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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft allgemein Stromversorgungsnetze, insbesondere
Netze zur Bereitstellung einer gesicherten ununterbrochenen Versorgung
einer oder mehrerer kritischer Lasten mit elektrischer Energie.
Noch spezieller betrifft die Erfindung solche Energieversorgungssysteme,
die von Brennstoffzellen als elektrische Energiequelle Gebrauch
machen.
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Technischer
Hintergrund
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Die
am weitesten verbreitete Quelle elektrischer Leistung für eine große Vielfalt
von Lasten ist das ausgedehnte Stromversorgungsnetz, welches von
verschiedenen elektrischen Energieversorgungsunternehmen betrieben
wird. Die durch das Versorgungsnetz zur Verfügung gestellte elektrische Leistung
ist im Allgemeinen ziemlich zuverlässig, was Kontinuität und Erfüllung bestehender
Normen für Spannung,
Frequenz, Phase etc. angeht. Von Zeit zu Zeit gibt es allerdings
Diskontinuitäten
oder Abweichungen von diesen Normwerten. Sind sie nur kurz oder
moderat, so sind die meisten Lasten relativ unempfindlich für derartige
Ereignisse. Andererseits gibt es eine zunehmende Anzahl von Lasten,
die relativ intolerant gegenüber
auch nur kurzen Störungen in
der vom Versorgungsnetz gelieferten Leistung sind, wobei als wichtigste
Beispiele Computer, digitale Steuerungen/Regelungen und unterschiedliche Typen
elektronischer Datenverarbeitungsgeräte zu nennen sind. Auch nur
kurze Unterbrechungen der genormten Bereitstellung elektrischer
Leistung durch das Versorgungsnetz können Ursache sein für Störungen von
Computern oder Steuerungen, die in einigen Fällen kostspielige, aber stets
lästige
Konsequenzen haben.
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Um
diese Angelegenheit zu definieren, hat die Information Technology
Industry Council (ITI), früher
die Computer Business Equipment Manufacturers Association (CBEMA)
einen Satz von Leistungsakzeptanzkurven entwickelt, welche die Normen
festlegen, zumindest aber eine Leitlinie darstellen, um die Leistungsnormen
festzulegen, mittels denen ein fortgesetzter Betrieb solcher Arten
von Lasten sichergestellt wird. In diesem Zusammenhang wurde eine Norm
eingeführt,
wonach ein Computer eine halbe Periode oder 8,3 ms Leistungszufuhr-Unterbrechung tolerieren
sollte, wobei diese Norm in jüngerer
Zeit von der ITI auf etwa 20 ms geändert wurde. Andererseits können einige
Anwendungen von digitalen elektronischen Mehrphasen-Anlagen, beispielsweise
Motorsteuerungen und dergleichen, keine Unterbrechungen von mehr
als 8,3 ms vertragen. Die über
die Versorgungsnetze verfügbare
Leistung kann derzeit diesem Erfordernis nicht auf einer praktisch
kontinuierlichen Grundlage entsprechen. Demzufolge war und ist es
notwendig, Stütz-Energiequellen
bereitzustellen, wenn es von Bedeutung ist, dass kritische Lasten
eine im Wesentlichen kontinuierliche oder unterbrechungsfreie Versorgung
elektrischer Leistung erhalten müssen.
Für die
vorliegende Anmeldung lässt
sich die Bereitstellung von Leistung oder Energie mit Unterbrechungen
oder Übergängen von
nicht mehr als 8,3 ms Dauer als "nahtlos", "im Wesentlichen kontinuierlich" oder "im Wesentlichen unterbrechungsfrei" bezeichnen.
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1 zeigt
eine existierende Form einer unterbrechungsfreien Energieversorgung
(UPS; Uninterruptible Power Supply), ein sogenannter "Online"- oder "Doppelumricht"-Typ, verwendet zur
Versorgung einer kritischen Last in solchen Fällen, in denen die Speisung
aus dem Versorgungsnetz unterbrochen ist oder außerhalb spezifizierter Grenzen
liegt. Die Energieversorgung durch das Versorgungsnetz erfolgt normalerweise über einen
Leiter 110, gelangt über
normalerweise geschlossene Kontakte eines dreipoligen Umschalters 112 auf
einen Gleichrichter 120, der die kritischen Lasten 114 über einen
Wechselrichter 122 speist. Um allerdings eine kontinuierliche
Energie in und während
solcher Intervalle bereitzustellen, in denen die Energie aus dem
Versorgungsnetz sich nicht innerhalb der spezifizierten Grenzwerte
bewegt, ist eine Stützbatterie 116 vorgesehen,
um eine Zwischenenergie begrenzter Dauer bereitzustellen, und ein
elektrischer Notgenerator 118 wird dann an den anderen
Kontakt des Um schalters 112 gelegt, um eine langfristigere
Zwischenversorgung zu übernehmen.
Um den Einsatz der Batterie 116 in ein System einzugliedern,
welches für
die Lasten 114 eine Wechselleistung liefert, ist es notwendig,
den Gleichrichter 120 vorzusehen, um die Batterie 116 aufzuladen,
und den Wechselrichter 122 vorzusehen, um die Gleichstromversorgung
aus der Batterie umzuwandeln in die für die Lasten benötigte Wechselstromversorgung.
Zwischen dem Umschalter 112 und den Lasten 114 arbeitet
ein Hochgeschwindigkeitsschalter 124 als Nebenschluss-Schalter
zur Bereitstellung von Zwischenenergie, falls der Wechselrichter 122 oder
der Gleichrichter 120 gewartet werden muss. Weil das Netz
und die Lasten dann nicht in üblicher
Weise direkt verbunden sind, sondern die Leistung für die Lasten über ein
Paar von Umrichtern unter Zuhilfenahme der UPS-Batterie, bezeichnet
man diese Art von UPS auch als "Online"- oder "Doppelumrichtungs"-Typ. Diese Anlage
ist zwar wirksam, erfordert aber eine Reihe kostspieliger Komponenten,
die ausschließlich
während
solcher Zeitspannen im Einsatz sind, in denen die Energie aus dem
Versorgungsnetz nicht korrekt ist.
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Eine
weitere Ausgestaltung eines Energieversorgungssystems zur Bereitstellung
von im Wesentlichen unterbrechungsfreier Leistung für kritische Lasten
ist beschrieben in der PCT-Anmeldung US99/10833 mit dem Titel "Power System", veröffentlicht
am 25. November 1999 als WO 99/60687, entsprechend dem am 11. September
2001 erteilten US-Patent 6,288,456. Nach 2 der vorliegenden Anmeldung
sind relevante Teile der in jener PCT-Anmeldung/US-Patent beschriebenen
Erfindung sehr vereinfacht und generalisiert mit Elementen dargestellt,
deren zwei letzte Ziffern identisch sind mit in ihrer Funktion äquivalenten
Gegenstücken
in 1. Die kritischen Lasten 214 empfangen
im Wesentlichen unterbrechungsfreie Leistung von einem Motorgenerator 230 innerhalb
eines unterbrechungsfreien Energieversorgungsmoduls 231,
welches außerdem Umschalter,
Gleichrichter und Wechselrichter beinhaltet. Es sind verschiedene
alternative elektrische Energiequellen vorgesehen, um die kontinuierliche Speisung
des Motorgenerators 230 zu maximieren. Eine derartige Energiequelle
kann das Versorgungsnetz 210 sein. Eine weitere Quelle
kann die Brennstoffzellen-Generatoranlage 218 sein. Eine
Umschaltanordnung 212 ermöglicht, dass entweder das Versorgungsnetz 210 oder
die Brennstoff zelle 218 die normale Versorgung des Motorgenerators 230 mit elektrischer
Energie übernimmt.
