蓄能器裝置和交變負(fù)載用電設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于與供電系統(tǒng)（2）交換電功率的電負(fù)載（4）的蓄能器裝置（8），其具有兩個(gè)用于與負(fù)載（4）和供電系統(tǒng)（2）并聯(lián)的接頭（6a，b）和在接頭（6a，b）之間接入的、施加電壓的、包含蓄能器（12）的變流器（10），蓄能器（12）設(shè)計(jì)用于儲(chǔ)存能量（E1+E2+E3），該能量超出變流器（10）正常運(yùn)行所需的能量的數(shù)倍。作為負(fù)載（4）由供電系統(tǒng)供電的電弧爐包含蓄能器裝置（8）。
【專利說(shuō)明】蓄能器裝置和交變負(fù)載用電設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于與供電系統(tǒng)交換功率的電負(fù)載的蓄能器裝置以及一種作為這種電負(fù)載的交變負(fù)載用電設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]連接在供電系統(tǒng)上的或者由供電系統(tǒng)供電的電負(fù)載是例如連接在中壓供電系統(tǒng)上的工業(yè)設(shè)備。確定的工業(yè)設(shè)備、例如煉鋼設(shè)備、軋鋼機(jī)列或熔煉設(shè)備、特別是其電爐、例如電弧爐具有非常高的電功率需求以及能量需求，該需求可由供電系統(tǒng)來(lái)滿足。對(duì)于這種工業(yè)設(shè)備而言，現(xiàn)在越來(lái)越多地使用直接連接在供電系統(tǒng)、例如中壓供電系統(tǒng)或高壓供電系統(tǒng)上的靜態(tài)變流器(VSC, voltage source converter,電壓源變流器)。在此，變流器不僅與負(fù)載、而且也與供電系統(tǒng)并聯(lián)。這種設(shè)備中的特定的用電設(shè)備、例如電弧爐或軋鋼機(jī)也被稱作交變負(fù)載用電設(shè)備。
[0003]例如當(dāng)電弧爐運(yùn)行時(shí)存在時(shí)間間隔，在這些時(shí)間間隔中，所需的電氣瞬時(shí)功率在非常短的時(shí)間間隔中、即在毫秒的范圍內(nèi)劇烈地波動(dòng)(所謂的閃變=Flicker )。此外還在較長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)、例如大約30-60分鐘的時(shí)間間隔內(nèi)(即在用于煉鋼的電弧爐的過(guò)程持續(xù)時(shí)間內(nèi))產(chǎn)生這樣的過(guò)程，即在該過(guò)程中，負(fù)載的待吸取的功率平均值是可粗略預(yù)計(jì)的并且僅相對(duì)緩慢地、即在分鐘的范圍內(nèi)波動(dòng)。這種負(fù)載的通常劇烈波動(dòng)的功率需求給供電系統(tǒng)施加大量的負(fù)荷并給供電企業(yè)帶來(lái)高昂的成本，而該成本重新由負(fù)載的運(yùn)行企業(yè)來(lái)承擔(dān)。由于高的功率峰值而不可能有效地降低來(lái)自供電系統(tǒng)的再生的電能。
[0004]另一個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)在對(duì)供電系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)反應(yīng)敏感的電負(fù)載、例如用于制造半導(dǎo)體的裝置中。在此必須使供電系統(tǒng)的供給電壓在負(fù)載一側(cè)穩(wěn)定。同樣適用于特別是在機(jī)器故障的情況下、例如甩負(fù)荷的情況下使作為負(fù)載(能量源、負(fù)載荷)的、產(chǎn)生電流的同步電機(jī)穩(wěn)定。在此，也必須在機(jī)器與供電系統(tǒng)相連接的情況下將直至斷開(kāi)機(jī)器功率時(shí)仍在該機(jī)器中產(chǎn)生的能量導(dǎo)出。目前是將這種能量在分流電阻器上轉(zhuǎn)化為熱量。
[0005]目前在這種工業(yè)設(shè)備、例如煉鋼設(shè)備中的功率波動(dòng)通常被傳遞至供電系統(tǒng)上。
[0006]長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于工業(yè)設(shè)備的無(wú)功功率波動(dòng)而言存在無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備。新式的、例如基于IGBT (絕緣柵雙極晶體管)技術(shù)的變流器(VSC)已能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的補(bǔ)償。然而，對(duì)有效功率功率波動(dòng)的補(bǔ)償還只在非常低的程度上得到實(shí)現(xiàn)。
[0007]蓄電池儲(chǔ)能器系統(tǒng)原則上對(duì)于高能量而言也是已知的，然而不能同時(shí)在高的蓄能器性能的情況下用于預(yù)定的或例如電弧爐所需的高功率或功率峰值。
[0008]從專利W02009/121656A2 中已知了，將雙電層電容(DLC，double layercapacitor,也就是EPCOS公司的“Ultracaps”)作為所謂的超級(jí)電容器使用在有軌電車的運(yùn)行中。這些超級(jí)電容器則用作用于較小能量的蓄能器。
[0009]ABB公司以“ DynaPeaQ ? ”產(chǎn)品提供一個(gè)基于鋰離子電池與中壓變流器聯(lián)合的
蓄能器，該蓄能器具有高的蓄能器性能。在此，功率變化是適度的并且被限定在允許的負(fù)載周期。[0010]為了改進(jìn)對(duì)于敏感的用電設(shè)備的電壓質(zhì)量,所謂的“dynamic voltage restorer(動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器)(DVR)”儲(chǔ)能器系統(tǒng)也是已知的，該儲(chǔ)能器系統(tǒng)通過(guò)變壓器使用儲(chǔ)存在蓄電池中的能量大意是說(shuō)，通過(guò)添加的電壓部件將待處理的供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)補(bǔ)償至最優(yōu)值。
