CN102097821B - 并网能量存储系统以及控制并网能量存储系统的方法 - Google Patents

并网能量存储系统以及控制并网能量存储系统的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种并网能量存储系统以及控制并网能量存储系统的方法。并网能量存储系统可通过测量多个发电模块的产生的功率并且基于测量选择性地操作转换器来提高转换器的效率。

Description

并网能量存储系统以及控制并网能量存储系统的方法
本申请要求于2009年12月15日在韩国知识产权局提交的第10-2009-0125030号韩国专利申请的优先权，该申请全部公开于此以资参考。
技术领域
公开的技术涉及一种与发电系统连接的并网能量存储系统以及控制所述并网能量存储系统的方法，其中，电网对负载供电。
背景技术
最近，已在发展可再生能源技术上投入了更大的兴趣。由于通过可再生能源的使用，可解决化石能源的枯竭和环境问题，因此已在许多国家积极地开展关于可再生能源的研究。特别地，由于太阳能发电系统是通过使用作为可再生能源的太阳能来发电的，并且由于太阳能发电系统不会引起污染，并且几乎不需要维护，因此，太阳能发电系统已引起了大量的关注。这样的可再生能源发电系统通过针对多个发电模块使用一个转换器来转换电能。因此，当每个模块产生的能量的量不同时，转换器的效率就会降低。
发明内容
一个方面在于一种与电网和多个发电模块连接的能量存储系统。所述系统包括：用于将由多个发电模块的每个发电模块产生的电能转换为具有一电压电平的DC电能的多个转换器；与多个发电模块连接的多个串联开关；以及被配置为选择性地将多个发电模块相互连接的多个并联开关。所述系统还包括：被配置为控制多个串联开关和多个并联开关以选择性地将发电模块的每个与至少一个选择的转换器连接的控制器，其中，所述选择的转换器是基于由多个发电模块的每个发电模块产生的功率，从多个转换器中选择的。
另一方面在于一种控制与多个发电模块、电网和负载连接的能量存储系统的方法。所述方法包括：测量由多个发电模块的每个发电模块产生的电能；以及通过控制与多个发电模块的每个发电模块连接的多个串联开关和选择性地将多个发电模块相互连接的多个并联开关来将一个或多个发电模块与选择的转换器连接。所述选择的转换器是基于多个发电模块的产生的功率，从多个转换器中选择的。所述方法还包括：使用选择的转换器将来自一个或多个发电模块的电能转换为具有一电压电平的DC电能。
附图说明
结合附图，通过下面各个实施例的描述，这些和/或其它方面将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
图1是示出根据实施例的并网能量存储系统的示意性框图；
图2是示出根据实施例的将图1的并网能量存储系统的发电系统与转换器连接的开关装置的详细视图；
图3是示出根据实施例的图2的控制器的内部结构的示意性框图；
图4是示出根据实施例的控制并网能量存储系统的方法的示意性流程图。
具体实施方式
参照附图详细地描述特定示例性实施例。在整个说明书中，相同的标号通常表示相同的部件。在描述中，可省略对公知的功能和结构的详细描述以不妨碍对各个发明的方面的理解。特定实施例涉及能够高效使用转换器的并网能量存储系统以及控制所述系统的方法。
图1是示出根据实施例的并网能量存储系统100的示意性框图。
参照图1，并网能量存储系统100(以下，能量存储系统)与发电系统130、电网140连接，并且可对负载150供电。
发电系统130使用能源产生电能，并且将电能输出给能量存储系统100。发电系统130可以是(例如)太阳能发电系统、风能发电系统或潮汐发电系统，并且可以是可再生能源(如太阳能热或地热)。特别地，太阳能电池从太阳光产生电能，并且可容易地被安装在房子或工厂中，因此可与能量存储系统100一起被适当地使用，所述能量存储系统100可被安装在房子中。发电系统130包括并联的多个发电模块1到N，并且每个发电模块产生电能。在一些实施例中，发电系统130是大容量能量系统。
电网140可包括发电站、变电站、电力线等。当电网140在正常状态中时，电网140可对能量存储系统100和/或负载150供电，并且可接收从能量存储系统100供应的电能。当电网140在异常状态时，电网140不会对能量存储系统100或负载150供电，并且能量存储系统不会对电网140供电。
