CN101401252A - 温度控制器 - Google Patents

Abstract

一种用于为功率补偿器(1)的能量存储设备(5)供热的温度控制器(13)，该能量存储设备具有多个处于高电势的高温电池单元(7)，该温度控制器包括用于容纳传热介质的管道网，其中该管道网包括主管道回路(17)和在每个电池单元中的局部管道回路(18)，每个局部管道回路具有用于接收传热介质的第一端(11)和用于排出传热介质的第二端(12)。

Description

温度控制器

技术领域

本发明涉及高压输电线的功率补偿。输电线应当理解为用于在3kV及以上的范围内(优选地在10kV及以上的范围内)电力传输或分配线的导体。特别地，本发明涉及一种用于在高压输电线上提供电力交换的功率补偿器。该装置包括电压源转换器(VSC)和能量存储设备。尤其，本发明涉及对包括高温电池的能量存储设备的温度控制。

背景技术

已知有多种装置和方法用于对输电线上的无功功率的补偿。最普通的装置包括能可控制地连接至输电线的电容器装置和电抗器装置。连接装置优选地可包括包含半导体元件的开关。在已知应用中使用的半导体元件通常包括不可衰减的元件，比如半导体闸流管。这些种类的无功功率补偿器已知为柔性交流电传输系统(FACTS)。

已知的FACTS装置是静止补偿器(STATCOM)。STATCOM包括具有连接至输电线的交流侧和连接至临时电力存储装置比如电容器装置的直流侧的电压源转换器(VSC)，在STATCOM中，输出电压的幅值是受到控制的，因而产生将无功功率供应至输电线或从输电线吸收无功功率的补偿器。电压源转换器包括至少六个自换向的半导体开关，其每个由反并联的二极管分路。

从US6 747 370(Abe)，以前已知一种使用高温二次电池的功率补偿系统。该补偿系统的目的是提供一种经济的基于高温二次电池的能量存储，其具有削峰功能、负载平衡功能以及质量稳定功能。该已知系统包括电力供应系统、包括高温二次电池的电力负载和电力存储系统以及功率转换系统。电池是硫化钠电池。

从US5 141 826(

)，以前已知一种具有温度调节介质的高能电池。该介质的目的是在电池内提供均匀的温度分布。所公开的电池由在250和400℃之间的温度操作的钠基电池构成。因此，电池包含多个在壳体中彼此靠近地布置的原电池以及在壳体内流动以影响各个原电池的温度的液态或气态介质。壳体提供有用于在壳体内引导介质的装置以使得原电池的一端或两端直接地或间接地与介质相接触。出于冷却的目的，电池放置于有冷却液被泵送通过其中的冷却板上。

从EP 1 302 998(Dustmann)，以前已知一种包含电池装置和固体氧化物燃料电池的组合系统。该系统的目的是提供一种用于车辆的适合推进力来源。电池是工作温度大约为300℃的钠-镍氯化物或钠离子氯化物类型的电池。为了提供部分的充电能力和部分的热容量，该系统包含多个附接至电池的燃料电池。热通过燃料电池和原电池之间的紧密连接利用热传导来提供。为了冷却电池，在电池中布置多个包含由风扇推动的空气的通道。排出的热用于加热车辆乘客车厢的空气。

发明内容

本发明的示例性目的是寻求改进高压高温存储设备的温度控制以使其适合用于高压输电线的功率补偿器中的方法。

这个目的根据本发明由一种其特征在于独立权利要求1中特征的能量存储设备或者由一种其特征在于独立权利要求6中步骤的方法来获得。优选实施例在从属权利要求中描述。

该高温存储设备包括高温电池，其包含多个操作温度在大约300℃范围内的钠/金属氯化物原电池。电池单元包括包含了多个串联连接的原电池的绝热盒。电池单元具有两个包括1.5kV范围内的电路的端子。串联连接四个这种电池单元因而将达到6kV的电压水平。电池单元包括用于容纳呈流体形式的传热介质的局部管道回路。该流体可以是液态介质以及气态介质。

电池功能例如能存储和释放电能的标准在于原电池内部的温度保持于270和340℃之间。在比如当电池充电或放电时的操作模式下，在电池内产生热。然而，在空闲模式下，电池内部不会产生热。因而，在空闲模式下，热必须从电池的外部提供。在操作模式和小电流情况下，也从电池的外部提供额外的热。

