本發(fā)明涉及對能量存儲系統(tǒng)內(nèi)的電池組的控制。

背景技術(shù)：

電池能量存儲(BES)系統(tǒng)允許在許多種類的裝置內(nèi)存儲和釋放電能。這些系統(tǒng)可以包括存儲來自諸如風(fēng)力或太陽能系統(tǒng)之類的電源、諸如不間斷電源(UPS)之類的備用電源的能量的系統(tǒng)，以幫助電力調(diào)節(jié)或用于其他用途。

在一些應(yīng)用中，BES系統(tǒng)可以具有多個用途，或者可以具有需要對不同電池組進行獨立控制的操作模式。存在獨立控制電池組的兩種常用手段。第一種情況針對每個電池組使用AC/DC逆變器(逆變器)。第二種情況針對每組使用DC/DC轉(zhuǎn)換器(DC轉(zhuǎn)換器)。

第一種情況在現(xiàn)有技術(shù)的圖1中示出。電池組10、11各自具有相關(guān)聯(lián)的逆變器12、13。典型地，逆變器12、13共享公共變壓器20。變壓器連接到電網(wǎng)30。

第二種情況在現(xiàn)有技術(shù)的圖2中示出。電池組10、11各自連接到相關(guān)聯(lián)的DC轉(zhuǎn)換器14、15。DC轉(zhuǎn)換器14、15以固定電壓向公共母線18輸出，然后經(jīng)由公共逆變器16和變壓器21將功率轉(zhuǎn)換為AC。

在兩種配置中，來自每個電池組的功率流可以完全不同。在圖1中，不同的功率流在變壓器20中以電磁方式求和。在圖2中，功率流在公共DC母線上被求和。

每個配置都有優(yōu)點和缺點。在圖1所示的情況下，存在由逆變器12、13執(zhí)行的單級功率轉(zhuǎn)換，且因此在原理上該配置具有比圖2的情況更高的效率。圖2的布置在DC轉(zhuǎn)換器14、15中和在公共逆變器16中具有兩級功率轉(zhuǎn)換。

在圖2中，公共逆變器16可以針對功率流的總和來調(diào)整大小。例如，如果每個DC轉(zhuǎn)換器被限定為1每單位(“pu”)功率，則在始終不同時使用兩個電池組的全功率的情況下，逆變器可以額定為小于2pu功率。這與圖1相反，在圖1中，每個逆變器必須額定為1pu(總共2pu功率)。

對于許多應(yīng)用，期望安裝被設(shè)計為管理具有高循環(huán)的相對高的可變性的電池組，該電池組需要最小量的能量存儲(例如頻率調(diào)節(jié)或太陽能光伏平滑)，我們將其稱為電力電池組，且期望安裝被設(shè)計用于能量輸送的另一電池組，該另一電池組需要相對大量的能量存儲(諸如需求管理、能量轉(zhuǎn)移和包括不間斷電力在內(nèi)的備用電力)，我們將其稱為能量電池組。

本發(fā)明的目的是提供用于包括電力電池組和能量電池組這二者在內(nèi)的布置的有效方法、裝置和系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在第一種寬泛的形式中，本發(fā)明提供一種布置，其中能量電池組經(jīng)由DC轉(zhuǎn)換器連接到母線，并且電力電池組直接連接到母線，母線向公共逆變器輸出。

根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供了功率轉(zhuǎn)換和控制系統(tǒng)，包括電力電池組和能量電池組，所述能量電池組連接到DC轉(zhuǎn)換器，所述DC轉(zhuǎn)換器輸出端連接到母線，并且電力電池組直接連接到母線，使得母線的電壓有效可變。

在一些實現(xiàn)中，母線優(yōu)選地經(jīng)由變壓器連接到逆變器以向負載輸出。優(yōu)選地，在逆變器和DC轉(zhuǎn)換器之間提供在響應(yīng)時間方面的差異

在其他實現(xiàn)中，母線經(jīng)由電網(wǎng)整流器連接到電網(wǎng)，并且經(jīng)由負載逆變器連接到負載。

根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了一種功率轉(zhuǎn)換和控制系統(tǒng)，包括：電池組，連接到負載逆變器的輸入端和電網(wǎng)整流器的輸入端，其中，該系統(tǒng)適于向所述電網(wǎng)提供頻率調(diào)節(jié)功率，適于經(jīng)由負載整流器向負載提供負載功率，并且適于提供充電功率以維持電池的充電狀態(tài)，其中，指示負載功率、頻率調(diào)節(jié)功率和充電功率的信號由加法器求和以便為電網(wǎng)整流器提供控制信號。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖來描述本發(fā)明的實現(xiàn)，其中：

