CN116960924A - Dc能量存储系统 - Google Patents
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Abstract
DC能量存储系统(20)包括：第一和第二DC端子(24、26)，用于与DC链路(28)的连接；DC能量存储转换器(22)，包括在所述第一和第二DC端子(24、26)之间串联连接的多个模块(32)，每个模块(32)包括至少一个开关元件和至少一个电池，每个模块(32)中的所述或每个开关元件和所述或每个电池可组合以选择性地提供电压源；以及至少一个耐火保护屏障(50)，布置成将所述多个模块(32)分开到转换器部分(52)中，每个转换器部分(52)包括所述多个模块(32)中的至少一个模块(32)。
Description
技术领域
本发明涉及DC能量存储系统，优选地供在高压直流(HVDC)传输和无功功率补偿中使用。
背景技术
在HVDC电力传输网络中，AC电力通常被转换成DC电力以用于经由架空线路、海底线缆和/或地下线缆的传输。这个转换移除对补偿由电力传输介质(即传输线路或线缆)施加的AC电容性负载效应的需要，并且降低每公里的线路和/或线缆的成本，并且因此当需要通过长距离传输电力时变得成本有效。DC电力还直接从离岸风电场传输到岸上AC电力传输网络。DC电力和AC电力之间的转换用于其中必需互连DC和AC网络的地方。在任何这种电力传输网络中，在AC和DC电力之间的每个接口处要求转换器(即电力转换器)以影响从AC到DC或从DC到AC所要求的转换。
发明内容
根据本发明的方面，提供有DC能量存储系统，包括：
第一和第二DC端子，用于与DC链路的连接；
DC能量存储转换器，包括在第一和第二DC端子之间串联连接的多个模块，每个模块包括至少一个开关元件和至少一个电池，每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个电池可组合以选择性地提供电压源；以及
至少一个耐火保护屏障，布置成将多个模块分开到转换器部分中，每个转换器部分包括多个模块中的至少一个模块。
提供耐火保护屏障以将模块划分到分立的转换器部分中，从而在电池起火的情况下，通过确保火灾没有不利地影响其他转换器部分并且为要采取的补救和/或保护动作提供足够的时间以便从操作中移除故障模块，来使能DC能量存储系统以降低的容量继续安全操作。同样地，将DC能量存储系统配置为连接到DC链路的独立系统降低DC能量存储系统中的火灾蔓延到相同电系统或网络中的其他电力设备的风险。
在另一方面，耐火保护屏障的省略造成整个DC能量存储系统在仅仅一个电池着火的情况下被摧毁的风险。
在本发明的优选实施例中，每个转换器部分包括所述多个模块中的多个模块。
在本发明的实施例中，DC能量存储系统可以包括控制器，所述控制器被编程以选择性地控制模块的开关元件的开关，以便调节每个电池的充电电平。
在本发明的另外的实施例中，每个转换器部分可以包括跨对应的一个或多个模块连接的旁路元件，每个旁路元件可操作以选择性地使流动通过对应的转换器部分的电流转向以旁路对应的一个或多个模块。旁路元件可以是旁路开关元件，诸如机械开关元件、断开器或电路断路器。
耐火保护屏障的安装与旁路元件的提供相组合，从而在电池起火的情况下，通过确保火灾没有不利地影响其他转换器部分以及为旁路元件旁路由火灾影响的模块并且从操作中移除它们提供足够的时间，来使能DC能量存储系统以降低的容量继续安全操作。此外，与从操作中移除模块的其他方式相比，在每个转换器部分中提供旁路元件提供了从操作中快速移除模块的方式。
多个模块可以布置在预组装的模块装置中。每个预组装的模块装置可包括所述多个模块中的多个模块和局部控制单元，所述局部控制单元被编程以在相同预组装的模块装置中控制模块的开关元件的开关。优选地，每个预组装的模块装置包括至少一个局部电源装置，所述局部电源装置配置成在相同预组装的模块装置中向局部控制单元供应电力。所述或每个局部电源装置可配置成在相同预组装的模块装置中从模块的电池中的两个或更多个电池获取电力。每个预组装的模块装置可包括在相同预组装的模块装置中跨模块连接的局部旁路元件，其中局部旁路元件可以可操作以选择性地使流动通过预组装的模块装置的电流转向以旁路对应的模块。局部旁路元件可以是或可以包括局部旁路开关元件，诸如机械开关元件、断开器或电路断路器。
在预组装的模块装置中布置模块不仅通过在相同预组装的模块装置中配置模块以共享共同的组件(例如，共同的旁路元件或共同的控制单元)来允许降低组件的总体数量，而且使得设计和安装耐火保护屏障以将多个模块分开到转换器部分中更加直截了当，从而改进DC能量存储系统的故障容限。
