DC能量存储系统的制作方法

本发明涉及dc能量存储系统，优选地供在高压直流(hvdc)传输和无功功率补偿中使用。

背景技术：

1、在hvdc电力传输网络中，ac电力通常被转换成dc电力以用于经由架空线路、海底线缆和/或地下线缆的传输。这个转换移除对补偿由电力传输介质(即传输线路或线缆)施加的ac电容性负载效应的需要，并且降低每公里的线路和/或线缆的成本，并且因此当需要通过长距离传输电力时变得成本有效。dc电力还直接从离岸风电场传输到岸上ac电力传输网络。dc电力和ac电力之间的转换用于其中必需互连dc和ac网络的地方。在任何这种电力传输网络中，在ac和dc电力之间的每个接口处要求转换器(即电力转换器)以影响从ac到dc或从dc到ac所要求的转换。

技术实现思路

1、根据本发明的方面，提供有dc能量存储系统，包括：

2、第一和第二dc端子，用于与dc链路的连接；

3、dc能量存储转换器，包括在第一和第二dc端子之间串联连接的多个模块，每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量存储装置，每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量存储装置可组合以选择性地提供电压源；以及

4、至少一个电路中断装置，所述电路中断装置在第一和第二dc端子之间与dc能量存储转换器串联连接，所述或每个电路中断装置可操作以将dc能量存储转换器与dc链路电分开。

5、在本发明的dc能量存储系统中提供与dc能量存储转换器串联的一个或多个电路中断装置使得dc能量存储系统能够在故障的情况下被迅速停止服务，而不必为了dc能量存储系统的安全操作而关闭整个电系统(dc链路形成其部分)。否则，为了清除dc能量存储系统中的故障而瞬间关闭整个电系统将会导致不可接受的电力传输能力的损耗。同样地，将dc能量存储系统配置为连接到dc链路的独立系统降低dc能量存储系统中的故障蔓延到相同电系统中的其他电力设备的风险。

6、所述或每个电路中断装置的配置可以变化。

7、一个电路中断装置可以在第一和第二dc端子之间与dc能量存储转换器串联连接，其中电路中断装置连接在dc能量存储转换器的一端处。多个电路中断装置可以在第一和第二dc端子之间与dc能量存储转换器串联连接，其中电路中断装置中的所有电路中断装置都连接在dc能量存储转换器的一端处，或者电路中断装置中的一个或多个电路中断装置连接在dc能量存储转换器的一端处，以及电路中断装置中的一个或多个其他电路中断装置连接在dc能量存储转换器的另一端处。

8、在本发明的实施例中，至少一个电路中断装置可以包括ac电路断路器。在这种实施例中，dc能量存储系统可包括控制器，所述控制器被编程以选择性地控制模块的开关元件的开关，以调制dc能量存储转换器的输出电压来在ac电路断路器的打开期间创建一个或多个电流零值。

9、通过模块的串联连接以及每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量存储装置的组合使得这种调制是可能的。模块在ac电路断路器的打开期间生成一个或多个人工电流零值的可用性使得成本有效的ac电路断路器能够代替更昂贵的dc电路断路器被使用。

10、在本发明的其他实施例中，至少一个电路中断装置可以包括dc电路断路器。dc电路断路器可以被额定以能够耐受dc链路的整个端子到端子dc电压(典型地500kv)。备选地，dc电路断路器可以被额定以能够耐受dc链路的端子到端子dc电压的部分。例如，dc电路断路器可以是具有低于100kv(例如50kv)的电压耐受能力的中压dc电路断路器。

11、提供dc电路断路器以实现dc能量存储转换器与dc链路的电分开，这允许dc能量存储转换器在故障模块比在ac电路断路器的情况下可能的故障模块更多的情况下继续操作。此外，使用额定以仅耐受dc链路的端子到端子dc电压的部分的dc电路断路器与dc能量存储转换器的模块相组合，这使能使用更小且更成本有效的dc电路断路器，同时维持dc能量存储系统的足够高的故障容限。

12、在本发明的实施例中，dc能量存储系统可包括控制器，所述控制器被编程以选择性地控制所述或每个电路中断装置的操作的定时以将dc能量存储转换器与dc链路电分开，使得当所述或每个电路中断装置被操作以将dc能量存储转换器与dc链路电分开时，dc能量存储转换器中健康模块的数量足以生成与dc链路的端子到端子dc电压相等的dc能量存储转换器的输出电压。