圖1是第一現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)的示意性電路圖；

圖2是第二現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)的示意性電路圖；

圖3是本發(fā)明的第一實現(xiàn)的示意圖；

圖4是第一實現(xiàn)的第一應(yīng)用的示意圖；

圖5是第一實現(xiàn)的第二應(yīng)用的示意圖；

圖6是具有一個電池組的UPS系統(tǒng)的實現(xiàn)的示意圖；

圖7是具有兩個電池組的UPS系統(tǒng)的實現(xiàn)的示意圖；

圖8是示出了用于根據(jù)圖5的系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的示意圖；

圖9是用于根據(jù)圖5的系統(tǒng)的備選控制系統(tǒng)的示意圖；

圖10是用于根據(jù)圖6的系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的示意圖；以及

圖11是用于根據(jù)圖7的系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的示意圖。

具體實施方式

將參考下面將討論的各種示例來描述本發(fā)明。應(yīng)當理解，這些是對本發(fā)明的說明，而不是對其范圍的限制。特別地，許多備選的常規(guī)部件可以用于實現(xiàn)本發(fā)明。盡管鉛酸電池是所討論的主電池，但是可以使用任何其它合適的電池，例如鋰離子、鋰聚合物、鎳鎘、氧化還原液或其它液流電池，或任何其它這樣的裝置。本發(fā)明還可應(yīng)用于用于存儲電能或用于電池組(例如電容器、超級電容器、或其它機械、化學(xué)或電存儲裝置)中的一個或兩個的其它裝置，并且所有這樣的設(shè)備(或其組合)應(yīng)被理解為落入術(shù)語電池的范圍內(nèi)。

類似地，雖然在逆變器、轉(zhuǎn)換器、整流器、開關(guān)和變壓器的上下文中討論了特定設(shè)備，但是應(yīng)當理解，這些可以是常規(guī)的現(xiàn)貨供應(yīng)的設(shè)備，其具有與所要求的特定實現(xiàn)相一致的額定值和應(yīng)用。雖然討論將在一個能量電池組和一個電力電池組的上下文中，但是應(yīng)當理解，本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于更復(fù)雜的系統(tǒng)。

關(guān)于圖1和2討論的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)可以都被認為是分流(shunt)BES系統(tǒng)，因為它們并聯(lián)連接到電網(wǎng)和負載。要討論的本發(fā)明的實現(xiàn)可以被認為是串聯(lián)或者在線式(in line)系統(tǒng)中，因為它們與電網(wǎng)和負載串聯(lián)連接。

圖3示出了本發(fā)明的一個實現(xiàn)。電力電池組10直接連接到母線18。能量電池組11連接到DC轉(zhuǎn)換器15，DC轉(zhuǎn)換器15然后連接到母線18。來自母線18的輸出通過公共逆變器16和變壓器21。

公共逆變器16控制來自電力電池組10和能量電池組11的總功率流，而DC轉(zhuǎn)換器15只控制來自能量電池組11的功率流。因此，電力電池組中的功率流(P_PBG)是由公共逆變器控制的總功率流(P_INV)與來自由DC轉(zhuǎn)換器控制的能量電池組的功率流(P_CNV)之間的差，如等式A所示：

P_PBG＝P_INV-P_CNV

注意，在圖2的系統(tǒng)中，在公共逆變器16的端子處的DC電壓是恒定的，根據(jù)定義，這意味著每個DC轉(zhuǎn)換器的逆變器側(cè)也是恒定的。這是行業(yè)內(nèi)的一個常見假設(shè)。然而，對于具有公共逆變器和DC轉(zhuǎn)換器(混合系統(tǒng))的圖3所示的系統(tǒng)，向逆變器輸入的DC電壓在電力電池組10的所需范圍內(nèi)變化，并且因此DC轉(zhuǎn)換器的逆變器側(cè)也是可變的。這是本實現(xiàn)的混合解決方案與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)之間的明顯差異。

關(guān)于功率流的控制，公共逆變器和DC轉(zhuǎn)換器這二者都具有用于控制功率流的功率調(diào)節(jié)器，但是調(diào)節(jié)器之間的響應(yīng)時間必須具有足夠的間隔，例如大約10分貝，以防止不穩(wěn)定性。由于能量電池組11的用途是在長持續(xù)時間上輸送電力，而電力電池組10的用途是在相對短的持續(xù)時間上輸送快速響應(yīng)電力，因此具有所需的大約10分貝的間隔與這兩個不同的電池組兼容。應(yīng)當理解，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，精確值是特定實現(xiàn)中的設(shè)計選擇的問題。換句話說，DC轉(zhuǎn)換器總是與能量電池組配合并且具有慢響應(yīng)功率調(diào)節(jié)器。