Dieser Typ von unterbrechungsfreier Energieversorgung wird auch
als "Online"- oder "Doppelumwandlungs"-Typ bezeichnet,
da das Versorgungsnetz nicht direkt an die Lasten 214 angeschlossen
ist, sondern über
die Gleichrichter- und Wechselrichteranordnungen und das Schwungrad
und/oder Brennstoffzellen die Energieversorgung für den Motorgenerator 230 übernimmt, welcher
wiederum für
eine unterbrechungsfreie Energiezufuhr sorgt. Tatsächlich ist
die Brennstoffzelle 218 derart konfiguriert, dass sie in
einem sogenannten Netzanschlussmodus (G/C; Grid Connect) gemeinsam
mit dem Versorgungsnetz 210 aus System-ökonomischen Gründen arbeitet,
so dass im Netzanschlussbetrieb sowohl das Versorgungsnetz als auch
die Brennstoffzelle die "Netz"-Anschlüsse des
Umschalters speisen. Im Fall einer Störung des Versorgungsnetzes 210 soll
die Brennstoffzelle 218 als andauernde Energieversorgungsquelle
für den Motorgenerator 230 dienen.
In einem derartigen Fall jedoch muss die Brennstoffzelle 218 umfiguriert
werden von einem "Netzanschlussmodus" (G/C) in einen "Netz-unabhängigen" Modus (G/I; Grid
Independent). Der Energieaufbereitungsteil (PCS; Power Conditioning
System) der Brennstoffzelle 218 beinhaltet zugehörige Wechselrichter,
Schalttransistoren oder Leistungsschalter (nicht dargestellt), die
Einfluss haben auf die Umwandlung von Gleichleistung in Wechselleistung,
und die die grundlegende Netzanschluss- und Netz-unabhängige Betriebsart
der Brennstoffzelle beherrschen. Dieser Modus- oder Betriebsart-Übergang
von Netzanschluss/Netz-unabhängig,
also G/C auf G/I, hat es für
die Brennstoffzelle und den Umschalter 212 typischerweise
erforderlich gemacht, die Energieerzeugung für bis zu 5 Sekunden zu unterbrechen.
Eine derartige Unterbrechung ist aber nicht "nahtlos" und wäre bei kritischen Computer-Lasten 214 nicht
akzeptierbar. Folglich liefert eine Schwungrad-Stützenergiequelle 216 Sofortenergie
begrenzter Dauer (ähnlich
wie die in 1 gezeigte Stützbatterie 116)
an den Motorgenerator 230 zumindest während derartiger Betriebsart-Übergänge. Bei
der Stützenergiequelle 216 handelt
es sich um ein Schwungrad 236, welches einen bidirektionalen
Umrichter 238 treibt. Der Umrichter 238 hält im Normalbetrieb
das Schwungrad am Laufen und entlädt das Schwungrad 236 während des
Stützbetriebs.
Die verschiedenen Umschalter, die in der Umschaltanordnung 212 und
in dem unterbrechungsfreien Energieversorgungs modul 231 eingesetzt
werden, können
elektromechanischer, statischer Natur oder eine Kombination aus
beiden Arten darstellen und dazu dienen, die verschiedenen Energieumschaltfunktionen
zu bewirken.
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Während das
Energieversorgungsunternehmen in der oben erwähnten PCT-Anmeldung/US-Patent möglicherweise
für eine
im Wesentlichen unterbrechungsfreie Energiequelle zugunsten verschiedener
kritischer Lasten sorgen und möglicherweise
in vorteilhafter Weise Gebrauch von Brennstoffzellen als eine der
Hauptquellen für
die Energie Gebrauch machen, erfordert das System dennoch den Einsatz beträchtlicher
Zusatzausrüstungen,
die komplex und kostspielig sind. Beispielsweise stellen der separate Motorgenerator 230,
die Stützenergiequelle 216,
die das Schwungrad 236 und den Umrichter 238 in
Kombination beinhaltet, notwendige und gleichzeitig teure Komponenten
dar, um das Maß von
Energie-Kontinuität
zu garantieren, welches angestrebt und gefordert wird.
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Ein
weiterer UPS-Typ ist der sogenannte "Stand-by"-Typ, bei dem das Versorgungsnetz direkt an
die Lasten angeschlossen ist und ein Stand-by-UPS im Leerlauf verharrt,
selbst wenn es an die Lasten angeschlossen ist, bis ein Schalter
das Versorgungsnetz von den Lasten abtrennt. Ein Beispiel für ein derartiges
System findet sich in dem US-Patent 6,011,324. Normalerweise sind
die Brennstoffzelle und die dazugehörigen Wechselrichter an die
Lasten angeschlossen, befindet sich aber dennoch im Leerlauf-Stand-by-Modus,
während
das Versorgungsnetz direkt Energie an die Lasten liefert. Kommt
es zu einer Störung
im Netz, wird die Brennstoffzelle rasch auf volle Ausgangsleistung
gefahren, und ein Festkörperschalter
trennt das Netz ab. Auch hier gelangt eine Reihe kostspieliger Komponenten, darunter
die Brennstoffzelle, nur während
derjenigen Zeitspanne zum Einsatz, während der die Leistung aus
dem Versorgungsnetz nicht zufriedenstellt.
