CN106663945A - 对多个电池组的控制 - Google Patents

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Abstract

一种功率转换和控制系统包括电力电池组和能量电池组。能量电池组连接到DC转换器，DC转换器输出端连接到母线，并且电力电池组直接连接到母线，使得母线的电压有效可变。母线可以经由变压器连接到逆变器以向负载输出。在逆变器和DC转换器之间提供在响应时间方面的差异。母线可以经由电网整流器连接到电网，并且母线可以经由负载逆变器连接到负载。在备选方案中，功率转换和控制系统包括连接到负载逆变器的输入端和电网整流器的输入端的电池组，其中，该系统适于向电网提供频率调节功率，适于经由负载整流器向负载供应负载功率，并且适于提供充电功率以保持电池的充电状态，其中，指示负载功率、频率调节功率和充电功率的信号由加法器求和，以便提供用于电网整流器的控制信号。

Description

对多个电池组的控制
技术领域
本发明涉及对能量存储系统内的电池组的控制。
背景技术
电池能量存储(BES)系统允许在许多种类的装置内存储和释放电能。这些系统可以包括存储来自诸如风力或太阳能系统之类的电源、诸如不间断电源(UPS)之类的备用电源的能量的系统，以帮助电力调节或用于其他用途。
在一些应用中，BES系统可以具有多个用途，或者可以具有需要对不同电池组进行独立控制的操作模式。存在独立控制电池组的两种常用手段。第一种情况针对每个电池组使用AC/DC逆变器(逆变器)。第二种情况针对每组使用DC/DC转换器(DC转换器)。
第一种情况在现有技术的图1中示出。电池组10、11各自具有相关联的逆变器12、13。典型地，逆变器12、13共享公共变压器20。变压器连接到电网30。
第二种情况在现有技术的图2中示出。电池组10、11各自连接到相关联的DC转换器14、15。DC转换器14、15以固定电压向公共母线18输出，然后经由公共逆变器16和变压器21将功率转换为AC。
在两种配置中，来自每个电池组的功率流可以完全不同。在图1中，不同的功率流在变压器20中以电磁方式求和。在图2中，功率流在公共DC母线上被求和。
每个配置都有优点和缺点。在图1所示的情况下，存在由逆变器12、13执行的单级功率转换，且因此在原理上该配置具有比图2的情况更高的效率。图2的布置在DC转换器14、15中和在公共逆变器16中具有两级功率转换。
在图2中，公共逆变器16可以针对功率流的总和来调整大小。例如，如果每个DC转换器被限定为1每单位(“pu”)功率，则在始终不同时使用两个电池组的全功率的情况下，逆变器可以额定为小于2pu功率。这与图1相反，在图1中，每个逆变器必须额定为1pu(总共2pu功率)。
对于许多应用，期望安装被设计为管理具有高循环的相对高的可变性的电池组，该电池组需要最小量的能量存储(例如频率调节或太阳能光伏平滑)，我们将其称为电力电池组，且期望安装被设计用于能量输送的另一电池组，该另一电池组需要相对大量的能量存储(诸如需求管理、能量转移和包括不间断电力在内的备用电力)，我们将其称为能量电池组。
本发明的目的是提供用于包括电力电池组和能量电池组这二者在内的布置的有效方法、装置和系统。
发明内容
在第一种宽泛的形式中，本发明提供一种布置，其中能量电池组经由DC转换器连接到母线，并且电力电池组直接连接到母线，母线向公共逆变器输出。
根据一个方面，本发明提供了功率转换和控制系统，包括电力电池组和能量电池组，所述能量电池组连接到DC转换器，所述DC转换器输出端连接到母线，并且电力电池组直接连接到母线，使得母线的电压有效可变。
在一些实现中，母线优选地经由变压器连接到逆变器以向负载输出。优选地，在逆变器和DC转换器之间提供在响应时间方面的差异
在其他实现中，母线经由电网整流器连接到电网，并且经由负载逆变器连接到负载。