存在圖3所示的混合分流系統(tǒng)的若干應(yīng)用，包括(但不限于)以下組合：

在圖4中示出了應(yīng)用#1的示例。在該示例中，分流混合系統(tǒng)在頻率調(diào)節(jié)模式(“REG模式”)或需求管理模式(“DM模式”)或能量轉(zhuǎn)移模式(“ES模式”)下工作。在REG模式下，分流混合系統(tǒng)根據(jù)由遠程控制系統(tǒng)(通常是電氣系統(tǒng)運營商)提供的“頻率調(diào)節(jié)參考”的命令，將電力專門從電力電池組向電網(wǎng)輸送。在DM模式或ES模式下，電力/能量可以同時由電力電池組和能量電池組這二者輸送，其中電力電池組通常輸送比能量電池組更少的電力，如圖4中的圖形可以看出的。

在電池組之間輸送的電力/能量的比率由DC轉(zhuǎn)換器的功率參考來確定，如通過等式A確定的。這在圖4中通過等于“B”加“C”的功率流“A”來展示。

另一種操作模式是串聯(lián)地(依次)輸送電力，因此僅在能量電池組接近耗盡時才使用電力電池組。

應(yīng)用#2與應(yīng)用#1幾乎相同，除了REG模式由可再生平滑模式(“SM模式”)代替，并且SM模式可以與DM或ES模式同時發(fā)生。換句話說，電力電池組和能量電池組可以一起工作以管理能量輸送的功率可變化性和時間。

在圖5中示出了應(yīng)用#3的示例。像應(yīng)用#1一樣，電力電池組10在REG模式期間向電網(wǎng)輸送頻率調(diào)節(jié)功率。然而，在該應(yīng)用中，當自動斷開開關(guān)31在電網(wǎng)上的電力干擾(電力質(zhì)量事件)的情況下形成開路時，能量電力組11被設(shè)計為向負載輸送能量，如圖中的箭頭所示。

同樣，類似于應(yīng)用#1，除了能量電力組11之外，電力/能量也可以由電力電池組以由DC轉(zhuǎn)換器功率參考確定的比率來輸送(即B＝A-C，其中C通過DC轉(zhuǎn)換器功率參考來設(shè)置，并且A通過BES系統(tǒng)的功率參考來設(shè)置)。備選地，可以從每個電池組順序地輸送電力。

應(yīng)用#4與應(yīng)用#3幾乎相同，除了REG模式由可再生平滑模式(“SM模式”)代替。

根據(jù)本發(fā)明的兩個不同的電池組的混合也可以應(yīng)用于在線式(inline)的不間斷電源(在工業(yè)中稱為“在線式UPS”或“在線(online)UPS”，并且在本文中稱為“在線式BES系統(tǒng)”)，其中，功率轉(zhuǎn)換器、整流器和逆變器與電網(wǎng)串聯(lián)(連接在電網(wǎng)和負載之間)。UPS系統(tǒng)如圖6所示。

連接在電網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)整流器32和負載側(cè)的負載逆變器33之間的是電力電池組10，其被設(shè)計為當電網(wǎng)整流器由于電力質(zhì)量事件而不能再釋放能量時釋放能量。

在線式BES系統(tǒng)傳統(tǒng)上僅用于電池很少工作的UPS應(yīng)用。這提出了將電池用于第二用途的機會，并且在考慮到UPS應(yīng)用是獨立的情況下，期望的第二應(yīng)用是頻率調(diào)節(jié)，其中僅有的要求是電網(wǎng)連接，這是上述的應(yīng)用#3。電池系統(tǒng)對這些共享用途的一般應(yīng)用在申請人的共同待審的PCT申請PCT/AU2013/000375中描述，其公開內(nèi)容通過引用并入本文。

此外，UPS應(yīng)用需要非常高度的可靠性，因此期望具有一組備用電池以確保UPS功能總是可用。這種系統(tǒng)的一個實現(xiàn)在圖7中示出。

電力電池組和備用電池組的操作非常類似于圖5所示的分流混合BES系統(tǒng)的操作，但是頻率調(diào)節(jié)現(xiàn)在由電網(wǎng)整流器32控制，并且UPS電力由負載逆變器33控制。此外，像圖5的分流混合BES系統(tǒng)一樣，由電力電池組輸送的功率是負載逆變器所需的功率減去DC轉(zhuǎn)換器所命令的功率的函數(shù)(即B＝A-C，其中C由DC轉(zhuǎn)換器功率參考設(shè)置，并且A是負載逆變器所輸送的功率)。