[0011]由此原則上已知了蓄能器系統(tǒng)。然而，已知的系統(tǒng)要么涉及非常高的功率峰值、例如上述的具有儲(chǔ)存了少量能量的雙電層電容器，要么在功率峰值適度和相對(duì)較小的負(fù)載周期數(shù)時(shí)卻涉及非常高的蓄能器數(shù)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于，改進(jìn)供電系統(tǒng)與電負(fù)載的功率交換并且給出一個(gè)改進(jìn)的電弧爐。
[0013]所述第一個(gè)目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能器裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。該蓄能器裝置具有兩個(gè)接頭，該接頭用于與負(fù)載和供電系統(tǒng)的并聯(lián)連接。施加電壓的、包含蓄能器的變流器接在這兩個(gè)接頭之間。由此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與借助VSC的、負(fù)載在供電系統(tǒng)上的傳統(tǒng)的連接相對(duì)應(yīng)。然而，根據(jù)本發(fā)明在變流器中的蓄能器設(shè)計(jì)用于儲(chǔ)存能量，該能量超出變流器正常運(yùn)行所需的能量的數(shù)倍。
[0014]上述變流器的通常的、即傳統(tǒng)的、到目前為止已知的運(yùn)行的特征在于，蓄能器設(shè)計(jì)為，即它僅能接收對(duì)變流器的閥進(jìn)行整流的、即例如用于運(yùn)行存在于變流器中的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的能量。那么該蓄能器是一個(gè)傳統(tǒng)的中間電路電容器，該中間電路電容器通常具有在毫法拉范圍內(nèi)的電容量。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的蓄能器則達(dá)到非常大的存儲(chǔ)電容量。根據(jù)本發(fā)明的、在相應(yīng)的變流器中的蓄能器則例如在法拉范圍內(nèi)變動(dòng)，即其與傳統(tǒng)的蓄能器之間相差幾十或幾百、直至幾千甚至更高的倍數(shù)。由此蓄能器用于接收大數(shù)倍的有效能量和/或無(wú)功能量或者是有效功率和/或無(wú)功功率。換句話說(shuō)，即蓄能器所包含的能量明顯大于在例如變流器的一個(gè)通斷周期中所需的能量。
[0016]因此到目前為止的、傳統(tǒng)的、具有傳統(tǒng)的中間電路電容器的變流器僅能夠儲(chǔ)存例如在單個(gè)供電系統(tǒng)周期內(nèi)在變流器中產(chǎn)生的功率。然而，對(duì)于有效功率緩沖存儲(chǔ)僅存在非常小的、即在設(shè)備運(yùn)行時(shí)不能覺(jué)察到的容量。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的、明顯更大的蓄能器也能夠在該處儲(chǔ)存在供電系統(tǒng)和負(fù)載共同起作用時(shí)可察覺(jué)到的、即有關(guān)的功率以及能量。因此，在變流器中儲(chǔ)存明顯大于一個(gè)供電系統(tǒng)周期的相應(yīng)的有效功率。在此供電系統(tǒng)周期例如在20毫秒的范圍內(nèi)變動(dòng)。在此根據(jù)本發(fā)明的蓄能器的可察覺(jué)到的存儲(chǔ)容量持續(xù)數(shù)毫秒、數(shù)秒或者也持續(xù)分鐘。根據(jù)本發(fā)明即大功率的蓄能器配屬于變流器或者是配置給這個(gè)變流器，該大功率的蓄能器能夠用于解決上述的存在的問(wèn)題。這個(gè)蓄能器則一方面具有高的功率動(dòng)態(tài)性并且另一方面對(duì)于數(shù)個(gè)負(fù)載周期具有高的存儲(chǔ)容量。
[0017]本發(fā)明基于這一認(rèn)識(shí)，即此時(shí)可供使用的蓄能器同時(shí)能夠用于對(duì)特別是有效功率進(jìn)行可察覺(jué)到的補(bǔ)償并且也在可用的范圍內(nèi)或在可用的技術(shù)中供使用。
[0018]根據(jù)本發(fā)明即提出一種用于儲(chǔ)存和釋放電能的蓄能器裝置，該蓄能器裝置一方面允許出現(xiàn)非常高的功率峰值并且另一方面儲(chǔ)存大量的能量。在這種情況下能夠提供和接收瞬間的較大功率的蓄能器集成在變流器(VSC)中。由此能夠在對(duì)于負(fù)載和供電系統(tǒng)而言有關(guān)的數(shù)值范圍(MaP )上實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率波動(dòng)和有效功率波動(dòng)的補(bǔ)償。也就是說(shuō),實(shí)現(xiàn)將蓄能器、特別是瞬時(shí)蓄能器直接集成在變流器中以作為其模塊化的和與需求相適應(yīng)的擴(kuò)展。由此能夠以簡(jiǎn)單的方式顯著地改進(jìn)負(fù)載或設(shè)備的供電系統(tǒng)連接直至能夠進(jìn)行電源補(bǔ)償。
[0019]具有創(chuàng)造性的步驟在于使用在實(shí)際的蓄能器的數(shù)量級(jí)內(nèi)的、即在高的法拉范圍內(nèi)的電容量替代在毫法拉范圍內(nèi)的、用于對(duì)IGBT進(jìn)行整流的純中間電路電容量。利用直接儲(chǔ)存在變流器中的能量能夠以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)有效功率波動(dòng)的補(bǔ)償。這能夠在一方面用于顯著地降低與變流器并聯(lián)的負(fù)載、例如電弧爐的峰值負(fù)荷接收。
