DE3220979C2

DE3220979C2 - Verfahren zum Betreiben einer supraleitenden Stromspeichervorrichtung sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3220979C2
Application number: DE3220979A
Authority: DE
Inventors: Shigenori Itami Hyogo Higashino
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-06-03
Filing date: 1982-06-03
Publication date: 1987-03-05
Also published as: JPH023380B2; JPS57199438A; DE3220979A1; US4493014A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Stromspeichervorrichtung, die gekennzeichnet ist durch eine supraleitende Spule (1) zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, durch eine getrennt erregte Thyristor-Wandlereinheit (2) mit an die Spule (1) angeschlossenen Gleichspannungsklemmen (4) und einer an eine Wechselstromquelle (3) angeschlossenen Wechselspannungsklemme (5) und die so angeordnet ist, daß sie die elektrische Energie zwischen der Spule (1) und der Wechselstromquelle (3) von einer Gleichspannungsform in eine Wechselspannungsform und umgekehrt umzuwandeln vermag, und durch einen zwischen die Wechselspannungsklemme (5) der Thyristor-Wandlereinheit (2) und die Wechselstromquelle (3) geschalteten Arbeitsspannungsregler (7) zur Einstellung der an der Wechselspannungsklemme (5) der Thyristor-Wandlereinheit (2) erscheinenden Spannung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
In supraleitende Spulen können bekanntlich große Mengen elektrischer Energie eingespeist und relativ langfristig gespeichert werden. Es ist demzufolge bereits bekannt (siehe US-PS 41 22 512), zwischen einer supraleitenden Spule und einem beliebigen Wechselstromnetz einen entsprechend angesteuerten Thyristor-Wandler vorzusehen, um auf diese Weise beispielsweise einen Spitzenlastausgleich in Stromnetzen durchführen zu können. Bei der bekannten Anordnung wird dabei die Größe des aus dem Wechselstromnetz gezogenen Stromes bzw. die Größe des dem jeweiligen Stromnetz erneut zugeführten Stromes durch phasenmäßige Verstellung der Zündzeitpunkte der einzelnen Thyristoren des Thyristor-Wandlers innerhalb eines Regelbereiches zwischen 0 und 180° erreicht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren zum Betreiben einer derartigen supraleitenden Stromspeichervorrichtung derart zu verbessern, daß sowohl beim Betrieb der Stromeinspeicherung als auch beim Betrieb der Stromabnahme innerhalb der vorgesehenen supraleitenden Spule möglichst geringe Energieverluste auftreten, so daß auf diese Weise die zur Kühlung der supraleitenden Spule erforderliche thermische Kühlleistung möglichst klein gehalten werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen erreicht.
Beim Betrieb einer gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Stromspeichervorrichtung hat es sich herausgestellt, daß innerhalb der vorgesehenen supraleitenden Spule sowohl bei der Stromeinspeisung als auch bei der Stromentnahme ungewünschte Wirbelströme auftreten, welche zum Zeitpunkt der Stromeinspeisung wie auch zum Zeitpunkt der Stromentnahme die Bereitstellung größerer Kühlleistungen für die Abkühlung der supraleitenden Spule auf etwa 4°K erforderlich machen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß innerhalb der supraleitenden Spule auftretende Wirbelströme durch die Welligkeit des in die supraleitende Spule eingespeisten bzw. aus demselben abgezogenen Stromes bedingt ist, wobei diese Welligkeit immer dann besonders groß ist, solange der Zündwinkel der Thyristoren des betreffenden Thyristor- Wandlers einen mittleren Wert zwischen 0 und 180° einnimmt. Um somit die innerhalb der supraleitenden Spule auftretenden Wirbelstromverluste möglichst klein halten zu können, wird der Zündwinkel α der Thyristoren des vorgesehenen Thyristor-Wandlers jeweils optimal, d. h. vorzugsweise im Bereich der Werte 0 oder 180° eingestellt, wobei dann allerdings die Größe des in die supraleitende Spule eingespeisten bzw. aus derselben herausgezogenen Stromes durch Spannungsregelung am Eingang des Thyristor- Wandlers vorgenommen wird. Durch Vornahme dieser Spannungsregelung kann somit selbst bei vorgegebener Größe der Netzspannung eine genau dosierte Einspeicherung bzw. Entnahme von elektrischer Energie in die supraleitende Spule bzw. aus derselben heraus vorgenommen werden, wobei aufgrund einer Geringhaltung der Welligkeit des in die supraleitende Spule eingespeisten bzw. aus derselben herausgezogenen Stromes die auftretenden Wirbelstromverluste sehr gering gehalten werden können, wodurch wiederum die zur Kühlung der supraleitenden Spule erforderliche Kühlleistung wunschgemäß gering gehalten werden kann.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich anhand der Merkmale des Anspruchs 2.
