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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Stromversorgungssysteme und insbesondere solche, die eine
gesicherte oder nicht-unterbrechbare Bereitstellung elektrischer
Leistung für
eine oder mehrere kritische Lasten garantieren. Ganz speziell betrifft
die Erfindung solche Stromversorgungssysteme, die von Brennstoffzellen
als elektrische Energiequelle Gebrauch machen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die mit Abstand am weitesten verbreitete Quelle
elektrischer Energie für
eine große
Vielfalt von Lasten wird über
das extensive Stromnetz bereitgestellt, das von verschiedenen Elektro-Energieversorgungsunternehmen
betrieben wird. Die am öffentlichen
Stromnetz abnehmbare elektrische Leistung ist im großen und
ganzen ziemlich zuverlässig,
was die Kontinuität
und das Einhalten fester Normen bezüglich Spannung, Frequenz, Phase
etc. angeht. Von Zeit zu Zeit allerdings kommt es zu Aussetzern und/oder
einer Abweichung von diesen Normen. Sind sie kurz und moderat, so
sind die meisten Lasten für
diese Ereignisse relativ unempfindlich. Andererseits gibt es eine
zunehmende Anzahl von Lasten, die relativ intolerant sogar für kurze
Abweichungen in der von dem öffentlichen
Stromnetz gelieferten Energie sind, wobei das Hauptbeispiel Rechner
und verschiedene Arten von elektronischen Datenverarbeitungssystemen
sind. Auch nur kurze Unterbrechungen in der normierten Bereitstellung
elektrischer Leistung durch das öffentliche
Stromnetz kann Ursache für
eine Störung
des Rechners sein, in einigen Fällen
mit kostspieligen, aber in jedem Fall mit lästigen Konsequenzen.
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Im Zuge der Definition dieser Belange
hat die Computer Business Equipment Manufactures Associations (früher CBEMA,
heute ITI) eine Menge von sogenannten Energie-Akzeptierbarkeitskurven
(Power Acceptability Curves) entwickelt, welche die Normen vorgeben,
oder die zumindest eine Anleitung sind beim Bestimmen der Leistungsnormen,
die einen fortgesetzten Betrieb für solche Arten von Lasten garantieren.
In diesem Zusammenhang wurde eine Norm eingerichtet, welche besagt,
dass ein Rechner einen halben Zyklus oder 8,3 ms Leistungsunterbrechung
tolerieren kann. Die über
die öffentlichen Stromnetze
verfügbare
Leistung ist derzeit nicht in der Lage, dieser Norm auf einer im
wesentlichen kontinuierlichen Grundlage zu entsprechen. Folglich
war und ist es notwendig, Stütz-Energiequellen
bereitzustellen, wenn es wichtig ist, zu garantieren, dass kritische
Lasten eine im wesentlichen kontinuierliche oder ununterbrochene
Quelle für
elektrische Leistung zur Verfügung
haben. Für
die Zwecke der hier vorliegenden Anmeldung kann man eine Energiequelle
mit Unterbrechungen oder Sprüngen
mit einer Dauer von nicht mehr als 8,3 ms als "nahtlos", "im
wesentlichen kontinuierlich" oder "im wesentlichen ununterbrochen" bezeichnen.
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In 1 ist
eine existierende Form einer nicht-unterbrechbaren Energiequelle
dargestellt, und zwar ein sogenannter "On-Line"- oder "Doppeltumwandlungs" -Typ, eingesetzt zum Versorgen einer
kritischen Last in solchen Augenblicken, in denen die öffentliche
Stromnetzversorgung unterbrochen ist oder sich außerhalb
spezifizierter Grenzen bewegt. Die Energiequelle in Form des öffentlichen
Stromnetzes liefert normalerweise über einen Leiter 110,
wobei die Energie über
normalerweise geschlossene Kontakte eines dreipoligen Transferschalters 112 an einen
Gleichrichter 120 gelangt, welcher die kritischen Lasten 114 über einen
Wechselrichter 122 speist. Um allerdings während solcher
Intervalle, in denen das öffentliche
Stromnetz sich nicht innerhalb der spezifizierten Grenzen bewegt,
eine fortgesetzte Leistung bereitzustellen, ist eine Stützbatterie 116 vorhanden,
die Sofortleistung mit begrenzter Dauer liefert, und anschließend wird
ein elektrischer Notgenerator 118 an den anderen Kontakt
des Transferschalters 112 gelegt, um mit einer längerfristigen
Zwischenversorgung einzuspringen. Um den Einsatz der Batterie 116 in
einem System zu ermöglichen,
welches für
die Lasten 114 von Wechselleistung Ge brauch macht, muss
man den Gleichrichter 120 bereitstellen, um die Batterie 116 aufzuladen,
außerdem
den Wechselrichter 122 zum Umwandeln der von der Batterie
kommenden Gleichleistung in die von den Lasten benötigte Wechselleistung.
Zwischen dem Transferschalter 112 und den Lasten 114 befindet
sich ein Hochgeschwindigkeitsschalter 124, der als Nebenanschluss-Schalter arbeitet,
um vorübergehend
Leistung bereitzustellen, wenn der Wechselrichter 122 oder
der Gleichrichter 120 gewartet werden muss. Weil das Stromnetz
und die Lasten normalerweise nicht direkt miteinander verbunden
sind, sondern vielmehr die Energie für die Lasten über ein Paar
Wandler mit Hilfe einer UPS-Stützbatterie
fließen
muss, wird dieser Typ von UPS als "In-Line-" oder "Doppeltumwandlungs-"Typ bezeichnet. Obschon
diese Anordnung effektiv ist, erfordert sie eine reihe kostspieliger
Komponenten, die nur während derjenigen
Zeitabschnitte in Betrieb sind, in denen die Leistung aus dem öffentlichen
Stromnetz nicht zufriedenstellend ist.
