能量存儲系統(tǒng)和模塊通信的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能量存儲系統(tǒng)，其適用于同步執(zhí)行本地和非本地電源電網(wǎng)的控制和系統(tǒng)任務(wù)，并涉及一種用于所述能量存儲系統(tǒng)的主模塊，還涉及一種操作所述能量存儲系統(tǒng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]運(yùn)行一個(gè)電源電網(wǎng)的能量是由各種不同類型的發(fā)電站提供的。在此，大多數(shù)的發(fā)電站，例如核電站、燃煤電站、燃?xì)怆娬尽L(fēng)力發(fā)電站、沼氣站、或太陽能電站，只不過是將能量輸送至非本地電源電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)。例如，非本地電源電網(wǎng)為配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)，例如在德國，它們是由Ampr1n, 50Hertz, Tennet,和TransnetEnBW運(yùn)營的。這些輸電網(wǎng)為歐洲廣域同步電網(wǎng)的一部分。上述發(fā)電站僅僅以發(fā)電機(jī)的的身份存在時(shí)，它們不能從電網(wǎng)中帶走任何額外的能量并將其存儲以備不時(shí)之需。相比之下，能量存儲系統(tǒng)可被用于從電源電網(wǎng)中吸收能量并將能量釋放到電源電網(wǎng)。例如，能量存儲系統(tǒng)為中央能量存儲系統(tǒng)，比如抽水蓄能電站，或者分散的能量存儲系統(tǒng)，比如電池存儲設(shè)備或飛輪能量存儲單元。抽水蓄能電站為能量存儲系統(tǒng)，其在很大程度上不受制于天氣的變化并且通常一直是可利用的狀態(tài)。通常，中央能量存儲系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成擁有巨大的容量。由于該可用的容量，這些系統(tǒng)被適用于為非本地電源電網(wǎng)提供儲能，從而在非本地電源電網(wǎng)中合適地生效。取決于其總尺寸，抽水蓄能電站可具有幾個(gè)100MW或更多的容量，然而，在大多數(shù)情況下，發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)為在滿載條件下產(chǎn)生電流，并且能夠以合適的效率及時(shí)地利用抽水蓄能電站的全容量。此操作方法并不適于穩(wěn)定或改善與抽水蓄能電站容量相比其電力需求可忽略的小型本地電力供應(yīng)系統(tǒng)的質(zhì)量。
[0003]集中使用的電池存儲設(shè)備目前正在建設(shè)中，其目的是實(shí)施電網(wǎng)穩(wěn)定(非本地化)任務(wù)(儲能)的實(shí)驗(yàn)性的操作方法。然而，迄今為止已經(jīng)規(guī)劃的設(shè)備并沒有完成任何本地化任務(wù)。然而，作為原則的問題，由于其輸出、容量和老化之間的固有關(guān)系，電池存儲系統(tǒng)并不十分適于這些應(yīng)用，如每天多個(gè)負(fù)債周期，和由于溫度影響、系統(tǒng)故障與操作錯(cuò)誤而迅速的降級。出于此原因，電池存儲設(shè)備需要高強(qiáng)度的維護(hù)。由于其具有高火災(zāi)和化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)性，電池存儲設(shè)備另外表現(xiàn)出環(huán)境和/或水危害性，在保護(hù)和安全方面也非常復(fù)雜。
[0004]通常，分散的能量存儲系統(tǒng)為穩(wěn)定本地電力需求而進(jìn)行了優(yōu)化，卻并沒有為輸送儲能用以支持非本地電源電網(wǎng)而進(jìn)行設(shè)計(jì)，也沒有此方面的資格。這些系統(tǒng)不能促成滿足所有電源電網(wǎng)的需求。用于形成本非和非本地都能運(yùn)行的分散存儲系統(tǒng)的互聯(lián)到目前為止并沒有實(shí)現(xiàn)。
[0005]出于這個(gè)原因，最好擁有一個(gè)有效可用的能量存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許取得本地電網(wǎng)質(zhì)量方面的改進(jìn)，并同時(shí)取得所需非本地電源電網(wǎng)的能量供應(yīng)安全方面的改進(jìn)，還能因此作為一個(gè)為該兩個(gè)目的都具有足夠效果的能量存儲系統(tǒng)而被運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種有效的能量存儲系統(tǒng)，其允許實(shí)現(xiàn)取得本地電網(wǎng)質(zhì)量方面的改進(jìn)，并同時(shí)取得所需非本地電源電網(wǎng)的能量供應(yīng)安全方面的改進(jìn)。