负载150消耗由发电系统130产生的电能、存储在存储装置120中的电能或由电网140供应的电能。负载150可以是(例如)房子或工厂。
能量存储系统100可将由发电系统130产生的电能存储在存储装置120中，将产生的电能发送给电网140、将存储在存储装置120中的电能发送给电网140，并且将由电网140供应的电能存储在存储装置120中。在异常情况期间(例如，在电网140无法供电的停电期间)，能量存储系统100可通过执行不间断供电(UPS)操作来对负载150供电。此外，即使当电网140在正常状态中时，能量存储系统100也可将从发电系统130产生的电能或存储在存储装置120中的电能供应给负载150。
能量存储100可包括：转换器111、双向逆变器112、双向转换器113、综合控制器114、电池管理系统(BMS)115、直流电(DC)链接单元116、以及开关装置117。
转换器111连接在发电系统130和第一节点N 1之间，并且将从发电系统130产生的电能发送给第一节点N1。转换器111的操作可根据发电系统130的类型而改变。当发电系统130是输出AC电能的风能发电系统或潮汐发电系统时，转换器111将发电系统130的AC电能转换成DC电能，并将该DC电能输出给第一节点N1。当发电系统130是输出DC电能的太阳能电池时，转换器111从发电系统130接收DC电能，并且将DC电能供应给第一节点N1。在一些实施例中，转换器111执行最大功率点跟踪(MPPT)控制以根据综合控制器114获得由太阳能发电系统、风能发电系统或潮汐发电系统产生的最大功率。转换器111包括分别与发电系统130的多个发电模块1到N对应的转换器1到N。经由开关装置117可选择性地将转换器1到N与发电模块1到N连接。开关装置117可将发电模块同时连接到至少一个转换器或将发电模块每次连接到一个转换器。
DC链接单元116可连接在第一节点N1和双向逆变器112之间以将第一节点N1的DC电压电平维持在DC链接电平(link level)。由于发电系统130或电网140的瞬时电压骤降或在负载150中产生的峰值负载，在第一节点N1的电压电平可能是不稳定的。然而，对于双向转换器113和双向逆变器112的正常操作，在第一节点N1的电压最好是稳定的。DC链接单元116可稳定在第一节点N1的DC电压电平，并且DC链接单元116可包括电容器。电容器可以是铝电解电容器、聚合物电容或高电压、大电流多层陶瓷电容器(MLCC)。在一些实施例中，可将DC链接单元116形成为单独的部件，但是也可将DC链接单元形成在双向转换器113、双向逆变器112或转换器111中。
双向逆变器112是连接在第一节点N1和电网140之间的电能转换器。双向逆变器112对来自电网140的AC电压进行整流以产生将要存储在存储装置120中的DC电能。双向逆变器112还将来自发电系统130或电池120的DC电压转换为将要被输出给电网140的AC电压。双向逆变器112还可包括用于从将要被输出给电网140的AC电压去除特定频率分量的滤波器，并且双向逆变器112可执行各种其它功能，如限制电压变化、提高功率因数、去除DC分量、防止瞬时现象等。
双向转换器113是连接在第一节点N1和电池120之间的电能转换器。双向转换器113将在第一节点N1的DC链接电压转换为将要存储在电池120中的DC电压，并且将存储在电池120中的电压转换为将要发送给第一节点N1的DC链接电压电平。例如，当从发电系统130产生的DC电能或从电网140供应的AC电能被存储在电池120中时，双向转换器113可操作为用于将第一节点N1的DC链接电压电平调整为电池存储电压的降压转换器。当充入电池120中的电能被供应给电网140或负载150时，双向转换器113可操作为用于将电池存储电压调整为在第一节点N1的DC链接电压电平的升压转换器。
电池120存储从发电系统130或电网140供应的电能。电池120可以是任何各种类型的电池。例如，电池120可以是镍镉电池、铅蓄电池、镍氢电池(NiMH)、锂离子电池或锂聚合物电池。可以形成电池120的多个电池。可基于能量存储系统100中要求的电能容量、设计条件等来确定电池的数量。
