УСТРОЙСТВО АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ПОТРЕБИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКИ
ENERGY ACCUMULATOR AND VARIABLE LOAD CONSUMERS

Изобретение относится к устройству аккумулирования энергии для нагрузки, обменивающейся мощностью с сетью энергоснабжения, и потребителю переменной нагрузки в качестве подобной электрической нагрузки.
Электрической нагрузкой, подключенной к сети энергоснабжения или питаемой от нее, является, например, промышленная установка, подключенная к сети среднего напряжения. Некоторые промышленные предприятия, такие как металлургические заводы, прокатные станы или плавильные установки, в частности, их электрические, например, электродуговые печи имеют высокое потребление электрической мощности или энергии, которое должна покрывать сеть энергоснабжения. Для таких промышленных предприятий в настоящее время все больше используются статические преобразователи (VSC - преобразователь источника напряжения, инвертор) с прямым подключением к сети энергоснабжения, например сети среднего или высокого напряжения. Инвертор при этом включен параллельно как к нагрузке, так и к сети энергоснабжения. Некоторые потребители в таких установках, например электродуговые печи или прокатные станы, также называются потребителями переменной нагрузки.
Например, при работе электродуговой печи существуют временные интервалы, в которых требуемая электрическая мгновенная мощность на очень коротких временных интервалах, в диапазоне миллисекунд, чрезвычайно варьируется (так называемый фликер). Кроме того, на протяжении более длительных периодов времени, например, примерно 30-60 минут, а именно - длительности процесса электродуговой печи для расплава стали - возникает процесс, в котором возрастающее среднее значение мощности является предсказуемым и колеблется только сравнительно медленно, а именно в диапазоне минут. Эта часто сильно колеблющаяся потребность в мощности нагрузок нагружает сеть энергоснабжения в высокой мере и приводит к высоким затратам энергетических компаний, которые, в свою очередь, приходятся на оператора нагрузки. Снижение регенеративной электроэнергии из сети энергоснабжения не возможно эффективным образом из-за высоких пиков мощности.
Другая проблема возникает в случае электрических нагрузок, которые чувствительным образом реагируют на колебания напряжения в сети энергоснабжения, например, предприятий по изготовлению полупроводников. Здесь напряжение питания сети энергоснабжения должно быть стабилизировано на стороне нагрузки. То же самое относится к стабилизации генерирующих ток синхронных машин в качестве нагрузки (источник энергии, отрицательная нагрузка), особенно в случае неисправности машины, например, во время сброса нагрузки. И здесь, в случае соединения машины с сетью энергоснабжения, генерируемая в ней энергия должна отводиться до разблокировки машины. В настоящее время подобная энергия на шунтирующих резисторах преобразуется в тепло.
Колебания мощности на подобных промышленных предприятиях, таких как металлургические заводы, в настоящее время, как правило, передаются в сеть энергоснабжения.
Для колебаний реактивной мощности промышленных установок уже давно имеются установки компенсации реактивной мощности. Современные, например, основанные на IGBT технологии инверторы (VSC) уже могут реализовывать компенсацию реактивной мощности. Компенсация активных колебаний мощности, однако, реализуется только в очень малой степени.
Системы аккумуляторных батарей главным образом известны для высоких величин энергии, но не могут использоваться для заданных или, например, для требуемых электродуговой печью высоких мощностей или пиков мощности при одновременно высокой способности аккумулирования энергии.
Из WO 2009/121656 A2 известно, что конденсаторы с двойным слоем (DLC, двухслойный конденсатор, также называемый "суперконденсатором" фирмы EPCOS) используются в качестве так называемых суперконденсаторов при эксплуатации трамваев. Они служат тогда в качестве аккумуляторов энергии для небольших количеств энергии.
Фирма ABB предлагает с продуктом "DynaPeaQ " аккумулятор энергии на основе литий-ионных аккумуляторов в сочетании с выпрямителем среднего напряжения, который имеет высокую способность аккумулирования энергии. При этом изменения мощности являются умеренными, и допустимые нагрузочные циклы ограничены.
Для улучшения качества напряжения для чувствительных потребителей также известна так называемая аккумуляторная система "динамического восстановителя напряжения (DVR)", которая использует энергию, аккумулированную посредством трансформатора в батареях, в том отношении, что ожидаемые колебания сетевого напряжения компенсируются за счет аддитивной компоненты напряжения до оптимального значения.
