CN102118065A - 用于高压电力系统的模块化储能设备 - Google Patents

Abstract

提供一种用于高压电力系统的模块化储能设备，其包括至少两个串联连接的模块，每个模块包括至少一个封闭在容器中的直流电源单元以及正端子和负端子，并且所述设备还包括正电极和负电极、布置用以在所述正电极与负电极之间形成电流路径的第一导体和第二导体，所述第一导体包括多个导体部分，连接到所述模块的端子，用以提供所述模块的串联连接，所述模块的串联连接的第一模块连接到所述电极中的一个电极，并且所述第二导体连接在模块的所述串联连接中的最后一个模块与另一所述电极之间，其中所述第一导体和第二导体被布置成平行地穿过所述容器，从而使电流在第一方向上流经所述第一导体并且在与所述第一方向相反的第二方向上流经所述第二导体。

Description

用于高压电力系统的模块化储能设备

技术领域

本发明涉及包括有至少一个封闭在容器中的直流电源单元的、用于高压电力系统的模块化储能设备。“高压电力系统”应当理解为在3kV及以上范围内、优选地在10kV及以上范围内的电气系统。“储能设备”应当理解为应在3kV及以上范围内的串联连接的直流电源构件。一个或多个并联连接的储能设备可以例如经由能够控制无功功率和/或有功功率的电源装置连接到所述电力系统。电源装置的示例有功率补偿器和不间断电源(UPS)。

背景技术

在灵活的交流输电系统(FACTS)中已知有多种控制装置。一种这样的FACTS装置为静态补偿器(STATCOM)。STATCOM包括电压源转换器(VSC)，所述电压源转换器具有连接到高压电力系统的交流侧和连接到如电容器之类的临时电力储存装置的直流侧。STATCOM可以向输电线路供应无功功率或者从其吸收无功功率。

相对于仅对无功功率做出补偿的STATCOM，另一概念是将直流电源连接到紧凑型STACOM，并因此能够执行有功功率补偿。所述构造可以例如用作热备用，并且用于对电力系统中波动的能量水平做出补偿。

当今的直流电源为高压电池。由于电源装置与高压电力系统的交流电压相连，所以需要串联连接大量的电池单元来匹配电源装置的直流电压。另外，为了获得储能的所需量的电能(有功功率的持续时间)，可以将若干个包括有多个电池单元的串并联连接起来。通常将第一导体和电池本身放置在距第二导体的一定距离处。由于导体常包括非隔离的金属母线，所以这一安全距离对于防止导体的意外的同时接触是很重要的。

此外，在出现诸如短路之类故障的情况时，电源装置需要受到保护。因此，在每个串中提供有两个开关，用以在转换器、串或者串的一部分出现短路的情况时将串断开。一个开关能够将串从转换器的正直流导轨断开，而另一开关能够将串从转换器的负直流导轨断开。为了能够保护电源装置，每个开关的额定值都需要适合于整个转换器电压。

到目前为止，已经使用了机械式直流断路器作为用于串的连接和断开的开关。然而，直流断路器的可用性是受限的，并且这些断路器的额定值相当低并且小于在高压电力系统中所需的电压额定值。为了克服这个问题，已经使用了具有一些附加电路(如与交流断路器并联连接的谐振电路)的机械式交流断路器。

与机械式断路器不同，固态开关是不包括移动部件的电子开关。在市场上存在对能够用如WO/2009/152849中所提出的固态开关替换机械式交流断路器的期望；在WO/2009/152849中固态开关分布在直流电源单元之间。然而，高压电力应用需要大型电气母线构造，而这不可避免地导致高环路电感。环路电感在开关转换期间对电流导数(di/dt)的限制器。由于固态开关的关闭远快于机械式断路器的关闭，因此大环路电感意味着在电气母线构造中的高能量存储，而在快速间断中这种能量将表现为跨开关的电压尖峰(见公式1和公式2)。这种电压尖峰将具有致命的效应并毁坏开关。

$E_L=\frac{1}{2}{\mathrm{LI}}^2---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{switch}}=L\·\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

一种用以降低跨断路器的高电压尖峰的已知解决方案是使用附加的装置，如与断路器相连的不同种类的缓冲电路和变阻器。然而，这样的附加装置是昂贵的。

发明内容

克服或者至少减轻上述问题是本发明的一个目的。特别地，提供用于高压电力系统的经改进的储能设备是本发明的一个目的。

根据本发明的一个方面，这一目的是通过如权利要求1中所限定的模块化储能设备来实现的。

根据本发明的用于高压电力系统的模块化储能设备的特征在于：其包括至少两个串联连接的模块，每个模块包括至少一个封闭在容器中的直流电源单元以及正与负端子，并且所述设备还包括正与负电极、布置用以在正与负电极之间形成电流路径的第一和第二导体，第一导体包括多个导体部分，与模块的端子相连用以提供模块的串联连接，模块的串联连接的第一模块连接到电极中的一个，而第二导体则连接在模块的串联连接的最后一个模块与另一电极之间，其中第一和第二导体被布置成平行地穿过容器，从而使电流在第一方向上流经第一导体并且在与第一方向相反的第二方向上流经第二导体。