DC能量存储系统可包括与第一和第二DC端子之间的多个模块串联连接的至少一个电感器。电感器的目的是平滑流到DC能量存储转换器中或流出DC能量存储转换器的电流。
DC能量存储系统可以包括：至少一个预插入电阻，所述预插入电阻与第一和第二DC端子之间的多个模块串联连接；以及至少一个短路开关元件，所述短路开关元件可操作以使在第一和第二DC端子之间流动的电流转向以旁路所述或每个预插入电阻。预插入电阻的目的是在电池首次连接到DC链路时准许它们的逐步充电，并且预插入电阻在电池被充电后由短路开关元件短路。
每个模块的配置可以取决于DC能量存储系统的应用的要求而变化。
优选地，在每个模块中，没有中间的DC-DC转换器将所述或每个电池与所述或每个开关元件通过接口连接。
每个模块可以包括电容器或可以包括电容器-电感器(L-C)滤波器。
每个模块可以包括隔离装置，所述隔离装置可激活以将相同模块的所述或每个开关元件与所述或每个对应的电池电隔离。在这种实施例中，隔离装置可以包括熔断器和/或断开器。
所述或每个耐火保护屏障可以是耐爆的。
在本发明的实施例中，DC能量存储系统可以包括火灾检测器，所述火灾检测器配置成在转换器部分中检测火灾的存在。控制器可被编程以响应于由火灾检测器在转换器部分中的一个或多个转换器部分中进行的火灾的存在的检测，来确定如果从操作中移除一个或多个故障模块，则DC能量存储转换器中健康模块的数量是足以还是不足以继续进行DC能量存储系统的操作。取决于如果从操作中移除所述或每个故障模块，则健康模块的数量被认为足以或不足以继续进行DC能量存储系统的操作，然后控制器被编程以采取一个或多个补救和/或保护动作，其非限制示例描述如下并且贯穿说明书。
在第一示例中，控制器可以被编程以响应于确定如果从操作中移除一个或多个故障模块，则DC能量存储转换器中的健康模块的数量足以继续进行DC能量存储系统的操作，来操作旁路元件中的一个或多个旁路元件以使流动通过DC能量存储转换器的电流转向以旁路所述或每个故障模块。此外，控制器可被编程以响应于确定如果从操作中移除一个或多个故障模块，则DC能量存储转换器中的健康模块的数量足以继续进行DC能量存储系统的操作，来增加健康模块的电压输出以补偿从操作中移除所述或每个被旁路的故障模块。
在第二示例中，控制器可被编程以响应于确定如果从操作中移除一个或多个故障模块，则DC能量存储转换器中的健康模块的数量不足以继续进行DC能量存储系统的操作，来提供控制信号以关闭电系统(DC链路形成其部分)或将DC能量存储转换器与DC链路电隔离。
可以提供电组合件，包括：根据本发明的实施例中的任一实施例的DC能量存储系统；以及DC链路，其中DC能量存储系统的第一和第二DC端子可以连接到DC链路。
本发明的DC能量存储系统中的每个模块可以在配置中变化，其非限制示例阐述如下。
在模块的第一示例性配置中，模块中的所述或每个开关元件和所述或每个电池可布置成可组合以选择性地提供单向电压源。例如，模块可以包括一对开关元件，其采用半桥布置与电池并联连接以定义2-象限单极模块，所述2-象限单极模块可以提供零或正电压并可以以两个方向传导电流。在模块的第二示例性配置中，模块中的所述或每个开关元件和所述或每个电池可布置成可组合以选择性地提供双向电压源。例如，模块可以包括两对开关元件，其采用全桥布置与电池并联连接以定义4-象限双极模块，所述4-象限双极模块可以提供负、零或正电压并可以以两个方向传导电流。
多个模块可以串联连接以定义链式链路转换器。链式链路转换器的结构准许经由多个模块的电池(各自提供其自己的电压)插入到链式链路转换器中而积聚跨链式链路转换器的组合电压，所述组合电压比从它的单独模块中的每个可获得的电压更高。以这种方式，每个模块中的所述或每个开关元件的开关使链式链路转换器提供阶跃可变电压源，所述阶跃可变电压源准许使用逐步近似跨链式链路转换器生成电压波形。因此，链式链路转换器能够提供广泛范围的复杂电压波形。
至少一个开关元件可以是基于宽带隙材料的开关元件或基于硅半导体的开关元件。宽带隙材料的示例包括但不限于碳化硅、氮化硼、氮化镓和氮化铝。至少一个开关元件可以包括至少一个自换向的开关装置。所述或每个自换向的开关装置可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、栅关断晶闸管(GTO)、场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、注入增强栅晶体管(IEGT)、集成栅换向晶闸管(IGCT)、双模绝缘栅晶体管(BIGT)或任何其他自换向的开关装置。每个开关元件中的开关装置的数量可以取决于那个开关元件所要求的额定电压和电流而变化。至少一个开关元件可以进一步包括与所述或每个开关装置反并联连接的无源电流检查元件。所述或每个无源电流检查元件可包括至少一个无源电流检查装置。所述或每个无源电流检查装置可以是能够限制电流仅以一个方向流动的任何装置，例如二极管。每个无源电流检查元件中的无源电流检查装置的数量可以取决于那个无源电流检查元件所要求的额定电压和电流而变化。