[0007]此問題被一個(gè)具有系統(tǒng)存儲容量和/或系統(tǒng)輸出且具有不止一個(gè)能量存儲模塊的能量存儲系統(tǒng)所解決，每個(gè)所述能量存儲模塊具有模塊存儲容量和模塊輸出，所述能量存儲模塊的特點(diǎn)為具有一個(gè)或更多的電源連接，電源連接至少連接到一個(gè)非本地電源電網(wǎng)，從而執(zhí)行非本地電源電網(wǎng)中的非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)，和/或連接到一個(gè)或更多的本地電源電網(wǎng)，從而執(zhí)行本地電源電網(wǎng)中的本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)，這是通過從連接的電源電網(wǎng)中吸收能量和向連接的電源電網(wǎng)中釋放能量來完成的，，并且所述能量存儲模塊通過一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)線互相連接；其中，能量存儲模塊其中之一被設(shè)置為主模塊，而其它能量存儲模塊被設(shè)置為從模塊，并且該主模塊設(shè)置用于對連接到數(shù)據(jù)線的所有能量存儲模塊的全面控制，而且，至少該主模塊包含至少一個(gè)接口，用于接收關(guān)于要執(zhí)行的該本地化和非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)的外部控制命令，還包含一個(gè)為了存儲和執(zhí)行外部控制命令的主控單元，其中，為了執(zhí)行該外部控制命令，該主控單元是為了具有所有與其連接的能量存儲模塊的模塊存儲容量和模塊輸出，并為了只在不需要用于本地化的控制和系統(tǒng)任務(wù)的系統(tǒng)存儲容量和/或系統(tǒng)輸出的部分范圍內(nèi)，執(zhí)行該非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)。
[0008]通過使用所述能量存儲系統(tǒng)作為一個(gè)分散的中間存儲系統(tǒng)，其特征在于各自連接到本地和/或非本地電源電網(wǎng)，該本地電網(wǎng)質(zhì)量可通過現(xiàn)場本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)得到改進(jìn)，同時(shí)，正能量(注入該電網(wǎng))或負(fù)能量(從該電網(wǎng)中吸收的能量)被提供給該非本地化電源電網(wǎng)，用于電源電網(wǎng)調(diào)控，以便執(zhí)行非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)。以合適的方式，通過同步執(zhí)行本地化和非本地化任務(wù)并同步控制所有連接的電源電網(wǎng)，能夠同步且有效地滿足連接的本地和非本地電源電網(wǎng)中的需求。此外，基于本地化和非本地化需求的結(jié)合(有效的能量存儲系統(tǒng))，該系統(tǒng)存儲容量和該系統(tǒng)輸出可被有效利用，從而有助于節(jié)約資源。由于該模塊化結(jié)構(gòu)包含一個(gè)主模塊，其控制了該能量存儲系統(tǒng)和將所需任何數(shù)量的從模塊連接到主模塊的選擇，該能量存儲系統(tǒng)的總?cè)萘?系統(tǒng)容量)和總輸出(系統(tǒng)輸出)可被適用于本地和/或非本地電源電網(wǎng)中的需求，并且，依據(jù)電網(wǎng)質(zhì)量和可用的儲能，可以達(dá)成運(yùn)行費(fèi)用和運(yùn)行收益之間的一個(gè)公平的折中方案。由于該模塊化結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行的后期，擴(kuò)大或縮小所需的能量存儲系統(tǒng)也成為可能，例如，為了能夠?qū)B接的電源電網(wǎng)中不同的能量需求作出響應(yīng)。因此，該能量存儲系統(tǒng)能夠一直有效運(yùn)行，即不會有未使用的過剩容量。