CN113678337A

CN113678337A - 电池逆变器系统

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Publication number: CN113678337A
Application number: CN202080019949.XA
Authority: CN
Inventors: D·赫尔梅林; T·勒辛格; M·穆斯塔法
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: JP7390393B2; DE102019106257A1; EP3939136A1; US11770004B2; JP2022524377A; US20210408796A1; CN113678337B; WO2020182530A1

Abstract

一种电池逆变器系统(1)包括多个电池逆变器单元(15)，其中，所述电池逆变器单元(15)中的每个包括多相逆变器(2.1‑2.3)和与所述逆变器(2.1‑2.3)在直流侧连接的电池单元(3.1‑3.3)。所述电池单元(3.1‑3.3)具有多个彼此并联连接的、借助框架熔断器(5)来防止过电流的单个单元(4)，并且所述电池逆变器单元(15)设置为在交流侧并联连接并设置为用于以共同的操控脉冲模式运行。所述电池逆变器单元(15)彼此之间通过平衡熔断器(13)在直流侧连接，其中，所述平衡熔断器(13)如此构型，使得在所述逆变器(2.1‑2.3)中的一个中发生短路的情况下所述平衡熔断器(13)比所述框架熔断器(5)更快地触发。

Description

电池逆变器系统

技术领域

本发明涉及一种电池逆变器系统，其具有多个并联连接的电池逆变器单元。

背景技术

电池逆变器系统越来越多地用于暂时存储来自公共能源供应网络的多余能量并提供网络支持功能。为此相应地需要能量存储器(通常是锂离子电池)在几兆瓦时范围内的高存储容量以及在兆瓦范围内的逆变器功率。对于这类应用，通常在交流侧并联连接多个逆变器桥，以便提供所需的转换器功率。已知的是，将逆变器桥中的每个在直流侧与自己的电池单元连接并且不将电池单元耦合。

对于特别高效且成本有利的电池逆变器系统，值得期望的是，能够以相同的操控脉冲模式、即以共同的控制装置来运行逆变器桥。同时，通过使用交流滤波器扼流圈来进一步节省成本，这种交流滤波器扼流圈可以通过以下方式特别成本有利地制造：这种交流滤波器扼流圈不抵消逆变器桥之间的回路电流(Kreisstrom)。通过消除在不同逆变器桥的交流滤波器扼流圈之间设置磁耦合的必要性，可以如此简化滤波器扼流圈的结构形式，使得实现大量成本节约。

但是，由于这些简化而产生并联连接电池单元的必要性，从而相同的输入电压施加在逆变器桥的直流输入端处，并确保所有电池单元随时具有相同的充电状态。电池单元的这种并联连接的缺点是故障情况下的行为、尤其是逆变器中发生短路的情况下的行为。在这种情况下，在直流侧产生如此高的短路电流，使得不能够以一个共同的熔断器来保护整个电池单元。更准确地说，有必要将电池单元分成许多单个单元，在此简称为电池框架(Batterie-Rack)，并以框架熔断器(Racksicherungen)单独地保护这些单个单元。术语“框架熔断器”不一定涉及安装到框架中的单个单元的熔断器，而是涉及如下单个单元：该单个单元的运行电流或短路电流如此确定大小(dimensioniert)，使得足够快的熔断器以成本有利的方式可供使用。目前，这适用于具有高达200A的标称值的熔断器。

然而，根据现有技术的短路情况导致，在并联连接的电池单元时在逆变器短路的极端情况下必须触发和更换所有框架熔断器。

发明内容

因此，本发明的任务是阐明一种具有在直流侧并联连接的电池单元的电池逆变器系统，该电池逆变器系统可以如此进行保护，使得在逆变器发生短路时仅须更换框架熔断器中的一部分。

该任务通过具有独立权利要求1的特征的电池逆变器系统解决。该电池逆变器系统的优选实施方式在从属权利要求中描述。

根据本发明，电池逆变器系统具有多个电池逆变器单元，其中，电池逆变器单元中的每个电池逆变器单元包括多相的、优选三相的逆变器和与逆变器在直流侧连接的电池单元。电池单元分别具有多个彼此并联连接的、借助框架熔断器防止过电流的电池框架，并且电池逆变器单元在交流侧并联连接且分别设置为以共同的操控脉冲模式运行，其中，电池逆变器单元彼此之间通过平衡熔断器(Ausgleichssicherungen)在直流侧连接，其中，平衡熔断器如此构型，使得在逆变器之一中发生短路的情况下，平衡熔断器比框架熔断器更快地触发。电池逆变器单元通过平衡熔断器的连接可以从电池单元与要连接的电池逆变器单元的逆变器之间的电连接的任何点进行。在此，连接如此进行，使得电池逆变器系统的所有逆变器的直流侧输入电压在平衡熔断器完好的情况下是相同的。