В принципе, таким образом, известны системы аккумулирования энергии. Однако известные системы относятся либо к высокому пику мощности, как, например, вышеупомянутые конденсаторы с двойным слоем с низким количеством аккумулированной энергии, либо к высокому количеству аккумулированной энергии при умеренном пике мощности и относительно низком числе нагрузочных циклов.
Целью настоящего изобретения является улучшение обмена мощности сети энергоснабжения с электрической нагрузкой и создание усовершенствованной электродуговой печи.
Первая указанная цель достигается с помощью устройства аккумулирования энергии согласно пункту 1 формулы изобретения. Оно имеет два вывода, которые служат для параллельного подключения к нагрузке и к сети энергоснабжения. Между обоими выводами включен запоминающий напряжение инвертор, содержащий аккумулятор (накопитель) энергии. Тем самым топология соответствует обычному подключению нагрузки к сети с помощью VSC. В соответствии с изобретением, однако, накопитель энергии в инверторе выполнен с возможностью накопления количества энергии, которое многократно превышает количество энергии, необходимое для регулярного режима работы инвертора.
Регулярный, т.е. обычный, до настоящего времени известный режим работы вышеупомянутого инвертора характеризуется тем, что накопитель энергии спроектирован так, что он может воспринимать только энергию для коммутации вентилей инвертора, то есть, например, для работы IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором), имеющихся в инверторе. Накопитель энергии является тогда обычным конденсатором промежуточного контура, который обычно имеет емкость в диапазоне миллифарад.
Накопитель энергии согласно изобретению обеспечивает многократно большую емкость. Соответствующий изобретению накопитель энергии в сопоставимом инверторе сдвигается тогда, например, в диапазон фарад, отличаясь, таким образом, от обычного накопителя энергии на коэффициент от нескольких десятков или сотен до нескольких тысяч или более. Накопитель энергии служит, таким образом, для приема активной и/или реактивной энергии или мощности в многократно большем количестве. Другими словами, накопитель энергии захватывает количество энергии, которое значительно больше, чем то, которое было бы необходимо для цикла переключения инвертора.
Поэтому известный до настоящего времени классический инвертор с классическим конденсатором промежуточного контура может аккумулировать только мощность, приходящуюся на один сетевой период в инверторе. Однако для промежуточного аккумулирования действительной мощности имеется лишь очень малая, то есть неощутимая в работе установки емкость. Посредством соответствующего изобретению существенно большего накопителя энергии там может аккумулироваться мощность или энергия, которая ощутима при взаимодействии сети и нагрузки, то есть является релевантной для этого. Поэтому соответствующая действительная мощность аккумулируется в инверторе в существенно большей степени, чем для одного сетевого периода. При этом сетевые периоды находятся в диапазоне 20 миллисекунд. Ощутимая же аккумулирующая емкость соответствующего изобретению накопителя энергии распространяется на миллисекунды, секунды или даже минуты. Таким образом, в соответствии с изобретением с инвертором ассоциирован или для него сконфигурирован высокопроизводительный накопитель энергии, который может быть использован для вышеупомянутых постановок задач. Этот накопитель энергии имеет тогда, с одной стороны, высокую динамику мощности, а с другой стороны, большую аккумулирующую емкость для большого количества нагрузочных циклов.
Изобретение основано на знании того, что доступны накопители энергии, которые могут применяться для ощутимой компенсации, в особенности, активной мощности и которые доступны также в пригодном для использования объеме или в пригодной для использования технологии.
Таким образом, в соответствии с изобретением предложено устройство аккумулирования энергии, которое служит для аккумулирования и выдачи электрической энергии, которое, с одной стороны, обеспечивает высокую пиковую мощность и аккумулирует большую энергию. Накопители энергии, которые способны кратковременно выдавать и воспринимать большие мощности, встраиваются в инвертер (VSC). Таким образом, обеспечивается возможность компенсации колебаний реактивной и активной мощности в степени, релевантной для нагрузки и сети. Таким образом, осуществляется прямая интеграция накопителя энергии, в частности кратковременного накопителя энергии в инвертор в качестве его модульного и согласованного с потребностями расширения. Тем самым возможно значительное улучшение сетевого подключения нагрузки или установки для сетевой компенсации простым способом.
Изобретательский шаг заключается в использовании емкостей порядка величины реальных накопителей энергии, т.е. в высоком диапазоне фарад вместо чисто емкостей промежуточного контура для коммутации IGBT в диапазоне миллифарад. С помощью непосредственно накопленной в инверторе энергии может простым способом реализовываться компенсация колебаний активной мощности. Это может, с одной стороны, применяться для значительного уменьшения восприятия пиковой нагрузки, от нагрузок, подключенных параллельно инвертору, таких как, например, электродуговые печи.