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Eine weitere Ausgestaltung eines
Energiesystems zur Bereitstellung von im wesentlichen nicht-unterbrochener
Energie für
kritische Lasten ist beschrieben in der PCT-Anmeldung US 99/10833
für ein "Power System", veröffentlicht
am 25. November 1999 als WO 99/60687. Bezugnehmend auf 2 der vorliegenden Anmeldung
sind dort in sehr vereinfachter und verallgemeinerter Form die relevanten Teile
jener Erfindung, die in der PCT-Anmeldung beschrieben ist, veranschaulicht,
wobei die Elemente derart nummeriert sind, dass ihre letzten beiden
Ziffern die gleichen sind wie ihre funktionellen Entsprechungen
in 1. Die kritischen
Lasten 214 empfangen im wesentlichen ununterbrochene Leistung
von einem Motor-Generator 230 in einem Modul 231 eines
nicht-unterbrechbaren Energiesystems, wobei das Modul auch Transferschalter,
Gleichrichter und Wechselrichter enthält. Es sind mehrere alternative elektrische
Energiequellen vorhanden, um die kontinuierliche Energieversorgung
des Motor-Generators 230 zu maximieren. Eine derartige
Energiequelle kann das öffentliche
Stromnetz 210 sein. Eine weitere Quelle kann ein Brennstoffzellen-Generator-Kraftwerk 218 sein.
Die Transfer-Schaltanordnung 212 ermöglicht entweder dem öffentlichen
Stromnetz 210 oder der Brennstoffzelle 218, normalerweise
die Energie zum Antreiben des Motor-Generators 230 bereitzustellen.
Dieser Typ von nicht-unterbrechbarer Energiequelle ist eben falls
vom Typ "On-Line" oder "Doppeltumwandlung", da das Stromnetz
nicht direkt mit den Lasten 214 verbunden, sondern vielmehr über den
Gleichrichter und den Wechselrichter und das Schwungrad und/oder
Brennstoffzellen wirksam ist, um den Motor-Generator 230 mit
Energie zu versorgen, welcher seinerseits ununterbrochen Energie liefert.
Tatsächlich
ist die Brennstoffzelle 218 derart konfiguriert, dass sie
in einen Netzanschluss-Modus (G/C) in Verbindung mit dem öffentlichen
Stromnetz 210 aus Gründen
der Systemwirtschaftlichkeit arbeitet, so dass im Netzanschluss-Modus
sowohl das Stromnetz als auch die Brennstoffzellen-Quelle die "Netz-"Anschlüsse des
Transferschalters speisen. Im Fall einer Störung des Stromnetzes 210 soll
die Brennstoffzelle 218 als kontinuierliche Energiequelle für den Motor-Generator 210 dienen.
In einem derartigen Fall allerdings muss die Brennstoffzelle 210 umkonfiguriert
werden von einem "Netzanschluss"-(G/C)-Modus des
Betriebs in einen "Netzunabhängigkeits-"(G/I)-Modus. Der
Leistungskonditioniersystem-Teil
(PCS-Teil) der Brennstoffzelle 218 enthält zugehörige Wechselrichter, Schalttransistoren
und Leistungsschalter (nicht dargestellt), die Einfluss auf die
Umwandlung von Gleichleistung in Wechselleistung haben und die grundlegenden
Betriebsarten G/C und G/I des Brennstoffzellenbetriebs beherrschen.
Jener Betriebsarten-Übergang
(von G/C auf G/I) hat typischerweise erforderlich gemacht, dass
die Brennstoffzelle 218 und der Transferschalter 212 die
Leistungsbereitstellung für
bis zu 5 Sekunden unterbrechen. Eine solche Unterbrechung ist nicht "nahtlos" und wäre für kritische
Rechner-Lasten 214 eine nicht hinnehmbare Dauer. Folglich
liefert eine Stütz-Schwungrad-Energiequelle 216 sofortige Energie
begrenzter Dauer (ähnlich
wie die Batteriequelle 116 in 1) an den Motor-Generator 230,
zumindest während
derartiger Betriebsart-Umschaltungen. Die Stütz-Energiequelle 216 ist
ein Schwungrad 236, welches einen Bidirektional-Wandler
(Wechselstrom/Gleichstrom) 238 treibt. Der Wandler 238 hält das Schwungrad
im Normalbetrieb am Laufen und entlädt das Schwungrad 236 während des
Stützbetriebs.
Die verschiedenen Transferschalter, die in der Transferschalt-Anordnung 212 und
in dem nicht-unterbrechbaren
Energiesystem-Modul 261 verwendet werden, können elektromechanisch,
statisch oder eine Kombination daraus sein, sie dienen zum Bewirken
der verschiedenen Leistungsschaltfunktionen.
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Während
das Energiesystem gemäß der oben
erwähnten
PCT-Anmeldung möglicherweise
für eine
im wesentlichen ununterbrochene Energiequelle für verschiedene kritische Lasten
sorgen kann und möglicherweise
auch in vorteilhafter Weise Gebrauch von Brennstoffzellen als eine
der Hauptenergiequellen macht, erfordert es dennoch den Einsatz
von beträchtlichen
zusätzlichen
Anlagenteilen, die komplex und kostspielig sind. Der getrennte Motor-Generator 230 und
die Stütz-Energiequelle 216,
die die Kombination aus Schwungrad 236 und Wandler 238 enthält, stellen
beispielsweise notwendige, aber teuere Komponenten dar, mit deren
Hilfe das angestrebte und erforderliche Maß an Energie-Kontinuität garantiert
wird.
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Ein weiterer UPS-Typ ist der sogenannte "Bereitschafts"- oder "Standby"-Typ, bei dem das Stromnetz
direkt mit den Lasten verbunden ist und das Bereitschafts-UPS im
Leerlauf verharrt, auch wenn es an die Lasten angeschlossen ist,
solange ein Schalter das Stromnetz von den Lasten trennt. Ein Beispiel
für ein
derartiges System findet sich in dem US-Patent 6,011,324. Die Brennstoffzelle
und die dazugehörigen
Wechselrichter sind normalerweise an die Lasten angeschlossen, arbeiten
jedoch in einem Leerlauf-Bereitschaftsmodus, während das Stromnetz Energie
direkt in die Lasten einspeist. Hat das Stromnetz eine Störung, so
wird die Brennstoffzelle rasch auf volle Ausgangsleistung gefahren,
und ein Festkörper-Schalter
schaltet das Stromnetz ab. Auch hier wird eine Reihe kostspieliger
Komponenten nur während
der Intervalle eingesetzt, in denen die vom öffentlichen Stromnetz gelieferte
Energie nicht zufriedenstellend ist. Die vorliegende Erfindung kann
ein Energiesystem schaffen, welches eine im wesentlichen ununterbrochene
(nahtlose) Quelle für elektrische
Leistung für
kritische Lasten ist, und dies in relativ wirtschaftlicher Weise.
