CN104303385B - 电池能量存储器及功率系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种电池能量存储器14，其被布置为连接到直流电容器13，所述直流电容器13并联连接到功率转换器12。所述电池能量存储器14包括：电池模块15和可控电压源16，所述可控电压源16被适配用于注入与所述直流电容器13的电压纹波相反的电压。本公开还涉及一种包括这种电池能量存储器14和直流电容器13的功率系统10。

Description

电池能量存储器及功率系统
技术领域
本文所公开的技术总体上涉及功率系统领域，并且特别涉及电池能量存储器和包括这样的电池能量存储器的功率系统。
背景技术
不同类型的功率系统，例如输电系统或铁路系统，需要以可靠的方式提供功率。因此，这样的系统可以包括例如形式为直流(DC)电源的能量存储设备。能量存储设备可以针对夜晚功率输出波动、短缺等来提供功率。例如在输电系统中，负载例如白天和夜晚期间变化很大，即系统中有功功率的平衡和无功功率的平衡也因此变化。结果可能是不可接受的电压幅度变化、电压凹陷、甚至电压崩溃。
无功功率补偿器可以设置有形式为直流电源的能量存储系统。因此无论是有功功率和还是无功功率都可以得到供应。具有能量存储器的静态无功补偿器(STATCOM)被记为电池能量存储系统(BESS)。BESS可以被布置为连续地提供有功和无功功率补偿两者，以控制各种系统状况下的波动，从而改善输电和配电的性能。
图1示出了这种功率补偿器1，并且特别是静态同步补偿器(STATCOM)，其包括电压源转换器(VSC)2。所述VSC2在其交流(AC)侧连接到负载，例如输电系统，并且在其DC侧连接到电容器3(或电容器组)，构成DC电压源。功率补偿器1可以进一步设置有电池能量存储器4，其包括串联连接的电池的一个或多个串。
在包括单相AC系统的负载中，瞬时功率以线路频率的两倍脉动。这样的功率脉动反映在单相VSC中的DC链路电流中。如果所述VSC2被用于无功功率补偿，DC侧的唯一能量存储元件可以是DC链路电容器3，并且DC链路电流的脉动将被反映到DC链路电容器的电压纹波中。
如果电池能量存储器4与DC电容器3并联连接，纹波电流将在电池能量存储器4和DC电容器3之间共享。典型地，电池能量存储器4包括电化学电池，并且由于它们通常处于相当程度的电压僵硬中，大量纹波进入电池。通过导致电阻性加热以及缩短其使用寿命，这种纹波可能会损害电池。
对抗这一问题的已知方法是将电池能量存储器4与DC/DC转换器对接，例如DC/DC升压转换器。这种解决方案的缺点在于DC/DC转换器必须处于额定的满电池电压，这可能使得该解决方案相当昂贵，特别是对于高电压STATCOM/BESS设备来说。
发明内容
目的在于克服或至少减轻一个或多个上述问题。
根据第一方面，目的通过布置为连接到直流电容器的电池能量存储器来实现，所述直流电容器并联连接到功率转换器。电池能量存储器包括电池模块和适配为注入与直流电容器的电压纹波相反的电压的可控电压源。
通过可控电压源，其插入与DC链路电容器的电压纹波相反的电压，在电池端子处提供稳定的电压。一个方面，本公开能够使电池能量存储器得到保护，以免受到谐波电流纹波，例如二次谐波的损害。
在一个实施例中，可控电压源包括有源直流滤波设备。
在上述实施例的一个变型中，有源滤波器设备包括直流到交流转换器和耦合变压器。
在上述实施例的一个变型中，直流到交流转换器被连接到电池模块的两个极，并且被布置为通过电池模块供电。
在一个实施例中，耦合变压器的初级侧连接到电池模块的第一极并且被布置为连接到DC链路电容器。耦合变压器的次级侧连接到直流到交流转换器的AC侧。
在一个实施例中，耦合变压器包括空气磁芯变压器。
在一个实施例中，可控电压源包括开关电容器电路。所述开关电容器电路包括电容器和布置在H桥电路中的四个功率电子开关。
在一个实施例中，可控电压源被适配用于接收基于直流电容器上测量到的电压的参考电压，其中所述参考电压等于所注入的电压。
根据第二方面，目的通过连接到交流负载的功率系统来实现。功率系统包括：连接到负载的功率转换器、并联连接到功率转换器的直流电容器、以及根据上述任一实施例的电池能量存储器，所述电池能量存储器并联连接到直流电容器。