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Von
Zeit zu Zeit kommt es selbst in einem Energieversorgungssystem,
welches sowohl von der Netzversorgung als auch von Energie, die
aus Brennstoffzellen zum normalen Speisen kritischer Lasten gewonnen
wird, zu Fällen,
in denen eine Brennstoffzelle möglicherweise
nicht zur Verfügung
steht, sei es aus Gründen
der stattfindenden Wartung oder aus anderen Gründen. Falls der auf der Brennstoffzelle beruhende
Teil des Energieversorgungssystems nur eine einzige Brennstoffzelle
aufweist, oder falls bei mehreren Brennstoffzellen in dem dann unwahrscheinlichen
Fall, dass sie sämtlich
nicht zur Verfügung
stehen oder nicht in der Lage sind, dem vollen Lastbedarf zu entsprechen,
könnten
die kritische Last oder die kritischen Lasten mit Energiebeschränkungen/-"launen" konfrontiert sein,
wie sie oben bei Energieversorgungssystemen diskutiert wurden, die ausschließlich aus
dem Versorgungsnetz gespeist werden. Auch wenn sowohl die Brennstoffzelle
oder die Brennstoffzellen als auch das Versorgungsnetz zur Verfügung stehen,
kann das Versorgungsnetz Ursache sein für Spannungsstöße, gegen
die ein verbesserter Schutz der Lasten angestrebt wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein
relativ ökonomisches
und zuverlässiges
Leistungsversorgungssystem geschaffen, welches im Wesentlichen unterbrechungsfrei
elektrische Leistung für
eine oder mehrere kritische Lasten bereitstellt. Eine erste Energiequelle umfasst
mindestens eine und möglicherweise
mehrere Brennstoffzellenanlagen, liefert normalerweise ausreichend
Energie für
mindestens die kritische Last. Eine zweite Energiequelle, beispielsweise
in Form des Versorgungsnetzes, liefert ebenfalls ausreichende Energie
zur Speisung der kritischen Lasten. Die Brennstoffzellenanlage(n)
wird/werden angepasst in der Weise, dass sie normalerweise kontinuierlich
an die kritischen Lasten angeschlossen ist/sind und normalerweise
im Wesentlichen kontinuierlich beträchtlich Energie an mindestens
die kritischen Lasten geben. Ein Hochgeschwindigkeits-Trennschalter
oder statischer Schalter arbeitet so, dass er das Versorgungsnetz
rasch und nahtlos mit der kritischen Last bzw. den kritischen Lasten
und der Brennstoffzellenanlage bzw. den Brennstoffzellenanlagen
verbindet und davon trennt, um einen wirtschaftlichen durchgängigen Einsatz
der Brennstoffzellenanlage(n) zu erreichen. Beträchtliche Wirtschaftlichkeit
wird dadurch realisiert, dass die im Wesentlichen kontinuierlich
arbeitende Brennstoffzelle (die Brennstoffzellen) normalerweise
praktisch kontinuierlich an die Last angeschlossen sind und normalerweise
auch mit dem Versorgungsnetz verbunden sind. Auf diese Weise kann
die Brennstoffzelle oder können
die Brennstoffzellen im Normalzustand kontinuierlich ihre Nennleistung
abgeben, wobei der erforderliche Anteil an die kritischen Lasten
geht und ein möglicher Überschuss
an nicht-kritische Lasten und/oder das Versorgungsnetz geht. Der
statische Schalter kann einen oder mehrere gesteuerte Silizium-Gleichrichter
(SCRs) oder Thyristoren enthalten. Festkörper-Schaltersteuerungen arbeiten
so, dass sie den statischen Schalter rasch innerhalb von 4 ms oder
darunter betätigen,
um nahtlose Übergänge zwischen
der ersten und der zweiten Energiequelle zu erreichen. Diese Umschaltgeschwindigkeit
ist deutlich schneller als diejenige bei der üblichen Leitungskommutierung
bei Thyristoren. Weiterhin sorgt eine Leistungselektronik für Hochgeschwindigkeits-Übergänge (von
weniger als etwa 4 ms) in den Betriebsarten der Umrichter des Energieaufbereitungssystems
(PCS) in Verbindung mit der oder den Brennstoffzellenanlage(n).
Dies garantiert, dass die bislang langsam vonstatten gegangenen
Brennstoffzellen-Betriebsart-Übergänge mit
einer Geschwindigkeit ablaufen, die vergleichbar ist mit derjenigen des
statischen Schalters, so dass im Wesentlichen nahtlose Energietransfers
von und zwischen der ersten und der zweiten Energiequelle stattfinden.
Dies ermöglicht
einen kontinuierlichen produktiven Betrieb für die Brennstoffzelle(n).
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Um
außerdem
eine kontinuierliche (d.h. unterbrechungsfreie) und gleichmäßige (d.h.
gut regulierte) Energieversorgung für die kritische Last bereitzustellen,
sei es für
den Fall einer vorübergehend
betriebsunfähigen
Brennstoffzelle, sei es im Fall von Wartungsarbeiten, und/oder aufgrund
einer Versorgungsnetzstörung
kurzer Dauer, wie sie beim Öffnen des
statischen Schalters gegeben ist, sind eine oder mehrere Leistungsgarantiemaßnahmen
oder Energieversicherungsmaßnahmen
in Verbindung mit der Versorgungsnetz- und/oder Brennstoffzellenanlagen-Energiequellen
vorhanden. Eine derartige Leistungsgarantiemaßnahme ist die Einbeziehung
eines Netzfilters in die Versorgungsnetzquelle, um zu verhindern,
dass an der kritischen Last beim Öffnen des statischen Schalters
Spannungsspitzen auftreten. Eine weitere derartige Leistungsgarantiemaßnahme ist
die über
einen Gleichrichter erfolgende umgelenkte Verbindung von dem Versorgungsnetz
zu dem Brennstoffzellenanlagen-Wechselrichter, wodurch sichergestellt
wird, dass die Last eine redundante Energiequelle hat im Fall ei nes
Ausfalls der speziellen Brennstoffzelle, garantiert und was außerdem ein
gewisses Maß beiträgt zur Trennung
zwischen Versorgungsnetz und Last. Eine noch weitere derartige Leistungsgarantiemaßnahme ist
die Verbindung einer Speicherenergievorrichtung mit dem Wechselrichter,
um vorübergehende
Netzunterbrechungen zu überbrücken, wenn
die spezielle Brennstoffzelle außer Dienst ist oder wenn nur
die Brennstoffzelle arbeitet, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle
vorübergehend
unterstützt
wird, falls die Last einen momentanen Anstieg erleidet, der vorübergehend
die Kapazität
der Brennstoffzelle übersteigt
und somit zu einer vorübergehenden
Spannungsabnahme führt. Diese
Leistungsgarantiemaßnahmen
können
singulär
oder in unterschiedlichen Kombinationen eingesetzt werden, wobei
der größte Vorteil
sich beim Einsatz sämtlicher
Maßnahmen
ergibt.
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Die
oben genannten Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
deutlicher im Licht der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
beispielhafter Ausführungsformen
der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt
sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines Typs der unterbrechungsfreien Energieversorgung
gemäß Stand
der Technik;
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2 ist
ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm einer unterbrechungsfreien
Energieversorgung unter Verwendung von Brennstoffzellenanlagen gemäß Stand
der Technik;
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3 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer Energieversorgung unter Verwendung
einer Brennstoffzellenanlage und eines Versorgungsnetzes, die erfindungsgemäß verschaltet
sind, um für eine
kritische Last eine unterbrechungsfreie Energiezufuhr zu garantieren;
und
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4 ist
ein schematisches Blockdiagramm, welches den statischen Schalter
in größerer Einzelheit
veranschaulicht; und
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5 ist
eine Tabelle von Betriebsart-Zuständen des Brennstoffzellen-Trennschalters in
Verbindung mit Betriebszuständen
einer Brennstoffzelle und eines Gleichrichters.
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Bester Weg
zum Ausführen
der Erfindung
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In
den Zeichnungen stellen die 1 und 2 zum
Stand der Technik gehörige
Typen von unterbrechungsfreien Energiesystemen dar, wie sie oben
in Verbindung mit dem Stand der Technik erläutert wurden.
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In 3 ist
ein schematisches und teilweise detailliertes Blockdiagramm eines
(im Folgenden als Stromversorgung bezeichneten) Energieversorgungssystems 8 gemäß der Erfindung
dargestellt. Die Stromversorgung 8 ist an eine Versorgungsnetz-Stromschiene 10 angeschlossen
und macht Gebrauch von einer oder mehreren vor Ort befindlichen Brennstoffzellenanlagen 18,
um im Wesentlichen kontinuierlich Drehstrom über (nicht dargestellte) Lastschütze an eine
oder mehrere Lasten 14 zu liefern, die sich üblicherweise
vor Ort befindet bzw. befinden. Aus Gründen der Vereinfachung wird
hier zur Darstellung von Drehstromleitungen eine "Einzelleitungs"-Darstellung gewählt, was
auch die in den Leitungen enthaltenen Schalter etc. betrifft. Das
Versorgungsnetz 10, die Brennstoffzellenanlage(n) 18 und die
Last/Lasten 14 sind untereinander verbunden und werden über ein örtliches
Verwaltungssystem (SMS; Site Management System) hier allgemein durch
einen gestrichelten Block oder eine Gruppierung 11 veranschaulicht,
gesteuert. Die Last oder Lasten 14 beinhalten typischerweise
eine Reihe individueller Verbraucherlasten, von denen mindestens einige
eine im Wesentlichen kontinuierliche Stromversorgung benötigen und
mithin als "kritische
Lasten" betrachtet
werden. Die kritischen Lasten 14 sind typischerweise Computer,
Steuergeräte
mit Computern und/oder elektronische Datenverarbeitungsanlagen.