Sie kann außerdem ein
Energiesystem schaffen, in welchem ein oder mehrere Brennstoffzellen-Kraftwerke
dazu benutzt werden, für
die Lasten eine im wesentlichen kontinuierliche Energieversorgung
bereitzustellen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird ein relativ wirtschaftliches
und zuverlässiges
Energiesystem geschaffen, das im wesentlichen ununterbrochene elektrische Energie an
eine oder an mehrere kritische Lasten liefert. Eine erste Energiequelle,
beispielsweise das öffentliche
Stromnetz, stellt ausreichend Energie zum Speisen der kritischen
Lasten bereit. Eine zweite Energiequelle, die mindestens eine, typischerweise aber
mehrere Brennstoffzellen-Kraftwerke umfasst, stellt ausreichend
Energie zum Speisen von mindestens einer der kritischen Lasten bereit.
Das Brennstoffzellen-Kraftwerk oder die Brennstoffzellen-Kraftwerke
ist/sind dazu ausgebildet, im wesentlichen kontinuierlich an die
kritischen Lasten angeschlossen zu werden, und sie liefern im wesentlichen
kontinuierlich signifikante Energie an zumindest die kritischen Lasten.
Ein statischer Schalter arbeitet so, dass er rasch und nahtlos das öffentliche
Stromnetz mit der kritischen Last oder den kritischen Lasten und
dem oder den Brennstoffzellen-Kraftwerken
verbindet und trennt, um für
eine wirtschaftliche und kontinuierliche Benutzung des oder der
Brennstofzellen-Kraftwerke zu sorgen. Eine signifikante Wirtschaftlichkeit
läßt sich
dadurch realisieren, dass das oder die im wesentlichen kontinuierlich
arbeitenden Brennstoffzellen im wesentlichen kontinuierlich mit
der Last verbunden sind, üblicherweise
auch mit dem öffentlichen
Stromnetz. Auf diese Weise können
die Brennstoffzellen kontinuierlich ihre Nennleistung liefern, wobei
der erforderliche Anteil an die kritischen Lasten geht und mögliche Überschüsse an nicht-kritische Lasten
und/oder das Stromnetz gehen. Der statische Schalter kann einen
oder mehrere gesteuerte Siliziumgleichrichter (SCRs) oder Thyristoren
umfassen. Die Steuerung des Festkörperschalters arbeitet so, dass
der statische Schalter in 4 ns oder weniger rasch geschaltet wird,
um für
einen nahtlosen Transfer zwischen den ersten und den zweiten Energiequellen
zu sorgen. Diese Schaltgeschwindigkeit ist wesentlich höher, als
sie bei der herkömmlichen Netzkommutierung
von Thyristoren erreicht wird. Weitere Steuerelektronik sorgt für Hochgeschwindigkeits-Übergänge (in weniger als 4 ns) während der Betriebsphasen
der Wechselrichter des Leistungskonditioniersystems (PCS – Power
Conditioning System), die zu jedem der Brennstoffzellen-Kraftwerke gehören. Hierdurch
wird garantiert, dass die Betriebsart-Übergänge der Brennstoffzelle, bisher üblicherweise
langsam verlaufend, mit einer Geschwindigkeit von statten gehen,
die mit derjenigen des statischen Schalters zur Schaffung eines
im wesentlichen nahtlosen Energietransfers von und zwischen der
ersten und der zweiten Energiequelle vergleichbar ist. Dies ermöglicht einen
kontinuierlichen produktiven Betrieb der Brennstoffzellen-Kraftwerke.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm eines Typs einer
nicht-unterbrechbaren Energieversorgung gemäß dem Stand der Technik;
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2 ist
ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm einer nicht-unterbrechbaren
Energieversorgung unter Verwendung von Brennstoffzellen-Kraftwerken
gemäß Stand
der Technik;
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3 ist
ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm eines Energiesystems
unter Verwendung eines Brennstoffzellen-Kraftwerks, eines statischen
Schalters und einer Betriebssteuerung gemäß der Erfindung;
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4 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das den statischen Schalter in
größerer Einzelheit veranschaulicht;
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5 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das die Betriebssteuerung in größerer Einzelheit
darstellt; und
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6 ist
eine Tabelle der Betriebsart-Zustände der Brennstoffzelle/Brennstoffzellen
in Verbindung mit Betriebsart-Steuersignalen.
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BESTER WEG ZUM AUSFÜHREN DER
ERFINDUNG
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen,
zeigen 1 und 2 frühere Typen von ununterbrochenen Energiesystemen,
wie sie eingangs im Kapitel TECHNISCHER HINTERGRUND erläutert wurden.
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Bezugnehmend auf 3 ist dort ein vereinfachtes schematisches
Blockdiagramm eines Energiesystems 8 gemäß der Erfindung
dargestellt. Das Ener giesystem 8 ist mit dem öffentlichen
Stromnetz-Bus 10 verbunden und macht Gebrauch von einer
oder mehreren Brennstoffzellen-Kraftwerken 18 an einem
Einsatzort, um im wesentlichen kontinuierlich Drehstrom an und durch
Lastkontraktoren (nicht dargestellt) an eine oder mehrere Lasten 14,
die sich üblicherweise
ebenfalls am Einsatzort befinden, zu liefern. Aus Gründen der
Vereinfachung wird hier von einem "Einleiter"-Diagramm oder einer Darstellung Gebrauch
gemacht, um die Drehstromleitungen ebenso wie die darin enthaltenen
Schalter etc. darzustellen. Das Stromnetz 10, die Brennstoffzellen-Kraftwerke 18 und
die Last oder Lasten 14 sind über ein Einsatzort-Verwaltungssystem
(SMS) untereinander verbunden und werden von ihm gesteuert, wobei
das System allgemein durch den gestrichelten Block oder die Gruppe 11 dargestellt
ist. Die Lasten) 14 beinhalten typischerweise eine Reihe
individueller Kunden- oder Verbraucherlasten, von denen zumindest
einige eine im wesentlichen kontinuierliche Energiequelle erfordern,
demnach als "kritische
Lasten" einzustufen
sind. Die kritischen Lasten 14 sind typischerweise Computer,
Steuergeräte,
unter Verwendung von Computern und/oder elektronische Datenverarbeitungsanlagen.
