包含一个直流链路的能量存储模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包含一个直流链路的能量存储模块，以及一种方法，用于控制这种能量存储模块。
【背景技术】
[0002]需要运行一个电网的能量由许多种不同类型的发电厂提供。在本文中，大多数的发电厂，例如核电站，燃煤发电厂，燃气发电厂，风力发电厂，沼气发电厂或太阳能发电厂仅仅是能源生产者，它们把能源送入非本地(或外部)的电网。非本地电网是，例如，运行于德国的传输网，例如为Ampr1n, 50Hertz, Tennet及TransnetEnBW。这些传输网是欧洲互连网络的一部分。作为纯能源生产商，上述的发电厂不能吸收来自电网的剩余能量并把它存储，如果需要的话。与此相反，能量存储系统，可用于吸收能量并将之存储于电网。能量存储系统的例子为集中的能量存储系统，例如抽水蓄能电厂，或分散的能量存储系统，例如电池或飞轮能量存储系统。抽水蓄能电厂构成了主要的气象独立的能量存储系统，以便通常来说，它们总是可用的。集中的能量存储系统通常具有大容量的规格。为了向非本地电网提供运行储备，集中的能量存储系统，由于其可用的输出，是适合在非本地电网用于这样的目的的。抽水蓄能电厂可具有几百MW的输出，或者更多，这取决于它们的规模，虽然发电机通常用于在满载下发电，并因而可瞬时利用抽水蓄能电厂带有一对应效率水平的完全输出。此运行模式并未使它自身借出，用于稳定或改善电网中的本地网络质量，其中电网中具有的电力需求与抽水蓄能电厂能力相比，是微不足道的。
[0003]集中使用的电池存储系统当前正在建造中，并具有执行一引导操作的目的，用于网络稳定化(非地域性)任务(运行储备)。然而，被计划到现在的系统，没有实现任何区域性的目标。然而，从根本上说，电池存储系统，由于在输出，容量和老化之间它们固有的内在关系，不适合于这种包含每天多个负载周期的应用，并且它们由于温度影响，系统故障和错误操作而快速降级。为此，电池存储系统是具有非常高的维护费用的。此外，由于它们的高火灾和化学风险，电池存储系统对环境和/或水产生危险，因而需要广阔的安全防护资源。
[0004]分散的能量存储系统通常对本地电力需求的稳定进行优化，并且它们并不配置或限制提供运行储备，以支撑非本地电网。这些系统不能为满足所有电网的需要作出贡献。直到现在，分散的存储系统没有被互相连通，以形成一个局部或非局部的系统。
[0005]专利号为7，400，052B1的美国专利公开了一种负载暂态能量系统，一般情况下该系统仅通过网络中的中间直流总线充电作为主电源。如果主电源无法供电，那么负载会暂时通过同样连接于直流总线的暂态电源补充电能。在这种背景下，该暂态电源包括两个分离的瞬变电源，在网络故障时间为1秒内的情况下提供一个飞轮能量存储系统作为快捷的暂态电源，同时提供一个带有储气层的燃气轮机作为第二暂态电源以应对更长时间的网络故障。这里，在网络故障情况下，在第一次短暂的时间间隔中，完全是飞轮能量存储系统为直流总线供应电能，然而在接下来的第二次时间间隔中飞轮能量存储系统和燃气发电机站一起为直流总线供电，在接下来的第三次时间间隔中只有燃机发电机站为直流总线供电，而飞轮能量存储系统从直流总线中充电。因此，燃气发电机站也承担了为飞轮能量存储系统供电的任务一一而一般情况下是通过电网为飞轮能量存储系统供电的一一而电网在瞬态运行中并不可用。为了使这些储能装置可靠地完成他们的任务，这些装置必须被配以瞬态集合体，这样他们就可以在第一和第二时间间隔期间应付网络故障。在网络故障持续的时间更长的情况下，燃气发电机站作为能量来源自身能够完成暂态电能供应的任务，因而燃气发电机站必须被设计得足够大，而这又复杂化和限制了分散式储能单元的机动性，因而使它们的运行更困难。在这种情况下，供应商，也就是飞轮能量存储系统和燃气发电机站只在网络故障的情况下为直流总线充电，并且在编号为7，400，052B1的美国专利中，这并没有被用于在电网可用的情况下提供运行储备以支持外部电网。此外，飞轮能量存储系统的运行集合体并不是从直流总线中充电，因而它们需要一个独立电能供应。