13、在这种实施例中，控制器被编程以选择性地控制所述或每个电路中断装置的操作的定时以将dc能量存储转换器与dc链路电分开，使得当所述或每个电路中断装置被操作以将dc能量存储转换器与dc链路电分开时，dc能量存储转换器中健康模块的数量比在dc能量存储转换器中生成与dc链路的端子到端子dc电压相等的dc能量存储转换器的输出电压所要求的模块的最小数量至少多一个。

14、以这种方式的控制器的配置提供保障，其确保所述或每个电路中断装置的恰当操作以执行将dc能量存储转换器与dc链路电分开的保护动作。

15、在本发明的另外的实施例中，dc能量存储转换器可以包括跨多个模块中的一个或多个模块连接的至少一个旁路元件，所述或每个旁路元件可操作以选择性地使流动通过dc能量存储转换器的电流转向以旁路对应的一个或多个模块。所述或每个旁路元件可以是旁路开关元件，诸如机械开关元件、断开器或电路断路器。

16、在这种实施例中，控制器被编程以选择性地协调将dc能量存储转换器与dc链路电分开的所述或每个电路中断装置的操作的定时与使流动通过dc能量存储转换器的电流转向以旁路对应的一个或多个模块的所述或每个旁路元件的操作的定时，使得当所述或每个电路中断装置被操作以将dc能量存储转换器与所述dc链路电分开时以及在所述或每个旁路元件使流动通过dc能量存储转换器的电流转向以旁路对应的一个或多个模块之前，dc能量存储转换器中健康模块的数量足以生成与dc链路的端子到端子dc电压相等的dc能量存储转换器的输出电压。

17、以这种方式协调所述或每个旁路元件和所述或每个电路中断装置的操作，这提供保障，其确保所述或每个电路中断装置的恰当操作以执行将dc能量存储转换器与dc链路电分开的保护动作。

18、dc能量存储系统可以包括与所述或每个电路中断装置串联连接的至少一个断开器。在使用中，在所述或每个电路中断装置被操作以将dc能量存储转换器与dc链路电分开后，所述或每个断开器被打开以实现dc能量存储转换器与dc链路的电隔离。

19、在本发明的实施例中，每个能量存储装置可以是电池。在本发明的备选实施例中，所述或每个能量存储装置可以是电容器、燃料电池或能够存储和释放能量的任何其他装置。

20、在本发明的实施例中，dc能量存储系统可以进一步包括至少一个耐火保护屏障，所述耐火保护屏障布置成将多个模块分开到转换器部分中，每个转换器部分包括多个模块中的至少一个模块。

21、提供耐火保护屏障以将模块划分到分立的转换器部分中，从而在火灾的情况下，通过确保火灾没有不利地影响其他转换器部分并且为要采取的补救和/或保护动作提供足够的时间以便从操作中移除故障模块，来使能dc能量存储系统以降低的容量继续安全操作。在另一方面，耐火保护屏障的省略造成整个dc能量存储系统在仅仅一个模块着火的情况下被摧毁的风险。

22、在本发明的优选实施例中，每个转换器部分包括所述多个模块中的多个模块。

23、每个转换器部分可以包括跨对应的一个或多个模块连接的旁路元件，每个旁路元件可操作以选择性地使流动通过对应的转换器部分的电流转向以旁路对应的一个或多个模块。

24、耐火保护屏障的安装与旁路元件的提供相组合，从而在模块起火的情况下，通过确保火灾没有不利地影响其他转换器部分以及为旁路元件旁路由火灾影响的模块并且从操作中移除它们提供足够的时间，来使能dc能量存储系统以降低的容量继续安全操作。此外，与从操作中移除模块的其他方式相比，在每个转换器部分中提供旁路元件提供了从操作中快速移除模块的方式。

