle oder durch gleichzeitige Energiezufuhr zu der Stromquelle und den Verbrauchern, wobei dieses im Nebenschluß liegende Energiestabilisierungssystem folgendes umfaßt:
ein Energie-Reserve- und Erholungssystem zum Laden einer supraleitenden Energiespeichervorrichtung, Speichern von Energie sowie Abgeben von Energie in Form von Gleichstrom, wobei das Energie-Reserve- und Erholungssystem eine supraleitende induktive Energiespeichervorrichtung, Eingangsanschlüsse, Ausgangsanschlüsse sowie Steueranschlußmittel zum Führen von Steuersignalen aufweist, wobei die Eingangsanschlüsse mit dem Elektroenergieverteilsystem gekoppelt sind;
Trennschaltmittel zum Trennen der Verbraucher von der Stromquelle, wobei die Trennschaltmittel mit der Stromquelle und den Verbrauchern gekoppelt sind und einen Strompfad zwischen der Stromquelle und den Verbrauchern bilden sowie mit den Steueranschlußmitteln gekoppelt sind; und
Leistungserzeugungsmittel zur Leistungserzeugung aus Gleichstrom, wobei die Leistungserzeugungsmittel Eingangsleitungen, Ausgangsleitungen und Steuerleitungsmittel zum Führen von Steuersignalen aufweisen, wobei die Eingangsleitungen mit den Ausgangsanschlüssen des Energie-Reserve- und Erholungssystems verbunden, die Ausgangsleitungen zwischen den Trennschaltmitteln und den Verbrauchern mit den Trennschaltmitteln gekoppelt und die Steuerleitungsmittel mit den Steueranschlußmitteln gekoppelt sind.

