具有集成电池储存器的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种电池储存器和包括电池储存器的风力涡轮机，以及一种控制通过电池单元的电流路径的方法，该电池储存器包括多个单独可控的电池单元。

背景技术

风力涡轮机产生的电量随时间推移随着风速而变化。这种变化与连接至风力涡轮机的网格(grid)的功耗无关。因此，已经描述了可连接至单独风力涡轮机或风电场的各种能量储存系统。这些系统的目的之一是在风力涡轮机发电时以及当来自网格的消耗很低时储存能量，此外，它还可以在风力涡轮机不发电但来自网格的消耗很高时向网格输送电力。

WO2015102398是公开风力涡轮机的电池储存器的许多现有技术文件之一。此处的电池储存器连接至机器侧和网格侧转换器之间的DC链路。

CN202011766是公开经由双向逆变器连接至能量储存器的多个风力涡轮机的许多现有技术文件之一。

基于表示与来自一个或多个风力涡轮机的能量储存有关的现有技术的上述现有技术文件，现有技术公开了直接连接至背靠背转换器中的DC链路或经由逆变器连接至风力涡轮机的输出的传统可再充电电池的使用。

发明内容

本发明建议将新型的智能可控能量储存器集成到风力涡轮机中，该新型智能可控能量储存器可以连接至转换器的DC链路或风力涡轮机的转换器的输出。

该方法涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：转子，该转子有助于旋转发电机的转子，由此生成电流。电流路径，其配置用于经由功率转换器将电流传导至电网。一种电连接至电流路径的电池储存器，该电池储存器包括多个电池单元，每个电池单元包括至少一个电池元件和至少两个半导体开关。其中，控制器被配置用于通过控制多个电池单元的至少两个半导体开关的状态以及由此通过电池储存器的电流路径是否旁通多个电池单元中的一个或多个电池单元的至少一个电池元件，或者是否穿过多个电池单元中的一个或多个电池单元的至少一个电池元件，来控制电池储存器上的电压。

将电池储存器连接至电流路径的优点在于，它使得电池储存器能够储存在电流路径中流动的电流的至少一部分或取决于电池上的电压将电流输送到电流路径。

通过电池储存器的电流路径被理解为允许电流流动的电路径。电流路径开始于电池储存器和电流路径之间的连接点处或串联电池单元中的第一电池单元处，并在再次返回电流路径之前终止于串联电池单元中的最后一个电池单元处。应该提到的是，多个串联连接的电池单元可以被电连接，因此在此类实施例中，电流路径可以说也返回并通过串联连接的电池单元的并行列中的电池单元向上返回。

取决于开关的状态，电流路径可以包括或排除电池储存器的单独电池单元的电池元件，并且由此包括或排除电池储存器上的电压。控制器选择性地控制特定电池单元是否被包括或从电流路径旁通。因此，在一个时间点上，电池单元可以被包括在电流路径中，并且在第二时间点上，该电池单元可以被旁通而不是作为电流的一部分，并且在第三时间点上，该电池单元可以被再次包括在电流路径中，依时间流逝等等。控制器可以基于来自电池储存器所连接的电流路径的电压或电流要求、电池单元之间的负载分配、充电状态、健康状态、温度等来控制开关的状态。该电压还确定电流是否从电流路径流向电池储存器或从电池储存器流向电流路径。

控制电池储存器上的电压的优点在于，其具有以下效果：可以控制去往和来自电池储存器的电流，并且由此电池储存器是充电的(保存能量)还是放电(输送能量)。

电池储存器的优点在于，其具有可以连接至电流路径的AC电压或DC电压二者的效果。

半导体开关的状态应被理解为其中开关闭合以允许电流流过开关的导通模式，或者是开关断开以防止电流流过开关的非导通模式。

优选地，控制器正在控制多个电池单元的半导体开关的状态。这是有利的，因为其具有以下效果：通过电池储存器的电流路径可以取决于电池上的电压(基于基准电流确定)、开关的状态、电池单元的状态、电池的所需电压(DC或AC及其电压水平，例如24V、230V、400V等)等改变。因此，控制状态包括选择性地控制一系列激活(穿过电流路径)和停用(旁通电池单元)电池单元。由此有可能建立在给定时间(例如实时需求)所需的电压，而不仅仅是预定电压，并且这来自电池储存器的电池单元的非预定配置。

