CN105284029A - 用于在电化学蓄能器中存储能量的方法和设备 - Google Patents

用于在电化学蓄能器中存储能量的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在电化学蓄能器中存储电能以及用于通过电力电子***与电能分配网络交换电能的方法中，电力电子***将电化学蓄能器和电能分配网络连接，电化学蓄能器2.1-2.N的具体数据和特征以及电力电子***4.1-4.N；31.M；31.N、32.N的拓扑被转换成针对电能分配网络11的特定的数据和特征。相应的设备包含至少一个基础模块或AC电池1.1-1.N，基础模块或AC电池1.1-1.N包括具有相同化学和/或物理属性的DC电池2.1-2.N，控制和监视DC电池2.1-2.N的电池管理***20.1-20.N，电力电子模块4.1-4.N、31.N、32.N、电力电子模块控制装置40.1-40.N和带有到电池管理***20.1-20.N的通信接口15的AC电池管理器5.1-5.N。

Description

用于在电化学蓄能器中存储能量的方法和设备
技术领域
本发明涉及根据权利要求1和4的前序部分的用于在电化学蓄能器中存储电能的方法和设备。
背景技术
为了保证可持续能量供应，归因于风动力设备和太阳能动力设备的数量的增加，可再生能源的量上升。由于为了提供恒定电网电压和电网频率，当前能量分配网络的控制会被带有旋转发电机的常规动力设备(当从风动力设备和太阳能动力设备供应的能量将足以给连接至能量分配网络的消耗器件供电时，传统动力设备也保持和能量分配网络连接)影响，因此风动力设备和太阳能动力设备必须被节流，以便限制在能量供应中可再生能量所贡献的份额。为了除去这个限制，需要用于在电能分配网络中存储能量和控制电网的***，该***不但能够执行电网控制任务和由此允许关闭传统动力设备，并且当从风和太阳提供的能量不够给连接至能量分配网络的消耗器件供电时，还能够向能量分配网络馈送足够量的能量。
对于能量存储，优选地在这类***中使用电化学能量存储***——因为电化学能量存储***电力的快速可用性；在电化学方面基本通过C率(即功率和能量的比率)来区分电力可用性。这些区别主要因为带有多种电极组合的不同的蓄电池技术，例如铅酸蓄电池、基于钠的高温电池、锂蓄电池、氧化还原液流电池等等。然而，由于电化学蓄能器的各制造商的设计和制造方法不同，即使对于相似的电池化学性也能有相当大的差别。
此外，电化学能量存储***在第二特征方面有不同，例如所述第二特征如老化行为、循环稳定性、循环深度、自身消耗、自放电和其它方面。
又一基本电技术方面是DC电压侧输出电压以及电化学能量存储***的充电状态和放电状态之间的电压变化。诸如功率、电压和电压变化等的电化学特征需要并且为电力电子器件(DC/DC换流器和DC/AC换流器)提供了许多拓扑连接可能性。
为了最优地满足整个***的电技术要求，理想的是组合多种具有不同C率的电化学能量存储***。然而，这也导致电力电子器件的许多不同拓扑。
例如，从DE10018943A1可了解带有光电池发电机的光电池离网型***，光电池发电机一边通过适配变压器和双向位置控制器与电池连接，一边通过单机逆变器在输出侧提供AC电压。这里的能量管理由控制调节装置实现。
从EP1986306A1可了解供电***，其中由光电池***产生的能量被存储在数个存储电池单元中，存储电池单元的下游提供有逆变器，该逆变器用于将供电***耦接至AC电压能量分配网络。通过控制单元控制单个存储电池到能量分配网络的连接。
从US2011/0291606A1可了解带有管理***的能量存储***，该能量存储***包括两个DC/DC-换流器、逆变器、控制单元和电池管理***。
从AT509888A4可了解用于控制电蓄能器的方法，电蓄能器由数个电池单元(电池组)组成，每个电池单元均采用开关滞后与DC/DC换流器连接。为了优化效率，个别的电蓄能器可选择性地接通或断开，其中由于采用不同切换点来参数化DC/DC换流器的切换滞后，实现了不同开关滞后。此外，还提供了依赖于单个蓄能器或整个***的SOC(荷电状态)和SOH(健康状态)，由中央控制器提供的电蓄能器的放电和充电曲线的动态适应。
在由很多电蓄能器组成的整个***中，特别地在可通过另外包括空间上远程的电蓄能器来扩展***的情况下，存在以下问题：中央控制单元必须了解每个电蓄能器的具体属性，并且在控制蓄能器和整个***的荷电状态时必须考虑到每个电蓄能器的具体属性，这将导致在中央控制单元的编程上的巨大花费，并且导致整个***极易失效。
从参考书AtcittyS[等人]：SummaryofState-of-the-ArtPowerConversionSystemsforEnergyStorageApplications(用于能量存储应用的最先进的动力转换的概要)(SANDIA报告SAND98-2019,1998年9月)可了解带有串联或并联连接的逆变器和DC/DC换流器的多个电力电子换流器***的汇编，电力电子换流器***与控制单元双向连接，并且一方面连接至能量存储单元，另一方面连接至电能供应网络或AC电压负载。