為了擴(kuò)大根據(jù)本發(fā)明所述的模塊能量存儲系統(tǒng)，僅需連接一個(gè)新加入的能量存儲模塊到數(shù)據(jù)線，延伸到該主模塊和該能量存儲系統(tǒng)的電源連接，例如，連接到用于該能量存儲模塊的該公共連接點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)能量存儲模塊都具有一個(gè)唯一的標(biāo)識，通過此標(biāo)識，其可識別自身和其功能，例如，在能量存儲系統(tǒng)和該系統(tǒng)互聯(lián)中傳輸?shù)倪\(yùn)行數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，該主模塊和從模塊的電源連接具有一個(gè)用于被連接到該電源電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)。因此根據(jù)本發(fā)明所述的能量存儲系統(tǒng)有助于根據(jù)需求(可擴(kuò)展性)快速并容易地?cái)U(kuò)展該總存儲容量和該總輸出。為了實(shí)現(xiàn)該模塊化結(jié)構(gòu)，每一個(gè)能量存儲模塊包含一個(gè)電源連接，從而每一個(gè)能量存儲模塊都適用于以一個(gè)連接到一個(gè)或更多電源電網(wǎng)的單獨(dú)的電子連接為特色，并且在技術(shù)系統(tǒng)裝置方面，能夠以很大程度上自主的的方式被操作。該術(shù)語“電源連接”應(yīng)理解為是指以允許的方式適于連接到電源電網(wǎng)的任何一個(gè)電子接口。連接到該非本地電源電網(wǎng)和一個(gè)或更多的本地電源電網(wǎng)之一的連接，可被本領(lǐng)域技術(shù)人員以一種合適的方式配置，其中該連接是設(shè)計(jì)成這樣的，該電源電網(wǎng)(本地和非本地的)可被供應(yīng)來自該彼此獨(dú)立的能量存儲系統(tǒng)的所需的能量，或者能量可從該電源電網(wǎng)中輸出。該能量存儲模塊之間的數(shù)據(jù)線可以具有任何合適的形式。在一個(gè)實(shí)施例中，該數(shù)據(jù)線被配置為一種數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，例如，CAN總線、現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)。例如，該主模塊和連接的從模塊之間的通信可通過一份報(bào)告協(xié)議被積極地實(shí)現(xiàn)，其中，為了發(fā)送所述的報(bào)告協(xié)議，該分別接收的能量存儲模塊，該從模塊和/或主模塊可通過給出合適答案或作出合適反應(yīng)的方式對該報(bào)告協(xié)議作出響應(yīng)。由于直接請求信號，通信也可被該主控單元所啟動。
[0009]在此，該能量存儲系統(tǒng)既可被直接連接到一個(gè)非本地電源電網(wǎng)或連接到一個(gè)或更多的本地電源電網(wǎng)，或者該能量存儲系統(tǒng)又可通過一個(gè)連接著的本地電源電網(wǎng)被間接連接到一個(gè)非本地電源電網(wǎng)，只要該本地電源電網(wǎng)為非本地電源電網(wǎng)的一部分，即其被連接到非本地電源電網(wǎng)中。例如，本地化的控制和系統(tǒng)任務(wù)是保障本地所需的線電壓，通過調(diào)節(jié)該電壓信號的振幅和相位來保障無功功率補(bǔ)償，保障本地能量儲備向可能另外連接到的用電大戶或者啟動峰值的供應(yīng)，還保障本地過剩的能量的存儲。例如，非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)為主要或次要備用電源的供應(yīng)。在該電源電網(wǎng)中有突發(fā)事件的情況下，該備用電源保證了向電力客戶精確地供應(yīng)所需的電力。為實(shí)現(xiàn)此，能夠產(chǎn)生備用電源的電站的輸出可被臨時(shí)調(diào)整，或迅速地啟動能量存儲系統(tǒng)，例如根據(jù)本發(fā)明所述的能量存儲系統(tǒng)，可被使用。所述的主要備用電源用于糾正該提供的物理電源和所需求的電源之間的失衡，其目的是恢復(fù)穩(wěn)定的行頻。所述次要備用電源旨在差值出現(xiàn)之后恢復(fù)提供的物理電源和所需求的電源之間的平衡，其中，與主要用電源對比，只對該特定控制區(qū)中的情況，包括與其他控制區(qū)的電力交換進(jìn)行考慮。此外，另外的非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)為:為支持黑啟動的能量存儲系統(tǒng)的供應(yīng)，功率峰值的一般存儲，還有在非本地化電源電網(wǎng)中的無功功率補(bǔ)償。針對本地和/或非本地電源電網(wǎng)的另外的本地化或非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)，與已經(jīng)存在的能量供應(yīng)者聯(lián)合，成為電源冗余(失效保護(hù)操作)的供應(yīng)，并且成為無功功率管理。