Kurzbeschreibung der Figuren

Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung eines im Nebenschluß liegenden supraleitenden Energiestabilisierungssystems mit einem Trennschalter, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 Zeitdiagramm, welches die Beziehung der Spannungswellenformen einer dreiphasigen Spannungsquelle zueinander, den Leiterstrom einer der Spannungswellenformen und das Zeitdiagramm des Durchschaltens eines Paares antiparallel geschalteter Thyristoren zeigt, wenn die Stromquelle die Verbraucher mit Energie versorgt;
Fig. 3 Zeitdiagramm, welches die Beziehung der Spannungswellenformen der dreiphasigen Spannungsquelle zueinander, den Leiterstrom einer der Spannungswellenformen und das Zeitdiagramm des Durchschaltens eines antiparallel geschalteten Thyristor- Paares zeigt, wenn das supraleitende Energiestabilisierungssystem sowohl den Verbrauchern als auch der Stromquelle Energie zuführt;
Fig. 4 schematische Darstellung eines Blindleistungskompensators;
Fig. 5 Zeitdiagramm von Pulsbreitenmodulations-Wellenformen, welche die Wechselrichter des RPG/VC treiben, für sowohl normalen als auch voreilenden und nacheilenden Betrieb mit und ohne supraleitendem Energie-Reserve- und Erholungssystem.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein im Nebenschluß liegendes supraleitendes Energiestabilisierungssystem mit Trennschaltung ist an eine elektrische Stromquelle oder eine Speiseleitung sowie an einen oder mehrere Wechselstrom- oder Gleichstrom-Verbraucher (der/die Verbraucher), welchletztere Energie aus der Stromquelle erhalten, gekoppelt. Das im Nebenschluß geschaltete supraleitende Energiestabilisierungssystem speichert Energie in einer supraleitenden induktiven Energiespeichervorrichtung und gibt die Energie bei Spannungseinbrüchen und Stromausfällen ab, und zwar entweder nur an den/die Verbraucher oder gleichzeitig sowohl an den/die Verbraucher als auch an die Stromquelle. Die gespeicherte Energie ist fast augenblicklich verfügbar, um entweder die Energieanforderungen des/der Verbraucher allein oder der Stromquelle und des/der Verbraucher gleichzeitig zu tragen.
Der Trennschalter macht es möglich, den/die Verbraucher vom Netz zu trennen, so daß Energiezufuhr lediglich an den/die Verbraucher erfolgen kann, um den Betrieb fortzusetzen oder es dem/den Verbraucher/n zu ermöglichen, die kurzzeitige Spannungsstörung zu "überstehen", wodurch die Stromquelle dabei unterstützt wird, sich von dem Spannungseinbruch oder dem kurzzeitigen Ausfall zu erholen, indem praktisch die Last abgeworfen wird. Dieses System ermöglicht es ferner, sowohl die Verbraucher als auch die Netzquelle mit Energie zu beliefern, indem der Schalter nicht betätigt wird, so daß Strom zur Stromquelle sowie zu dem/den Verbraucher/n fließen kann.
Bei Auftreten eines Spannungseinbruchs oder kurzzeitigen Stromausfalls beginnt das im Nebenschluß liegende Energiestabilisierungssystem, dem/den Verbraucher/n Energie zuzuführen, sobald ein Trennschalter die Netzquelle von dem/den Verbraucher/n trennt. Das Trennen des/der Verbraucher/s von der Quelle kann in einem Bruchteil einer Millisekunde abgeschlossen sein, da der Trennschalter aus Thyristoren gebildet ist, welche durch die Ausgangsspannung eines Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlers in Sperrichtung vorgespannt sind und bei Auftreten der Störung durch freie Kommutierung veranlaßt werden, abgeschaltet zu bleiben. Werden in dem Trennschalter anstelle von Thyristoren abschaltbare oder sog. GTO-Thyristoren verwendet, so wird im Störungsfall das Durchschalt-Signal nicht geliefert. Nachdem sich die Speiseleitung wieder erholt hat, synchronisiert der RPG/VC seine Ausgangsspannung mit der Speiseleitung und der Trennschalter schaltet ein.
Neben rascher Reaktion dahingehend, den Verbrauchern und/oder dem Netz Energie zuzuführen, zeigt das im Nebenschluß liegende Energiestabilisierungssystem auch über einen langen Zeitraum hinweg gleichbleibende Leistung. Der hierbei verwendete supraleitende Magnet ist eine robuste Vorrichtung, die, je nach Größe des Magneten, etwa einmal pro Minute geladen und entladen werden kann. Die Nutzlebensdauer des supraleitenden Magneten ist ebenfalls recht lang und kann bis zu mindestens 1 Million Lade-/Entladezyklen betragen.