然而，当整个***由多个单个的换流器***组成时或当通过包括额外的换流器***来扩展这类整个***时，也会发生这样的问题:为了保持整个***的指定的荷电状态以及单个蓄能器的容量，单个换流器***的控制单元必须和中央控制单元连接，而中央控制单元必须了解换流器***的具体属性并在控制能量存储***和整个***的荷电状态时必须考虑到换流器***的具体属性，这增加了编程花费和使整个***更易失效，并且导致对蓄能器的有效寿命的限制。
发明内容
本发明的根本目的是提供一种如上所述的用于在电化学蓄能器中存储电能，以及与如上所述的电能分配网络交换电能的方法和设备。该方法和设备确保使用带有统一的通信接口的不同电化学蓄能器，并提供电力电子器件和电化学蓄能器的不同拓扑的使用，其中不依赖于混合动力设备中的电化学蓄能器分别采用的技术和电力电子器件的拓扑。
根据本发明，这个目标通过具有权利要求1的特征的方法解决。
根据本发明的方案提供了一种用于在电化学蓄能器中存储电能并且与电能分配网络交换电能的方法，通过抽象拓扑和蓄电池具体属性，该方法确保使用带有统一通信接口的不同电化学蓄能器，并且提供电力电子器件和电化学蓄能器的不同拓扑的使用，而不依赖于电化学蓄能器分别采用的技术，从而混合动力设备能够由具有不同的配置但是在电能供应网络的耦合点处以及在通信接口处的行为相同的存储单元或模块构成，以构成高级电池动力设备管理***。
通过将电化学蓄能器以及电力电子***的拓扑的具体数据和特征转换成针对电能供应网络的特定的数据和特征：
-控制问题被转换了，以使并行操作并且分散控制的逆变器能够实现需要的电气行为，
-提供了混合动力设备(即配备有具有不同电池技术的电池，例如钠电池、锂离子电池、基于钒氧化还原液流的蓄电池或燃料电池)的适合的操作概念，并且
-构建了统一的或抽象的通信接口，这允许操作和描述多种电池和电池动力设备，而不依赖于具体技术设计变体。
优选地，电化学蓄能器以及电力电子***的拓扑的具体数据和特征在抽象的AC电池中被组合，并被转换成电能分配网络的数据和特征，其中通过AC电池管理器控制、监视和调节AC电池。
所述AC电池通过转换表征所使用的电池技术的量，将诸如充电电流和放电电流、容量、荷电状态等的表征所述电池技术的量描述成与所述电能分配网络的诸如当前可用功率和最大可提供的功率、当前可吸收能量和当前可释放能量等的定量关系。
通过提供与DC电池相反的称为AC电池的基础模块，为整个***提供统一的控制接口，这为使用不同拓扑的电力电子器件和具有不同技术的电化学蓄能器创建了先决条件。
基于抽象电池模型连同电池动力设备管理器，AC电池管理器的抽象功能或电池具体功能性的分割构建了优化操作。具有统一的能量相关行为的AC电池提供了这样的动力设备管理器的设计：其能够在不同的电池技术下完成它的任务，例如作为混合动力设备，其中不要求具体技术适配。
AC电池的限定包含相同或不同的电力电子***(例如逆变器、换流器和DC/DC换流器)拓扑和包括燃料电池的DC电池，DC电池具有相同或不同化学和/或物理属性，并且在它们的公共耦合点以及与它们有关的与高级电池动力设备管理***的通信接口处显示了相同行为，AC电池的限定提供了由很多AC电池组成的整个***的简单控制，最小化了整个***因每个单个AC电池的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)限定的控制和检测引起的易失效性，和通过包括相同AC电池(甚至当AC电池相互远离布置时)来简单扩展整个***，以及单个AC电池的随意更换，而不需要在耦合点处发生改变。
一种用于在电化学蓄能器中存储电能以及用于通过电力电子***与电能分配网络交换电能的设备，电力电子***将电化学蓄能器与电能分配网络连接，所述设备的特点是至少一个基础模块(AC电池)包括：
-电化学能量存储模块，电化学能量存储模块包括具有相同化学和/或物理属性的直流电池(DC电池)，
-控制和监视DC电池的电池管理***，
-电力电子模块，
-电力电子模块控制装置，以及
-AC电池管理器，AC电池管理器带有到电池管理***的通信接口。
通过电池典型操作极限和现象的通用模型，作为能量分配网络的功能元件的AC电池因此实现了针对用于能量应用的DC源的统一描述，特别地，
-容量和工况的关系的描述，
-在考虑校准循环时考虑荷电状态的确定的不清晰度，
-AC电压行为的统一参数化，特别是电力电子器件的控制的统一参数化，以及
-描述与电池技术相关以及对其而言特定的关系，即，通过适当转换电池的量，描述诸如电流、安倍时、以及荷电状态(SOC)的量与所述电能分配***的诸如当前可用功率和最大可提供的功率、当前可吸收能量和当前可释放能量等之间的定量关系。