Наряду с собственно функциональностью инвертора, инвертор может также, ввиду высокой аккумулирующей способности, принимать на себя вышеуказанные функции компенсации для активных и реактивных мощностей.
Другое преимущество получается с точки зрения сети энергоснабжения: инвертор может использоваться при холостом ходе стороны нагрузки также для компенсации быстрых колебаний нагрузки в сети энергоснабжения. То есть активная мощность из сети может промежуточным образом накапливаться в накопителе энергии. Компенсация реактивной мощности сети возможна в соответствующей степени. Таким образом, качество сети улучшается, что может принести предприятиям энергоснабжения заметные производственные льготные условия или экономию.
С возможностью использования накопителя энергии также для сетевой стабилизации предприятия энергоснабжения он получает дополнительную функцию: при необходимости он может использоваться предприятием энергоснабжения в качестве резервного аккумулятора.
В той же степени возможно временное аварийное энергоснабжение для нагрузки с чувствительным электропитанием. И здесь вновь возможна дополнительная функция резервирования для сетевой стороны.
В предпочтительной форме выполнения изобретения накопитель энергии включает в себя несколько частичных накопителей, причем частичные накопители имеют отличающиеся друг от друга скорости заряда или накопительные емкости. Накопители энергии в настоящее время разработаны либо для высокой отдачи мощности при малом аккумулирующем объеме, либо для высокого аккумулирующего объема при низкой или средней отдаче мощности. Для батарей с высокой плотностью аккумулирования число циклов заряда также играет роль, причем при лишь незначительном разряде возможно более высокое число циклов заряда. С модульной концепцией частичных накопителей, например в каскадном расположении различных накопительных модулей, таких как конденсаторы, конденсаторы с двойным слоем, батареи (например, по литий-ионной технологии), преимущества каждого частичного накопителя могут объединяться в одном накопителе энергии. Важно, что посредством соответствующих, ассоциированных с частичным накопителем устройств заряда или разряда обеспечивается профиль нагрузки, оптимальный для последующей накопительной среды, то есть частичного накопителя.
Например, есть два частичных накопителя, из которых один имеет сравнительно большую скорость заряда и низкую зарядную емкость, а другой имеет низкую скорость заряда и большую накопительную емкость. Оба частичных накопителя могут, таким образом, действовать для определенных частичных задач в энергоснабжении или компенсации энергии по отношению к сети или нагрузке.
В варианте этой формы выполнения накопитель энергии в качестве первого частичного накопителя содержит обычный накопительный конденсатор, а в качестве второго частичного накопителя - фоновый накопитель. Накопительный конденсатор выполнен с возможностью накопления количества энергии, которое находится в диапазоне количества энергии, необходимого для регулярного режима работы инвертора. Фоновый накопитель выполнен таким образом, что он служит для накопления количества энергии, которое превышает количество энергии в накопительном конденсаторе во много раз. Другими словами, в соответствии с изобретением, обычный накопительный конденсатор в инверторе дополнен или увеличен за счет дополнительного накопителя энергии в форме фонового накопителя по отношению к накопительной емкости во много раз.
В другом варианте вышеуказанной формы выполнения один из частичных накопителей подсоединен непосредственно в инверторе. Между этим частичным накопителем и другим частичным накопителем тогда включена схема заряда. Она управляет потоком энергии между обоими частичными накопителями. Например, вышеупомянутый накопительный конденсатор в качестве первого частичного накопителя встроен непосредственно в инвертор, то есть, как обычно, без промежуточного включения схемы заряда, встроенной в него. Фоновый накопитель через схему заряда подключен к накопительному конденсатору - например, в параллельном соединении. Другими словами, схема заряда расположена между инвертором с накопительным конденсатором и фоновым накопителем. Тогда доступ преобразователя к энергии в фоновом накопителе осуществляется всегда или только через схему заряда. Она управляет зарядом и разрядом фонового накопителя.
В варианте этой формы выполнения поток энергии автоматически регулируется так, что напряжение на частичном накопителе поддерживается в определенном диапазоне напряжения. Например, напряжение на накопительном конденсаторе поддерживается с помощью выравнивания заряда между или с другими частичными накопителями в определенном диапазоне напряжений. Снижение напряжения на накопительном конденсаторе происходит, например, в том случае, когда нагрузка требует активную мощность.
