CN102077454A - 电池能量源装置和电压源转换器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力网络，且特别涉及在这样的网络中的电池能量源装置4和电压源转换器系统。电池能量源装置包括：电池能量储存器2，该电池能量储存器2继而包括一个或多个并联连接的电池串51，…，5i，…，5n；以及连接装置，用于将所述电池串51，…，5i，…，5n的电压连接到负载1。电池能量源装置4还包括电池串电压适配器装置71，…，7i，…，7n，其与所述一个或多个电池串51，…，5i，…，5n中相应的一个串联连接，其中所述电池串电压适配器装置71，…，7i，…，7n设计为仅处理由所述电池串51，…，5i，…，5n所处理的电压的一部分。

Description

电池能量源装置和电压源转换器系统
技术领域
本发明一般性地涉及输电网络的领域，并且特别涉及输电网络中的有功功率支持。
背景技术
STATCOM(静态补偿器，STATic COMpensator)基于电压源转换器(VSC)技术，并且可以用于向输电网络提供无功功率支持。STATCOM能够产生或吸收无功功率，从而可以用于控制网络内的无功功率。
能够不仅控制无功功率还能注入或吸收也称为有效功率的有功功率，有时候是有利的。因此，STATCOM在其DC侧上配备有能量源，以便在向网络生成的无功功率之外还提供一些有功功率。例如，有效功率可以在网络中发生能量不足时用作储备能量源，或者用作为管理网络中的瞬态和电磁振荡的控制功率。能量源例如可以包括传统电容器、超级电容器或者电化学电池。
图1示出了基本STATCOM装置或者电压源转换器系统，其具有在其DC侧的有功功率源，其中示出的例子中的能量源包括多个并联连接的电池串2。每个电池串2包括多个电池模块并且每个电池模块又包括多个电池电芯。STATCOM 1还以传统方式通过变压器(未示出)连接到电力网络3，以将变压器电压适配到网络电压并提供电流隔离。
通常，当电化学电池用作能量源时，必须将很多数量的电池模块串联连接以匹配STATCOM的DC电压。此外，为了获得期望的有功功率和电池能量存储的持续时间，通常必须并联连接多个电池串，如图所示。STATCOM DC电压受到控制并且所有并联连接的电池串连接到该受控电压。
在电池能量储存器的工作期间，电芯不同地老化。此外，一些电芯可能已经故障并且为了继续工作，电池串中电池模块的一个或多个损坏电芯将被旁路。此外，一些老化的电池模块将由新模块替换。对于具有低内部电阻的电池，小电压偏移将导致电荷重分布。当电池能量储存器中具有最低性能的电池电芯占主导时，整个电池能量储存器的性能将被降低。
因此，以降低的电池串充电电压的代价完成对一个或多个故障电池电芯的旁路。另一个解决方案是旁路整个电池串，但是这将需要过大电池和额外电池串的形式的甚至更大的容量冗余度，以满足在所有时候的容量要求。因此，今天并联连接的电池串并未以最佳方式运行。
有鉴于此，提供处理故障电池电芯和/或电池串的改进方式将是期望的。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种有功功率源，并且特别是电池能量源装置，其用于负载，特别是电压源转换器，其中克服了或者至少减轻了上述缺点。
本发明的特定目的之一是提供一种用于电压源转换器的电池能量源装置，其中从有功功率源获得最大效能，从而提供其优化的操作。
本发明的另一目的是提供一种用于电压源转换器的电池能量源装置，其中防止了由于个别的电池电芯的性能变化引起的电压差。
本发明的再一目的是提供一种用于电压源转换器的电池能量源装置，其中最大化电池能量源的使用寿命。
本发明的又一目的是提供一种成本有效的电池能量源装置。
除其他外，这些目的是通过所附独立权利要求中要求保护的电池能量源装置和电压转换器实现的。
根据本发明，提供一种改进的电池能量源装置。电池能量源装置包括电池能量储存器，该电池能量储存器继而包括一个或多个并联连接的电池串。该电池能量源装置还包括连接装置，用于将所述电池串的电压连接到负载比如电压源转换器。电池能量源装置的特征在于电池串电压适配器装置，其与所述一个或多个电池串中相应的一个串联连接。电池串电压适配器装置被设计为仅处理由所述电池串处理的电压的一部分。通过本发明，可以以优化的方式提供有功功率。实现了电池能量储存器的最大效能，以及可完全加载的电池能量储存器。防止了由于电池能量储存器的个别电芯的变化而导致的电压差，从而延长了电池能量储存器的使用寿命。此外，通过本发明，与现有技术相比，可以更快地断开并联连接的电池串。更进一步，借助于本发明，可以延长用于断开电池串的断路器的使用寿命，因为每个电池串中的电流可以在断开每个电池串的断路器之前被控制到零。由于电池串电压适配器装置被设计为能够仅处理总负载电压的一部分，所以可以以最成本有效的方式设计和定制电池串电压适配器装置的规格。