Aus Gründen
der einfachen Erläuterung
und visuellen Unterscheidung sind die Teile der schematischen Darstellung,
die relativ hohe Spannung/Strom/Leistung zu den Lasten 14 führen, dick ausgezogen,
im Gegensatz zu Niederspannungs-Steuerteilen des Systems 8.
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Die
Versorgungsnetz-Stromschiene 10 führt normalerweise 480 V Wechselspannung
bei 60 Hz, ebenso wie auch die Brennstoffzellenanlage(n) 18, die
die Spannung über
die Sammelschiene 15 liefert. Eine allgemein mit 12 bezeichnete
Schaltvorrichtung dient zum Verbinden der Brennstoffzelle(n) 18 der Last/Lasten 14 und
des Versorgungsnetzes 10. Auf diese Weise steht/stehen
die Brennstoffzellenanlage(n) 18 zur Verfügung und
stehen zur Bereitstellung elektrischer Leistung auf Vollzeitbasis
für die
Lasten 14 und/oder das Versorgungsnetz 10 zwecks
wirtschaftlicher Verwendungsweise der Brennstoffzelle(n) zur Verfügung. Die
Schaltvorrichtung 12 beinhaltet einen Hochgeschwindigkeits-Trennschalter, beispielsweise
in Form eines statischen Schaltmoduls 17, um selektiv die
Versorgungsnetz-Stromschiene 10 mit den Lasten 14 und
der Brennstoffzellenanlage(n) 18 in weiter unten beschriebener
Weise zu verbinden und diese voneinander zu trennen. Das statische
Schaltmodul 17 enthält
einen dreipoligen, elektrisch betätigten statischen Schalter 19 für eine Nenn-Stromstärke von
2000 Ampere, der in der Lage ist, einen nahtlosen Schaltübergang
für Leistung
innerhalb von etwa 1/4 Periodendauer (etwa 4 ms) vorzunehmen. Die
Schaltvorrichtung 12 enthält weiterhin mehrere Querverbindungs-Leistungsschalter 21, 21A, 23, 23A und
Trennschalter 25 zur weiteren selektiven Verbindung/Trennung
der Brennstoffzellenanlage(n) 18, der Lasten 14,
der Versorgungsnetz-Stromschiene 10 und des statischen
Schaltmoduls 17 untereinander, vornehmlich zum Öffnen des statischen
Schalters 19 für
Wartungsarbeiten und zur Fortsetzung, die Last oder die Lasten 14 mit
Energie zu versorgen. Ein Sekundärzweck
besteht darin, große
Fehlerströme
durch den Leistungsschalter 23A anstatt durch den statischen
Schalter 19 fließen
zu lassen, wenn es in der Last 14 zu einer derartigen Störung kommen
sollte.
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Obschon
die Erfindung auch bei Stromversorgungen mit mehreren Brennstoffzellenanlagen 18 nützlich und
anwendbar ist, liegt ihr größter relativer Wert
darin, dass die Stromversorgung 8 wie bei der hier dargestellten
Ausführungsform
eine einzige Energieerzeugungsanlage besitzt. Diese Brennstoffzellenanlage 18 ist
so verschaltet, dass sie den Lasten 14 und/oder dem Versorgungsnetz 10 Energie
zuspeist. Bei der dargestellten Ausführungsform kann jede Brennstoffzellenanlage 18 eine
UTC Fuel Cell PC25TMC-Energieerzeugungsanlage
für 200
kW sein, die bis zu 200 kW Leistung liefert. Zusätzlich zu einem nicht separat
dargestellten Brennstoffprozessor beinhaltet die Brennstoffzellenanlage 18 eine Brennstoffzellenanordnung 60 und
ein Energieaufbereitungssystem (PCS; Power Conditioning System) 62,
welches einen Festkörper-Wechselrichter 64 enthält, der
die Gleichleistung in eine Wechselleistung mit gewünschter
Spannung und Frequenz umwandelt. Die Steuerung des PCS und durch
das PCS ermöglicht
außerdem
den Wechsel der Betriebsart einer Brennstoffzellenanlage 18 vom
G/C-Betrieb (Netzanschluss-Betrieb) auf G/I-Betrieb (Netz-unabhängiger Betrieb)
und umgekehrt, wie im Folgenden näher erläutert wird. Bei Einsatz im
G/C-Modus ist die von dem PCS 62 geregelte Variable die
gelieferte Leistung (sowohl Wirk- als auch Blindleistung). Im G/I-Modus
sind die geregelten Variablen die Ausgangsspannung und die Frequenz,
und falls mehrere Energieerzeugungsanlagen 18 betroffen
sind, auch die Phase. An den Ausgang des Wechselrichters 64 ist
ein steuerbarer Leistungsschalter 80 angeschlossen, der
normalerweise geschlossen ist, wenn die Brennstoffzelle 60 arbeitet,
um von der betreffenden Energieerzeugungsanlage 18 gelieferte
Leistung abzugeben. Der Ausgang der Brennstoffzellenanlage(n) 18 ist
mit der Stromschiene 15 verbunden, die ihrerseits über einen
Dreieck-Stern-Transformator 27 und eine Stromschiene 15' an die Schaltvorrichtung 12 gekoppelt
ist. Der Transformator 27 schafft für die Last 14 ein
getrenntes Neutral-Erdungs-System und liefert außerdem eine Trennung zwischen
dem Brennstoffzellen-PCS und der Last 14 und/oder der Versorgungsnetz-Stromschiene 10.
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Eine
Orts-Überwachungssteuerung
(SSC; Site Supervisory Control) 29 bildet die Bediener-Schnittstelle
für das
System 8 und kann verantwortlich sein für die Steuerung des Systems, üblicherweise
auf einem hohen Niveau. Die SSC 29 ermöglicht der Bedienungsperson,
höhere
Befehle, wie "Start", "Stopp" und dergleichen
zu geben. Das SSC 29 kann eine oder mehrere programmierbare
Logiksteuerungen, Datenprozessoren, Computer, Sensoren etc. beinhalten,
um die Steuerung der verschiedenen Komponenten und Funktionen des
Systems 8 zu übernehmen.
Eine Bedienkonsole 32 besitzt für die SSC eine Anzeige- und
Eingabemöglichkeit.
Die SSC 29 kann außerdem
eine gewisse Systemsteuerung für
die Schaltvorrichtung 10 beinhalten, beispielsweise über eine
Verbindung 52, wobei die lokale Hauptsteuerung dieser Schaltvorrichtung
automa tisch über
den statischen Schalter 19 erfolgt. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß die SSC 29 als
Zwischensteuerung für
die Zwischensteuerung des statischen Schalters 19 dienen,
falls eine oder die Brennstoffzelle 60 nicht zur Energieerzeugung
zur Verfügung
steht, und um den Leistungsschalter 80 einer zugehörigen Energieerzeugungsanlage 18 in
noch zu beschreibender Weise zu steuern.