AC电池由至少一个DC/AC-换流器以及在DC电压侧连接至DC/AC-换流器的电力电子器件和电池单元构成，AC电池概念上作为电池管理***和特定电池技术组合(包括电力电子器件和DC电池，并且依赖于设计变体还可包括变压器)之间的退耦平面(电池管理***用于整个***获得、存储电能以及释放电能到电能分配网络)，并从电能技术方面看等效于DC电池。
原则上，AC电池由以下构成：
-具有相关联的电池管理***的DC电池，
-带有逆变器控制器的逆变器，
-AC电池管理***，以及
-在设计成中压电池的情况下，另外地包括在中压侧带有电源开关的中压变压器或在使用中压逆变器的情况下仅另外包括在中压侧的电源开关。
AC电池的上述器件表示用于设计上更复杂的部分器件的占位符，从而依赖于各自的电池技术，由不同的边界条件(例如依赖于荷电状态的DC电池的电压摆动或逆变器的输出电压所需要的中间电路电压)产生用于逆变器和DC电池的不同拓扑。
从不同的边界条件得到以下变体，例如：
第一变体中，AC电池包括并联连接的数个电化学能量存储模块和电池管理***，电化学能量存储模块包括具有相同化学和/或物理属性的DC电池，电池管理***和每个电化学模块相关联，并控制和监视电化学能量存储模块。
第二变体中，AC电池包括以组的形式并联连接的数个电化学能量存储模块和电池管理***，电化学能量存储模块包括具有相同化学和/或物理属性的DC电池，电池管理***和每个电化学模块相关联，并控制和监视电化学能量存储模块，其中成组并联连接的电化学能量存储模块通过DC/DC-换流器和逆变器连接，DC/DC-换流器和每个组相关联。
可替代地，AC电池包括并联连接的数个电化学能量存储模块和电池管理***，电化学能量存储模块包括具有不同化学和/或物理属性的DC电池，电池管理***和每个电化学模块相关联，并控制和监视电化学能量存储模块。
在这个实施方案中，不同类型的DC电池能够在AC电池中成组组合，其中电池管理***将各个DC电池组的数据输入到AC电池管理器或从AC电池管理器取回，从而AC电池管理器能够相应地控制和监视不同DC电池组。
电力电子模块可以由以下构成：在DC侧连接至电化学能量存储模块并且在AC侧连接至电力母线的逆变器，或作为中压逆变器直接或通过中央变压器和中压电源开关连接至公共耦合点的逆变器；或至少一个DC/DC换流器，DC/DC换流器连接至电化学能量存储模块；以及在DC侧连接至(多个)DC/DC换流器并且在AC侧直接或通过中压变压器和中压电源开关连接至电力母线的逆变器。
为了提供指定的DC电源，电化学能量存储模块可包括数个串联连接的具有相同化学和/或物理属性的DC电池。
AC电池可连同不同的电力电子器件拓扑既可用作低压又可用作中压电池。
除非逆变器被设计成中压逆变器，否则构成中压电池的AC电池包含中压变压器，中央变压器和电力电子模块的输出连接，电力电子模块通过中压电源开关和电力母线或公共耦合点连接。AC电池包含两个电化学能量存储模块，每个电化学能量存储模块包括具有相同化学和/或物理属性的DC电池，每个DC电池均和一个逆变器连接，逆变器连接至三绕组变压器的初级绕组，三绕组变压器的次级绕组和电力母线或公共耦合点连接。
在这个实施例中，AC电池形成低压电池，其中，DC电池直接或通过DC/DC-换流器连接至逆变器，其中AC电池通过变压器和电源开关连接至电力母线或公共耦合点。
可替代地，AC电池可形成中压电池，其中DC电池直接或通过DC/DC-换流器连接至逆变器，但是AC电池包括可实现的中压变压器和中央电源开关，从而使得它能够直接和电力母线或公共耦合点连接。
由具有一个公共耦合点的数个AC电池构成的***被称作电池动力设备，它的控制必须设计成能够保证确定的电网侧***服务，其中不同AC电池的任务和应用分配被优化，以便确保电池动力设备的可靠和持久的功能性。
在使用构成电网的电池动力设备时，即在离网操作时，AC电池例如执行特征的实现：
-依赖于有功功率的频率控制，在有功功率下AC电池根据操作静态(“下垂(droop)”)行为，以及
-依赖于无功功率的电压控制。
在遵从电网的电池动力设备或控制功率设备中使用AC电池时，AC电池例如提供：
-依赖于频率的有功功率贡献，以及
-依赖于电压的无功功率贡献。
对于每个应用，AC电池执行：
-考虑逆变器和DC电池的操作极限以及必要的维护需求，必要的维护需求涉及技术可用性极限和定期必要的维护工作，例如为了可靠的荷电状态测量或启动或关闭(部分)电池而校准直流电池模块或其部件，
-提供到高级电池动力设备管理***的统一接口，而不依赖于逆变器电池拓扑和电池技术的具体形式，以及
-提供即将到来的维护操作(例如直流电池模块的荷电状态校准)所需要的可用约束或功率和能量的估计。
如同在构成电网的电池动力设备(离网操作)中使用的，并联操作的AC电池作为并联的电压源工作，在其之间分配在公共耦合点处产生的负载，电池动力设备管理***通过接口参数化有功功率和无功功率的操作静态，获得每个单个AC电池的负载器件。此外，这也提供了单个AC电池的不对称操作，以便例如进行荷电状态测量的校准。