根据本发明的实施例，控制器选择性地控制开关，并且由此控制电流路径。这是有利的，因为在旁通一个电池单元之后，可以在需要时再次将其穿过电流路径。

根据本发明的实施例，多个电池单元中的每个电池单元的至少两个半导体开关被安装在印刷电路板上，其中，印刷电路板是控制器和至少两个半导体开关之间的控制信号路径的一部分，以及其中，印刷电路板是通过电池单元的电流路径的一部分。

将半导体开关安装在PCB(PCB；印刷电路板)上的优点在于，降低了批量生产的复杂性，并且有助于电池储存器的大小的轻松缩放。

构建包括安装PCB的开关的多个电池单元的电池储存器的不利之处在于，减小了开关的大小(就通过单个开关的可能负载电流而言)。与使用未安装PCB的较大大小的开关的实施例相比，这将导致电池单元数量的增加。另一方面，较小大小的开关更便宜，这与降低的电池单元批量生产成本以及电池储存器设计中增加的灵活性一起，弥补了电池单元数量的增加。

作为安装在PCB上的替代方法，可以将开关安装在母线或叠层母线上。

根据本发明的实施例，控制信号路径和电流路径是电气隔离的。能够将取决于开关状态发生的开关上的高电压变化(例如，±1000V)与控制开关状态的控制信号分开是有利的。这具有高压不会干扰控制信号的效果。

优选地，借助于在开关和控制器之间的控制信号路径处的某处的光学数据通信、变压器等来促进电气隔离。优选地，在控制器端处或在控制信号路径和PCB的接口处。

根据本发明的实施例，转换器包括经由直流链路连接的发电机侧转换器和网格侧转换器。如果转换器不是背靠背式转换器，则电池储存器将连接至转换器和网格之间的电流路径。

根据本发明的实施例，电池储存器连接至网格侧转换器与电网之间的电流路径。如果转换器是满量程转换器，则这特别具有优势，因为它易于翻新并有助于减少流向网格的谐波电流。

在没有AC/DC转换器的情况下将电池储存器连接至AC电压的积极结果令发明人感到惊讶，因为事实证明，由于变化的AC电压脉冲至少每秒钟且通常每毫秒变化一次，因此不会出现电池单元的电池元件劣化的情况。

根据本发明的实施例，电池储存器在发电机侧转换器和网格侧转换器之间的DC链路处连接至电流路径。如果转换器是满量程的并且特别是如果转换器用于包括DFIG发电机的风力涡轮机，则这是有利的，因为该解决方案比在转换器之后安装的解决方案便宜。

根据本发明的实施例，电池储存器经由DC/DC转换器连接至直流链路的正轨和负轨。这是有利的，因为可以保持DC链路电压更加稳定和受控，如果应该为现有的转换器改装电池储存器，则这是有利的。

根据本发明的实施例，控制器被配置用于控制多个电池单元中的至少两个半导体开关的状态，由此调节电池储存器上的电压，其中，基于由控制器建立的基准电流与提供给控制器的测量电流之间的差来调节电压，其中，测量电流表示在电流路径与电池储存器的一列串联连接的电池单元的第一电池单元之间的电流路径中传导的电流。

