CN106487097B - 用于交流电压网的蓄能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有控制装置(10)和至少两个电路单元的蓄能装置，其中每个电路单元具有：多个存储元件(17)，用于存储能量；变换器(15)，具有交流电压连接端和直流电压连接端；多路复用开关装置(16)，该多路复用开关装置与直流电压连接端连接并且经由分别一个存储器连接端(21)与存储元件之一连接，其中多路复用开关装置设置为，总是仅一个存储器连接端与该直流电压连接端连接。再者本发明规定，控制装置设计为，通过驱控至少两个电路单元的相应变换器逐步减小在交流电压网(5)与第一电路单元(11)之间的能量流并且以相同的程度增大在交流电压网与电路单元中的至少一个第二电路单元(12)之间的能量流，直至第一电路单元的能量流减小到零。

Description

用于交流电压网的蓄能装置
技术领域
本发明涉及一种用于交流电压网的蓄能装置。在交流电压网上可以连接有耗电器和/或再生能源。借助于蓄能装置可以存储用于交流电压网的能量并且将其受控地输出。为了存储能量提供有多个存储元件/蓄能元件、例如电池。
背景技术
所述类型的蓄能装置例如由文献US 2014/0346873 A1已知。其中所述的蓄能装置可以具有多个电池，这些电池可以单个地或者连同用于连接蓄能装置的连接端一起共同地与交流电压网相连接。假如电池是放电的，那么该电池通过热插拔控制器与充电的备用电池并联连接并且随后将放电的电池分离。由此，从蓄能装置到交流电压网中的连续能量流是可能的。
在这种类型的连接中不利的是，补偿流可以在电池之间流动，这是因为充电的备用电池总是产生比放电的电池还更大的直流电压。为了阻止在两个电池并联连接时的这样的补偿流，每个单个电池经由直流变压器或DC-DC转换器与蓄能装置的其余部分相连接。这使得蓄能装置在制造中构件密集并且因此成本密集。
发明内容
本发明的任务在于，为静止不动的交流电压网提供用于存储能量的蓄能装置。
该任务通过根据本发明的用于为静止不动的、具有至少一个耗电器和/或至少一个再生能源的交流电压网存储能量的蓄能装置来实现。
通过本发明提出一种用于为静止不动的、具有至少一个耗电器和/或至少一个再生能源的交流电压网存储能量的蓄能装置。交流电压网可以是例如家庭的或工业建筑的或公共建筑例如停车场的交流电压网。蓄能装置具有中央控制装置和至少两个电路单元。每个电路单元在此以以下方式设计。电路单元分别具有多个存储元件，用于存储能量的一部分。为了与交流电压网交换能量，电路单元具有变换器。变换器的另一名称也称为主动的整流器或AC-DC转换器。变换器具有用于连接到交流电压网上的交流电压连接端。此外变换器具有直流电压连接端。电路单元的存储元件与该直流电压连接端耦合。在此提供有多路复用开关装置，该多路复用开关装置与变换器的直流电压连接端电气连接并且经由分别一个存储器连接端与存储元件之一电气连接。在此分别仅一个存储元件与多路复用开关装置的存储器连接端中的相应一个相连接。多路复用开关装置被设置为，根据控制装置的选择信号选择存储器连接端之一并且仅仅将所选择的存储器连接端与变换器的直流电压连接端电气连接。换言之，经由多路复用开关装置将变换器的直流电压连接端在每个时刻最多与唯一一个存储元件连接。尽管提供了至少两个电路单元，但是在电路单元中之一的存储元件与另一电路单元的存储元件之间不会有不期望的补偿流流过，这是因为这两个电路单元虽然经由交流电压网相互连接，但是在此两个变换器可以控制或阻止补偿流。