[0020]因此，除了實(shí)際的變流器功能之外，變流器也能夠基于高的蓄能器性能而承擔(dān)上述的、用于有效功率的和無(wú)功功率的補(bǔ)償功能。
[0021]從供電系統(tǒng)的角度得出另一個(gè)優(yōu)點(diǎn):變流器在負(fù)載側(cè)空轉(zhuǎn)時(shí)也能夠用于補(bǔ)償供電系統(tǒng)中的急劇的負(fù)荷波動(dòng)。也就是說(shuō)，能夠?qū)?lái)自供電系統(tǒng)中的有效功率緩沖儲(chǔ)存在蓄能器中。對(duì)供電系統(tǒng)的無(wú)功功率的補(bǔ)償在有關(guān)的范圍內(nèi)是可能的。由此而改進(jìn)了供電系統(tǒng)特性，這能為供電企業(yè)帶來(lái)明顯的運(yùn)行上的簡(jiǎn)化以及成本的節(jié)約。
[0022]利用蓄能器也用于使供電企業(yè)的供電系統(tǒng)穩(wěn)定的這種可能性，該蓄能器獲得了一項(xiàng)附加的功能:即它能夠根據(jù)供電企業(yè)的需求而用作備用儲(chǔ)能器。
[0023]對(duì)于具有較敏感的電壓供給的負(fù)載來(lái)說(shuō)，能夠通過(guò)這種系統(tǒng)在同等的程度上實(shí)現(xiàn)臨時(shí)的緊急供電。在此，同樣也可以考慮附加的、在供電系統(tǒng)側(cè)的備用功能。
[0024]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，蓄能器包含不同的子儲(chǔ)能器，其中，子儲(chǔ)能器具有各不相同的充電速度和/或存儲(chǔ)容量。目前，蓄能器要么設(shè)計(jì)在較小的存儲(chǔ)容量下用于輸出大的功率，要么設(shè)計(jì)對(duì)于大的存儲(chǔ)容量卻輸出較小的或中等的功率。在具有高的貯能密度的蓄電池中，充電周期的數(shù)量也起著作用，其中，當(dāng)僅少量地放電時(shí)，較高的充電循環(huán)數(shù)是可能的。利用子儲(chǔ)能器的模塊化的方案、例如以將不同的諸如電容器、雙電層電容器、(例如鋰離子技術(shù)中的)蓄電池等儲(chǔ)能器模塊級(jí)聯(lián)地布置的形式將每個(gè)單個(gè)的子儲(chǔ)能器的優(yōu)點(diǎn)組合在唯一的蓄能器中。有意義的是，通過(guò)相應(yīng)的、配屬于子儲(chǔ)能器的充電器或放電器提供對(duì)于后面的儲(chǔ)能器媒介、即子儲(chǔ)能器而言最優(yōu)的負(fù)荷曲線。
[0025]例如存在兩個(gè)子儲(chǔ)能器，其中一個(gè)子儲(chǔ)能器具有相對(duì)大的充電速度和較小的充電容量，然而另一個(gè)子儲(chǔ)能器具有較低的充電速度和較大的存儲(chǔ)容量。因此，兩個(gè)子儲(chǔ)能器能夠運(yùn)行關(guān)于供電系統(tǒng)或負(fù)載的、在能量供給中或在能量補(bǔ)償中的確定的子任務(wù)。
[0026]在這個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)變體中，蓄能器包含作為第一子儲(chǔ)能器的、傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電容器和作為第二子儲(chǔ)能器的備用儲(chǔ)能器。儲(chǔ)能電容器設(shè)計(jì)用于儲(chǔ)存處于用于正常運(yùn)行變流器所需能量的范圍內(nèi)的能量。備用儲(chǔ)能器設(shè)計(jì)為，即它用于儲(chǔ)存超出儲(chǔ)能電容器中的能量數(shù)倍的能量。因此，換句話說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明變流器中的傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電容器通過(guò)以備用儲(chǔ)能器的形式的附加的蓄能器在它的存儲(chǔ)容量方面數(shù)倍地被補(bǔ)充或提高。
[0027]在上述的實(shí)施方式的另一個(gè)變體中，子儲(chǔ)能器中的其中一個(gè)直接連接在變流器中。在該子儲(chǔ)能器與另一個(gè)子儲(chǔ)能器之間接著接入充電電路。該充電電路控制這兩個(gè)子儲(chǔ)能器之間的能量流。例如將上述的儲(chǔ)能電容器作為第一子儲(chǔ)能器直接地集成在變流器中，即像通常一樣在沒(méi)有中間接入充電電路的情況下嵌入該變流器中。備用儲(chǔ)能器接著通過(guò)充電電路例如并聯(lián)地連接在儲(chǔ)能電容器上。換句話說(shuō)，充電電路處于具有儲(chǔ)能電容器的變流器與備用儲(chǔ)能器之間。變流器則始終或者僅僅通過(guò)該充電電路實(shí)現(xiàn)變流器存取在備用儲(chǔ)能器中的能量。該充電電路控制備用儲(chǔ)能器的充電和放電。
[0028]在這個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)變體中，這樣自動(dòng)地調(diào)節(jié)能量流，即在這些子儲(chǔ)能器中的其中一個(gè)上的電壓保持在確定的電壓范圍內(nèi)。例如通過(guò)在其它的子儲(chǔ)能器之間的或者是與其它的子儲(chǔ)能器的充電補(bǔ)償將儲(chǔ)能電容器上的電壓保持在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)。儲(chǔ)能電容器上的電壓降低例如在負(fù)載需要有效功率的情況下出現(xiàn)。
