专利名称：供电系统以及相关的方法
技术领域：
在第一方面，本发明涉及一种用于为高压平台上的设^^提供辅助电能 的供电系统。
在第二方面，本发明涉及一种配备有这种供电系统的高压平台。
在第三方面，本发明涉及一种配备有这种平台的电网。
在第四方面，本发明涉及一种用于为在高压平台上的设备提供辅助电 能的方法。
背景技术：
对于沿高压输电线的高压平台上的设备，问M即使在输电线没有电 的情况下也要确保辅助电源供给。目前，激光通过光纤从地面传输到平台，
但是，借助此方法不可能进行高于每光纤大约0.5W的传输。即使在电源 线没有电的情况下(如在维护期间或当沿电源线发生故障时)，设备也必 须能够工作，以保护设备防止由雷击所引起的损坏。现有的用于提供能量 的系统不能满足这些需求。
DE 1807 591公开了 一种设置在平台上的高电压断路器。断路器配备 有通过执行(effectuating)电容器供电的执行器。执行电容器通过能量转 换器来充电，该能量转换器将化学或机械能转换为电能。作为示例，能量 转换器可以是燃料电池。
这类供电设备所存在的问题是，这类常规电容器泄漏能量，使得不得 不反复地对其进行再充电。此外，当电容器已处于使用中时，还不得不对 其进行再充电。来自燃料电池的功率通常太低，以致不能够在合理的时间 内进行再充电。可替换地，不得不使用特别强大的且昂贵的燃料电池。
发明内容
本发明的目的是克服上述问题，并能够在合理的时间内并且以低成本为执行电容器提供能量。
才艮据本发明的第一方面，此目的已经实现，因为该类供电系统包括以
下特定特点，该系统包含中间存储和供给单元，用于存储来自燃料电池 的能量并向执行电容器供给能量；以及变电单元，用于将来自中间存储和
供给单元的能量馈送给执行电容器。
通过这样的中间存储器和提供单元，在短时间内为执行电容器供给完 全能量，而在较长的时间内为中间存储单元提供电能。因此，可以以低功 率为中间存储单元提供能量，而由中间存储单元以较高的功率进行能量供 给。变电单元能够使中间存储和供给单元的低电压适于执行电容器的较高 的电压。
允许从燃料电池到中间存储和供给单元的功率供给相当低，使得可以 使用低功率的燃料电池。燃料电池的功率比变电单元必须在有限的时间内 对执行电容器进行充电的功率^f艮多。
如果驱动的次数是有限的，则燃料电池每年需要比较少的运行小时。 因此，系统的寿命将不会受限于燃料电池的使用寿命。
^L据发明的系统的优选实施例，中间存储和供给单元包括至少一个具 有高储能容量和低泄漏效应的低压电容器。
通过使用 一个或更多个这类低压电容器，优化了对由燃料电池进:行充 电、对执行电容器进行充电以及获取低容量的要求。
根据另一优选实施例，中间存储和供给单元包括至少一个电化学双层 电容器。
这种电容器(通常称为超级电容器或者超电容器)由于其高电容和大 的储能容量而特别用于中间存储和供给单元。通常，超级电容器具有的电 容为数百或数千法拉，而电压通常是低的，只有几伏特。储能容量通常大 约为10 kJ/kg至20 kJ/kg。
由于超级电容器的能量泄漏非常低，所以实际不存在由于泄漏而引起 再充电的需求。只需要为补偿由其提供的能量而进行再充电。
根据另 一优选实施例，电压在1 V到4V的范围内，优选在2V到3V 的范围内，并且储能容量在5 kJ/kg到50kJ/kg的范围内，优选在10 kJ/kg 到20kJ/kg的范围内。
根据另一优选实施例，存储装置包括串联的多个超级电容器。一种便利的方式是提供多个超级电容器以达到所需的电压电平。
^^据另一优选实施例，燃料电池具有15W到100W的范围内的充电 功率，优选在30W到50W的范围内的充电功率。
因此，燃料电池^L设计成能够在所需的时间内(通常大约一小时)对 中间存储装置进行充电。
燃料电池的低充电功率意味着，它可以是小的并且是便宜的。
