專利名稱：電池能量源裝置和電壓源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及輸電網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域，并且特別涉及輸電網(wǎng)絡(luò)中的有功功率支持。
背景技術(shù)：
STATC0M (靜態(tài)補償器，STATic COMpensator)基于電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)技術(shù)，并且 可以用于向輸電網(wǎng)絡(luò)提供無功功率支持。STATC0M能夠產(chǎn)生或吸收無功功率，從而可以用于 控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無功功率。能夠不僅控制無功功率還能注入或吸收也稱為有效功率的有功功率，有時候是有 利的。因此，STATC0M在其DC側(cè)上配備有能量源，以便在向網(wǎng)絡(luò)生成的無功功率之外還提 供一些有功功率。例如，有效功率可以在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生能量不足時用作儲備能量源，或者用作 為管理網(wǎng)絡(luò)中的瞬態(tài)和電磁振蕩的控制功率。能量源例如可以包括傳統(tǒng)電容器、超級電容 器或者電化學(xué)電池。圖1示出了基本STATC0M裝置或者電壓源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其具有在其DC側(cè)的有功功 率源，其中示出的例子中的能量源包括多個并聯(lián)連接的電池串2。每個電池串2包括多個電 池模塊并且每個電池模塊又包括多個電池電芯。STATC0M 1還以傳統(tǒng)方式通過變壓器(未 示出)連接到電力網(wǎng)絡(luò)3，以將變壓器電壓適配到網(wǎng)絡(luò)電壓并提供電流隔離。通常，當電化學(xué)電池用作能量源時，必須將很多數(shù)量的電池模塊串聯(lián)連接以匹配 STATC0M的DC電壓。此外，為了獲得期望的有功功率和電池能量存儲的持續(xù)時間，通常必須 并聯(lián)連接多個電池串，如圖所示。STATCOM DC電壓受到控制并且所有并聯(lián)連接的電池串連 接到該受控電壓。在電池能量儲存器的工作期間，電芯不同地老化。此外，一些電芯可能已經(jīng)故障并 且為了繼續(xù)工作，電池串中電池模塊的一個或多個損壞電芯將被旁路。此外，一些老化的電 池模塊將由新模塊替換。對于具有低內(nèi)部電阻的電池，小電壓偏移將導(dǎo)致電荷重分布。當 電池能量儲存器中具有最低性能的電池電芯占主導(dǎo)時，整個電池能量儲存器的性能將被降 低。因此，以降低的電池串充電電壓的代價完成對一個或多個故障電池電芯的旁路。 另一個解決方案是旁路整個電池串，但是這將需要過大電池和額外電池串的形式的甚至更 大的容量冗余度，以滿足在所有時候的容量要求。因此，今天并聯(lián)連接的電池串并未以最佳 方式運行。有鑒于此，提供處理故障電池電芯和/或電池串的改進方式將是期望的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種有功功率源，并且特別是電池能量源裝置，其用于 負載，特別是電壓源轉(zhuǎn)換器，其中克服了或者至少減輕了上述缺點。本發(fā)明的特定目的之一是提供一種用于電壓源轉(zhuǎn)換器的電池能量源裝置，其中從有功功率源獲得最大效能，從而提供其優(yōu)化的操作。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于電壓源轉(zhuǎn)換器的電池能量源裝置，其中防止了 由于個別的電池電芯的性能變化弓丨起的電壓差。本發(fā)明的再一目的是提供一種用于電壓源轉(zhuǎn)換器的電池能量源裝置，其中最大化 電池能量源的使用壽命。本發(fā)明的又一目的是提供一種成本有效的電池能量源裝置。除其他外，這些目的是通過所附獨立權(quán)利要求中要求保護的電池能量源裝置和電 壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明，提供一種改進的電池能量源裝置。電池能量源裝置包括電池能量儲 存器，該電池能量儲存器繼而包括一個或多個并聯(lián)連接的電池串。該電池能量源裝置還包 括連接裝置，用于將所述電池串的電壓連接到負載比如電壓源轉(zhuǎn)換器。電池能量源裝置的 特征在于電池串電壓適配器裝置，其與所述一個或多個電池串中相應(yīng)的一個串聯(lián)連接。電 池串電壓適配器裝置被設(shè)計為僅處理由所述電池串處理的電壓的一部分。