根据另一方面，本发明提供了一种功率转换和控制系统，包括：电池组，连接到负载逆变器的输入端和电网整流器的输入端，其中，该系统适于向所述电网提供频率调节功率，适于经由负载整流器向负载提供负载功率，并且适于提供充电功率以维持电池的充电状态，其中，指示负载功率、频率调节功率和充电功率的信号由加法器求和以便为电网整流器提供控制信号。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明的实现，其中：
图1是第一现有技术的系统的示意性电路图；
图2是第二现有技术的系统的示意性电路图；
图3是本发明的第一实现的示意图；
图4是第一实现的第一应用的示意图；
图5是第一实现的第二应用的示意图；
图6是具有一个电池组的UPS系统的实现的示意图；
图7是具有两个电池组的UPS系统的实现的示意图；
图8是示出了用于根据图5的系统的控制系统的示意图；
图9是用于根据图5的系统的备选控制系统的示意图；
图10是用于根据图6的系统的控制系统的示意图；以及
图11是用于根据图7的系统的控制系统的示意图。
具体实施方式
将参考下面将讨论的各种示例来描述本发明。应当理解，这些是对本发明的说明，而不是对其范围的限制。特别地，许多备选的常规部件可以用于实现本发明。尽管铅酸电池是所讨论的主电池，但是可以使用任何其它合适的电池，例如锂离子、锂聚合物、镍镉、氧化还原液或其它液流电池，或任何其它这样的装置。本发明还可应用于用于存储电能或用于电池组(例如电容器、超级电容器、或其它机械、化学或电存储装置)中的一个或两个的其它装置，并且所有这样的设备(或其组合)应被理解为落入术语电池的范围内。
类似地，虽然在逆变器、转换器、整流器、开关和变压器的上下文中讨论了特定设备，但是应当理解，这些可以是常规的现货供应的设备，其具有与所要求的特定实现相一致的额定值和应用。虽然讨论将在一个能量电池组和一个电力电池组的上下文中，但是应当理解，本发明的原理可以应用于更复杂的系统。
关于图1和2讨论的现有技术系统可以都被认为是分流(shunt)BES系统，因为它们并联连接到电网和负载。要讨论的本发明的实现可以被认为是串联或者在线式(in line)系统中，因为它们与电网和负载串联连接。
图3示出了本发明的一个实现。电力电池组10直接连接到母线18。能量电池组11连接到DC转换器15，DC转换器15然后连接到母线18。来自母线18的输出通过公共逆变器16和变压器21。
公共逆变器16控制来自电力电池组10和能量电池组11的总功率流，而DC转换器15只控制来自能量电池组11的功率流。因此，电力电池组中的功率流(PPBG)是由公共逆变器控制的总功率流(PINV)与来自由DC转换器控制的能量电池组的功率流(PCNV)之间的差，如等式A所示：
PPBG＝PINV-PCNV
注意，在图2的系统中，在公共逆变器16的端子处的DC电压是恒定的，根据定义，这意味着每个DC转换器的逆变器侧也是恒定的。这是行业内的一个常见假设。然而，对于具有公共逆变器和DC转换器(混合系统)的图3所示的系统，向逆变器输入的DC电压在电力电池组10的所需范围内变化，并且因此DC转换器的逆变器侧也是可变的。这是本实现的混合解决方案与现有技术的系统之间的明显差异。
关于功率流的控制，公共逆变器和DC转换器这二者都具有用于控制功率流的功率调节器，但是调节器之间的响应时间必须具有足够的间隔，例如大约10分贝，以防止不稳定性。由于能量电池组11的用途是在长持续时间上输送电力，而电力电池组10的用途是在相对短的持续时间上输送快速响应电力，因此具有所需的大约10分贝的间隔与这两个不同的电池组兼容。应当理解，如本领域技术人员将理解的，精确值是特定实现中的设计选择的问题。换句话说，DC转换器总是与能量电池组配合并且具有慢响应功率调节器。
存在图3所示的混合分流系统的若干应用，包括(但不限于)以下组合：
在图4中示出了应用#1的示例。在该示例中，分流混合系统在频率调节模式(“REG模式”)或需求管理模式(“DM模式”)或能量转移模式(“ES模式”)下工作。在REG模式下，分流混合系统根据由远程控制系统(通常是电气系统运营商)提供的“频率调节参考”的命令，将电力专门从电力电池组向电网输送。在DM模式或ES模式下，电力/能量可以同时由电力电池组和能量电池组这二者输送，其中电力电池组通常输送比能量电池组更少的电力，如图4中的图形可以看出的。