这是有利的，因为其具有如下效果，可以控制去往和来自电池储存器的电流。因此，如果电池储存器的基准电压以及由此电池储存器上的电压低于电流路径的电压，则电流将流到电池储存器并对电池元件充电。如果电池储存器的基准电压(以及由此电池储存器上的电压)高于基准电压，则电流将例如从电池储存器流到风力涡轮机的网格或电力消耗活动，诸如风力涡轮机的启动(电池元件已放电)。如果电池储存器的基准电压(由此电池储存器上的电压)等于电流路径的电压，则系统中不会建立任何电流，并且电池储存器中状态队列(que)被保持。应当提及的是，电流路径的电压是在电池储存器连接到的电流路径处的电压。

基准电流优选地由控制器从自外部控制器接收的功率基准中得出。然而，基准电流也可以由控制器从外部控制器接收。

在三相系统中，优选将一列串联连接的电池单元连接至每个相。因此，可以通过在这三列中的任何一列中的电流路径和第一电池单元之间的简单测量来找到测量电流。实时测量电流反映了电流路径的实时状态，即是否正在对电池储存器进行放电或充电。

优选地，在电池储存器与附接到电流路径的位置之间测量电流。电流传感器可以是有助于测量DC和/或AC电流的传统电流传感器。可以从可以在电流路径处测量的电压和功率的知识中得出测量电流。

根据本发明的实施例，外部控制器有助于取决于公用网格的状态或从风力涡轮机输送至公用网格的要求来建立基准电流。

优选地，外部控制器向控制器提供基准电流。这是有利的，因为其具有以下效果，风力涡轮机的操作可以更灵活地操作并且符合来自公用网格的更广泛的要求。此类要求可以包括输送确定量的功率，保留一定量的功率以待命，在网格掉电/故障期间储存产生的功率。

根据本发明的实施例，电池储存器包括多列电池单元，其中每列电池单元的半导体开关由单独控制器控制，并且其中主控制器有助于对单独控制器中每个控制器的控制。

因此，优选地，电池单元的每一列都由控制器控制，相应地，在例如三列电池单元的情况下，可使用三个控制器，每列一个控制器。然后可以使用主控制器来协调这些控制器中的每一个控制器之间的控制。这是有利的，因为其具有以下效果，如果控制器没有足够的支脚以能够连接并由此控制开关，则可以使用更多的控制器。此外，其具有如下效果，如果控制第一列(即相)的控制器发生故障，其余列可以继续操作。此外，其具有如下效果，如果将每个相(即，列)安装在单独的面板中，则可以在每个面板中使用一个控制器，由此可以避免长导线连接。

根据本发明的实施例，电池单元包括1个和20个之间的电池元件，优选地5个和18个之间的电池元件，最优选地7个或17个电池元件。电池元件的数量基于电池储存器的所需容量、系统的操作参数等来确定。优选地，电池单元的电池元件串联连接。

根据本发明的实施例，电池储存器包括针对连接至电池储存器的每一相的一列串联连接的电池单元，其中每列中的至少一个电池单元连接至相邻列中的至少一个电池单元。仅具有一列串联连接的电池单元的优点在于其具有以下效果，电池储存器更便宜。

根据本发明的实施例，电池单元中的每个电池单元包括四个半导体开关和至少一个电池元件。电池单元的该配置的优点在于，其具有以下效果，包括开关10a和10b的一个开关对在AC电压信号周期的前半段中控制去往和来自电池元件的电流，并且包括开关10c和10d的第二开关对在AC电压信号周期的后半段中控制去往和来自电池元件的电流。

四个开关优选地配置在H桥中，电池元件位于中间。电池单元的该配置的优点在于，可以改变在电池储存器到电流路径的连接点中的电流的极性。因此，当电池储存器连接至电流路径的AC部分时，H桥配置是特别有利的。

根据本发明的实施例，电池储存器经由第一UPS开关和第二UPS开关连接至风力涡轮机。

根据本发明的实施例，UPS控制器被配置为用于控制第一UPS开关和第二UPS开关，以便在网格故障的情况下向负载提供AC电压，其中，AC电压由电池储存器的电池单元串生成，其中，电池单元串中的每一个由控制器控制。

