CN101401275A

CN101401275A - 充电控制器

Info

Publication number: CN101401275A
Application number: CNA2006800537180A
Authority: CN
Inventors: 伦纳特·昂奎斯特; 芒努斯·卡拉维克; 格哈德·布罗西希; 维利·赫尔曼松; 佩尔·哈尔瓦松; 斯特凡·约翰松; 贝蒂尔·尼格伦; 贡纳尔·鲁斯贝里; 扬·R·斯文松
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2009-04-01
Also published as: EP1997204A4; US20090234598A1; EP1997204A1; WO2007102757A1

Abstract

本发明公开了一种用于电力传输线的功率补偿器的高温电池部件的充电控制器。该充电控制器包括感测部件和包含存储部件的计算机部件，其中充电控制器包括电池部件的虚拟电池模型。

Description

充电控制器

技术领域

本发明涉及高压输电线的功率补偿。输电线应当被理解为在3kV及以上范围内、优选地在10kV及以上范围内的用于电力传输的导体或者配电线。本发明尤其涉及一种用于在高压输电线上提供电力交换的设备。该设备包括电压源变换器(VSC，voltage source converter)和能量存储装置。本发明特别涉及对功率补偿器的电池部件的控制。

背景技术

已知多种设备和方法用于输电线上的无功功率补偿。最常用的设备包括能够可控地连接到输电线的电容器部件或者电抗器部件。连接部件优选地包括包含半导体元件的开关。在已知应用中使用的半导体元件通常包括不可熄灭(non-extinguishable)元件，例如晶闸管。已知这些种类的无功功率补偿器作为柔性交流输电系统(FACTS，flexible alternating currenttransmission system)。

已知的FACTS设备是静态补偿器(STATCOM)。STATCOM包括ac侧连接到输电线并且dc侧连接到诸如电容器部件的临时电力存储部件的电压源变换器(VSC)。在STATCOM中，控制电压幅值输出，从而使得补偿器提供无功功率或者从输电线吸收无功功率。电压源变换器包括每一个被反并联二极管旁路的至少六个自换向的半导体开关。

根据US 6 747 370(Abe)，先前已知使用高温二次电池的功率补偿系统。该补偿系统的目的是提供经济的基于高温二次电池的能量存储，其具有峰值调节(shaving)功能、负载均衡功能和品质稳定功能。该已知系统包括电力供给系统、电负载以及包括高温二次电池和功率变换系统的电能存储系统。电池是硫化钠(sodium sulfur)电池。

该系统布置在电力线的一端。负载是在正常工作状况下从电力线提供了电力供给的工厂。在发生电力供给故障的情况下，高速开关断开电力线，转而从二次电池提供电力。同时，启动备用发电机。具有硫化钠电池的已知系统表示功率补偿系统在长时间段期间提供低的功率。

在一种工作模式下，电池在日间向工厂提供额外的能量，而在夜间进行再充电。为了向工厂提供不中断的电力，布置了每一个具有500kW的变换器的并联连接的十个1280V电池单元。在又一实施例中，十个电池单元并联连接，与5MW的变换器串联连接。在该实施例中，布置一组备用电池与高温电池电路一起使用。在电池单元有故障的情况下，断开故障单元，将该备用电池组与该电路并联连接。

根据US 6 924 623(Nakamura)，先前已知用于判断二次电池的状况的方法和装置。该装置和方法的目的是提供与传统方法和装置相比更快速并且更详细的判断。该已知方法包括改变充电电流和计算电量的步骤。优选地，所公开的方法能够得出退化(degradation)的程度。

发明内容

本发明的示例性目的是寻求改善对用于输电线的功率补偿的电池部件的控制的方法。

根据本发明，通过由独立权利要求1中的特征所表征的控制设备或者由独立权利要求6中的步骤所表征的方法来实现该目的。在从属权利要求中描述了优选实施例。

根据本发明，通过充电控制器来实现功率补偿器的电池部件的控制。充电控制器包含表示虚拟电池的电池模型、多个感测部件以及包括计算机部件和存储部件的计算部件。虚拟电池模型包括电池的实际行为的模型以及包含诸如电池的内部状态、化学组成的分布、温度、电流和电压与充电状态(SOC，state of charge)属性的历史数据的存储器。