在电池组之间输送的电力/能量的比率由DC转换器的功率参考来确定，如通过等式A确定的。这在图4中通过等于“B”加“C”的功率流“A”来展示。
另一种操作模式是串联地(依次)输送电力，因此仅在能量电池组接近耗尽时才使用电力电池组。
应用#2与应用#1几乎相同，除了REG模式由可再生平滑模式(“SM模式”)代替，并且SM模式可以与DM或ES模式同时发生。换句话说，电力电池组和能量电池组可以一起工作以管理能量输送的功率可变化性和时间。
在图5中示出了应用#3的示例。像应用#1一样，电力电池组10在REG模式期间向电网输送频率调节功率。然而，在该应用中，当自动断开开关31在电网上的电力干扰(电力质量事件)的情况下形成开路时，能量电力组11被设计为向负载输送能量，如图中的箭头所示。
同样，类似于应用#1，除了能量电力组11之外，电力/能量也可以由电力电池组以由DC转换器功率参考确定的比率来输送(即B＝A-C，其中C通过DC转换器功率参考来设置，并且A通过BES系统的功率参考来设置)。备选地，可以从每个电池组顺序地输送电力。
应用#4与应用#3几乎相同，除了REG模式由可再生平滑模式(“SM模式”)代替。
根据本发明的两个不同的电池组的混合也可以应用于在线式(inline)的不间断电源(在工业中称为“在线式UPS”或“在线(online)UPS”，并且在本文中称为“在线式BES系统”)，其中，功率转换器、整流器和逆变器与电网串联(连接在电网和负载之间)。UPS系统如图6所示。
连接在电网侧的电网整流器32和负载侧的负载逆变器33之间的是电力电池组10，其被设计为当电网整流器由于电力质量事件而不能再释放能量时释放能量。
在线式BES系统传统上仅用于电池很少工作的UPS应用。这提出了将电池用于第二用途的机会，并且在考虑到UPS应用是独立的情况下，期望的第二应用是频率调节，其中仅有的要求是电网连接，这是上述的应用#3。电池系统对这些共享用途的一般应用在申请人的共同待审的PCT申请PCT/AU2013/000375中描述，其公开内容通过引用并入本文。
此外，UPS应用需要非常高度的可靠性，因此期望具有一组备用电池以确保UPS功能总是可用。这种系统的一个实现在图7中示出。
电力电池组和备用电池组的操作非常类似于图5所示的分流混合BES系统的操作，但是频率调节现在由电网整流器32控制，并且UPS电力由负载逆变器33控制。此外，像图5的分流混合BES系统一样，由电力电池组输送的功率是负载逆变器所需的功率减去DC转换器所命令的功率的函数(即B＝A-C，其中C由DC转换器功率参考设置，并且A是负载逆变器所输送的功率)。
分流混合BES系统的控制架构是简单的，但是很新颖。基本控制架构利用乘法器42来控制BES系统功率参考40的作为DC转换器15的参考的部分的比率41，如图8所示。例如，在图4的应用#1中，在频率调节模式下合适的比率将为1.0∶0.0，使得电力电池组正在做所有的工作。在需求管理模式下，比率通常将为1.0∶0.7，使得30％的工作由电力电池组执行，而70％由能量电池组执行。此外，该比率可随时间而变化。例如，在需求管理模式下，最初能量电池组可以做所有的工作(1.0∶1.0的比率)，并且当其充电状态达到其底限时，可以减小该比率以将大部分工作转移到电力电池组。以这种方式，可以增加电力电池组的寿命(即，其能量吞吐量最小化)。在一些实现中，可以在以下方面存在优点：允许电力电池组在一些时间段内担任能量电池的角色，或者允许两个电池组以共同或类似的电力响应进行响应。
在某些应用中，可能期望仅仅使能量电池组11以具有低变化率的延迟方式跟随功率参考40，或者充当能量源以通过充当充电源来帮助将电力电池的充电状态维持在充电目标范围内。如图9所示，这可以通过用低通滤波器43代替乘法器来实现。低通滤波器可以像计算BES系统的过去功率参考的滚动平均一样简单。备选地，可以使用在电力电池组10和能量电池组11之间适当地分享电力需求的另一适当算法。这方面的一个示例是微电网应用，其中BES系统用于平衡生成与需求。任何快速响应要求将由电力电池组执行，但是大量能量要求将由能量电池组执行。