在各种实施例中，功率转换器包括单相功率转换器、单相转换器模块、多级转换器、模块化多级转换器、或级联H桥转换器结构。
本公开的进一步的特征和优点将在阅读了下面的描述和附图之后变得清楚。
附图说明
图1示出了现有技术的功率补偿器。
图2示意性地示出其中本公开的实施例可以被实施的环境。
图3示出了本公开的实施例。
图4是用于控制可控电压源的方法的流程图。
图5示出了本公开的实施例。
图6示出了可控电压源的一个实施例。
具体实施方式
在下面的描述中，出于解释而不是限制的目的，为了提供彻底理解，下面描述诸如特定架构、接口、技术等的具体细节。在其他实例中，省略众所周知的设备、电路、和方法的详细描述，以免不必要的细节混淆描述。相同的附图标记在整个说明书中指代相同或相似的元件。
图2示出了本公开的各方面可以被实施的环境。特别地，图2示出了功率系统10，其适于连接到交流负载11。功率系统10包括功率转换器12，例如单相功率转换器或单相转换器模块，其包括用于连接到负载11的装置。功率转换器12在下文中也被记为主转换器。负载11可以是例如AC电网或铁路系统。要注意的是负载11可以是AC电网，也就是说，从连接电网的能量存储系统看过去，电网会在放电过程中充当负载，但在充电过程中充当电源。功率转换器12例如可以包括多级转换器，诸如模块化多级转换器(M2C)或级联H桥转换器结构或单相社区能量存储器(连同能量存储器)。
在图示的情况下，功率转换器12在其DC侧连接到DC链路电容器13，或者包括若干串联连接的电容器的电容器组。
此外，电池能量存储器14与电容器13并联连接。电池能量存储器14包括一个或多个串联连接的电池模块15。电池模块15继而可以包括多个串联和/或并联连接的电池单元。电池模块15可以例如包括电化学电池、燃料电池、或光伏电池。电池能量存储器14可以包括任何数量的这种电池模块15。
为了保护电池模块15不受电流纹波影响，提供一个或多个可控电压源16。可控电压源16由控制单元17进行控制，所述控制单元17可以是适于同时控制功率转换器12的控制单元，或者是仅控制可控电压源16的控制单元。控制单元17包括处理单元42，例如中央处理单元、微控制器、数字信号处理器(DSP)等，能够执行软件指令，例如存储在例如形式为存储器的计算机程序产品40中的计算机程序41。
可控电压源16被适配为通过注入与DC链路电容器13的电压纹波相反的电压-Vripple将DC链路电流纹波与电池模块15隔离。也就是说，DC链路电容器13之上的电压VDCcap等于电池模块之上的电压VDC加上或减去纹波电压Vripple，即VDCcap＝VDC±Vripple。这将参照图3的实施例和图4的流程图详细地进行描述。
在图2中，电池能量存储器14被示出为仅包括单个电池模块15和单个可控电压源16，但要注意的是，电池能量存储器14可以包括任意数量的电池模块15和任意数量的可控电压源16。要特别注意的是，电池模块15的数量可以不同于可控电压源16的数量，并且因此本公开在一个方面提供了一种模块化方案。例如，单个可控电压源16可以用于串联连接的电池模块15的整个串，或者一个可控电压源16用于每一个电池模块15或每两个电池模块15。这些模块化能够容易适配于不同的DC电压，即适配于具有不同要求的不同应用。此外，选择正确的模块化水平可以允许使用标准工业部件，从而将成本保持为最低。更进一步地，针对附近的应用来适配可控电压源16的数量使得能够使用标准化电池模块15，这也保持了低成本并且促进了电池能量存储器14的安装。例如，如果电池模块的电压低，也可以使用单个可控电压源16。对于较高的电压，以这样的方式选择可控电压源16的数量使得在实施可控电压源16时可以使用标准的低电压功率电子器件，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，这可能是期望的。即，具有较大数量的可控电压源16。