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Außerdem ist
eine Orts-Verwaltungssteuerung (SMC; Site Management Control) 31 für die direkte
Steuerung des PCS 62 der Brennstoffzellenanlage(n) 18 abhängig von
Signalen aus dem statischen Schaltmodul 17 sowie einem
Netzspannungs-Referenzsignal 10' vorgesehen, wie es weiter unten
beschrieben wird. Die SMC 31 kann auch aus Computern und
zugehörigen
Sensoren und Steuerschaltungen bestehen. Die SMC 31 kann
angesehen werden als Bestandteil des SMS 11. Ein Steuerbus 33 tauscht
Steuersignale zwischen der SMC 31 und dem PCS 62 der
Brennstoffzellenanlage(n) 18 aus. Steuersignale werden
außerdem
ausgetauscht zwischen der SSC 29 und der Brennstoffzelle 60 sowie dem
PCS 62 einschließlich
des Trennschalters 80 der Brennstoffzellenanlage(n) 18 über den
Steuerbus 25. Steuersignale werden ausgetauscht zwischen der
SMC 31 und dem statischen Schaltmodul 17 über einen
Steuerbus 40. Ein Spannungs- oder Potentialtransformator 37 erfasst
die 480-V-Wechsel-Netzspannung
und liefert die untersetzte 120-V-Wechselspannung über die
Stromschiene 10' an
die SMC 31 und das statische Schaltmodul 17, um
Steuersignale zu liefern, die kennzeichnend sind für die Spannung, die
Phase und die Frequenz des Netzes. Die dargestellte Lage und Größe des Transformators
oder Wandlers 37 ist symbolisch, wobei es sich versteht, dass
ein solcher Transformator bzw. solche Transformatoren alternativ
auch Bestandteil der Steuerschaltung oder des Steuermoduls sein
kann/können,
für welches
das Steuersignal bereitgestellt wird. Ein Stromwandler 41 fühlt den
Laststrom in einem Leistungspfad 39, der mit den Lasten 14 verbunden
ist, um den Wert über
einen Bus 43 an das statische Schaltmodul 17 zu übermitteln.
In ähnlicher
Weise fühlt
ein Stromwandler 42 den Netzstrom und übermittelt den Wert über den
Bus 44 zu dem statischen Schaltmodul 17, und ein
Spannungswandler 46 fühlt die
Lastspannung und übermittelt
sie über
den Bus 48 an das statische Schaltmodul 17.
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Um
unter zusätzlicher
Bezugnahme auf 4 die Schaltvorrichtung 12 näher zu betrachten, ist
die von der Brennstoffzellenanlage bzw. den Anlagen 18 kommende
Leistungs-Sammelschiene 15' über den
Leistungsschalter 21 mit einem Pol des statischen Schalters 19 verbunden.
Der Leistungspfad 39 verläuft von diesem Pol des statischen
Schalters 19 über
einen normalerweise geschlossenen Trennschalter 25 zu den
Lasten 14. Die Versorgungsnetz-Stromschiene 10 verläuft zu dem
anderen Pol des statischen Schalters 19 über den
Leistungsschalter 23. Die Leistungsschalter 21 und 23 sind dazu
vorgesehen, während
des Normalbetriebs geschlossen zu sein, demzufolge Leistung aus
der oder den Brennstoffzellenanlagen 18 und/oder dem Versorgungsnetz 10 an
die Lasten 14 geliefert werden kann, falls der statische
Schalter 19 geschlossen ist. In ähnlicher Weise wird unter der
Annahme, dass die von der oder den Brennstoffzellenanlagen 18 an
die kritischen Lasten 14 gelieferte Leistung kleiner ist
als die Gesamtausgangsleistung der Zelle, die überschüssige Leistung aus der oder
den Brennstoffzellenanlagen 18 über den statischen Schalter 19 an das
Versorgungsnetz gegeben, oder zumindest an nicht-kritische (nicht
dargestellte) Verbraucherlasten, die sich auf der Netzseite des
statischen Schalters 19 befinden. Tatsächlich ist es dieser bevorzugte
wirtschaftliche Betriebsmodus, der den Einsatz der Brennstoffzellenanlage(n) 18 maximiert
und den Bedarf an und die Kosten für Energie aus dem Netz 10 minimiert.
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Ein
Nebenschluss-Leistungsschalter 21A, der von der Leistungs-Stromschiene 15' zu dem Leistungspfad 39 zwischen
den Lasten 14 und dem Trennschalter 25 verläuft und
normalerweise offen ist, dient im geschlossenen Zustand zur Umgehung des
Leistungsschalters 21 zwecks Wartungsarbeiten oder zur
Trennung. In ähnlicher
Weise dient ein Nebenschluss-Leistungsschalter 23A, der
zwischen der Versorgungsnetz-Stromschiene 10 und dem Leistungspfad 39 zwischen
den Lasten 14 und dem Trennschalter 25 liegt sowie
normalerweise offen ist, im geschlossenen zur Umgehung des Leistungsschalters 23 und
des statischen Schalters 19, um an die Lasten 14 Netzleistung
zu liefern, falls der statische Schalter eine Störung hat oder falls Wartungsarbeiten
ausgeführt
werden, oder falls eine Laststörung
vorliegt, die ausreicht, um die Nennwerte des statischen Schalters
zu übersteigen.
Die Leistungsschalter 21, 23 und 23A werden
elektrisch betätigt und
automatisch gesteuert durch den statischen Schalter 19,
um Übergänge in fünf oder
sechs Perioden, d.h. in etwa 80–100
ms auszuführen.
Der Leistungsschalter 21A und der Trennschalter 25 sind Handschalter.
Die Schalter 21, 23 und 23A können ebenfalls
manuell über
die SSC 29 gesteuert werden. Jeder der Schalter 21, 21A, 23, 23A und 25 ist
für 2000
Ampere ausgelegt, wobei die Leistungsschalter einen Störungsunterbrechungswert
von 65 kaic besitzen. Die allgemeine Kommunikationsverbindung 52 zwischen
der Schaltvorrichtung 12 und der SSC 29 dient
dazu, passende Status- und Handsteuersignale für den statischen Schalter 19 und
die mehreren Leistungsschalter 21, 23, 23A etc.
zu übertragen.
Die dem statischen Schaltmodul 17 zugeordnete Steuerlogik 49,
insbesondere deren Schaltvorrichtungs-Logiksteuerteil 49B dient
zum Steuern mehrerer Leistungsschalter sowie Schalter 21, 21A, 23 und 23A, wie
durch sich zu diesen Teilen erstreckende gestrichelte Steuersignalwege 21', 21A', 23' und 23A' dargestellt
ist. Die Steuerlogik 49 besteht im Großen und Ganzen aus einem Hochgeschwindigkeits-Logikteil 49A zum
raschen Steuern des statischen Schalters 19, und einen
relativ langsamen Teil 49B zum Steuern der restlichen Teile
der Schaltvorrichtung 12.
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Immer
noch auf 4 Bezug nehmend, ist das statische
Schaltmodul 17 in größerer Einzelheit dargestellt.
Obschon der statische Schalter 19 tatsächlich drei Paare von SCRs
(Thyristoren) beinhaltet, ist in dieser Ansicht nur einer dieser
SCRs dargestellt, wobei jedoch jedes Paar in Parallelanordnung geschaltet
ist, um in die eine oder andere Richtung zu leiten, wenn das zugehörige Steuergate 19G freigegeben
ist. Die drei Paare von SCRs sind den drei Phasen der Stromversorgung
zugeordnet. Normalerweise sind die Steuergates 19G zusammengeschaltet
und werden gemeinsam gesteuert. Leistung auf der Versorgungsnetz-Stromschiene 10 und/oder Leistung
auf der Brennstoffzellen-Stromschiene 15/15' kann durch
die SCRs 19 fließen,
wenn die Steuergates 19G freigegeben sind, um es auf diese Weise
jeder möglichen
Energiequelle zu ermöglichen,
die Lasten 14 zu speisen, und es der Brennstoffzellenanlage
bzw. den Brennstoffzellenanlagen 18 außerdem zu ermöglichen, überschüssige Energie
in das Versorgungsnetz 10 einzuspeisen.