每个模块可以包括单个电池或多个电池。
将领会到，本专利说明书中的术语“第一”和“第二”等的使用只是旨在帮助区分类似特征(例如，第一和第二DC端子等)，并且不是旨在指示一个特征优于另一个特征的相对重要性，除非另有指定。
在本申请的范围内，明确地打算，在前述段落和权利要求和/或以下描述和附图中阐述的各种方面、实施例、示例和备选方案，并且特别是其单独特征可独立地或以任何组合来采取。即，所有实施例和任何实施例的所有特征可以采用任何方式和/或组合来组合，除非这种特征不相容。申请人保留用来相应地改变任何原始提交的权利要求或提交任何新的权利要求的权利，包括以下权利：修改任何原始提交的权利要求以从属于任何其他权利要求和/或并入任何其他权利要求的任何特征，尽管没有以那种方式原始地要求保护。
本发明还公开了一组技术方案，如下：
技术方案1.一种DC能量存储系统(20)，包括：
第一和第二DC端子(24、26)，用于与DC链路(28)的连接；
DC能量存储转换器(22)，包括在所述第一和第二DC端子(24、26)之间串联连接的多个模块(32)，每个模块(32)包括至少一个开关元件(34)和至少一个电池(36)，每个模块(32)中的所述或每个开关元件(34)和所述或每个电池(36)可组合以选择性地提供电压源；以及
至少一个耐火保护屏障(50)，布置成将所述多个模块(32)分开到转换器部分(52)中，每个转换器部分(52)包括所述多个模块(32)中的至少一个模块(32)。
技术方案2.根据技术方案1所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个转换器部分(52)包括所述多个模块(32)中的多个模块(32)。
技术方案3.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的DC能量存储系统(20)，所述DC能量存储系统包括控制器(56)，所述控制器被编程以选择性地控制所述模块(32)的所述开关元件(34)的开关，以便调节每个电池(36)的充电电平。
技术方案4.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个转换器部分(52)包括跨对应的一个或多个模块(32)连接的旁路元件(54)，每个旁路元件(54)可操作以选择性地使流动通过对应的转换器部分(52)的电流转向以旁路所述对应的一个或多个模块(32)。
技术方案5.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的DC能量存储系统(20)，其中，所述多个模块(32)布置在预组装的模块装置(58)中，每个预组装的模块装置(58)包括所述多个模块(32)中的多个模块(32)和局部控制单元(60)，所述局部控制单元被编程以在相同预组装的模块装置(58)中控制所述模块(32)的所述开关元件(34)的所述开关。
技术方案6.根据技术方案5所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个预组装的模块装置(58)包括至少一个局部电源装置(62)，所述局部电源装置配置成在所述相同预组装的模块装置(58)中向所述局部控制单元(60)供应电力，并且所述或每个局部电源装置(62)配置成在所述相同预组装的模块装置(58)中从所述模块(32)的所述电池(36)中的两个或更多个电池获取电力。
技术方案7.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个模块(32)包括电容器或包括电容器-电感器滤波器。
技术方案8.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个模块(32)包括隔离装置，所述隔离装置可激活以将所述或每个对应的电池(36)与相同模块(32)的所述或每个开关元件(34)电隔离。
