WO2016134885A1 - Speichersystem zum speichern elektrischer energie - Google Patents

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    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures

Definitions

  • the present invention relates to a storage system for storing electrical energy.
  • a converter for converting the DC voltage into a AC voltage which is connected via a DC link to the energy storage; and a diode reverse-connected in the intermediate circuit in parallel with the energy storage and the inverter for limiting a voltage in the intermediate circuit.
  • the memory system comprises a further diode for limiting the voltage in the intermediate circuit, which is connected in the intermediate circuit in parallel to the energy store and the inverter in the reverse direction.
  • the diode is a semiconductor diode with pn junction or a Schottky diode. This technical advantage is achieved, for example, that overvoltage in the ⁇ circular efficiently can be dissipated.
  • the memory system comprises a resistor which is connected in series with the diode.
  • the resistor has a size of 0.1 ⁇ to 100 ⁇ , preferably 1 ⁇ to 10 ⁇ . This is for example the technical advantage is achieved that damage to the diode is prevented due to high performance.
  • the diode is a high-current diode with a permissible breakdown current of greater than 60 A.
  • the technical advantage is achieved that overvoltages can be short-circuited with high currents without the diode is damaged.
  • the diode is a Zener diode, an avalanche diode or a suppressor diode. This example just ⁇ if the technical advantage achieved by the efficient voltage stabilization is achieved.
  • the memory system comprises further zener diodes, which are connected in series with the zener diode.
  • the memory system comprises a DC voltage converter for increasing the DC voltage of the energy store.
  • the technical advantage is achieved, for example, that the voltage of the energy storage for the inverter he ⁇ can be increased.
  • the diode comprises a cooling. This game, be achieved at the technical advantage ⁇ that Be ⁇ damage the diode can be prevented by heat.
  • the cooling is realized by a contact of the diode with a heat sink. As a result, for example, the technical advantage achieved that the cooling can be realized with a ge ⁇ wrestling effort.
  • Fig. 1 is a view of a memory system
  • Fig. 2 is a characteristic of a diode.
  • Fig. 1 shows a view of a memory system 100 for SpeI ⁇ Chern electrical energy.
  • the memory system 100 comprises an energy store 101 for generating a DC voltage, a converter 103 for converting the DC voltage into an AC voltage, which is connected via an intermediate circuit 105 to the energy storage 101; and a diode 107 reverse-connected in the DC link 105 in parallel with the power storage 101 and the inverter 103 to limit a voltage in the DC link 105.
  • the inverter is an inverter for converting the DC voltage to an AC voltage. This produces a parallel connection of the diode 107 in the reverse direction in the intermediate circuit 105 of the energy store 101 and of the converter 107.
  • the energy storage 101 may be a mechanical, an electrical, electrochemical, a chemical energy storage or a heat storage.
  • a mechanical energy storage is for example a flywheel (flywheel), a pumped storage power plant ⁇ or a pressure accumulator.
  • An electrical or electrochemical energy store 101 is, for example, a super-capacitor or a battery.
  • a chemical energy storage 101 uses, for example, hydrogen, methane or methanol. In contrast, uses a heat storage
  • the diode 107 in the intermediate circuit 105 can be embodied as a p-n-doped semiconductor crystal transition or as a metal-semiconductor junction (Schottky diode).
  • the diode 107 may also be designed as a Zener diode. In this case, a series connection of Zener diodes is advantageous in order to achieve the required breakdown voltage.
  • the inverter 103 is, for example, an inverter or inverter for converting the direct current into an alternating current having a predetermined frequency.
  • the memory system 100 comprises a combination of diode 107 and resistor 109, so that not the complete power is applied to the diode 107.
  • the resistor 109 used is typi cally dimensioned ⁇ between 1 ⁇ and 10 ⁇ .
  • the area may to 0.1 ⁇ to 1 ⁇ , and between 10 ⁇ and 100 ⁇ he ⁇ be got. Also possible are resistors smaller than 0.1 ⁇ and larger than 100 ⁇ .
  • the diode 107 serves as passive overvoltage protection to limit the voltage in the DC link.