Zur Vereinfachung der Darstellung und zur visuellen Unterscheidung
sind diejenigen Abschnitte der schematischen Darstellung, welche
die relativ höhere
Spannung/Strom/Leistung an die Last oder Lasten 14 führen, im
Gegensatz zu den Niederspannungs-Steuerteilen des Systems 8 dick
ausgezogen dargestellt.
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Der Stromnetz-Bus 10 liefert
normalerweise eine Spannung von 480 VAC bei
60 Hz, ebenso wie die Brennstoffzellen-Kraftwerke 18 über die
Leitung oder den Bus 15. Eine allgemein mit 12 bezeichnete Schaltvorrichtung
dient zum Verbinden der Brennstoffzelle(n) 18, der Lasten) 14 und
des öffentlichen Stromnetzes 10.
Auf diese Weise stehen die Brennstoffzellen 18 zur Bereitstellung
elektrischer Leistung auf Vollzeitbasis für die Lasten 14 und/oder
das Stromnetz 10 zur Verfügung und werden damit verbunden,
was für
einen wirtschaftlichen Einsatz der Brennstoffzellen sorgt. Die Schaltvorrichtung 12 enthält ein statisches
Schaltmodul 17 zum selektiven Verbinden und Trennen des
Stromnetz-Busses 10 mit
und von den Lasten 14 und mit und von den Brennstoffzellen 18,
wie weiter unten beschrieben wird. Das statische Schaltmodul 17 enthält einen dreipoligen,
elektrisch betätigten
statischen Schalter 19, der für 2000 Ampere ausgelegt ist
und in der Lage ist, einen nahtlosen Schalttransfer von Leistung innerhalb
1/4 Periodendauer (etwa 4 ms) vorzunehmen. Die Schaltvorrichtung 12 enthält weiterhin
mehrere Zwischenverbindungs-Leistungsschalter 21, 21A, 23 und 23A und
einen Trennschalter 25 zum weiteren selektiven Verbinden
und Trennen der Brennstoffzellen 18, der Lasten 14,
des Stromnetz-Busses 10 und des statischen Schaltmodul 17 miteinander
bzw. voneinander, vornehmlich zum Abtrennen des statischen Schalters 19,
um die Lasten) 14 zu bedienen und kontinuierlich mit Leistung
zu versorgen. Ein Nebenzweck besteht darin, dass starke Fehlerströme durch
den Leistungsschalter 23A anstatt durch den statischen
Schalter 19 fließen
können,
sollte eine solche Störung
in der Last 14 auftreten.
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Die Brennstoffzelle(n) 18 kann/können ein Einzelkraftwerk
sein oder können
mehrere("n") Kraftwerke bilden,
verschaltet zur Bereitstellung von Energie für die Lasten 14 und/oder
das öffentliche
Stromnetz 10. Bei einer beispielhaften Ausführungsform gibt
es fünf
Brennstoffzellen-Kraftwerke 18, jeweils ausgelegt als ONSI
PC25®C-Kraftwerk
mit einer Leistung von 200 KW zur gemeinsamen Bereitstellung von
1 Megawatt Leistung. Zusätzlich
zu einem Brennstoffprozessor und dem Brennstoffzellenstapel selbst
enthält
jedes Kraftwerk 18 außerdem
ein Leistungskonditioniersystem (PCS), welches einen Festkörper-Wechselrichter enthält, der
die Gleichleistung in Wechselleistung mit einer gewünschten
Spannung und einer gewünschten
Frequenz umwandelt. Die Steuerung des und durch das PCS ermöglicht außerdem die Änderung
der Betriebsart des Brennstoffzellen-Kraftwerks 18 von
G/C in G/I und umgekehrt, wie es weiter unten näher erläutert wird. Bei Einsatz im G/C-Modus
ist die von dem PCS gesteuerte Variable gelieferte Leistung (sowohl
real als auch reaktiv). Bei Einsatz im G/I-Modus sind die gesteuerten
Variablen Ausgangsspannung und Frequenz sowie, falls mehrere Kraftwerke 18 beteiligt
sind, die Phase. Die Ausgangsspannung eines Drehstromsystems wird
natürlich
so gesteuert, dass zwischen den Phasen ein Phasenwinkel von 120° besteht.
Die Ausgangsgrößen mehrerer
Brennstoffzellen-Kraftwerke 18 werden von einem Bus 15 zusammengefasst,
der über einen
Dreieck-Stern-Transformator 27 und einen Bus 15' an das Schaltgerät 12 angeschlossen
ist. Der Umformer 27 bildet ein separat ausgebildetes Neutral-/Masse-System
für die
Last 14 und bildet außerdem eine
Trennung zwischen dem Brennstoffzellen-PCS und der Last 14 und/oder
dem Stromnetz-Bus 10.
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Eine Einsatzort-Überwachungssteuerung (SSC;
Site Supervisory Control) 29 bildet die Bedienungsschnittstelle
für das
System 8 und kann verantwortlich sein für die Steuerung des Systems
auf hohem Niveau. Die SSC 29 ermöglicht der Bedienungsperson
das Absetzen von abstrakten Befehlen wie "Start", "Stop" und dergleichen.
Die SSC 29 kann eine oder mehrere programmierbare Logiksteuerungen,
Datenprozessoren, Computer, Sensoren, etc. enthalten, um die Steuerung
der verschiedenen Komponenten und Funktionen des Systems 8 vorzunehmen.
Eine Bedienkonsole 32 enthält eine Anzeige- und eine Eingabemöglichkeit
für die
SSC 29, die eine begrenzte Steuerung des Schaltgeräts 12 vornehmen
kann, beispielsweise über
eine Verbindung 52, wenngleich die grundlegende Steuerung
des Schaltgeräts
automatisch durch den statischen Schalter 19 erfolgt.