根据本发明的一个实施方式，电池串电压适配器装置被布置为向其相应的电池串添加某一电压，以便优化所述电池串的电压电平。在一实施方式中，优化包括在一个或多个包括电池串电压适配器装置的电池串中的每一个上提供相等的电压。从而最大化电池能量储存器的使用寿命。特别是，电池串电压适配器装置可以包括用于添加电压的装置，该电压等于受控负载电压和实际电池串电压之差。
根据本发明的一个实施方式，电池串电压适配器装置包括传统H桥，这提供成本有效的解决方案。
根据本发明的另一实施方式，电池串电压适配器装置还包括过电压/短路电流保护装置。从而以传统方式保护电池串电压适配器装置的电路以抵抗电池串中的过电压和短路电流。
其他实施方式在从属权利要求中限定。
本发明还涉及包括电压源转换器和电池能量源装置的电压源转换器系统，由此实现了类似于上述的优点。
附图说明
图1示出现有技术的装置。
图2示出根据本发明的用于电压源转换器的电池能量源装置的实施方式。
图3示出根据本发明的电池串电压适配器装置的实施方式。
图4示出根据本发明的电池串电压适配器装置的另一实施方式。
具体实施方式
图2示出本发明的实施方式。贯穿全部附图，相同的附图标记用于相同或相应的部件。
根据本发明的电池能量源装置4包括与电压源转换器1并联连接的连接装置，并且还包括电池能量储存器2，其优选包括锂离子电池；以及电池串电压适配器装置7i，在下文标为适配器装置7i。
电池能量储存器2包括跨公共母线10a、10b并联电连接的一个或多个电池串51，…，5i，…，5n。每个电池串51，…，5i，…，5n包括串联连接的电池模块，其中每个电池模块包括具有任何适当的标称单独电压(例如3，4伏)的电池电芯6。此外，任何适当数量的电池电芯6可以串联电连接，给出电池模块适当的标称电压，例如624V。几个串联连接的电池模块构成电池串5i以提供例如10kV到80kV DC或者更高，这取决于例如电池能量源装置4所连接的负载的功率水平以及期望的电池能量源装置4的持续时间。几个电池串51，…，5i，…，5n可以并联连接以提供必要的功率和能量。
在本申请中，电池串5是高压电池串，并且可以通过添加适当数量的并联连接电池串来满足增加的有功功率需求。每个电池串51，…，5i，…，5n与电压源转换器1并联连接。
如上所述，电池能量源装置4还包括适配器装置71，…，7i，…，7n，每个电池串51，…，5i，…，5n一个。适配器装置71，…，7i，…，7n与每个相应的电池串51，…，5i，…，5n串联连接。特别是，适配器装置7i优选通过DC断路器
Figure BPA00001279900300051
与电池串5i连接。适配器装置7i还连接到本地DC母线9a、9b。适配器装置71，…，7i，…，7n提供对电池能量储存器2的优化操作，这将在下文中描述。
适配器装置7i被布置为在需要时向其所连接的电池串5i添加电压Δui。每个电池串51，…，5i，…，5n具有其自己的适配器装置71，…，7i，…，7n。如果电池串5i的一个或多个电池电芯6故障，它们可以通过任何已知的旁路装置(未示出)而被旁路。用于包括故障的且被旁路掉的电池电芯6的电池串5i的适配器装置7i接着向电池串5i添加适当的电压Δui。电压Δui选择为使得电池串电压u串，i最佳，例如，在提供最大效果并使得电池串5i能够被完全加载的意义上最佳。
所有电池串51，…，5i，…，5n优选具有相同的电池电流值。从而所有的电池将在同时被完全充电并也完全放电。然而，由于不同的理由，例如故障的电芯，电池串51，…，5i，…，5n对于相同的电流水平具有不同的电压电平。因此，适配器装置7i连接到每个电池串5i以便适配相应的电池串7i的电压电平。
为了提供成本有效的设计，适配器装置71，…，7i，…，7n之间的电压电势优选大致相同。用本地DC母线9a、9b将所有适配器装置71，…，7i，…，7n连在一起。所有适配器装置71，…，7i，…，7n还连接到母线10a、10b的正母线10a或者负母线10b，其中母线将电池串连接到负载，诸如电压源转换器1。适配器装置71，…，7i，…，7n中每一个的本地能量储存器(例如电容器)有限，并且本地DC电压母线9a、9b在本发明的一实施方式中用于在适配器装置71，…，7i，…，7n之间传递能量。
更具体地，为了保持本地DC母线布置9a、9b的电压电平恒定，所有适配器装置71，…，7i，…，7n的总功率应当为零。假定电池串51，…，5i，…，5n的电流相等，并给出：
i串1＝i串2＝…＝i串n
所有电池串51，…，5i，…，5n的平均电压应当等于来自电压源转换器1的受控的DC电压Udc：