伴随根据本发明的模块化储能设备的一个优点是，通过将第一和第二导体布置成平行地穿过容器，导体之间的距离将会缩短，从而导致减小的环路电感，并且因此在断开储能设备时跨开关将表现出减小的电压尖峰(见公式2)。作为结果，断开固态开关的额定值可被降低。一个另外的优点是最小化了对缓冲电路和变阻器的需要，至少可以显著地降低其额定值。附加的优点在于：储能设备是紧凑的、模块化的并且具有灵活的设计。

“直流电源单元”是指多个串联和/或并联连接的直流电源构件。“直流电源构件”是指能够提供直流电源的小型实体，如电池单元、光伏电池、燃料电池、飞轮或超级电容器。在直流电源中也可以结合不同类型的直流电源构件。

在本发明的一个实施方式中，导体中的至少一个导体包括绝缘电缆。伴随绝缘电缆的使用的一个优点是，自动地实现了导体的电气绝缘。因此可以将导体以相距彼此非常短的距离或者甚至面贴面地放置，以最小化储能设备的环路电感。附加地，导体与容器之间的绝缘将得到改善。另外一个优点是，由于电缆绝缘防止有人意外接触导体，所以安全度会提高。

在本发明的一个实施方式中，两个导体都包括绝缘电缆。伴随绝缘电缆的使用的一个优点是，自动地实现了导体的电气绝缘。因此可以将导体以相距彼此非常短的距离或者甚至面贴面地放置，以最小化储能设备的环路电感。另外，导体与容器之间的绝缘将得到改善。一个附加的优点是，当两个导体都包括隔离的电缆时需要较少的隔离。

在本发明的一个实施方式中，第一导体包括在以下表示为围绕第二导体的“管”的金属管。例如，第二导体为电缆。伴随这一实施方式的一个优点是，环路电感相比于平行导体将会较小。相应地，可以进一步降低缓冲电路额定值、变阻器额定值和固态开关额定值。这一实施方式还由于第二导体被第一导体封闭的原因而最小化模块短路的风险。这一解决方案还提供容易的安装程序，其中可以容易地将标准绝缘高压电缆从管中推过以形成电流的返回路径。

在本发明的一个实施方式中，第二导体包括第二管，其被布置成具有距第一导体的管有一段距离的包络面，从而在管之间实现电气绝缘。伴随这一实施方式的一个优点是，最小化了铜的使用。

在一个实施方式中，每个模块提供在1-10kV、优选地在2kV与5kV之间或者大约3kV的直流电压。可以将储能设备的尺度定为适用于10kV到100kV之间、或者甚至100kV以上的电压。在一个实施方式中，每个电池单元提供50与1000伏之间，如100伏以上并且/或者500伏以下，特别是150与350伏之间或者大约250伏。十二个250伏电池单元产生3kV的模块电压。每个模块优选地包括三个以上的电池单元，如五个或七个以上的单元，或者十个以上的单元，例如十二个电池单元或者更多。

在本发明的一个实施方式中，第一和第二导体的包络面之间的距离不超过20cm。

并联连接的一个或多个储能设备可以例如经由能够控制无功功率和/或有功功率的电源装置连接到电力系统。电源装置的示例有功率补偿器和不间断电源(UPS)。

附图说明

将参照附图以举例的方式对本发明进行更为充分地描述，在附图中：

图1示出根据本发明的第一实施方式的示意图，

图2示出根据本发明的第二实施方式的示意图，

图3更详细示出第二实施方式的第一和第二导体。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施方式的、用于高压电力系统的模块化储能设备1。高压电力系统可以是用于传输或分配电能以及用于工业、医院等的网络。在所有附图中为相同或相应的部件使用了相同的参考标记。模块化储能设备包括两个或多个串联连接的模块。图1中所示的储存设备1具有三个模块3a-3c。然而，模块的数量可以少于或多于三个。每个模块3a-3c包括至少一个封闭在容器7中的直流电源单元5以及正端子9a、10a和负端子9b、10b。直流电源单元的数量可以变化。设备1还包括：正电极12和负电极11；第一导体14，其形式为绝缘电缆，该电缆包括多个绝缘电缆部分15a-15c，连接到模块3a-3c的端子9a-9b、10a-10b，用以提供模块3a-3c的串联连接；以及第二导体17，其形式为绝缘电缆，该电缆连接到模块3a-3c的串联连接中的最后一个模块3c的负端子10b。备选地，第二导体17可以连接到模块3a-3c的串联连接中的第一模块3a的正端子9a。诸如开关(未示出)和直流电源单元5之类的串联装置设备与形式为绝缘电缆的导体部分23串联连接，从而闭合经过第一绝缘电缆14和第二绝缘电缆17的正电极12与负电极11之间的电流路径。第一绝缘电缆14和第二绝缘电缆17被布置成平行地穿过容器7，从而使电流在第一方向上流经第一绝缘电缆14并且在与第一方向相反的第二方向上流经第二绝缘电缆17。高压绝缘电缆适合于此用途。