根据另一优选实施例，中间存储和供电装置以及燃料电池位于绝热箱内。
因此，可以为这些部件提供确保与例如正常运行所需温度有关的M 的环境。
根据另一优选实施例，该箱配^^有预热空气供给管，该预热空气供给 管被设置用于将预热空气提供到箱中。
预热空气的提供是将箱内的温度保持在适当范围内的便利方式。
根据另一优选实施例，燃料电池具有供气管，该供气管位于预热空气 供给管内。
通过以这样的方式将气源设置到燃料电池的阴极侧，此气源的温度由 于与所提供的预热空气进行热交换而能够保持在合适的范围内。
根据另 一优选实施例，该系统包括至少一个用于将空气吹入箱中的风扇。
这提供了将箱内的温度保持在足够水平的附加的或可替换的方式。
根据另一优选实施例，燃料电池配备有阴极排水管，其祐i殳置用于将 ^#放到箱的底部。
通过将水从燃料电池的阴极侧排放到位于平台上的箱的底部，避免了 通过将^^放到地面可能引起的任何高电势的问题。
根据另 一优选实施例，该系统包括位于平台上的燃料电池控制器和位 于地面的微处理器，它们被设置用于控制系统的运行。
通过此布置，该系统可以自动地适应当时的条件，并且系统中的部件 的起动和停止可被设置成响应于感测到的Wt自动地执行。在本发明的系 统的相关的权利要求中说明了上文所描述的优选实施例。
根据另一优选实施例，该系统包括用于测量在中间存储和供给单元上的电压的测量装置和/或至少一个执行电容器。
因此，可以控制充电电平状态，并可以采取所需的措施以启动再充电。
根据另一优选实施例，该系统包括第一信号装置，被设置用于依靠
测量装置来起动燃料电池的运行；和/或第二信号装置，被设置用于依靠
测量装置来起动中间存储和供给单元的放电。
这能够轻松地自动启动所需的运行措施以使系统保持在适当的备用 状态。
在本发明的第二方面，该目的被满足，因为高压平台所具有的特定特系统。
在本发明的第三方面，该目的被满足，因为电网所具有特定特点是其 配备有根据本发明的高压平台。
在本发明的第四方面，该目的被满足，因为用于向高压平台上的设备
提供辅助电能的方法包括如下特定措施将来自燃料电池的能量供应给中 间存储和供给单元，以及将来自中间存储和供给单元的能量供应给至少一 个执行电容器。
根据发明的方法的优选实施例，只有当中间存储和供给单元上的电压 低于预定的电平时，才为中间存储和供给单元提供能量。
因此，只有当必要时才需要燃料电M行，从而节省了燃料电池的运 行时间.
根据本发明方法的另外的优选实施例，利用根据本发明的系统并且特 别是根据本发明的优选实施例来实现该方法。
本发明的高压平台、本发明的电网和本发明的方法以及这些发明的优 选实施例解决了对应的问题，并且具有针对本发明的系统及其优选的实施 例如上文已描述的对应优点。
通过以下对本发明的有利例子的描述并且参照附图，更为详细地解释 本发明。
图l示意性地示出了根据本发明的供电系统。图2是示出图l的系统的功能的示意图。
M实施方式
图l示意性地示出了高压平台1。在平台l上，提供了连接到高压输 电线4的设备10。在出现需要的情况下，设备10由一个或更多个执行电 容器3进行驱动。在电容器3已经由其能量储备(例如，15 kJ)完全放 电之后，必须对其进行再充电。
对执行电容器3的再充电是通过从中间存储和供给单元5经由变电单 元31 (例如，逆变器)对执行电容器进行充电来实现的。
中间能量存储和供给单元5包括若干个(例如，六个)串联设置的超 级电容器6。每个超级电容器6都具有5000 F的电容和2.5V的最大电压。 这样，每个超级电容器6都可以存储15.6kJ,总共产生94kJ。 itA以在 1分钟内以大约250 W的功率对执行电容器3进行充电。
在中间能量存储和提供单元5中的超级电容器6已经被激活并对执行 电容器进行充电之后，必须对超级电容器进行再充电。由于对执行电容器 3进行充电的预期的需求是一年只有大约10次，所以可以有^L长的时间 对超级电容器6进行充电。
