专利名称：并网电力存储系统和控制并网电力存储系统的方法
技术领域：
本发明的实施例的一个或多个方面涉及一种用于将发电系统连接到电网以将功 率供应到负载系统的并网电力存储系统以及一种用于控制所述并网电力存储系统的方法， 更具体地说，涉及一种容量增大的并网电力存储系统以及一种控制并网电力存储系统的方法。
背景技术：
随着国内和国外环境出现变化，已经意识到新的可再生电力的重要性。新的可再 生电力已经被认为是化石燃料的枯竭问题以及使用化石燃料来产生电力的环境问题的解 决方案。具体地说，通过使用太阳能来发电的光伏发电系统不产生污染并且容易安装和维 护。因此，光伏发电系统已经受到关注。这种光伏发电系统可分为独立地工作的独立发电 系统或者与商业电网连接而工作的并网发电系统。根据在设计光伏发电系统时就已设定的 额定电压或额定电流来确定构成光伏发电系统的转换器和逆变器的内部电路元件。由于在 这种情况下光伏发电系统的容量是固定的，所以当光伏发电系统的容量增大时，需要安装 额外的系统。因此，难以确保光伏发电系统的空间和功率。
发明内容
本发明的实施例的一方面涉及一种并网电力存储系统，该系统缩小了空间并提高 其功率消耗，并扩大了其功率。本发明的一个实施例提供一种用于将发电系统结合到电网以将功率供应到负载 系统的并网电力存储系统，所述并网电力存储系统包括主电池，将存储的功率释放到负载 系统；至少一个附加电池，结合到主电池，以将存储的功率释放到负载系统；双向转换器， 结合到主电池和附加电池，并且双向转换器包括多个开关以执行发电系统和电网之间的DC 链路电压与电池电压之间的转换，所述多个开关中的第一开关与主电池对应，所述多个开 关中的第二开关与附加电池对应，其中，第一开关和第二开关彼此并联连接；集成控制器， 基于负载系统使用的功率量选择性地控制第一开关和第二开关的操作。集成控制器可包括监测系统，检测负载系统使用的功率量以确定检测出的量是 否超出功率的参考量；电池控制器，在检测出的量超出功率的参考量时确定是否将附加电 池结合到主电池；开关控制器，产生用于控制第二开关的操作的控制信号。并网电力存储系统还可包括电池管理系统，电池管理系统结合到主电池和附加电 池以控制主电池和附加电池的充电和放电。并网电力存储系统还可包括双向逆变器，双向转换器将从双向转换器输出的DC链路电压转换为电网的AC电压并将电网的AC电压转换为DC链路电压。并网电力存储系统还可包括手动操作开关，手动操作开关包括用于将附加电池结 合到双向转换器的机械接触。发电系统可包括太阳能电池。本发明的另一实施例提供一种控制用于将发电系统结合到电网以将功率供应到 负载系统的并网电力存储系统的方法，该方法包括以下步骤根据负载系统使用的功率量 来确定是否将附加电池结合到主电池；在将附加电池结合到主电池时将控制信号输出到双 向转换器，其中，双向转换器包括与主电池对应的第一开关和与附加电池对应的第二开关， 第一开关和第二开关彼此并联连接。确定是否将附加电池结合到主电池的步骤可包括检测负载系统使用的功率量； 确定检测出的量是否超出功率的参考量；当检测出的量超出功率的参考量时，确定将附加 电池结合到主电池。该方法还可包括将双向转换器的DC链路电压转换为电网的AC电压。发电系统可包括太阳能电池。控制信号可操作第二开关。
附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例，并与说明书一起用于解释本发 明的原理。图1是根据本发明实施例的并网电力存储系统的示意性框图。图2是根据本发明实施例的图1的并网电力存储系统的详细框图。图3是根据本发明实施例的图2中的集成控制器的示意性框图。图4A是根据本发明实施例的双向转换器的示意性电路图。图4B是根据本发明实施例的双向转换器的示意性电路图。图5是根据本发明实施例的控制并网电力存储系统的方法的流程图。
