CN103492891A

CN103492891A - 在风电场中使用的能量储存系统的容量和充电状态的准确估计

Info

Publication number: CN103492891A
Application number: CN201280018555.8A
Authority: CN
Inventors: J·张
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: US20120235409A1; EP2686693B1; WO2012122987A1; CN103492891B; EP2686693A1; US10012701B2

Abstract

本发明的实施例提供了用于准确地估计在风电场上使用的能量储存系统（ESS）中的电池的老化容量（E_老化）的技术和装置。可通过测量电池的内阻抗并使用电池的年龄（例如，充电循环的数量）与对应于电池的最大容量之间的关系来估计在电池的整个寿命中的E_老化。可基于电池的电动势（EMF）来计算充电状态（SOC）。可基于电池的E_老化和所计算的SOC来计算电池的实际可用能量（E_可用）。以这种方式，本发明的实施例可允许风电场起虚拟发电厂（VPP）的作用并在不考虑间歇的风速的情况下输送峰值负载电。

Description

在风电场中使用的能量储存系统的容量和充电状态的准确估计

技术领域

本发明的实施例通常涉及风电场能量储存系统，且更具体地涉及准确地估计能量储存系统中的电池的老化容量。

背景技术

当矿物燃料正被耗尽时，用于转换替代能源的手段被研究并发展以得到更有效的方式来利用太阳、流动的水和风的力量来产生动力。使用用于将风能转换成电能的很多风力涡轮发电机的风电场位于世界上具有一致的风的区域中。当风波动时，一般利用一些形式的能量储存，使得风电场可在平静的风时期期间提供足够的能量。

一些风电场可包括用于储存由风力涡轮发电机转换的能量并释放这个储存的能量以在风暂时平息期间供应电力需求的能量储存系统（ESS）。对ESS的容量和在ESS中储存的可用能量的准确估计可能对风能的能量储存应用来说是重要的。ESS容量的知识可用来控制被充电到ESS中的能量的量。可在分配来自ESS的能量的时候利用对储存在ESS中的可用能量的认知。

发明内容

本发明的实施例通常涉及用于准确地估计与多个风力涡轮发电机相关联的能量储存系统（ESS）中的电池的老化容量的方法和装置。

本发明的一个实施例提供了用于估计与多个风力涡轮发电机相关联的ESS中的电池的老化容量的方法。

该方法通常包括确定电池的内阻抗，确定在对应于该电池的最大容量与充电循环的数量之间的关系，以及基于内阻抗和该关系来确定电池的老化容量。

本发明的另一实施例提供了用于估计与多个风力涡轮发电机相关联的ESS中的电池的老化容量的装置。该装置通常包括被配置成确定电池的内阻抗、确定在对应于电池的最大容量与充电循环的数量之间的关系以及基于内阻抗和该关系来确定电池的老化容量的至少一个处理器。

本发明的又一实施例提供一种系统。该系统通常包括一个或多个风力涡轮发电机、用于储存由风力涡轮发电机产生的能量的至少一个电池以及至少一个处理器。该处理器一般被配置成确定电池的内阻抗、确定在对应于电池的最大容量与充电循环的数量之间的关系以及基于内阻抗和该关系来确定电池的老化容量。

附图说明

从而通过参考实施例可以有本发明的上述特征可被详细理解的方式、上面简要概述的本发明的更具体的描述，其中一些实施例在附图中示出。然而应注意，附图只示出本发明的典型实施例，且因此不应被视为对其范围的限制，因为本发明可承认其它同等有效的实施例。

图1示出根据本发明的实施例的示例性风电场系统。

图2示出根据本发明的实施例的示例性能量储存系统（ESS）充电系统。

图3是根据本发明的实施例的用于估计电池中的老化容量（E_老化）、充电状态（SOC）和剩余的可用能量（E_可用）的示例性操作的流程图。

图4示出根据本发明的实施例的对应于充电循环的数量的内阻抗和电池容量的曲线。

图5示出根据本发明的实施例的用于估计E_可用的示例性估计过程。

具体实施方式

本发明的实施例提供了用于准确地估计在风电场上使用的能量储存系统（ESS）中的电池的老化容量（E_老化）的技术和装置。可通过测量电池的内阻抗并使用电池的年龄（例如，充电循环的数量）与对应于电池的最大容量之间的关系来估计在电池的整个寿命中的E_老化。可基于电池的电动势（EMF）来计算充电状态（SOC）。可基于电池的E_老化和所计算的SOC来计算电池的实际可用能量（E_可用）。以这种方式，本发明的实施例可允许风电场起到虚拟发电厂（VPP）的作用并在不考虑间歇的风速的情况下输送峰值负载电。