根据本发明的实施例，控制器或电池储存器控制器被配置用于通过PCB旁路开关的控制来旁通控制电池单元的开关。

根据本发明的实施例，PCB旁路开关被实现在PCB上。

根据本发明的实施例，控制器被配置用于控制电池储存器的开关，以便此时仅允许对一个电池单元进行充电。

此外，本发明涉及一种控制去往和来自电连接至能量发生器的转换器的电池储存器的电流的方法。能量发生器正在生成电流，该电流经由通过功率转换器的电流路径传导至电网。电池储存器电连接至电流路径。电池储存器包括多个电池单元，每个电池单元包括至少一个电池元件和至少两个半导体开关。其中，控制器通过控制至少两个半导体开关中每个开关的状态来控制电池储存器上的电压，并且由此控制通过多个电池单元的电流路径。

这是有利的，因为其具有以下效果，可以在电池储存器的串联电池元件上生成所需电压，并且由此获得对去往和来自电池储存器的电流的控制。

根据实施例，控制器在电流路径中的所需电流的电流基准与电流路径中的测量电流之间建立电流误差。其中，控制器基于电流误差建立基准电压，以及其中，控制器通过建立用于控制半导体开关的状态以及由此通过一个或多个电池元件的电流路径的多个门信号，来建立电池储存器上的电压。

上述风力涡轮机和控制去往和来自能量发生器的电池储存器的电流的方法优于传统拓扑/技术，因为它更便宜，并且由此获得风力涡轮机所有者/运营商/制造商的资本支出的降低。此外，由于当前的电池储存器易于更换和安装(例如，翻新)，因此降低了操作费用(运营支出)。此外，与传统技术相比，风力涡轮机的操作可靠性提高，因为可以旁通损坏的电池元件，这不会影响风力涡轮机的操作。

电流基准可以在外部控制器中被建立并且被提供给控制器，或者例如基于功率基准在实际控制器中被建立。优选地，基准电流是由网格运营商确定的电流路径中的所需电流。

优选地，借助于诸如比例谐振或比例积分微分控制器的闭环控制器来建立基准电压。

根据本发明的实施例，至少部分地基于电池元件的充电状态来建立电压基准。

其优点在于，具有以下效果，电池元件中每个电池元件的充电状态可以保持基本上相同。另外，可以至少部分地根据开关或电池元件的健康状态来至少部分地控制基准电压并由此控制开关的状态。这是有利的，因为其具有以下效果，开关和电池元件的剩余寿命可以或多或少地相同，并且特别是电池元件的负载可以根据所需模式分布。优选地，开关安装在印刷电路板上。

根据本发明的实施例，能量发生器是风力涡轮机或太阳能系统。

此外，本发明涉及一种电连接至包括能量发生器和负载的能量系统的电流路径的电池储存器，该电池储存器包括多个电池单元，每个电池单元包括至少一个电池元件以及至少两个半导体开关，其中，控制器被配置用于通过控制多个电池单元的至少两个半导体开关的状态以及由此通过电池储存器的电流路径是否选择性旁通多个电池单元中的一个或多个电池单元的至少一个电池元件，或者是否穿过多个电池单元中的一个或多个电池单元的至少一个电池元件，来控制电池储存器上的电压。

能量发生器优选地是风力涡轮机或太阳能系统，但是也可以是连接至公用网格的所谓的黑色能量发生器，并且电流路径优选地启动发电机并终止于负载处。因此，本发明的电池储存器可以连接在生成能量和使用能量之间的任何地方。

根据本发明的实施例，电池储存器包括权利要求2至19中的一项或多项的特征。

根据本发明的实施例，电池储存器经由第一UPS开关和第二UPS开关连接至电流路径。

根据本发明的实施例，UPS控制器被配置用于控制第一UPS开关和第二UPS开关，以便在网格故障的情况下向负载提供AC电压。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在结合附图和详细描述参考以下简要描述，其中相似的附图标记表示相似的部分：