通过借助于并行观测(parallel observation)的虚拟电池模型根据多个计算所提供的电流值来估计SOC值。根据测量的电流曲线计算电池单元的电压曲线的第一值。使用每一个从测量的电流曲线少量偏移的多个并行选择的电流曲线来计算电压曲线。将每一个这样计算的电压曲线与实际测量的电压曲线进行比较。当获得计算的电压曲线和测量的电压曲线之间的紧密匹配时，选择用于匹配计算的输入电流曲线作为实际电流曲线。

根据本发明的实施例，功率补偿器包括用于控制功率补偿器的性能和动作的系统。该控制系统包含充电控制器，用于维持各个能量存储装置的充电和放电。由于钠/金属氯化物电池的充电和放电行为非常复杂，因此无法测量电池的充电状态(SOC)，而必须进行估计。此外，无法以足够的精度测量电池的电流。因此，充电控制器包括用于估计和预测电池的充电状态的SOC模块。

钠/金属氯化物单体电池(battery cell)包括包含在薄的陶瓷材料阻隔物中的电解质。在阻隔物外部，单体电池包括钠作为第一电极。第二电极包括一对镀镍的铜电极，其连接到扩散到电解质中的金属结构。当电池充电或者放电时，反应前沿从陶瓷阻隔物开始向内传播。因此，充电和放电两者从陶瓷阻隔物开始沿同一方向传播。多次充电和放电循环的结果是，可能在单体电池内部剩余多个限定电力容量区域(power capacity area)和非电力容量区域的区域。因此，SOC模块仅能够对表示电力容量的区域求和。因此，SOC值是合成的电流。

SOC模块包含电池的虚拟模型。虚拟电池模型包含多个表示参数和输入值的特定关系的模型部分。因此，虚拟电池模型包括包含电压、电流、温度和其它参数之间的关系的测量部分模型。此外，虚拟电池模型包含用于估计实际SOC值的一部分模型，其包含用于历史数据的存储部件。虚拟电池模型还包含用于预测未来的SOC值的一部分模型，其包含计算模型。另一部分模型涉及诸如充电事件、放电事件、电流历史、恢复数据等的历史数据。

虚拟电池模型的主要目的是产生表示电池的剩余容量的SOC值。可以将SOC值表示为电池的完全容量的百分数值。电池维护的另一目标包括对电池进行充电和放电，使得从不出现过充电或者欠充电，并且使得电池温度一直保持在允许的范围内。

通过使用虚拟电池模型，SOC模块还根据所希望的功率分布图(profile)和持续时间预测稍后的时间点处的SOC值。在使用电池的容量时，在进行功率补偿的情况下，预测的SOC值和电池状态表明是否存在足够的可用能量用于预定任务。例如，如果在输电线中存在电力短缺，则预测的SOC值和电池状态表明电池的容量是否足以在给定时间段期间提供能量。这可以发生在电力线故障之后并且在由其它源再次提供电力之前，例如发电机启动期间。如果例如由于故障而在输电线上存在所发出的额外电力，则预测的SOC值和电池状态将立即表明电池是否能够接收来自输电线的电力。因此，根据本发明的功率补偿器能够在诸如毫秒级的短时间以及在诸如分钟级的更长的时间提供能量并且从输电线接收能量。

在本发明的实施例中，控制系统包括多个传感器，用于感测电压、电流、温度和其它参数。对于对这些传感器的电力供给，该系统包括每一个电池单元上的电源单元。电源单元与地是流电(galvanic)隔离的，并且包含与电池单元相同的电势。电源可以包括燃料电池、太阳能电池和诸如珀尔帖(peltier)元件的热电元件以及其它。在一个实施例中，电源单元包括电池部件。为了将信息发送到控制系统，每一个传感器可以借助于无线系统或者光纤进行通信。每一个电池还可以包括用于进行信息通信的中央通信装置。

根据本发明的实施例，在每一个流电隔离的电池单元上布置通信模块。该模块包括无线电通信部件、电源和多个感测变送器。此外，该通信模块是流电隔离的，从而获得与电池单元相同的电势。该模块可以在诸如WLAN或者蓝牙网的无线局域网内进行通信。优选地，以数字形式发送诸如电压、电流和温度的感测值。为了节省功耗，在短的部分时间段进行通信。因此，仅需要在小百分数的时间期间对通信部件通电。优选地，可以在2GHz的带内进行通信。在一个实施例中，电源包括备用电池和电能提供部件。该能量部件可以包括任意种类的发电机配置以及太阳能电池、珀尔帖元件、燃料电池或者其它部件。