具体实施例方式在下面的详细描述中，仅简单地以说明的方式示出并描述了本发明的特定示例性 实施例。如本领域技术人员应该认识到的，在全部不脱离本发明的精神或范围的情况下，所 描述的实施例可以以各种不同方式修改。因此，附图和描述应该被认为本质上是说明性的， 而不是限制性的。图1是根据本发明实施例的并网电力存储系统100的示意性框图。参照图1，并网电力存储系统100包括功率管理系统110和存储设备120，并网电 力存储系统将发电系统130连接到电网(或商业电网)140以将功率供应到负载系统150。功率管理系统110从发电系统130接收功率并将功率传输到电网140，将功率存储 在存储设备120中或将功率供应到负载系统150。这里，产生的功率是直流(DC)功率或交 流(AC)功率。功率管理系统110将从发电系统130接收的功率存储在存储设备120中或将功率 供应到电网140。功率管系统110将存储在存储设备120中的功率传输到电网140或将从电网140供应的功率存储在存储设备120中。功率管理系统110执行用于将由发电系统130产生的功率存储在存储设备120中 的功率转换以及用于将产生的功率供应到电网140或负载系统150的功率转换。功率管理 系统110还执行用于将从电网140供应的功率存储在存储设备120中的功率转换以及用于 将存储在存储设备120中的功率供应到电网140或负载系统150的功率转换。功率管理系 统110监视存储设备120、电网140和负载系统150的状态，以分配由发电系统130产生的 功率或从电网140供应的功率。存储设备120是存储从功率管理系统110供应的功率的大容量存储设备。这里， 供应的功率是由发电系统130产生并被功率管理系统110转换的功率，或者是由电网140 供应的并被功率管理系统110转换的商业功率。存储在存储设备120中的功率根据功率管 理系统110的控制被供应到电网140或负载系统150。存储设备120包括具有与初始设定 量对应的容量的主存储单元，以及一个或多个附加存储单元，添加附加存储单元以根据由 负载系统150使用的功率量来扩展并网电力存储系统100的容量。发电系统130是利用电源产生电功率的系统。发电系统130产生电功率并将电功 率输出到并网电力存储系统100。发电系统130是光伏发电系统、风力发电系统、潮汐发电 系统或利用可再生电力(例如，太阳热或地热)产生电功率的发电系统。具体地说，太阳能 电池利用阳光产生电功率并且容易安装在家庭、工厂等中，因此将太阳能电池应用到在家 庭中分配的并网电力存储系统100中。电网140可包括发电厂、变电站、电力线等。如果电网140正常地工作，则电网140 将功率供应到并网电力存储系统100或负载系统150，并从并网电力存储系统100接收功 率。如果电网140不正常工作，则电网140停止通过并网电力存储系统100将功率供应到 负载系统150，和/或停止通过并网电力存储系统100接收功率。负载系统150消耗从存储设备120或电网140供应的功率，并且负载系统150可 以是家庭、工厂等。图2是根据本发明实施例的并网电力存储系统200的详细框图。参照图2，并网电力存储系统200(在下文中，称作功率存储系统)包括功率转换 器211、双向逆变器212、双向转换器213、集成控制器214、电池管理系统(BMS) 215和直流 (DC)链路系统(link system) 216ο功率存储系统200连接到发电系统230、电网240和负 载系统250。功率转换器211连接在发电系统230和第一节点附之间，并将从发电系统230输 出的电压转换为第一节点W的DC链路电压。功率转换器211的操作根据发电系统230的 种类而改变。如果发电系统230是输出交流(AC)电压的风力发电系统或潮汐发电系统，则 功率转换器211将发电系统230输出的AC电压整流为第一节点Μ的DC链路电压。如果 发电系统230是输出DC电压的太阳能电池等，则功率转换器211将发电系统230输出的DC 电压转换为第一节点W的DC链路电压。例如，如果发电系统230是太阳能电池，则功率转 换器211是最大功率点跟踪(MPPT)转换器，MPPT将太阳能电池输出的DC电压转换为第一 节点m的DC链路电压，并使用根据太阳辐照度、温度等的变化来跟踪最大功率电压的MPPT 算法。MPPT转换器执行用来对从太阳能电池输出的DC电压升压并输出升压后的DC电压的 升压DC-DC转换器功能，和/或执行MPPT控制功能。