技术方案9.根据技术方案8所述的DC能量存储系统(20)，其中，所述隔离装置包括熔断器(40)和/或断开器(42)。
技术方案10.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的DC能量存储系统(20)，其中，所述或每个耐火保护屏障(50)是耐爆的。
技术方案11.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的DC能量存储系统(20)，所述DC能量存储系统包括火灾检测器(68)，所述火灾检测器配置成在所述转换器部分(52)中检测火灾的存在，其中所述控制器(56)被编程以响应于由所述火灾检测器(68)在所述转换器部分(52)中的一个或多个转换器部分中进行的所述火灾的所述存在的检测，来确定如果从操作中移除一个或多个故障模块(32)，则所述DC能量存储转换器(22)中健康模块(32)的数量是足以还是不足以继续进行所述DC能量存储系统(20)的操作。
技术方案12.根据在从属于技术方案4时的技术方案11所述的DC能量存储系统(20)，其中，所述控制器(56)被编程以响应于确定如果从操作中移除一个或多个故障模块(32)，则所述DC能量存储转换器(22)中的健康模块(32)的数量足以继续进行所述DC能量存储系统(20)的操作，来操作所述旁路元件(54)中的一个或多个旁路元件以使流动通过所述DC能量存储转换器(22)的电流转向以旁路所述或每个故障模块(32)。
技术方案13.根据技术方案12所述的DC能量存储系统(20)，其中，所述控制器(56)被编程以响应于确定如果从操作中移除一个或多个故障模块(32)，则所述DC能量存储转换器(22)中的健康模块(32)的数量足以继续进行所述DC能量存储系统(20)的操作，来增加所述健康模块(32)的电压输出以补偿从操作中移除所述或每个被旁路的故障模块(32)。
技术方案14.根据技术方案11至13中任一技术方案所述的DC能量存储系统(20)，其中，所述控制器(56)被编程以响应于确定如果从操作中移除一个或多个故障模块(32)，则所述DC能量存储转换器(22)中的健康模块(32)的数量不足以继续进行所述DC能量存储系统(20)的操作，来提供控制信号以关闭电系统，所述DC链路(28)形成所述电系统的部分，或将所述DC能量存储转换器(22)与所述DC链路(28)电隔离。
技术方案15.一种电组合件，包括：根据前述技术方案中的任一技术方案所述的DC能量存储系统(20)；以及DC链路(28)，其中所述DC能量存储系统(20)的所述第一和第二DC端子(24、26)连接到所述DC链路(28)。
附图说明
现在将参考附图通过非限制示例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出根据本发明的实施例的DC能量存储系统；
图2示出包括图1的DC能量存储系统和DC链路的电组合件；
图3示出图1的DC能量存储系统的示例性配置；
图4a至4d示出图1的DC能量存储系统的给定模块的各种配置；以及
图5示出图1的DC能量存储系统的预组装的模块装置。
图不一定是按比例绘制的，并且为了清楚和简洁起见，图的某些特征和某些视图可以以比例或以示意形式夸大示出。本发明的以下实施例主要在HVDC应用中使用，但将领会到，本发明的以下实施例经必要修改可适用于以不同电压电平操作的其他应用。
具体实施方式
根据本发明的实施例的DC能量存储系统在图1至图3中示出，并且一般由附图标记20指定。DC能量存储系统20包括第一和第二DC端子24、26以及在第一和第二DC端子24、26之间连接的DC能量存储转换器22。DC能量存储系统20不包括提供与AC电位、系统或网络直接连接的任何AC端子。第一和第二DC端子24、26可以分别包括：DC正端子和负端子；DC正端子和DC接地端子；或DC接地端子和DC负端子。在使用中，第一和第二DC端子24、26分别直接连接到DC链路28以形成电组合件。如图2中示出，DC链路28可以包括连接到AC-DC电力转换器30的DC侧的一对DC电力传输线路28a、28b。
DC能量存储转换器22包括在第一和第二DC端子24、26之间串联连接的多个模块32。模块32一起形成链式链路转换器。
每个模块32可以在拓扑方面变化，其非限制示例描述如下。
图4a示意地示出采用半桥模块32a的形式的示例性模块32的结构。半桥模块32a包括一对开关元件34和电池36。半桥模块32a的每个开关元件34采用与反并联二极管并联连接的IGBT的形式。该对开关元件34采用半桥布置与电池36并联连接以定义2-象限单极模块，所述2-象限单极模块可以提供零或正电压并能以两个方向传导电流。