示例的风电场系统

图1示出示例性风电场（WF）系统100。系统100可包括用于将风能转换成电能的多个风力涡轮发电机102。多个风力涡轮发电机102可经由变压器108（例如加强的变压器）耦合到电网110，以向电网110提供大规模电力。可无线地或经由电线、电缆或在控制台（例如虚拟发电厂控制器（VPPC）104）和风力涡轮发电机102之间以及在VPPC104和电网110之间的任何其它适当的有线连接来发送来自风力涡轮发电机102的传感器和其它数据信号以及到风力涡轮发电机102的控制信号。VPPC104一般位于相应的风电场上或附近。

VPPC104可耦合到一般包括一个或多个电池或其它电化学储存设备的ESS106。ESS106可允许风电场系统100提供足够的电力输出，特别是在缺乏风、没有足够的风速或有零星的风的时期期间。为了克服风电场的一些缺点，例如波动的电力输出，ESS106可被考虑为风电场系统100的部分。ESS106可允许风电场系统100起VPP的作用并在不考虑间歇的风速的情况下输送峰值负载电。

图2示出示例性ESS充电系统200，其可以被合并到图1的风电场系统100中。风力涡轮发电机102通过转子叶片的旋转将风能转换成机械能，并进一步经由耦合到在机舱内部的旋转轴的发电机将机械能转换成电能。风的波动可引起风力涡轮发电机102的转子以可变速度旋转，这可导致从风力涡轮机102输出到电网110的电力的变化。可包括整流电路的电力转换系统（PCS）202可用于将这个所产生的电力从交流（AC）电转换成直流（DC）电。

电池管理系统（BMS）204可用于给ESS106充电/放电，ESS106可包括如图2所示的串联和并联的多个电池。为了描述的容易，从此以后，ESS106将被视为包括能够有比一般电池相对更高的电压和更高的电流的单个电池210。BMS204可由VPPC104控制和监测。可在ESS操作期间监测在电池210的端子之间的电压（V）208和电池210内的电流（I）206。

对包括风力涡轮发电机102和ESS106的VPP的控制可能是一个挑战。准确地估计储存在ESS中的可用能量（E_可用）和ESS可储存的最大能量（E_max）可改进对VPP的控制。

充电状态（SOC）是电池210的重要参数。SOC可被定义为在电池中剩余的可用容量，其被表示为电池的最大容量的百分比，如在方程（1）中表示的：

SOC可用于根据方程（2）来确定电池中的可用能量：

E_可用=SOC·E_max （2）

SOC值可由电池管理系统（BMS）确定，电池管理系统可由电池制造商提供。对于一些实施例，可基于电池210的电动势（EMF）、根据SOC和电池EMF（即，电池电压）之间的预定关系来确定SOC。可替代地，可通过穿过电池的电流206的积分来确定SOC。在确定SOC时，可假设电池的容量是已知的并保持恒定。

然而，当电池老化时，E_max可逐渐降低。例如，在接近电池寿命的末端时，电池的实际容量可接近电池的初始容量的仅仅80%。

在由于电池老化而容量降低的情况下，电池的电压仍可被充电到额定值，这可产生100%的SOC值。在这种情况下，E_可用可能是其预期容量的仅仅80%。通常，制造商不计算E_可用。在预期可用能量和实际E_可用之间的差异可能对风电场中的一些ESS应用是有意义的。

因此，所需要的是用于准确地估计ESS中的电池的实际E_可用的技术和装置。本发明的实施例使用通过使用测量和数学计算的组合来估计电池的老化容量（E_老化）和SOC从而估计实际E_可用的方法。

E_老化和SOC的估计

图3是用于确定电池（例如电池210）的E_老化和SOC的示例性操作300的流程图。操作300可通过确定电池的内阻抗在302开始。对于一些实施例，可通过测量ESS两端的电压208（即，在电池210的端子之间的电压）和电流206来确定内阻抗。可使用电池210两端的电压208和穿过电池的电流206在线地估计电池210的内阻（R_in）和电动势（EMF），电压208和电流206在两个不同的时间点处被测量，从而动态负载是变化的。以这种方式，可对两个不同的方程求解以得到两个未知量（即，R_in和EMF），而不使电池210从负载断开。

图4示出与充电循环的数量对应的电池的内阻抗402和放电容量404的曲线，内阻抗402和放电容量404都被表示为初始值的百分比。确定在运行的风电场中的ESS的E_老化可能很难，因为这个确定一般包括对电池完全充电，接着使电池完全放电，且然后测量放电电流和相应的时间。相反，对于本发明的一些实施例，可通过测量电池的内阻抗的变化来确定电池的容量的退化。如在图4中描绘的，随着电池老化，所测量的内阻抗402可增加。

返回到图3，可在304确定对应于电池的最大容量与充电循环的数量之间的关系。确定该关系可包括执行对应于电池的最大容量和充电循环的数量的回归分析。可通过关于容量衰退效应的实验室测试结果的回归分析来确定电池容量的退化。图4示出关于放电容量404的回归分析的示例性结果，显示当电池老化时容量一般降低的容量衰退效应。回归分析可基于具有类似于该电池的功能特性的另一电池的最大容量数据，或基于相同类型的电池。