作为构成电网的动力设备的电池动力设备控制电力母线电压和电力母线频率，并提供用于触发过流保护机构的短路电流。
操作中，作为遵从电网的电池动力设备(例如控制动力设备)，并联操作的AC电池作为并联的电源，并一起提供公共耦合点处所需的功率-例如，依赖于根据所需控制静态的电网频率。电池动力设备管理***可通过统一的接口参数化每个单个的AC电池的负载器件。此外，这也提供了单个AC电池的不对称操作，以便例如进行荷电状态测量的校准。
除了提供有功功率，并联的AC电池也可用于公共耦合点处的电压维持(在电力母线处的电压控制范围内提供无功功率)。
通过通信接口，AC电池管理***优选地和电池动力设备管理***连接，电池动力设备管理***激活中压电源开关和将公共耦合点与能量分配网络连接的电源开关。
作为提供电网***服务的替代或作为构成电网的动力设备，电池动力设备能够连同可再生能源作为混合动力设备动作，并且例如在遵从负载的操作中确保公共馈入点(“调峰”)处的馈入极限的维持，依赖于电网频率、负载顺序等控制能量分配网络的公共耦合点处的指定的功率。
附图说明
将参照附图中示出的数个示例性的实施方案，详细介绍本发明的基本理念，图中:
图1示出了不同的恒定放电电流时的锂离子电池的电池电压和荷电状态的关系的图示；
图2示出了锂离子电池的DC功率和荷电状态的关系的图示；
图3示出了采用稳流稳压充电循环充满电的锂离子电池的充电电压和充电电流的进程的图示；
图4示出了锂离子电池的充电功率和充电功率的可能简单估计的进程的图示；
图5-8示出了组合成电池动力设备的AC电池，其中AC电池包括电力电子模块的不同拓扑以及具有部分不同的电池技术的DC电池。
图9示出了电池动力设备的示意性图示，其中电池动力设备由可能在空间上彼此分隔布置的数个AC电池构成，AC电池和电池动力设备管理***连接以交换数据和控制信号，并且AC电池包括电力电子模块的不同拓扑和具有部分不同电池技术的DC电池。
具体实施方式
电化学蓄能器或电池在其结构上是DC***，其根据电池技术在电气接口显示不同特性的电气行为。
具有非常高的功率能量比率(C率为1或更高)的锂离子电池作为短期蓄电池，和通过提供控制功率来补偿大的短期波动特别有效。
另一方面，钠-硫电池具有非常高的存储容量，C率为1/6。因此这些高温电池特别适合于补偿风能和太阳能的日常波动。
基于钒氧化还原液流的蓄电池几乎不自放电，因此它们极好地适合于作为季节性蓄电池。因为钒氧化还原液流电池的能源不会老化或损耗，少量的维护工作就能使它们几乎无限耐久，并且根据需要，功率和能量能够分开并且被灵活地缩放。
图1-4中参照锂离子电池的属性示出了可从AC电池观察到的典型的操作极限以及具有不同电池技术的电池属性。
图1示出了针对不同的恒定放电电流的电池电压V和荷电状态(容量)之间的关系，图2示出了不同的恒定放电电流的相应的DC功率和荷电状态的关系。
锂离子电池的代表性的特性曲线除了其它之外显示了依赖于放电电流的不同容量，以及依赖于荷电状态的典型电池电压。此外，电池老化和剩余电池容量依赖于不同影响因素，例如充电电流和放电电流的历史，主要的荷电状态，以及温度条件。
通过将多个单个电池适合地相互连接构成模块，并且通过数个模块构成电池来获得较大的DC电池，但该较大的DC电池通常不是为能量应用准备的，因为：
-充电方法通常不基于功率，而是基于电流和基于电压，即，在理想的充电循环中，依赖于荷电状态，电池对外部具有可变的功率要求，
-与电池连接的电池管理***提供不依赖于工况，但是和标称操作有关的电池信息，例如剩余容量或能量的存储量。
作为电池动力设备的功能元件，AC电池通过电池典型操作极限和现象的通用模型执行实现对用于能量应用的DC电压源的统一描述的任务，其中包括：
-描述容量与工况的关系，即能量与功率的关系；
-通过考虑校准循环考虑荷电状态的确定的不清晰度；
-通过相应地控制电力电子器件统一参数化AC电压行为。
电化学蓄能器或DC电池的电池典型属性的封装以及AC电池对能量的统一要求提供了电池动力设备管理器的设计，电池动力设备管理器采用不同电池技术下(没有特定技术适配)，能够执行它例如作为混合动力设备的功能。
当确定电池***的荷电状态时，考虑当前电池行为对应的模型，假设电池***的荷电状态测量按惯例是基于能量平衡的知识。全部模型都假设：随着操作时间段的增加，荷电状态测量遭受或多或少的重要漂移，从而电池***的荷电状态测量涉及不确定性，这极大地增加了时间。因此，全部电池***必须定期地接近限定的荷电状态，例如，充满电，以便校准荷电状态的确定，其中，为了实施校准，电池***采用了固定的工况。
作为示例，图3和图4示出了采用稳流稳压充电循环完全充电的锂离子电池的充电曲线。