BMS 115与电池120连接，并且根据综合控制器114来控制电池120的充电操作和放电操作。经由BMS 115，将放电电流从电池120发送给双向转换器113和将充电电流从双向转换器113发送给电池120。BMS 115还可包括各种特性(如过充保护、过放电保护、过流保护、过压保护、过热保护、电池平衡等)以保护电池120。为此，BMS 115可监控电池120的电压、电流、温度、剩余电量、寿命等，并且将该信息发送给综合控制器114。在一些实施例中，与电池120分离地形成BMS 115，但也可将BMS 115和电池120集成于电池包中。
综合控制器114从电网140接收包括关于电网140的电压、电流、温度等的信息。综合控制器114基于关于电网140的信息来确定在电网140中是否发生了异常情况。当电网140在异常状态中时，综合控制器114将存储在电池120中的电能或由发电系统130产生的电能输出给负载150，并且防止来自能量存储系统100的电能供应给电网140。为此，负载看来不能直接与电网连接，如图1中所示。
综合控制器114控制能量存储系统100的每个组件以将存储在电池120中的电能供应给电网140。能量存储系统100将存储在电池120的电能提供给电网140以免费供应电能或将电能出售给电网140管理实体。
综合控制器114发送控制转换器111、双向逆变器112和双向转换器113的每个的开关操作的脉冲宽度调制(PWM)控制信号。PWM控制信号通过具有根据转换器111、双向逆变器112和双向转换器113的每个的输入电压最佳控制的占空比，将由于转换器111、双向逆变器112和双向转换器113执行的电能转换而产生的损耗最小化。为此，综合控制器114接收与在转换器111、双向逆变器112和双向转换器113的每个输入端感测的电压、电流和温度对应的信号，并且基于感测信号发送转换器控制信号和逆变器控制信号。综合控制器114测量发电系统130的发电模块1到N的每个发电模块的输出功率，并且选择性地将发电模块1到N与转换器111连接。以下将描述关于综合控制器114的选择性地连接转换器111的操作。
图2是示出根据一些实施例的将能量存储系统200的发电系统230与转换器211连接的开关装置的更详细的示图。图3是示出根据一些实施例的图2的控制器214的内部结构的示意性框图。
参考图2，能量存储系统200与太阳能发电系统230连接，但是本发明不限于太阳能发电系统230，因此，能量存储系统200可与另外的发电系统连接。能量存储系统200将由太阳能发电系统230产生的电能存储在电池220中，并且将电能供应给电网240或负载250。
太阳能发电系统230包括多个太阳能电池模块230a、230b和230c，其中，太阳能电池模块根据照射在其上的日照量来输出DC电流。太阳能电池模块230a、230b和230c根据其不同的情况(如太阳辐射、温度和驱动操作点(driveoperating point))而具有不同的输出。太阳能电池模块230a、230b和230c的每个可包括串联的或并联的多个太阳能电池以获得期望的输出。在图2的系统中，示出了3个太阳能电池模块，但是可根据安装位置或设计来形成更多的太阳能电池模块以获得期望量的功率。
转换器211将从发电系统230输出的DC电能转换为期望电压电平的DC电能。转换器211包括分别与太阳能电池模块230a、230b和230c对应的开联的多个转换器211a、211b和211c。在图2中，形成了3个转换器211，但是可形成与发电系统230的数量对应的更多或更少的转换器211。所以，由太阳能电池模块230a、230b和230c的每个输出的电能可被单独地、独立地转换以提高转换器211的电能转换效率。此外，根据由太阳能电池模块230a、230b和230c产生的功率量来控制转换器211a、211b和211c以选择性地进行操作。例如，每个太阳能电池模块根据太阳能电池模块230a、230b和230c的用于产生能量的天气情况、安装位置和安装方向来产生不同量的功率。在这种情况下，当操作与太阳能电池模块230a、230b和230c连接的所有转换器时，转换器的效率就降低了。所以，根据由太阳能电池模块230a、230b和230c产生的功率量来从转换器211a、211b和211c中选择性地操作至少一个转换器以提高转换器的效率。根据太阳能电池模块230a、230b和230c的状态来控制转换器211以遵循最大输出点。