Figure BPA00001279900300061
因此应当根据下式来设定添加的电压Δui：
Δu1＝Udc-U串1
Δu2＝Udc-U串2
Δun＝Udc-U串n
电压Δui由示意性地以附图标记12示出的控制系统控制。控制系统12从系统的不同部分提取数据，例如电池串的电压和电流以及电压源转换器电压。
控制系统12包括用于执行单独的电池串51，…，5i，…，5n的电压适配的软件和算法。特别是，控制系统12包括用于确定单独的电池串电压的装置和用于控制单独的电池串电压使其便为最佳的装置，例如通过实施利用上述等式的算法的软件来执行。算法可以被编程以用于优化电池串51，…，5i，…，5n的电压，使得实现在每个电池串51，…，5i，…，5n以及它们对应的适配器装置上相等的电压：U1+Δu1＝…＝U串i+Δui＝…＝Un+Δun。例如，使得添加的电压Δu1，…，Δui，…Δun等于受控负载电压Udc和实际电池串电压之差。
图3示出根据本发明的适配器装置7i的实施方式。适配器装置7i只需要处理电池串5i处理的电压的一部分，并且可以相应地选择部件。示出的适配器装置7i包括H桥，其以传统方式具有四个开关元件。可以使用标准的H桥设计。特别是，H桥具有两相支路，每个支路具有串联连接的两个阀。每个阀由可控功率半导体构成，例如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，IGCT(集成门极换流晶闸管)或者IGBT(绝缘栅双极晶体管)以及反向并联二极管。与两相支路并联的电容器以这样的方式连接，使得形成具有低电感的回路。为了实现根据本发明的功能，H桥的两相支路之一的两个阀之间的中点被连接到正母线10a，而H桥中的另一相支路的中点通过电抗器被连接到电池串的正端子。此外，为了实现根据本发明的功能，上述的连接对于每个并联电池串进行重复。从而所述实施方式包括与并联连接的电池串的数量一样多的H桥。在控制系统12中可以采用和实施几种方法来控制阀。然而，H桥的所有电容器的总规格应当选择为使得在本地DC母线9a、9b上产生的电压变化是可接受的。
适配器装置7i优选是自支持的，即不需要外部电源。在上述实施方式中，可以借助于来自控制系统12的信号阻断适配器装置7i，以便加载适配器装置的电容器。从而不需要外部电压源。
图4示出用于本发明的适配器装置的另一实施方式。特别是，为了保护适配器装置以抵抗电池串中的过电压和短路，优选使用保护电路11来处理过电压和短路电流。可以使用任何适当的保护电路11设计。
在图2中，传统DC断路器
Figure BPA00001279900300071
被示为连接到电池串5i的正极和负极，并且连接到正和负DC母线10a、10b。DC断路器
Figure BPA00001279900300072
针对每个电池串5i两个，被布置为连接和断开电池串5i。根据本发明的适配器装置7i提供的额外优点之一在于：每个电池串5i中的电流可以在每个相应电池串的DC断路器
Figure BPA00001279900300073
被断开之前被控制到零。因此，可以延长DC断路器
Figure BPA00001279900300074
的使用寿命。特别是，可以阻断特定电池串5i的适配器装置7i，并且当流过特定电池串的电流为零时，可以容易地断开电池串。
替换地，可以最小化用于断开电池串5i的时间。在现有技术中，通过将转换器3的DC电压适配到第一电池串5i而断开电池串，并接着断开DC断路器
Figure BPA00001279900300075
然后这一过程对于每个电池串重复一遍。借助于创新的电池能量源装置4，可以通过控制电池串电流并接着同时断开DC断路器
Figure BPA00001279900300076
实现极大的时间节约。
本发明提供的另一优点在于：可以比现有技术方案更快地将电池串连接到工作状态中。更具体地，当从其负载例如电压源转换器断开电池串时，可以将它们彼此连接。从而电池串和它们相应的适配器装置的电压可以被重新分配，并且所有电池串和它们相应的适配器装置可以加载到相同的电平。使得电池串同样地加载继而使得能够快速连接到工作状态，即连接到电压源转换器。
本发明提供的又一优点在于：可以容易地检测到电池串的短路。特别是，如果本地DC母线上的电压包括突然增加，这可以看作一个或更多故障电池串的指示。然后，可以快速采取适当的动作。还可以确定哪个电池串正发生故障。这可以通过测量每个电池串中的电流而实现，原因在于短路电池串具有增加的电流。
应当注意，本发明的适配器装置7i只需要能够处理总负载电压的一部分，例如百分之几。例如，如果电池串5i的规格被定制为大约80kV的电压，那么适配器装置7i的规格可确定为处理例如大约1-3kV的电压。因而，可以以最成本有效的方式相应地定制适配器装置的规格。