为了可以借助于蓄能装置在存储元件之间通过切换多路复用开关装置进行切换，而在此不产生在蓄能装置与交流电压网之间交换的能量流的波动，此外控制装置设计为，通过驱控至少两个电路单元的相应变换器而逐步减小在交流电压网与电路单元中的第一电路单元之间的能量流并且以相同的程度增大在交流电压网与电路单元中的至少一个第二电路单元之间的能量流，直至第一电路单元的能量流减小到零。换言之，将能量流由第一电路单元渐次交替到至少一个另外的电路单元。由此在交流电压网中不产生总地在蓄能装置与交流电压网之间交换的总能量流的中断或变化。为了检测能量流可以以自身已知的方式设有传感器装置，所述传感器装置例如可以提供在变换器中。例如可以检测当前经由所有变换器引导或交换的总电功率并且随后将该总电功率保持不变，而在第一电路单元的变换器中逐步降低电功率。
通过本发明得到如下优点，即：蓄能装置在没有附加的DC-DC转换器的情况下能无中断地实现当前与交流电压网电气连接的存储元件的更换或切换。基于至少两个电路单元得到淡入/渐强(Fade-in)和淡出/渐弱(Fade-out)。
属于本发明的还有可选择的改进方案，通过该改进方案的特征得到附加的优点。
在第一电路单元中在能量流减小到零之后，按照一种改进方案，控制装置借助于选择信号在第一电路单元中选择另一存储元件。由此那么第一电路单元又准备好用于能量输出或能量接收。如果选择放电的或空的存储元件并且应借助于蓄能装置存储能量、例如由可以连接到交流电压网上的再生能源或者由供电网存储能量，那么该第一电路单元准备好用于能量接收，以便可以在未来的时间间隔内借助于蓄能装置输出电能。
按照一个改进方案，在每个电路单元中基于损耗标准选择应与变换器电气连接的存储元件。每个存储元件为此具有用于确定存储元件的相应运行状态数据的监控装置。假如将车载电池用作存储元件，那么为此可以例如将集成在这样的车载电池中的电池管理系统BMS用作监控装置。那么不需要附加的传感装置。蓄能装置的控制装置设计为，根据所有存储元件的运行状态数据如此产生选择信号，即：使得满足用于所有存储元件的损耗标准。通过借助于监控装置和上级的控制装置持续监控存储元件特别是车载电池，可以将所有存储元件的均匀的老化作为损耗标准，从而例如较新的存储元件比较老的存储元件更经常地充电/放电。损耗标准也可以例如是用于多路复用开关装置的开关模式，以便由此实现存储元件的经济的运行或受控的老化或均匀的运行。损耗标准也可以包括上述标准中的多个标准的组合。
关于运行状态数据设有一个改进方案，即：该运行状态数据包括相应存储元件的以下状态变量中至少之一：老化、损耗、充电和放电过程的周期数、荷电状态、剩余容量和/或温度。控制装置可以由此确定相应存储元件的最佳运行点。根据已知的剩余容量/荷电状态可以单个地并且根据(如通过运行数据所描述的)当前运行点来接通和关断存储元件特别是车载电池。根据当前运行数据，通过控制装置持续地单个监控和分析存储元件的当前能量状态。由此可以基于损耗标准总是接通这样的存储元件，该存储元件最适合边界条件。属于边界条件的有：存储元件的通过运行数据说明的老化、荷电状态、剩余容量和/或温度。
优选地也考虑外部边界条件。为此设有一个改进方案，提供有用于接收环境数据、特别是外部电网参数和/或天气数据的接收装置，而控制装置设计为，根据环境数据产生选择信号并且在此考虑再生能量的接下来的可用性和/或补偿再生能量的接下来的消失。例如可以通过环境数据描述风的来临或减弱。其例如也可以说明白天时间和/或日出时间和/或日落时间。
按照一个改进方案也考虑当前载荷要求。该改进方案规定，用于连接供电网的电网连接端经由检测装置与交流电压网连接。供电网可以是公共供电网，该供电网例如可以包括功率强的能源、如例如核电站或火力发电站。检测装置(经由该检测装置交流电压网与电网连接端耦合)设计为，确定对于在供电网与交流电压网之间交换的外部电能的至少一个电气变量。亦即基于至少一个检测到的电气变量描述：能量或功率是流入交流电压网中还是因为例如基于再生能源存在能源过量所以由交流电压网流回到供电网中。控制装置设计为，根据至少一个电气变量如此驱控每个电路单元的相应变换器，即：使得所交换的外部电能的平衡满足预先给定的最小化标准。最小化标准可以例如表明：被引入或传输入交流电压网中的外部电能应减到最小或减小到零。也可以规定，作为最小化标准设置负的能量平衡并且将尽可能多的内部能量传输到供电网中，亦即传输“负的外部电能”或内部能量。