根据本发明，功率补偿器包括电压源变换器和具有短路故障模式的能量存储装置。短路故障模式应当被理解为在能量存储装置的内部故障的情况下电路保持闭合。可以通过单体电池的内部性能来实现短路故障模式。短路故障模式还可以通过与单体电池作成并联回路的可控开关来实现。

由于能量存储装置必须能够一直交换能量，因此必须布置冗余以防电池故障。因此，必须并联连接具有开路故障模式的电池。可以串联连接具有短路故障模式的电池，从而可以达到更高的电压等级。在本发明的实施例中，能量存储装置包括包含每一个具有短路故障模式的多个单体电池的高压电池。多个串联连接的这种电池一直提供闭合电路，从而即使在单体电池故障的情况下也能够提供电能。串联连接的多个电池还能够以6kV及以上的范围内的高压提供能量。

电池单元包括包含多个串联连接的单体电池的热隔离箱。电池单元具有两个端子，包括1.5kV范围内的电路。因此，串联连接四个这种电池单元将达到6kV的电压等级。电池单元包括局部管道环，用于容纳流体形式的热传递介质。流体可以是液体介质以及气体介质。

例如能够存储和释放电能的电池功能的标准是单体电池内部的温度保持在270到340℃之间。在诸如当电池进行充电或者放电的工作模式下，在电池内部产生热。然而，在空转模式下，在电池内部不产生热。因此，在空转模式下，必须从电池外部提供热。在工作模式和小电流情况下，也从电池外部提供额外的热。

在本发明的实施例中，功率补偿器包括用于维持电池单元的工作温度的温度控制器。因此，温度控制器在空转模式期间提供热。温度控制器包含管道网络，用于提供通过电池单元的热传递介质的流动。管道网络包括主管道环和至少一个流体移动单元，例如风扇或者泵。管道网络包括每一个电池单元的局部管道环，并且为热传递介质提供通路。包含在热传递介质中的热通过对流传递到单体电池。

根据本发明的实施例，局部管道环包括用于接收气体介质流的第一端和用于排出气体介质的第二端。在一个实施例中，气体介质优选地包括空气。此外，主管道环包括用于提供热空气的上游侧和用于接收处理后的空气的下游侧。每一个局部管道环的每一个第一端连接到主管道环的上游侧。每一个局部管道环的每一个第二端连接到主管道环的下游侧。主管道环和每一个局部管道环之间的所有连接包括连接管道。主环包括至少一个风扇和热提供部件。在本发明的实施例中，主管道环接地，从而显示地电势。每一个局部管道环显示与容纳局部管道环的电池单元相同的电势。在又一实施例中，每一个连接管道包括诸如陶瓷材料的阻热和电绝缘材料的管。

根据本发明的实施例，多个串联连接的电池单元形成电池串。每一个电池单元包括大量单体电池，每一个单体电池具有在1.7到3.1V的范围内的电压。单体电池串联连接产生电池单元，在一个示例性实施例中可以具有例如1.5kV的电压。在一个实施例中，串联连接四个这种电池单元，产生6kV的总电压。然而，在其它实施例中，串联连接许多电池，使得给出30-100kV范围内的总电压。因此，主管道环与电池串是流电隔离的。这样，连接管道必须由电绝缘的阻热材料制成。在一个实施例中，连接管道包括陶瓷管。

在本发明的又一实施例中，温度控制器还在电池单元的工作模式期间提供冷却的空气用于处理从单体电池产生的热。

在本发明的第一方面中，通过用于电力传输线的功率补偿器的高温电池部件的充电控制器来实现目的，该充电控制器包括感测部件和包含存储部件的计算机部件，其中该充电控制器包括电池部件的虚拟电池模型，用于估计电池部件的充电状态。在另一实施例中，电池部件包括高能量的高温钠/金属氯化物电池。在又一实施例中，虚拟电池模型包括电池部件的实际行为的模型。在再一实施例中，虚拟电池模型包括估计模块，用于根据测量的曲线值以及通过偏移而调整的测量的电流曲线的多个曲线进行电压曲线的多个计算。在再一实施例中，该充电控制器还包括测量模块和预测模块。