图3示出了在充电操作期间的充电电压V和充电电流I的时间进程，其中依赖于实际的荷电状态，荷电状态的校准在例如3.2V的应用电池电压Ut0时开始。直到设定恒定电池电压UK大约为4.2V，锂离子电池才需要恒定的充电电流。为此有必要并在图4中示出了在恒定充电电压V和恒定充电电流I时的实际充电功率Pt(t)，实际充电功率Pt(t)与电池电压成比例增加。随后过渡到采用恒定电压充电直到设定最终充电电流，根据图4充电功率极大减小并且随后与充电电流成继续比例减小。
为了使服从AC电池管理***的电池动力设备管理器能够保证荷电状态的校准对公共耦合点的影响，通过指示对校准的需要，AC电池提供估计的校准进度表，即充电功率随着时间的进程的估计的校准进度表。如图4中的曲线Pg(t)所示。应该注意到这只能是估计，随着荷电状态校准之间的更大距离，以及AC电池的工况大大变化，所述估计涉及增加的不确定性。
由此得到的属性可应用于钠硫电池和基于钒氧化还原液流的蓄能器。由于对蓄能器的确切要求依赖于应用的情况并且也部分基于的具体项目改变(所述确切要求涉及很多属性，特别是功率能量比率，在锂离子电池和钠硫电池中功率和能量比率由电池的基本结构指定)，因此如果需要可在混合电池中结合不同技术，从而能够利用不同技术的优点。
图5-7示出了组合成电池动力设备的AC电池的多种实施例，AC电池包括具有不同的电力电子模块拓扑(即逆变器或换流器或DC/DC换流器的拓扑)和不同的电池技术，其中以连续线示出了电连接线，以虚线示出了通信连接。
图5示出了电池动力设备BKW的第一示例性实施方案，电池动力设备BKW具有构成低压电池的M个AC电池1.1-1.M，AC电池并联连接至公共耦合点10，并且每个AC电池通过变压器7.1-7.M、电源开关8.1-8.M和PCC电压开关9连接至能量分配网络11的公共耦合点10。AC电池1.1-1.M均包括多个并联连接的DC电池组2.1-2.M，每个组可包括多个串联连接的DC电池。每个DC电池组2.1-2.M包括电池管理***20.1-20.M，电池管理***20.1-20.M和每个AC电池1.1-1.M的AC电池管理器5.1-5.M连接。
电池管理***20.1-20.M监视DC电池并提供到AC电池管理器的通信接口。
第一AC电池1.1包括DC/DC换流器3.1，DC/DC换流器3.1和并联连接的DC电池组2.1连接并且和逆变器4.1连接，逆变器4.1连接有第一变压器7.1。
此外AC电池具有类似于第一AC电池1.1的电力电子拓扑或相应于第M个AC电池1.M构建，其中并联连接的DC电池2.M直接和逆变器4.M连接，逆变器4.M连接至变压器7.M。单个AC电池1.1或1.M的不同拓扑例如基于单个DC电池组2.1或2.M的串联连接的DC电池的不同电池技术或不同数量。
通过通信线16，AC电池1.1-1.M的AC电池管理器5.1-5.M和电力电子控制器40.1或40.M连接，与第一AC电池1.1相关的电力电子控制器通过通信线17和逆变器4.1连接，通过通信线18与DC/DC换流器3.1连接，或与第M个AC电池1.1相关的电力电子控制器通过通信线17与逆变器4.M连接。此外，AC电池管理器5.1或5.M通过通信线15与DC电池2.1-2.M的电池管理***20.1或20.M连接。
与全部的AC电池1.1-1.M相关联的电池动力设备管理器6通过通信线12与AC电池1.1-1.M的AC电池管理器5.1-5.M连接，并且通过通信线13和与单个AC电池1.1-1.M相关联的电源开关8.1-8.M连接，并且通过通信线14和PCC电压开关9连接。
AC电池管理器5.1-5.N优化对AC电池1.1-1.N的部分器件的使用，并且因此例如提供了对正操作的部分器件的维护，然而电池动力设备管理器6控制AC侧的AC电池1.1-1.N的协作，校准AC电池1.1-1.M并且将对电力动力设备的要求分配给单个AC电池1.1-1.N，以使得同类的电池***对外部可见。如同将在下面详细讲解的，带有不同电力电子拓扑的AC电池1.1-1.M以及具有不同电池技术或不同类型的DC电池能够组合，并且可优化它们的共同使用。
图6示出了带有M个AC电池1.1-1.M的电池动力设备BKW的第二个示例性的实施方案的块电路图，其中构成中压电池的M个AC电池1.1-1.M并联连接至PCC电源开关9，并且其构建和根据图5的第一个示例性的实施方案中的构建相同，包含中压电源开关8.1-8.M，并且根据需要可包含以虚线示出的中压变压器7.1-7.M。
在采用示意块电路图的图7中示出的电池动力设备BKW的第三个实施方案中，并联连接的DC电池21.1-21.M成组连接至两个DC/DC换流器31.1、32.1或31.M、32.M，类似于根据图5的实施例，两个DC/DC换流器31.1、32.1或31.M、32.M和逆变器4.1或4.M连接。
在这个实施例中，单个或全部的AC电池1.1-1.N可包括具有相同或不同电池技术的DC电池21.1-21.M。例如，AC电池1.1可包括具有相同电池技术DC电池21.1，而AC电池1.N包括成组并联连接的DC电池211.M、212.N，每个组211.M和212.N均具有相同的电池技术或是相同的电池类型，但是组与组不同。