作为电气变量可以检测例如：有效功率、无功功率、视在功率、功率系数三相电流导线的相电流、相线的电压。由此可以确定所交换的能量的能量流方向，即：是引入外部能量还是将内部能量馈入供电网中。
在蓄能装置中优选地也规定，存储元件在技术上不同地被设计。例如可以规定，至少两个存储元件产生不同的直流电压。这也可以是如下情况，即：相同的存储元件具有不同的荷电状态。对于该情况，控制装置设计为，在变换器的电压调节器中根据连接在所选择的存储器连接端上的存储元件的运行状态数据设定额定电压值。由此产生如下优点，即：在多路复用开关装置切换时不会由于在存储器连接端与存储元件之间的电压差而引起不期望大的放电或充电电流。
为了实现多路复用开关装置设有一个改进方案，即：每个多路复用开关装置分别为了选择存储元件而具有至少一个机械开关和/或至少一个晶体管。作为机械功率开关可以提供接触器或继电器。作为晶体管可以设有例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
为了提供存储元件，可以基于变换器的灵活的运行方式并且通过借助于多路复用开关装置分离存储元件而组合不同的蓄能器技术。可以采用高伏电池系统，还有用过的电池系统，还有其他电蓄能器系统、如双层电容器、燃料电池、飞轮蓄能器或备用电源机组。在此，在备用电源机组中，蓄能器也指用于存储化学能的燃料蓄能器。
为了特别是可以应用来自机动车的用过的或新的高伏电池，设有一个改进方案，即：提供至少一个通信总线，该通信总线用于连接车载高伏电池的电池内部的电池控制单元、亦即电池管理系统。控制装置设计为，经由通信总线在电池控制单元上实施剩余总线模拟，其中，剩余总线模拟包括与机动车的至少一个模拟控制器的通信。由此产生如下优点，即：如果高伏电池被从机动车拆卸并且与多路复用开关装置之一的存储器连接端连接，那么运行软件不必匹配高伏电池。因为为了高伏电池准备好接收能量(充电)或输出能量(放电)必须满足特定的前提条件。特别是高伏电池必须可以经由通信总线与控制器通信和/或接收控制器，所述控制器例如是功率电子装置、电子稳定性控制器、ESC、防抱死系统ABS。因为在蓄能装置中不提供这样的控制器，所以可以通过剩余总线模拟来模拟每个需要的控制器，从而可以继续运行高伏电池，就像高伏电池安装在机动车中那样。
附图说明
在下文中描述本发明的一个实施例。为此唯一的附图(图1)示出按照本发明的蓄能装置的一个实施形式的示意图。
在下文中阐明的实施例是本发明的优选实施形式。在该实施例中，实施形式的所描述的构件分别是本发明的单个的要彼此独立地考虑的特征，这些特征也分别相互独立地改进本发明并因此可单个地或以不同于所示组合的组合视为本发明的组成部分。此外，所述实施形式也可以通过本发明另外的已述特征补充。
具体实施方式
图1示出蓄能装置1，该蓄能装置例如可以提供在家庭中或住宅街区中或工业建筑中或在工厂区中或在停车场中或其他公共建筑中。此外示出耗电器和/或能源(通过单个元件2代表)，所述耗电器和/或能源应借助于蓄能装置1进行供给，其中，所述供给不仅包括提供能量而且包括消耗多余的能量。此外示出公共供电网3，该供电网例如可以是中等电压供电网(20kV电网)。此外示出外部数据源4，外部数据源例如可以是因特网的一个或多个数据服务器。数据源4也可以附加或备选地包括气象站。
蓄能装置1经由交流电压网5与耗电器和/或能源2连接，在交流电压网中可以提供例如230V交流电压/400V交流电压。供电网3可以经由变压器6连接到蓄能装置1的电网连接端7。接收装置8可以从数据源4接收环境数据9。接收装置8可以为此例如以本身已知的方式提供到数据源4的因特网连接。
蓄能装置1具有中央控制装置10、检测装置13和多个电路单元11、12。控制装置10可以例如通过处理器装置提供。处理器装置可以具有例如微处理器或微控制器。代替示出的两个电路单元11、12也可以提供另外的电路单元，如通过补充符号14标明的那样。