[0029]在這個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)變體中，蓄能器裝置附加地具有控制器。該控制器關(guān)于在由充電電路隔開(kāi)的子儲(chǔ)能器之間的能量流來(lái)控制充電電路，其中，根據(jù)負(fù)載和/或供電系統(tǒng)的需求實(shí)現(xiàn)這種控制。例如可以為了關(guān)于負(fù)載補(bǔ)償有效負(fù)荷或無(wú)功負(fù)荷而出現(xiàn)負(fù)載的需求。由此保護(hù)供電系統(tǒng)不受負(fù)載的功率波動(dòng)的損害以及接收相對(duì)于供電系統(tǒng)的功率波動(dòng)。而供給供電系統(tǒng)的需求則例如能夠用于將供電系統(tǒng)中的瞬間的、過(guò)流的功率峰值緩沖儲(chǔ)存在蓄能器裝置中并由此通過(guò)供電企業(yè)在供電系統(tǒng)側(cè)使用蓄能器裝置。
[0030]在上述的實(shí)施方式的另一個(gè)變體中，具有較低充電速度的子儲(chǔ)能器關(guān)于變流器被串聯(lián)地連接在具有較高的充電速度的子儲(chǔ)能器下游。因此更靠近變流器的、具有較高充電速度的子儲(chǔ)能器能夠特別迅速地對(duì)變流器的需求作出反應(yīng)。由此來(lái)支持例如附加地直接存在于變流器中的、傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電容器。具有較低充電速度的子儲(chǔ)能器又串聯(lián)連接較快速的子儲(chǔ)能器的下游并關(guān)于較大的能量中等期限地或長(zhǎng)期地支持該較快速的子儲(chǔ)能器。在儲(chǔ)能電容器與第二子儲(chǔ)能器之間的能量傳輸則經(jīng)由第一子儲(chǔ)能器地或穿過(guò)該第一儲(chǔ)能器地進(jìn)行。其中，相應(yīng)的子儲(chǔ)能器可以分別具有自身的充電電路。
[0031]對(duì)于剛剛描述過(guò)的實(shí)施方式的一個(gè)可替換的實(shí)施方式是這樣的，其中具有不同的充電速度的兩個(gè)或多個(gè)子儲(chǔ)能器自身分別與變流器或者是例如與配屬于變流器的、傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電容器并聯(lián)。這兩個(gè)子儲(chǔ)能器接著能夠直接支持傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電容器。
[0032]在另一個(gè)實(shí)施方式中，蓄能器包括具有大量超級(jí)電容器的電容器儲(chǔ)能器。通常這種電容器儲(chǔ)能器是多個(gè)子儲(chǔ)能器中的一個(gè)，這些子儲(chǔ)能器例如附加地支持傳統(tǒng)的、集成在變流器中的儲(chǔ)能電容器。在此這種電容器儲(chǔ)能器則可以用作備用儲(chǔ)能器。然而電容器儲(chǔ)能器也可以直接替代傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電容器、即在沒(méi)有中間連接充電電路的情況下與變流器連接、或者是集成在變流器中。通常這種電容器儲(chǔ)能器負(fù)責(zé)或設(shè)計(jì)用于迅速地提供較小的能量、高的功率峰值和多個(gè)負(fù)載周期。
[0033]利用現(xiàn)在已知的電容器技術(shù)、例如基于雙電層電容器(DLC，也稱作超級(jí)電容器)的電容器技術(shù)能通過(guò)電容器儲(chǔ)能器實(shí)現(xiàn)這種功率補(bǔ)償以及能量補(bǔ)償。
[0034]在另一個(gè)實(shí)施方式中，蓄能器包含具有至少一個(gè)蓄電池的蓄電池儲(chǔ)能器。通常蓄電池儲(chǔ)能器也是多個(gè)子儲(chǔ)能器中的一個(gè)、特別是用作具有較大的總電容量和適度的功率峰值以及相對(duì)較小的負(fù)載周期數(shù)的備用儲(chǔ)能器。相應(yīng)的蓄電池儲(chǔ)能器可以具有例如幾倍的1000法拉的存儲(chǔ)容量，以便能夠在十分鐘內(nèi)提供兩兆瓦的功率。這例如適用于具有600V電壓的蓄電池儲(chǔ)能器。因此負(fù)載能夠要么單獨(dú)由子儲(chǔ)能器要么也部分地由在來(lái)自子儲(chǔ)能器的支持下的供電系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行。在后者的情況下，使電壓供電系統(tǒng)的負(fù)荷下降。
[0035]在蓄能器裝置的另一個(gè)實(shí)施方式中，在接頭之間通常是串聯(lián)地中間連接不僅一個(gè)單獨(dú)的、而是多個(gè)可單獨(dú)控制的變流器。這些變流器中的至少一個(gè)變流器是在本發(fā)明的想法下設(shè)計(jì)的，即配備有各一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的蓄能器。這種變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也被稱作多級(jí)變流器，在此變流器和它的充電電路例如是分別能夠自身單獨(dú)控制的。相應(yīng)的、根據(jù)本發(fā)明的變流器或蓄能器的結(jié)構(gòu)對(duì)于多個(gè)變流器而言可以是相同的，但也可以是不同的。
[0036]另一個(gè)創(chuàng)造性的步驟即在于變流器的以及蓄能器中的相應(yīng)的儲(chǔ)能器層級(jí)的、即子儲(chǔ)能器的功能的去耦。該去耦通過(guò)分別控制配屬于子儲(chǔ)能器的充電電路的獨(dú)立控制來(lái)進(jìn)行。由此也能夠使用上述的變流器的多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不必對(duì)變流器控制本身、即例如關(guān)于對(duì)H-電橋中的閥的控制做出重大改變。
[0037]主要的優(yōu)點(diǎn)在于，利用所提出的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在煉鋼設(shè)備中的較大的功率的應(yīng)用。如果根據(jù)本發(fā)明對(duì)具有傳統(tǒng)的中間電路電容器的標(biāo)準(zhǔn)多級(jí)變流器加以擴(kuò)展，那么能夠進(jìn)一步補(bǔ)償電弧爐的動(dòng)態(tài)的有效負(fù)荷波動(dòng)。