图2示出了根据本发明的第二实施方式的、用于高压电力系统的模块化储能设备40。储存设备40包括：第一导体30，其形式为导电管30，该导电管包括多个管部分16a-16c，连接到模块4a-4c的端子9a-9b、10a-10b，用以提供模块4a-4c的串联连接；以及第二导体17，其连接到模块4a-4c的串联连接中的最后一个模块4c的负端子10b。备选地，第二导体17可以连接到模块4a-4c的串联连接中的第一模块4a的正端子9a。第二导体17封闭在第一导体30中。第一管30还包括多个管部分6，这些部分互连诸如开关(未示出)和直流电源单元5之类的串联装置设备，从而闭合经过第一导体30和第二导体17的正电极12与负电极11之间的电流路径。第一管30和第二导体17被布置成平行地穿过容器7，从而使电流在第一方向上流经第一管30并且在与第一方向相反的第二方向上流经第二导体17。第二导体17在一个实施方式中包括金属管。用于管的合适的材料有铜、铝等。在另一实施方式中，第二导体17包括绝缘电缆。

图3示出了第一管30和封闭在第一管30中的第二导体17的一部分。附图示出了将第一模块4a连接到正电极(未在图3中示出)的管部分16a，以及将第一模块4a连接到第二模块4b的管部分16b。在所述管部分16a-16b之间示出了另一管部分6。这个管部分6互连诸如开关和直流电源单元5(未在图3中示出)之类的串联装置设备，从而闭合储能设备的电流路径。根据串联装置设备的数量，可能有若干管部分6。使用了分接设备22a-22b来将串联装置设备连接到第一管30。在两个相应的分接设备22a-22b之间，放置了非导电材料的绝缘垫片20，以防串联装置设备短路。两个模块的串联连接是通过诸如铜或铝之类的导电材料的连接器21来实现的。相应地，连接第一模块4a与第二模块4b的管部分16b包括两个管部分33-34和连接器21。在一个实施方式中，第二导体17为金属管，而在另一实施方式中第二导体17为绝缘电缆。

Claims (6)

1.一种用于高压电力系统的模块化储能设备(1、40)，其包括至少两个串联连接的模块(3a-3c、4a-4c)，每个模块(3a-3c、4a-4c)包括至少一个封闭在容器(7)中的直流电源单元(5)以及正端子(9a、10a)和负端子(9b、10b)，并且所述设备还包括正电极(12)和负电极(11)、布置用以在所述正电极(9a、10a)与负电极(9b、10b)之间形成电流路径的第一导体(14、30)和第二导体(17)，所述第一导体(14、30)包括多个导体部分(23)，连接到所述模块的端子(9a-9b、10a-10b)用以提供所述模块(3a-3c、4a-4c)的串联连接，所述模块的串联连接的第一模块(3a、3c、4a、4c)连接到所述电极(11-12)中之一，并且所述第二导体(17)连接在所述模块的串联连接中的最后一个模块(3c、3a、4c、4a)与另一所述电极(11-12)之间，其特征在于，所述第一导体(14、30)和第二导体(17)被布置成平行地穿过所述容器(7)，从而使电流在第一方向上流经所述第一导体(14、30)并且在与所述第一方向相反的第二方向上流经所述第二导体(17)。

2.根据权利要求1的储能设备，其特征在于：所述第二导体(17)包括绝缘电缆。

3.根据权利要求1或者权利要求2的储能设备，其特征在于：所述第一导体(14、30)包括绝缘电缆。

4.根据权利要求1或者权利要求2的储能设备，其特征在于：所述第一导体(30)包括围绕所述第二导体的金属管。

5.根据权利要求4的储能设备，其特征在于：所述第二导体(17)包括第二金属管，其被布置成具有距所述第一导体(30)的金属管有一段距离的包络面，从而在所述管之间实现电气绝缘。

6.根据权利要求1或者权利要求2的储能设备，其特征在于：所述第一导体(14、30)与第二导体(17)的所述包络面之间的距离不超过20cm。

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