通過本發(fā)明，可 以以優(yōu)化的方式提供有功功率。實現(xiàn)了電池能量儲存器的最大效能，以及可完全加載的電 池能量儲存器。防止了由于電池能量儲存器的個別電芯的變化而導(dǎo)致的電壓差，從而延長 了電池能量儲存器的使用壽命。此外，通過本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以更快地斷開并聯(lián) 連接的電池串。更進一步，借助于本發(fā)明，可以延長用于斷開電池串的斷路器的使用壽命， 因為每個電池串中的電流可以在斷開每個電池串的斷路器之前被控制到零。由于電池串電 壓適配器裝置被設(shè)計為能夠僅處理總負載電壓的一部分，所以可以以最成本有效的方式設(shè) 計和定制電池串電壓適配器裝置的規(guī)格。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，電池串電壓適配器裝置被布置為向其相應(yīng)的電池串 添加某一電壓，以便優(yōu)化所述電池串的電壓電平。在一實施方式中，優(yōu)化包括在一個或多個 包括電池串電壓適配器裝置的電池串中的每一個上提供相等的電壓。從而最大化電池能量 儲存器的使用壽命。特別是，電池串電壓適配器裝置可以包括用于添加電壓的裝置，該電壓 等于受控負載電壓和實際電池串電壓之差。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，電池串電壓適配器裝置包括傳統(tǒng)H橋，這提供成本 有效的解決方案。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，電池串電壓適配器裝置還包括過電壓/短路電流保 護裝置。從而以傳統(tǒng)方式保護電池串電壓適配器裝置的電路以抵抗電池串中的過電壓和短 路電流。其他實施方式在從屬權(quán)利要求中限定。本發(fā)明還涉及包括電壓源轉(zhuǎn)換器和電池能量源裝置的電壓源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，由此實 現(xiàn)了類似于上述的優(yōu)點。


圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的裝置。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于電壓源轉(zhuǎn)換器的電池能量源裝置的實施方式。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的電池串電壓適配器裝置的實施方式。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的電池串電壓適配器裝置的另一實施方式。
具體實施例方式圖2示出本發(fā)明的實施方式。貫穿全部附圖，相同的附圖標記用于相同或相應(yīng)的 部件。根據(jù)本發(fā)明的電池能量源裝置4包括與電壓源轉(zhuǎn)換器1并聯(lián)連接的連接裝置，并 且還包括電池能量儲存器2，其優(yōu)選包括鋰離子電池；以及電池串電壓適配器裝置7i，在下 文標為適配器裝置7”電池能量儲存器2包括跨公共母線10a、10b并聯(lián)電連接的一個或多個電池串 51；…，5i; ···，、。每個電池串51;…，5i;…，\包括串聯(lián)連接的電池模塊，其中每個電池 模塊包括具有任何適當?shù)臉朔Q單獨電壓(例如3，4伏)的電池電芯6。此外，任何適當數(shù)量 的電池電芯6可以串聯(lián)電連接，給出電池模塊適當?shù)臉朔Q電壓，例如624V。幾個串聯(lián)連接 的電池模塊構(gòu)成電池串Si以提供例如IOkV到80kV DC或者更高，這取決于例如電池能量 源裝置4所連接的負載的功率水平以及期望的電池能量源裝置4的持續(xù)時間。幾個電池串 51；…，5i;…，\可以并聯(lián)連接以提供必要的功率和能量。在本申請中，電池串5是高壓電池串，并且可以通過添加適當數(shù)量的并聯(lián)連接電 池串來滿足增加的有功功率需求。每個電池串51;…，5i;…，\與電壓源轉(zhuǎn)換器1并聯(lián)連 接。如上所述，電池能量源裝置4還包括適配器裝置71; -,Ii,…，7n，每個電池串 51；…，5i;…，\ 一個。適配器裝置71; -,Ti,…，7n與每個相應(yīng)的電池串51;…，5i;…， 5n串聯(lián)連接。特別是，適配器裝置7i優(yōu)選通過DC斷路器<§=與電池串Si連接。適配器裝置 7i還連接到本地DC母線9a、9b。適配器裝置T1，…，7i;…，7n提供對電池能量儲存器2的 優(yōu)化操作，這將在下文中描述。適配器裝置7i被布置為在需要時向其所連接的電池串Si添加電壓AUi。每個電 池串51; -,5,,…，\具有其自己的適配器裝置71; -,7,,…，7n。如果電池串Si的一個 或多個電池電芯6故障，它們可以通過任何已知的旁路裝置(未示出)而被旁路。用于包 括故障的且被旁路掉的電池電芯6的電池串Si的適配器裝置7i接著向電池串5"恭加適當 的電壓AUi。電壓Aui選擇為使得電池串電壓U^最佳，例如，在提供最大效果并使得電 池串Si能夠被完全加載的意義上最佳。所有電池串51;…，5i;…，\優(yōu)選具有相同的電池電流值。從而所有的電池將在 同時被完全充電并也完全放電。然而，由于不同的理由，例如故障的電芯，電池串51;…，