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Außerdem gibt es eine Einsatzort-Verwaltungssteuerung
(SMC) 31 zur Schaffung einer Direktsteuerung der PCSs der
Brennstoffzellen 18 abhängig
von Signalen seitens des statischen Schaltmoduls 17 sowie
des im folgenden beschriebenen Netzspannungs-Referenzsignals 10'. Die SMC 31 kann außerdem aus
Rechnern und dazugehörigen
Sensoren und Steuerschaltungsteilen bestehen. Die SMC 31 läßt sich
als Bestandteil des SMS 11 ansehen. Der Steuerbus 33 tauscht
Steuersignale zwischen der SMC 31 und den Brennstoffzellen 18 des
PCSs aus. Steuersignale können
auch zwischen der SSC 29 und den Brennstoffzellen 18 über den
Steuerbus 35 ausgetauscht werden, hier durch gestrichelte
Linien angedeutet. Steuersignale werden zwischen der SMC 31 und
dem statischen Schaltmodul 17 über den Steuerbus 40 ausgetauscht.
Ein Spannungs- oder Potentialumformer 37 erfühlt die
480 V Wechselspannung betragende Netzspannung und übermittelt
den heruntergesetzten 120 V betragenden Wechselspannungswert über den
Bus 10' an
die SMC 31 und das statische Schaltmodul 17, um
Steuersignale bereitzustellen, die kennzeichnend sind für die Netzspannung,
die Phase und die Frequenz. Die dargestellte Lage und Größe des Umformers
oder der Umformer 37 ist eher symbolisch gedacht, es versteht
sich, dass diese Umformer alternativ als Teil der Steuerschaltung oder
des Steuermoduls ausgebildet sein können, für die das Steuersignal bereitgestellt wird.
Ein Stromwandler 41 fühlt
den Laststrom in einem Leistungsbusweg 39, der an die Lasten 14 angeschlossen
ist, und übermittelt
den Wert über
den Bus 43 an das statische Schaltmodul 17. In ähnlicher Weise
fühlt ein
Stromwandler 42 den Netzstrom und übermittelt den Wert über den
Bus 44 an das statische Schaltmodul 17, und ein
Spannungsumformer 46 fühlt
die Lastspannung und überträgt den Wert über den
Bus 48 zu dem statischen Schaltmodul 48.
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Rückkehrend
zur weiteren Betrachtung des Schaltgeräts 12 ist der Leistungsbus 15', der von den Brennstoffzellen 18 kommt, über den
Leistungsschalter 18 an einen Pol des statischen Schalters 19 angeschlossen.
Der Leistungsbusweg 39 erstreckt sich von jenem Pol des
Leistungsschalters 19 durch den normalerweise geschlossenen
Trennschalter 25 zu den Lasten 14. Der Netz-Leistungsbus 10 ist
zu dem anderen Pol des statischen Schalters 19 über den Leistungsschalter 23 geführt. Die
Leistungsschalter 21 und 22 sollen während des
Normalbetriebs geschlossen sein, so dass Leistung von den Brennstoffzellen 18 und/oder
dem Stromnetz 10 zu den Lasten 14 geleitet werden
kann, wobei angenommen wird, dass der statische Schalter 19 geschlossen
ist. In ähnlicher
Weise kann unter der Annahme, dass die Leistung, die von den Brennstoffzellen 18 den
kritischen Lasten 14 zugeleitet wird, geringer ist als
die gesamte Ausgangsleistung der Zellen, die überschüssige Leistung von den Brennstoffzellen 18 über den
statischen Schalter 19 in das Stromnetz eingespeist werden,
oder zumindest in (nicht dargestellte) nicht-kritische Lasten von
Kunden, die sich auf der Netzseite des statischen Schalters 19 befinden.
Tatsächlich
ist es dieser bevorzugte ökonomische
Betriebsmodus, der den Einsatz der Brennstoffzellen 18 maximiert
und den Bedarf und die Kosten der Energie von dem Stromnetz 10 minimiert.
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Ein Nebenschluss-Leistungsschalter 21A, der
von den Leistungsbus 15' zu
dem Leistungsbusweg 39 zwischen den Lasten 14 und
dem Trennschalter 25 führt
und normalerweise offen ist, dient im geschlossenen Zustand zur
Umgehung des Leistungsschalters 21 mit dem Zweck der Aufrechterhaltung
oder Trennung. In ähnlicher
Weise dient ein Nebenschluss-Leistungsschalter 23A, der
von dem Stromnetz-Bus 10 zu dem Leistungsbusweg 39 zwischen
den Lasten 14 und dem Trennschalter 25 führt und
normalerweise geöffnet
ist, im geschlossenen Zustand zur Umgehung des Leistungsschalters 23 und
des statischen Schalters 19, um Netzleistung in die Lasten 14 einzuspeisen,
falls der statische Schalter ausfällt oder bei der Wartung oder
während
eines ausreichend großen
Lastfehlers, demzufolge die Nennwerte des statischen Schalters überschritten werden.
Die Leistungsschalter 21, 23 und 23A werden
elektrisch betätigt
und automatisch gesteuert von dem statischen Schalter 19,
um Transfers in fünf oder
sechs Zyklen vorzunehmen, beispielsweise etwa 80 – 100 ms.
Der Leistungsschalter 21A und der Trennschalter 25 funktionieren
manuell. Die Schalter 21, 23 und 23A lassen
sich jedenfalls über
die SSC 29 von Hand steuern. Jeder der Schalter 21, 21A, 23, 23A und 25 besitzt
eine Nennstromstärke
von 2000 Ampere, die Leistungsschalter besitzen eine Fehlerunterbrechungs-Nennleistung
von 65 kaic. Die allgemeine Kommunikationsverbindung 52,
dargestellt durch eine gestrichelte Linie zwischen dem Schaltgerät 12 und
der SSC 29, dient zum Übermitteln
passender Status- und Handsteuersignale zwischen den Teilen für den statischen
Schalter 19 und die mehreren Leistungsschalter 21, 23, 23A etc.