设想的是，在本发明的其他实施例中，每个模块32的每个开关元件34可以由栅关断晶闸管(GTO)、场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、注入增强栅晶体管(IEGT)、集成栅换向晶闸管(IGCT)、双模绝缘栅晶体管(BIGT)或任何其他自换向的半导体装置代替。还设想的是，在本发明的其他实施例中，每个开关元件34可以由多个串联连接的开关元件或多个并联连接的开关元件代替，和/或每个二极管可以由多个串联连接的二极管或多个并联连接的二极管代替。
通过改变开关元件34的状态，将每个模块32的电池36选择性地旁路链式链路转换器或插入到链式链路转换器中。这选择性地引导电流通过电池36或使电流旁路电池36，使得模块32提供零或非零电压。当模块32中的开关元件34配置成在模块32中的两个模块端子之间形成短路时，模块32的电池36被旁路，由此短路旁路电池36。这使链式链路转换器中的电流通过短路并旁路电池36，并且因此模块32提供零电压，即模块32采用旁路模式配置并且由此从DC能量存储转换器22切换出电路。当模块32中的开关元件34配置成允许链式链路转换器中的电流流到电池36中以及流出电池36时，模块32的电池36被插入到链式链路转换器中。然后，电池36充电或放电其存储的能量，以便提供非零电压，即模块采用非旁路模式配置并且由此切换到DC能量存储转换器22中的电路。
以这种方式，每个模块32中的开关元件34是可开关的，以控制电流通过对应的电池36的流动。
有可能经由多个模块32的电池36(各自提供其自己的电压)插入到链式链路转换器中而积聚跨链式链路转换器的组合电压，所述组合电压比从它的单独模块32中的每个可获得的电压更高。以这种方式，每个模块32中的开关元件34的开关使链式链路转换器提供阶跃可变电压源，所述阶跃可变电压源准许使用逐步近似跨链式链路转换器生成电压波形。因此，开关元件34是可开关的，以选择性地准许和阻止电流通过对应的电池36的流动，以便控制跨DC能量存储转换器22的电压。
设想的是，在本发明的其他实施例中，每个模块32可以由另一种类型的模块代替，所述另一种类型的模块包括至少一个开关元件和至少一个电池装置，每个这种模块中的所述或每个开关元件和所述或每个电池布置成可组合以选择性地提供电压源。还设想的是，每个模块32可以包括大于一个电池。
每个模块32的配置可以取决于DC能量存储系统20的应用的要求而变化。
设想每个模块32的备选配置，其非限制示例参考图4b至4d描述如下。
每个模块32可以包括电容器或可以包括与电池36并联连接的电容器-电感器(L-C)滤波器38，如图4b中示出的。这将会允许由开关元件34的开启或关断而生成的开关瞬态被防止到达电池36。电容器可具有在微法范围中的电容。由于电池36具有比典型的塑料膜电容器高得多的内部电阻，这将会帮助防止电池过热。
每个模块32可以包括与电池36串联连接的隔离装置。隔离装置可激活以将电池与模块的其余部分电隔离，这在故障电池的情况下是有益的。隔离装置可以是如图4c中示出的熔断器40、如图4d中示出的断开器42或能够被操作以电隔离电池的另一种类型的电元件。隔离装置可以是手操作或电操作的。
将领会到，模块32中的所有模块具有相同的模块组件和/或模块结构不是必要的。例如，多个模块32可以包括具有不同模块组件和/或结构的模块的组合。
如图3中示出，DC能量存储系统包括两个电感器44和两个预插入电阻46，它们与第一和第二DC端子24、26之间的链式链路转换器串联连接。电感器44中的第一电感器和预插入电阻46中的第一预插入电阻在第一DC端子24和链式链路转换器之间串联连接。电感器44中的第二电感器和预插入电阻46中的第二预插入电阻在第二DC端子26和链式链路转换器之间串联连接。短路开关元件48(诸如断开器或电路断路器)跨相应的预插入电阻46连接，并可操作以使在第一和第二DC端子24、26之间流动的电流转向以旁路对应的预插入电阻46。
电感器44的目的是平滑流到DC能量存储转换器22中或流出DC能量存储转换器22的电流，优选地使得电流近似直流。预插入电阻46的目的是在电池首次连接到DC链路28时准许它们的逐步充电，并且预插入电阻46在电池被充电后由短路开关元件48短路。
备选地，DC能量存储系统20可以只包括电感器44中的一个和预插入电阻46中的一个。电感器44和预插入电阻46是可选的并且因此可以从DC能量存储系统20中省略。