根据本发明，热通过呈流体形式的传热介质比如液体或气态介质传输至高温电池单元。温度控制器布置用于维持电池单元的操作温度。因而，温度控制器在空闲模式期间提供热。该温度控制器包含用于提供通过电池单元的传热介质流的管道网。该管道网包括主管道回路和至少一个流体移动单元(比如风扇或泵)。该管道网包括每个电池单元的局部管道回路并且提供用于传热介质的通路。包含于传热介质中的热通过对流传输至原电池。

根据本发明的一个实施例，该局部管道回路包括用于接收气态介质流的第一端以及用于排出气态介质的第二端。在一个实施例中，气态介质优选地包括空气。而且该主管道回路包括用于提供热空气的上游侧和用于接收处理过的空气的下游侧。每个局部管道回路的每个第一端连接至主管道回路的上游侧。每个局部管道回路的每个第二端连接至主管道回路的下游侧。主管道回路和每个局部管道回路之间的所有连接包括连接管道。该主管道回路包括至少一个风扇和热提供装置。在本发明的一个实施例中，主管道回路是接地的并且因而展现接地电势。每个局部管道回路展现与容纳局部管道回路的电池单元相同的电势。在又一个实施例中，每个连接管道包括耐热和电绝缘材料(比如陶瓷材料)的管。

根据本发明的一个实施例，多个串联连接的电池单元形成电池串。每个电池单元包括较高数量的原电池，每个具有1.7和3.1V范围内的电压。所述原电池串联连接从而产生电池单元，其在一个示例性实施例中可具有大约1.5kV的电压。在一个实施例中，四个这样的电池单元串联连接，产生6kV的总电压。然而，在其它实施例中，许多电池串联连接，给出30-100kV范围内的总电压。主管道回路因此与电池串电流地分开。连接管道因而必须由电绝缘的耐热材料制成。在一个实施例中，连接管道包括陶瓷管。

在本发明的一个实施例中，温度控制器在电池单元的操作模式期间还提供用于处理从原电池产生的热的气流。在本发明的又一实施例中，主管道回路包含用于提供冷却作用的装置。在第一实施例中，这个冷却作用由通过推动周围空气穿过局部管道回路来提供。在第二实施例中，冷却作用由连接至主管道回路的热交换器获得。

根据本发明的一个实施例，热调节系统包括用于控制电池单元温度的装置。该控制装置测量每个电池单元的温度并且控制用于维持恰当的电池温度的气态介质的流动和温度。每个电池的温度借助于热电耦、热电阻器或类似装置来测量并且温度信息传送至该控制装置。每个这样的传感器与主管道回路电流地隔离。因而所述传感器展现与传感的电池单元相同的电势。每个传感器提供有局部电源并且包括信息的无线传输。这种无线传输装置可包括电磁换能器、光纤等。

根据本发明的一个实施例，在每个电流地隔离的电池单元上布置有通信模块。该模块包括无线电通信装置、电源和多个传感换能器。通信模块也电流地隔离并且因而获得与电池单元相同的电势。该模块可在无线局域网(比如WLAN或蓝牙网络)内通信。传感的数值(比如电压、电流和温度)优选地以数字形式传输。为了节省能量消耗，通信布置于时间周期的较短部分中。因而，通信装置仅需要在较小百分比的时间期间通电。通信优选地可在2GHz波段内发生。在一个实施例中，电源包括备用电池和电能提供装置。这种电能装置可包括任何种类的发电机构造以及太阳能电池、珀耳帖效应元件、燃料电池或其它装置。

在本发明的一个实施例中，热调节系统包括用于再循环气态介质的装置。用于提供再循环的装置可包括主管道回路中的阀。在一个实施例中，主管道回路的每个上游端包括位于每个电池的入口上的单独的阀，其可用于再循环来自电池的具有300℃量级温度的热废气，以便使加热更有效。在一个实施例中，再循环阀替代地定位于中心管道处。

在又一实施例中，气态介质的再循环由电池单元的局部管道回路的第一端和第二端之间的捷径管获得。捷径管包括风扇并且可包括加热元件。在这个实施例中，主管道回路在通向局部管道回路的上游和下游连接中都包括阀。通过调节阀，局部管道回路内的气态介质可全部或部分地再循环。