[0038]關(guān)于交變負(fù)載用電設(shè)備，本發(fā)明的目的通過(guò)交變負(fù)載用電設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，該交變負(fù)載用電設(shè)備作為負(fù)載由供電系統(tǒng)供電并且在交變負(fù)載用電設(shè)備系統(tǒng)意義下根據(jù)本發(fā)明的蓄能器裝置配屬于交變負(fù)載用電設(shè)備。特別是對(duì)于交變負(fù)載用電設(shè)備、例如電弧爐或軋機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置而言，所述的蓄能器裝置是特別有用的，即不僅減緩(abzufangen)它的例如在電容器儲(chǔ)能器中的高頻率的功率峰值以及保護(hù)供電系統(tǒng)，而且通過(guò)變流器支持在工藝過(guò)程(例如熔煉過(guò)程/軋制過(guò)程)期間它的例如來(lái)自蓄電池儲(chǔ)能器的持續(xù)能量需求并由此需要來(lái)自供電系統(tǒng)的較少的能量。
[0039]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，交變負(fù)載用電設(shè)備系統(tǒng)或者蓄能器具有有效功率波動(dòng)和/或無(wú)功功率波動(dòng)，這些波動(dòng)關(guān)于交變負(fù)載用電設(shè)備中的通常的過(guò)程持續(xù)時(shí)間是高頻率的。這例如是在上文提到的、電弧爐中的、在毫秒范圍內(nèi)的閃變。蓄能器則設(shè)計(jì)為，即該蓄能器補(bǔ)償去向所述供電系統(tǒng)中的、高頻率的有效功率波動(dòng)和/或無(wú)功功率波動(dòng)的至少一個(gè)有關(guān)部分。在此能夠看到該有關(guān)部分例如在較大的個(gè)位數(shù)或兩位數(shù)的百分比范圍內(nèi)。有意義的是，幾乎完全地、例如至少60%或80%地平衡了所述的高頻率的波動(dòng)，以使得只有較少部分的功率波動(dòng)最終到達(dá)供電系統(tǒng)中。
[0040]在另一個(gè)實(shí)施方式中，在交變負(fù)載用電設(shè)備系統(tǒng)中蓄能器設(shè)計(jì)為，即它提供交變負(fù)載用電設(shè)備在過(guò)程持續(xù)時(shí)間期間所需的總的有效功率或無(wú)功功率的至少一個(gè)有關(guān)部分。換句話說(shuō)，在此實(shí)現(xiàn)相對(duì)于供電系統(tǒng)的持續(xù)功率的有關(guān)的支持。關(guān)于有關(guān)性可以按上面所述地來(lái)理解百分比份額。例如由蓄能器來(lái)提供大于10%的、對(duì)于過(guò)程中在電弧爐中所需的有效功率。在此，雖然交變負(fù)載用電設(shè)備本身具有較高的功率，并且由蓄能器提供功率差，但卻能夠例如降低交變負(fù)載用電設(shè)備去向供電系統(tǒng)中的連接功率。
[0041]利用根據(jù)本發(fā)明的、由不同的儲(chǔ)能器類型構(gòu)成的組合以及同時(shí)設(shè)計(jì)的充電管理和放電管理提出了例如下述的、最優(yōu)地在中壓上運(yùn)行的并且滿足上述需求的蓄能器系統(tǒng):該裝置包括任意結(jié)構(gòu)類型的中間電路變流器的供電系統(tǒng)端以及與雙電層電容器和其充電系統(tǒng)/放電系統(tǒng)下游布置的裝置。具有帶有另一個(gè)充電系統(tǒng)/放電系統(tǒng)的儲(chǔ)能器蓄電池的裝置又處于雙電層電容器的下游。
[0042]附加地包含在中間電路變流器中的、傳統(tǒng)的、已知的技術(shù)中的中間電路電容器提供高的電流變化。在中間電路電容器上連接雙電層電容器充電系統(tǒng)，該雙電層電容器充電系統(tǒng)為下游的雙電層電容器充電到一定電壓，該電壓大小不必與電容器電壓相同。雙電層電容器的充電功能/放電功能在中間電路電容器的電壓窗口上耦合。當(dāng)中間電路電容器的電壓過(guò)低時(shí)，雙電層電容器向中間電路電容器供電，以提高其電壓。當(dāng)中間電路電容器的電壓過(guò)高時(shí)，由該中間電路電容器對(duì)雙電層電容器充電。[0043]附加地存在用于在位于下游的蓄電池系統(tǒng)的充電需求。當(dāng)達(dá)到雙電層電容器的和蓄電池的相應(yīng)的充電閾值時(shí)，通過(guò)這些充電電路防止過(guò)度充電。
[0044]在雙電層電容器上連接有另一個(gè)蓄電池充電器，該蓄電池充電器為下游的蓄電池充電。蓄電池電壓通過(guò)這些單電池的串聯(lián)電路來(lái)選擇，該蓄電池電壓也不必強(qiáng)制性地與雙電層電容器上的電壓保持一致。蓄電池的充電功能/放電功能僅部分地稱合在雙電層電容器電壓的電壓窗口上。也就是說(shuō)，對(duì)于蓄電池的充電需求也可以直接地傳遞到雙電層電容器充電器上，以便在充分利用中間接入的雙電層電容器和蓄電池充電器的情況下優(yōu)化蓄電池的充電過(guò)程。與雙電層電容器的充電相比，蓄電池的充電特性緩慢得多。充電和放電都是根據(jù)各項(xiàng)目的特性、即取決于待供給的負(fù)載以及取決于所采用的蓄能器技術(shù)來(lái)進(jìn)行的。例如當(dāng)應(yīng)達(dá)到較高的充電周期數(shù)時(shí)，則不允許使鋰離子儲(chǔ)能器極端地放電。
[0045]此外變流器控制器還可以具有外部的接口。該接口獲取例如關(guān)于在負(fù)載流動(dòng)的電流中劇烈波動(dòng)的、有效功率信息/無(wú)功功率的信息。有效功率峰值接著例如通過(guò)控制變流器作用在充電器上、即通過(guò)雙電層電容器的儲(chǔ)能器電容來(lái)限定；這些都是特別迅速的過(guò)程。