图3示出一个实施例，其中，可控电压源16包括有源滤波器18，并且尤其是有源DC滤波器，其能够处置高电压电池，或应该被保护不受电流纹波影响的其他DC源。有源滤波设备18包括在图示的情况下连接到耦合变压器19的DC/AC转换器20的电压源换流器，并且被提供用于感应与DC链路电容器13的电压纹波相反的电压。DC/AC转换器20由电池模块15供电，它的极(也记为端子)连接到所述DC/AC转换器20。因此，DC/AC转换器20在其DC侧连接到电池模块15的两个极。
变压器19的初级侧连接到电池模块15的第一极并且连接到DC链路电容器13，而变压器19的次级侧连接到DC/AC转换器20的AC侧。
变压器19可以是空气磁芯(也记为无芯)变压器或带芯的变压器。选择空气磁芯变压器提供的优点在于不需要考虑磁芯饱和。
如前面简要提到的那样，有源滤波器18设备被适配用于将DC链路电流纹波从电池模块15隔离。假设没有纹波电流流入电池模块15中，DC链路电容器13具有与DC链路电流纹波成比例的特定电压纹波。有源滤波器设备18由控制单元17控制，以便于注入与DC链路电容器13的电压纹波相反的电压。由此，确保了电池模块15被提供有恒定的DC端电压，以及只有DC链路电流的DC分量流过电池模块15。由于没有纹波电流流动，注入电压所需的电流被限制为变压器18的磁化电流。有源滤波器18的转换器20因此可以是小的，并因而具有成本效益。
图4是一种用于控制可控电压源16的方法的流程图，例如有源滤波器17。所述方法30包括第一步，对DC链路中感兴趣的分量，即不期望的纹波电压，进行滤波31。作为一个例子，对于50Hz功率系统，应保护电池能量存储器14不受其影响的纹波电压包括100Hz分量。滤波可以基于DC链路电压VDC_link的常规测量，其结果被提供给控制单元17。
接着，基于经滤波的分量，确定32到有源滤波器18的转换器20，或更一般地到可控电压源16的参考电压Vref。考虑到有源滤波器18的变压器19的匝数比，可能需要调整参考电压的缩放比例。(多个)变压器19的匝数比被选择为标称电压和纹波峰值电压纹波之间的比率。用于有源滤波器18的转换器20的参考电压是DC链路电压纹波，其可以被计算为VDC_link和VDC_link平均值(即VDC_link-平均值(VDC_link))之间的差。这提供了一种有源滤波设备18的转换器20的有效使用方法。
对于使用模块化解决方案的情况，要注意的是，为了将来自有源滤波设备18的转换器20的开关纹波最小化，脉冲宽度调制(PWM)中的三角波生成可以在转换器20之间移相，即使参考电压对于所有转换器20仍然是相同的。
图5示出了本公开的实施例。如之前一样，电池能量存储器14被并联连接到DC电容器13。负载11可以是例如AC电网或其它负载，也如之前一样。主转换器12在图示的情况下为单相DC/AC转换器。此外，提供与DC电容器13和有源滤波设备18中的一个的变压器20串联连接的预充电电路27。
在本实施例中，示出了三个电池模块15，并且每一个电池模块15被提供有各自的有源滤波设备1。有源滤波设备18包括转换器20和变压器19，如参考图3所描述的。有源滤波设备18的转换器20在图示的情况中包括H桥转换器。
使用关于图4的相同实例，即其中负载为50Hz的功率系统，应当保护电池能量存储器14不受其影响的纹波电压包括100Hz分量。H桥的DC链路电压为大约2500V并且DC电容器13的电压纹波为±50Hz。为了避免DC链路电流纹波进入电池能量存储器14，与DC电容器电压纹波相反的电压由有源滤波器18注入。对于这个例子来说，选择变压器19的匝数比(也参照图4以及相关的描述)为50：2500＝1:50。
重新提到前述的模块化，通过将有源滤波器划分成(在示出的情况中为三)若干层，变压器19的隔离电压也可以得以降低。
图6示出了可控电压源16的另一个实施例。在本实施例中，可控电压源16包括开关电容器电路21，其包括电容器22和布置在H桥电路中的四个功率电子开关23、24、25、26。这样的功率电子开关的非穷举的例子包括晶闸管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在本实施例中，不需要变压器，但开关电容器电路22需要被定尺寸，以便能够处置整个电池的电流。