Die zu dem statischen Schaltmodul 17 gehörige Steuerlogik 49, insbesondere
deren Schaltgerät-Steuerlogikteil 49B, dient
zum Steuern der mehreren Leistungsschalter und Schalter 21, 21A, 23 und 23A,
wie durch die gestrichelten Steuersignalwege 21', 21A', 23', 23A' an den Teilen
dargestellt ist. Die Steuerlogik 29 besteht im allgemeinen
aus einem Hochgeschwindigkeits-Logikteil 49A zum raschen
Steuern des statischen Schalters 19, und einem relativ
langsamen Teil 49B zum Steuern der übrigen Teile des Schaltgeräts 12.
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Weiterhin auf 4 bezugnehmend, ist dort das statische
Schaltmodul 17 in größerer Einzelheit dargestellt.
Obschon der statische Schalter 19 tatsächlich drei Paare von SCRs
(Thyristoren) umfasst, wird jedes Paar in Anti-Parallelschaltung
zum Leiten in der einen oder anderen Richtung mit den zugehörigen Steuergattern
19G freigegeben, in dieser Ansicht ist jedoch nur einer von diesen
SCRs dargestellt. Die drei Paare von SCRs sind jeweils einer der drei
Phasen der Stromversorgung zugeordnet. Normalerweise sind die Steuergatter
19G gemeinsam verschaltet und werden im Einklang gesteuert. Leistung
auf dem Stromnetz-Bus 10 und/oder Leistung auf dem Brennstoffzellen-Bus 15/15' kann dann durch
die SCRs 19 fließen,
wenn die Steuergatter 19G freigegeben oder geöffnet sind,
so dass die eine oder die andere Quelle die Lasten 14 speisen
kann.
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Der Normalmodus ist der G/C-Modus,
bei dem das öffentliche
Stromnetz 10 und die Brennstoffzellen 18 verbunden
sind. Das Modul 17 enthält
eine Schaltung 45, die feststellt, wann die Energieversorgung über den
Stromnetz-Bus 10 außerhalb
der Norm, d.h. außerhalb
der Grenzen, liegt. Typischerweise beinhalten diese Grenzen einen
Spannungs- und einen Strombereich in Bezug auf die Norm- oder Nennwerte,
wobei die Fühlschaltung 45 ein
Signal über
die Leitung 47 an die Steuerlogik 49 und an die Steuerlogik 49A des
statischen Schalters der Steuerlogik 49 liefert, um zu
signalisieren, wann das Stromnetz sich außerhalb seiner Grenzwerte bewegt.
Die Fühl-
oder Detektorschaltung 45 arbeitet schnell und liefert
eine Antwort in etwa 2 ms. Wenngleich nicht dargestellt, kann ein
getrennter, schnell wirkender Frequenzdetektor die Netzfrequenz überwachen
und ein Signal "in
Grenzen" oder "außerhalb
der Grenzen" an
die Steuerlogik 49A des statischen Schalters liefern. Stromnetzsignalwerte "außerhalb
der Grenzen" beinhalten
z.B.: a) Gitterspannungs-Augenblicksamplituden auf irgendeiner Phase
außerhalb des
Bereichs von 480 V + 8 % bis –15
%; b) momentane Überströme in irgendeiner
Phase von mehr als 2000 Ampere; c) Frequenzabweichungen von dem 60
Hz betragenden Nennwert für
mehr als 0,5 Sekunden; und weitere. Die Steuerlogik 49A arbeitet
ansprechend darauf, dass das Netz die Grenzwerte verläßt, um ein
Signal an die SCR-Gatter 19G zu geben und sie zu sperren. Die SCRs 19 sperren
schnell und trennen dadurch den Stromnetz-Bus 10 von den
Lasten 14 und den Brennstoffzellen 18. Ein Stromsensor 42' fühlt den
Stromfluss durch die SCRs und liefert eine Angabe an die Steuerlogik 49A über das
Auftreten eines Null betragenden Stroms durch die SCRs. Diese Information
wird von der Steuerlogik 49A dazu genutzt, die SCR-Umschaltung
zu beschleunigen. Dieser gesamte Vorgang dauert typischerweise etwa 1/4
Zyklus (4 ms), was einen nahtlosen Transfer von Energiequellen
seitens des Stromnetzes 10 und der Brennstoffzellen 18 hin
zu ausschließlich
den Brennstoffzellen 18 erleichtert, wobei die Brennstoffzellen sich
rasch neu konfigurieren, wie weiter unten erläutert wird. Es ist dies we sentlich
schneller als die 8 ms oder mehr betragende Zeit, die zum Umschalten
eines SCRs unter Verwendung einer herkömmlichen Leitungsumschaltung
erforderlich sind.
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Die Steuerlogik 49B macht
auch Gebrauch von Spannungs- und Stromfühlern 37, 41, 42 und 46, um
die Schaltgerät-Bauelemente 21, 23 und 23A unter
verschiedenen Grenzüberschreitungs-
oder Störungsbedingungen
für das
Netz, die Last und die Brennstoffzelle zu betreiben. Wenn z.B. ein Last-Überstromzustand
existiert, so dass der Strom-Nennwert für den statischen Schalter 19 überschritten
werden kann, wird der Schalter 23A geschlossen, um den
Fehlerstrom unter Umgehung des statischen Schalters in die Last 14 einzuspeisen.
Ein weiteres Beispiel: Ein Brennstoffzellenausfall kann indirekt
dadurch nachgewiesen werden, dass man eine geringe Lastspannung
erkennt und möglicherweise
einen starken Netzstrom ohne Last-Überstrom. In diesem Fall wird
der Schalter 21 geöffnet, um
die ausgefallene Brennstoffzelle von der Last 14 zu trennen.