25、多个模块可以布置在预组装的模块装置中。每个预组装的模块装置可包括所述多个模块中的多个模块和局部控制单元，所述局部控制单元被编程以在相同预组装的模块装置中控制模块的开关元件的开关。优选地，每个预组装的模块装置包括至少一个局部电源装置，所述局部电源装置配置成在相同预组装的模块装置中向局部控制单元供应电力。所述或每个局部电源装置可配置成在相同预组装的模块装置中从模块的能量存储装置中的两个或更多个能量存储装置获取电力。每个预组装的模块装置可包括在相同预组装的模块装置中跨模块连接的局部旁路元件，其中局部旁路元件可以可操作以选择性地使流动通过预组装的模块装置的电流转向以旁路对应的模块。局部旁路元件可以是或可以包括局部旁路开关元件，诸如机械开关元件、断开器或电路断路器。

26、在预组装的模块装置中布置模块不仅通过在相同预组装的模块装置中配置模块以共享共同的组件(例如，共同的旁路元件或共同的控制单元)来允许降低组件的总体数量，而且使得设计和安装耐火保护屏障以将多个模块分开到转换器部分中更加直截了当，从而改进dc能量存储系统的故障容限。

27、dc能量存储系统可包括与第一和第二dc端子之间的多个模块串联连接的至少一个电感器。电感器的目的是平滑流到dc能量存储转换器中或流出dc能量存储转换器的电流。

28、dc能量存储系统可以包括：至少一个预插入电阻，所述预插入电阻与第一和第二dc端子之间的多个模块串联连接；以及至少一个短路开关元件，所述短路开关元件可操作以使在第一和第二dc端子之间流动的电流转向以旁路所述或每个预插入电阻。预插入电阻的目的是在能量存储装置首次连接到dc链路时准许它们的逐步充电，并且预插入电阻在能量存储装置被充电后由短路开关元件短路。

29、每个模块的配置可以取决于dc能量存储系统的应用的要求而变化。

30、优选地，在每个模块中，没有中间的dc-dc转换器将所述或每个电池与所述或每个开关元件通过接口连接。

31、每个模块可以包括电容器或可以包括电容器-电感器(l-c)滤波器。

32、每个模块可以包括隔离装置，所述隔离装置可激活以将相同模块的所述或每个开关元件与所述或每个对应的能量存储装电隔离。在这种实施例中，隔离装置可以包括熔断器和/或断开器。

33、所述或每个耐火保护屏障可以是耐爆的。

34、在本发明的实施例中，dc能量存储系统可以包括火灾检测器，所述火灾检测器配置成在dc能量存储转换器中检测火灾的存在。控制器可被编程以响应于由火灾检测器在dc能量存储转换器中进行的火灾的存在的检测，来确定如果从操作中移除一个或多个故障模块，则dc能量存储转换器中健康模块的数量是足以还是不足以继续进行dc能量存储系统的操作。取决于如果从操作中移除所述或每个故障模块，则健康模块的数量被认为足以或不足以继续进行dc能量存储系统的操作，然后控制器被编程以采取一个或多个补救和/或保护动作，诸如操作所述或每个电路中断装置以将dc能量存储转换器与dc链路电分开。

35、可以提供电组合件，包括：根据本发明的实施例中的任一实施例的dc能量存储系统；以及dc链路，其中dc能量存储系统的第一和第二dc端子可以连接到dc链路。

36、本发明的dc能量存储系统中的每个模块可以在配置中变化，其非限制示例阐述如下。

37、在模块的第一示例性配置中，模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量存储装置可布置成可组合以选择性地提供单向电压源。例如，模块可以包括一对开关元件，其采用半桥布置与能量存储装置并联连接以定义2-象限单极模块，所述2-象限单极模块可以提供零或正电压并可以以两个方向传导电流。在模块的第二示例性配置中，模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量存储装置可布置成可组合以选择性地提供双向电压源。例如，模块可以包括两对开关元件，其采用全桥布置与能量存储装置并联连接以定义4-象限双极模块，所述4-象限双极模块可以提供负、零或正电压并可以以两个方向传导电流。

38、多个模块可以串联连接以定义链式链路转换器。链式链路转换器的结构准许经由多个模块的能量存储装置(各自提供其自己的电压)插入到链式链路转换器中而积聚跨链式链路转换器的组合电压，所述组合电压比从它的单独模块中的每个可获得的电压更高。以这种方式，每个模块中的所述或每个开关元件的开关使链式链路转换器提供阶跃可变电压源，所述阶跃可变电压源准许使用逐步近似跨链式链路转换器生成电压波形。因此，链式链路转换器能够提供广泛范围的复杂电压波形。