В варианте этой формы выполнения устройство аккумулирования энергии дополнительно имеет управляющее устройство. Оно управляет схемой заряда в отношении потока энергии между разделенными схемой заряда частичными накопителями, причем управление осуществляется по требованию нагрузки и/или сети энергоснабжения. Требования нагрузки могут осуществляться в отношении нагрузки, например, для выравнивания активной или реактивной нагрузки. Таким образом, сеть энергоснабжения защищается от колебаний мощности нагрузки, или они перехватываются по отношению к сети. Напротив, требование сети энергоснабжения может, например, служить тому, чтобы кратковременные избыточные пики мощности промежуточным образом накапливать в устройстве аккумулирования энергии и, тем самым, устройство аккумулирования энергии с сетевой стороны использовать посредством предприятия энергоснабжения.
В другом варианте вышеуказанной формы выполнения частичный накопитель с меньшей скоростью заряда по отношению к инвертору подключен последовательно к частичному накопителю с большей скоростью заряда. Поэтому расположенный ближе к инвертору частичный накопитель с большей скоростью заряда может особенно быстро реагировать на требования инвертора. Так, например, поддерживается дополнительно имеющийся непосредственно в инверторе обычный накопительный конденсатор. Частичный накопитель с меньшей скоростью заряда, в свою очередь, подключен к более быстродействующему частичному накопителю и поддерживает его вновь в отношении больших количеств энергии в среднесрочной или долгосрочной перспективе. Передача энергии между накопительным конденсатором и вторым частичным накопителем осуществляется тогда через первый частичный накопитель или посредством него. При этом соответствующие частичные накопители могут здесь иметь свои собственные схемы заряда.
Альтернативная форма выполнения по отношению к варианту, описанному выше, состоит в том, что два или более частичных накопителя с различными скоростями заряда подключены, соответственно, параллельно инвертору или, например, ассоциированному с инвертором обычному накопительному конденсатору. Оба частичных накопителя могут тогда непосредственно поддерживать обычный накопительный конденсатор.
В дополнительной форме выполнения накопитель энергии содержит конденсаторный накопитель с множеством суперконденсаторов. Как правило, такой конденсаторный накопитель является одним из нескольких частичных накопителей, которые, например, дополнительно поддерживают обычный, встроенный в инвертор накопительный конденсатор. Конденсаторный накопитель может быть использован при этом в качестве фонового накопителя. Однако конденсаторный накопитель, вместо обычного накопительного конденсатора, то есть без промежуточного включения схемы заряда, может быть соединен с инвертором или быть встроен в него. Как правило, конденсаторный накопитель может соответствовать или быть рассчитан с учетом быстрого предоставления меньших энергий, высоких пиков мощности и множества нагрузочных циклов.
При известной в настоящее время технологии конденсаторов, например, на основе конденсаторов с двойным слоем (DLC, которые также называются суперконденсаторами), подобная компенсация мощности или энергии может быть реализована с помощью конденсаторного накопителя.
В еще одной форме выполнения накопитель энергии содержит батарейный накопитель с по меньшей мере одной батареей. Как правило, батарейный накопитель является частичным накопителем из нескольких, в частности как фоновый накопитель с большой общей емкостью и умеренными пиками мощности, а также с относительно низким числом нагрузочных циклов. Соответствующий батарейный накопитель может иметь, например, накопительную емкость в несколько 1000 фарад, чтобы иметь возможность предоставлять мощность, например, 2 мегаватт в течение десяти минут. Это относится, например, к батарейному накопителю напряжением 600 В. Таким образом, нагрузка может работать либо только от частичного накопителя, либо также от сети с поддержкой от частичного накопителя. В последнем случае снижается нагрузка сети энергоснабжения напряжением.
В еще одной форме выполнения устройства аккумулирования энергии между выводами включен не только один, а множество индивидуально управляемых инверторов, как правило, в последовательной схеме. По меньшей мере один из инверторов выполнен в соответствии с настоящим изобретением, то есть каждый с накопителем энергии, соответствующим изобретению. Такая инверторная топология также называется многоуровневым инвертором, при этом инверторы и их схемы заряда являются, например, индивидуально управляемыми. Структура соответствующего инвертора или накопителя энергии в соответствии с изобретением может быть одинаковой для нескольких инверторов или также различной.