  • the intermediate circuit 105 can be protected passively. This represents an overvoltage protection, which is guaranteed until the breakdown voltage of the diode 107 is exceeded.
  • the diode 107 becomes conductive and then acts as a bypass. The voltage in the intermediate circuit Zvi ⁇ 105 or energy storage 101 to rise no further, and the excessive current flows through the diode 107th
  • both the maximum voltage of the memory system 100 is limited and allows a bypass current through the diode 107 during operation.
  • an over- Monitoring the voltage by means of a voltage measurement, controllable contactors and a controller with software accounts. Therefore, a passive surge protection of the overall system is ensured by means of simple components, which must not be monitored by means of software or mechanical compo nents ⁇ includes.
  • FIG. 2 shows a characteristic of the diode 107, which allows a voltage breakdown as of a negative voltage. Up to this point, the diode 107 is almost without current flow.
  • the characteristic curve of the diode 107 comprises a breakdown region 205, a stopband 203 and a passband 201. In the stopband 203, the current rises up to the first stop
  • the memory system 100 includes incorporating one or more reverse biased diodes 107 into the intermediate circuit 105 of an energy storage 101 connected to an inverter 103, such as an inverter or AC / DC converter.
  • a Hochstrom e execution of the diode 107 with a zu ⁇ permissible current greater than 60 A is also possible, so that the resistor 109 can be replaced. Due to the transient behavior of the converter 103 and the diode 107, current only briefly reaches when the diode breakdown voltage is reached, for example, shorter than ls. In this case, only short-term performance occurs at the diode 107. In Lan ⁇ Ger power, cooling of the diode may be seen ⁇ 107 before, for example via a befes- saturated at the diode heat sink. In general, it is possible to use a plurality of diodes 107 in series in order to reduce the resulting power per diode 107. A parallel connection a plurality of diodes 107 is another way to reduce the on ⁇ falling power per diode 107.
  • the voltage in the intermediate circuit 105 is typically between 500 V and 800 V. This voltage range can, however, be extended as desired.
  • a DC-DC converter i. a DC / DC controller, are used to realize a first voltage increase of the energy storage device 101.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Speichersystem (100) zum Speichern elektrischer Energie, mit einem Energiespeicher (101) zum Erzeugen einer Gleichspannung; einem Umrichter (103) zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung, der über einen Zwischenkreis (105) mit dem Energiespeicher (101) verbunden ist; und einer Diode (107), die in dem Zwischenkreis (105) parallel zu dem Energiespeicher (101) und dem Umrichter (103) in Sperrrichtung geschaltet ist, zum Begrenzen einer Spannung in dem Zwischenkreis (105).

Description

Beschreibung
Speichersystem zum Speichern elektrischer Energie Die vorliegende Erfindung betrifft ein Speichersystem zum Speichern elektrischer Energie.
Der steigende Bedarf an Speichersystemen erfordert einen hohen Sicherheitsstandard während des Betriebs und Schutzmecha- nismen für den Fehlerfall. Die Verbindung eines Energiespei¬ chers als Gleichspannungsquelle oder -Senke an ein Wechsels¬ pannungsnetz wird über einen Wechselrichter realisiert. Hierbei existiert ein Gleichspannungszwischenkreis zwischen Ener¬ giespeicher und Wechselrichter, in dem Überspannungen auftre- ten können.