39、至少一个开关元件可以是基于宽带隙材料的开关元件或基于硅半导体的开关元件。宽带隙材料的示例包括但不限于碳化硅、氮化硼、氮化镓和氮化铝。至少一个开关元件可以包括至少一个自换向的开关装置。所述或每个自换向的开关装置可以是绝缘栅双极晶体管(igbt)、栅关断晶闸管(gto)、场效应晶体管(fet)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、注入增强栅晶体管(iegt)、集成栅换向晶闸管(igct)、双模绝缘栅晶体管(bigt)或任何其他自换向的开关装置。每个开关元件中的开关装置的数量可以取决于那个开关元件所要求的额定电压和电流而变化。至少一个开关元件可以进一步包括与所述或每个开关装置反并联连接的无源电流检查元件。所述或每个无源电流检查元件可包括至少一个无源电流检查装置。所述或每个无源电流检查装置可以是能够限制电流仅以一个方向流动的任何装置，例如二极管。每个无源电流检查元件中的无源电流检查装置的数量可以取决于那个无源电流检查元件所要求的额定电压和电流而变化。

40、每个模块可以包括单个能量存储装置或多个能量存储装置。

41、在本发明的实施例中，dc能量存储系统可以包括控制器，所述控制器被编程以选择性地控制模块的开关元件的开关，以便调节每个能量存储装置的充电电平。

42、每个模块可以包括集成的旁路元件，所述集成的旁路元件可操作以使流动通过dc能量存储转换器的电流转向以旁路相同模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量存储装置。

43、将领会到，本专利说明书中的术语“第一”和“第二”等的使用只是旨在帮助区分类似特征(例如，第一和第二dc端子等)，并且不是旨在指示一个特征优于另一个特征的相对重要性，除非另有指定。

44、在本技术的范围内，明确地打算，在前述段落和权利要求和/或以下描述和附图中阐述的各种方面、实施例、示例和备选方案，并且特别是其单独特征可独立地或以任何组合来采取。即，所有实施例和任何实施例的所有特征可以采用任何方式和/或组合来组合，除非这种特征不相容。申请人保留用来相应地改变任何原始提交的权利要求或提交任何新的权利要求的权利，包括以下权利：修改任何原始提交的权利要求以从属于任何其他权利要求和/或并入任何其他权利要求的任何特征，尽管没有以那种方式原始地要求保护。

45、本技术还公开了一组技术方案，如下：

46、技术方案1.一种dc能量存储系统(20)，包括：

47、第一和第二dc端子(24、26)，用于与dc链路(28)的连接；

48、dc能量存储转换器(22)，包括在所述第一和第二dc端子(24、26)之间串联连接的多个模块(32)，每个模块(32)包括至少一个开关元件(34)和至少一个能量存储装置(36)，每个模块(32)中的所述或每个开关元件(34)和所述或每个能量存储装置(36)可组合以选择性地提供电压源；以及

49、至少一个电路中断装置(44)，所述电路中断装置在所述第一和第二dc端子(24、26)之间与所述dc能量存储转换器(22)串联连接，所述或每个电路中断装置(44)可操作以将所述dc能量存储转换器(22)与所述dc链路(28)电分开。

50、技术方案2.根据技术方案1所述的dc能量存储系统(20)，其中，所述至少一个电路中断装置(44)包括ac电路断路器。

51、技术方案3.根据技术方案2所述的dc能量存储系统(20)，所述dc能量存储系统包括控制器(56)，所述控制器被编程以选择性地控制所述模块(32)的所述开关元件(34)的开关，以调制所述dc能量存储转换器(22)的输出电压来在所述ac电路断路器(44)的打开期间创建一个或多个电流零值。

52、技术方案4.根据技术方案1所述的dc能量存储系统(20)，其中，所述至少一个电路中断装置(44)包括dc电路断路器(44)。

53、技术方案5.根据技术方案4所述的dc能量存储系统(20)，其中，所述dc电路断路器(44)被额定以能够耐受所述dc链路(28)的端子到端子dc电压的部分。

54、技术方案6.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的dc能量存储系统(20)，所述dc能量存储系统包括控制器(56)，所述控制器被编程以选择性地控制所述或每个电路中断装置(44)的操作的定时以将所述dc能量存储转换器(22)与所述dc链路(28)电分开，使得当所述或每个电路中断装置(44)被操作以将所述dc能量存储转换器(22)与所述dc链路(28)电分开时，所述dc能量存储转换器(22)中健康模块(32)的数量足以生成与所述dc链路(28)的端子到端子dc电压相等的所述dc能量存储转换器(22)的输出电压。