通过电池逆变器系统的这种构型，在正常运行中将电池逆变器单元之间的平衡电流最小化，而在交流侧无需开销大的滤波器布置，其中，同时仍然确保电池单元随时具有相同的充电状态，由此可以最佳地利用其容量。由于平衡电流低，因此能够使用具有如下标称值的熔断器作为平衡熔断器：该标称值对应于框架熔断器的标称值，在两个标称值之间至少不应超过两倍，其中，平衡熔断器的标称值甚至不必高于框架熔断器的标称值，而是甚至可以低于框架熔断器的标称值。即使在平衡熔断器的标称值相对于框架熔断器更高的情况下，由此也确保在发生短路时更快地触发平衡熔断器，因为在这种情况下，至少具有其多个单个单元的整个电池单元的总电流以及因此相对于电池框架的流经框架熔断器的短路电流高多倍的电流流经平衡熔断器，并且通过I²t触发特性确保更早的触发。

如此，例如，在由五个并联连接的单个单元形成的电池单元中，其中每个单个单元提供250A的短路电流，该电池单元可以提供1250A的短路电流。与引起短路的电池逆变器单元相邻的电池单元的短路电流然后流经平衡熔断器，从而在预期的I²t触发特性的情况下，与电池单元的框架熔断器相比，平衡熔断器在具有与平衡熔断器的标称值相同的标称值的框架熔断器的触发时间的二十五分之一(对应于(1250A/250A)²)内触发。即使当平衡熔断器的标称值是框架熔断器的标称值的2倍时，这种触发行为也确保平衡熔断器相对于框架熔断器的更快触发。电池单元内的框架熔断器或单个单元的更高数量进一步支持这种效果，因为整个电池单元的短路电流相对于单个单元的流经框架熔断器的短路电流随着单个单元的数量而定标。出于同样的原因，多个电池单元的短路电流流经的平衡熔断器比单个电池单元的短路电流流经的平衡熔断器(标称值相同)以可靠的方式更快地触发。

在将具有100A与1000A之间的额定值的熔断器用于平衡熔断器和框架熔断器的情况下，可以在较低熔断器成本的情况下确保足够快的触发行为，以便避免在短路情况下损坏电池单元。目前，具有200A的标称值的熔断器特别合适。

在本发明的一种优选实施方式中，相邻的电池逆变器单元分别通过平衡熔断器彼此连接。如此，与电池逆变器系统具有的电池逆变器单元相比，可以更少地使用平衡熔断器。但是，在短路情况下，可能触发多个平衡熔断器并且然后必须更换。

在本发明的另一优选的实施方式中，电池逆变器单元中的每个通过平衡熔断器与电池逆变器系统的共同的星形点连接。在此，平衡熔断器的数量对应于电池逆变器单元的数量。但是，在短路情况下，在该实施方式中仅将短路的逆变器与星形点连接的平衡熔断器触发，因为所有其他电池单元的短路电流流经该平衡熔断器，而单个电池单元的短路电流分别仅流经所有其他平衡熔断器。

有利的是，将根据本发明的电池逆变器系统的电池逆变器单元实施为功率相同的，因为由此能够在逆变器之间实现特别低的平衡电流。在此，特别有利的是构型为结构相同的逆变器，从而由于以共同的操控脉冲模式进行操控，至少在理论上可以完全防止平衡电流。

如果在电池逆变器单元(15)之间存在相应电池单元(3.1-3.3)的存储容量与所分配的逆变器(2.1-2.3)的功率之间的相等的比率，则也是有利的。由此，在运行中同样将通过平衡熔断器的平衡电流最小化。

在一种优选的实施方案变型中，电池逆变器系统或逆变器实施为没有中性导体连接部。结果，必须通过平衡线路进行平衡的相应中性导体电流甚至不会出现。

在一种优选的实施方式中，逆变器实施为没有DC/DC转换器。由此确保在逆变器桥的输入端处存在相同的直流电压，这同样有助于避免逆变器之间的平衡电流。

虽然可以设想，借助合适的、抑制回路电流的交流扼流圈布置将回路电流保持得小，但是这种扼流圈对于电池逆变器系统来说是巨大的附加开销。术语“抑制回路电流的正弦滤波器”在此理解为一种扼流圈布置，在该扼流圈布置中，用于零序系统(Nullsystem)的电感达到或超过用于正序系统(Mitsystem)的电感。

旨在最小化平衡电流的上述措施允许电池逆变器系统的这种构型，即可以省去抑制回路电流的交流扼流圈布置，例如，其中，电池逆变器单元的正弦滤波器的滤波器扼流圈彼此之间不是磁耦合的。正弦滤波器的可能存在的滤波电容器优选地分别与共同的参考电位连接。例如，在单独的三脚扼流圈(Dreischenkeldrossel)作为正弦滤波器用于逆变器中的每个逆变器时就是这种情况。以这种方式，实现一种特别成本有利的电池逆变器系统。

