CN212114874U - 模块化能量存储系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了模块化能量存储系统，一种采用模块化集装箱式ESS和电力柜控制系统的系统使得能够具有针对电池和电化学存储装置的长持续时间的不间断电力供应(UPS)能力。实施方式包括模块化能量存储系统，该模块化能量存储系统包括至少三个电力柜和连接至第一电力柜的一组基于电池的能量存储系统(BESS)。在实施方式中，第一电力柜可以被配置成用作主电力和负荷平衡装置，并且第一电力柜包括电力电子器件，所述电力电子器件包括DC‑AC逆变器、变换器和频率调节器。第一电力柜可以向第二电力柜和第三电力柜提供多相输出电压，第二电力柜和第三电力柜均连接至第一电力柜。

Description

模块化能量存储系统
技术领域
本公开内容总体上涉及电力系统，并且更具体地涉及移动和定点的商业规模和工业规模的发电系统、捕获系统以及存储系统。这些系统通常称为电存储系统或ESS。基于电池的能量存储系统通常称为BESS。
背景技术
移动和定点的商业规模和工业规模的发电系统、捕获系统以及存储系统通常被构造成提供将所存储的能量(最常用的是燃烧燃料源)转换成电力的方式。这样做通常是为了向限定区域内的建筑物、整个建筑物或建筑物群、构筑物以及设备内的大型电力源提供备用、紧急或不间断电力供应 (UPS)。通常，如有需要，这些系统可以添加燃烧燃料以增加它们的工作时间。这样的系统通常被设置用于它们可以提供的电力的范围，并且以一定范围或电力输出和能量存储(箱或储存器)构建，并且通常被构建为一个单元。在现有实施方式中将电力生产装置与能量存储装置分开是不可行的也是不实际的。
随着针对先进的电池和其他电化学存储系统的技术改进以及价格降低，可以构建完全基于电池的集装箱式UPS或ESS。然而，由于所存储的能量的量的限制，集装箱式UPS和ESS设计的典型拓扑结构将这项技术限制于短的持续时间的电力事件。需要的是使集装箱式UPS和ESS设计的发电部分独立的方法，该方法使得发电部分能够与多个能量存储特定集装箱耦接或解耦。该设计更类似于向传统的UPS集装箱式系统的箱中添加燃烧燃料。
实用新型内容
本实用新型描述了一种采用模块化集装箱式(containerized)ESS和电力柜控制系统的系统。本实用新型的系统使得能够具有针对电池和电化学存储装置的长持续时间的不间断电力供应(UPS)能力。
一种模块化能量存储系统包括：第一电力柜，其被配置成用作主电力和负荷平衡装置，其中，第一电力柜包括电力电子器件，电力电子器件包括DC-AC逆变器、变换器和频率调节器；连接至第一电力柜的一组基于电池的能量存储系统(BESS)；第二电力柜，其被配置成连接至第一电力柜；以及第三电力柜，其被配置成连接至第一电力柜；其中，第一电力柜向第二电力柜和第三电力柜提供多相输出电压。
第一电力柜还包括适合于短持续时间的电力和能量供应的独立能量供应。
第一电力柜还包括燃烧燃料系统。
第一电力柜包括多个电压和电力转换电路，使得在第二电力柜和第三电力柜中能够使用较少的变换器。
第一电力柜中的电力电子器件被配置在隔离电路上，述隔离电路减少了用于平衡三相电力分配的支路的需求。
在第一电力柜中的电力电子器件还包括用于使隔离电路屏蔽电噪音的装置。
第二电力柜和第三电力柜被容纳在共同的壳体内。
第一电力柜和一组BESS被配置成用于在移动拖车上运输。
单个BESS可以连接至第一电力柜并且在第一电力柜正在向第二电力柜和第三电力柜提供输出电力时与第一电力柜断开连接。
一种模块化能量存储系统包括：第一电力柜，其被配置成用作主电力和负荷平衡装置，其中，第一电力柜包括电力电子器件，电力电子器件包括DC-AC逆变器、变换器和频率调节器；连接至第一电力柜的一组基于电池的能量存储系统(BESS)；第二电力柜；第三电力柜；以及用于将第一电力柜连接至第二电力柜和第三电力柜并且使得第一电力柜能够使第二电力柜和第三电力柜通电的装置；其中，第一电力柜向第二电力柜和第三电力柜提供多相输出电压；其中，第一电力柜中的电力电子器件被配置在隔离电路上，隔离电路减少了用于平衡三相电力分配的支路的需求，并且其中，电力电子器件包括用于使隔离电路屏蔽电噪音的装置；并且其中，单个BESS可以连接至第一电力柜并且在第一电力柜正在向第二电力柜和第三电力柜提供输出电力时与第一电力柜断开连接。