Das im Nebenschluß liegende Energiestabilisierungssystem ist ferner so konzipiert, daß es sowohl Ersatzenergie an das Netz als auch Energie an den/die Verbraucher liefern kann. In diesem Fall sind die Thyristoren ständig gezündet, so daß der Trennschalter Energie sowohl zur Quelle als auch zu dem/den Verbraucher/n leitet.
Ein Wirkleistungserzeuger/Blindleistungs-(VAR-)Kompensator (RPG/VC) versorgt nicht nur den/die Verbraucher und die Speiseleitung mit Wirkleistung, sondern sorgt auch für kontinuierliche Blindleistungsversorgung der primären Stromquelle. Im Blindleistungs-Kompensationsmodus gleicht der RPG/VC Blindleistungsänderungen von 100 % voreilend bis 100 % nacheilend innerhalb von weniger als einem Zyklus aus.
Während eines Spannungseinbruchs oder kurzzeitigen Stromausfalls erhält der RPG/VC Energie aus einem Energie-Reserve- und Erholungssystem, um dem/den Verbraucher/n Wirkleistung zuzuführen. Die Energiezufuhr zu dem/den Verbraucher/n allein wird durch die Verwendung des Trennschalters bewerkstelligt. Der Trennschalter trennt praktisch im Falle von Spannungseinbrüchen oder Stromausfällen den/die Verbraucher von der Netzquelle. Ohne den Trennschalter muß eine supraleitende Energiespeichervorrichtung nicht nur den/die Verbraucher versorgen, sondern auch alle an die Stromquelle angeschlossenen Einrichtungen, einschließlich derer, die die Störung verursachen. Dabei werden so große Mengen von Strömen erforderlich, daß die Kosten eines solchen Systems untragbar wären. Der relativ kleine supraleitende Magnet, der für die Lastabwurf-Anwendung benötigt wird, bedeutet, daß dieses System wirtschaftlich realisierbar wird in Situationen, die andernfalls (ohne den Schalter) wegen des notwendigerweise großen supraleitenden Magneten extrem kostspielig wären. Ferner nimmt der supraleitende Magnet,
verglichen mit anderen Vorrichtungen, die zur Speicherung von Energie verwendet werden, wie z.B. Batterien, einen relativ kleinen physikalischen Raum ein.
Fig. 1 zeigt ein generell mit der Ziffer 10 bezeichnetes, im Nebenschluß liegendes Energiestabilisierungssystem mit Trennschaltung. Das im Nebenschluß liegende Energiestabilisierungssystem enthält ein supraleitendes Energie-Reserve- und Erholungssystem 20 zum Speichern und Abgeben von Energie an einen oder mehrere Verbraucher und/oder an eine Wechselstromoder Gleichstrom-Quelle. Eine Art von supraleitendem Energie- Reserve- und Erholungssystem ist in Visser et al., U.S.-Patent 4 962 354 beschrieben.
Das Energie-Reserve- und Erholungssystem 20 enthält einen Wechselstrom-Gleichstrom-(AC/DC-)Wandler 22, der durch mehrere Magnetleistungsschalter 26 an eine Stromquelle 24 gekoppelt ist. Der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 22 erhält Dreiphasenstrom von der Stromquelle 24 und wandelt diesen in Gleichstrom um, der in einer supraleitenden induktiven Energiespeichervorrichtung 28 oder einem supraleitenden Magneten gespeichert wird, wie für den Fachmann ersichtlich. Die in einer Vielzahl vorhandenen Leistungsschalter 26 ermöglichen es, den Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler zu Wartungs- oder Prüfzwecken von der Stromquelle 24 zu trennen.
Mit der Stromquelle 24 ist über eine weitere Mehrzahl von Leistungsschaltern 32 ein Wasserkühler/Kühlapparat 30 verbunden. Der Wasserkühler/Kühlapparat 30 enthält eine Kühlvorrichtung zur Erhaltung der Temperatur des supraleitenden Magneten 28 und einen Wasserkühler zum Kühlen verschiedener elektronischer Hochleistungs-Bauelemente, die in dem supraleitenden Energiestabilisierungssystem zur Anwendung kommen.