…，\對于相同的電流水平具有不同的電壓電平。因此，適配器裝置71連接到每個電池 串以便適配相應(yīng)的電池串7i的電壓電平。為了提供成本有效的設(shè)計，適配器裝置71;…，7i;…，7 之間的電壓電勢優(yōu)選大 致相同。用本地DC母線9a、9b將所有適配器裝置71;…，7i;…，7n連在一起。所有適配 器裝置71; -,7,,…，7n還連接到母線10a、10b的正母線IOa或者負母線10b，其中母線將 電池串連接到負載，諸如電壓源轉(zhuǎn)換器1。適配器裝置71;…，7i;…，7n中每一個的本地能 量儲存器(例如電容器)有限，并且本地DC電壓母線9a、9b在本發(fā)明的一實施方式中用于 在適配器裝置71;…，7i;…，7 之間傳遞能量。更具體地，為了保持本地DC母線布置9a、9b的電壓電平恒定，所有適配器裝置71； -,7,,…，7n的總功率應(yīng)當為零。假定電池串51; -,5,,…，\的電流相等，并給出=所有電池串51;…，5i;…，\的平均電壓應(yīng)當?shù)扔趤碜噪妷涸崔D(zhuǎn)換器1的受控的 DC電壓Udc
丄…+ [/串 ) =Udc η因此應(yīng)當根據(jù)下式來設(shè)定添加的電壓Aui Au1 = Udc-U 串丄Au2 = Udc-U 串 2Aun = Udc-U^n電壓Aui由示意性地以附圖標記12示出的控制系統(tǒng)控制。控制系統(tǒng)12從系統(tǒng) 的不同部分提取數(shù)據(jù)，例如電池串的電壓和電流以及電壓源轉(zhuǎn)換器電壓?？刂葡到y(tǒng)12包括用于執(zhí)行單獨的電池串51;…，5i;…，\的電壓適配的軟件和 算法。特別是，控制系統(tǒng)12包括用于確定單獨的電池串電壓的裝置和用于控制單獨的電池 串電壓使其便為最佳的裝置，例如通過實施利用上述等式的算法的軟件來執(zhí)行。算法可以 被編程以用于優(yōu)化電池串51; -,5,,…，\的電壓，使得實現(xiàn)在每個電池串51;…，5i;…， 5n以及它們對應(yīng)的適配器裝置上相等的電壓=U^Au1 =…=U^i+ΔUi =…=Un+Δun0例 如，使得添加的電壓Au1，···, Aui,…Aun等于受控負載電壓Ud。和實際電池串電壓之差。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的適配器裝置7i的實施方式。適配器裝置7i只需要處理電 池串理的電壓的一部分，并且可以相應(yīng)地選擇部件。示出的適配器裝置7i包括H橋， 其以傳統(tǒng)方式具有四個開關(guān)元件。可以使用標準的H橋設(shè)計。特別是，H橋具有兩相支路， 每個支路具有串聯(lián)連接的兩個閥。每個閥由可控功率半導(dǎo)體構(gòu)成，例如MOSFET(金屬氧化 物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，IGCT(集成門極換流晶閘管)或者IGBT(絕緣柵雙極晶體管)以 及反向并聯(lián)二極管。與兩相支路并聯(lián)的電容器以這樣的方式連接，使得形成具有低電感的 回路。為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的功能，H橋的兩相支路之一的兩個閥之間的中點被連接到正 母線10a，而H橋中的另一相支路的中點通過電抗器被連接到電池串的正端子。此外，為了 實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的功能，上述的連接對于每個并聯(lián)電池串進行重復(fù)。從而所述實施方式包 括與并聯(lián)連接的電池串的數(shù)量一樣多的H橋。在控制系統(tǒng)12中可以采用和實施幾種方法 來控制閥。然而，H橋的所有電容器的總規(guī)格應(yīng)當選擇為使得在本地DC母線9a、9b上產(chǎn)生 的電壓變化是可接受的。適配器裝置7i優(yōu)選是自支持的，即不需要外部電源。在上述實施方式中，可以借 助于來自控制系統(tǒng)12的信號阻斷適配器裝置7”以便加載適配器裝置的電容器。