在本发明的第二方面中，通过选择输入电流曲线以估计用于电力传输线的功率补偿器的高温电池部件的充电状态的方法来实现目的，其中该方法包括：提供虚拟电池模型，用于根据电流曲线计算电压曲线；根据第一电流曲线计算第一电压曲线；根据第二电流曲线计算第二电压曲线；将第一和第二电压曲线与测量的电压曲线进行比较；选择其计算产生电压曲线比较的最佳匹配电流曲线作为输入电流曲线。在该方法的另一实施例中，第一电流曲线表示测量的电流曲线。在又一实施例中，第二电流曲线包括增加了偏移的测量的电流曲线。

附图说明

从以下结合附图的详细说明，本发明的其它特征和优点对于本领域技术人员将变得更明显，在附图中：

图1是根据本发明的功率补偿器的原理电路；

图2是根据本发明的包括多个电池单元的能量存储装置的一部分的侧视图；

图3是包括温度控制器和充电控制器的功率补偿器的原理布局；

图4是SOC模块的原理内容；

图5是电压等级的并行计算；

图6是能量存储装置和温度控制器的侧视图；以及

图7是温度控制器的又一实施例。

具体实施方式

图1示出通过变压器2连接到电力传输线的功率补偿器1的原理电路。功率补偿器包括电压源变换器4、电容器部件6和能量存储装置5。电压源变换器包括每一个被反并联二极管旁路的12个自换向的半导体开关。电压源变换器的ac侧连接到变压器，dc侧连接到电容器部件和能量存储装置。

能量存储装置包括多个串联连接的电池单元7。在图2所示的实施例中，在机架8中布置作为能量存储装置的一部分的四个电池电压7a-7d。每一个电池单元具有正端子9和负端子10。在所示的实施例中，每一个电池单元具有1500伏的电压，因此包含四个串联连接的电池的能量存储装置具有6kV的电压等级。然而，也可以有更多电池串联连接，以产生更高的电压等级。

能量存储装置包括包含具有270-340℃范围内的工作温度的钠/金属氯化物单体电池的高能量、高温电池。每一个电池单元包括包含多个串联连接的单体电池的热隔离箱。在诸如充电或者放电的操作中，电池产生热。在空转模式下，必须从外部对电池提供热，以保持工作温度条件。因此，电池单元包含具有用于接收气体介质流的第一开口11和用于排出气体介质的第二开口12的局部管道环。

钠/金属氯化物单体电池包括包含在薄的陶瓷材料隔离物中的电解质。当电池充电或者放电时，反应前沿从陶瓷隔离物开始向内传播。因此，充电和放电两者从陶瓷隔离物开始沿同一方向传播。多个充电和放电循环的结果是，在单体电池内部可能剩余限定电力容量区域和非电力容量区域的多个区域。

图3示出本发明的又一实施例。在该实施例中，功率补偿器1不仅包括电压源变换器4和能量存储装置5，还包括温度控制器13和包含多个传感器部件40、计算机部件41和充电控制器15的控制系统14。充电控制器包括用于估计电池的充电状态的模块16。温度控制器13包括用于容纳热传递介质的管道网络。管道网络包括主管道环17、位于每一个电池单元中的局部环18以及连接主环和局部环的多个连接管道19。温度控制器包含至少一个热提供部件和流体移动单元，用于使热传递介质在管道网络中循环。因此，通过使热传递介质循环经过每一个电池，通过对流向电池提供热。在所示的实施例中，热传递介质包括空气，流体移动单元包括风扇。

作为充电控制器15的一部分的SOC模块16还包括多个部分，如图4所示。SOC模块包括用来计算SOC值的钠/金属氯化物电池的虚拟电池模型42。SOC模块还包括测量模块43、估计模块44、预测模块45和温度估计模块46。通过温度估计模块，计算取决于未来的充电/放电情况的电池的未来温度。可以将该信息发送到温度控制器，用于对电池单元进行预加热或者预冷却。

图5示出根据本发明的估计电池的实际电流的一种方式。根据起始值，可以是电流的测量值，根据虚拟电池模型计算相应的电压。由于测量的电流值包含偏差(uncertainty)，因此使用虚拟电池模型针对多个从测量值少量偏移的电流值进行并行计算。并行计算应当被理解为并行事件的计算。因此，可以串行地评价实际计算，但是仍表示并行计算。在图5所示的示例中，根据并行观测的电流值同时进行5个计算。定义小的偏移Δ＝f(t)，并且利用i，i+Δ₁(t)，i+Δ₂(t)，...，i+Δ_n(t)计算电压。因此，计算产生n个计算的电压曲线u₁(t)-u_n(t)，将其与实际测量的电压值u_m(t)进行比较。将产生最接近实际电压的估计的电流曲线i_i(t)选择为输入电流曲线。虽然图5所示的示例包括5个并行的计算，但是可以进行任意数量的并行计算。在上述示例中描述的方法产生对电池电流测量的偏移误差的调整。通过使用相同的调整技术，还可以检测电流测量的增益误差。