Das Energie-Reserve- und Erholungssystem 20 beinhaltet ferner einen Spannungsregler 34, der mit dem Wechselstrom-Gleichstrom- Wandler 22 und mit dem supraleitenden Magneten 28 verbunden ist. Der Spannungsregler 34 regelt das Ein- und Ausspeichern von Energie in den bzw. aus dem supraleitenden Magneten 28. Der Spannungsregler 34 umfaßt einen Schaltkreis, welcher - bezogen auf die vorliegende Ausführungsform - in geschlossenem Zustand Energie in den supraleitenden Magneten 28 einspeichert und bei Öffnen Energie aus dem supraleitenden Magneten an eine an den Spannungsregler 34 gekoppelte Energiespeicherzelle 36 abgibt. Die Energiespeicherzelle 36 speichert von dem supraleitenden Magneten 28 erhaltene Energie zur Energiefreigabe an das übrige System. Die Energiespeicherzelle kann als eine Kondensatorbatterie vorliegen, und sie kann als ein Teil des Spannungsreglers 34 oder als Teil eines im folgenden noch näher zu erläuternden Wirkleistungserzeugers/Blindleistungskompensators eingebaut sein.
Eine eine Steuerschaltung umfassende Steuerung 38 steuert den Betrieb dieser Komponenten zur Ein- und Ausspeicherung von Energie. Der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 22, der supraleitende Magnet 28 und der Spannungsregler 34 sind allesamt über individuelle Steuerleitungen mit der Steuerung 38 verbunden, welche den Status der verschiedenen Geräte überwacht und Steuerinformation an diese abgibt. Obgleich lediglich eine einzige Steuerleitung dargestellt ist, variiert die Anzahl von Steuerleitungen zu jedem Gerät, wie für den Fachmann ersichtlich. Der Betrieb dieser Geräte, aus denen sich das Energie- Reserve- und Erholungssystem 20 und die Energiespeicherzelle 36 zusammensetzt, ist in dem bereits angeführten, erteilten Patent ausführlicher erläutert.
Das Energie-Reserve- und Erholungssystem 20 enthält ein Paar Ausgangsleitungen 40 und 42, die mit einem Wirkleistungserzeuger/Blindleistungskompensator (RPG/VC) 44 gekoppelt sind. Eine Steuerleitung 46 ist zwischen der Steuerung 38 und dem RPG/VC 44 geschaltet, um dessen Funktion zu überwachen und zu steuern. Der RPG/VC 44 ist durch drei Ausgangsleitungen 47, 48 und 49 an einen Phasenschiebertransformator 50 gekoppelt, welcher in der Energiespeicherzelle 36 gespeicherte Energie über Leitungen 51, 52 und 53 an den/die Verbraucher oder an die Netzquelle überträgt.
Der RPG/VC 44 kann Wirk- und Blindleistung abgeben. Im Falle eines Spannungseinbruchs oder eines kurzzeitigen Stromausfalls versorgt der RPG/VC 44, gespeist vom Energie-Reserve- und Erholungssystem 20, den Verbraucher mit Wirk- und Blindleistung. Im Normalbetrieb der Stromquelle liefert der RPG/VC 44 auch Blindleistung oder Blindleistungskompensation zur ständigen Versorgung der Stromquelle 24. In diesem Blindleistungs-Kompensationsmodus werden Blindleistungsänderungen von 100 % voreilend bis 100 % nacheilend in weniger als einem einzigen Zyklus der Wechselstromleitung kompensiert.
Der RPG/VC 44 beinhaltet Wechselrichter, um die in der Energiespeicherzelle 36 gespeicherte Energie in Wechselströme umzuwandeln, wie für den Fachmann ersichtlich.
Blindleistungskompensation erfolgt durch Einstellen des Phasenschiebertransformators 50 und des Spannungspegels am Ausgang des/der Wechselrichter, welche/r in dem RPG/VC 44 enthalten ist/sind (an einer späteren Textstelle besprochen und in Fig. 4 und 5 dargestellt), so daß die Wechselrichter eine Ausgangsspannung liefern, die höher oder niedriger ist als die Spannung der Stromquelle 24. Ein derartige Ausgangsspannung liefert kapazitive bzw. induktive Blindleistung.
Die Stromquelle 24 ist über eine Anzahl von Schaltern mit den Ausgangsleitungen 51, 52 und 53 des Phasenschiebertransformators 50 verbunden. Ein Überstrom-Schutzschalter 54 besteht aus drei Überstromschutz-Vorrichtungen, die mit jedem Leiter der Dreiphasenstromquelle gekoppelt sind. An den überstromschutzschalter 54 gekoppelt befindet sich ein elektromechanischer Bypass-Schalter 56 für Wartungszwecke. Die Dreiphasenleitung ist durch den elektromechanischen Wartungs-Bypass-Schalter 56 direkt auf den/die Verbraucher 58 geführt. Der elektromechanische Wartungs-Bypass-Schalter 56 verbindet die Stromquelle direkt mit dem/den Verbraucher/n, um das im Nebenschluß liegende Energiestabilisierungssystem zu Wartungs- oder Instandsetzungszeiten sowie bei gewissen lastseitigen Fehlerzuständen zu umgehen.