Другой изобретательский шаг состоит, таким образом, в развязке функции инвертора и соответствующих накопительных ступеней, то есть частичных накопителей в накопителе энергии. Развязка осуществляется посредством индивидуального управления схемами заряда, ассоциированными с частичными накопителями. Тем самым вышеупомянутая многоуровневая топология инверторов может использоваться без существенного изменения управления самим инвертором, т.е., например, относительно управления вентилями в H-мосте.
Основные преимущества состоят в том, чтобы с помощью предложенной конфигурации обеспечить возможность применения с высокой мощностью в сталелитейных производствах. Если стандартные многоуровневые инверторы с обычным конденсатором промежуточного контура расширены в соответствии с изобретением, то динамическое колебание действительной нагрузки электродуговой печи может в значительной степени компенсироваться.
В отношении потребителя переменной нагрузки задача изобретения решается посредством потребителя переменной нагрузки, который в качестве нагрузки питается от сети энергоснабжения и ассоциирован с соответствующим изобретению устройством аккумулирования энергии в смысле системы потребителя переменной нагрузки. В частности, для потребителей переменной нагрузки, например, электродуговых печей или приводов прокатных станов упомянутое устройство аккумулирования энергии является особенно полезным для того, чтобы улавливать высокочастотные пики энергии, например, в конденсаторном накопителе и защищать сеть, а также поддерживать посредством инвертора ее продолжительную потребность в энергии в течение процесса (например, процесса плавки/прокатки), например, из батарейного накопителя и, тем самым, требовать меньше энергии из сети энергоснабжения.
В предпочтительной форме выполнения система потребителя переменной нагрузки или накопитель энергии имеет колебания активной и реактивной мощности, которые имеют высокую частоту по отношению к нормальной продолжительности процесса в потребителе переменной нагрузки. Это является, например, вышеупомянутым фликером в диапазоне миллисекунд для электродуговой печи. Накопитель энергии выполнен тогда таким образом, что он компенсирует по меньшей мере релевантную часть высокочастотных колебаний активной или реактивной мощности к сети энергоснабжения. При этом релевантную часть следует рассматривать, например, в высоком одноразрядном или двухразрядном процентном диапазоне. Рационально, целевые высокочастотные колебания почти полностью отрабатываются, например, по меньшей мере на 60% или 80%, так что только небольшая часть колебаний мощности достигает сети энергоснабжения.
В другой форме выполнения система потребителя переменной нагрузки выполнена таким образом, что она обеспечивает по меньшей мере релевантную часть общей действительной или реактивной мощности, требуемой потребителем переменной нагрузки в течение продолжительности процесса. Другими словами, здесь осуществляется соответствующая поддержка непрерывной мощности по отношению к сети. Процентные доли следует понимать по отношению к релевантности, как указано выше. Например, более 10% действительной мощности, требуемой для процесса в электродуговой печи, предоставляется от аккумулятора энергии. Здесь, например, мощность на выводах системы потребителя переменной нагрузки может снижаться к сети энергоснабжения, хотя потребитель переменной нагрузки сам имеет более высокую мощность, и разностная мощность предоставляется из накопителя энергии.
С помощью соответствующей изобретению комбинации различных типов накопителей и одновременно выполняемого управления зарядом и разрядом создается, например, следующая система аккумулирования энергии, которая при оптимальном управлении при среднем напряжении выполняет вышеописанные требования: устройство содержит сетевую сторону инвертора промежуточного контура любого типа, а также подключенное устройство с конденсаторами с двойным слоем и их системой заряда/разряда. Опять же, после конденсаторов с двойным слоем подключено устройство с аккумуляторными батареями с дополнительной системой заряда/разряда.
Конденсатор промежуточного контура, дополнительно содержащийся в инверторе с промежуточным контуром, в известном уровне техники предоставляет высокое изменение тока. К конденсатору промежуточного контура подключена система заряда конденсатора с двойным слоем, которая заряжает далее подключенные конденсаторы с двойным слоем до напряжения, которое не должно быть идентичным с конденсаторным напряжением. Функция заряда/разряда конденсаторов с двойным слоем связывается с окном напряжения конденсатора промежуточного контура. При слишком низком напряжении конденсатора промежуточного контура конденсаторы с двойным слоем подпитывают конденсатор промежуточного контура, чтобы увеличить его напряжение. При слишком высоком напряжении конденсатора промежуточного контура конденсаторы с двойным слоем заряжаются от него.
Дополнительно имеется потребность в заряде для подключенной батарейной системы. При достижении соответствующего предела заряда конденсаторов с двойным слоем и батарей предотвращается перезарядка посредством этих схем заряда.
