DE10296295T5 - System zum Bereitstellen einer sicheren Energieversorgung für eine kritische Last - Google Patents

System zum Bereitstellen einer sicheren Energieversorgung für eine kritische Last Download PDF

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Abstract

Energiesystem (8) zum Bereitstellen ununterbrochener elektrischer Leistung für eine kritische Last (14) umfassend:
a) eine erste Energiequelle (10), die ausreichend Energie für die Versorgung einer kritischen Last (14) liefert;
b) eine zweite Energiequelle (18) mit mindestens einem Brennstoffzellen-Kraftwerk (18), die ausreichend Energie zur Versorgung der kritischen Last (14) liefert und dazu ausgebildet ist, normalerweise im wesentlichen dauernd an die kritische Last (14) angeschlossen zu sein und diese mit Energie zu beliefern;
c) einen statischen Schalter (19) zum selektiven Verbinden und Trennen der ersten Energiequelle (10) mit/von der zweiten Energiequelle (18) und (mit/von) der kritischen Last (14); und
d) eine Schaltsteuerung (49, 45) zum Steuern des Zustands des statischen Schalters (19) zum Verbinden der ersten Energiequelle (10) mit der kritischen Last (14) und der zweiten Energiequelle (18) während des Normalbetriebs der ersten Energiequelle (10), und zum raschen Trennen der ersten Energiequelle (10) von der kritischen Last...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • 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.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm eines Typs einer nicht-unterbrechbaren Energieversorgung gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ist ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm einer nicht-unterbrechbaren Energieversorgung unter Verwendung von Brennstoffzellen-Kraftwerken gemäß Stand der Technik;
  • 3 ist ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm eines Energiesystems unter Verwendung eines Brennstoffzellen-Kraftwerks, eines statischen Schalters und einer Betriebssteuerung gemäß der Erfindung;
  • 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den statischen Schalter in größerer Einzelheit veranschaulicht;
  • 5 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Betriebssteuerung in größerer Einzelheit darstellt; und
  • 6 ist eine Tabelle der Betriebsart-Zustände der Brennstoffzelle/Brennstoffzellen in Verbindung mit Betriebsart-Steuersignalen.
  • BESTER WEG ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Bezugnehmend auf die Zeichnungen, zeigen 1 und 2 frühere Typen von ununterbrochenen Energiesystemen, wie sie eingangs im Kapitel TECHNISCHER HINTERGRUND erläutert wurden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • 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.

Claims (9)