[0010]一個(gè)適于被作為主控模塊使用的能量存儲模塊必須至少包含一個(gè)主控單元和一個(gè)用于接收外部控制命令的借口。只要一個(gè)能量存儲系統(tǒng)的多于一個(gè)能量存儲模塊中的一個(gè)能量存儲模塊滿足這些要求，由于其設(shè)備，此能量存儲模塊就能被作為主控模塊。然而如果多個(gè)能量存儲模塊滿足該組件相關(guān)的要求，那么這些能量存儲模塊中的任何一個(gè)都可以被定義為主控模塊。例如，基于該硬件或軟件，此定義可被指定在該能量存儲系統(tǒng)的安裝上。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，該合適的能量存儲模塊本身以一種有組織的方式確定一個(gè)主控模塊也是可能的。通過這種方式，確保了在所需的能量存儲模塊的任何組合中，總是有一個(gè)能量存儲模塊承擔(dān)主控模塊的角色，并且在所有的連接已經(jīng)被建立后，該能量存儲系統(tǒng)會自動準(zhǔn)備就緒。例如，完成啟用后，該合適的能量存儲模塊的控制單元被設(shè)計(jì)為發(fā)送一個(gè)主信號，于是，該發(fā)送上述主信號的第一個(gè)能量存儲模塊自動成為了該能量存儲系統(tǒng)中所述的主模塊。隨后，其他的能量存儲模塊會自動變成從模塊。在本發(fā)明范圍中，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可提交其他選擇標(biāo)準(zhǔn)，用于確定該能量存儲模塊中的主模塊。
[0011]在此，該非本地電源電網(wǎng)是指以跨區(qū)的方式擴(kuò)展到非常大范圍的一個(gè)電源電網(wǎng)，并且該非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)在其中被執(zhí)行。例如，非本地電源電網(wǎng)為輸電網(wǎng)(公共電源電網(wǎng))。例如在德國，該公共電源電網(wǎng)由四個(gè)輸電網(wǎng)組成，它們由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商Ampr1n、50Hertz、Tennet和TransnetEnBW所運(yùn)營。該四種傳輸網(wǎng)絡(luò)一起形成了德國的系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)(在控制權(quán)方面的協(xié)作)。在其他國家，合適的傳輸網(wǎng)絡(luò)由其他網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商所運(yùn)營。在傳輸網(wǎng)絡(luò)中，電源電網(wǎng)的頻率保持在一個(gè)穩(wěn)定值(頻率控制)。在歐洲的上級廣域同步電網(wǎng)由在個(gè)別狀態(tài)的各自的傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，其也必須被視為非本地電源電網(wǎng)，然而，目前僅有為了備用電源的標(biāo)準(zhǔn)已明確。該非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)在各自的傳輸網(wǎng)絡(luò)中被實(shí)施。本發(fā)明所述的本地電源電網(wǎng)為電源系統(tǒng)，上述本地化的控制和系統(tǒng)任務(wù)在其中被執(zhí)行。通常，本地電力供應(yīng)系統(tǒng)在空間中被相當(dāng)?shù)胤指糸_，例如，一個(gè)在設(shè)備現(xiàn)場的室內(nèi)電源系統(tǒng)或者一個(gè)在建筑或建筑群內(nèi)的電源系統(tǒng)。
[0012]該術(shù)語“接收”是指任何類型的活動，在其中外部數(shù)據(jù)被發(fā)送到能量存儲系統(tǒng)。例如這些外部數(shù)據(jù)是控制命令，在其基礎(chǔ)上，該能量存儲系統(tǒng)被該主控系統(tǒng)所控制。該外部數(shù)據(jù)通過外部系統(tǒng)被傳輸，例如，為了本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)的本地電源電網(wǎng)的控制系統(tǒng)，和/或非本地電源電網(wǎng)的控制系統(tǒng)，一個(gè)高級的互聯(lián)控制或?yàn)榱吮镜鼗?或非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)的本地測量點(diǎn)。