图1示出电池储存器相对于转换器的两个位置，

图2示出根据本发明的实施例的电池储存器的一部分，

图3示出根据本发明的实施例的电池储存器的控制原理，

图4a至图4c示出背对背转换器中安装在DC链路中的电池储存器，

图5a至图5c示出根据本发明的实施例的安装在转换器和网格之间的电池储存器，

图6a至图6c示出用作成列UPS的电池储存器，以及

图7示出容错配电盘。

具体实施方式

图1示出与本发明相关的风力涡轮机1的元件。风力涡轮机1包括转子2，该转子2经由轴连接至发电机3的转子。因此，当发电机的转子旋转时，发电机在其输出处生成电流。发电机3的输出连接至电流路径5的第一端，该电流路径5的第二端连接至公用网格4。在发电机3和公用网格4之间，转换器位于电流路径5中。转换器6包括发电机侧转换器6a，该发电机侧转换器6a经由直流(DC)链路连接至网格侧转换器6b。

电池储存器7可以用于所有类型的能源系统，包括风力涡轮机转换器，该风力涡轮机转换器包括DFIG(DFIG：双馈感应发电机)转换器、全功率2级背对背、全功率3级背对背、MMC(MMC；M模块化多电平转换器)等。电池储存器7可以位于转换器6和网格4之间(实际上，它可以连接在直流链路中)，或者可以位于转换器和包括DFIG配置的定子路径的变压器之间(实际上，它可以放置在任何AC或DC电力线上)。此外，电池储存器7可用于包括感应发电机、永磁同步发电机、双馈感应发电机、同步发电机等的所有类型的风力发电机。此外，电池储存器7可以在风力涡轮机或其它可再生能量生成系统的外部使用。

此外，图1示出连接至电流路径5的两个电池储存器7。应该提到的是，通常只有一个电池储存器7将连接至电流路径5，因此图1上的图示仅用于示出优选地在电流路径5处电池储存器7可以连接的位置。这样，可以连接两个或更多个并联的电池储存器，以有助于同时充电和放电。

图2示出包括电池储存器7的最小元件的电池储存器7的设计原理。电池储存器7由多个电池单元8构成。电池单元8中的每个电池单元包括至少两个半导体开关10a、10b和至少一个电池元件9。半导体开关10的状态由控制器12控制，并且由此，控制器12控制通过(优选地)电池储存器7的电池单元8中的每个电池单元的电流路径13。应当指出的是，即使旁通了电池元件9，电流路径13也被认为是穿过电池单元8。

电流路径13通过电池储存器7的方式由半导体开关10的状态确定，并因此由控制器12控制。半导体开关10的状态基于电池元件/单元8、9的可用性、电池元件/单元8、9的健康状态、电池元件单元8、9的充电状态、可用的充电电压、横跨/来自电池储存器7的所需/要求电压、开关的健康/磨损等来确定。从开关的一种状态到另一种状态的改变之间的停滞时间优选地在10纳秒和1微秒之间可调，通常该值是几百纳秒。

电池元件9的可用性可以指有缺陷的电池元件，在该情况下，电池单元8将不可用。电池元件9的健康状态可以指特定电池元件9已被充电/放电的次数。数量越高，越接近电池元件9的使用寿命的结束，因此，控制器12可以跟踪该数量并激活电池单元8，尝试使该数量对于电池储存器7的所有电池元件9大致保持相同。同样，开关的健康也可以基于已经开关的次数进行估计。用于确定开关10的状态的最重要的参数是如上所述的电池储存器7上的电压，其确定可以相对于下面的图3来描述。

图2中所示的电池储存器7包括第一电池单元8a和第二电池单元8b，每个电池单元包括多个电池元件9a，...，9n。由于开关10a的非导通状态和开关10b的导通状态，第一电池单元8a的电池元件9a-9n被旁通。由于开关10a的导通状态和开关10b的非导通模式，第二电池单元8b的电池元件9a-9n被包括在电流路径13中。