在这个AC电池1.N的配置中，在相应的数据输入到AC电池管理器5.M之后或在组中提供的电池管理***22.M已经将相应验证数据输出到AC电池管理器5.M后，AC电池管理器5.M执行对具有不同电池技术的组211.M和212.N的控制和监视。
图8中示意地示出了第四个实施例的块电流图。在电池动力设备BKW的这个实施例中，AC电池1.1包括并联连接的DC电池2.1，DC电池2.1和逆变器4.1连接，而第M个AC电池1.M包含并联连接的DC电池2.M或由串联连接的数个DC电池构成的DC电池组2.M，DC电池组2.M连接至与逆变器4.M连接的DC/DC换流器31.M。
类似于根据图7的实施例，第N个AC电池5.N具有并联连接并组合成组的DC电池2.N，DC电池2.N带有电池管理***20.N，每个DC电池2.N均通过DC/DC换流器31.N、32.N和逆变器4.N连接。如同参照图7的上述讲解的，第N个AC电池1.N可将DC电池2.N的相同或不同电池技术与相同或不同电池技术组合，组合成组的DC电池2.N连接至一个或另一个DC/DC换流器31.M、32.M。
当然，根据图7和8的实施例并不限制于并联连接的具有相同或不同电池技术的两组DC电池2.N，每组均连接至DC/DC换流器31.N、32.N，但是可包括具有相同或不同电池技术的数个组，每个组均连接至DC/DC换流器。
图5到图8中的示出的全部示例性的实施方案中，电池动力设备管理器6形成用于电池动力设备的中央控制水平，其中，它组合由通用AC电池1.1-1.M提供的信息，例如和荷电状态的不确定性相关，以便根据将在能量分配网络11的部分上执行的与功率、能量或电网维护相关的要求优化单个AC电池1.1-1.N的操作点规定。
整体行为的参数化形式依赖于电池动力设备的各个应用情况。而在离网操作中，能量管理***的部件传达计划周期中有关期望的计划水平的功率带的进度表以及在动作点周围获得的希望的控制行为，并且因此电池动力设备管理器6被允许因进度而优化，为了控制动力设备应用中的***服务使用电池动力设备时的需求产生于“电网准则”和电流电网频率。
电池动力设备管理器6的高级动作任务的示例是根据图8的AC电池1.N的荷电状态SOC的校准，所述电池动力设备管理器6的高级动作任务的示例通过考虑到单个AC电池1.1-1.N的内部需求来保证满足公共耦合点10处的外部需求，例如期望的功率带和功率静态的规定，其中，作为电池动力设备在公共耦合点10处的动作点周围的控制行为的特征，除了公共耦合点10处的期望的动作静态之外，电池动力设备从高级能量管理***接收将被电池动力设备覆盖的功率带。
由于公共耦合点10处的规定A，电池动力设备管理器6确定适于剩余电池1.1-1.M的动作点，以便满足在公共耦合点10处的规定A，或许通过评估进度表期间的电池动力设备的荷电状态的仍然上升的不确定性而必需搁置荷电状态的校准。公共耦合点10处的规定A必须和电池动力设备管理器6计算的可能动作点以及AC电池1.N的内部需求(例如AC电池1.N的荷电状态校准SOC的计划)相一致，规定A以校准持续时间内的估计的功率进度表的形式表示对AC电池1.N操作的约束。
对电池动力设备管理器6的进一步要求包括：
-通过通用AC电池模型处理不同电池技术；
-分配中央测量量以实现在公共耦合点10处的静态精度，以及
-基于进度表或得到的参考变量优化AC电池动作点。
电池动力设备BKW不必安装在一个地方，而能够由空间上彼此远离的很多AC电池或单元组成，图9中示出了这样的一个实施例。
作为对图8中示意性示出的电池动力设备的修改，图9示出了数个AC电池，每个AC电池通过一个中压变压器7.1-7.N、一个中压电压开关8.1-8.M连接至能量供应网络11的公共耦合点10.1、10.M和10.N，与中压电压开关8.1-8.N相关联的公共耦合点10.1-10.N在空间上相互远离，但是共同提供了电池动力设备BKW。
类似于根据图8的电池动力设备BKW的配置，AC电池1.1-1.N的AC电池管理器5.1-5.N通过通信线与电池动力设备管理器6连接，通信线激励中央电源开关8.1-8.N，中压电源开关8.1-8.N将AC电池1.1-1.N与能量供应网络11连接或将所述AC电池与所述能量供应网络隔开。电池动力设备管理器6表示对由单个AC电池1.1-1.N构成的电池动力设备BKW的中央控制水平并且组合由AC电池1.1-1.N提供的信息，例如有关AC电池1.1-1.N或它们的DC电池2.1-2.N的荷电状态的不确定性，其中，能量转移和通信接口的AC电池1.1-1.N的一致配置不仅确保电池动力设备管理器6的控制水平的简单配置或编程，而且还根据能量分配网络11的部件上将满足的有关性能、能量或电网维护(例如保持恒定电网频率)的需求优化单个AC电池1.1-1.N的动作点规定。