将理解的是，以上的讨论是对所讨论的应用的赞同，可能用于本发明实现的架构提供了符合特定要求并响应特定要求的以灵活的方式在两个电池组之间划分供电的灵活性。
对在线式BES系统的控制相对简单，如图10所示。在正常操作期间，电网整流器32仅仅将其输出端上的电压调节在对应于电池的“浮充电压”45的电平处。负载逆变器33进而在其输出端处调节AC频率和电压，并且功率流由负载阻抗46确定。该功率流通过它仅仅保持电池浮充电压而被转移到电网整流器32。当发生电网电力质量事件时，电网整流器32离线，并且随着去往负载逆变器33的DC输入电压下降，电力固有地从电池10中取出(pickup)。
如图7所示的对在线式混合BES系统的控制更为复杂，并且将参考图7来解释。根据定义，将频率调节功率调制在负载逆变器33所需的功率之上意味着电网整流器32不能在DC电压调节模式下工作。相反，其需要将必要的负载功率65馈送到负载逆变器33，根据电气系统运营商的命令将电力注入电网以进行频率调节72，并且保持电力电池组76的充电状态。因此，所有这三个参考/信号需要被求和70以生成用于电网整流器的功率参考71。此外，SoC功率参考75必须从SoC调节器73导出74，SoC调节器73将电力电池组10的SoC保持在可接受的范围内。注意，该控制方案与在线式BES系统是使用单个电池组还是两个电池组(即混合配置)无关。
关于负载逆变器33，其控制在原理上与传统系统保持相同，传统系统是AC电压和频率的调节。
当BES系统处于频率调节模式(REG模式)时，备用电池组11需要以不同于BES系统处于UPS模式时的方式操作。在REG模式下，不使用备用电池组，并且因为这个原因，在本应用中，这些电池是“浮充”电池，且需要被保持在恒定的“浮充”电压处。开关60在REG和UPS之间控制操作模式。
在UPS模式下，电力电池组10和备用电池组11这二者都需要释放电力代替电网整流器。为了实现这一点，DC转换器功率参考是由乘法器61和比率参考导出的负载逆变器功率65的比率63，并且乘法器61的输出被输出以控制DC转换器15。电力电池组自动补偿功率差。
应当理解，所描述的实现不是穷尽的，并且本发明的许多其他实现是可能的。在所公开的总体发明构思内，变化和添加是可能的。

Claims (8)

1.一种功率转换和控制系统，包括：
电力电池组和能量电池组；
DC转换器，连接到所述能量电池组；以及
母线，从所述DC转换器接收输出并且直接连接所述电力电池组，使得母线电压有效可变。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述母线连接到逆变器以向负载输出。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括连接到所述逆变器的输出端的变压器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，在所述逆变器和所述DC转换器之间提供在响应时间方面的差异。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述母线经由电网整流器连接到电网，并且所述母线经由负载逆变器连接到负载。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力电池组的电池与所述能量电池组的电池的不同之处在于电池技术、容量、操作特性或响应时间中的一项或多项。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述DC转换器由控制信号来控制，所述控制信号是根据所述系统的功率参考所导出的。
8.一种功率转换和控制系统，包括：
电池组，连接到负载逆变器的输入端和电网整流器的输入端；
其中，所述系统适于向电网提供频率调节功率，适于经由负载整流器向负载提供负载功率，并且适于提供充电功率以维持所述电池的充电状态；以及
其中，指示所述负载功率、频率调节功率和充电功率的信号由加法器求和，以便为所述电网整流器提供控制信号。
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