如上所述，开关10的状态由控制器12经由控制信号路径14与开关10进行通信来控制。控制器12优选地还连接至外部控制器16，该外部控制器16可以实现为风力涡轮机控制器或风电场控制器。结合图3更详细地描述控制器12。此外，如图所示，控制器12还优选地接收来自在电流路径13中实现的电流传感器17的输入。

电流路径13需要与控制信号路径14电气隔离，以便不干扰开关10的状态控制。在图2上，控制器12处示出了电气隔离15，但这仅作为示例，并且它也可以在电池储存器7处、在电池单元8处或在其上安装开关10的印刷电路板11(如果有的话)处。可以通过光数据通信、光电数据通信，借助于变压器来建立电气隔离。应该提到的是，图2示出串联连接的电池单元8的示例，其将被称为串。电池储存器7可以包括更多的串，并且在该情况下，优选地，每个串具有其自己的控制器12。在该情况下，这些串控制器12可以与电池储存器控制器(未示出)通信，该电池储存器控制器可以再次与外部控制器16通信。

电池储存器7的电池单元8的数量可以在1到25或甚至更多之间变化，通常，电池单元8在电池储存器7中成列串联连接，其中每列通常包括5个和20个之间的电池单元8。电池单元8的数量以及由此电池元件9的数量由电池储存器7上的所需电压确定，该所需电压优选地高于网格4的峰值电压。电池储存器7的储存容量由使用电池储存器的应用来确定。此外，电池单元的电池元件的数量可以变化，因为电池单元8在电池储存器7内不必相同，并且甚至在串内也不必相同。只要用各个PCB开关板11后面的信息更新串控制器12/电池储存器控制器即可。

优选地，开关优选地是IGBT(IGBT；绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(MOSFET；金属氧化物半导体场效应晶体管)型、GaN晶体管(Gan；氮化镓)或SiC晶体管(SiC；碳化硅)的半导体开关10，但是也可以使用其它类型的开关。

优选地，选择商用开关10是因为它们经过了良好的测试并且价格低廉。商用开关通常不设计用于在高电压(例如，高于1000V)和高电流(例如，高于500A)下操作，因此与使用针对更高的电压和电流设计的开关的设计相比，该类型的开关的数量更多。然而，增加的数量由商用开关的较低价格所抵消。用于本发明的优选类型的开关10被设计为100A的电流和50V的电压。在优选类型的开关的较高电压下，半导体开关10的导通电阻增加，并且由此开关10中的功耗增加。

优选地，对电池元件9的参考是对串联连接的多个电池元件的参考。电池元件的数量可以在串联连接的电池元件9的一列中在2个和25个或者甚至更多之间变化。通常列介于10个和20个串联连接的电池元件9之间。一列中的电池元件9的数量取决于电池储存器7的需求，以及根据少数几个单元9之间的折衷方案，导致降低的价格和降低的功耗，而许多单元9则可以降低谐波电流贡献，并且由于增加了控制的冗余性/灵活性，从而导致了更可靠的系统。

电池元件9优选地是锂离子类型的，因为该电池类型的特性符合电池储存器7和风力涡轮机的环境的要求。话虽如此，也可以使用其它电池类型。例如，一个电池元件9可以是3.2V的元件，当与例如14个类似元件9连接时，该元件导致一个电池单元8内的48V电池组。因此，在该示例中，电池单元8包括一个48V电池，该48V电池可以由电池单元8的开关10控制。电池元件9的容量优选在10Ah和200Ah或甚至更高之间，但是如上所述，这是基于对电池储存器7的要求和系统价格的设计选择。特别是在开关10安装在PCB上的优选实施例中，最大电流被确定为通过PCB的电流路径所允许的最大电流和最大电池电流中的较低者。在半导体10未安装在PCB上的情况下，电流限制因素是转换器的电流限制。