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Der
Normalmodus ist der G/C-Modus (Netzanschlussmodus), in welchem das
Versorgungsnetz 10 und die Brennstoffzellen 18 verbunden
sind. Das Modul 17 enthält
eine Schaltung 45 zum Fühlen, wann
die Stromversorgung aus der Versorgungsnetz-Stromschiene 10 sich
außerhalb
der Grenzwerte bewegt. Typischerweise beinhalten diese Grenzwerte
einen Spannungs- und einen Strombereich bezüglich der Norm- oder Nennwerte,
und die Fühlschaltung 45 liefert
ein Signal über
eine Leitung 47 zu der Steuerlogik 49, insbesondere
zu deren Steuerlogikteil 49A für die statische Schaltvorrichtung,
um zu signalisieren, wann das Versorgungsnetz sich außerhalb
dieser Grenzwerte bewegt. Die Fühl-
oder Detektorschaltung 45 arbeitet rasch und liefert eine
Antwort in etwa 2 ms. Obschon nicht dargestellt, kann ein separater
schnell arbeitender Frequenzdetektor die Netzfrequenz überwachen
und ein Signal "innerhalb" oder "außerhalb" "der Grenzwerte" an die Steuerlogik 49A für den statischen
Schalter liefern. Netzsignalwerte "außerhalb
der Grenzwerte" beinhalten beispielsweise:
a) Momentan-Netzspannungswerte beliebiger Phase und außerhalb
des Bereichs von 480 V +8% bis –15%;
b) einen momentanen Überstrom
beliebiger Phase von mehr als 2000 Ampere; c) Frequenzabweichungen
von dem Nenn-Frequenzwert
von 60 Hz von mehr als 0,5 s, und weitere Werte. Die Steuerlogik 49A agiert
ansprechend darauf, dass das Versorgungsnetz die Grenzwerte verläßt, um an
die SRC-Gates 19G ein Sperrsignal zu liefern. Die SCRs 19 schalten
rasch aus und trennen dadurch die Versorgungsnetz-Stromschiene 10 von
der direkten Anbindung an die Last 14; erfindungsgemäß können sie
jedoch eine alternative, bevorzugte Verbindung mit dem PCS 62 der
Brennstoffzellenanlage(n) 18 aufrechterhalten, wie weiter
unten erläutert wird.
Ein Stromfühler 42' fühlt den
Stromfluss durch die SCRs und signalisiert der Steuerlogik 49A das Auftreten
eines Stroms von Null durch die SCRs. Diese Information wird von
der Logik 49A dazu verwendet, die SCR-Umschaltung schneller
zu machen. Dieser ganze Vorgang findet typischerweise in 1/4-Perioden
(4 ms) statt und erleichtert damit einen nahtlosen Übergang
der direkt mit den Lasten 14 verbundenen Energiequellen
von sowohl dem Netz 10 als auch der oder den Brennstoffzellenanlage(n) 18 auf
ausschließlich
die Brennstoffzellenanlage(n) 18, wobei diese rasch neu
konfiguriert wird/werden. Dies ist deutlich schneller als die 8
ms oder darüber,
die erforderlich sind, um mit der herkömmlichen Leitungsumschaltung
einen SCR zu kommutieren. Die Fühlschaltung 45 bewirkt ein
rasches Öffnen
des statischen Schalters 19, wenn ein Zustand, dass das Versorgungsnetz
sich außerhalb
der Grenzwerte bewegt, festgestellt wird, und sie kann ihn rasch
wieder leitend machen, wenn festgestellt wird, dass die vom Netz
kommende Energieversorgung sich wieder innerhalb der akzeptierbaren
Grenzwerte bewegt.
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Die
Steuerlogik 49B verwendet außerdem die Spannungs- und Stromsensoren 37, 41, 42 und 46,
um die Schaltvorrichtungen 21, 23 und 23A unter verschiedenen
Bedingungen außerhalb
der Grenzwerte und bei Störungen
des Netzes, der Last und der Brennstoffzelle zu betätigen. Wenn
z.B. ein Last-Überstromzustand
existiert, demzufolge der Nennstrom für den statischen Schalter 19 möglicherweise überschritten
wird, so wird der Schalter 23A geschlossen, um den Fehlerstrom
zu der Last 14 zu leiten, so dass der statische Schalter
umgangen wird. Um ein weiteres Beispiel zu nennen: Eine Brennstoffzellenstörung lässt sich
direkt erkennen, indem eine niedrige Lastspannung beobachtet wird
bei möglicherweise
gleichzeitigem hohem Netzstrom, während aber dazu kein Last-Überstrom
festgestellt wird. Bei einem solchen Ereignis wird der Schalter 21 geöffnet, um
die Brennstoffzellenstörung
von der Last 14 abzutrennen. Außerdem liefert die Steuerlogik 49A gewisse
Modussignale über
einen Teil des Steuersignalbusses 40. Für manuelle Steuerung seitens der
SSC 29 wird von der Steuerlogik 49 über die
Leitung 403 ein G/I-Statussignal bereitgestellt, und auf der
Leitung 404 wird ein SW19-Freigabesignal empfangen. Die
Signale auf den Leitungen 403 und 404 können über Kommunikationsverbindungen 42 übertragen
werden.
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Falls
eine detailliertere Beschreibung der Betriebsart-Steuerung, welche
in dem PCS 62 über
die SMC 31 durchgeführt
wird, erwünscht
ist, sei auf die in der Zwischenzeit zum Patent geführte US-Patentanmeldung
09/782,402 mit dem Titel "System
for Providing Assured Power to a Critical Load" verwiesen. Jene Anmeldung mit dem Aktenzeichen 09/8782,402
ist der "Vorgänger" der vorliegenden Anmeldung
und gehört
der gleichen Anmelderin. Außerdem
ist sie hier durch Bezugnahme inkorporiert. Es reicht hieraus, in
Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zu sagen, dass die Schaltvorrichtung 12 mit
dem statischen Schalter 19 sowie das PCS 62 gesteuert
werden, um ein rasches Trennen des Versorgungsnetzes 10 von
der direkten Anbindung an die kritischen Lasten 14 durch
den statischen Schalter 19 ebenso zu erreichen, wie ein
rasches Ändern
des Betriebsmodus, der Brennstoffzellenanlage(n) 18 von G/C
auf C/I, falls es zu einer nicht akzeptierbaren Schwankung in der
Leistungsqualität
des Versorgungsnetzes kommt. Die Brennstoffzellenanlage(n) 18 arbeitet
normalerweise kontinuierlich in einem an die kritische Last 14 angeschlossenen
Zustand, wobei der Betriebsart-Übergang
ausreichend rasch erfolgt, damit jegliche Leistungsunterbrechung
aufgrund eines Ausfalls im Versorgungsnetz kürzer ausfällt als etwa 8 ms und etwa
4 ms beträgt,
demzufolge die elektrische Versorgung der kritischen Lasten 14 im
Wesentlichen unterbrechungsfrei abläuft.