双向逆变器212将从电网240输入的AC电压整流为将被存储在电池220中的DC电压，并且输出DC电压。此外，双向逆变器212将从发电系统230或电池220输出的DC电压转换为将被输出到电网240的AC电压，并且输出AC电压。
双向转换器213将从发电系统230输出的DC电压转换为电池存储电压，并且将电池存储电压转换为将被供应给双向转换器212的DC链接电压电平。
电池220存储从发电系统230或电网240供应的电能。可将电池220和BMS(未示出)集成为电池包。
开关217包括形成于将太阳能电池模块230a、230b和230c与转换器211a、211b和211c串联的线上的串联开关SWa、SWb和SWc；以及用于分别将太阳能电池模块230a与太阳能电池模块230b连接、将太阳能电池模块230b与太阳能电池模块230c连接、将太阳能电池模块230c与太阳能电池模块230a连接的并联开关SW1、SW2和SW3。可根据控制器214中的操作算法来控制串联开关SWa、SWb和SWc和并联开关SW1、SW2和SW3的接通-断开操作。
控制器214根据最大输出点控制转换器211。为此，控制器214测量由太阳能电池模块230a、230b和230c输出的功率量，并且控制转换器211在根据具有各种算法的操作来产生最大输出的操作模式中操作。控制器214经由开关217来将太阳能电池模块230a、230b和230c与转换器211a、211b和211c连接(以这样的方式)来使发电效率最优化。例如，在一些实施例中，控制器214测量由太阳能电池模块230a、230b和230c的每个产生的功率量，并且防止经由开关217的在产生低功率量的太阳能电池模块和转换器211的转换器之间的连接。另外，控制器214将产生低功率量的太阳能电池模块与转换器211中的同一转换器连接，以增加输入到转换器的电能，从而提高转换器的效率并且延长转换器的寿命。此外，控制器214周期性地监控转换器的情况以排除具有故障的转换器(例如，停止运行的转换器)，从而将系统操作中的错误最小化。
参照图3，控制器214包括：发电测量单元301、转换器监控器303、计算器305和开关控制器307。控制器214可与图1中的综合控制器114集成，或可与图1中的综合控制器114分离地形成。
发电测量单元301测量太阳能电池模块230a、230b和230c的每个的输出功率Pout。可周期性地测量输出功率Pout，或可基于情况根据操作者的期望来测量输出功率Pout。
转换器监控器203可周期性地监控并且警告关于转换器211a、211b和211c的操作情况和缺陷。转换器监控器203汇集记录转换器211a、211b和211c的缺陷、更换时间、操作数量和操作时间的数据库，并且周期性或非周期性地更新数据库。
计算器305从发电测量单元301接收由太阳能电池模块230a、230b和230c的每个输出的功率，并且还从转换器监控器203接收关于转换器211a、211b和211c的信息。计算器305基于所述信息将由太阳能电池模块230a、230b和230c输出的功率与参考值进行比较。
开关控制器307基于由计算机305执行的比较来选择至少一个转换器，并且将控制信号输出给开关217来接通与选择的转换器对应的串联开关和并联开关以将太阳能电池模块230a、230b和230c和至少一个选择的转换器连接。例如，可根据转换器的操作时间、转换器的操作数量、转换器的排列顺序、可选的选择等来选择转换器。
图4是根据一些实施例的控制能量存储系统的方法示意性流程图。参照图3和图4描述控制能量存储系统的方法。
在S400中，发电测量单元301测量由发电模块的每个输出的功率，即，输出功率Pout。可周期性地、非周期性地或根据操作者的期望来测量输出功率Pout。
在S410中，计算器305将由太阳能电池模块230a、230b和230c的每个输出的功率量与第一比较值A进行比较。第一比较值A可以是转换器输出最大功率所需的输入功率的百分比(例如，所需输入功率的70％)。
在S420中，如果存在具有比第一比较值A大的输出功率的发电模块，则开关控制器307接通与所述发电模块连接的串联开关。因此，具有比第一比较值A大的输出功率的发电模块经由串联开关与相应的转换器连接，并且连接的转换器转换电能。