在一个方面，本公开因而提供了一种电池能量存储器14，其被适配用于连接到直流电容器13。直流电容器13继而被并联连接到功率转换器12。电池能量存储器14包括电池模块15和被适配用于注入与直流电容器13的电压纹波相反的电压的可控电压源16。纹波电压通常由连接到功率转换器12的AC负载中的脉动导致，并且反映到DC电容器电流中。
在另一个方面，本公开提供如关于图2所描述的功率系统10。功率系统10被布置为连接到交流负载11，例如AC电网或其它一相或多相电系统。功率系统10包括用于连接到负载11的功率转换器12、并联连接到功率转换器12的直流电容器13、和如前面各个实施例中所述的电池能量存储器14，所述电池能量存储器14被并联连接到直流电容器13。
在另一个方面，本公开提供了一种用于控制这种功率系统10的方法。这种方法包括控制可控电压源16，以便注入与直流电容器13的电压纹波相反的电压。所述方法可以通过硬件、软件或它们的任意组合来实现。例如，可以提供包括计算机程序代码的计算机程序41(参照图2)，当所述计算机程序代码例如运行在控制器17上时使得控制器17确定参考电压并将与直流电容器13的电压纹波相反的电压注入到电池能量存储器14中。电池能量存储器14由此得到保护，不受有害的谐波影响。
还提供了一种计算机程序产品40(参照图2)，其包括计算机程序41和将计算机程序41存储其上的计算机可读装置。计算机程序产品40可以是读写存储器(RAM)或只读存储器(ROM)的任何组合。计算机程序产品40还可以包括持久性存储器，其例如可以是磁存储器、光存储器、或固态存储器中的任意单个或组合。

Claims (10)

1.一种电池能量存储器(14)，被布置为连接到直流电容器(13)，所述直流电容器(13)并联连接到功率转换器(12)，所述电池能量存储器(14)包括：电池模块(15)，以及经由导电体电连接到所述电池模块的可控电压源(16)，所述可控电压源(16)通过向所述导电体中电性地注入与所述直流电容器(13)的电压纹波相反的电压来将所述直流电容器的DC链路电流纹波与所述电池模块隔离并且提供所述电池模块稳定的DC端电压。
2.根据权利要求1所述的电池能量存储器(14)，其中所述可控电压源(16)包括电连接到所述电池模块的有源直流滤波设备(18)。
3.根据权利要求2所述的电池能量存储器(14)，其中所述有源滤波设备(18)包括直流至交流转换器(20)和耦合变压器(19)。
4.根据权利要求3所述的电池能量存储器(14)，其中所述直流至交流转换器(20)被连接到所述电池模块(15)的两个极，并且被布置为由所述电池模块(15)供电。
5.根据权利要求3或4所述的电池能量存储器(14)，其中所述耦合变压器(19)的初级侧连接到所述电池模块(15)的第一极，并且被布置为连接到所述直流电容器(13)，并且所述耦合变压器(19)的次级侧被连接到所述直流至交流转换器(20)的AC侧。
6.根据权利要求3或4所述的电池能量存储器(14)，其中所述耦合变压器(19)包括空气磁芯变压器。
7.根据权利要求1所述的电池能量存储器(14)，其中所述可控电压源(16)包括开关电容器电路(21)，所述开关电容电路(21)包括电容器(22)和被布置在H桥电路中的四个功率电子开关(23、24、25、26)。
8.根据权利要求1-4和7中任一项所述的电池能量存储器(14)，其中所述可控电压源(16)被适配用于接收基于所述直流电容器(13)上所测量的电压的参考电压，其中所述参考电压等于所注入的所述电压。
9.一种用于连接到交流负载的功率系统(10)，所述功率系统(10)包括用于连接到所述负载的功率转换器(12)、并联连接到所述功率转换器(12)的直流电容器(13)以及并联连接到所述直流电容器(13)的如前述权利要求1-8中任一项所述的电池能量存储器(14)。
10.根据权利要求9所述的功率系统(10)，其中所述功率转换器(12)包括单相功率转换器、单相转换器模块、多级转换器、模块化多级转换器或级联H桥转换器结构。
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