每个电路单元11、12分别具有变换器15、多路复用开关装置16和多个存储元件17。代替分别三个示出的存储元件17，每个电路单元11、12也可以具有仅仅两个存储元件或三个以上的存储元件。这在图1中通过补充符号18阐明。每个变换器15具有交流电压连接端19，变换器15经由交流电压连接端19连接到交流电压网5。多路复用开关装置16连接到变换器15的直流电压连接端20。多路复用开关装置16可以根据控制装置10的选择信号22将直流电压连接端20分别与多个存储器连接端21中的一个电气连接。由此变换器可以将电能在交流电压网5与连接的存储元件17之间交换。
每个存储元件17均具有监控装置23，监控装置23检测相应存储元件17的运行状态数据。运行状态数据可以包括例如老化、损耗状态(SOH-健康状态)、实施的充电周期和/或放电周期的周期数目、当前荷电状态(SOC-荷电能力)、剩余容量或剩余存储容量和/或温度。电路单元11、12的监控装置23可以分别经由通信总线24与控制装置10耦合。控制装置10可以由此读取或接收运行状态数据25。通信总线24可以分别是例如CAN总线(控制器局域网络)。假如存储元件17是车载电池，那么可以经由通信总线24通过控制装置10也实施剩余总线模拟26，剩余总线模拟对在机动车的控制器与存储元件17之间的已述通信进行模拟。
通过检测装置13可以检测电气变量27，电气变量27同样可以传输给控制装置10。电气变量27描述电流的交换或一般地说描述电能28的交换。电能28的正值是外部能量，该外部能量由供电网3传输到交流电压网5中。电能28的负值是多余的能量或内部能量，其由交流电压网5传输到供电网3中。
蓄能装置1因此包括至少两个(优选双向的)逆变器、亦即变换器。通过该变换器一方面实现与交流电压网5的匹配和/或同步，另一方面实现与存储元件17的直流电压的匹配和/或同步，其方法是：将能量有目的地通过调节电压水平和/或交流电压相位来传送。通过使分别仅一个存储元件17与相应的变换器耦合，自动地产生在每个电路单元11、12的各存储元件17之间的电隔离。
此外检测装置13设置为电网分析器，该电网分析器提供关于到系统内和从系统出来的当前能量流作为电气变量27，亦即例如有效功率P、无功功率Q、视在功率S、功率系数相电流IL1,IL2,IL3、相电压UL1,UL2,UL3。
此外作为存储元件17设置任意数量的蓄能器，所述蓄能器能实现用于能量暂存的、能量的吸收和输出。优选地，在此涉及用过的蓄能器，亦即所谓的第二寿命蓄能器系统(或称再生蓄能器系统)。
最后设有至少两个多路复用开关单元，多路复用开关单元用作功率传输器或功率耦合器。多路复用开关单元是变换器之一与蓄能器之间的连接环节。多路复用开关单元由控制装置10切换。总是仅一个蓄能器与该变换器连接。需要至少两个电气独立的多路复用开关单元。因此可能的是，也在外部载荷要求下切换蓄能器。在交流电压网5中的初级侧上的功率波动在切换过程期间被避免。通过这样的使一个电路单元的存储元件渐次交替成另一蓄能单元12的存储元件17，可以更换或变换所使用的存储元件17，而由此无需中断蓄能装置1的运行。
对于电蓄能装置经常需要的是，尽管发生具有比较小功率的真实的能量交换，但可以存储极高的能量量。这样的蓄能装置1的例子是用于太阳能光电设备的蓄能装置。在此功率与能量的比例例如为1比10或1比100。该要求通过蓄能装置1解决，该蓄能装置以时分复用的方式运行多个存储元件17。为此设有多路复用开关装置16。经由多路复用开关装置16总是正好一个存储元件17与用于双向能量交换(充电/放电)的功率电子装置-供电电源连接，亦即与变换器15连接。上级的控制装置10承担多路复用开关装置16的驱控。