Ein Trennschalter 60 koppelt die Stromquelle 24 an die Verbraucher 58 und verbindet ferner die Stromquelle 24 mit den Leitungen 51, 52 und 53 des Phasenschiebertransformators 50. Der Trennschalter 60 umfaßt einen ersten Schalter 62, einen zweiten Schalter 64 und einen dritten Schalter 66, die jeweils einen Leiter der Dreiphasenleitung mit den Verbrauchern 58 und den Leitungen 51, 52 und 53 des Phasenschiebertransformators 50 verbinden. Der erste, zweite und dritte Schalter 62, 64 und 66 umfassen jeweils ein Paar antiparallel geschalteter, halbleitergesteuerter Gleichrichter (Thyristoren oder Abschaltthyristoren (GTO-Thyristoren)), im vorliegenden Fall als GTO- Thyristoren dargestellt, deren Gate-Anschlüsse durch eine hier als eine einzige Leitung dargestellte Steuerleitung 68 mit der Steuerung 38 verbunden sind. Die einzelnen Komponenten des Trennschalters 60 sind im Handel erhältlich und haben bereits in anderen Anwendungen Verwendung gefunden. Eine solche Anwendung ist die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), wobei der Schalter normalerweise geöffnet und nur bei Versagen der USV geschlossen ist, ähnlich dem Betrieb des Schalters 56 nach Fig. 1.
Ein erster Unterbrechungsschalter 70 und ein zweiter Unterbrechungsschalter 72 sind an der Dreiphasenleitung, die die Stromquelle 24 mit den Verbrauchern 58 verbindet, angeordnet. Der erste Unterbrechungsschalter 70 befindet sich zwischen dem Überstromschutzschalter 54 und dem Trennschalter 60, während sich der zweite Unterbrechungsschalter zwischen dem Verbraucher 58 und den Leitungen 51, 52 und 53 des Phasenschiebertransformators 50 befindet. Beide Schalter sind während des Betriebs des supraleitenden Energiestabilisierungssystems normalerweise geschlossen. Die Schalter 70 und 72 können entweder durch die Wirkung der Steuerung 38 über (hier nicht gezeigte) Steuerleitungen oder durch mechanischen Betätigung geschaltet werden, wie für den Fachmann ersichtlich.
Der Trennschalter 60 arbeitet in einer von zwei Betriebsarten. In einer ersten Betriebsart bewirkt der Trennschalter 60, daß das Energie-Reserve- und Erholungssystem 20, der RPG/VC 44 und der Phasenschiebertransformator 50 lediglich dem/den Verbraucher/n Energie zuführen, indem er die Stromquelle 24 von dem/den Verbraucher/n trennt. In einer zweiten Betriebsart führen das Energie-Reserve- und Erholungssystem 20 und der RPG/VC 44 sowie der Phasenschiebertransformator 50 gleichzeitig sowohl der Stromquelle 24 als auch den Verbrauchern 58 Energie zu.
In der ersten Betriebsart ist infolge der Beschaffenheit der in dem Schalter 60 eingebauten Bauelemente die Trennung innerhalb eines Bruchteils einer Millisekunde vollzogen. Die GTO- Thyristoren in dem ersten, zweiten und dritten Schalter 62, 64, und 66 werden in einem in Sperrichtung vorgespannten Zustand gehalten, hervorgerufen dadurch, daß die Ausgangsspannung des RPG/VC 44 höher ist als die der Stromquelle. Für den Fachmann wird auch ersichtlich sein, daß dieser Schalter aus halbleitergesteuerten Gleichrichtern oder Thyristoren aufgebaut sein kann. Dann kommutieren die Schalter frei und bleiben abgeschaltet, wodurch die Verbraucher von der Stromquelle getrennt werden.
Die Verwendung des Trennschalters 60 in der ersten Betriebsart ermöglicht es, einen relativ kleinen Magneten zu verwenden, um lediglich die Verbraucher mit Energie zu versorgen. Der relativ kleine Magnet, mit einer Nennleistung von beispielsweise 250 Wattstunden, schafft nicht nur eine preisgünstige Ausführung, sondern nimmt auch wesentlich weniger physikalischen Raum ein als nicht supraleitende Energiespeichervorrichtungen. Bei einem Spannungseinbruch oder Stromausfall trägt der supraleitende Magnet lediglich die kritische Last. Der Trennschalter 60 ermöglicht es den Wechselrichtern des RPG/VC 44, als ein Wirkleistungserzeuger zu wirken, indem er die Verbraucher 58 ohne Sprünge von der Speiseleitung trennt, die gerade einen Einbruch oder einen kurzzeitigen Ausfall erfährt. Ohne den Trennschalter 60 kann der RPG/VC 44 weder ausreichend Wirkleistung an den Verbraucher liefern, wenn ein kleiner Magnet verwendet wird, noch kann er einen stoßfreien Übergang zwischen Blind- und Wirkleistungsversorgung ermöglichen.