附图标记列表
1.1-1.NAC电池
2.1-2.NDC电池
3.1DC/DC-换流器
4.1-4.N逆变器
5.1-5.NAC电池管理器
6电流动力设备管理器
7.1-7.N变压器
8.1-8.N电源开关
9PCC电源开关
10公共耦合点PCC
11能量分配网络
12-17通信线
20.1-20.N电池管理***
21.1-21.M并联连接的DC电池
31.1-32.MDC/DC-换流器
40.1-40.N电力电子控制器
211.M、212.M不同电池技术的DC电池
A规定
BKW电池动力设备
I充电电流
Pg估计的充电功率
Pt实际充电功率
SOC荷电状态校准
V充电电压

Claims (21)

1.一种用于在电化学蓄能器中存储电能以及通过电力电子***与电能分配网交换电能的方法，所述电力电子***将所述电化学蓄能器与所述电能分配网络连接，
其特征在于：
所述电化学蓄能器(2.1-2.N；21.1-21.M；211.M、212.M)的具体数据和特征以及所述电力电子***(3.1；4.1-4.N；31.1-31.M；31.N、32.N)的拓扑被转换成针对所述电能分配网络(11)的特定的数据和特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电化学蓄能器(2.1-2.N；21.1-21.M；211.M、212.M)的具体数据和特征以及所述电力电子***(3.1；4.1-4.N；31.1-31.M；31.N、32.N)的拓扑组合到抽象AC电池(1.1-1.N)中，并被转换成所述电能分配网络(11)的数据和特征，并且通过AC电池管理器(5.1-5.N)控制、监视和调节所述AC电池(1.1-1.N)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述AC电池(1.1-1.N)通过转换表征所使用的电池技术的量，将诸如充电电流和放电电流、容量、荷电状态等的表征所述电池技术的量描述成与所述电能分配网络(11)的诸如当前可用功率和最大可提供的功率、当前可吸收能量和当前可释放能量等的定量关系。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：数个AC电池(1.1-1.N)通过通信接口(12)和电池动力设备管理***(6)连接，并且每个AC电池(1.1-1.N)均通过一个电源开关(8.1-8.N)以及公共耦合点电源开关(9)实现与所述电能供应网络(11)的公共耦合点(10)连接。
5.根据权利要求2或3的方法，其特征自在于：数个空间上分开的AC电池(1.1-1.N)连接至所述电能供应网络(11)的公共耦合点(10)，并且通过通信线(12)与公共的电池动力设备管理***(6)连接。
6.一种用于在电化学蓄能器中存储电能以及用于通过电力电子***与电能分配网络交换电能的设备，所述电力电子***将所述电化学蓄能器与所述电能分配网络连接，
其特征在于：
至少一个基础模块(AC电池1.1-1.N)具有：
-包括具有相同化学和/或物理属性的直流电池(DC电池2.1-2.N、21.1-21.M)的电化学能量存储模块，
-控制和监视DC电池(2.1-2.N、21.1-21.M)的电池管理***(20.1-20.N)，
-电力电子模块(3.1、4.1-4.N、31.1-32.M)，
-电力电子模块控制装置(40.1-40.N)，以及
-AC电池管理器(5.1-5.N)，所述AC电池管理器(5.1-5.N)带有到所述电池管理***(20.1-20.N)的通信接口(15)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述AC电池(1.1-1.N)包括数个并联连接的电化学能量存储模块以及电池管理***(20.1-20.N)，所述电化学能量存储模块包括具有相同化学和/或物理属性的DC电池(2.1-2.N、21.1-21.M)，所述电池管理***(20.1-20.N)与每个电化学能量存储模块相关联，并且控制和监视所述电化学能量存储模块。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于：所述电力电子模块(3.1、4.1-4.N、31.1-32.M)由逆变器(4.1-4.N)构成，所述逆变器(4.1-4.N)在DC侧连接至所述电化学能量存储模块，在AC侧直接或通过中央变压器(7.1-7.N)连接至电力母线或公共耦合点(10)。