附图说明
图1描绘了连接至单个电力柜的多个BESS。该图示示出了可以交错或放置以适合场所或位点的布置。电力柜可以能够在一个柜内输出多个电压。利用隔离电路，电力柜可以在场中在不使用降压变换器的情况下提供不同的电压。
图2描绘了电力柜和两个BESS集装箱在移动拖车上的一种布置。
图3描绘了连接单个BESS集装箱的电力柜，示出了系统添加或移除附加的BESS或其他ESS集装箱的能力。在该图示中，每个BESS集装箱均已充电。
图4描绘了连接至单个电力柜的多个成对BESS集装箱串。在该图示中，每个BESS集装箱均已充电。
图5描绘了可以使用不同燃料源的与电力柜连接和与电力柜断开连接的多个ESS。在该图示中，耗尽的BESS可以与电力柜断开连接，并且已充电的BESS与电力柜连接。图示还描绘了具有与电力柜连接或与电力柜断开连接的能力的传统的燃烧燃料ESS。
图6描绘了与电力柜断开连接的耗尽的BESS，以及连接至电力柜并且向电力柜提供电力的传统的燃烧燃料ESS。
图7描绘了可以在太阳能发电厂或风力发电厂处使用的在拖车上的多个BESS集装箱。
图8描绘了BESS集装箱组、固定的或可以移动的电力柜以及“稳定件”，该“稳定件”使得BESS能够自动地或利用有限的人或系统的交互连接至电力柜或者通过其他电连接的方式提供或收集电力。在“稳定件”中可以存在多个“隔位(stall)”，从而使得几个电力和能源系统能够以各种布置连接在一起。该图示示出了在稳定件中的至少一个空的隔位。
图9描绘了与图8中的稳定件相同的稳定件，其中第二电力/能源系统从第二隔位来或从第二隔位出发。
图10描绘了可以在发电设施、基站、商业设施和工业设施处安装或部署的稳定件的网络。这些稳定件允许暂时或长期地进出能量。
具体实施方式
因此，电力设备的结构必须能够接受多个输入，允许这些电路变成通电和断电，并且允许在保持电力连续性的同时将空的集装箱交换成另一个集装箱。本公开内容涉及包括有可以连接至多个能量集装箱的主电力集装箱的系统，如有需要，包括但不限于传统的燃烧燃料系统。
传统的燃烧UPS系统的另一个普遍问题是保持电力负荷平衡。通常，这些大型电力系统连接至已实现负荷平衡的设施。然而，如果将大型电力系统在没有适当的负荷平衡的情况下部署在一个区域内，则对于三相AC 电机在发电中可能产生噪音。利用专用的电力生产电路可以实现优异的负荷隔离。
对于这些传统的基于电机/引擎的系统，大量的电力波动也可能是存在问题的。如果峰值为一秒的百分之十或更少，则电机相对于三相线的支路的旋转可能无法赶上峰值，并且可能导致整个系统故障。基于电子的UPS 系统可以具有快的多的响应时间。该应用可以是一组仅两(2)毫秒闪烁一次的大功率闪光灯并且不会产生足够的持续时间用于使典型的发电机赶上峰值。这会造成其他装置的问题，并且无法为闪光灯提供足够的电力，使电力匮乏并且潜在地对装置造成损坏。
在图1中示出了在已经以通用方式连接或耦接至独立的电力柜的未限定的布置中的BESS集装箱的集合。在电力柜内部，存在通用电压组合装置诸如DC-AC逆变器、变换器、频率调节器以及通常用于电力转换的其他电力装备。电力柜还可以包括更像是典型的不间断电力供应(UPS)的可以适合于几分钟或其他短的持续时间的电力和能量供应的独立能量供应。电力柜可以能够使来自BESS或其他能源的各种输入通电或断电，从而使得电力柜能够用作主电力和负荷平衡装置。这些输入可以是DC或 AC，在一个实施方式中可以想象驱动至电机或飞轮中的机械输入，其用于传输和平衡各种能量输入。
另外，图1示出了设置有多个电压和电力转换线使得在该线的更下方能够使用较少的变换器。电力柜中的电力电子器件可以位于隔离电路上，该隔离电路消除或大大减少了“平衡”三相电力分配的支路的问题。由于产生的场，因此在线上的信号中可能存在噪音，但是可以通过屏蔽线来进一步降低这些噪音。图示的较小或特定的电力柜可以是可重构的并且包括在一个装置内。