К конденсаторам двойного слоя подключено другое устройство заряда батареи, которое заряжает подключенные далее батареи. Напряжение батареи выбирается посредством последовательного соединения отдельных ячеек, оно тоже необязательно должно соответствовать напряжению конденсаторов с двойным слоем. Функция заряда/разряда батареи лишь частично связана с окном напряжения конденсатора с двойным слоем. Требование заряда для батареи может быть направлено непосредственно к зарядному устройству конденсаторов с двойным слоем, чтобы процесс заряда батарей оптимизировать с использованием промежуточно включенных конденсаторов с двойным слоем зарядного устройства батареи. Характеристика заряда батарей является значительно более медленной по сравнению с зарядом конденсаторов с двойным слоем. Заряд и разряд осуществляются, например, в зависимости от проекта, то есть в зависимости от снабжаемой нагрузки и в зависимости от применяемых технологий накопителя энергии. Например, литиево-ионный аккумулятор не может чрезмерно разряжаться, если должно достигаться высокое число нагрузочных циклов.
Средство управления инвертором может, кроме того, иметь внешний интерфейс. Он получает, например, информацию о действительной/реактивной мощностях сильно колеблющегося тока, протекающего в нагрузке. Пик действительной мощности ограничивается тогда, например, вмешательством средства управления инвертором в зарядные устройства, то есть посредством накопительной емкости конденсаторов с двойным слоем; это особенно быстродействующие операции.
В качестве альтернативы, может задаваться среднее значение действительной мощности для потребления энергии нагрузки, так по отношению к сети может быть реализована функция интеллектуальной сети и может ограничиваться потребность в энергии из сети для промышленной установки, которая содержит нагрузку.
Посредством дополнительного управления схемами заряда также избыточная регенеративная энергия, генерируемая в сети энергоснабжения, сохраняется промежуточным образом в устройстве аккумулирования энергии. Внешний интерфейс средства управления инвертором получает также информацию от, например, предприятия энергоснабжения, чтобы запрашивать или производить действительную нагрузку для стабилизации сети, реализуемую посредством заряда накопителя энергии. Тем самым реализуется так называемая функция готовности устройства аккумулирования энергии.
Внешний интерфейс средства управления инвертором также может получать информацию от промышленной установки, которая содержит «негативную» нагрузку, генерирующую энергию. И здесь может запрашиваться действительная нагрузка для стабилизации сети, чтобы захватить генерируемую нагрузкой величину энергии в смысле действительной нагрузки, если сеть не имеет воспринимающей способности для действительной мощности или соединение там прервано (например, при сбросе нагрузки). И здесь идет речь о функции готовности устройства аккумулирования энергии.
Для дальнейшего описания изобретения ссылки будут даны на примеры выполнения со ссылками на чертежи, на которых в схематичном изображении показано следующее:
Фиг.1 - электродуговая печь с накопителем энергии,
Фиг.2 - альтернативный накопитель энергии с параллельно включенными частичными накопителями,
Фиг.3 - многоуровневый инвертор с накопителями энергии,
Фиг.4 - альтернативный многоуровневый инвертор,
Фиг.5 - еще один альтернативный многоуровневый инвертор.
Фиг.1 показывает запитываемую из сети 2 энергоснабжения нагрузку 4, в данном примере электродуговую печь. Через два вывода 6а, b к сети энергоснабжения, а также нагрузке 4 подключено параллельно устройство 8 аккумулирования энергии.
Устройство 8 аккумулирования энергии содержит подключенный между выводами 6а, b запоминающий напряжение инвертор 10. Инвертор 10 содержит накопитель 12 энергии. Накопитель 12 энергии содержит различные частичные накопители 14а-с, которые выполнены с возможностью накопления в сумме количества энергии E1+E2+E3, которое многократно превышает необходимое для регулярной работы инвертора 10 количество энергии.
Для простоты на чертеже показано только двухфазное устройство. Однако все устройство может также иметь три или более фаз, как это показано на фиг.1 пунктирными линиями только символически для нагрузки 4, сети 2 энергоснабжения и инвертора 10.
Первый частичный накопитель 14а сформирован с помощью обычного накопительного конденсатора 16 обычного инвертора. Накопительный конденсатор 16 может накапливать только первое количество энергии Е1, которое лежит в диапазоне количества энергии, необходимого для регулярной работы инвертора 10. При этом частичный накопитель 14а непосредственно интегрирован в инвертор 10, то есть соответственно обычному накопительному конденсатору непосредственно и постоянно соединен с представленными переключающими вентилями инвертора 10.