9.根据权利要求6-8中至少一项所述的设备，其特征在于：所述电力电子模块(3.1、4.1-4.N、31.1-32.M)由至少一个DC/DC-换流器(3.1、31.1-32.M)和逆变器(4.1-4.N)构成，所述DC/DC-换流器(3.1、31.1-32.M)连接至所述电化学能量存储模块，所述逆变器(4.1-4.N)在DC侧连接至所述DC/DC-换流器(3.1、31.1-32.M)，在AC侧直接或通过中央变压器(7.1-7.N)连接至电力母线或公共耦合点(10)。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于：所述AC电池(1.1-1.N)包括数个电化学能量存储模块以及电池管理***(20.1-20.N)，所述电化学能量存储模块以组的形式并联连接，并且包括具有相同或不同化学和/或物理属性的DC电池(2.1-2.N、21.1-21.M)，所述电池管理***(20.1-20.N)与每个电化学能量存储模块相关联，并且控制和监视每个电化学能量存储模块，并且成组并联连接的电化学能量存储模块通过DC/DC-换流器(3.1、31.1-32.M)与逆变器(4.1-4.N)连接，所述DC/DC-换流器(3.1、31.1-32.M)与每个组相关联。
11.根据上述权利要求6-10中至少一项所述的设备，其特征自在于：所述电化学能量存储模块包括数个串联连接的具有相同化学和/或物理属性的DC电池(2.1-2.N、21.1-21.M)。
12.根据上述权利要求6-11中至少一项所述的设备，其特征在于：所述AC电池(1.1-1.N)构成中压电池，并且通过所述电力电子模块(4.1-4.N)以及中压电源开关(8.1-8.N)与电力母线或公共耦合点(10)连接。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于：所述电力电子模块(4.1-4.N)的输出通过中央变压器(7.1-7.N)与所述中压电源开关(8.1-8.N)连接。
14.根据权利要求12或13所述的设备，其特征在于：所述AC电池(1.1-1.N)包含两个电化学能量存储模块，所述电化学能量存储模块包括具有相同化学和/或物理属性的DC电池(2.1-2.N、21.1-21.M)，每个DC电池(2.1-2.N、21.1-21.M)均和逆变器(4.1-4.N)连接，并且所述逆变器(4.1-4.N)连接至三绕组变压器的初级绕组，所述三绕组变压器在次级绕组侧和电力母线或公共耦合点(10)连接。
15.根据上述权利要求6-14中至少一项所述的设备，其特征在于：电池动力设备(BKW)由至少两个AC电池(1.1-1.N)构成，所述AC电池(1.1-1.N)直接或通过中压电源开关(8.1-8.N)，或通过中压电源开关(8.1-8.N)和中压变压器(7.1-7.N)，连接至一个公共耦合点(10)，并且所述AC电池(1.1-1.N)包括具有相同和不同化学和/或物理属性的电化学能量存储模块(2.1-2.N)。
16.根据权利要求6-15中至少一项所述的设备，其特征在于：构成电池动力设备(BKW)的至少两个AC电池(1.1-1.N)针对电力电子模块(3.1、4.1-4.N、31.1-32.M)具有不同拓扑。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于：所述AC电池(1.1-1.N)包含：
-逆变器(4.1)，所述逆变器(4.1)和电化学能量存储模块(2.1)连接，和/或
-DC/DC-换流器(31.N)和逆变器(4.N)，所述DC/DC-换流器(31.N)和并联连接的电化学能量存储模块(2.N)连接，所述逆变器(4.N)和所述DC/DC-换流器(31.N)连接，和/或
-成组并联连接的电化学能量存储模块(2.N)，所述电化学能量存储模块(2.N)与一个DC/DC-换流器(31.N-32.N)连接，所述DC/DC-换流器(31.N-32.N)均连接至逆变器(4.N)。
18.根据上述权利要求6-17中任一项所述的设备，其特征在于：作为电网构成的动力设备，由数个AC电池(1.1-1.N)构成的所述电池动力设备(BWK)控制所述能量分配网络(11)的电压和频率，并提供用于触发过流保护机构的短路电流。
19.根据权利要求18所述的电力动力设备，其特征在于：所述电池动力设备(BKW)作为电源和耗电设备动作，并且依赖于所述能量分配网络(11)的电网频率控制所述AC电池(1.1-1.N)释放到所述电能分配网络(11)的电力。
20.根据上述权利要求6-19中任一项所述的设备，其特征在于：所述AC电池管理器(5.1-5.N)通过通信接口(12)与电池动力设备管理***(6)连接，所述电池动力设备管理***(6)激活所述中压电压电源开关(8.1-8.N)和公共耦合点电源开关(9)，所述公共耦合点电源开关(9)将所述公共耦合点(10)与所述能量分配网络(11)连接。
21.根据上述权利要求6-20中任一项所述的电池动力设备，其特征在于：所述电池动力设备(BKW)连同可再生能源作为混合动力设备动作，并且所述电池动力设备(BKW)根据电网频率控制所述能量分配网络(11)的公共耦合点(10)处的指定的电力。
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