DC链路系统216结合在第一节点附和双向逆变器212之间，以将第一节点附的 DC链路电压保持为DC连接电平。由于发电系统230或电网240的瞬时电压下降、负载系 统250产生的峰值负载等，导致第一节点m的DC链路电压会变得不稳定。然而，为了正常 地操作双向转换器213和双向逆变器212，使第一节点m的DC链路电压稳定。安装DC链 路系统216来使第一节点m的DC链路电压的电平稳定，并且DC链路系统216可由电容器 等构成。电容器是电解质电容器、聚合物电容器、多层陶瓷电容器(MLCC)等。DC链路系统 216单独地安装在本实施例中，然而本发明不限于此。例如，可选地，DC链路系统可被实现 为双向转换器213、双向逆变器212或功率转换器211的内部的一部分。双向逆变器212是连接在第一节点附和电网240之间的功率转换器。双向逆变 器212将从电网240输入的AC电压整流为将要存储在电池220中的DC电压。双向逆变器 212将从发电系统230或电池220输出的DC电压转换为AC电压，并将所述AC电压输出到 电网M0。双向逆变器212包括滤波器，滤波器从由电网240供应的AC电压去除谐波、限制 电压变化范围、提高功率因子、去除DC分量和/或保护不受瞬变现象影响。双向转换器213是结合在第一节点附和电池220之间的功率转换器。双向转换 器213将第一节点m的DC链路电压转换为将要存储在电池220中的DC电压，并将存储在 电池220中的DC电压转换为将被传输到第一节点m的DC链路电压。例如，如果双向转换 器213利用由发电系统230产生的DC功率或从电网240供应的AC功率对电池220充电， 则双向转换器230作为将第一节点m的DC链路电压降低为电池存储电压的降压转换器进 行操作。如果双向转换器213向电网240或负载系统250供应充入到电池220中的功率， 则双向转换器213作为将电池存储电压升压至第一节点m的DC链路电压的升压转换器进 行操作。双向转换器213包括用于执行电池存储电压和DC链路电压之间的转换的开关器 件(在下文中称作开关)。所述开关可以是一个或多个开关。例如，开关可包括与主电池对 应的一个开关或一组开关以及与一个或多个附加电池对应的一个开关或一组开关。在一个 实施例中，如果开关包括多个开关，则所述多个开关彼此并联连接并具有相同的电容来防 止损坏(或减小损坏的可能性)。开关均可以是场效应晶体管(FET)、双极结晶体管(BJT) 等。双向转换器213预测负载系统的最大功率量来确定开关或开关组的数量，以预先将开 关或开关组与附加电池的数量对应。双向转换器213根据集成控制器214的控制信号通过 选择与放电的电池对应的开关或开关组来执行开关操作。因此，如果负载系统250使用的 功率量超出功率的参考量，则与附加电池对应的开关器件操作，而不需要安装额外的功率 存储系统，从而容易增大将要供应的功率的量。后面将参照图4A和图4B更详细地描述双 向转换器213电池220存储从发电系统230或电网240供应的功率。电池220包括释放所存储 的功率的主电池220a和附加电池220b。主电池220a和附加电池220b中的每个的电池单 体串联或并联地结合以使电池220具有增大的容量和功率。主电池220a和附加电池220b 的容量可相同。主电池220a和附加电池220b被实现为各种合适的电池单体类型(例如，镍 镉电池、铝电池、镍金属氢化物电池(NiMH)、锂离子电池、锂聚合物电池等)的任意电池单 体。在本实施例中安装了主电池220a和附加电池220b，但是根据负载系统250使用的功率 的量，一个或多个附加电池可彼此结合来增大电池220的容量。例如，如果从发电系统230 和/或电网240供应的功率小于负载系统250使用的功率的量，则功率可从主电池220a供应到负载系统250来补偿功率的短缺。如果从主电池220a释放的功率不足以补偿功率的 短缺，则还可从附加电池220b向负载系统250供应功率。根据将要补充的可使用功率的量 来确定增加的附加电池的数量。主电池220a和附加电池220b通过BMS 215结合到双向转 换器213，并通过连接器217机械地并电附着到功率存储系统200。