CN102077387A - 用于高压应用的电池单元设备、连接器和断开器设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压应用的电池单元设备1。该电池单元设备包括具有电池架2_i的电池单元6_i和切换器件5_i。切换器件5_i包括用于在两个位置P1、P2之间切换电池架2_i的切换装置4_i，其中第一位置P1将电池架2_i连接到电池单元6_i的一极而第二位置P2将电池架2_i连接到零电势G。本发明也涉及一种连接和断开设备和一种用于操作这样的连接和断开设备的方法。

Description

用于高压应用的电池单元设备、连接器和断开器设备及方法

技术领域

本发明一般涉及输电网络领域并且具体地涉及输电网络中的维修和维护方面。

背景技术

在输电网络中，与高压的意外接触将通常造成严重伤害或者甚至死亡。因此在这样的整个网络内规定高安全要求。

直流断路器是常规用于除了其它操作之外还将直流电压储存器连接到电压源转换器和断开连接到电压源转换器的直流电压储存器的一种安全措施。这样的电压源包括设计使得所包括的电池绝缘能够处理某些击穿电压。然而绝缘击穿仍然可能出现从而在施加电压时造成在电池单元与电池架(箱)之间的高故障电流。

适合与处理高压的电压源转换器一起使用的直流电压储存器经常需要包括串联连接并且形成电池串的若干电池单元，例如在输配电系统中，总电池电压可能为数十千伏级。这样的直流电压源的电池串即使在直流母线的直流断路器关断时仍将处于高电势。显然地，在电池串中的这样的高压和大量能量即使在它们从电压源转换器断开时仍然使得电池的维修和维护工作颇为危险。

提高高压网络中的安全性是一直的追求，并且有鉴于此，将希望提高具体关于上述电池储存器设置的安全性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供用于保证直流电压储存器的安全维修和维护工作的手段。

本发明的具体目的在于提供用于保证对布置于电池串中的个别电池能量储存器的安全维修和维护工作的手段。

这些目的和其它目的由如在所附独立权利要求中要求保护的一种用于高压应用的电池单元设备、一种连接器和断开器设备及一种方法实现。

根据本发明，提供一种用于高压应用的电池单元设备。该电池单元设备包括具有电池架的电池单元。该电池单元设备还包括切换器件，该切换器件包括用于在两个位置之间切换电池架的切换装置。在第一位置，电池架连接到电池单元的一极，而在第二位置，电池架连接到安全零电势。借助本发明，可以用成本高效方式极大地增加维修和维护人员的安全性。在操作模式中，电池架连接到电池的一极(负极或者正极)。由此，架电势相对于内部电池单元总是处于限定水平，并且在绝缘体两端的电压被限定为在其电击穿以下的电平。如果架未连接到电池极中的一极，则可以不限定架电势，并且在电池绝缘体两端的电压可能达到很高电平从而引起电池单元中的绝缘体击穿。架的这一电势控制无论架是连接到电池的正极还是负极都以类似方式工作。本发明提供用于控制电池架的电势的手段。该电势控制又实现提供安全工作环境。

本发明也提供一种连接器和断开器设备及有关方法，其中实现与上述优点类似的优点。具体而言，该连接器和断开器设备包括多个电池单元设备且还包括断路器器件。连接器和断开器设备实现电池单元的个别断开。由此可以个别地对电池单元进行维修和维护。

附图说明

图1图示了针对单个电池单元示出的本发明。

图2a图示了在操作状态中的本发明电池设备。

图2b图示了在断开状态中的本发明电池设备。

图3示意地图示了在转换器系统中的本发明电池设备的示例。

图4图示了根据本发明的方法的步骤。

具体实施方式

首先参照图1和图2描述可应用本发明的电池能量储存器的主要布局。电池单元设备1包括电池单元6_i。电池单元6_i又包括电池架(也称为箱或者罩)2和多个串联连接的电池单元3₁、…、3_n。若干这样的电池单元也可以串联和/或并联分组在一起形成电池模块(在图中未示出)。若干电池模块可以串联连接(或者在串联和并联连接的组合中)以形成电池单元6_i，并且电池单元6_i又可以串联连接以形成电池串7。

一个或者多个电池串7在共同母线8a、8b两端并联电连接以向负载(比如电压源转换器(未示出))提供有功功率。例如根据负载的功率水平和电池能量源设备的预期持续时间，适当数目的电池串7并联连接以提供必需功率和能量。在本申请中，电池串7为高压电池串，并且通过添加适当数目的并联连接电池串(在图中图示了仅一个电池串)来满足增加的有功功率需要。各电池串7与负载如电压源转换器并联连接。而且为了实现所需高直流电压，电池串7由必需数目的串联连接单元组成，例如：如果单元电压为4V，则达到40千伏的直流电压将需要串联的10,000个电池单元。