图2示出了电力柜和BESS系统如何能够利用ISO集装箱来运输和移动这些系统。因此，可以移动最初的一组电力柜并且然后以与传统的燃烧发电机添加燃料相类似的方法换掉BESS系统。在该图中，我们看到了运载在一个实施方式中在长度上可以为10'的电力柜的50'长的床式拖车，该拖车同时还可以运载两个20'的ESS或BESS集装箱。
图3示出了可以暂时或半暂时/永久放置的具有附接的一个或更多个 ESS或BESS单元的电力柜。每个BESS或ESS还能够根据需要“链接”在一起或者以其他方式电链接、耦接或解耦。
图4示出了可以被耦接的多个BESS或ESS集装箱链和然后也连接以提供能量或收集以及存储能量的BESS单元的附加耦接件。
在图5中，我们示出了在三个不同的能源和电力源可以连接至单个电力柜或多个电力柜时，可以选择从哪个源汲取电力。在附图中，BESS单元的第一链或耦接件已经耗尽；然后，电力柜可以开始从下一个BESS或其他装置汲取电力。另外所描绘的是也可以用于混合系统的传统的燃烧系统。在该附图中，传统的燃烧系统可以在任何期望的持续时间内对电力柜补充、再充电或提供主要的电力源。在这种方法中，更容易优化传统的燃烧发电机的输出以使其产生的总能量最大化。
在图6中，图5中的第一耗尽的BESS已经被移动以在另一个位置处再充电。图5中完全充电的BESS现在已经变为耗尽。在短持续时间内或者直到再充电的BESS可以返回为止，传统的燃烧燃料系统接管了电力生产。
在图7中，可以在可再生能量生产位置(发电厂)、传统的基站或者发电和电力分配位点处部署BESS拖车以捕获和加载转变能量。这个系统的独特之处还在于，远程位点可以捕获电力并且可以将所存储的能量容易地移动至可以接入或可以不接入电力的另一个位置处。BESS拖车系统的移动性可以将能量运输至传统的电网无法到达的位置、可能已经受到攻击或损坏的位置、或者电力分配和服务成本可能过分昂贵的位置。
拖车可以作为针对这些可再生生产设施的峰值源。没有被告知有风吹或没有风吹，但是利用一些警告可以合理的预测可能产生电力。然后，在需求增加或者当根据需要将电力运输至可以使用所捕获的能量的位置时，可以采取不需要的或未充分利用的电力生产、存储电力并且在值增加时使用电力。
图8示出了将BESS或其他电力生产装备连接至可以被称为“稳定件”的对象和将BESS或其他电力生产装备与可以被称为“稳定件”的对象断开连接的自动化或其他简化方法。所示的“稳定件”可以连接至电力柜、设施或园区、或者电力生产/分配位置。“稳定件”可以包括有多个快速/自动连接和断开连接的“隔位”。这些“隔位”提供了容易地交换移动BESS 或者其他能量和电力生产集装箱的方式和方法。该附图示出了在一个隔位中连接至稳定件的一组移动拖车，其中另一个开放的隔位是可用的。
图9是相同的稳定件和一组隔位，示出了能够接收或释放的第二BESS 移动集装箱。这个过程使得电力能够被连续地输送和移动。
图10示出了位于电力生产设施处的具有多个隔位的稳定件，示出了处于不同的充电状态下的多个BESS移动集装箱。这些隔位使拖车连接至稳定件，并且使稳定件连接至能量生产设施或站点以输送电力。
结论
本实用新型的系统和方法提供以下特征：
·能够接收多个能量输入的电力柜。
·能够根据需要以各种频率和相位提供多个输出电压的电力柜，所述多个输出电压包括但不限于110v、200v、208v、220v、240v、300v、 380v、400v和480v。
·能够使一个或更多个输入通电以及在使一个或更多个其他输入正在通电或已经通电时断电的电力柜。
·具有其自己的内部能量存储使得电力柜能够在不添加能量存储集装箱的情况下工作一段时间的电力柜。
·具有内部或外部物理接口以连接来自各种源的一个或更多个输入的电力柜。
·具有各种电力输出的电力柜，其可以根据需要提供专用的和可选地线隔离的电压和频率。
·可以利用计算机界面控制的电力柜，使得用户能够选择系统的输入和输出。
·能够基于限定的一组已知或可能的应用来重新配置由用户限定的或自动检测到的电力输出和输入参数的电力柜。
·将能量存储集装箱互相连接至诸如太阳能发电厂或风力发电厂的能量捕获和电力生产位点的方法。