從而不需 要外部電壓源。圖4示出用于本發(fā)明的適配器裝置的另一實施方式。特別是，為了保護適配器裝 置以抵抗電池串中的過電壓和短路，優(yōu)選使用保護電路11來處理過電壓和短路電流?？梢?使用任何適當?shù)谋Ｗo電路11設(shè)計。在圖2中，傳統(tǒng)DC斷路器5f，<被示為連接到電池串Si的正極和負極，并且連接到 正和負DC母線10a、10b。DC斷路器<,<^針對每個電池串Si兩個，被布置為連接和斷開電池串5”根據(jù)本發(fā)明的適配器裝置7i提供的額外優(yōu)點之一在于每個電池串Si中的電流可 以在每個相應(yīng)電池串的DC斷路器被斷開之前被控制到零。因此，可以延長DC斷路器 WJf的使用壽命。特別是，可以阻斷特定電池串Si的適配器裝置7i;并且當流過特定電池 串的電流為零時，可以容易地斷開電池串。替換地，可以最小化用于斷開電池串Si的時間。在現(xiàn)有技術(shù)中，通過將轉(zhuǎn)換器3的 DC電壓適配到第一電池串Si而斷開電池串，并接著斷開DC斷路器<，<。然后這一過程對 于每個電池串重復(fù)一遍。借助于創(chuàng)新的電池能量源裝置4，可以通過控制電池串電流并接著 同時斷開DC斷路器，實現(xiàn)極大的時間節(jié)約。本發(fā)明提供的另一優(yōu)點在于可以比現(xiàn)有技術(shù)方案更快地將電池串連接到工作狀 態(tài)中。更具體地，當從其負載例如電壓源轉(zhuǎn)換器斷開電池串時，可以將它們彼此連接。從而 電池串和它們相應(yīng)的適配器裝置的電壓可以被重新分配，并且所有電池串和它們相應(yīng)的適 配器裝置可以加載到相同的電平。使得電池串同樣地加載繼而使得能夠快速連接到工作狀 態(tài)，即連接到電壓源轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明提供的又一優(yōu)點在于可以容易地檢測到電池串的短路。特別是，如果本地 DC母線上的電壓包括突然增加，這可以看作一個或更多故障電池串的指示。然后，可以快速 采取適當?shù)膭幼鳌＿€可以確定哪個電池串正發(fā)生故障。這可以通過測量每個電池串中的電 流而實現(xiàn)，原因在于短路電池串具有增加的電流。應(yīng)當注意，本發(fā)明的適配器裝置7i只需要能夠處理總負載電壓的一部分，例如百 分之幾。例如，如果電池串的規(guī)格被定制為大約SOkV的電壓，那么適配器裝置7i的規(guī)格 可確定為處理例如大約l_3kV的電壓。因而，可以以最成本有效的方式相應(yīng)地定制適配器 裝置的規(guī)格。還注意到，有可能在不同電池串中利用不同電流。特別是，電池串可以具有不同容 量或者不同類型，因此還可以使用不同載荷的電池源，從而提供成本有效的解決方案，其中 無需要不必要地丟棄電池串。根據(jù)本發(fā)明的電壓源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括如上所述的電壓源轉(zhuǎn)換器1和電池能量源
裝置4。盡管未在圖中示出，附加的DC電源可以與這樣的電壓源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電壓源轉(zhuǎn) 換器1并聯(lián)連接。傳統(tǒng)使用的一種這樣的附加DC電源是電容器裝置。
權(quán)利要求
1.一種電池能量源裝置G)，包括電池能量儲存器O)，該電池能量儲存器繼而包 括一個或多個并聯(lián)連接的電池串(51;…，5i;…，5n)；以及連接裝置，用于將所述電池串 (51； -,5,,…，U的電壓連接到負載(1)，其特征在于電池串電壓適配器裝置(71;…，…，7n)，其與所述一個或多個電池串(51; -,5,,…，5n)中相應(yīng)的一個串聯(lián)連接，其中 所述電池串電壓適配器裝置(71; -,7,,…，7n)被設(shè)計為僅處理由所述電池串(51;…， 5"…，5n)處理的所述電壓的一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池能量源裝置G)，其中所述電池串電壓適配器裝置 (J1, -,Ii,…，7n)被布置為向相應(yīng)的電池串(51;…，5i;…，^添加電壓(Au1,…， Aui,…，Δ un)，以便優(yōu)化所述電池串(51;…，5i;…，5n)的電壓電平。