Частичные накопители 14b и 14c вместе образуют фоновый накопитель 18. Частичный накопитель 14b является при этом конденсаторным накопителем 20, который включает в себя множество суперконденсаторов 22. Конденсаторный накопитель 20 накапливает количество энергии Е2, которое во много раз превышает количество энергии Е1.
Частичный накопитель 14с является батарейным накопителем 24, который включает в себя множество батарей 26. Накапливаемое в батарейном накопителе 24 количество энергии E3 вновь во много раз превышает количество энергии Е2.
1-3
3
1
2
Частичные накопители 14а-с имеют, соответственно, скорость заряда V. Она является самой большой для частичного накопителя 14а, меньше для частичного накопителя 14b и еще меньше для частичного накопителя 14с. Частичный накопитель 14с с наименьшей скоростью заряда V, таким образом, последовательно подключен к частичным накопителям 14а и 14b с соответственно большими скоростями заряда V и V по отношению к инвертору 10. То же самое справедливо для соотношения между частичными накопителями 14а и 14b.
С частичным накопителем 14с ассоциирована схема 28c заряда, которая управляет его зарядом и разрядом. Также с частичным накопителем 14b ассоциирована схема 28b заряда, которая совместно управляет как им, так и зарядом и разрядом частичного накопителя 14, вследствие каскадирования. Схемы 28b, с заряда реализованы зарядными устройствами. Схема 28b заряда, таким образом, регулирует поток энергии между частичными накопителями 14а и 14b или 14с, схема 28с заряда - поток энергии между частичными накопителями 14b и 14c. В соответствующих схемах 28b,с заряда осуществляется управление током для токов, протекающих между частичными накопителями 14а-с.
Устройство 8 аккумулирования энергии также содержит управляющее устройство 30 в форме устройства управления инвертором, которое знает характеристики 32b,c заряда соответствующих частичных накопителей 14b и 14c и в соответствии с этим управляет соответствующими схемами 28b и 28c заряда. При этом характеристика 32b заряда включает в себя таковую как для конденсаторного накопителя 20, так и для батарейного накопителя 24. Зарядная характеристика 32c является таковой только батарейного накопителя 24.
Управление схемами 28b,с заряда осуществляется автоматически. Для этого напряжение на накопительном конденсаторе 16 поддерживается посредством выравнивания заряда между частичными накопителями 14а, b, c в определенном диапазоне. Падение напряжения будет происходить в том случае, когда нагрузка 4 требует активной мощности. Альтернативные критерии также возможны.
Альтернативное или дополнительное управление осуществляется в ответ на различные потребности 34а-с. Потребность 34а исходит в данном примере или вызвана сетью 2 энергоснабжения и означает запрос, чтобы по меньшей мере часть количества энергии Е2,3 передавать в сеть 2 энергоснабжения, чтобы посредством соответствующей передаваемой действительной мощности выполнить поддержку сети.
Потребность 34b также исходит из сети 2 энергоснабжения и служит для обмена энергиями El, E2 и E3 с нагрузкой 4 или любой другой нагрузкой в заводской сети, например, прокатного привода. Таким образом, по отношению к сети 2 энергоснабжения выполняется стабилизация заводской сети.
Потребность 34c, однако, исходит от нагрузки 4 и должна за счет быстрого обмена энергией E2 с нагрузкой 4 обуславливать выравнивание мощности в отношении быстрых динамических колебаний нагрузки, например, возникающего в электродуговой печи фликера, чтобы колебания нагрузки не передавались в сеть 2 энергоснабжения.
В электродуговой печи 4 в данном примере происходит процесс переплавки стального лома в сталь, который имеет длительность Т процесса около десяти минут. В электродуговой печи, в отношении этой длительности процесса, происходят высокочастотные колебания действительной и/или реактивной мощности в диапазоне миллисекунд. Частичный накопитель 14b с его количеством энергии Е2 выполнен таким образом, что он может подавлять по меньшей мере релевантную часть этих высокочастотных колебаний активной и/или реактивной мощности по отношению к сети 2 энергоснабжения.
Частичный накопитель 14с в свою очередь выполнен таким образом, что его количество энергии E3 достаточно, чтобы для всей длительности процесса, то есть около 10 минут, предоставить релевантную долю требуемой активной и/или реактивной мощности для электродуговой печи 4, так что эта энергия не должна отбираться из сети 2 энергоснабжения.