连接器217可以是具有 机械接触的手动操作开关，连接器217可只结合到附加电池220b，然而也可结合到主电池 220a。如果连接器217结合到主电池220a和附加电池220b两者，则连接器217被选择性 地打开和/或关闭以分别在主电池220a或附加电池220b放电时防止功率回流至附加电池 220b或主电池220a中或保护功率免于回流至附加电池220b或主电池220a中。BMS 215结合到电池220并根据集成控制器214控制电池220的充电和放电操作。 电池220通过BMS 215将功率释放到双向转换器213，双向转换器213利用通过BMS 215的 功率对电池220充电。BMS 215执行过充电保护功能、过放电保护功能、过电流保护功能、 过电压保护功能、过热保护功能、单元均衡功能等来保护电池220。因此，BMS 215监测电 池220的电压、电流、温度、功率剩余量、寿命等，并将相关信息传输到集成控制器214。BMS 215包括结合到主电池220a的BMS 215a和结合到附加电池220b的BMS215b。BMS 215a 和BMS 21 分别结合到主电池220a和附加电池220b (基于一对一)。在本实施例中，BMS 215与电池220分开，然而也可构成这样的电池包，其中BMS 21 和主电池220a整体地设 置为单体，BMS 215b和附加电池220b整体地设置为单体。集成控制器214监测发电系统230和电网240的状态来控制BMS 215、双向转换器 213、双向逆变器212和功率转换器211的操作。集成控制器214还根据负载系统250使用 的功率的量来选择性地控制双向转换器213的与主电池220a对应的开关以及双向转换器 213的与附加电池220b对应的开关的操作。图3是根据本发明实施例的图2中的集成控制器214的示意性框图。参照图3，集成控制器214包括监测系统310、充电控制器330和放电控制器350。 现在将参照图2和图3描述集成控制器214。监测系统310监测发电系统230、功率存储系统200、电网240和负载系统250的 状态。监测系统310通过BMS 215监测电池220的功率剩余量、电压、电流和温度。当输入 和/或输出双向转换器213、双向逆变器212和功率转换器211的电压、电流、温度和AC电 压时，监测系统310监测AC相位。监测系统310监测电网240的电压、电流、温度和AC相 位，并监测电网240处于正常状态还是处于异常状态。监测系统310监测负载系统250使 用的功率的量，并确定检测出的功率的量是否超出功率存储系统200的功率参考量。充电控制器330控制BMS 215、双向转换器213、双向逆变器212和功率转换器 211，以将从发电系统230或电网240供应的功率存储到电池220中。如果利用从电网240 供应的功率对电池200充电，则双向逆变器212根据充电控制器330的控制信号将从电网 240供应的AC电压整流为第一节点m的DC链路电压。双向转换器230将第一节点m的 DC链路电压转换为电池存储电压电平的DC电压。转换后的DC电压通过BMS 215充入到电 池220中。如果利用从发电系统230供应的功率对电池220充电，则功率转换器211将从 发电系统230供应的功率转换为第一节点m的DC链路电压，双向转换器213将DC链路电 压转换为电池存储电压，并根据充电控制器330的控制信号通过BMS 215来使电池220充 有电池存储电压。根据充电控制器330的控制信号，选择并操作双向转换器213的与充有电池存储电压的电池220对应的开关。放电控制器350控制BMS 215、双向转换器213、双向逆变器212，以根据负载系统 250使用的功率的量来将存储在电池220中的功率供应到负载系统250。如果电池220对 负载系统250放电，则根据放电控制器350的控制信号，双向转换器213将通过BMS 215输 出的电池存储电压转换为DC链路电压，并且双向逆变器212将DC链路电压转换为负载系 统250的AC电压。因此，将AC电压供应到负载系统250。放电控制器350包括电池控制器 370和开关控制器390。