[0006]由于这些原因，需要一种有效的，环境友好的，能失效保护和易于运行的能量存储系统。并且该系统有一个大的容量，根据需求，能为所连接的外部电网输入电能或从外部电网中获取电能，并且在网络故障情况下仍能为运行做好准备。
【发明内容】
[0007]在上述背景下，本发明目标在于提供一种有效的，环境友好的，能失效保护和易于运行的能量存储系统。该系统有一个大的容量，根据需求，能为所连接的外部电网输入电能或从外部电网中获取电能，并且在网络故障情况下仍能为运行做好准备。
[0008]为实现该目标，本发明提供了一种用于电能可逆存储的能量储存模块，包括几个通过一个共享的直流链路并联的飞轮电能储存单元；包括一与直流链路连接的第一调节系统，所述第一调节系统在正常运转期间将直流链路连接到一个或多个外部电网，包括一个有输入端和输出端的第二调节系统，所述输入端至少与直流链路连接，所述输出端与一内部电网连接，用于为运转飞轮能量储存单元所需的一个或多个电力驱动运行集合体供电，；至少在外部电网不存在时的紧急运转期间，所述第二调节系统用于连接直流链路至内部电网，并且至少在第一次间隔期间，为电网供应来自直流电路的必要的电力，以保证飞轮储能单元的持续运转。
[0009]通过使用飞轮能量存储单元，能量被以机械旋转能的形式储存。这种形式的能量存储并不需要化学和/或火力危险材料，因此这种存储系统并不对环境和/或水构成危险。得益于单个飞轮能量存储单元与直流链路的并联，联合单个飞轮能量存储单元的每个单元的容量和每个单元的输出以创造一个共享的能量存储容量和能量存储模块的模块输出所需的技术耗费微乎其微。此外，原则上，任何期望数量的飞轮能量存储单元能并联直流链路，进而使模块容量和模块输出能被用于所需，并且原则上能使之根据能量存储模块所期望的按比例缩放。这就提供了一种大容量的能量存储模块，该大容量的存储模块不仅改善了局部电源和电流网(比如，交流电网)的局部网络质量，而且实现了非局部电源和电流网(比如，交流电网)的供电可靠性。
[0010]当只有一个大型网络变流器作为第一调节系统时，损耗比几个小型网络变流器被使用时要少些，比如当所有的飞轮能量存储单元被分别连接到拥有各自的网络变流器的电网中时。此外，只用一个大型网络变流器比使用多个小型网络变流器要划算。本发明所述的能量存储模块能被用作能量存储系统，且能很经济地达到前面两个效果。由于模块存储容量和模块输出供应能通过合适地选择连接于直流链路的飞轮能量存储单元的数量来适应特殊要求，能量存储模块能非常有效率地运行，进而能避免出现未使用的过剩产能。更进一步的，很容易将直流链路调节到一个目标直流电压，从而简化了能量存储模块的整体调节过程。此外，飞轮能量存储单元的并联排列转化了误差冗余，由此阻止了单个飞轮能量存储单元故障对能量存储模块在其所连接的外部电网(如，交流电网)内规则和系统任务中的可用性造成实质性损害。这增加了能量存储模块的安全性。这种情况下，目标直流电压取决于所连接的外部电网和能量存储模块中所使用的组件。
[0011]当装置连接到低压网中时，直流链路中一个具有技术上的意义的电压范围是，比如，550V — 1000V。其下限基本上由低压网的电压条件来定义，而其上限基本上由能量储存模块中所使用组件的技术特性来决定。在中压网或直流链路中，由于技术和财务方面的原因，直流链路中的目标直流电压也可能基于这些网络电压条件存在不同值。在一个实施例中，直流链路中的目标直流电压是750V±5V。直流链路中直流电压的瞬时值可以通过第一调节系统的适当配置来确定，也可以通过直流链路中合适的测量装置来确定，和/或通过飞轮能量存储单元中的电机控制装置来确定，并且这些值能够接下来作为调节的基础。在此过程中，直流链路中的直流电压唯一由飞轮能量存储单元来支持，而当外部电网可用(能量存储模块的正常运转)时，直流电压也可以通过连接外部电网的第一调节系统来支持。直流链路中没有连接不同类型的附加电源。在正常运转期间，没有其它电源接收器连接到直流链路。在网络故障的情况下，甚至在持久的网络故障持续的情况下，比如几个小时或者更长时间，直流链路中的直流电压只由飞轮能量存储单元来支持。这种运行状态被称为紧急运转。