DC能量存储系统20进一步包括多个耐火保护屏障50，所述耐火保护屏障布置成将多个模块32分开到转换器部分52中。每个转换器部分52包括多个模块32。在示出的实施例中，每个转换器部分52被容纳在相应的专用建筑内侧，并且耐火保护屏障50采用防火墙的形式围绕相应的转换器部分52。备选地，防火墙50可以布置成分开转换器部分52而不围绕相应的转换器部分52，例如，在邻近的转换器部分52之间的单个防火墙。防火墙50将会需要被额定为耐受转换器部分52的整个火灾负荷(即在指定空间内火灾的潜在严重程度)，而不对(一个或多个)相邻的转换器部分52施加不可接受的温度上升。优选地，每个耐火保护屏障50是耐爆的，以便能够耐受可发生的相关联转换器部分52的可信爆炸事件或危险。
每个转换器部分52包括跨对应的模块32连接的旁路断开器54。在示出的实施例中，旁路断开器54是螺线管操作的或马达操作的，但可以使用不同的打开和关闭断开器54的方式来操作。在其他实施例中，设想的是每个旁路断开器54可以由不同类型的旁路元件代替，诸如机械开关元件或电路断路器。在使用中，每个旁路断开器54被打开以允许流动通过对应的转换器部分52的电流流动通过对应的模块32，以及被关闭以使流动通过对应的转换器部分52的电流转向以旁路对应的模块32。
DC能量存储系统20进一步包括控制器56，所述控制器被编程以控制以下项的开关：模块的开关元件34、旁路断开器54和短路开关元件48。为了简单性的目的，控制器56参考其作为单个控制单元的实现来示例性地描述。在其他实施例中，控制器56可以实现为多个控制单元。控制器56的配置可以取决于DC能量存储系统20的具体要求而变化。例如，控制器56可以包括多个控制单元，所述多个控制单元中的每个控制单元配置成控制模块32中的相应一个模块的开关元件的开关。每个控制单元可以配置成在对应的模块32的内部或外部。备选地，控制器56可以包括以下项的组合：对应的模块32内部的一个或多个控制单元和对应的模块32外部的一个或多个控制单元。每个控制单元可以配置成与至少一个其他控制单元进行通信，例如，经由电信链路。
如图5中示出，多个模块32可以示例性地布置在预组装的模块装置58中。与预组装的模块装置的组件采用未组装的形式被运输并在现场被组装相反，预组装的模块装置的组件在工厂中被组装以形成预组装的模块装置58，所述预组装的模块装置58然后作为组装的模块装置被运输到安装的场地。每个预组装的模块装置58包括多个模块32、局部旁路断开器54、局部控制单元60和局部电源装置62。局部控制单元60形成控制器56的部分。局部旁路断开器54在相同预组装的模块装置中跨模块32连接，并可操作以选择性地使流动通过预组装的模块装置58的电流转向以旁路模块32。局部控制单元60被编程以在相同预组装的模块装置58中控制模块32的开关元件34的开关，并被配置成与主控制单元64进行通信，例如，经由诸如光纤66之类的电信链路。每个局部电源装置62配置成在相同预组装的模块装置58中向局部控制单元60供应电力，并在相同预组装的模块装置58中从模块32的电池36中的两个或更多个电池获取电力。
DC能量存储系统20的目的是向DC链路28导出电力或从DC链路28导入电力，以支持HVDC系统(DC链路28形成其部分)的电力传输操作。DC能量存储系统20作为整体的充电和放电是通过以下动作调节的：将受控数量的模块32切换到DC能量存储转换器22中的电路中以便产生组合DC电压，所述组合DC电压比DC链路28的端子到端子DC电压略高，以对电池放电并向DC链路28导出电力，或者比DC链路28的端子到端子DC电压略低，以对电池充电并从DC链路28导入电力。
控制器56控制模块32的开关元件34的开关以选择性地使模块32切换到DC端子24、26之间的电路中以及切换出DC端子24、26之间的电路，以便调节每个电池36的充电电平。优选地，通过循环切换模块32到DC能量存储转换器22中的电路中，例如，通过当DC能量存储系统20作为整体正在放电时，插入其中具有高于平均电压(或优选最高电压)的电池36的模块32，以及通过当DC能量存储系统20作为整体正在充电时，插入其中具有低于平均电压(或优选最低电压)的电池36的模块32，从而使电池36的充电电平保持平衡，或尽可能接近于平衡。
DC能量存储转换器22与DC链路28的直接连接(其中没有与AC电位的连接)意味着在DC能量存储转换器22中流动的电流只与电池36的充电或放电相关联，并且因此可以显著地比在DC链路28的两端处的AC-DC转换器30中流动的电流更低。因此，与常规模块相比，较低的操作电流使能更简单的基于电池的模块设计，从而导致成本节约。