在S430中，计算器305将由具有比第一比较值A小的输出功率的剩余太阳能电池模块的每个输出的功率量相加，并且确定该总和是否小于第二比较值B。第二比较值B可以是转换器输出最大功率所需的输入功率的百分比。第二比较值B可以是比第一比较值A大的值(例如，所需输入功率的80％)。
在S440中，如果所述总和小于第二比较值B，则开关控制器307从没有操作的转换器中选择具有短的操作时间的转换器，并且将具有比第一比较值A小的输出功率的发电模块与选择的转换器连接(S440)。为了将具有比第一比较值A小的输出功率的发电模块的每个与选择的转换器连接，接通相应的串联开关和并联开关。
如果所述总和大于第二比较值B，则在S450中，计算器305将由剩余太阳能电池模块中的两个输出的功率量相加，并且将该总和与第二比较值B进行比较。计算器305将由一个发电模块输出的功率量P和由先前发电模块输出的功率P-或由下一个发电模块输出的功率量P+的总和与第二比较值B进行比较。
如果由相邻发电模块输出的功率量的总和小于第二比较值B，则在S460中，开关控制器307将该相邻的两个发电模块与在没有操作的转换器中具有短的操作时间的转换器连接。为了将所述相邻的两个发电模块的每个与选择的转换器连接，接通相应的串联开关和并联开关。当P和P-的总和以及P和P+的总和都小于第二比较值B时，转换器可选择功率量的总和更接近第二比较值B的模块。
如果由相邻发电模块输出的功率量的总和大于第二比较值B，则在S470中，开关控制器307将所述相邻发电模块的每个与相应的转换器连接。那么，接通与所述相邻发电模块的每个连接的串联开关。
在一个示例中，如果仅太阳能电池模块230a的输出功率P1大于第一比较值A，则接通串联开关SWa。将剩余的太阳能电池模块230b和230c的输出功率P2和P3相加。当P2+P3的总和小于第二比较值B时，将太阳能电池模块230b和230c与在转换器211b和211c中具有短的操作时间的转换器(例如，转换器211b)连接。所以，接通串联开关SWb和并联开关SW2。如果太阳能电池模块230b和230c的P2+P3的总和大于第二比较值B，则接通串联开关SWb和串联开关SWc。
在另一示例中，当由太阳能电池模块230a、230b和230c输出的功率量都小于第一比较值A时，将由太阳能电池模块230a、230b和230c输出的功率量都相加。当P1+P2+P3的总和小于第二比较值B时，太阳能电池模块230a、230b和230c与在转换器211a、211b和211c中具有短的操作时间的转换器(例如，转换器211b)连接。所以，接通串联开关SWb和并联开关SW1和SW2。如果太阳能电池模块230a、230b和230c的输出功率的P1+P2+P3的总和大于第二比较值B，则将太阳能电池模块230a、230b和230c的输出功率相加。如果P1+P2的总和大于第二比较值B并且P2+P3的总和小于第二比较值B，则太阳能电池模块230b和230c与在转换器211a、211b和211c中具有短的操作时间的转换器211b连接。所以，接通串联开关SWb和并联开关SW2。剩余大阳能电池模块230a可经由串联开关SWa与转换器211a连接，或可等待直到下一次测量功率的产生。当P1+P2的总和以及P2+P3的总和都大于第二比较值B时，太阳能电池模块230a、230b和230c分别经由开关SWa、SWb和SWc与转换器211a、211b和211c连接。当P1+P2的总和以及P2+P3的总和都小于第二比较值B时，选择具有与第二比较值B接近的总和(即P1+P2的总和)的模块，并且将选择的模块与在转换器211a和211b中具有短的操作时间的转换器211b连接。所以，接通串联开关SWb和并联开关SW1。可将模块230c连接到转换器211a或211c，或可等待直到下一次测量功率的产生，并且这些连接是可选的。
如上所述，根据以上的一个或多个实施例，并网能量存储系统包括多发电模块和多个转换器，从而能够单独地、独立地操作转换器。
此外，并网能量存储系统包括在发电模块和转换器之间连接的多个串开关和在发电模块之间连接的多个并联开关，以基于由发电模块产生的电选择性地操作转换器，从而提高转换器的效率。
虽然已经参照示例性实施例具体显示和描述了各个发明的方面，但是领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (15)