Derzeitige Methoden um den Zwischenkreis, um den Energiespei¬ cher und den Wechselrichter zu schützen, verwenden Schütze, die im Fehlerfall öffnen. Diese Schütze werden durch einen Controller mit passender Software elektrisch angesteuert und bei Überschreiten eines Spannungslevels ausgelöst, um sowohl eine Beschädigung des Wechselrichters als auch des Energie¬ speichers zu verhindern. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Speichersystem zum Speichern elektrischer Energie anzugeben, durch das mit einfachen Mitteln sowohl ein Energiespeicher als auch ein Umrichter vor einer Überspannung geschützt werden können. Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand nach den unabhängi¬ gen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren . Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Spei¬ chersystem zum Speichern elektrischer Energie gelöst, mit einem Energiespeicher zum Erzeugen einer Gleichspannung;
einem Umrichter zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung, der über einen Zwischenkreis mit dem Energiespeicher verbunden ist; und einer Diode, die in dem Zwischenkreis parallel zu dem Energiespeicher und dem Umrichter in Sperrrichtung geschaltet ist, zum Begrenzen einer Spannung in dem Zwischenkreis. Dadurch wird der technische Vorteil er¬ reicht, dass durch die Verwendung der in Sperrrichtung betriebenen Diode in Parallelschaltung zwischen Energiespeicher und Umrichter der Zwischenkreis passiv geschützt werden kann. Eine Überwachung der Spannung mit einer Spannungsmessung, steuerbaren Schützen und ein Controller mit Software können entfallen .
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst das Speichersystem eine weitere Diode zum Begrenzen der Spannung in dem Zwischenkreis, die in dem Zwischenkreis parallel zu dem Energiespeicher und dem Umrichter in Sperrrichtung geschaltet ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich die an einer Diode an¬ fallende Leistung im Falle einer Überspannung reduziert und ein redundanter Überspannungsschutz realisiert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems ist die Diode eine Halbleiterdiode mit p-n-Übergang oder eine Schottky-Diode . Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Überspannungen im Zwischen¬ kreis effizient abgeführt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst das Speichersystem einen Widerstand, der in Serie mit der Diode geschaltet ist. Dadurch wird beispiels¬ weise der technische Vorteil erreicht, dass die anfallende die Leistung im Falle einer Überspannung nicht vollständig an der Diode anfällt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems weist der Widerstand eine Größe von 0,1 Ω bis 100 Ω, vorzugsweise 1 Ω bis 10 Ω auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Beschädigung der Diode aufgrund hoher Leistung verhindert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speicher- Systems ist die Diode eine hochstromfähige Diode mit einem zulässigen Durchbruchstrom von größer als 60 A. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass auch Überspannungen mit hohen Strömen kurzgeschlossen werden können, ohne dass die Diode beschädigt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems ist die Diode eine Zener-Diode, eine Avalanche-Diode oder eine Suppressordiode . Dadurch wird beispielsweise eben¬ falls der technische Vorteil erreicht, dass eine effiziente Spannungsstabilisierung erreicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst das Speichersystem weitere Zenerdioden, die in Serie mit der Zenerdiode geschaltet sind. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Durchbruchsspannung erhöht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst das Speichersystem einen Gleichspannungswand- 1er zum Erhöhen der Gleichspannung des Energiespeichers. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spannung des Energiespeichers für den Umrichter er¬ höht werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst die Diode eine Kühlung. Dadurch wird bei¬ spielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Be¬ schädigung der Diode durch Wärme verhindert werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems ist die Kühlung durch einen Kontakt der Diode mit einem Kühlkörper realisiert. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Kühlung mit einem ge¬ ringen Aufwand realisiert werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Speichersystems; und
Fig. 2 eine Kennlinie einer Diode.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Speichersystems 100 zum Spei¬ chern elektrischer Energie. Das Speichersystem 100 umfasst einen Energiespeicher 101 zum Erzeugen einer Gleichspannung, einen Umrichter 103 zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung, der über einen Zwischenkreis 105 mit dem Energiespeicher 101 verbunden ist; und eine Diode 107, die in dem Zwischenkreis 105 parallel zu dem Energiespeicher 101 und dem Umrichter 103 in Sperrrichtung geschaltet ist, zum Begrenzen einer Spannung in dem Zwischenkreis 105. Der Umrichter ist beispielsweise ein Wechselrichter zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung. Dadurch entsteht eine Parallelschaltung der Diode 107 in Sperrrichtung in dem Zwi- schenkreis 105 des Energiespeichers 101 und des Umrichters 107.