Die Steuerlogik 49A liefert außerdem über die Leitung 401 ein
M1-Modussignal und über die
Leitung 402 ein M2-Modussignal. Für die manuelle Steuerung von
der SSC 29 wird von der Steuerlogik 49 über die
Leistung 403 ein G/I-Statussignal gegeben und über die
Leitung 404 ein SW19-Freigabesignal empfangen. Die Signale 401 und 402 sind
Teil des Steuersignal-Busses 40, und die Signale auf den Leitungen 403 und 404 können über die
Nachrichtenverbindungsleitung 52 übertragen werden. Wenn die Sensorschaltung 45 fühlt, dass
das Stromnetz sich außerhalb
der Grenzen bewegt, bewegt es dass das M2-Modussignal auf der Leitung 402 einen Übergang vom
Zustand "Aus" in den Zustand "Ein" vollzieht, um Bedarf
an einer Modusänderung
zu signalisieren und diese einzuleiten. In ähnlicher Weise, jedoch etwas verzögert, macht,
wenn der statische Schalter 19 tatsächlich ansprechend auf das
Erfassen von Grenzüberschreitungen
im Netz geöffnet
hat, das M1-Modussignal auf der Leitung 401 einen Übergang
vom Zustand "Aus" in den Zustand "Ein", um eine Beendigung
der Modusänderung
zu signalisieren. Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn die Sensorschaltung
feststellt, dass die Netz-Energieversorgung in akzeptierbare Grenzen
zurückgekehrt
ist, wobei wiederum das M2-Signal dem M1-Signal vorausgeht.
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Bezugnehmend auf 5, sind dort ein wichtiger Teil der SMC 31 und
deren Steuerung der Brennstoffzelle 18 des PCSs in größerer Einzelheit dargestellt,
wenngleich zu sehen ist, dass die SMC zusätzliche Steuerfunktionen erfüllt wie
z.B. die Lastverteilung und dergleichen, was nicht dargestellt ist. Wie
oben erläutert,
ist der Potentialumformer 37, hier alternativ als separater
Umformer 37' dargestellt,
als Bestandteil in die SMC 31 eingebaut. Die Signale M1 und
M2 von dem statischen Schaltmodul 17 werden in eine Schnittstellenschaltung 51 eingegeben,
die jedes dieser Signale so konditioniert, dass man diskrete D1
und D2 auf den Leitungen 401' und 402' erhält, die
an die PCS-Teile jedes der mehreren Brennstoffzellen-Kraftwerke 18 zum
Steuern der Gatter und zur Ablaufsteuerung der (nicht gezeigten)
Negatoren während
der Modusänderungen
verbunden sind.
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Die Synchronisation der Brennstoffzellen-Kraftwerke 18 entweder
im G/C- oder im
G/I-Modus erfolgt durch ein Signal "Sync" auf
der Leitung 53. Das Sync-Signal wird über eine Phasenregelschleife 55 bereitgestellt,
die über
einen Schalter 57 alternativ Eingangssignale von entweder
einem Null-Durchgangsdetektor 59,
der an den herunter transformierten Stromnetz-Bus 10' angeschlossen ist,
oder von einer internen Frequenzquelle, beispielsweise einem Kristall 61 empfängt. Ein "Netzausfall"-Detektor 63, ähnlich der
Schaltung 45, ist an den herunter transformierten Stromnetz-Bus 10' angeschlossen
und liefert ein Steuersignal, welches den dreipoligen Schalter 67 abhängig davon
betätigt, ob
sich die Netzleistung innerhalb der Grenzen befindet oder nicht.
Die Schnittstellenschaltung 51 spricht außerdem auf
die M1- und M2-Modussignale
an, um ein dem Schalter 57 zugeleitetes Signal zum Umschalten
des Schalters als Funktion des jeweiligen Modus bereitzustellen.
Man sieht, dass der Detektor 63 weggelassen werden könnte und
das Ausgangssignal der Detektorschaltung 45 von dem Modul 17 stattdessen
zur Steuerung der M1- und
M2-Modussignale verwendet werden könnte, angelegt an die Schnittstellenschaltung 51,
die ihrerseits den Schalter 57 steuert. Der Schalter ist
im normalen G/C-Modus dargestellt, in welchem das an das PCS der Brennstoffzellen 18 gelieferte
Synchronisationssignal das Gebrauchssignal ist, so dass die Frequenz
und die Phase der Ausgangsgrößen der
Brennstoffzellen-Wechselrichter
so geregelt werden, dass sie bleiben, wie sie sind.
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Wenn das System 8 im G/I-Modus
arbeitet, bestimmen sich Frequenz und Phase der Ausgangssignale
der Brennstoffzellen 18 durch den Kristall 61. Wenn
die Stromnetz-Energiequelle wieder in die Grenzen zurückkehrt
und das System 8 wieder in den G/C-Modus zurückgelangt,
werden auch Phase und Frequenz in ähnlicher Weise wieder hergestellt.
Die Phasenregelschleife 15 dreht das Synchronisationssignal
bei seinem Übergang
von einem Modus zum anderen, um Stufen oder Diskontinuitäten zu vermeiden.
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Die Festkörper-Wechselrichter der PCSs
der jeweiligen Brennstoffzellen-Kraftwerke 18 und
die (nicht gezeigten) Hochgeschwindigkeits-Festkörpergatter, welche sie steuern,
können
innerhalb des 1/4 Zyklus (4 ms) ansprechen, die für den nahtlosen Übergang
zwischen den Energiequellen benötigt werden.
Damit sind diese Wechselrichter durch die Steuerung ihrer Gatter
mittels Moden-Steuersignalen D1 und D2 in der Lage, Modusänderungen
der Brennstoffzellen 18 rasch genug vorzunehmen, um für nahtlose Übergänge zu sorgen.
Dies ermöglicht den
Brennstoffzellen-Kraftwerken 18, im wesentlichen kontinuierlich
in einem Leistungsgeneratormodus, entweder G/C oder G/I zu arbeiten,
allerdings bei einer momentanen Unterbrechung (kleiner als 4 ms)
bei der Rekonfiguration zum Betrieb in dem jeweils anderen Modus.
Die Leistungskonditioniersysteme (PCSs) und insbesondere deren Wechselrichter
und zugehörige
Schaltlogik und -steuerung sind für jedes Brennstoffzellen-Kraftwerk 18 von
dem Typ, der hergestellt wird von der Firma Magne Tek Inc. in New
Berlin, Wisconsin.