此外，将DC能量存储系统20配置成与AC-DC转换器30完全分开在故障容限方面是有益的，并准许DC能量存储系统20独立于AC-DC转换器30被操作。例如，如果DC能量存储系统20停止运行，则电力仍然可以沿AC-DC转换器30之间的DC链路28被传输，而如果AC-DC转换器30中的一个停止运行但DC能量存储系统20可用，则DC能量存储系统20仍然可以与其他AC-DC转换器30以及相关联的HVDC系统中还有的其他AC-DC转换器交换电力。此外，DC能量存储系统20可以位于沿DC链路28的任何地方并且不要求位于转换器站中。
DC能量存储系统20的安全措施必须考虑到人员(例如维修技术人员)的安全和火灾风险的减轻。如下文解释的，本发明通过减轻电池起火摧毁整个DC能量存储系统20的风险，以及通过在一个或多个转换器部分52由火灾或爆炸完全摧毁的情况下，允许整个DC能量存储系统20(以降低的容量)继续操作，从而使得能量存储能力能够采用成本有效和安全的方式集成到HVDC系统中。
将模块32划分到分立的转换器部分52中的耐火保护屏障50的安装与使能旁路故障模块32的旁路断开器54的提供相组合，从而在电池起火的情况下，通过确保火灾没有不利地影响其他转换器部分52以及为(一个或多个)旁路断开器54旁路由火灾影响的模块32并且从操作中移除它们提供足够的时间，来使能DC能量存储系统20以降低的容量继续安全操作。此外，DC能量存储系统20与AC-DC转换器30的分开进一步降低DC能量存储系统20中的火灾蔓延到AC-DC转换器30的风险，否则这将会使具有传输若干GW电力的能力的战略传输资产处于危险中。
在关闭一个或多个转换器部分52的旁路断开器54以旁路对应的模块32之前，必需检查剩余转换器部分52中所有可用模块32的组合输出电压是否至少等于DC链路28的端子到端子DC电压，以便准许DC能量存储系统20的继续操作。如果未满足这个标准，则将会需要从服务中移除整个DC能量存储系统20。
检查是否满足以上标准的非限制方式描述如下。
DC能量存储系统20包括火灾检测器，所述火灾检测器配置成在转换器部分52中检测火灾的存在。火灾检测器可以包括多个火灾传感器68，所述多个火灾传感器中的每个火灾传感器配置成在转换器部分52中的相应的一个转换器部分中检测火灾的存在。火灾传感器68可以是常规的烟雾/火焰/电弧传感器，并且可以安装在建筑的墙上，安装在每个模块32上或每个模块附近或其组合。
当由(一个或多个)对应的火灾传感器68在转换器部分52中的一个或多个转换器部分中检测到火灾时，然后控制器确定如果从操作中移除故障模块32，则DC能量存储转换器22中健康模块32的数量是足以还是不足以继续进行DC能量存储系统20以降低的容量的操作。在这种情况下，由火灾影响的(一个或多个)转换器部分52中的模块32被认为是故障的。耐火保护屏障50防止火灾蔓延到其他转换器部分52，并且还防止对(一个或多个)相邻的转换器部分52施加不可接受的温度上升。
然后，控制器56控制由火灾影响的(一个或多个)转换器部分52的模块32以提供足够低的电压输出，使得控制器56能够安全地关闭由火灾影响的(一个或多个)转换器部分52的(一个或多个)旁路断开器54，以使流动通过DC能量存储转换器22的电流转向以旁路故障模块32，而不会导致过大的短路电流。同时，控制器56控制其他转换器部分52的健康模块32，以便增加健康模块32的电压输出以补偿从操作中移除被旁路的故障模块32。然后，通过关闭(一个或多个)对应的旁路断开器54来从操作中移除故障模块32。
对于火灾传感器68备选地或附加地，每个模块32可以包括至少一个局部传感器以检测那个模块32内的故障。在由所述或每个局部传感器检测到故障时，从所述或每个局部传感器向控制器56发送信号以关闭(一个或多个)对应的旁路断开器54。所述或每个局部传感器可以是电压传感器、电流传感器、温度传感器或能够估计电池36的充电状态的传感器。
如果从操作中移除故障模块32，若健康模块32的数量被认为不足以继续进行DC能量存储系统20以降低的容量的操作，则控制器56提供控制信号来关闭HVDC系统，或者使用开关设备将DC能量存储转换器22与DC链路28电隔离。
为了提供与HVDC电力系统的高电压电平兼容的DC电压，要求大量的电池36，这又将会要求大量的开关元件34和控制单元60。