根据本发明的另一个实施例，空气加热在每个电池水平处单独地提供。对于这个布置，需要多个加热元件，但是与用于整个电池系统的中心加热系统相比，每个元件仅需要低的动力水平。电池能量存储系统的尺寸和布置可根据期望来确定。

使用相同的中心管道或单独的平行管道系统，电池的冷却还能通过将未加热的空气或甚至冷却至低温的冷却空气供应至电池以获得更有效的冷却来进行。

在冷却期间，来自电池的热废气能用来在例如盐、相变材料、皂-石头或类似材料中存储热。这种存储的热然后能在电池加热期间再利用以获得更好的能量效率。热废气也能用于例如补偿器建筑物的加热。用于加热电池的空气的预热也能通过利用来自VSC阀自身(例如经由热交换器或热泵)的温暖冷却水来实现。

在本发明的第一方面，所述目的通过一种用于将热提供至功率补偿器的能量存储设备的温度控制器来获得，该能量存储设备包括多个处于高电势的高温电池，该温度控制器包括用于容纳传热介质的管道网，其中管道网包括主管道回路和在每个电池单元中的局部管道回路，每个局部管道回路具有用于接收传热介质的第一端和用于排出介质的第二端，该主管道回路包括热源和风扇，并且该管道网包括连接每个局部管道回路的每一端与主管道回路以提供连续的传热流体流的连接管道。在又一实施例中，连接管道包括陶瓷材料的耐热电绝缘管。在又一实施例中，温度控制器的主管道回路还包括公共加热系统，该公共加热系统包括加热器和公共风扇。在又一实施例中，温度控制器包括具有冷却器和公共冷却风扇的冷却回路。在又一实施例中，温度控制器还包括穿过用来与可包括来自电压源转换阀的冷却水的第二流体系统进行热交换的热交换器的第二回路。

在本发明的第二方面中，所述目的通过一种用于热调节一串串联连接的高压高温电池单元的方法来获得，每个电池单元包括具有用于接收传热介质的第一端和用于排出介质的第二端的局部管道回路，其中该方法包括：提供包含连接至局部管道回路的主管道回路的管道网，推动连续的传热流体流，通过在局部管道回路的每一端和主管道回路之间插入连接管道来隔离每个电池单元，加热传热流体以在空闲模式期间在电池上提供加热作用。在又一实施例中，该方法还包括冷却传热流体以在操作模式期间在电池单元上提供冷却作用。

附图说明

对于本领域的技术人员而言，本发明的其它特点和优点从以下结合附图的具体描述中将变得很明显，其中：

图1是根据本发明的能量存储设备的一部分的主要电路，

图2是包括温度控制器和电荷控制器的功率补偿器的主要布局，

图3是温度控制器的第一实施例的正视图，

图4是温度控制器的第一实施例的侧视图，

图5是温度控制器的第二实施例的侧视图，

图6是温度控制器的第三实施例的侧视图，

图7是温度控制器的第四实施例的侧视图，

图8是温度控制器的第五实施例的侧视图，

图9是温度控制器的第六实施例的侧视图，

图10是温度控制器的第七实施例的侧视图，

图11是温度控制器的第八实施例的侧视图，

图12是温度控制器的第九实施例的侧视图，以及

图13是温度控制器的第十实施例的侧视图。

具体实施方式

在本发明的示例性实施例中，能量存储设备的一部分包括多个串联连接的电池单元7。在图2所示的实施例中，作为总体能量存储设备的一部分，四个电池单元7a-7d布置于机架8中。每个电池单元具有正极端子9和负极端子10。在所示的实施例中，每个电池单元具有1.5kV的电压，因而包含串联连接的四个电池的能量存储设备具有6kV的电压水平。然而，也可有更多串联的电池以产生更高的电压水平。

能量存储单元包括高能高温电池，高能高温电池包含操作温度在270至340℃范围内的钠/金属氯化物原电池。每个电池单元包括绝热盒，该绝热盒包含多个串联连接的原电池。在比如充电或放电的操作中，电池产生热。在空闲模式下，必须提供来自电池外部的热以用于保持操作温度条件。电池单元因此包含局部管道回路，该局部管道回路具有用于接收气态介质流的第一口11和用于排出气态介质的第二口12。