分流混合BES系統(tǒng)的控制架構(gòu)是簡單的，但是很新穎?；究刂萍軜?gòu)利用乘法器42來控制BES系統(tǒng)功率參考40的作為DC轉(zhuǎn)換器15的參考的部分的比率41，如圖8所示。例如，在圖4的應(yīng)用#1中，在頻率調(diào)節(jié)模式下合適的比率將為1.0∶0.0，使得電力電池組正在做所有的工作。在需求管理模式下，比率通常將為1.0∶0.7，使得30％的工作由電力電池組執(zhí)行，而70％由能量電池組執(zhí)行。此外，該比率可隨時間而變化。例如，在需求管理模式下，最初能量電池組可以做所有的工作(1.0∶1.0的比率)，并且當其充電狀態(tài)達到其底限時，可以減小該比率以將大部分工作轉(zhuǎn)移到電力電池組。以這種方式，可以增加電力電池組的壽命(即，其能量吞吐量最小化)。在一些實現(xiàn)中，可以在以下方面存在優(yōu)點：允許電力電池組在一些時間段內(nèi)擔任能量電池的角色，或者允許兩個電池組以共同或類似的電力響應(yīng)進行響應(yīng)。

在某些應(yīng)用中，可能期望僅僅使能量電池組11以具有低變化率的延遲方式跟隨功率參考40，或者充當能量源以通過充當充電源來幫助將電力電池的充電狀態(tài)維持在充電目標范圍內(nèi)。如圖9所示，這可以通過用低通濾波器43代替乘法器來實現(xiàn)。低通濾波器可以像計算BES系統(tǒng)的過去功率參考的滾動平均一樣簡單。備選地，可以使用在電力電池組10和能量電池組11之間適當?shù)胤窒黼娏π枨蟮牧硪贿m當算法。這方面的一個示例是微電網(wǎng)應(yīng)用，其中BES系統(tǒng)用于平衡生成與需求。任何快速響應(yīng)要求將由電力電池組執(zhí)行，但是大量能量要求將由能量電池組執(zhí)行。

將理解的是，以上的討論是對所討論的應(yīng)用的贊同，可能用于本發(fā)明實現(xiàn)的架構(gòu)提供了符合特定要求并響應(yīng)特定要求的以靈活的方式在兩個電池組之間劃分供電的靈活性。

對在線式BES系統(tǒng)的控制相對簡單，如圖10所示。在正常操作期間，電網(wǎng)整流器32僅僅將其輸出端上的電壓調(diào)節(jié)在對應(yīng)于電池的“浮充電壓”45的電平處。負載逆變器33進而在其輸出端處調(diào)節(jié)AC頻率和電壓，并且功率流由負載阻抗46確定。該功率流通過它僅僅保持電池浮充電壓而被轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)整流器32。當發(fā)生電網(wǎng)電力質(zhì)量事件時，電網(wǎng)整流器32離線，并且隨著去往負載逆變器33的DC輸入電壓下降，電力固有地從電池10中取出(pick up)。

如圖7所示的對在線式混合BES系統(tǒng)的控制更為復(fù)雜，并且將參考圖7來解釋。根據(jù)定義，將頻率調(diào)節(jié)功率調(diào)制在負載逆變器33所需的功率之上意味著電網(wǎng)整流器32不能在DC電壓調(diào)節(jié)模式下工作。相反，其需要將必要的負載功率65饋送到負載逆變器33，根據(jù)電氣系統(tǒng)運營商的命令將電力注入電網(wǎng)以進行頻率調(diào)節(jié)72，并且保持電力電池組76的充電狀態(tài)。因此，所有這三個參考/信號需要被求和70以生成用于電網(wǎng)整流器的功率參考71。此外，SoC功率參考75必須從SoC調(diào)節(jié)器73導(dǎo)出74，SoC調(diào)節(jié)器73將電力電池組10的SoC保持在可接受的范圍內(nèi)。注意，該控制方案與在線式BES系統(tǒng)是使用單個電池組還是兩個電池組(即混合配置)無關(guān)。

關(guān)于負載逆變器33，其控制在原理上與傳統(tǒng)系統(tǒng)保持相同，傳統(tǒng)系統(tǒng)是AC電壓和頻率的調(diào)節(jié)。

當BES系統(tǒng)處于頻率調(diào)節(jié)模式(REG模式)時，備用電池組11需要以不同于BES系統(tǒng)處于UPS模式時的方式操作。在REG模式下，不使用備用電池組，并且因為這個原因，在本應(yīng)用中，這些電池是“浮充”電池，且需要被保持在恒定的“浮充”電壓處。開關(guān)60在REG和UPS之間控制操作模式。

在UPS模式下，電力電池組10和備用電池組11這二者都需要釋放電力代替電網(wǎng)整流器。為了實現(xiàn)這一點，DC轉(zhuǎn)換器功率參考是由乘法器61和比率參考導(dǎo)出的負載逆變器功率65的比率63，并且乘法器61的輸出被輸出以控制DC轉(zhuǎn)換器15。電力電池組自動補償功率差。

應(yīng)當理解，所描述的實現(xiàn)不是窮盡的，并且本發(fā)明的許多其他實現(xiàn)是可能的。在所公開的總體發(fā)明構(gòu)思內(nèi)，變化和添加是可能的。