在306，可基于所测量的内阻抗和在对应于电池的最大容量与充电循环的数量之间的关系来确定电池的E_老化。对于一些实施例，内阻抗的测量可用于确定电池的大致年龄。年龄可被表示为循环的数量，如在图4的曲线400中所示的。电池的年龄可接着用于确定在该特定年龄时电池的最大容量，这得到了老化容量（E_老化）。

在308，可确定电池的SOC。确定电池的SOC可包括确定电池210的电动势（EMF）。确定电池210的EMF可包括通过测量电池210两端的电压和在两个距离处的电池210内的电流来估计EMF，如上所述。

在310，可确定基于SOC和E_老化的在电池中剩余的E_可用。在一些实施例中，这可涉及根据上面的方程（2）来计算E_可以=SOC·E_老化，其中以安培-小时（Ah）为单位的E_老化是老化电池的最大容量。

在312，可基于E_可用来操作与ESS相关的多个风力涡轮发电机或包含电池的ESS中的至少一个。例如，风力涡轮发电机的叶片可被调节以更快地转动并基于低E_可用来更快地给ESS的一个或多个电池充电。

以这种方式，可准确地估计在电池中剩余的E_可用（其可能对放电过程来说是重要的和储存在电池中的E_老化（其可能对充电过程来说是重要的）。结果可用于改进对风电场和ESS的控制策略。

图5示出估计E_可用的示例性估计过程500。EMF502的确定可用于计算ESS106中的电池的SOC504。内阻抗506的确定和容量退化508的回归分析可用于如上所述地确定E_老化510。SOC504和E_老化510可用于准确地估计E_可用512。E_老化510和E_可用512可由VPPC104使用来调节ESS106的充电或放电。估计过程500的结果可用于改进风电场的控制策略，以及更具体地，ESS和风力涡轮发电机的控制策略，并用于能量分配和电力流量控制。

虽然前述内容涉及本发明的实施例，可设想本发明的其它和另外的实施例，而不偏离其基本范围，且其范围由所附权利要求确定。

Claims

1.一种用于估计与多个风力涡轮发电机相关联的能量储存系统（ESS）中的电池的老化容量的方法，所述方法包括：

确定所述电池的内阻抗；

确定对应于所述电池的最大容量与充电循环的数量之间的关系；以及

基于所述内阻抗和所述关系来确定所述电池的所述老化容量。

2.如权利要求1所述的方法，还包括确定所述电池的充电状态（SOC）。

3.如权利要求2所述的方法，其中，确定所述SOC包括确定所述电池的电动势（EMF）。

4.如权利要求2所述的方法，还包括基于所述SOC和所述老化容量来确定在所述电池中剩余的可用能量。

5.如权利要求4所述的方法，还包括基于所述可用能量来操作所述ESS或所述风力涡轮发电机中的至少一个。

6.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述关系包括执行对对应于所述电池的所述最大容量的回归分析。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述回归分析基于具有类似于所述电池的功能特性的另一电池的最大容量数据。

8.一种用于估计与多个风力涡轮发电机相关联的能量储存系统（ESS）中的电池的老化容量的装置，所述装置包括：

至少一个处理器，其被配置成：

确定所述电池的内阻抗；

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个处理器被配置成确定所述电池的充电状态（SOC）。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述至少一个处理器被配置成通过确定所述电池的电动势（EMF）来确定所述SOC。

11.如权利要求9所述的装置，其中，所述至少一个处理器被配置成基于所述SOC和所述老化容量来确定在所述电池中剩余的可用能量。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述至少一个处理器被配置成基于所述可用能量来控制所述ESS或所述风力涡轮发电机中的至少一个的操作。

13.如权利要求8所述的装置，其中，所述关系基于对对应于所述电池的所述最大容量的回归分析。

14.如权利要求13所述的装置，其中，所述回归分析基于具有与所述电池相同类型的另一电池的最大容量数据。

15.一种系统，包括：

一个或多个风力涡轮发电机；

至少一个电池，其用于储存由所述风力涡轮发电机产生的能量；以及

至少一个处理器，其被配置成：

确定所述电池的内阻抗；

基于所述内阻抗和所述关系来确定所述电池的老化容量。

16.如权利要求15所述的系统，其中，所述至少一个处理器被配置成确定所述电池的充电状态（SOC）。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所述至少一个处理器被配置成基于所述SOC和所述老化容量来确定在所述电池中剩余的可用能量。

18.如权利要求17所述的系统，其中，所述至少一个处理器被配置成基于所述可用能量来控制所述风力涡轮发电机的操作或对所述电池的充电中的至少一个。

19.如权利要求15所述的系统，其中，所述关系基于对对应于所述电池的所述最大容量的回归分析。

20.如权利要求19所述的系统，其中，所述回归分析基于具有类似于所述电池的功能特性的另一电池的最大容量数据。