控制装置10特别是如此对在电路单元11、12与交流电压网5之间的能量交换进行控制/调节，使得对在交流电压网5与供电网3之间交换的电能28进行调节。为此电气变量27可以作为数据由检测装置13检测或作为基础。根据这些数据随后控制多路复用开关装置16和变换器15。所述控制/调节对进入系统和从系统出来的当前能量流以及蓄能器系统即存储元件17的当前状态进行监控。此外通过所述控制/调节实现对多路复用开关装置16的切换，由此选择对于当前载荷路径最适合的存储元件17。
为了阻止在多路复用开关装置16的切换期间在能量输出/吸收或功率输出/吸收中的波动，在控制/调节中保存所述的淡入-淡出方法。这负责用于，使多路复用开关装置首先无载荷地切换，亦即使由连接的变换器15产生的交流电压具有与在交流电压网5中存在的交流电压相同的幅度和相同相位。在这之后，在交流电压网5与变换器15之间交换的功率才以斜坡形接近目标值。目标值在此是之前由另一变换器15与交流电压网5交换的功率。并行地，借助于该变换器减小交换的电功率的值。为此监控当前存储元件17并且使其功率输出/吸收匹配于总功率需求。如果第二蓄能器完全接通并且其功率位于目标值上，那么第一蓄能器的功率输出/吸收能以斜坡形完全下降。仅当功率完全下降、亦即不再发生与交流电压网5的功率交换时，多路复用开关装置才断开第一蓄能器并且与下一蓄能器连接。由此多路复用开关装置16中的切换过程是无电压的。这特别是阻止电弧形成。
因此在由一个存储元件切换到下一存储元件时在无中断的条件下实现能量中断。为此例如至少一个第二多路复用开关装置并行于第一多路复用开关装置16地已经在连续运行中执行切换并且暂且还不允许能量输出或能量吸收。在下一步骤中，将第一蓄能器缓慢地从电网去除，亦即连续减小通过电流并且同时将第二蓄能器接到电网上。为了提高总功率适合的是，相应地并行运行多个多路复用开关装置16，其中在此特别是n+1原理适用，亦即总是设有一个附加的电路单元11、12，以便可以实施所述的淡入-淡出方法。
通过电网分析器以所述方式直接求得交流电压网5的载荷需求并且相应地传送给控制装置10。再者，作为环境数据9，外部电网参数、例如服务于需要的电流调节或电网稳定性要求可以由供能企业根据当前能量要求在控制装置10中流入所述控制中。例如，如果风力发电厂产生的电功率基于变强或减弱的风而发生波动，那么电网稳定性要求可以在风力发电厂产生。作为另外的环境数据9，可以由天气数据库设置关于天气情况(日照、风、风暴、降雪、温度变化)的预测(预报)并且由此使载荷-和蓄能器需求亦即载荷要求适配地匹配于环境数据9。
多个存储元件可以连接到所述多路复用开关装置16。特别是结合所使用的作为存储元件17的机动车高伏电池产生如下可能，即在未匹配于硬件和软件的条件下使用蓄能器系统中的全部车载电池。电池系统可以直接由机动车安装到蓄能装置1中作为存储元件。根据高伏电池的布线，这些高伏电池可以并联地、串联地或作为两个变型的组合而运行。这样的布线得到分别一个存储元件17。因此高伏电池可以通用地匹配于要求/事实。附加地，存储元件17的总容量提高。代替所述高伏电池也可以在存储元件17中包含其他已述蓄能器或备用电源机组形式的能源。
另外的优点是以任意数量的存储元件17实现的模块性、规模可伸缩性和可扩展性。限制因素仅仅是多路复用开关装置16的连接端的数量、必要的布线成本和可用变换器的数量。自然也可以应用新的高伏电池作为电蓄能器。
总而言之，该例子示出如何通过本发明可以提供(第二寿命)多路复用蓄能器系统。

Claims (13)

1.用于为静止的、具有至少一个耗电器(2)和/或至少一个再生能源(2)的交流电压网(5)存储能量的蓄能装置(1)，包括控制装置(10)和至少两个电路单元(11、12)，其中，每个电路单元(11、12)分别具有：
-多个存储元件(17)，用于存储一部分能量；
-变换器(15)，具有直流电压连接端(20)和用于连接交流电压网(5)的交流电压连接端(19)；