电池控制器370将从发电系统230和/或电网240供应的功率量与 负载系统250使用的功率量进行比较，如果负载系统250使用的功率量大于供应的功率量， 则电池控制器370通过BMS 215控制主电池220a来释放存储在主电池220a中的功率。如 果负载系统250使用的功率量仍然大于供应的功率量，则电池控制器370使附加电池220b 连接以释放存储在附加电池220b中的功率。根据将要供应到负载系统250的最大功率量 来确定附加电池的数量。这里，开关控制器390将控制信号输出到双向转换器213的与放 电电池对应的并联连接的开关，从而使选择的开关执行开关操作。开关控制器390输出用 于控制功率转换器211和双向逆变器212的开关操作的脉冲宽度调制(PWM)控制信号。根 据转换器或逆变器的输入电压来控制PWM控制信号的负载循环(duty cycle)，以减少由于 转换器或逆变器的功率转换而导致的功率损失。因此，虽然使用的功率量增大，但是将电池 添加到单个功率存储系统并选择性地操作双向转换器的相应的开关，而无需安装额外的功 率存储系统。因此，增大了单个功率存储系统的容量。图4A和图4B是根据本发明实施例的可用于双向转换器213的电路的示意性电路 图。为了便于描述和理解，仅示意性地示出了开关的结构。参照图4A，双向转换器213包括电路413a，电路413a在充电时用作降压式降压转 换器(decompression-type buck converter)并在放电时用作升压转换器。双向转换器213 包括用于将DC链路电压转换为电池电压的充电开关Q11，以及用于将电池电压转换为DC链 路电压的放电开关Q12，使主电池220a进行充电和放电。双向转换器213还包括用于将DC 链路电压转换为电池电压的充电开关Q21，以及用于将电池电压转换为DC链路电压的放电 开关Q22，以使附加电池220b进行充电和放电。根据本发明的另一实施例，充电开关Qll和 Q21的功能可变为放电开关Q12和Q22的功能。双向转换器213根据从集成控制器214输 入的主电池控制信号S1驱动充电开关Qll或放电开关Q12，并根据附加电池控制信号&驱 动充电开关Q21或放电开关Q22。参照图4B，双向转换器213包括控制四个FET的全桥逆变电路413b，全桥逆变电 路41 通过以下方式执行DC电压和DC电压之间的转换，即，将DC电压转换为AC电压，使 AC电压升压或降压，然后将升压或降压后的AC电压转换为与不一样的DC电压。全桥逆变 电路41 将用于使附加电池220b进行充电和放电的开关Q21、Q22、Q23和QM与用于使主 电池220a进行充电和放电的开关Qll、Q12、Q13和Q14分别并联连接。双向转换器213根 据从集成控制器214输入的主电池控制信号Sl驱动开关Q11、Q12、Q13和Q14，并根据附加 电池控制信号S2驱动开关Q21、Q22、Q23和Q24。双向转换器213不限于上述实施例，并且可以是包括根据用于使电池进行充电和 放电的电路的设计的开关的其他种类的逆变器或转换器。图5是根据本发明实施例的控制功率存储系统的方法的示意性流程图。
参照图5，在操作S501中，集成控制器监测负载系统，以检测每单位时间由负载系 统使用的功率量。在操作S503中，集成控制器确定检测出的量是否超出功率的参考量。功率的参考 量被定义为在包括主电池的功率存储系统中初始设置的功率量。如果每单位时间由负载系 统使用的功率量大于从发电系统和电网供应的功率量，则集成控制器使主电池放电。如果 从主电池释放的功率没有满足每单位时间由负载系统使用的功率量，则集成控制器使附加 电池放电。如果检测出的量超出了功率的参考量，则在操作S505中使附加电池与主电池一 起结合。使附加电池和BMS结合到位于后面的节点处的双向转换器。如果检测出的量未超 出功率的参考量，则集成控制器继续监测负载系统，以在操作S501中检测每单位时间由负 载系统使用的功率量。在操作S507中，将从附加电池释放的功率供应到负载系统。如果结合附加电池， 则根据集成控制器的控制信号选择双向转换器的与附加电池对应的开关，并根据所选开关 的开关操作来将附加电池的电池存储的电压转换为DC链路电压。