1.一种与电网和多个发电模块连接的能量存储系统，所述系统包括：
多个转换器，用于将由多个发电模块的每个产生的电能转换成具有一电压电平的DC电能；
多个串联开关，与多个发电模块连接；
多个并联开关，被配置为选择性地将多个发电模块相互连接；
控制器，被配置为控制多个串联开关和多个并联开关以选择性地将发电模块的每个与至少一个选择的转换器连接，其中，选择的转换器是基于由多个发电模块的每个产生的功率从多个转换器中选择的，
其中控制器包括：
发电测量单元，被配置为测量由多个发电模块的每个产生的功率；
计算器，被配置为将产生的功率的每个与一个或多个参考值进行比较；
开关控制器，被配置基于比较为将控制信号输出给并联开关和串联开关来将发电模块的每个与选择的转换器连接，
其中，如果具有比第一参考值小的产生的功率的发电模块的产生的功率的总和大于第二参考值，并且如果具有比第一参考值小的产生的功率的两个发电模块的产生的功率的总和小于第二参考值，则开关控制器被配置为接通相应的串联开关和并联开关以将所述两个发电模块与另一选择的转换器连接。
2.如权利要求1所述的系统，其中，选择的转换器具有最短操作时间。
3.如权利要求1所述的系统，其中，开关控制器还被配置为选择性地接通与具有比第一参考值大的产生的功率的发电模块连接的串联开关。
4.如权利要求1所述的系统，其中，如果具有比第一参考值小的产生的功率的发电模块的产生的功率的总和小于第二参考值，则开关控制器还被配置为接通串联开关和并联开关以将具有比第一参考值小的产生的功率的发电模块与另一选择的转换器连接。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述两个发电模块相邻。
6.如权利要求1所述的系统，其中，如果具有比第一参考值小的产生的功率的发电模块的产生的功率的总和大于第二参考值，并且具有比第一参考值小的产生的功率的两个发电模块的产生的功率的总和大于第二参考值，则开关控制器还被配置为接通分别与所述两个发电模块连接的两个串联开关。
7.如权利要求1所述的系统，其中，发电模块包括：太阳能电池。
8.如权利要求1所述的系统，还包括：
电池；
一个或多个第二转换器，被配置为将来自电网的电能或来自多个发电模块的电能充入所述电池。
9.一种控制与多个发电模块、电网和负载连接的能量存储系统的方法，所述方法包括：
测量由多个发电模块的每个产生的功率；
通过控制与多个发电模块的每个连接的多个串联开关和选择性地将多个发电模块相互连接的多个并联开关来将一个或多个发电模块与选择的转换器连接，其中，选择的转换器是基于多个发电模块的产生的功率从多个转换器中选择的；
使用选择的转换器将来自一个或多个发电模块的电能转换成具有一电压电平的DC电能；
将产生的功率的每个与参考值进行比较；
基于比较将控制信号输出给串联开关和并联开关，使发电模块的每个与选择的转换器连接，
其中，确定具有比第一参考值小的产生的功率的发电模块的产生的功率的总和是否小于第二参考值，
如果具有比第一参考值小的产生的功率的发电模块的产生的功率的总和大于第二参考值，则确定具有比第一参考值小的产生的功率的两个发电模块的产生的功率的总和是否小于第二参考值；
如果所述两个发电模块的总和小于第二参考值，则接通串联开关和并联开关以将所述两个发电模块与另一选择的转换器连接。
10.如权利要求9所述的方法，其中，选择的转换器在多个转换器中具有最短操作时间。
11.如权利要求9所述的方法，其中，控制信号还接通与具有比第一参考值大的产生的功率的发电模块连接的串联开关。
12.如权利要求9所述的方法，其中，
如果产生的功率的总和小于第二参考值，则接通串联开关和并联开关以将具有比第一参考值小的产生的功率的发电模块与另一选择的转换器连接。
13.如权利要求9所述的方法，其中，所述两个发电模块相邻。
14.如权利要求9所述的方法，其中，
如果所述两个发电模块的产生的功率的总和大于第二参考值，则接通分别与所述两个发电模块连接的两个串联开关。
15.如权利要求9所述的方法，还包括：将来自电网的电能或来自多个发电模块的电能充入电池。
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