图1图示了本发明的基本原理。如前文提到的那样，电池串7即使在连接到直流母线8a、8b的直流断路器9a、9b关断时仍然将处于高电势。为了消除与对用于高压应用的电池储存器进行维修和维护工作相联系的风险，根据本发明引入切换器件5_i。

切换器件5_i包括用于在P1和P2这两个位置之间切换的切换装置4_i。当切换装置4_i在位置P1这一图中所示位置时，电池单元6_i的电池架2_i连接到电池单元6_i的负极。在主要功能相同时也可以使用一种用于电池单元的在位置P1将电池架2_i连接到电池正极的类似设备，但是这里示出了连接到负极的情况的示例。电池单元6_i的负极经由限流电阻器R(例如1MΩ或者10MΩ的电阻器)连接到切换器件5_i。在原理上无电阻器也可以进行连接，由此将架直接连接到电池极。然而如果在电池单元6_i内有绝缘故障，则这然后可能造成高电流使电池短接并且可能最终地损坏电池单元。高电阻器值将使这样的短路电流限于无害水平。在实践中，电阻器R优选地连接于电池架2_i内(如图2a和2b中所示)，但是在图1中图示为在电池架2_i外。当切换装置4_i在其第二位置P2时，电池架2连接到接地G。

切换器件5_i还包括连接装置，例如用于将切换器件5_i连接到电池架2_i的第一连接装置C1和用于将切换器件5_i连接到电池单元6_i的负极(或者如果使用这一设备则连接到正极)的第二连接装置C2。

切换器件5_i因此包括用于将电池架2_i连接到接地G(即连接到安全零电势)和从接地G(即从安全零电势)断开电池架2_i的装置。

根据本发明的连接器和断开器设备10包括多个切换器件5_i，电池串7的每个电池单元6_i一个切换器件。根据本发明的连接器和断开器设备10还包括连接于各电池单元6_i之间(即从电池单元6_i的一极连接到相邻电池单元6_i+1的相反极等等)的断路器器件A_i。另外，断路器器件A_i也连接于电池串7的两端与电池负载7所连接到的负载之间、即从电池单元6_i的一极连接到负载并且从电池单元6_n的一极连接到负载。

下文将参照图2a和图2b描述根据本发明的连接器和断开器设备10的操作。这些图图示了包括三个电池单元6₁、6₂、6₃的电池串7。然而本发明可以用于如希望和需要一样多的电池单元或者电池模块。

根据本发明，断路器器件A₁、A₂、A₃、A₄分别连接于直流断路器9a与电池串7的第一电池单元6₁之间、第一电池单元6₁与第二电池单元6₂之间、第二电池单元6₂与第三电池单元6₃之间以及第三电池单元6₃与直流断路器9b之间。各电池单元6_i包括前文参照图1描述的切换器件5_i。

图2a图示了当电池串7在操作中时的情况。在各电池单元6_i之间的断路器器件A₁、A₂、A₃、A₄闭合以便串联连接电池单元6_i。直流断路器9a、9b也闭合以便将电池串7连接到直流母线8a、8b。切换器件5₁、5₂、5₃将其相应电池单元6₁、6₂、6₃的负极连接到相应电池架2₁、2₂、2₃，由此保证电势分布安全。也可以使用如下类似设备，该类似设备使切换器件5₁、5₂、5₃将其相应电池单元的正极连接到相应架。

图2b图示了当电池串7处于非操作的断开状态时的情况。在这一状态中可以进行安全的维修和维护工作。在各电池单元6₁、6₂、6₃之间的断路器器件A₁、A₂、A₃、A₄关断以便断开电池单元6₁、6₂、6₃，并且直流断路器9a、9b也关断以便从直流母线8a、8b断开电池串7。切换器件5₁、5₂、5₃被切换以便将各电池单元6₁、6₂、6₃的电池架2₁、2₂、2₃连接到安全零电势。在这一位置，切换器件5₁、5₂、5₃因此实现对每个个别电池单元6₁、6₂、6₃的安全维修和维护工作。注意单独地断开电池单元6₁、6₂、6₃并且可以对各电池单元6₁、6₂、6₃单独地进行维修工作。

如提到的那样，在电池串7中可以有如希望和需要一样多的电池单元或者电池模块，并且各电池单元6_i可以包括以与上述对应的方式连接的切换器件5_i和断路器器件A(i)、A(i+1)。