Die supraleitende induktive Energiespeichervorrichtung 28 trägt bei kurzzeitigen Spannungsstörungen die kritische Last. Der Trennschalter 60 trennt die Verbraucher 58 von der Stromquelle 24. Die Reduzierung sowohl der Wirklast als auch der Blindlast erhöht die Spannung auf dem restlichen Energiesystem. Diese Steigerung ist möglicherweise ausreichend, um zu verhindern, daß andere kritische Verbraucher dieses Energiesystems abschalten, was die Vorteile des im Nebenschluß liegenden Energiestabilisierungssystems noch erhöht. Somit ermöglicht es dieses System nicht nur, den/die Verbraucher durch die Störung zu bringen, sondern auch eine Spannungsstabilisierung des Energiesystems zu erzielen.
Die relativ kleine Magnetgröße, die für diese Anwendung erforderlich ist, bedeutet, daß dieses System wirtschaftlich realisierbar wird in Situationen, die andernfalls (ohne einen Trennschalter) infolge des sehr großen Magneten, der notwendig ist, um sowohl die Speiseleitung als auch die Verbraucher zu versorgen, zu kostspielig sind. Der Trennschalter ermöglicht es, das System zu skalieren, um gegebenenfalls Energie im Kilowattstundenbereich zu liefern anstatt im Megawattstundenbereich, der erforderlich ist, wenn sowohl Speiseleitung als auch Verbraucher versorgt werden.
Fig. 2 zeigt die Synchronisierung der Zündung der Thyristoren mit der Dreiphasenspannungsquelle. Die obere Darstellung in Fig. 2 zeigt die sinusförmigen Wellenformen für jeden Leiter der Dreiphasenspannungsquelle. Jede Wellenform entspricht der Spannung einer Phase der Dreiphasenleitung, die durch jeden einzelnen Trennschalter 62, 64 und 66 läuft. Einzelne Wellenformen sind mit A, B und C bezeichnet und entsprechen jeweils den Spannungen, die durch den ersten Schalter 62, den zweiten Schalter 64 und den dritten Schalter 66 laufen. Die vierte sinusförmige Wellenform, Ia, stellt den Leiterstrom dar, der durch den ersten Schalter 62 von der Netzquelle 24 zu den Verbrauchern 58 fließt.
Das Durchschalten der Thyristoren des ersten Schalters 62 ist direkt unterhalb der Dreiphasen-Wellenformen veranschaulicht. Wie gezeigt, ist das Durchschalten mit dem Leitungsstrom und nicht mit der Spannung synchronisiert. Der obere dargestellte Thyristor des ersten Schalters 62 wird wie auf Linie D gezeigt gezündet. Der untere dargestellte Thyristor des ersten Schalters 62 wird wie auf Linie E gezeigt gezündet. Die übrigen Thyristoren des zweiten und dritten Trennschalters 64 bzw. 66 werden auf ähnliche Weise gezündet, wie für den Fachmann ersichtlich und in Einklang mit dem hier Offenbarten.
In der zweiten Betriebsart kann das System sowohl der Speiseleitung als auch den Verbrauchern Energie zuführen. In diesem Fall sind die Thyristoren des Trennschalters 60 ständig gezündet derart, daß der Trennschalter die Quelle und den Verbraucher umpolt. Als Folge davon stützt das Energie-Reserveund Erholungssystem 20 den Verbraucher und die Quelle gleichzeitig. Wenn die Stromquelle 24 ihre normale Wirkungsweise wiedererlangt, synchronisiert der RPG/VC 44 seine Ausgangsspannung auf die Speiseleitung, woraufhin der Trennschalter den Verbraucher wieder der Quelle zuschaltet.
Fig. 3 zeigt das Zeitdiagramm des Zündens der Thyristoren in der zweiten Betriebsart. Die Bezeichnung der Wellenformen ist dieselbe wie in Fig. 2, wobei jedoch ein Strom Ia' definiert ist als der durch die Trennschalter von dem Energie-Reserveund Erholungssystem 20 zur Stromquelle 24 fließende Strom. Somit verläuft Ia' in gegenüber Ia umgekehrter Richtung. Wie zuvor, ist das Durchschalten der Thyristoren auf den Leiterstrom synchronisiert.