[0046]替換方案是，可以為負(fù)載的能量消耗預(yù)設(shè)有效功率功率平均值，由此能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)于供電系統(tǒng)的智能供電系統(tǒng)功能并且限定來(lái)自供電系統(tǒng)的、對(duì)于包含負(fù)載的裝置的能量需求。
[0047]通過(guò)對(duì)充電電路的另一種控制也能夠?qū)⒃诠╇娤到y(tǒng)中產(chǎn)生的、多余的、可再生的能量緩沖儲(chǔ)存在蓄能器裝置中。變流器控制器的外部接口也獲取例如關(guān)于供電企業(yè)的信息，以便要求以及產(chǎn)生通過(guò)向蓄能器充電而實(shí)現(xiàn)的、用于保持供電系統(tǒng)穩(wěn)定的有效負(fù)荷。由此實(shí)現(xiàn)了蓄能器裝置的所謂的備用功能。
[0048]變流器控制器的外部接口此外還能夠獲取關(guān)于包含產(chǎn)生能量的、“負(fù)(negative)”荷載的裝置的信息。在此，當(dāng)供電系統(tǒng)不具有有效功率接收容量或者通向該處的連接中斷時(shí)(例如在卸下電荷時(shí))，也可以要求用于保持供電系統(tǒng)穩(wěn)定的有效負(fù)荷，以便在有效負(fù)荷的意義上接收由負(fù)載產(chǎn)生的能量。在此也涉及蓄能器裝置的備用功能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0049]對(duì)于本發(fā)明的其他的說(shuō)明參見(jiàn)附圖的實(shí)施例。分別在示意性的原理圖中示出:
[0050]圖1是具有蓄能器的電弧爐，
[0051]圖2是可替換的、具有并聯(lián)的子儲(chǔ)能器的蓄能器，
[0052]圖3是具有蓄能器的多級(jí)變流器，
[0053]圖4是可替換的多級(jí)變流器，
[0054]圖5是另一個(gè)可替換的多級(jí)變流器。
【具體實(shí)施方式】
[0055]圖1示出由供電系統(tǒng)2供電的負(fù)載4，在例子中為電弧爐。通過(guò)兩個(gè)接頭6a，b蓄能器裝置8并聯(lián)地連接供電系統(tǒng)以及負(fù)載4。
[0056]蓄能器裝置8具有接在接頭6a，b之間的、施加電壓的變流器10。該變流器10包含蓄能器12。蓄能器12包括不同的子儲(chǔ)能器14a-c，這些子儲(chǔ)能器設(shè)計(jì)用于總地儲(chǔ)存能量E1+E2+E3，該能量超出變流器10正常運(yùn)行所需的能量的數(shù)倍。[0057]為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在附圖中僅示出一個(gè)兩相裝置。然而，正如在圖1中僅用虛線象征性地表示出來(lái)的負(fù)載4、供電系統(tǒng)2和變流器10—樣，整體裝置也可以具有三相位或多相位。
[0058]第一子儲(chǔ)能器14a由通常的變流器中的傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電容器16構(gòu)成。該儲(chǔ)能電容器16僅能夠儲(chǔ)存例如處于變流器10正常運(yùn)行所需能量的范圍內(nèi)的第一能量El。在此，子儲(chǔ)能器14a直接集成在變流器10中，即相應(yīng)于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電容器直接地和固定地與變流器10的所示出的開(kāi)關(guān)閥相連接。
[0059]子儲(chǔ)能器14b和14c共同構(gòu)成備用儲(chǔ)能器18。在此，子儲(chǔ)能器14b是包含多個(gè)超級(jí)電容器22的電容器儲(chǔ)能器20。電容器儲(chǔ)能器20儲(chǔ)存能量E2，該能量本身便已經(jīng)超出能量El數(shù)倍。
[0060]子儲(chǔ)能器14c是包含多個(gè)蓄電池26的蓄電池儲(chǔ)能器24?？纱鎯?chǔ)在蓄電池儲(chǔ)能器24中的能量E3又超出能量E2的數(shù)倍。
[0061]子儲(chǔ)能器14a_c分別具有充電速度％_3。用于子儲(chǔ)能器14a的充電速度是最大的，子儲(chǔ)能器14b是相對(duì)較小的并且子儲(chǔ)能器14c是更加小的。也就是說(shuō)，相對(duì)于變流器10來(lái)看，具有最小充電速度V3的子儲(chǔ)能器14c串聯(lián)地連接具有相應(yīng)更大的充電速度V1和V2的子儲(chǔ)能器14a和14b。這同樣也適用于子儲(chǔ)能器14a與14b之間。
[0062]充電電路28c配屬于子儲(chǔ)能器14c，該充電電路控制子儲(chǔ)能器的充電和放電。充電電路28b配屬于子儲(chǔ)能器14b，該充電電路不僅控制子儲(chǔ)能器14b的充電和放電，而且由于級(jí)聯(lián)也共同控制子儲(chǔ)能器14c的充電和放電。充電電路28b，c通過(guò)充電器實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，充電電路28b控制在子儲(chǔ)能器14a與14b或14c之間的能量流，充電電路28c控制在子儲(chǔ)能器14b與14c之間的能量流。在相應(yīng)的充電電路28b，c中進(jìn)行對(duì)在這些子儲(chǔ)能器14a-c之間流動(dòng)的電流的電流控制。
[0063]此外蓄能器裝置8還包括變流器控制器的形式的控制器30，該控制器識(shí)別相應(yīng)的子儲(chǔ)能器14b和14c的充電特性32b，c并且相應(yīng)地控制相應(yīng)的充電電路28b和28c。在此，充電特性32b包含不僅對(duì)于電容器儲(chǔ)能器20的、而且也對(duì)于蓄電池儲(chǔ)能器24的充電特性。充電特性32c只是蓄電池儲(chǔ)能器24的充電特性。
[0064]自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)充電電路28b，c的控制。為此，通過(guò)子儲(chǔ)能器14a，b，c之間的充電補(bǔ)償將儲(chǔ)能電容器16上的電壓保持在確定的范圍內(nèi)。電壓降低在負(fù)載4需要有效功率的情況下出現(xiàn)。也可以設(shè)想可替換的標(biāo)準(zhǔn)。