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Der
Normalbetrieb bedeutet, dass das Versorgungsnetz 10 ebenso
wie die Brennstoffzelle(n) 60 der Energieerzeugungsanlage(n) 18 zufriedenstellend
arbeiten und Leistung zumindest an die kritische Last oder die kritischen
Lasten 14 geben, möglicherweise
auch die Brennstoffzellenanlage(n) Leistung in das Versorgungsnetz
gibt/geben, und darüber hinaus
die Brennstoffzellenanlage(n) übergangslos Leistung
für die
Lasten 14 bereitstellt/bereitstellen, falls es zu Störungen im
Versorgungsnetz kommt. Allerdings ist es möglicherweise von Zeit zu Zeit
erforderlich, die Brennstoffzelle(n) 60 aus Wartungsgründen oder
dergleichen aus dem Betrieb heraus zu nehmen. Es wurde festgestellt,
dass die gesamte Energieerzeugungs-Verfügbarkeit einer individuellen Brennstoffzelle 60 typischerweise
etwa 97% beträgt, dass
sich aber das Potential für
einige kurze Intervalle verliert, wenn die Brennstoffzelle 60 nicht
verfügbar
ist. Dies ist dann kein ernsthaftes Problem, wenn andere Brennstoffzellen
und/oder das Versorgungsnetz 10 in angemessener Weise den
Bedürfnissen der
Last oder Lasten 14 entsprechen können. Falls allerdings die
Kapazität
möglicher
weiterer Brennstoffzellen 60 nicht ausreicht, dem Bedarf
der kritischen Lasten) 14 zu entsprechen, was insbesondere dann
der Fall ist, wenn ausschließlich
die Brennstoffzellenanlage 18 in dem Stromversorgungssystem 8 präsent ist,
so schafft die vorliegende Erfindung auch dann eine kontinuierliche
Speisung der Last oder Lasten 14. Diese Garantie einer
gleichmäßigen und kontinuierlichen
Stromversorgung erstreckt sich auch in einem oder mehreren Aspekten
der Erfindung auf Momente gewisser Versorgungsnetz-Übergänge, unabhängig davon,
ob die Brennstoffzelle(n) 60 arbeiten oder nicht, und diese
Garantie kann sich auch auf gewisse signifikante Übergänge erstrecken,
bei denen die Energie für
die Last oder Lasten 14 ansteigt, während die Brennstoffzelle(n) 60 arbeiten,
insbesondere in solchen Fällen,
in denen die Energiekapazität
der Brennstoffzelle(n) 60 überschritten wird, wie dies
bei einer einzelnen Brennstoffzelle und/oder einer Brennstoffzellengruppe
begrenzter Kapazität
der Fall sein kann.
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Zurückkehrend
zu der 3 ist gemäß einem
Aspekt der Erfindung ein Netzfilter 65 in das Stromversorgungssystem 8 am
Eingang vom Versorgungsnetz 10 eingefügt. Das Netzfilter 65 beinhaltet tatsächlich drei
Filter, eines für
jede der drei Leitungen des Drehstromsystems. Das Netzfilter 65 hat eine
ausreichende Induktivität
zum Dämpfen
von Ausgleichsvorgängen
oder Spannungsspitzen, die möglicherweise
auftreten, wenn der statische Schalter 19 während einer
Netzstörung
kurzer Dauer öffnet (d.h.
in einer Zeitspanne, die kürzer
als eine Periode ist). Auf diese Weise werden solche Transienten
gedämpft,
bevor sie an die allgemeine Schaltung gelangen, insbesondere an
die Last oder Lasten 14. Das Netzfilter hat vorzugsweise
eine ausreichende Induktivität,
um den Bereich der wahrscheinlichsten Überspannungen zu dämpfen. Demzufolge
wirkt das Netzfilter 65 als Puffer, um die Kunden-Last
oder -Lasten 14 vor Transienten zu schützen, die möglicherweise auf dem Versorgungsnetz 10 in
Erscheinung treten, unabhängig
davon, ob die Brennstoffzelle 60 normal arbeitet oder nicht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung liefert das Versorgungsnetz 10 an
die Lasten 14 über
den Wechselrichter 64 in Verbindung mit einem PCS 62 in
einer Brennstoffzellenanlage 18 während solcher Intervalle Energie,
in denen die betreffende Brennstoffzelle 60 außer Betrieb
ist. Ein Zweig 10'' des Versorgungsnetzes 10 verläuft zu dem
Wechselrichter 64 des PCS 62 der Brennstoffzellenanlage 18 über ein
nur in eine Richtung leitendes Bauelement, beispielsweise einen
Leistungsgleichrichter 66 innerhalb des PCS 62.
Der Netzzweig 10'' ist mit dem
Versorgungsnetz 10 vor dem statischen Schalter 19 verbunden
und liegt vorzugsweise zwischen dem Netzfilter 65 (falls
vorhanden) und dem statischen Schalter 19, um die Vorteile
des Filters 65 zu nutzen. Ein normalerweise geschlossener
Sicherheitsschalter 68, der als Handschalter ausgebildet
sein kann, liegt in Reihe zu dem Gleichrichter 66, um diesen
Zweig für
den Fall ab zutrennen, dass der Gleichrichter gewartet wird. Entsprechend
ist der Gleichstromausgang der Brennstoffzelle 60 mit dem
Wechselrichter 64 über
ein weiteres nur in eine Richtung leitendes Bauelement verbunden,
beispielsweise einen Leistungsgleichrichter 70. In ähnlicher
Weise ist ein normalerweise geschlossener Sicherheitsschalter 72, der
ein handbetätigter
Schalter sein kann, in Reihe zu dem Gleichrichter 70 geschaltet,
um diesen Zweig für den
Fall abzutrennen, dass der Gleichrichter 70, die Brennstoffzelle 60 und/oder
der Gleichrichter 66 gewartet werden.
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Der
Wechselrichter 64 ist ein Gleichstrom-Wechselstrom-Leistungswandler,
wobei unter normalen Brennstoffzellen-Betriebsbedingungen die Gleichleistung
aus der Brennstoffzelle 60 direkt durch den Gleichrichter 70 zu
dem Wechselrichter 64 fließt, wo sie umgewandelt wird
zur Schaffung von Wechselleistung, die durch den Leistungsschalter 80 auf die
Stromschiene 15 und schließlich zu der Last oder den
Lasten 14 gelangt. Während
des Normalbetriebs der Brennstoffzelle 60 wird Wechselleistung
aus dem Netz 10, 10'' von dem Gleichrichter 66 gleichgerichtet und
steht als Gleichleistung am Eingang des Wechselrichters 64 zur
Verfügung,
um die Leistung aus der Brennstoffzelle 60 zu ergänzen. Weil
die Brennstoffzelle 60 und das Versorgungsnetz 10, 10'' effektiv als Eingänge an den
Wechselrichter 64 parallel geschaltet sind oder geschaltet
werden können,
dient das Vorhandensein von zwei Gleichrichtern 70 und 66 dazu,
eine "Rückkopplung" oder einen "Schleichweg" von einer Energiequelle
zur anderen zu unterbinden.