Der RPG/VC 44 liefert eine Ausgangsspannung bei einem höheren oder niedrigeren Wert als der Wert der Leitungsspannung, um kapazitive bzw. induktive Blindleistung zu liefern. Wie in Fig. 4 gezeigt, werden in dem RPG/VC 44 enthaltene Wechselrichter 74 und 76 in Verbindung mit den Phasenschiebertransformator 50 bildenden Phasenschiebertransformatoren 78 und 80 so eingestellt, daß sie kapazitive oder induktive Blindleistung liefern. Unter normalen Betriebsbedingungen werden die mit 81 A-D bezeichneten Kondensatoren der Energiespeicherzelle 36 von der Stromquelle geladen. Die Impedanz (Induktoren oder Streumduktivität der Phasenschiebertransformatoren 78 und 80 am Ausgang des RPG/VC 44: normalerweise 12 Impulse oder höher) sollte groß genug sein, um di/dt für die Schaltgeräte und den Transformator selbst zu begrenzen und Blindstrom beherrschbar zu machen.
Fig. 5 zeigt Wellenformen der Pulsdauer-(PDM-)Modulation, die zum Treiben der Wechselrichter des RPG/VC 44 verwendet werden. Zum Erhalt einer höheren oder niedrigeren Spannung aus den PDM- Wechselrichtern wird die Pulsdauer der in den Wechselrichtern enthaltenen Schalter verändert. In der Praxis, wie bei der Steuerung von Lichtbogenöfen, großen Motoren und anderen induktiven Verbrauchern sowie beim Ein- und Ausschalten von Blindleistungs-Kompensationskondensatoren, treten sehr schnelle Änderungen (von weniger als zwei bis drei Millisekunden Dauer) im Blindleistungsbedarf auf. Halbleiterschalter, die in Wechselrichtern hoher Leistung (d.h. üblicherweise über 250 kW) eingesetzt werden, sind nicht schnell genug, um auf eine derartig schnelle Blindleistungsänderung zu reagieren. Im vorliegenden Fall wird jedoch die Energiespeicherzelle oder Kondensatorbattene von dem Energie-Reserve- und Erholungssystem 20 innerhalb einiger Millisekunden auf einen gewünschten Wert geladen. Da der Trennschalter den Einsatz relativ kleiner Magneten ermöglicht, können auch Wechselrichter niedriger Leistung verwendet werden, um dadurch für eine schnelle Antwort auf Blindleistungsbedarf zu sorgen. Das Energie-Reserve- und Erholungssystem 20 ist somit in Verbindung mit der Pulsbreitenmodulation in der Lage, eine hochempfindliche, von nacheilend bis voreilend wirksame Blindleistungsversorgung zu liefern.
Wellenformen 84, 88 und 90 veranschaulichen die PDM-Wellenform während Normalbetriebs eines standardmäßigen Blindleistungserzeugers. Die Linie 86 auf der vertikalen Achse der Wellenform 84 bezeichnet den Spannungspegel einer Kondensatorbatterie, welche dazu verwendet wird, den Verbrauchern über den Betrieb eines standardmäßigen Blindleistungserzeugers Energie zuzuführen. Die Wellenform 88 zeigt das PDM-Signal für eine induktive Blindleistungserzeugung, und die Wellenform 90 zeigt das PDM-Signal für eine kapazitive Blindleistungserzeugung.
Wellenform 92 zeigt kapazitive Blindleistungserzeugung mit dem Energie-Reserve- und Erholungssystem 20 unter Verwendung der supraleitenden Energiespeichervorrichtung 28. Auf der vertikalen Achse ist der Spannungspegel der Energiespeicherzelle angegeben. Linie 94 bezeichnet einen gegebenen Spannungspegel. Wenn sich die Lastbedingungen ändern, so daß dem System mehr Blindleistung zugeführt werden muß, verändert ein standardmäßiger Blindleistungserzeuger, welcher sich auf von der Stromquelle gelieferte Energie stützt, das PDM-Signal, indem er die Pulsdauer oder Pulsbreite der Spannungswellenform 95 anhebt. Allerdings ereignen sich Laständerungen schneller als die Ansprechzeit der PDM beim standardmäßigen Blindleistungserzeuger. Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßen Kondensatorbattene 36 die Spannung schnell erhöht (durch die zu "V cap'" führende Linie 96 dargestellt), indem der Magnet 28 zum Zeitpunkt 98 entladen wird. Demzufolge reagiert der erfindungsgemäße RPG/VC 44 schneller als die zuvor erwähnten standardmäßigen Blindleistungserzeuger.
Die vorangegangene Beschreibung der Erfindung erfolgte zum Zwecke der Veranschaulichung und Erläuterung. Sie bezweckt nicht, die Erfindung auf genau jene Formen zu beschränken, die offenbart worden sind. Der Schutzbereich wird durch den Inhalt der Patentansprüche bestimmt, wie in Artikel 69 EPC und dazugehörigem Protokoll definiert.