DC链路电压通过双向逆 变器转换为负载系统的AC电压，并将AC电压供应到负载系统。如上所述，根据本发明的上述实施例中的一个或多个实施例，并网电力存储系统 包括具有用于以阵列布置的电池的开关的单个双向转换器。因此，利用并网电力存储系统 来驱动电池的阵列而不必安装额外的功率存储系统来增加并网电力存储系统的容量。因 此，缩小了并网电力存储系统的尺寸，并且容易扩展并网电力存储系统的容量。虽然已经结合特定示例性实施例描述了本发明的各方面，但是应该理解的是，本 发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明意图覆盖包括在权利要求及其等同物的精 神和范围内的各种修改和等同布置。
权利要求
1.一种用于将发电系统结合到电网以将功率供应到负载系统的并网电力存储系统，所 述并网电力存储系统包括主电池，将存储的功率释放到负载系统；至少一个附加电池，结合到主电池，以将存储的功率释放到负载系统； 双向转换器，结合到主电池和附加电池，并且双向转换器包括多个开关以执行发电系 统和电网之间的DC链路电压与电池电压之间的转换，所述多个开关中的第一开关与主电 池对应，所述多个开关中的第二开关与附加电池对应，其中，第一开关和第二开关彼此并联 连接；集成控制器，基于负载系统使用的功率量选择性地控制第一开关和第二开关的操作。
2.如权利要求1所述的并网电力存储系统，其中，所述集成控制器包括 监测系统，检测负载系统使用的功率量以确定检测出的量是否超出功率的参考量； 电池控制器，确定在检测出的量超出功率的参考量时是否将附加电池结合到主电池； 开关控制器，产生用于控制第二开关的操作的控制信号。
3.如权利要求1所述的并网电力存储系统，所述并网电力存储系统还包括电池管理系 统，电池管理系统结合到主电池和附加电池以控制主电池和附加电池的充电和放电。
4.如权利要求1所述的并网电力存储系统，所述并网电力存储系统还包括双向逆变 器，双向逆变器将从双向转换器输出的DC链路电压转换为电网的AC电压并将电网的AC电 压转换为DC链路电压。
5.如权利要求1所述的并网电力存储系统，所述并网电力存储系统还包括手动操作开 关，手动操作开关包括用于将附加电池结合到双向转换器的机械接触。
6.如权利要求1所述的并网电力存储系统，其中，发电系统包括太阳能电池。
7.—种控制用于将发电系统结合到电网以将功率供应到负载系统的并网电力存储系 统的方法，该方法包括以下步骤根据负载系统使用的功率量来确定是否将附加电池结合到主电池； 在将附加电池结合到主电池时将控制信号输出到双向转换器，其中，双向转换器包括 与主电池对应的第一开关和与附加电池对应的第二开关，第一开关和第二开关彼此并联连 接。
8.如权利要求7所述的方法，其中，确定是否将附加电池结合到主电池的步骤包括 检测负载系统使用的功率量；确定检测出的量是否超出功率的参考量；当检测出的量超出功率的参考量时，确定将附加电池结合到主电池。
9.如权利要求7所述的方法，还包括将双向转换器的DC链路电压转换为电网的AC电压。
10.如权利要求7所述的方法，其中，发电系统包括太阳能电池。
11.如权利要求7所述的方法，其中，控制信号操作第二开关。
全文摘要
本发明公开了一种用于将发电系统结合到电网的并网电力存储系统及其控制方法，所述并网电力存储系统包括主电池，将存储的功率释放到负载系统；至少一个附加电池，结合到主电池，以将存储的功率释放到负载系统；双向转换器，结合到主电池和附加电池，并且双向转换器包括多个开关以执行发电系统和电网之间的DC链路电压与电池电压之间的转换，所述多个开关中的第一开关与主电池对应，所述多个开关中的第二开关与附加电池对应，其中，第一开关和第二开关彼此并联连接；集成控制器，基于负载系统使用的功率量选择性地控制第一开关和第二开关的操作。
文档编号H02J3/32GK102088190SQ201010566980
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月26日 优先权日2009年12月3日
发明者朴钟镐 申请人:三星Sdi株式会社