-多路复用开关装置(16)，该多路复用开关装置与变换器(15)的直流电压连接端(20)电气连接，该多路复用开关装置经由分别一个存储器连接端(21)与存储元件(17)之一电气连接，其中，多路复用开关装置(16)被设置用于，根据控制装置(10)的选择信号(22)选择存储器连接端(21)之一并且仅将所选择的存储器连接端(21)与变换器(15)的直流电压连接端(20)电气连接，
其中，控制装置(10)被设计用于，通过驱控所述至少两个电路单元(11、12)的相应变换器(15)而逐步减小在交流电压网(5)与电路单元中的第一电路单元(11)之间的能量流，并以相同的程度增大在交流电压网(5)与电路单元中的至少一个第二电路单元(12)之间的能量流，直至第一电路单元(11)的能量流减小到零。
2.根据权利要求1所述的蓄能装置(1)，其特征在于，控制装置(10)被设计用于，在能量流减小到零之后借助于选择信号(22)在第一电路单元(11)中选择另一存储元件(17)。
3.根据权利要求1或2所述的蓄能装置(1)，其特征在于，每个存储元件(17)具有用于确定存储元件(17)的相应运行状态数据(25)的监控装置(23)，控制装置(10)被设计用于，根据所有存储元件(17)的运行状态数据(25)以如下方式产生选择信号(22)：使得对于所有存储元件(17)满足损耗标准。
4.根据权利要求3所述的蓄能装置(1)，其特征在于，运行状态数据(25)包括相应存储元件(17)的以下状态变量中的至少一个：老化、损耗、周期数量、荷电状态、剩余容量和/或温度。
5.根据权利要求3所述的蓄能装置(1)，其特征在于，控制装置(10)被设计用于，在变换器(15)的电压调节器中根据连接在所选择的存储器连接端(21)上的存储元件(17)的运行状态数据(25)而设定额定电压值。
6.根据权利要求1或2所述的蓄能装置(1)，其特征在于，提供有用于接收环境数据(9)的接收装置(8)，控制装置(10)被设计用于，根据环境数据(9)产生选择信号(22)并且此时考虑接下来的再生能量可用性并且/或者补偿接下来的再生能量中断。
7.根据权利要求1或2所述的蓄能装置(1)，其特征在于，用于连接供电网(3)的电网连接端(7)经由检测装置(13)与交流电压网(5)连接，其中，检测装置(13)被设计用于，确定对于在供电网(3)与交流电压网(5)之间交换的外部电能(28)的至少一个电气变量(27)，控制装置(10)被设计用于，根据该至少一个电气变量(27)以如下方式驱控每个变换器(15)：使得交换的外部电能(28)的平衡满足预定的最小化标准。
8.根据权利要求1或2所述的蓄能装置(1)，其特征在于，每个多路复用开关装置(16)分别具有至少一个机械开关和/或至少一个晶体管，以选择储存元件(17)。
9.根据权利要求1或2所述的蓄能装置(1)，其特征在于，每个存储元件(17)分别具有至少一个电池和/或至少一个双层电容器和/或至少一个燃料电池和/或至少一个飞轮蓄能器和/或至少一个备用电源机组。
10.根据权利要求1或2所述的蓄能装置(1)，其特征在于，提供有至少一个通信总线(24)，所述通信总线用于连接车载高伏电池的电池内部的电池控制单元(23)，控制装置(10)被设计用于，经由通信总线(24)在电池控制单元(23)上实施剩余总线模拟(26)，其中，剩余总线模拟(26)包括与机动车的至少一个模拟控制器的通信。
11.根据权利要求4所述的蓄能装置(1)，其特征在于，控制装置(10)被设计用于，在变换器(15)的电压调节器中根据连接在所选择的存储器连接端(21)上的存储元件(17)的运行状态数据(25)而设定额定电压值。
12.根据权利要求6所述的蓄能装置(1)，其特征在于，所述环境数据(9)为外部电网参数和/或天气数据。
13.根据权利要求9所述的蓄能装置(1)，其特征在于，所述至少一个电池是车载高伏电池。
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