·用于运输可以包括多个模块化电池组的能量存储集装箱的方法，所述多个模块化电池组可以进一步减小移动分配式电力的粒度(granularity)。
·将能量存储集装箱互相连接至实用规模的基站或者其他工业级和商业级的电力生产、分配和传输装置的方法。
·向可以利用不期望的能量生产的实用规模和商业规模的电网系统提供峰值电力源的方法。
·能量捕获和生成的时移使得间歇性可再生能量系统能够更有效地参与实用系统的电力波动和需求侧管理。
·在没有基础设施或者系统的基础设施不足或已经遇到问题的情况下捕获能量、运输能量以及将能量分配至系统的方法。
·将大型集装箱式ESS的所存储内容分配至较小的电力需求的方法，所述较小的电力需求可以分布在宽的区域上。
·将较小的能量存储系统集成在可以提供更大的集合电力输出的较大的集合集装箱式ESS中的方法。

Claims (10)

1.一种模块化能量存储系统，其特征在于，所述系统包括：
第一电力柜，其被配置成用作主电力和负荷平衡装置，其中，所述第一电力柜包括电力电子器件，所述电力电子器件包括DC-AC逆变器、变换器和频率调节器；
连接至所述第一电力柜的一组基于电池的能量存储系统(BESS)；
第二电力柜，其被配置成连接至所述第一电力柜；以及
第三电力柜，其被配置成连接至所述第一电力柜；
其中，所述第一电力柜向所述第二电力柜和所述第三电力柜提供多相输出电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电力柜还包括适合于短持续时间的电力和能量供应的独立能量供应。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电力柜还包括燃烧燃料系统。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电力柜包括多个电压和电力转换电路，使得在所述第二电力柜和所述第三电力柜中能够使用较少的变换器。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一电力柜中的所述电力电子器件被配置在隔离电路上，所述隔离电路减少了用于平衡三相电力分配的支路的需求。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述第一电力柜中的所述电力电子器件还包括用于使所述隔离电路屏蔽电噪音的装置。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二电力柜和所述第三电力柜被容纳在共同的壳体内。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电力柜和一组BESS被配置成用于在移动拖车上运输。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，单个BESS可以连接至所述第一电力柜并且在所述第一电力柜正在向所述第二电力柜和所述第三电力柜提供输出电力时与所述第一电力柜断开连接。
10.一种模块化能量存储系统，其特征在于，所述系统包括：
第一电力柜，其被配置成用作主电力和负荷平衡装置，其中，所述第一电力柜包括电力电子器件，所述电力电子器件包括DC-AC逆变器、变换器和频率调节器；
连接至所述第一电力柜的一组基于电池的能量存储系统(BESS)；
第二电力柜；
第三电力柜；以及
用于将所述第一电力柜连接至所述第二电力柜和所述第三电力柜并且使得所述第一电力柜能够使所述第二电力柜和所述第三电力柜通电的装置；
其中，所述第一电力柜向所述第二电力柜和所述第三电力柜提供多相输出电压；
其中，所述第一电力柜中的所述电力电子器件被配置在隔离电路上，所述隔离电路减少了用于平衡三相电力分配的支路的需求，并且其中，所述电力电子器件包括用于使所述隔离电路屏蔽电噪音的装置；并且
其中，单个BESS可以连接至所述第一电力柜并且在所述第一电力柜正在向所述第二电力柜和所述第三电力柜提供输出电力时与所述第一电力柜断开连接。
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