In dem folgenden soll die Erfindung näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer supraleitenden Stromspeichervorrichtung bekannter Bauweise, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer supraleitenden Stromspeichervorrichtung gemäß der Erfindung.
Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel für eine bisherige supraleitende bzw. Supraleiter-Stromspeichervorrichtung mit einer supraleitenden Spule 1 für Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, einer getrennt erregten Thyristor-Wandlereinheit 2 mit wechsel- und gleichspannungsseitigen Klemmen oder Anschlüssen und einem Wechselstromquellensystem 3. Die Gleichspannungsklemmen 4 der Thyristor-Wandlereinheit 2, sind unmittelbar mit der supraleitenden Spule 1 verbunden, während die Wechselspannungsklemme 5 über einen Transformator 6 mit dem Wechselstromquellensystem 3 verbunden ist.
Die bisherige Speichervorrichtung gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt: Der Wechselstrom vom Wechselstromquellensystem 3 wird durch die Wandlereinheit 2 in Gleichstrom umgewandelt und zur Speicherung der supraleitenden Spule 1 zugeführt, wobei die Wandlereinheit 2 dann als Vorwärtswandlervorrichtung arbeitet.
Die auf diese Weise in der supraleitenden Spule 1 gespeicherte elektrische Gleichspannungsenergie wird im Rückumwandlungsbetrieb der Thyristor-Wandlereinheit 2 als Wechselstrom zum Wechselstromquellensystem freigegeben.
Diese Speicherung und Abgabe oder Freisetzung der elektrischen Energie kann durch Einstellung der Gleichspannungsklemmenspannung der Thyristor- Wandlereinheit 2 durch Phasenregelung derselben so gesteuert werden, daß die an die supraleitende Spule 1 angelegte Gleichspannung geändert wird.
Wenn die Gleichspannung von der Thyristor-Wandlereinheit 2 an die Spule 1 angelegt wird, fließt diese als welliger Strom aufgrund von Spannungswelligkeit in dieser Gleichspannung, so daß Wirbelstromverluste infolge dieses welligen Stromes auftreten. Durch diesen Wirbelstromverlust kann die Temperatur der supraleitenden Spule 1 ansteigen, so daß schließlich der supraleitende Zustand der Spule 1 beendet wird. Die Spule 1 muß daher durch eine nicht dargestellte Kühlvorrichtung gekühlt werden.
Bei Verwendung von flüssigem Helium im Temperaturbereich von 4°K als Kühlmedium für die Spule 1 wird für die Abfuhr einer Wärmemenge von 1 Joule eine diesen Wert um etwas das 300fache übersteigende Energiemenge benötigt.
Bei der bisherigen supraleitenden Stromspeichervorrichtung beeinträchtigt mithin die Größe der an der supraleitenden Spule 1 anliegenden Gleichspannungswelligkeit den Betriebswirkungsgrad der Vorrichtung.
Die bisherige supraleitende Stromspeichervorrichtung ist daher mit dem Nachteil behaftet, daß deshalb, weil die an die supraleitende Spule 1 angelegte Spannung in ihrer Gesamtheit durch die Phasensteuerung der Thyristor-Wandlereinheit 2 eingestellt wird, die Spannungswelligkeit um so größer ist, je kleiner die Absolutgröße der an die Spule 1 angelegten Spannung ist, so daß ein erhöhter Wirbelstromverlust in der Spule 1 und eine vergrößerte Kühlbelastung hervorgerufen werden.
Der einzige Unterschied der Anordnung nach Fig. 2 zu derjenigen nach Fig. 1 besteht darin, daß ein Arbeitsspannungsregler (on-load voltage regulator) 7 zwischen die Wechselspannungsklemme 5 der Wandlereinheit 2 und das Wechselstromquellensystem 3 zur Steuerung oder Regelung der Wechselspannungsklemme 5 der Wandlereinheit 2 eingeschaltet ist.
Die Regelung der mittleren Ausgangsgleichspannung der Thyristor-Wandlereinheit 2 kann daher nicht nur durch Phasensteuerung der Thyristor-Wandlereinheit, d. h. durch Einstellung des Gate-Zündwinkels (Phasennacheilwinkel α) der Wandlereinheit, sondern auch durch Einstellung der der Wechselspannungsklemme 5 der Wandlereinheit 2 zugeführten Wechselspannung mittels des Arbeitsspannungsreglers 7 und somit ohne Bezug zum vorliegenden Phasennacheilwinkel α der Wandlereinheit, der auf den Festeinstellwert (occasionally adjusted value) festgelegt sein kann, erfolgen.
Die Größe der zwischen Spule 1 und Stromquelleneinheit 3 übertragenen elektrischen Leistung P kann als Produkt aus der Ausgangsgleichspannung Ed der Thyristor-Wandlereinheit 2 und dem in der Spule 1 fließenden Strom Id, mit Id ≤0, abgeleitet werden. Somit gilt:

P = Ed [V] × Id [A]

Dabei gelten P ≤0 für Stromspeicherung in der supraleitenden Spule und P ≤0 für die Stromabgabe von dieser Spule.
Die Ausgangsspannung Ed der Thyristor-Wandlereinheit 2 ist das Produkt aus der idealen Ausgangsgleichspannung Edo (mit Edo>0), bestimmt durch die Verdrahtung der Wandlereinheit 2 (vgl. Norm JEC - 188 und - 144 des Japanese Electrotechnical Committee), und dem Kosinus des Phasennacheilwinkels α. Unter der Voraussetzung, daß in der Thyristor-Wandlereinheit 2 kein Stromverlust auftritt und der Kommutationsüberschneidungswinkel u gleich Null ist, liegt der Phasennacheilwinkel α in einem solchen Bereich, daß 0° ≤α ≤180° gilt. Demzufolge gilt:

Ed = Edo × cos α.

Die Bedingung oder Beziehung cos α>0 wird als Vorwärtsumwandlungsbereich bezeichnet, in welchem der elektrische Strom vom Stromquellensystem 3 zur supraleitenden Spule 1, um in dieser gespeichert zu werden, geleitet wird. Die Bedingung oder Beziehung α<0 wird als Rückumwandlungsbereich bezeichnet, in welchem der elektrische Strom von der Spule 1 zum Stromquellensystem 3 abgegeben wird.
Erfindungsgemäß kann die Eingangswechselspannung zur Thyristor-Wandlereinheit durch den Arbeitsspannungsregler so geregelt werden, daß die Größe der idealen Ausgangsspannung Edo nach Belieben in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Arbeitsspannungsreglers angehoben oder verringert werden kann. Auf diese Weise kann die Amplitude der Ausgangsgleichspannungswelligkeit selbst mit Änderungen der Ausgangsgleichspannung geändert werden, so daß der in letzterer enthaltene Prozentsatz der Spannungswelligkeit beliebig gesteuert oder eingestellt werden kann. Diese, durch den Arbeitsspannungsregler 7 zu bewirkende Einstellung der Wechselspannung kann jederzeit in der Weise erfolgen, daß an der supraleitenden Spule 1 anliegende Gleichspannungswelligkeiten auf eine Mindestgröße verringert werden können, welche den Vorwärts- oder Rückumwandlungsbetrieb der Thyristor-Wandlereinheit 2 ermöglicht.
Erfindungsgemäß kann mithin der im Betrieb der supraleitenden Speichervorrichtung für elektrischen Strom in der supraleitenden Spule 1 auftretende Wirbelstromverlust auf eine steuerbare oder einstellbare Mindestgröße verringert werden, so daß sich ein verringerter Energiebedarf für die Kühlung der supraleitenden Spule 1 und ein verbesserter Betriebswirkungsgrad der supraleitenden Stromspeichervorrichtung ergeben.
Da zudem die an die Spule 1 anzulegende Spannung nicht als Ganzes durch die Wandlereinheit 2 geregelt zu werden braucht, kann auch die in der supraleitenden Stromspeichervorrichtung erzeugte Blindleistung reduziert werden.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer supraleitenden Stromspeichervorrichtung, bei welcher eine der Speicherung von elektrischer Energie dienende supraleitende Spule über einen entsprechend angesteuerten Thyristor-Wandler mit einem Wechselstromnetz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei optimaler Einstellung der phasenmäßigen Ansteuerung des Thyristor- Wandlers im Hinblick auf die Welligkeit des in die supraleitende Spule eingespeisten bzw. aus derselben entnommenen Stromes die Größe des in die supraleitende Spule eingespeisten bzw. aus derselben herausgezogenen Stromes durch Veränderung der Größe der an dem Thyristor- Wandler anliegenden Wechselspannung geregelt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wechselspannungsnetz (3) und der der supraleitenden Spule (1) vorgeschalteten Thyristorschaltung (2) ein einstellbarer Spannungsregler (7) zwischengeschaltet ist.