钠/金属氯化物原电池包括包含于陶瓷材料薄隔板中的电解液。在电池充电或放电时，反应前沿从陶瓷隔板向内传播。因而，充电和放电都在相同的方向上传播并且从陶瓷隔板开始。由于大量的充电和放电循环，在原电池内会留下多个限定了功率容量区域和非功率容量区域的区域。

四个高压电池的示意性布置是串联连接。在示出的这个布置中，最高的电池电势相对于地将是6kV。在其它情况下，更多的电池可串联连接，对于在上面的电池给出非常高的电池电势。电势可达到10kV直到100kV的范围。

在图2中示出本发明的又一实施例。在这个实施例中，功率补偿器1不仅包括电压源转换器4和能量存储设备5，而且还包括温度控制器13和包含充电控制器15的控制系统14。充电控制器包括用于估计电池充电状态的模块16。温度控制器13包括用于容纳传热介质的管道网。管道网包括主管道回路17、定位于每个电池单元中的局部管道回路18以及多个连接主管道回路与局部管道回路的连接管道19。温度控制器包含至少一个热提供装置和用于在管道网中循环传热介质的流体移动单元。因此，通过使传热介质循环穿过每个电池，利用对流为电池供热。在所示的实施例中，传热介质包括空气并且流体移动单元包括风扇。

图3示出用于利用与每个电池的进气连接上的加热器相连接的单独的风扇加热堆叠的电池的布置的示例。根据情况，仅供应未经加热的冷空气用于冷却，或者如果需要加热电池，则由加热器加热入口空气。在出口上，排气“烟囱”处理热的废气。温度控制系统控制冷却空气如何和何时在没有加热的情况下供应，何时加热的空气供应用于电池的加热，或者是否没有空气供应。

图4示出图3的布置的侧视图。加热器和风扇处于接地电势并且能由普通的交流电源供应并且电池处于高电势。因此，通向电池的连接经由耐热电绝缘管形成。空气具有300-400℃范围内的温度。因此所述管由陶瓷材料制成。

温度控制器13示意性地分为主管道回路17和公共局部管道回路18。在这个实施例中，局部管道回路展现了高压电势，而主管道回路展现接地电势。连接主管道回路和局部管道回路的连接管道必须不仅展现电绝缘而且经受具有大约300℃温度的流体介质。这个实施例中的主管道回路包括用于每个电池单元的单独的风扇20和管道部分21。每个管道部分包括用于将热传输至电池单元的热提供元件22。热传输单元可包括用于连接至低压电源的电阻元件。

图5示出了一种其中入口空气由中心风扇供应以供给中心管系统的布置的侧视图。在进入每个电池的入口处，具有由热控制系统控制的阀和加热器。这个系统经由阀控制如何和何时供应冷却空气。在一个操作模式中，没有空气供应。在另一个操作模式中，供应热空气用于加热电池。在这个操作中，加热器是开启的。

图6示出如下一种布置的侧视图，其中入口冷却空气由中心风扇供应以供给中心管系统并且加热的空气由类似的单独的风扇与中心加热器一起供应以供给中心管系统。在进入每个电池的入口处，具有特殊的阀，该阀控制通向电池的入口空气：如果不需要加热或冷却，阀关闭入口；如果需要加热，阀打开以方便加热的空气进入电池；并且如果需要冷却，阀打开以方便冷却的空气进入电池。

图7示出与图6类似的布置的侧视图，但是在每个电池的废气出口处定位有特殊的阀，在需要加热的情况下，能将热的废气再循环进入电池。这样，热的废气能再利用并且因此节省用于加热的能量。

图8示出与图7类似的布置的侧视图，但是热废气的再循环由中心阀完成以将热空气向回馈送以进入中心加热器处的入口管路。

图9示出与图7类似的布置的侧视图。该实施例包括用于调节热废气的再循环的第一阀和第一风扇。而且，该实施例包括用于调节离开该系统的热空气量的第二阀和第二风扇。在这个实施例中，为每个电池单元布置一个加热器。