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Bezugnehmend auf die in 6 dargestellte Tabelle vervollständigt sich
im Verein mit der obigen und der nachfolgenden Beschreibung des
Energiesystems 6 das Verständnis der Erfindung. Während des
normalen G/C-Betriebs sind beide Modussignale M1 und M2 und mithin
auch die Signale D1 und D2 "Aus", der statische Schalter 19 ist "Ein" (leitend/geschlossen),
die Wechselrichter-Gatter in den PCSs sind freigegeben, und es herrscht
Synchronisation für
das System 8 und insbesondere die Brennstoffzellen-PCSs,
bereitgestellt durch den Stromnetz-Bus 10. Wenn allerdings
die Netzspannung, der Netzstrom oder die Netzfrequenz als Parameter
von den vorbestimmten Grenzen abweichen (oder über die Grenzen hinaus gehen),
beginnt der System-Betriebsmodus unmittelbar mit einem Übergang
in den G/I-Modus.
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Speziell geht das Signal M2 rasch
auf "Ein" über, während M1 für das kurze Intervall, das
erforderlich ist, damit der Schalter 19 von "Ein" auf "Aus" übergeht, "Aus" bleibt.
Die diskreten Signale D1 und D2 besitzen die gleichen Zustände wie
die Signale M1 bzw. M2. Der Übergang
des Signals M2 (und mithin D2) in den Zustand "Ein" dient
zum kurzen "Aus"-Schalten der Wechselrichter-Gatter
in den PCSs derart, dass für
ein kurzes Intervall von weniger als 4 ms die PCSs der Brennstoffzellen 18 keine elektrische
Leistung ausgeben, während
sie für
den G/I-Betriebsmodus rekonfiguriert werden. Während dieses Intervalls werden
die PCS-Ausgangsregler neu konfiguriert, so dass sie im G/C-Modus
die Leistung (real) und VARs und im G/C-Modus die Spannung und Frequenz
regeln. Außerdem
wird während dieses
Intervalls auch die Synchronisation neu konfiguriert. Diese Unterbrechung
ist ausreichend kurz, und der Schalter 19 ist hinreichend
schnell, so dass es keine oder überhaupt
keine Chance für
eine Überlastung
am Netz 10 gibt, was einen abträglichen Einfluss auf den Rest
des Energiesystems 8 hätte.
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Nach diesem kurzen Intervall von
4 ms oder weniger ist das System 8 neu konfiguriert und
arbeitet im G/I-Modus. Die Modussignale M1 und M2 (und mithin auch
D1 und D2) sind beide "Ein", der Schalter 19 ist "Aus" (offen), so dass
das System von dem Stromnetz-Bus 10 getrennt ist und die
Wechselrichter-Gatter in den PCSs erneut eingeschaltet sind, um der
Last oder den Lasten 14 Energie aus den Brennstoffzellen 18 zuzuleiten.
Zu dieser Zeit wird der Ausgang der PCSs von dem Kristall 61 "getaktet" oder synchronisiert.
Im G/I-Modus liefern oder liefern weiterhin die Brennstoffzellen-Kraftwerke 18 Energie
mit geregelter Spannung und geregelter Frequenz ohne Einbeziehung
des öffentlichen
Stromnetzes an die Lasten 14, zumindest bis zur maximalen
Kapazität der
gesamten Brennstoffzelle.
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Wenn der Stromnetz-Bus 10 wieder
in akzeptierbare Grenzwerte gelangt, was von dem Sensor 45 festgestellt
wird, dreht die Steuerlogik 49 des statischen Schaltmoduls 17 die
Ablauffolge der vorhergehenden Modusänderung um und beginnt mit dem Übergang
vom G/I-Modus zurück
in den G/C-Modus. Zunächst
geht das Modussignal M2 auf "Aus", während M1
kurz auf "Ein"verbleibt, der Schalter 19 macht
einen raschen Übergang
von "Aus" auf "Ein", so dass der Stromnetz-Bus 10 erneut
zusammen mit den Brennstoffzellen 18 an die Lasten 14 angeschlossen
ist, die PCS-Wechselrichter-Gatter sind erneut während der neuen Konfigurierung
kurz "Aus", und die PCS-Synchronisation
macht einen Wechsel weg von der Arbeit gemäß dem Kristall 61 zur
Arbeit gemäß dem Stromnetz.
Die interne PCS-Ausgaberegelung ändert
von Spannung und Frequenz auf Leistung und VARs. Im Anschluss an
das kurze Intervall (weniger als 4 ms) für die erneute Konfigurierung
ist das System 8 in den G/C-Zustand oder -Modus zurückgekehrt.
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Das statische Schaltmodul 17 und
insbesondere der darin befindliche Schalter 19 ist/sind
als getrennt von den Brennstoffzellen 18 und den dazugehörigen PCSs
und extern von ihnen dargestellt, so dass man von der Wirtschaftlichkeit
singulärer
Steuerelemente profitiert, die zur Steuerung mehrerer Brennstoffzellen
verantwortlich sind.
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Man sieht allerdings, dass diese
Steuermittel integral mit oder innerhalb der jeweiligen Brennstoffzellen
ausgebildet sein könnten,
insbesondere dann, wenn es sich um ein einzelnes Brennstoffzellen-Kraftwerk
handelt. Obschon der statische Schalter 19 in Verbindung
mit zwei SCR-Paaren beschrieben wurde, erkennt man, dass andere
statische Schaltbauelemente, die für ähnliche Schaltgeschwindigkeiten
und Strombereiche ausgelegt sind, verwendet werden können. Man
sieht außerdem,
dass eine größere oder
eine geringere Anzahl von Brennstoffzellen-Kraftwerken verwendet
werden kann, und dass sowohl die Spannungs- als auch die Strom-Grenzwerte
der hier diskutierten Elemente größer oder kleiner als dargestellt
sein können.
In ähnlicher
Weise könnten
die Steuerschaltungen, die gemäß vorliegender
Beschreibung in dem statischen Schaltmodul 17 enthalten
sind, auch in der SMC 31 vorhanden sein.
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Zusammenfassung
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Ein Energiesystem (8) dient
zum wirtschaftlichen Einspeisen nichtunterbrochener elektrischer Leistung
in eine oder mehrere kritische Lasten (14). Eine oder mehrere
Brennstoffzellen-Kraftwerke (18) bilden eine im wesentlichen
kontinuierliche Energiequelle, ein öffentliches Stromnetz (10)
bildet eine weitere Energiequelle.