這些控制命令包括該本地化和非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)，在其可能性和其他一般條件的范圍內(nèi)，其通過根據(jù)本發(fā)明所述的能量存儲系統(tǒng)而被執(zhí)行。例如，該傳輸可通過一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)被實(shí)現(xiàn)。該能量存儲系統(tǒng)包含一個(gè)或更多的接口用于接收外部數(shù)據(jù)。所述接口可以是任何適于此目的的接口。根據(jù)該連接的通信網(wǎng)絡(luò)，該接口可形成以建立一個(gè)連接，例如，連接到一個(gè)基于無線的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)移動網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)高可用性連接，一個(gè)基于IECG的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)有線電話網(wǎng)，一個(gè)電源電網(wǎng)中借助電源電纜的數(shù)據(jù)連接，或者一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(例如因特網(wǎng))。該優(yōu)勢在于多個(gè)可選接口至少在該主控模塊中可用。如果發(fā)生了通過上述網(wǎng)絡(luò)之一的一個(gè)連接中斷，該主控模塊可被設(shè)計(jì)為通過一個(gè)替代網(wǎng)絡(luò)借助一個(gè)主模塊的不同接口重新建立連接。由于接口冗余，可能的重要控制命令仍然可通過可選的通信網(wǎng)絡(luò)被接收到。其中，潛在的子通信網(wǎng)絡(luò)是基于無線的、基于電纜的或基于電流的通信網(wǎng)絡(luò)，例如，通過移動網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、普通電話網(wǎng)或者借助于供電網(wǎng)絡(luò)中的電源電纜通過一個(gè)數(shù)據(jù)連接。但是，該外部數(shù)據(jù)(控制命令)也可通過從一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)載體驅(qū)動(例如一個(gè)⑶-ROM)被讀取的一個(gè)接口或通過一個(gè)數(shù)據(jù)載體接口(例如一個(gè)一個(gè)USB閃存盤)而被一個(gè)數(shù)據(jù)載體所接收?；蛘?，該外部控制命令也可通過一個(gè)相應(yīng)的用戶界面(屏幕和鍵盤)而被直接輸入所接收。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，所述的能量存儲系統(tǒng)被連接到一個(gè)非本地電源電網(wǎng)和一個(gè)或更多的本地供電網(wǎng)絡(luò)。這里，在各自連接的電源電網(wǎng)中該本地化和非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)以邏輯方式分別被執(zhí)行。在一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，該能量存儲系統(tǒng)僅被連接到一個(gè)或更多的本地電源電網(wǎng)，至少其中之一被連接到該非本地供電網(wǎng)絡(luò)。在此例中，該非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)在各自的本地電源電網(wǎng)中被執(zhí)行，而該非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)在該非本地電源電網(wǎng)中通過連接在該非本地電源電網(wǎng)上的本地電源電網(wǎng)被執(zhí)行。在某些運(yùn)行狀態(tài)，例如，在一個(gè)或多個(gè)電源電網(wǎng)故障的情況下，出于安全原因，一個(gè)能量存儲系統(tǒng)也能夠從該非本地電源電網(wǎng)被完全斷開。例如，此斷開可能在時(shí)間上有限制。同樣也可適用于該本地電源電網(wǎng)。
[0014]其中，根據(jù)本發(fā)明所述的能量存儲模塊可以是任何合適的能量存儲模塊類型，由于其存儲性能和存儲參數(shù)，其不僅能夠承擔(dān)本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)，而且另外也能夠通過提供主要或次要備用電源承擔(dān)非本地網(wǎng)絡(luò)中的非本地化控制和系統(tǒng)任務(wù)