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Während derjenigen
Intervalle jedoch, in denen die Brennstoffzelle 60 aus
Gründen
der Wartung "heruntergefahren" und nicht in Betrieb
ist, dient die oben beschriebene Anordnung dazu, eine kontinuierliche
Bereitstellung gut regulierter Leistung zu garantieren, indem Leistung
aus dem Netz 10, 10'' über den
Wechselrichter 64 der Brennstoffzellenanlage 18 an
die Last oder Lasten 14 geliefert. Darüber hinaus dient diese Art
der Lieferung von Energie aus dem Netz 10, 10'' zu der Last oder den Lasten 14 über den Gleichrichter 66 und
den Wechselrichter 64 dazu, eine doppelte Umwandlung der
Netzspannung von Wechselstrom auf Gleichstrom und dann wieder zurück in Wechselstrom
zu erreichen, was eine zusätzliche
Trennung zwischen dem Netz 10 und der Last oder den Lasten 14 bedeutet.
Zu der Zeit, während die
Brennstoffzelle 60 außer
Dienst gestellt wird, veranlasst die Logik des statischen Schaltmoduls 17 den statischen
Schalter 19, zu öffnen.
Erreicht wird dies dadurch, dass die SSC 29 den Status
der Brennstoffzelle 60 über
die Leitung 35 überwacht,
um zu sehen, ob sie die Nennleistung erbringt. Falls nicht, wird über die
Leitung 52 ein Signal an die Steuerlogik 49 des statischen
Schalters geliefert, welches den statischen Schalter 19 anweist
zu "öffnen", oder "auszuschalten". Dies beendet die
direkte Verbindung des Netzes 10 mit der Last oder den
Lasten 14, wobei jetzt aber der neue Netzenergiepfad über die
Leitung 10'' durch den Gleichrichter 66 und
den Wechselrichter 64 gut geregelte Wechselleistung über die
Stromschiene 15 an die Last oder die Lasten 14 liefert.
Die Geschwindigkeit des statischen Schalters 19 und das Vorhandensein
der Verbindung von dem Versorgungsnetz 10 durch den Gleichrichter 64 und
den Wechselrichter 64 garantiert einen nahtlosen Übergang
der zum Speisen der Last oder Lasten 14 verwendeten Energiequelle
und schafft im Zuge dieses Prozesses die Vorteile der Trennung eines
doppelten Umrichtsystems. Wichtig ist: Obschon der Trennschalter 80 bislang
geöffnet
war, um die Energieerzeugungsanlage 18 von der Stromschiene 15 zu trennen,
als die Brennstoffzelle 60 nicht arbeitete, ist es nunmehr
erfindungsgemäß notwendig,
sicherzustellen, dass der Trennschalter 80 geschlossen bleibt,
wenn die Brennstoffzelle 60 nicht arbeitet, jedoch der
Wechselrichter 64 mit dem Netz 10 über den
Zweig 10'' und den Gleichrichter 66 verbunden ist.
Diese Festlegung sowie die Steuerung des Trennschalters 80 erfolgt
seitens der SSC 29 über deren
Verbindung 35 mit der Brennstoffzelle 60 und dem
PCS 62, einbezogen in den Vorgang sind möglicherweise
auch Sensoren und/oder eine zugehörige Logik. Obschon solche
Sensoren und eine implementierende Schaltung nicht im Einzelnen
dargestellt sind, ergibt sich das Verständnis hierzu durch Bezugnahme
auf die Modus-Zustandstabelle der 5 mit den
Festlegungen "Ein"/"Aus" für den Betriebsstatus der
Brennstoffzelle 60, des Gleichrichters 66 und auch
des Wechselrichters 64, was über geeignete Sensoren geschieht,
wobei die Logik in der SSC 29 dann das passende Befehlssignal
oder die passenden Befehlssignale an den Trennschalter 80 liefert, um
den passenden Schaltzustand zu erreichen. Die Ausnahme von dieser
Routine bildet der Fall, dass der Wechselrichter 64 möglicherweise
eine Störung hat,
in welchem Fall ein Fehlerdetektor direkt wirksam wird, um den Trennschalter 80 zu öffnen.
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In
einem solchen Fall ist jeder Befehl von der SSC 29 an den
Trennschalter 80 unwirksam oder "ohne Konsequenz", in der Tabelle ist dies als "ohne Bedeutung" bezeichnet.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Brennstoffzellenanlage 18 und vorzugsweise
deren PCS 62 ein Energiespeicherbauelement 74,
hier dargestellt als Kondensator 75, betrieblich verbunden
mit dem Wechselrichter 64. Das Energiespeicherbauelement 74 bildet
eine sofort verfügbare
Quelle für
gespeicherte elektrische Energie zum "Überbrücken" oder "Glätten" möglicher
kurzer Unterbrechungen oder Transienten, die möglicherweise entweder im Versorgungsnetz 10, 10'' dann, wenn die Brennstoffzelle 60 außer Dienst steht,
oder dann, wenn die Brennstoffzelle 60 arbeitet, während vorübergehender
Lastzunahme auftreten, die eine Transienten-Zunahme in dem Energiebedarf
und eine damit einhergehende Abnahme der von der Brennstoffzelle 60 an
den Wechselrichter 64 gelieferten Spannung veranlasst.
In jedem Fall führt eine
Abnahme der Gleichspannung am Eingang des Wechselrichters 64 unterhalb
eines akzeptierbaren Pegels oder Schwellenwerts dazu, dass das Energiespeicherbauelement 74 etwas
von seiner Energie freigibt, um die Spannungsabnahme zu überbrücken. Man
sieht, dass das Energiespeicherbauelement 74 auch andere
Formen als die eines Kondensators 75 annehmen kann, beispielsweise
eine Batterie oder dergleichen sein kann. Der Kondensator 75 hat
den Vorteil, dass er relativ billig ist und ähnlich wie eine Batterie elektrisch
aufgeladen (und auf Spannung gehalten) wird durch seine Verbindung
mit dem Verbindungsknoten der Gleichrichter 70 und 76 aus
der Brennstoffzelle 60 bzw. dem Netz 10''.
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Jeder
der drei obigen Aspekte der Erfindung hat Vorteile individuell für die anhaltende
Bereitstellung eines kontinuierlichen und gleichmäßigen Stroms
elektrischer Leistung zu kritischen Lasten aus einem Stromversorgungssystem,
welches auf einer Kombination aus Brennstoffzelle oder Brennstoffzellen
und herkömmlichem
Versorgungsnetz besteht, insbesondere während der kurzen Intervalle,
in denen die Brennstoffzelle möglicherweise
nicht arbeitet. Folglich lassen sich diese Vorteile steigern durch
Einbeziehung einer Kombination aus vorzugsweise sämtlichen
dieser beschriebenen Aspekte.
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Obschon
die Erfindung hier in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen
beschrieben und dargestellt wurde, versteht sich für den Fachmann,
dass die oben angegebenen sowie weitere Änderungen, Weglassungen und
Hinzufügungen
möglich
sind, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise lässt
sich eine zusätzliche
Zuverlässigkeit
des kombinierten Energiesystems durch Methoden, wie Redundanz von
Teilen des Systems erreichen, außerdem durch Verwaltung von
Brennstoffressourcen zur Gewährleistung
einer angemessenen Verfügbarkeit
ausreichender Brennstoffmenge für
die Brennstoffzelle und dergleichen.
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Zusammenfassung
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Eine
erste Wechselstromquelle enthält
eine Brennstoffzellenanlage (18) und eine zweite Energiequelle,
typischerweise ein Versorgungsnetz (10), die normalerweise über eine
Hochgeschwindigkeits-Trennschaltervorrichtung (19) verbunden
sind, um für
eine kritische Last (14) ausreichend Wechselleistung bereitzustellen.
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