图10示出与图8类似的布置的侧视图，其中中心冷却管路安装有冷却器以便增大电池的冷却效率。这将在外部“冷却”空气不够冷的情况下增大电池的冷却能力。

图11示出与图10类似的布置的侧视图，但是在废气出口上还安装有热存储系统。由此，温暖的废气中的能量能被存储以便稍后使用。在需要加热时，这个热能可以再使用以预热进入加热管路的入口空气。这将节省用于电池加热的能量。能量存储能由例如盐、相变材料或类似材料完成。这个能量的再使用能由例如某些热交换器、热泵等产生。

图12示出与图10类似的布置的侧视图，但是还安装有通过再使用来自VSC阀的温暖冷却水来预热进入加热管道的入口空气的装置。通过具有热交换器的布置从这个冷却水来加热入口空气。

温度控制器的又一发展在图12中示出。在这个实施例中，温度控制器的主管道回路还包括公共加热系统23，公共加热系统23包括加热器22和公共风扇20。根据这个实施例，还提供了对电池单元的冷却。因而，布置了具有冷却器和公共冷却风扇27的冷却回路25。冷却或加热的提供可通过转换阀28选择。在示出的实施例中，加热系统还包括穿过热存储设备31的延长回路。该系统还包括穿过用来与第二流体系统33(其可包括来自电压源转换阀的冷却水)进行热交换的热交换器32的第二回路29。加热系统还包括穿过用来与第二加热系统34(其可以是用于建筑物的加热系统)进行热交换的第二热交换器35的延长回路。

尽管有利但本发明的范围不必限于实施例，而是还包含对于本领域技术人员而言显而易见的实施例。

Claims (12)

1.一种用于为功率补偿器(1)的能量存储设备(5)供热的温度控制器(13)，所述能量存储设备包括多个处于高电势的高温电池单元(7)，所述温度控制器包括用于容纳传热介质的管道网，其特征在于，所述管道网包括主管道回路(17)和在每个电池单元中的局部管道回路(18)，每个局部管道回路具有用于接收传热介质的第一端(11)和用于排出所述传热介质的第二端(12)，所述主管道回路包括热源(22)和风扇(20)，并且所述管道网包括连接每个局部管道回路的每一端与所述主管道回路以提供传连续的传热流体流的连接管道(19)。

2.根据权利要求1的温度控制器，其中所述连接管道包括陶瓷材料的耐热电绝缘管。

3.根据权利要求1或2的温度控制器，其中所述温度控制器的主管道回路(17)还包括公共加热系统(23)，所述公共加热系统(23)包括加热器(22)和公共风扇(20)。

4.根据前述任一权利要求的温度控制器，其中所述温度控制器包括具有冷却器(26)和公共冷却风扇(27)的冷却回路(25)。

5.根据前述任一权利要求的温度控制器，其中所述温度控制器还包括穿过用来与可包括来自电压源转换阀的冷却水的第二流体系统(33)进行热交换的热交换器(32)的第二回路(29)。

6.一种用于热调节一串串联连接的高压高温电池单元(7)的方法，每个电池单元包括具有用于接收传热介质的第一端(11)和用于排出所述传热介质的第二端(12)的局部管道回路(18)，所述方法的特征在于：提供包含连接至所述局部管道回路的主管道回路(17)的管道网，推动连续的传热流体流，通过在所述局部管道回路的每一端和所述主管道回路之间插入连接管道来将每个电池单元与所述主管道回路隔离，加热所述传热流体以在空闲模式期间在所述电池单元上提供加热作用。

7.根据权利要求6的方法，其中所述方法还包括冷却所述传热流体以在操作模式期间在所述电池单元上提供冷却作用。

8.一种可存储于计算机可用介质上的计算机程序产品，包含用于处理器以评估权利要求6至7的方法的指令。

9.根据权利要求8的计算机程序产品，其至少部分地提供于网络上，比如互联网。

10.一种计算机可读介质，其特征在于其包含根据权利要求8的计算机程序产品。

11.一种用于输电线(3)的功率补偿器(1)，包括电压源转换器(4)和能量存储设备(5)，其特征在于所述能量存储设备包括具有短路故障模式的高压电池装置和根据权利要求1至5中任何一个的温度控制器(13)。

12.根据权利要求11的功率补偿器，其中所述补偿器还包括用于估计所述电池装置的充电状态的充电控制器(15)。

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