附加地可以设想，电池逆变器系统的逆变器在正弦滤波器后面在交流侧并联连接，其中，在在交流侧并联连接的电池逆变器单元下游连接共同的滤波器扼流圈或共同的网络滤波器与其他部件、尤其是共同的滤波电容器。

电池逆变器单元的逆变器可以安置在单独的壳体中，但是也可以设想，多个电池逆变器单元、但是至少其逆变器和正弦滤波器安置在共同的壳体中。

附图说明

下面借助附图示出本发明，其中，

图1示出根据现有技术的、具有并联连接的电池单元的电池逆变器系统，

图2示出根据本发明的电池逆变器系统的第一实施方式，并且

图3示出根据本发明的电池逆变器系统的第二实施方式。

具体实施方式

图1示出具有三个逆变器2.1至2.3的电池逆变器系统1，这些逆变器在交流侧通过分配给逆变器2.1至2.3的正弦滤波器6.1至6.3与共同的交流连接点连接。正弦滤波器6.1至6.3在此仅示为滤波器扼流圈，但是也可以包含其他部件、尤其是滤波电容器。

从共同的连接点开始，电池逆变器系统1通过共同的滤波器扼流圈7和共同的滤波电容器8、分离部位和变压器9连接到网络10。在所有描述的实施方式中，这还包括以下情况：在多相逆变器、例如三相逆变器的情况下，共同的滤波器扼流圈7针对每个相都具有单独的滤波器扼流圈或具有滤波器扼流圈布置，该滤波器扼流圈布置具有用于这些相中的每个相的滤波器绕组，这些滤波器绕组也可以是磁耦合的。同样地，可以针对这些相中的每个相设置单独的滤波电容器。

在直流侧上，逆变器2.1至2.3与电池单元3.1至3.3连接，从而逆变器中的每个逆变器分别分配有一个电池单元并且两者形成电池逆变器单元15。电池逆变器单元15在其方面通过连接线路、例如直流总线并联连接。电池单元3.1至3.3由多个作为能量存储器的单个单元4形成。单个单元4分别可以作为电池组安置在搁架单元(Regaleinheit)——所谓的框架——中，优选地以可移除的方式安置。每个单个单元4都通过框架熔断器5防止例如由于短路引起的过电流。框架熔断器5具有作为电流限制的标称值，在持久地超过该标称值的情况下框架熔断器5触发并将所分配的电池单元4与逆变器2.1至2.3分离。在触发后，框架熔断器作为单向熔断器是损坏的并且必须更换。

在发生故障事件的情况下——在此用符号表示为例如逆变器2.1处的短路11，所有电池单元分别提供其超过相应的框架熔断器5的标称值的短路电流，从而在所有框架熔断器5处发生触发事件12。作为短路11的结果，在现有技术中因此必须更换所有框架熔断器5，这与高的成本和开销相关。

在图2中示出根据本发明的电池逆变器系统1的第一实施方式。在此，每个逆变器2.1至2.3也在形成电池逆变器单元15的情况下分别分配有电池单元3.1至3.3。与根据图1的电池逆变器系统不同，通过平衡熔断器13形成电池逆变器单元15之间的连接线路，其中，分别在相邻的电池逆变器单元15之间布置有平衡熔断器13。因此，与存在电池单元或逆变器相比，在电池逆变器系统中存在的平衡熔断器更少。除了所示的三个电池逆变器单元15之外，还可以添加其他电池逆变器单元，并在交流侧并联连接，并在直流侧通过平衡熔断器与其他电池逆变器单元连接，以便提高电池逆变器系统1的整体性能。

在短路11的情况下，在此再次针对逆变器2.1示出，对于相关电池逆变器单元15的所有框架熔断器5还出现触发事件12。其他电池逆变器单元的框架熔断器5，在此是电池单元3.2和3.3的框架熔断器5，受到保护而免于触发，因为直接与短路的逆变器连接的平衡熔断器13由于在受保护的框架熔断器5之前在那里流动的、更高的短路电流而触发并且抑制相应电池单元(在此是电池单元3.2和3.3)的短路。在此支持以下事实：不仅单个单元4的短路电流而且电池单元3.2和3.3的累积的短路电流流经平衡熔断器13，并且确保相应的平衡熔断器13的快速触发。因此，不需要更换电池单元3.2和3.3的框架熔断器5，仅须更换一个触发的平衡熔断器13或多个触发的平衡熔断器13以及相关电池单元3.1的所有框架熔断器5。