Claims

1. Im Nebenschluß liegendes Energiestabilisierungssystem (10) zur Stabilisierung der Funktion einer elektrischen Stromquelle (24) sowie mit letzterer verbundener Verbraucher (58) durch Energiezufuhr zu den Verbrauchern (58) sowie Trennung der Verbraucher von der Stromquelle oder durch gleichzeitige Energiezufuhr zur Stromquelle und zu den Verbrauchern, wobei dieses im Nebenschluß liegende Energiestabilisierungssystem (10) umfaßt:

ein Energie-Reserve- und Erholungssystem (20) zum Laden einer supraleitenden Energiespeichervorrichtung (28), Speichern von Energie sowie Abgeben von Energie in Form von Gleichstrom, welches Energie-Reserve und - Erholungssystem (20) eine supraleitende induktive Energiespeichervorrichtung (28), Eingangsanschlüsse, Ausgangsanschlüsse sowie Steueranschlußmittel (38) zum Führen von Steuersignalen aufweist, wobei die Eingangsanschlüsse mit der elektrischen Stromquelle (24) gekoppelt sind;

Trennschaltmittel (60) zum Trennen der Verbraucher (58) von der Stromquelle (24), welche mit der Stromquelle (24) sowie mit den Verbrauchern (58) gekoppelt sind und einen Strompfad zwischen der Stromquelle und den Verbrauchern bilden sowie mit den Steueranschlußmitteln (38) gekoppelt sind; und

Leistungserzeugungsmittel (44) zur Leistungserzeugung aus Gleichstrom, welche Eingangsleitungen, Ausgangsleitungen und Steuerleitungsmittel zum Führen von Steuersignalen aufweisen, wobei die Eingangsleitungen mit den Ausgangsanschlüssen des Energie-Reserve- und

-Erholungssystems (20) verbunden, die Ausgangsleitungen zwischen den Trennschaltmitteln (60) und den Verbrauchern (58) mit den Trennschaltmitteln (60) gekoppelt und die Steuerleitungsmittel mit den Steueranschlußmitteln (38) gekoppelt sind.

2. Im Nebenschluß liegendes Energiestabilisierungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem die Leistungserzeugungsmittel (44) Mittel zur Erzeugung von Wirkleistung enthalten.

3. Im Nebenschluß liegendes Energiestabilisierungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem die Leistungserzeugungsmittel (44) Mittel zur Erzeugung von Blindleistung enthalten.

4. Im Nebenschluß liegendes Energiestabilisierungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem die Trennschaltmittel (60) einen mit jeder Leitung der Stromquelle (24) gekoppelten Trennschalter (62, 64, 66) aufweisen.

5. Im Nebenschluß liegendes Energiestabilisierungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem der Trennschalter (60) ein Paar von Gegentakt-Tor-Ausschaltvorrichtungen oder -Thyristoren aufweist.

6. Im Nebenschluß liegendes Energiestabilisierungssystem (10) zur Stabilisierung der Funktion einer Dreiphasenstromquelle (24) sowie mit letzterer verbundener Verbraucher (58) durch Energiezufuhr zu den Verbrauchern durch Verbraucherabtrennung oder durch gleichzeitige Energiezufuhr zur Stromquelle und zu den Verbrauchern, wobei dieses im Nebenschluß liegende Energiestabilisierungssystem (10) umfaßt:

ein Energie-Reserve-und -Erholungssystem (20) zum Laden einer supraleitenden Energiespeichervorrichtung (28), Speichern von Energie sowie Abgeben von Energie in Form von Gleichstrom, welches Energie-Reserve- und -Erholungssystem (20) eine supraleitende induktive Energiespeichervorrichtung (28), Eingangsanschlüsse, Ausgangsanschlüsse und Steueranschlußmittel zum Führen von Steuersignalen aufweist, wobei die Eingangsanschlüsse mit der Dreiphasenstromquelle (24) gekoppelt sind; Trennschaltmittel (60) zum Trennen der Verbraucher (58) von der Dreiphasenstromquelle (24), welche mit der Dreiphasenstromquelle sowie mit den Verbrauchern gekoppelt sind und einen Strompfad zwischen der Dreiphasenstromquelle und den Verbrauchern bilden sowie mit den Steueranschlußmitteln (38) gekoppelt sind; und Wirkleistungs-/Blindleistungs-Leistungserzeugungsmittel (44) zur Erzeugung von Wirkleistung und Blindleistung aus Gleichstrom, wobei die Wirkleistungs-/Blindleistungs-Leistungserzeugungsmittel (44) Eingangsleitungen, Ausgangsleitungen und Steuerleitungsmittel zum Führen von Steuersignalen aufweisen und die Eingangsleitungen mit den Ausgangsanschlüssen des Energie-Reserve- und -Erholungssystems (20) verbunden sind und wobei die Ausgangsleitungen zwischen den Trennschaltmitteln (60) und den Verbrauchern mit den Trennschaltmitteln gekoppelt und die Steuerleitungsmittel mit den Steueranschlußmitteln gekoppelt sind.

7. Im Nebenschluß liegendes Energiestabilisierungssytem (10) nach Anspruch 6, bei dem die Trennschaltmittel (60) einen mit jeder Leitung der Dreiphasenstromquelle (24) gekoppelten Trennschalter (62, 64, 66) aufweisen.

8. Im Nebenschluß liegendes Stabilisierungssystem (10) nach Anspruch 7, bei dem der Trennschalter (60) ein Paar von Gegentakt-Tor-Ausschaltvorrichtungen oder -Thyristoren aufweist.