На фиг.2 показана альтернативная форма выполнения устройства 8 аккумулирования энергии. Частичные накопители 14b и 14с в форме конденсаторного накопителя 20 и батарейного накопителя 24 вместе со связанными с ними схемами 28b,с заряда подключены параллельно первому частичному накопителю 14а в форме накопительного конденсатора 16. Это противоположно каскадному последовательному соединению согласно фиг.1. На фиг.2, таким образом, токи, протекающие, соответственно, между частичными накопителями 14а и 14b или частичными накопителями 14а и 14с, являются независимыми друг от друга. Поэтому они вызывают заряд или разряд частичных накопителей 14b,с независимо друг от друга. Другими словами, в отличие от показанного на фиг.1, зарядный ток для частичного накопителя 14c не протекает обязательным образом также через частичный накопитель 14b или по меньшей мере через его схему 28b заряда.
Фиг.3 показывает так называемый многоуровневый инвертор. Здесь несколько инверторов 10 соединены последовательно между выводами 6а, b. Каждый из инверторов здесь, идентично фиг.1, оснащен соответствующим устройством 8 аккумулирования энергии. Однако также возможны различные формы выполнения отдельных инверторов 10 и их устройств 8 аккумулирования энергии. Соответствующие инверторы 10 могут переключаться в отдельности.
Фиг.4 показывает альтернативный многоуровневый инвертор с множеством отдельных инверторов 10, которые в свою очередь соединены последовательно между выводами 6а, b. Показаны только два инвертора, в типовом случае здесь до 46 инверторов 10 соединены последовательно. Для полного многоуровневого инвертора с тремя фазами, причем фиг.4 показывает устройство для одной фазы, тогда до 138 модулей с напряжениями промежуточного контура до 2000 В соединены последовательно. Напряжение промежуточного контура прикладывается к соответствующим накопителям 12 энергии.
Фиг.4 также показывает в качестве альтернативного выполнения накопителя 12 энергии такой, который содержит только конденсаторный накопитель 20 из суперконденсаторов 22, из которых на фиг.4 символически представлен только один. Накопитель 20 энергии здесь, сопоставимо с накопительным конденсатором 16 на фиг.1-3, соединен непосредственно с инвертором 10, то есть без промежуточного включения соответствующей схемы заряда. Иными словами, в этой форме выполнения, вместо обычных высоковольтных конденсаторов промежуточного контура с номиналом порядка миллифарад, непосредственно используются конденсаторы с двойным слоем как суперконденсаторы 22 с соответственно более высокой емкостью 100-3000 фарад. Однако, альтернативно, к ним может быть непосредственно параллельно подключен еще обычный конденсатор промежуточного контура.
Такая кратковременно и быстро предоставляемая в распоряжение накопленная энергия может обеспечиваться с высокой мощностью и использоваться для компенсации активной и реактивной мощности.
2
2
При непосредственном подключении конденсаторного накопителя 20 в инверторе 10 следует учитывать максимальную индуктивность подключения, например низкоиндуктивные шины, и мощность короткого замыкания - здесь следует вводить предохранители. При непосредственном подключении дополнительно к конденсаторам промежуточного контура конденсаторный накопитель 20 должен быть развязан относительно индуктивностей и предохранителей. Полезная энергия Е2 в конденсаторном накопителе 20 здесь ориентируется, в соответствии с E=1/2 C (Umax-Umin), на диапазон напряжений промежуточных контуров и является тем самым ограниченной.
2
2
На фиг.5 показана альтернативная форма выполнения по отношению к фиг.4, при которой согласно фиг.1 в инверторе 10 в качестве частичного накопителя 14а непосредственно подключен накопительный конденсатор 16. Кроме того, согласно фиг.1 с частичным накопителем 14а через схему 28b заряда, здесь в форме высокочастотного или низкочастотного регулятора (DC/DC-прерывателя) ассоциирован частичный накопитель 14b в форме конденсаторного накопителя 20. Это позволяет использовать больший диапазон напряжения конденсаторов и, таким образом, согласно уравнению E=1/2 C (Umax-Umin) использовать большую энергию. Поэтому в форме выполнения конденсаторного накопителя 20, показанного на фиг.5, может применяться меньше суперконденсаторов 22, чем в варианте, показанном на фиг.4. Однако необходимы большие затраты на компоненты из-за схемы 28b заряда. Здесь, например, необходима ветвь выпрямителя тока с собственным регулированием и дросселем прерывателя. Однако сам инвертор 10 или его Н-мост остается неизменным.