  1. Energiesystem (8) zum Bereitstellen ununterbrochener elektrischer Leistung für eine kritische Last (14) umfassend: a) eine erste Energiequelle (10), die ausreichend Energie für die Versorgung einer kritischen Last (14) liefert; b) eine zweite Energiequelle (18) mit mindestens einem Brennstoffzellen-Kraftwerk (18), die ausreichend Energie zur Versorgung der kritischen Last (14) liefert und dazu ausgebildet ist, normalerweise im wesentlichen dauernd an die kritische Last (14) angeschlossen zu sein und diese mit Energie zu beliefern; c) einen statischen Schalter (19) zum selektiven Verbinden und Trennen der ersten Energiequelle (10) mit/von der zweiten Energiequelle (18) und (mit/von) der kritischen Last (14); und d) eine Schaltsteuerung (49, 45) zum Steuern des Zustands des statischen Schalters (19) zum Verbinden der ersten Energiequelle (10) mit der kritischen Last (14) und der zweiten Energiequelle (18) während des Normalbetriebs der ersten Energiequelle (10), und zum raschen Trennen der ersten Energiequelle (10) von der kritischen Last (14) und der zweiten Energiequelle (18), falls und wenn der Betrieb der ersten Energiequelle (10) über eine vom Normalzustand abweichende Grenze hinausgeht.
  2. Energiesystem (8) nach Anspruch 1, bei dem die Schaltsteuerung (49, 45) zusätzlich den Zustand des statischen Schalters (19) zum raschen Neuverbinden der ersten Energiequelle (10) mit der kritischen Last (14) und der zweiten Energiequelle (18) steuert, wenn die erste Energiequelle (10) in den Normalbetrieb zurückkehrt.
  3. Energiesystem (8) nach Anspruch 1, bei dem die zweite Energiequelle (18) nur eine oder mehrere Brennstoffzellen-Kraftwerke (18) aufweist.
  4. Energiesystem (8) nach Anspruch 1, bei dem der statische Schalter (19) ein Festkörperbauelement ist.
  5. Energiesystem (8) nach Anspruch 4, bei dem das Festkörperbauelement ein Thyristor (19) ist.
  6. Energiesystem (8) nach Anspruch 1, bei dem die erste Energiequelle (10) ein öffentliches Stromnetz ist, und bei dem jedes Brennstoffzellen-Kraftwerk (18) ein Leistungskonditioniersystem (PCS) zum Konfigurieren des Betriebs der betreffenden Brennstoffzelle (18) in einem mit dem Netz verbundenen Modus oder in einem netzunabhängigen Modus ansprechend auf Modussteuersignale (D1/401', D2/402') enthält, das weiterhin eine Einsatzort-Verwaltungssteuerung (31) enthält, welche zwischen die Schaltsteuerung (49, 45) und das Leistungskonditioniersystem (PCS) geschaltet ist und auf vorläufige Modussignale (M1/401, M2/402) von der Schaltsteuerung (49, 45) anspricht, um die Modussteuersignale (D1/401', D2/402') für das Brennstoffzellen-Leistungskonditioniersystem (PCS) bereitzustellen, wodurch die Brennstoffzellen-Kraftwerke (18) einen raschen Übergang vollziehen zwischen dem mit dem Netz verbundenen Modus und dem netzunabhängigen Modus.
  7. Energiesystem nach Anspruch 6, bei dem das rasche Trennen der ersten Energiequelle (10) von der kritischen Last (14) und der zweiten Energiequelle (18) und der rasche Übergang des Betriebs von der mindestens einen Brennstoffzelle (18) zwischen dem mit Netz verbundenen Modus und dem netzunabhängigen Modus in einem Intervall von etwa 4 ms stattfinden.
  8. Energiesystem nach Anspruch 1, bei dem das rasche Trennen der ersten Energiequelle (10) von der kritischen Last (14) und der zweiten Energiequelle (18) in einem Intervall von etwa 4 ms stattfindet.
  9. Energiesystem (8) zum Bereitstellen im wesentlichen kontinuierlicher elektrischer Leistung für mindestens eine kritische Last (14), umfassend: eine öffentliche Netz-Energiequelle (10), die ausreichend Energie zum Speisen der kritischen Last (14) liefert; a) mindestens ein Brennstoffzellen-Kraftwerk (18), welches im wesentlichen kontinuierlich arbeitet, um zumindest ausreichend Leistung zum Speisen der kritischen Last (14) zu liefern, wobei das mindestens eine Brennstoffzellen-Kraftwerk (18) ein Leistungskonditioniersystem (PCS) aufweist zum Konfigurieren der betreffenden Brennstoffzelle (18) in einem mit Netz verbundenen Modus oder einem netzunabhängigen Modus, ansprechend auf Modussteuersignale (D1/401', D2/402'), wobei das mindestens eine Brennstoffzellen-Kraftwerk (18) normalerweise im wesentlichen dauernd mit der kritischen Last (14) verbunden ist und diese mit Leistung versorgt; b) einen statischen Schalter (19) zum selektiven Verbinden und Trennen der Netz-Energiequelle (10) mit/von dem mindestens einen Brennstoffzellen-Kraftwerk (18) und mit/von der kritischen Last (14); c) eine Schaltsteuerung (49, 45) zum Steuern des Zustands des statischen Schalters (19) zum Verbinden der Netz-Energiequelle (10) mit der kritischen Last (14) und dem mindestens einen Brennstoffzellen-Kraftwerk (18) während des Normalbetriebs der Netz-Energiequelle (10), und zum Trennen der Netz-Energiequelle (10) innerhalb von einem Intervall von 4 ms von der kritischen Last (14) und dem mindestens einen Brennstoffzellen-Kraftwerk (18), wenn die Netz-Energiequelle über eine vom Normalzustand abweichende Grenze hinausgeht; und d) eine Einsatzort-Verwaltungssteuerung (31), die zwischen die Schaltsteuerung (49, 45) und das Leistungskonditioniersystem (PCS) gelegt ist und auf vorläufige Modussignale (M1/401, M2/402) von der Schaltsteuerung (49, 45) anspricht und die Modussteuersignale (D1/401', D2/402') für das Brennstoffzellen-Leistungskonditioniersystem (PCS) bereitstellt, um das mindestens eine Brennstoffzellen-Kraftwerk (18) zu veranlassen, einen raschen, in einem Intervall von 4 ms ablaufenden Übergang zwischen dem mit Netz verbundenen Modus und dem netzunabhängigen Modus zu vollziehen.
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