由燃料电池7对超级电容器6进行充电。由于可有很长时间对超级电 容器进行充电，因此燃料电池的功率可以是中等的。功率例如可以为大约 30 W-50 W，这将能够在1小时内将超级电容器充电到50 kJ-lOO kJ的能 量。燃料电池的输出提供大约15VDC的输出电压，iW应于六个2.5V 的超级电容器。
燃料电池7在纯氧中运行，并且经由缠绕管8连接到位于地面的氢气瓶9。
参考图2对该系统进行更为详细的解释，该图是示出根据本发明的电 能供给系统的各种功能的示意图。
燃料电池7位于绝热箱ii中。该系统应能在例如-40x:到+40x:的温
度范围内并且在100%以下的相对湿度的情况下工作。在箱11内的温度
范围应该保持在+5t:到+45x:的范围之内.湿度应该为低，以便最小化由 于冷凝造成的腐蚀。
预热空气被提供给箱u，以便使其中的温度保持在+5t:以上。测量箱ii内的温度，并且如果温度低于or;,则在起动燃料电池之
前必须对其进行加热o
为了进行冷却，设置了两个风扇12、 13，用于将冷空气^箱11中。
在所公开的示例中，从在地面的瓶中为阳极侧提供用于燃料电池的氢气。
管19将空气引导到燃料电池，以向燃料电池7的阴极侧提供氧气。 在地面的空气泵20提供所需的空气量以及气压。所需的空气量取决于来 自燃料电池7的输出功率。空气量受空气泵20的速度控制，而空气泵20 的速度受微处理器17控制。通常，空气泵速度可以是恒定的。
通过管22供给用于对箱11进行调节的空气。优选地，向阴极侧供气 的供气管19位于预热空气管22内部。
燃料电池在运行时会产生水。90%的水来自阴极侧的排气口。此水通 过阴极排水管23被排放到高压平台1上的箱11中。大部分水被再循环空 气吹走，并且通常不会形成必须排出的液滴。
大约10%的水通过氢气排气管24流下来。此7jC作为湿空气离开，而 通常不会形成液滴。
氢气排气管24配备有螺旋排气阀25，该排气阀周期性地打开，以便 能够将氢气、杂质和可能的水从阳极侧清除。螺旋排气阀25位于地面， 并由微处理器17控制。
系统的操作由位于平台1上的燃料电池控制器27和位于地面的微处 理器17进行控制。燃料电池控制器27和微处理器17的主要任务是控制 执行电容器3的充电和超级电容器组的充电。
执行电容器3的电压皿控。当测量到的执行电容器3的电压由于运 行或能量泄漏而低于某一界限时，继电器30闭合，而当超级电容器的电 压到某一界限，例如1L5V以上时，则通过逆变器31由超级电容器5提 供能量。
超级电容器5的电压也皿控。当测量到的电压低于某一界限时，起 动燃料电池，从而对超级电容器5进行充电。当超过超级电容器5的某一 电压，例如14.4V时，燃料电池7被关闭。
权利要求
1.一种供电系统，用于为高压平台(1)上的设备(10)提供辅助电能，该供电系统包括执行电容器(3)和燃料电池(7)，其特征在于，该供电系统包括中间存储和供给单元(5)，用于存储来自燃料电池的能量并将能量提供给执行电容器(3)；以及变电单元(31)，用于将来自中间存储和供给单元(5)的能量馈送到执行电容器(3)。
2. 根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，中间存储和供给 单元(5)包括至少一个低压电容器(6)，所述低压电容器具有高储能容 量和低泄漏效应。
3. 根据权利要求1或2所述的供电系统，其特征在于，中间存储和 供给单元(5)包括至少一个电化学双层电容器(6)。
4. 根据权利要求2或3所述的供电系统，其特征在于，电容器电压 在IV到4V的范围内，优选在2V到3V的范围内，并且储能容量在5 kJ/kg 到50 kJ/kg的范围内，优选在10 kJ/kg到20 kJ/kg的范围内。