55、技术方案7.根据技术方案6所述的dc能量存储系统(20)，其中，所述控制器(56)被编程以选择性地控制所述或每个电路中断装置(44)的操作的定时以将所述dc能量存储转换器(22)与所述dc链路(28)电分开，使得当所述或每个电路中断装置(44)被操作以将所述dc能量存储转换器(22)与所述dc链路(28)电分开时，所述dc能量存储转换器(22)中健康模块(32)的数量比在所述dc能量存储转换器(22)中生成与所述dc链路(28)的端子到端子dc电压相等的所述dc能量存储转换器(22)的输出电压所要求的模块(32)的最小数量至少多一个。

56、技术方案8.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的dc能量存储系统(20)，其中，所述dc能量存储转换器(22)包括跨所述多个模块(32)中的一个或多个模块(32)连接的至少一个旁路元件(34、54)，所述或每个旁路元件(34、54)可操作以选择性地使流动通过所述dc能量存储转换器(22)的电流转向以旁路对应的一个或多个模块(32)。

57、技术方案9.根据技术方案8所述的dc能量存储系统(20)，所述dc能量存储系统包括控制器(56)，所述控制器被编程以选择性地协调将所述dc能量存储转换器(22)与所述dc链路(28)电分开的所述或每个电路中断装置(44)的操作的定时与使流动通过所述dc能量存储转换器(22)的电流转向以旁路所述对应的一个或多个模块(32)的所述或每个旁路元件(34、54)的操作的定时，使得当所述或每个电路中断装置(44)被操作以将所述dc能量存储转换器(22)与所述dc链路(28)电分开时以及在所述或每个旁路元件(34、54)使流动通过所述dc能量存储转换器(22)的电流转向以旁路所述对应的一个或多个模块(32)之前，所述dc能量存储转换器(22)中健康模块(32)的数量足以生成与所述dc链路(28)的端子到端子dc电压相等的所述dc能量存储转换器(22)的输出电压。

58、技术方案10.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的dc能量存储系统(20)，其中，每个dc能量存储装置(36)是电池。

59、技术方案11.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的dc能量存储系统(20)，所述dc能量存储系统进一步包括至少一个耐火保护屏障(50)，所述耐火保护屏障布置成将所述多个模块(32)分开到转换器部分(52)中，每个转换器部分(52)包括所述多个模块(32)中的至少一个模块(32)。

60、技术方案12.根据技术方案11所述的dc能量存储系统(20)，其中，每个转换器部分(52)包括跨所述对应的一个或多个模块(32)连接的旁路元件(46、54)，每个旁路元件(46、54)可操作以选择性地使流动通过对应的转换器部分(52)的电流转向以旁路所述对应的一个或多个模块(32)。

61、技术方案13.根据前述技术方案中的任一技术方案所述的dc能量存储系统(20)，其中，所述多个模块(32)布置在预组装的模块装置(58)中，每个预组装的模块装置(58)包括所述多个模块(32)中的多个模块(32)和局部控制单元(60)，所述局部控制单元被编程以在相同预组装的模块装置(58)中控制所述模块(32)的所述开关元件(34)的所述开关。

62、技术方案14.根据技术方案13所述的dc能量存储系统(20)，其中，每个预组装的模块装置(58)包括至少一个局部电源装置(62)，所述局部电源装置配置成在所述相同预组装的模块装置(58)中向所述局部控制单元(60)供应电力，并且所述或每个局部电源装置(62)配置成在所述相同预组装的模块装置(58)中从所述模块(32)的所述能量存储装置(36)中的两个或更多个能量存储装置获取电力。

63、技术方案15.一种电组合件，包括：根据前述技术方案中的任一技术方案所述的dc能量存储系统(20)；以及dc链路(28)，其中所述dc能量存储系统(20)的所述第一和第二dc端子(24、26)连接到所述dc链路(28)。