为了在电池逆变器系统1的正常运行引导(Betriebsführung)的范畴内(即没有短路情况)已经防止平衡熔断器的不期望的触发，需要如此运行电池逆变器系统1，使得通过操控包含在逆变器中的逆变器桥将逆变器2.1至2.3之间的平衡电流或回路电流最小化。这可以通过以下方式实现：借助相同的操控脉冲模式来操控逆变器桥，并且逆变器实施为功率相同、尤其是结构相同。原则上，逆变器之间的平衡电流也可以通过开销大的交流滤波器布置(在这些交流滤波器布置中，尤其不同逆变器的相位输出端之间的滤波器绕组磁耦合)和/或单个逆变器的个体化且开销大的操控来减少，但是，由此本发明的成本优势则没有实现。

图3示出根据本发明的电池逆变器系统1的第二实施方式。与根据图2的实施方式不同，在这种实施方式中，电池逆变器单元15之间的连接线路中的每个连接线路通过平衡熔断器13与共同的星形点14连接。在此，平衡熔断器13的数量因此对应于电池逆变器单元15的数量。在短路11的情况下，在此再次在逆变器2.1处示出，触发事件12出现在分配给短路逆变器2.1的电池单元3.1的所有框架熔断器5处，如也在根据图2的实施方式中的那样。附加地，触发事件12也出现在将短路逆变器2.1与星形点14连接的平衡熔断器13处。在该实施方式中，因此，在每种情况下，仅平衡熔断器13中的一个触发，这也通过以下事实得到支持：所有其余电池单元(在此为电池单元3.2至3.3)的短路电流都流经触发的输出熔断器13。由于相关平衡熔断器13的触发事件12，所有其余框架熔断器5受到保护而免于触发并且不必更换。

附图标记列表

1 电池逆变器系统

2.1-2.3 逆变器

3.1-3.3 电池单元

4 单个电压

5 框架熔断器

6.1-6.3 正弦滤波器

7 过滤器扼流圈

8 滤波电容器

9 变压器

10 网络

11 短路

12 触发事件

13 平衡熔断器

14 星形点

15 电池逆变器单元

Claims

1.一种电池逆变器系统(1)，所述电池逆变器系统包括多个电池逆变器单元(15)，其中，

-所述电池逆变器单元(15)中的每个电池逆变器单元包括多相的逆变器(2.1-2.3)并且包括电池单元(3.1-3.3)，所述电池单元与所述逆变器(2.1-2.3)在直流侧连接，

-所述电池单元(3.1-3.3)具有多个单个单元(4)，所述单个单元彼此并联连接且借助框架熔断器(5)来防止过电流，

-所述电池逆变器单元(15)设置为在交流侧并联连接并且设置为以共同的操控脉冲模式运行，

其特征在于，

所述电池逆变器单元(15)彼此之间通过平衡熔断器(13)在直流侧连接，其中，所述平衡熔断器(13)如此构型，使得在所述逆变器(2.1-2.3)中的一个逆变器中发生短路的情况下所述平衡熔断器(13)比所述框架熔断器(5)更快地触发。

2.根据权利要求1所述的电池逆变器系统(1)，其中，相邻的电池逆变器单元(15)分别通过平衡熔断器(13)彼此连接。

3.根据权利要求1所述的电池逆变器系统(1)，其中，所述电池逆变器单元(15)中的每个电池逆变器单元通过平衡熔断器(13)与共同的星形点(14)连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，所述逆变器(2.1-2.3)实施为三相的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，所述电池逆变器单元(15)实施为结构相同和/或功率相同。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，在所述电池逆变器单元(15)中，相应的电池单元(3.1-3.3)的存储容量与所分配的逆变器(2.1-2.3)的功率之间的比率是相等的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，所述逆变器(2.1-2.3)实施为没有中性导体连接部。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，所述逆变器(2.1-2.3)实施为没有DC/DC转换器。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，所述框架熔断器(5)的标称电流和所述平衡熔断器(13)的标称电流相差不超过两倍，优选地为相等。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，所述框架熔断器(5)的标称电流和所述平衡熔断器(13)的标称电流位于100A与1000A之间的范围内。

11.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，所述电池逆变器单元的正弦滤波器(6.1-6.3)的滤波器扼流圈彼此之间不是磁耦合的，并且所述正弦滤波器(6.1-6.3)的滤波电容器——如果存在——分别与共同的参考电位连接。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，所述逆变器(2.1-2.3)分别通过不抑制回路电流的正弦滤波器(6.1-6.3)彼此在交流侧并联连接。

13.根据前述权利要求中任一项所述的电池逆变器系统(1)，其中，在在交流侧并联连接的电池逆变器单元的下游连接有共同的滤波器扼流圈(7)。