[0065]可替換的以及附加的控制根據(jù)不同的需求34a_c來(lái)進(jìn)行。需求34來(lái)自于例子中或者說(shuō)是由供電系統(tǒng)2引起的并且這個(gè)需求意味著，即將能量E2，3中的至少一部分能量輸送至供電系統(tǒng)2中，以便通過(guò)相應(yīng)地傳輸?shù)挠行Чβ识鴮?shí)施供電系統(tǒng)支持。
[0066]需求34b同樣來(lái)自于供電系統(tǒng)2并用于使能量El, E2和E3與負(fù)載4或裝置網(wǎng)絡(luò)中的任一其它的負(fù)載、例如軋機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置相交換。因此，相對(duì)于供電系統(tǒng)2實(shí)現(xiàn)使裝置網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。
[0067]相反，需求34c則來(lái)自于負(fù)載4并應(yīng)當(dāng)通過(guò)能量E2與負(fù)載4的快速交換引起對(duì)于劇烈的動(dòng)態(tài)的負(fù)荷波動(dòng)、例如在電弧爐中出現(xiàn)的閃變的功率補(bǔ)償，由此使負(fù)荷波動(dòng)不被傳輸至供電系統(tǒng)2上。
[0068]在例子中，在電弧爐4中進(jìn)行將廢鐵熔煉成鋼的熔煉過(guò)程，該熔煉過(guò)程具有約十分鐘的過(guò)程持續(xù)時(shí)間T。在電弧爐中與該過(guò)程持續(xù)時(shí)間相關(guān)地發(fā)生高頻率的、在毫秒范圍內(nèi)的有效功率波動(dòng)和/或無(wú)功功率波動(dòng)。具有其能量Ε2的子儲(chǔ)能器14b設(shè)計(jì)為，即它能夠壓制去向供電系統(tǒng)2中的、高頻率的有效功率波動(dòng)和/或無(wú)功波動(dòng)的至少一個(gè)有關(guān)部分。
[0069]子儲(chǔ)能器14c又設(shè)計(jì)為，即其能量E3足以在總的過(guò)程持續(xù)時(shí)間、即約10分鐘的持續(xù)時(shí)間內(nèi)為電弧爐4提供所需的有效功率和/或無(wú)功功率的有關(guān)部分，因此不必從供電系統(tǒng)2中獲得該能量。
[0070]圖2示出蓄能器裝置8的一個(gè)可替換的實(shí)施方式。以電容器儲(chǔ)能器20的和蓄電池儲(chǔ)能器24的形式的子儲(chǔ)能器14b和14c連同配屬于它們的充電電路28b，c 一起分別各自并聯(lián)地連接以儲(chǔ)能電容器16的形式的第一子儲(chǔ)能器14a。這與根據(jù)圖1的、級(jí)聯(lián)的串聯(lián)電路相反。因此，在圖2中，分別在子儲(chǔ)能器14a與14b之間或在子儲(chǔ)能器14a與14c之間流動(dòng)的電流是互相獨(dú)立的。因此，這促使子儲(chǔ)能器14b，c相互獨(dú)立地充電或放電。換句話說(shuō)，用于子儲(chǔ)能器14c的充電電流不必強(qiáng)制地也如在圖1中流經(jīng)子儲(chǔ)能器14b或至少流經(jīng)其充電電路28b。
[0071]圖3示出所謂的多級(jí)變流器。在此，在接頭6a，b之間串聯(lián)多個(gè)變流器10。在此每一個(gè)變流器在此均與圖1中相同地配備有相應(yīng)的蓄能器裝置8。然而，也可以考慮的是各個(gè)變流器10或其蓄能器裝置8的不同的設(shè)計(jì)方案。相應(yīng)的變流器10能夠單獨(dú)地通斷。
[0072]圖4示出一個(gè)可替換的、具有多個(gè)單個(gè)的變流器10的多級(jí)變流器，這些變流器又在接頭6a，b之間串聯(lián)。僅示出了兩個(gè)變流器，在此，典型地串聯(lián)直至46個(gè)變流器10。對(duì)于具有三相的完整的多級(jí)變流器，其中圖4僅示出用于一個(gè)相位的裝置，直至138個(gè)模塊與直至2000V的部分中間電路電壓串聯(lián)。該子中間電路電壓施加在相應(yīng)的蓄能器12上。
[0073]此外，圖4作為蓄能器12的一個(gè)可替換的實(shí)施方案示出了這樣一個(gè)蓄能器，即它僅包含由超級(jí)電容器22構(gòu)成的電容器儲(chǔ)能器20，在圖4中，僅象征性地示出了這些超級(jí)電容器中的一個(gè)。在此，蓄能器20相應(yīng)于在圖1-3中的儲(chǔ)能電容器16直接接入在變流器10中，即沒(méi)有充電電路的中間電路。換句話說(shuō)，即在該實(shí)施方式中，替代通常的、在微法拉數(shù)量級(jí)上的高伏特中間電路電容器，直接將雙電層電容器用作分別具有100-3000法拉的高電容的超級(jí)電容器22。然而，可替換地也還能夠?qū)鹘y(tǒng)的中間電路電容器直接與這些超級(jí)電容器并聯(lián)。
[0074]能夠以大功率提供這種短期地并迅速可供使用地儲(chǔ)存的能量并且用于補(bǔ)償有效功率和無(wú)功功率。
[0075]當(dāng)電容器儲(chǔ)能器20直接在變流器10中接通時(shí)，需要考慮接通時(shí)的最大電感、例如低感應(yīng)的母線以及短路功率，在此可以考慮接入保險(xiǎn)裝置。在直接接通時(shí)除了中間電路電容器之外必須使具有電感和保險(xiǎn)裝置的電容器儲(chǔ)能器20去耦。電容器儲(chǔ)能器20中的可利用的能量E2在此依據(jù)E=1/2C (Umax2-Umin2)按照中間電路的電壓范圍確定并由此受到限制。