以同步方式进行在操作模式(图2a)与非操作模式(图2b)之间的切换。无需同时进行切换。也就是说，当应当进入非操作模式时，分别同步切换器件5_i和断路器器件A_i的连接和断开，从而当断路器器件关断时，切换器件应当将电池架2连接到接地。反言之，当应当进入操作模式时，切换器件连接到它们的相应电池单元的负极，然后(如果并非同时)通过闭合断路器器件来串联连接电池单元。

图3图示了根据本发明的电池单元设备1以及连接器和断开器设备10的示例使用。包括串联连接的n个电池单元6_i的电池串7并联连接到电压源转换器12。电压源转换器12连接到三相电力网络15。在该图中，在电池串7的各端示出了与图2a、图2b的直流断路器9a、9b对应的两个直流断路器，但是断路器数目对于本发明并不重要。在该图中，为了使原理清楚而示出了仅一个串，但是对于并联的若干串也将符合相同原理。

为了实现根据本发明的连接器和断开器设备10的同步连接和断开，可设想多个不同解决方案。例如可以利用机械解决方案，其中包括一组连接触点的母线13用于断路器器件A_i。触点被布置成实现连接和断开。母线13被布置成例如借助线性马达14来在两个操作模式之间转变。在第一模式中，连接器和断开器设备10被连接，从而电池串7在操作模式中。具体而言，母线13的触点将各断路器器件A_i连接到图2a中所示操作模式。在第二模式中，连接器和断开器设备10被连接以便提供安全零电势。具体而言，在第二模式中，触点将各断路器器件A_i连接到图2b中所示非操作模式。可以使用其它类型的机电器件而不是母线和线性马达以实现相同效果。

控制系统11控制根据本发明的连接器和断开器设备10的操作。控制系统11包括用于进行切换器件5_i和断路器器件A_i的同步切换的装置，例如软件。控制系统11包括附加功能(例如通过监视相关参数并且在故障条件下提供报警来监控这些功能)和在本领域中已知的附加功能。控制系统11通常也监视和控制电池操作、直流断路器9a、9b以及电压源转换器。

参照图4，本发明也涵盖一种用于操作如上文所述连接器和断开器设备10的方法。该方法包括在操作模式与非操作模式之间切换连接器和断开器设备10的步骤。

在步骤20中，向前述操作模式切换连接器和断开器设备10。向操作模式的切换包括以下子步骤：向前述位置P1切换20a切换器件5₁、…、5_n；并且闭合20b断路器器件A₁、…、A_n+1，由此串联连接电池单元6₁、…、6_n。由此，它们的相应电池单元6₁、…、6_n的负极(或者如果使用这一设备则为正极)连接到它们的相应电池单元6₁、…、6_n的电池架2₁、…、2_n。连接器和断开器设备10现在在操作模式中。

在步骤21中，向非操作模式切换连接器和断开器设备10。向非操作模式的切换包括以下子步骤；关断21a断路器器件A₁、…、A_n+1，藉此使电池单元6₁、…、6_n相互断开；并且将切换器件5₁、…、5_n切换21b到前述位置P2。由此，各相应电池单元6₁、…、6_n的电池架2₁、…、2_n连接到安全零电势、即接地。

优选地以同步方式分别进行操作模式和非操作模式的子步骤20a、20b和21a、21b。

该方法可以包括更多步骤。例如，如果连接器和断开器设备10还包括直流断路器9a、9b，则该方法在闭合断路器器件A_i的步骤之后包括在操作模式中闭合直流断路器9a、9b的附加步骤。

注意直流断路器9A、9b被设计成能够断开操作电流并且在断路器器件A_i关断之前而且也在切换器件5_i切换之前关断。因此，断路器器件A_i无需能够断开高直流电流并且可以相应地被设定尺度。具体而言，可以使用成本更低的部件并且可以提供用于连接器和断开器设备10的成本有效的总成本。

取代了使用机械或者机电断路器以及断开器和连接器设备，在原理上也可以使用半导体切换器件。然而，为了实现电池从转换器的真正电流安全分离和断开以及从串分离电池单元，机械和机电器件为优选解决方案。

Claims (17)

1.一种用于高压应用的电池单元设备(1)，所述电池单元设备(1)包括具有电池架(2_i)的电池单元(6_i)，其特征在于：切换器件(5_i)包括用于在两个位置(P1，P2)之间切换所述电池架(2_i)的切换装置(4_i)，其中第一位置(P1)将所述电池架(2_i)连接到所述电池单元(6_i)的一极而第二位置(P2)将所述电池架(2_i)连接到零电势(G)。