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池能量源裝置G)，其中所述優(yōu)化包括在所述一個或多個 電池串(51; -,5,,…，5n)中的每一個以及它們相應(yīng)的電池串電壓適配器裝置(71;…，…，7n)上提供相等的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的電池能量源裝置G)，其中所述電池串電壓適配器 裝置(71; -,7,,…，7n)包括用于添加電壓(Au1,…，Aui,…，Aun)的裝置，該電壓 (Au1,…，Aui,…，Aun)等于受控負載(1)電壓(Udc)和實際電池串(51;…，5i;…，5n) 電壓之差。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電池能量源裝置G)，其中所述電池串電壓適配器裝 置(71; -,7,,…，7n)被布置為由控制系統(tǒng)(12)控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池能量源裝置G)，其中所述控制系統(tǒng)(12)包括用于優(yōu)化 每個所述電池串(51; -,5,,…，5n)的電壓電平的算法。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電池能量源裝置G)，其中所述電池串電壓適配器裝 置(71; -,Ii,…，7n)包括H橋。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池能量源裝置G)，其中所述電池串電壓適配器裝置 (J1, -,Ii,…，7n)是自支持的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電池能量源裝置G)，其中所述電池串電壓適配器裝置 (71； -,7,,…，7n)還包括過電壓和短路電流保護裝置(11)。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電池能量源裝置G)，其中所述電池能量源裝置(4) 布置用于高電壓應(yīng)用。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電池能量源裝置G)，其被布置為連接到電壓源轉(zhuǎn) 換器(1)。
12.—種電壓源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，包括電壓源轉(zhuǎn)換器(1)和根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的 電池能量源裝置G)，其中所述電池能量源裝置(4)布置為與電壓源轉(zhuǎn)換器(1)并聯(lián)連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電壓源轉(zhuǎn)換器(1)，其中所述電池能量源裝置(4)和所述 電壓源轉(zhuǎn)換器(1)跨公共母線(IOaUOb)連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的電壓源轉(zhuǎn)換器(1)，其中所述電壓源轉(zhuǎn)換器(1)可連 接到高壓電力網(wǎng)絡(luò)(3)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的電壓源轉(zhuǎn)換器(1)，其中所述電池串電壓適配器裝置 (71；…，7i; -",In)布置為連接到本地母線(9a、9b)，該本地母線(9a、9b)繼而被布置為連接到 所述公共母線(10a、10b)并連接到所述電池能量源裝置(4)的所述電池串(51; -,5,,…，W。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力網(wǎng)絡(luò)，且特別涉及在這樣的網(wǎng)絡(luò)中的電池能量源裝置4和電壓源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。電池能量源裝置包括電池能量儲存器2，該電池能量儲存器2繼而包括一個或多個并聯(lián)連接的電池串51，…，5i，…，5n；以及連接裝置，用于將所述電池串51，…，5i，…，5n的電壓連接到負載1。電池能量源裝置4還包括電池串電壓適配器裝置71，…，7i，…，7n，其與所述一個或多個電池串51，…，5i，…，5n中相應(yīng)的一個串聯(lián)連接，其中所述電池串電壓適配器裝置71，…，7i，…，7n設(shè)計為僅處理由所述電池串51，…，5i，…，5n所處理的電壓的一部分。
文檔編號H02J3/32GK102077454SQ200880130038
公開日2011年5月25日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者B·尼格倫, F·霍西尼, G·布羅西格, G·德梅特里亞德斯, G·魯斯伯格, J·R·斯文松, W·赫爾曼松 申請人:Abb研究有限公司