Der Energiespeicher 101 kann ein mechanischer, ein elektrischer, elektrochemischer, ein chemischer Energiespeicher oder ein Wärmespeicher sein. Ein mechanischer Energiespeicher ist beispielsweise ein Schwungrad (Flywheel) , ein Pumpspeicher¬ kraftwerk oder ein Druckspeicher. Ein elektrischer oder elektrochemischer Energiespeicher 101 ist beispielsweise ein Su- perkondensator oder eine Batterie. Ein chemischer Energie- Speicher 101 verwendet beispielsweise Wasserstoff, Methan oder Methanol. Demgegenüber verwendet ein Wärmespeicher
Dampf, Warmwasser, PCM-Materialen oder Carbonatschmelzen . Bei einer nicht-elektrischen Speicherung von Energie wird die Gleichspannung mithilfe einer Umwandlungsvorrichtung erzeugt. Wird beispielsweise Energie in der Bewegung eines Schwungrads gespeichert, kann ein Generator verwendet werden, um aus der Bewegungsenergie eine gleichgerichtete Spannung zu erzeugen.
Die Diode 107 im Zwischenkreis 105 kann als p-n dotierter Halbleiterkristallübergang oder als Metall-Halbleiter-Übergang (Schottky-Diode) ausgeführt werden. Die Diode 107 kann auch als Zener-Diode ausgeführt sein. In diesem Fall ist eine Serienschaltung von Zener-Dioden vorteilhaft, um die benötigte Durchbruchsspannung zu erreichen. Der Umrichter 103 ist beispielsweise ein Wechselrichter oder Inverter zum Umrichten des Gleichstroms in einen Wechselstrom mit einer vorgegebenen Frequenz .
Das Speichersystem 100 umfasst eine Kombination aus Diode 107 und Widerstand 109, damit nicht die komplette Leistung an der Diode 107 anfällt. Der eingesetzte Widerstand 109 wird typi¬ scherweise zwischen 1 Ω und 10 Ω dimensioniert. Der Bereich kann auf 0.1 Ω bis 1 Ω als auch zwischen 10 Ω und 100 Ω er¬ weitert werden. Möglich sind auch Widerstände kleiner 0.1 Ω und größer 100 Ω.
Die Diode 107 dient als passiver Überspannungsschutz, um die Spannung im Zwischenkreis zu limitieren. Durch die Verwendung einer in Sperrrichtung betriebenen Diode 107 in Parallelschaltung zwischen Energiespeicher 101 und dem Umrichter 103 kann der Zwischenkreis 105 passiv geschützt werden. Dies stellt einen Überspannungsschutz dar, der bis zum Überschrei- ten der Durchbruchsspannung der Diode 107 gewährleistet ist. Beim Überschreiten der Durchbruchsspannung wird die Diode 107 leitend und fungiert dann als Bypass. Die Spannung im Zwi¬ schenkreis 105 oder Energiespeicher 101 steigen nicht weiter an und der überhöhte Strom fließt durch die Diode 107.
Durch die Diode 107 wird sowohl die Maximalspannung des Speichersystems 100 beschränkt als auch im Betrieb ein Bypass- Strom durch die Diode 107 ermöglicht. Dadurch kann eine Über- wachung der Spannung mittels einer Spannungsmessung, steuerbaren Schützen und einem Controller mit Software entfallen. Daher ist mittels einfacher Bauteile ein passiver Überspannungsschutz des Gesamtsystems gewährleistet, der nicht mit- tels Software überwacht werden muss oder mechanische Kompo¬ nenten beinhaltet.
Fig. 2 zeigt eine Kennlinie der Diode 107, die ab einer ge¬ wissen negativen Spannung einen Spannungsdurchbruch erlaubt. Bis zu diesem Punkt ist die Diode 107 nahezu ohne Stromdurch- fluss. Die Kennlinie der Diode 107 umfasst einen Durchbruch- bereich 205, einen Sperrbereich 203 und einen Durchlassbereich 201. Im Sperrbereich 203 steigt der Strom bis zur
Sperrspannung zunächst langsam an. Im Durchbruchbereich 205 jenseits der Sperrspannung steigt der Strom durch die Diode 107 sprungartig an.