2.如权利要求1所述的电池单元设备(1)，其中所述切换器件(5_i)包括可连接到所述电池架(2_i)的第一连接装置(C1)和可连接到所述电池单元(6_i)的所述极的第二连接装置(C2)。

3.如权利要求1或者2所述的电池单元设备(1)，还包括电阻器(R)，该电阻器在一端连接到所述切换器件(5_i)的连接装置(C2)而在另一端连接到所述电池单元(6_i)的所述极。

4.如权利要求3所述的电池单元设备(1)，其中所述电阻器(R)连接于所述电池架(2_i)内。

5.如权利要求1-4中的任一权利要求所述的电池单元设备(1)，其中所述电池单元(6_i)包括多个串联连接电池单元(3_i)或者串联和并联连接的单元的组合。

6.一种连接器和断开器设备(10)，包括至少两个如权利要求1-5中的任一权利要求所述的电池单元设备(1)，其特征在于：

-第一断路器器件(A₁)，连接到负载(12)和所述至少两个电池单元设备(1)的第一电池单元(6₁)，

-第二断路器器件(A₂)，连接到所述第一电池单元(6₁)和所述至少两个电池单元设备(1)的第二电池单元(6₂)，以及

-第三断路器器件(A₃)，连接到所述第二电池单元(6₂)和所述负载(12)。

7.如权利要求6所述的连接器和断开器设备(10)，其中所述第一断路器器件(A₁)经由直流断路器(9a)连接到所述负载(12)。

8.如权利要求6或者7所述的连接器和断开器设备(10)，其中所述第三断路器器件(A₃)经由直流断路器(9b)连接到所述负载(12)。

9.如权利要求6-8中的任一权利要求所述的连接器和断开器设备(10)，还包括：电池单元(6_i，…，6_n)，经由相应断路器器件(A_i，…，A_n+1)相互串联连接。

10.如权利要求6-9中的任一权利要求所述的连接器和断开器设备(10)，还包括控制装置(11)，用于以同步方式连接所述断路器器件(A₁，…，A_n+1)和所述至少两个电池单元设备(1)的所述切换器件(5₁，…，5_n)。

11.如权利要求6-10中的任一权利要求所述的连接器和断开器设备(10)，其中所述负载(12)包括电压源转换器。

12.如权利要求7或者8所述的连接器和断开器设备(10)，还包括控制所述直流断路器(9a，9b)的控制装置(11)。

13.一种用于操作如权利要求6-12中的任一权利要求所述的连接器和断开器设备(10)的方法，所述方法的特征在于以下步骤：

-在操作时通过以下操作向操作模式切换(20)所述连接器和断开器设备(10)：

-闭合(20b)所述断路器器件(A₁，A₂，A₃)，由此串联连接所述电池单元(6₁，6₂)，并且

-向位置P1切换(20a)所述切换器件(5₁，5₂)，由此将它们的相应电池单元(6₁，6₂)的一极连接到它们的相应电池单元(6₁，6₂)的所述电池架(2₁，2₂)，

在断开时通过以下操作向非操作模式切换(21)所述连接器和断开器设备(10)：

-关断(21a)断路器器件(A₁，A₂，A₃)，由此将所述电池单元(6₁，6₂)相互断开，并且

-向位置P2切换(21b)所述切换器件(5₁，5₂)，由此将各相应电池单元(6₁，6₂)的所述电池架(2₁，2₂)连接到接地。

14.如权利要求13所述的用于操作连接器和断开器设备(10)的方法，其中以同步方式进行在所述操作模式中的所述步骤(20a，20b)。

15.如权利要求13或者14所述的用于操作连接器和断开器设备(10)的方法，其中以同步方式进行在所述非操作模式中的所述步骤(21a，21b)。

16.如权利要求13-15中的任一权利要求所述的用于操作连接器和断开器设备(10)的方法，其中所述连接器和断开器设备(10)还包括直流断路器(9a，9b)，并且所述方法包括在所述闭合所述断路器器件(A₁，A₂，A₃)的步骤之后在所述操作模式中闭合所述直流断路器(9a，9b)的附加步骤。

17.如权利要求13-15中的任一权利要求所述的用于操作连接器和断开器设备(10)的方法，其中所述连接器和断开器设备(10)还包括直流断路器(9a，9b)，并且所述方法包括在所述关断所述断路器器件(A₁，A₂，A₃)的步骤之前在所述非操作模式中关断所述直流断路器(9a，9b)的附加步骤。

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