[0076]圖5不出對(duì)于圖4的一個(gè)可替換的實(shí)施方式,其中，根據(jù)圖1在變流器10中直接連接作為子儲(chǔ)能器14a的儲(chǔ)能電容器16。此外，根據(jù)圖1以電容器儲(chǔ)能器20的形式的子儲(chǔ)能器14b通過(guò)在此以升壓變換器以及降壓變換器(DC/DC-Chopper (直流斬波器))的形式的充電電路28b配屬于子儲(chǔ)能器14a。這能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電容器的較大的電壓范圍的利用并由此根據(jù)方程E=1/2C (Umax2-Umin2)而實(shí)現(xiàn)對(duì)更大能量的利用。因此，與根據(jù)圖4的變體相t匕，在根據(jù)圖5的電容器儲(chǔ)能器20的實(shí)施方式中可以使用更少的超級(jí)電容器22。然而，由于充電電路28b而需要更高的部件費(fèi)用:在此例如帶有自身調(diào)節(jié)的變流器支路和斬波扼流圈。然而，實(shí)際的變流器10及其H-電橋是保持不變的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于與供電系統(tǒng)(2)交換電功率的電負(fù)載(4)的蓄能器裝置(8)，所述蓄能器裝置， -具有至少兩個(gè)、用于與所述負(fù)載(4)和所述供電系統(tǒng)(2)并聯(lián)的接頭(6a，b)， -具有接在所述接頭(6a，b)之間的、施加電壓的、包含蓄能器(12)的變流器(10)， -其中，所述蓄能器(12)設(shè)計(jì)用于儲(chǔ)存能量(Ei+E2+E3)，所述能量超出所述變流器(10)正常運(yùn)行所需的能量的數(shù)倍， -其中，所述蓄能器(12)包含具有彼此不同的充電速度(Vh)的和用于不同的能量(E1^3)的存儲(chǔ)容量的不同的子儲(chǔ)能器(14a-c)， -其中，所述蓄能器(12)包含作為所述子儲(chǔ)能器(14a-c)的傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電容器(16)和備用儲(chǔ)能器(18)，其中，所述儲(chǔ)能電容器(16)設(shè)計(jì)用于儲(chǔ)存能量(E1),所述能量處于所述變流器正 常運(yùn)行所需的能量的范圍內(nèi)，并且由多個(gè)所述子儲(chǔ)能器(14b，c)構(gòu)成的所述備用儲(chǔ)能器(18)超出所述能量的數(shù)倍， -其中，這些所述子儲(chǔ)能器(14a-c)中的一個(gè)直接連接在所述變流器(10)中并且在所述子儲(chǔ)能器與另一個(gè)子儲(chǔ)能器(14a-c)之間連接有充電電路(28b，c)，所述充電電路控制在所述子儲(chǔ)能器(14a_c)之間的能量流， -其中，將具有較低的充電速度(AV3)的子儲(chǔ)能器(14a_c)關(guān)于所述變流器(10)串聯(lián)地連接在具有較高的充電速度(AV3)的子儲(chǔ)能器(14a_c)的下游。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能器裝置(8)，其中，自動(dòng)地調(diào)節(jié)所述能量流，以使得在這些所述子儲(chǔ)能器(14a-c )中的一個(gè)上的電壓保持在確定的電壓范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的蓄能器裝置(8)，所述蓄能器裝置具有關(guān)于在所述負(fù)載(4)的和/或所述供電系統(tǒng)(2)的要求下的能量流來(lái)控制所述充電電路(28b，c)的控制器(30)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的蓄能器裝置(8)，其中，所述蓄能器(12)包含具有多個(gè)超級(jí)電容器(22)的電容器儲(chǔ)能器(20)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的蓄能器裝置(8)，其中，所述蓄能器(12)包含具有至少一個(gè)蓄電池(26)的蓄電池儲(chǔ)能器(24)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的蓄能器裝置(8)，所述蓄能器裝置具有多個(gè)、在所述接頭(6a，b)之間串聯(lián)的、能夠分別單獨(dú)地控制的、具有相應(yīng)的所述蓄能器(12)的所述變流器(10)。
7.一種交變負(fù)載用電設(shè)備，所述交變負(fù)載用電設(shè)備作為負(fù)載(4)由供電系統(tǒng)(2)供電，所述交變負(fù)載用電設(shè)備具有根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的蓄能器裝置(8)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的交變負(fù)載用電設(shè)備，所述交變負(fù)載用電設(shè)備相關(guān)于所述交變負(fù)載用電設(shè)備的過(guò)程持續(xù)時(shí)間(T)具有高頻率的有效功率波動(dòng)和/或無(wú)功功率波動(dòng)，在所述交變負(fù)載用電設(shè)備中，所述蓄能器裝置(8)這樣設(shè)計(jì)，即所述蓄能器裝置補(bǔ)償去向所述供電系統(tǒng)(2)的、高頻率的有效功率波動(dòng)和/或無(wú)功功率波動(dòng)的至少一個(gè)有關(guān)部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的交變負(fù)載用電設(shè)備，其中，所述蓄能器裝置(8)設(shè)計(jì)為，即所述蓄能器裝置提供所述交變負(fù)載用電設(shè)備在所述過(guò)程持續(xù)時(shí)間(T)期間所需的總的有效功率和/或無(wú)功功率的至少一個(gè)有關(guān)部分。
【文檔編號(hào)】H02J3/32GK103650283SQ201280033818
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月8日
【發(fā)明者】彼得·埃克特, 賴因哈德·霍夫曼, 沃爾夫?qū)ず諣柛駹? 卡斯滕·雷興貝格 申請(qǐng)人:西門子公司