5. 根据权利要求3所述的供电系统，其特征在于，中间存储和供给 单元(6)包括多个串联的电化学双层电容器(6)，电化学双层电容器(6) 的总电压在10V到20V范围内，并且总储能容量在50 kJ到200kJ的范 围内。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的供电系统，其特征在于，燃 料电池(7)具有在15W到100W的范围内的充电功率，优选在30W到 50W的范围内的充电功率。
7. 根据权利要求1至4中任一项所述的供电系统，其特征在于，燃 料电池(7)以及中间存储和供给单元位于绝热箱(11)中。
8. 根据权利要求6所述的供电系统，其特征在于，箱(11)配备有 预热空气供给管(22 )，该预热空气供给管^L设置用于将预热空气供给到 箱(11)中。
9. 根据权利要求8所述的供电系统，其特征在于，燃料电池(7)具 有供气管(19)，该供气管(19)位于预热空气供给管(22)中。
10. 根据权利要求7至9中任一项所述的供电系统，其特征在于， 该供电系统包括至少一个被设置用于将空气吹到箱(11)中的风扇(12, 13 )。
11. 根据权利要求7至10中任一项所述的供电系统，其特征在于， 燃料电池(7 )配备有阴极排水管(23 )，该阴极排水管被设置用于将水 排放到绝热箱的底部。
12. 根据权利要求l至ll中任一项所述的供电系统，其特征在于， 该供电系统包括位于平台(l)上的燃料电池控制器(27)和位于地面的 微处理器(17)，该燃料电池控制器和微处理器被设置用于控制该供电系 统的运行。
13. 根据权利要求1至12中任一项所述的供电系统，其特征在于， 该供电系统包括测量装置，用于测量中间存储和供给单元(6)上的电 压和/或在至少一个执行电容器(3)上的电压。
14. 根据权利要求13所述的供电系统，其特征在于，该供电系统包 括:第一信号装置，其被设置用于依靠所述的测量装置来起动燃料电池(7) 的运行；和/或第二信号装置，其祐:设置用于依靠所述的测量装置来起动 中间存储和供给单元(5 )的放电。
15. —种高压平台(1)，其特征在于，该平台配备有根据权利要求1 至14中任一项所述的供电系统。
16. —种电网(4)，其特征在于，该网络(4)配备有至少一个根据 权利要求15所述的高压平台。
17. —种用于向高压平台上的设备提供辅助电能的方法，所述设备由 至少一个执行电容器驱动，由燃料电池为所述至少一个执行电容器提供能 量，其特征在于，将来自燃料电池的能量提供给中间存储和供给单元，以 及将来自中间存储和供给单元的能量提供给所述至少一个执行电容器。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，只有当中间存储和 供给单元上的电压低于预定的电平时才为中间存储和供给单元供给能量。
19. 根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，利用根据权 利要求1至14中任一项所述的系统来实现该方法。
全文摘要
本发明涉及一种为高压平台上的设备(3)提供能量的供电系统。该系统包括燃料电池(7)和执行电容器(3)。根据本发明，该系统包括中间存储和供给单元(3)。此单元(3)存储来自燃料电池(7)的能量，并通过变电单元(31)将能量提供给执行电容器。本发明进一步涉及一种配备有本发明的系统的高压平台(1)，一种配备有本发明的平台的电网以及一种涉及用于为高压平台上的设备提供能量的方法。
文档编号H02J7/34GK101405825SQ200680053958
公开日2009年4月8日 申请日期2006年3月23日 优先权日2006年3月23日
发明者伦纳特·昂奎斯特, 佩尔·哈尔瓦松, 托尔比约恩·林瓦尔, 本特·斯特里德 申请人:Abb技术有限公司