Eine Skalierung für die Anwendung in dem Energiespeichersystem 100 kann je nach Anforderungen und Einsatzgebiet durchge- führt werden. Das Speichersystem 100 umfasst eine Einbindung einer oder mehrerer in Sperrrichtung betriebenen Dioden 107 in den Zwischenkreis 105 eines Energiespeichers 101, der mit einem Umrichter 103 verbunden ist, wie beispielsweise eine Wechselrichter oder AC/DC-Wandler .
Eine hochstromfähige Ausführung der Diode 107 mit einem zu¬ lässigen Strom größer als 60 A ist ebenfalls möglich, so dass der Widerstand 109 ersetzt werden kann. Aufgrund des tran- sienten Verhaltens des Umrichters 103 und der Diode 107 fließt bei Erreichen der Diodendurchbruchspannung nur kurzzeitig Strom, beispielsweise kürzer als ls. In diesem Fall tritt an der Diode 107 nur kurzfristig Leistung auf. Bei län¬ gerer Leistungsaufnahme kann eine Kühlung der Diode 107 vor¬ gesehen sein, beispielsweise über einen an der Diode befes- tigten Kühlkörper. Im Allgemeinen ist ein Einsatz mehrerer Dioden 107 in Serienschaltung möglich, um die anfallende Leistung pro Diode 107 zu reduzieren. Eine Parallelschaltung mehrerer Dioden 107 ist eine weitere Möglichkeit, um die an¬ fallende Leistung pro Diode 107 zu reduzieren.
Die Spannung im Zwischenkreis 105 liegt typischerweise zwi- sehen 500 V und 800 V. Dieser Spannungsbereich kann jedoch beliebig erweitert werden. Vor dem Energiespeicher 101 kann ein Gleichspannungswandler, d.h. ein DC/DC-Steller, eingesetzt werden, um eine erste Spannungserhöhung des Energiespeichers 101 zu realisieren.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht be- schränkt.

Claims

Patentansprüche
1. Speichersystem (100) zum Speichern elektrischer Energie, mit :
einem Energiespeicher (101) zum Erzeugen einer Gleichspannung;
einem Umrichter (103) zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung, der über einen Zwischenkreis (105) mit dem Energiespeicher (101) verbunden ist; und
einer Diode (107), die in dem Zwischenkreis (105) parallel zu dem Energiespeicher (101) und dem Umrichter (103) in Sperrrichtung geschaltet ist, zum Begrenzen einer Spannung in dem Zwischenkreis (105).
2. Speichersystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Speichersystem (100) eine weitere Diode (107) zum Begrenzen der Spannung in dem Zwischenkreis (105) umfasst, die in dem Zwischen¬ kreis (105) parallel zu dem Energiespeicher (101) und dem Um¬ richter (103) in Sperrrichtung geschaltet ist.
3. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diode (107) eine Halbleiterdiode mit p-n- Übergang oder eine Schottky-Diode ist.
4. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Speichersystem (100) einen Widerstand (109) umfasst, der in Serie mit der Diode (107) geschaltet ist.
5. Speichersystem (100) nach Anspruch 4, wobei der Widerstand (109) eine Größe von 0,1 Ω bis 100 Ω, vorzugsweise 1 Ω bis
10 Ω aufweist.
6. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diode (107) eine hochstromfähige Diode mit einem zulässigen Durchbruchstrom von größer als 60 A ist.
7. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diode (107) eine Zener-Diode, eine Avalanche- Diode oder eine Suppressordiode ist.
8. Speichersystem (100) nach Anspruch 7, wobei das Speichersystem (100) weitere Zenerdioden umfasst, die in Serie mit der Zenerdiode (107) geschaltet sind.
9. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprü- che, wobei das Speichersystem (100) einen Gleichspannungs¬ wandler zum Erhöhen der Gleichspannung des Energiespeichers (101) umfasst.
10. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprü- che, wobei die Diode (107) eine Kühlung umfasst.
11. Speichersystem (100) nach Anspruch 10, wobei die Kühlung durch einen Kontakt der Diode (107) mit einem Kühlkörper realisiert ist.
12. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Speichersystem (100) weitere Dioden umfasst, die parallel geschaltet sind.
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