在图6中，将温度控制器13示意性地划分为主管道环13和共用局部管道环18。在该实施例中，局部管道环显示高电压电势，而主环显示地电势。连接主管道环和局部管道环的连接管道必须不仅显示电绝缘，还必须经受具有大约300℃的温度的流体介质。该实施例中的主环包括用于每一个电池单元的独立风扇20和管道部分21。每一个管道部分包括热提供元件22，用于将热传送到电池单元。热传送单元可以包括电阻元件用于连接到低压电源。

图7示出温度控制器的又一示例。在该实施例中，温度控制器的主环还包括包含加热器22和共用风扇20的共用加热系统23。根据该实施例，还对提供电池单元冷却。因此，利用冷却装置和共用冷却风扇27布置冷却环25。可以通过开关阀28来选择提供冷却或者加热。此外，在所示的实施例中，加热系统包括通过热存储装置31的延伸环。另外，该系统包括通过热交换器32的第二环29，用于与第二流体系统33进行热交换，第二流体系统33可以包括来自电压源变换器阀的冷却水。加热系统还包括通过第二热交换器35的延伸环，用于与第二加热系统34进行热交换，第二加热系统34可以是建筑的加热系统。

虽然优选地本发明的范围不局限于所呈现的实施例，但是还包含对于本领域技术人员明显的其它实施例。例如，SOC模块可以包括其它测量模块和计算机部件。

Claims

1.一种用于电力传输线(3)的功率补偿器(1)的高温电池部件(5)的充电控制器(15)，包括感测部件(43)和包含存储部件的计算机部件(41)，其特征在于，充电控制器包括电池部件的虚拟模型(42)，用于估计电池部件的充电状态。

2.根据权利要求1所述的充电控制器，其中电池部件(5)包括高能量的高温钠/金属氯化物电池。

3.根据权利要求1或2所述的充电控制器，其中虚拟电池模型包括电池部件的实际行为的模型。

4.根据前述权利要求中的任意一项所述的充电控制器，其中虚拟电池模型包括估计模块(44)，用于根据测量的电流曲线(i(t))和用偏移调节的测量电流曲线的多个曲线(i(t)+Δ(t))进行电压曲线u_n(t)的一组估计。

5.根据前述权利要求中的任意一项所述的充电控制器，其中充电控制器还包括测量模块(43)和预测模块(45)。

6.一种选择用于估计用于电力传输线的功率补偿器的高温电池部件的充电状态的输入电流曲线(i_i(t))的方法，其特征在于：提供虚拟电池模型(42)，用于根据电流曲线(i(t))计算电压曲线(u(t))；根据第一电流曲线(i₁(t))计算第一电压曲线(u₁(t))；根据第二电流曲线(i₂(t))计算第二电压曲线(u₂(t))；将第一和第二电压曲线与测量的电压曲线(u_m(t))进行比较；选择其计算产生电压曲线比较的最佳匹配的电流曲线作为输入电流曲线(i_i(t))。

7.根据权利要求6所述的方法，其中第一电流曲线(i₁(t))表示测量的电流曲线(i_m(t))。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中第二电流曲线(i₂(t))包括相加了偏移的测量的电流曲线(i_m(t)+Δ_n(t))。

9.一种可存储在计算机可用介质上的计算机程序产品，包含用于处理器的指令以执行根据权利要求6至8所述的方法。

10.根据权利要求9所述的计算机程序产品，至少部分地通过诸如因特网的网络来提供。

11.一种计算机可读介质，其特征在于，包含根据权利要求9所述的计算机程序产品。

12.一种用于电力传输线(3)的功率补偿器(1)，包括电压源变换器(4)和能量存储装置(5)，其特征在于，能量存储装置包括具有短路故障模式的高压电池部件和根据权利要求1至5中的任意一项所述的充电控制器(15)。

13.根据权利要求11所述的功率补偿器，其中补偿器还包括温度控制器(13)，用于使温度保持在电池部件的工作范围内。