[0012]术语“飞轮能量存储单元”在此表示一种功能单元，包括一个飞轮整体的转子，能量通过转子的旋转以机械旋转能的形式存储起来；包括运行集合体，比如用于给转子加速、减速和使之以给定的转速旋转的承座部件和电机部件；包括一个将电能转换成机械能的电磁变换器，反之依然，同时还包括其它运行集合体的连接件，例如真空系统或者通过内部电网供电的内部电源。根据负载状态，飞轮能量存储单元的转子甚至能以50000rpm(每分钟50000转)的转速旋转。典型的转速范围为15000rpm至最大转速之间。单个飞轮能量存储单元的单位容量和单位输出量取决于运转条件，比如转子的转速和电磁变换器的配置。例如，单位容量可以为大约5kWh，最大单位输出量可以达到200kW。以旋转能形式存储的能量是可逆的，如果必要的话，以作为旋转能储存的能量可以再一次从飞轮能量存储单元中获取并作为电能通过直流链路和调节系统送到外部电网中，反之亦然。飞轮能量存储系统所具有的一些方面的优势在于，它们为消费者提供的能量能以一种很灵活和精确的方式获取或释放，并且它们也能以机械能的形式存储这些能量。因此，在遭遇火灾的情况下，飞轮能量存储系统比，例如，互相连接成为一个电池能量存储系统的大的电池阵列或者含有装有可燃氢的氢罐或装有压缩气体的罐子的氢气存储装置，所构成的潜在风险要小的多。因此，与其它存储技术相比，飞轮能量存储单元构成了一种环保且更安全的能量提供方面的技术，并且飞轮能量存储单元非常适合于每日任何期望数量的负载循环。说到能量或电能的提供，现将负能量供应(能量流)或负电能供应(功率流)表述为En，此时能量或电能被从外部电网和/或直流链路中获取并随后以机械旋转能的形式存储在飞轮能量存储单元中。相应的，将正向的能量供应(能量流)或正向的电能供应(功率流)表述为Ep，此时通过降低飞轮(或转子)转速而从飞轮能量存储单元中获取的以机械旋转能形式存储的能量或电能被作为能量或电能送入到外部电网和/或者直流链路中。在这种背景下，飞轮能量存储系统在几毫秒的时间内使能量变成可用的能力是一个有利的方面，同样，它们在几分钟或更长时间内内输送指定电能的能力也是一个有利的方面。在某个转速如50000rpm下，根据配置，可用获取或释放达200KW的输出。在一个实施例中，飞轮模块中飞轮能量存储单元数量适合于为能量存储模块提供一个模块存储容量，该能量存储模块至少在超过30秒的时间内足以将额定电流送入到非局部电网中。
[0013]为了能量存储模块尤其是飞轮能量存储单元的运转，此模块包括多个运行集合体，例如一个飞轮电机，一个逆变器，一个带有真空栗的真空系统，一个带有冷却集合体的冷却系统，一个模块控制单元以及其它各种各样靠电力运转的组件和传感器。所有这些运行集合体必须被供应电能以保证无故障正常运转。例如，冷却系统出现故障会引起飞轮能量存储单元尤其是其转子的轴承过热的情况。由于这些转子必须在真空中，例如低于10 3bar的情况下运转以保持磨损在正常运行期间尽可能地小，真空系统的故障就会导致更高的能量损耗，而能量存储模块中的摩擦热会自动引起温度升高。不再由外部电网供电的运行集合体的内部电网同样会在短时间内崩溃，进而导致运行集合体无法运转，对能量存储模块产生相应的负面影响。
[0014]但是，由于在外部电网的发生这些故障的情况下，通常能量存储模块仍然有数量可观的能量存储其中，一般为50%的平均电荷水平，并且由于这些能量能根据需求在较长的时间内被释放到直流链路中，飞轮能量存储系统能作为内部紧急电源通过直流链路为运行集合体供电，而不需要额外的、复杂的、需要额外保养且必须安装在能量存储模块然后被监控和维护的紧急电源单元。由于直流链路通过第二调节系统与内部电网连接一随后运行集合体(单个飞轮能量存储单元的运行集合体和和能量存储模块的运行集合体以允许飞轮存储单元)连接至内部电网一飞轮能量存储单元中出现的