还注意到，有可能在不同电池串中利用不同电流。特别是，电池串可以具有不同容量或者不同类型，因此还可以使用不同载荷的电池源，从而提供成本有效的解决方案，其中无需要不必要地丢弃电池串。
根据本发明的电压源转换器系统包括如上所述的电压源转换器1和电池能量源装置4。
尽管未在图中示出，附加的DC电源可以与这样的电压源转换器系统的电压源转换器1并联连接。传统使用的一种这样的附加DC电源是电容器装置。

Claims (15)

1.一种电池能量源装置(4)，包括：电池能量储存器(2)，该电池能量储存器继而包括一个或多个并联连接的电池串(51，…，5i，…，5n)；以及连接装置，用于将所述电池串(51，…，5i，…，5n)的电压连接到负载(1)，其特征在于电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)，其与所述一个或多个电池串(51，…，5i，…，5n)中相应的一个串联连接，其中所述电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)被设计为仅处理由所述电池串(51，…，5i，…，5n)处理的所述电压的一部分。
2.根据权利要求1所述的电池能量源装置(4)，其中所述电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)被布置为向相应的电池串(51，…，5i，…，5n)添加电压(Δu1，…，Δui，…，Δun)，以便优化所述电池串(51，…，5i，…，5n)的电压电平。
3.根据权利要求2所述的电池能量源装置(4)，其中所述优化包括在所述一个或多个电池串(51，…，5i，…，5n)中的每一个以及它们相应的电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)上提供相等的电压。
4.根据权利要求1、2或3所述的电池能量源装置(4)，其中所述电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)包括用于添加电压(Δu1，…，Δui，…，Δun)的装置，该电压(Δu1，…，Δui，…，Δun)等于受控负载(1)电压(Udc)和实际电池串(51，…，5i，…，5n)电压之差。
5.根据任一前述权利要求所述的电池能量源装置(4)，其中所述电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)被布置为由控制系统(12)控制。
6.根据权利要求5所述的电池能量源装置(4)，其中所述控制系统(12)包括用于优化每个所述电池串(51，…，5i，…，5n)的电压电平的算法。
7.根据任一前述权利要求所述的电池能量源装置(4)，其中所述电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)包括H桥。
8.根据权利要求7所述的电池能量源装置(4)，其中所述电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)是自支持的。
9.根据权利要求7或8所述的电池能量源装置(4)，其中所述电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)还包括过电压和短路电流保护装置(11)。
10.根据任一前述权利要求所述的电池能量源装置(4)，其中所述电池能量源装置(4)布置用于高电压应用。
11.根据任一前述权利要求所述的电池能量源装置(4)，其被布置为连接到电压源转换器(1)。
12.一种电压源转换器系统，包括电压源转换器(1)和根据任一前述权利要求所述的电池能量源装置(4)，其中所述电池能量源装置(4)布置为与电压源转换器(1)并联连接。
13.根据权利要求12所述的电压源转换器(1)，其中所述电池能量源装置(4)和所述电压源转换器(1)跨公共母线(10a、10b)连接。
14.根据权利要求12或13所述的电压源转换器(1)，其中所述电压源转换器(1)可连接到高压电力网络(3)。
15.根据权利要求12、13或14所述的电压源转换器(1)，其中所述电池串电压适配器装置(71，…，7i，…，7n)布置为连接到本地母线(9a、9b)，该本地母线(9a、9b)继而被布置为连接到所述公共母线(10a、10b)并连接到所述电池能量源装置(4)的所述电池串(51，…，5i，…，5n)。
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