为了降低组件的总体数量和成本，多个模块32优选地布置在预组装的模块装置58中，其配置在上文中描述。每个预组装的模块装置58的模块32优选地具有2kV至10kV范围中的组合额定电压。在相同预组装的模块装置58中使用单个局部控制单元60以协调模块32的开关元件34的开关，这降低DC能量存储系统20中控制单元60的总体数量。此外，由于局部控制单元60是利用来自两个或更多个电池36的电力供应的，所以一个电池36的失效将不会剥夺预组装的模块装置58关闭局部旁路断开器54的能力，从而改进DC能量存储系统20的故障容限。此外，如果对于一个或多个电池36有不那么严重的故障，则所述或每个对应的模块32可采用其旁路模式配置以便允许预组装的模块装置58利用降低的输出电压继续进行操作。最后，将模块32布置在预组装的模块装置58中使得设计和安装耐火保护屏障50以将多个模块32分开到转换器部分52中更加直截了当。
将理解的是，将模块布置在预组装的模块装置中是可选的。
本说明书中对明显在先公开的文献或明显在先公开的信息的列出或讨论不应当一定被当作承认该文献或信息是现有技术的部分或是公知常识。
除非上下文另有指示，否则本发明的给定方面、特征或参数的优选和选项应被视为已与本发明的所有其他方面、特征和参数的任何和所有优选和选项组合公开。
Claims (10)
1.一种DC能量存储系统(20)，包括：
第一和第二DC端子(24、26)，用于与DC链路(28)的连接；
DC能量存储转换器(22)，包括在所述第一和第二DC端子(24、26)之间串联连接的多个模块(32)，每个模块(32)包括至少一个开关元件(34)和至少一个电池(36)，每个模块(32)中的所述或每个开关元件(34)和所述或每个电池(36)可组合以选择性地提供电压源；以及
至少一个耐火保护屏障(50)，布置成将所述多个模块(32)分开到转换器部分(52)中，每个转换器部分(52)包括所述多个模块(32)中的至少一个模块(32)。
2.根据权利要求1所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个转换器部分(52)包括所述多个模块(32)中的多个模块(32)。
3.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的DC能量存储系统(20)，所述DC能量存储系统包括控制器(56)，所述控制器被编程以选择性地控制所述模块(32)的所述开关元件(34)的开关，以便调节每个电池(36)的充电电平。
4.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个转换器部分(52)包括跨对应的一个或多个模块(32)连接的旁路元件(54)，每个旁路元件(54)可操作以选择性地使流动通过对应的转换器部分(52)的电流转向以旁路所述对应的一个或多个模块(32)。
5.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的DC能量存储系统(20)，其中，所述多个模块(32)布置在预组装的模块装置(58)中，每个预组装的模块装置(58)包括所述多个模块(32)中的多个模块(32)和局部控制单元(60)，所述局部控制单元被编程以在相同预组装的模块装置(58)中控制所述模块(32)的所述开关元件(34)的所述开关。
6.根据权利要求5所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个预组装的模块装置(58)包括至少一个局部电源装置(62)，所述局部电源装置配置成在所述相同预组装的模块装置(58)中向所述局部控制单元(60)供应电力，并且所述或每个局部电源装置(62)配置成在所述相同预组装的模块装置(58)中从所述模块(32)的所述电池(36)中的两个或更多个电池获取电力。
7.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个模块(32)包括电容器或包括电容器-电感器滤波器。
8.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的DC能量存储系统(20)，其中，每个模块(32)包括隔离装置，所述隔离装置可激活以将所述或每个对应的电池(36)与相同模块(32)的所述或每个开关元件(34)电隔离。
9.根据权利要求8所述的DC能量存储系统(20)，其中，所述隔离装置包括熔断器(40)和/或断开器(42)。
10.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的DC能量存储系统(20)，其中，所述或每个耐火保护屏障(50)是耐爆的。
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