图3示出本发明的实施例，其中电池储存器7被用作AC系统中的能量储存器。该实施例示出根据本发明的实施例的控制器12以及如何控制电池储存器7上的电压。在优选实施例中，控制器12包括控制模块12a、调制器模块12b和减法节点12c。另外，控制器12还可以包括电流基准发生器12d，该电流基准发生器12d仅在控制器12本身需要建立基准电流Iref(即在电流路径5和电池储存器7之间的电流路径13中所需的电流)的情况下才有意义。

优选地，诸如风力涡轮机控制器的外部控制器16向控制器12提供功率基准，诸如有功和/或无功功率基准，或者可选地，基准电流Iref。在该情况下，电流基准发生器12d基于从外部控制器16接收的信息从中建立基准电流Iref。如果存在多个串，如所提及的，则外部控制器16与未示出的电池储存器控制器通信，该电池储存器控制器与串控制器12再次通信。

如所提及的，基准电流Iref是在电流路径5与电池储存器7之间的电流路径13中的所需电流。因此，基准电流Iref是用于去往和来自电池储存器7的电流的决定性参数。因此，基准电流Iref可以基于各种不同的场景来确定，优选地由来自公用网格4的运营商的要求来建立。一个非常简单的示例是风力涡轮机1正在生产1.5MW，而公用需要2MW，在该情况下，缺失的0.5MW必须来自电池储存器7。因此，根据下述方法，确定基准电流Iref处于导致电流从电池储存器7流向电流路径的水平。

优选地，借助于电流传感器17进行的简单的电流测量来建立在电流路径5与电池储存器7之间的电流路径13中的实际电流Imeas。针对去往电池储存器7(充电)或来自电池储存器7(放电)的电流方向确定了基准电流Iref的极性。基准电流Iref和测量电流Imeas之间的差在于，在控制器12中用于确定电池单元8上的串联电压，并且从而确定电池元件9中的哪个(或多个)必须是电流路径13的一部分以及电池元件9的哪个(或多个)必须旁通。

因此，如果Iref大于Imeas，则电流应流入电池储存器7，如果Iref小于Imeas，则电流应流出电池储存器7，并且如果Iref等于Imeas，则没有电流应流过。

所需电流由在减法节点12c处Iref和Imeas之间发现的误差Ierror确定。由控制模块12a使用Ierror生成基准电压Vref，即电池储存器7上的电压，该电压将启动所需电流。基于控制回路反馈，控制模块12a可以被实现为PR控制器(PR；比例谐振)、PID控制器(PID；比例积分微分)或其它合适的控制器。

然后，通过调制器模块12b将基准电压Vref转换为多个门信号，以控制单独电池单元8的开关10的状态。由此，创建建立电池储存器7上的参考电压Vref所需的单独电池单元8中的开关10的状态模式。在图5a上在网格侧滤波器21和输出电感器22上找到测量电池储存器7上的该电压基准Vref的示例。

电流路径13中的电流由电池储存器7上的电压和电流路径5的电压确定。电流路径5的电压可以通过对功率、电流的了解或由电压传感器进行的简单的电压测量来确定。电流路径5的电压可以例如从DC链路中的DC电压、相或零电位之间的电压等的测量来找到。因此，为了能够控制去往和来自电池储存器7的电流，电池储存器电压必须高于电池储存器所连接的电流路径的电压。电流控制由开关10进行。如果开关不具有嵌入式二极管，则应单独实现此类二极管。

由于输入到控制器12的反馈控制回路的电流测量，电流误差Ierror以及由此的电压基准Vref以及最终开关的状态模式被连续更新。

如所提及的，如果不需要全部电池单元8来建立电池储存器7上的所需电压基准Vref/电压，则控制器12可以不使用已经使用最多的电池单元8。由此控制器12能够分配等于所有电池单元8的负载。

图4a示出如何可将电池储存器集成到风力涡轮机1的转换器6中的示例。如图所示，电池储存器7在发电机侧转换器6a和网格侧转换器6b之间的DC链路中连接至电流路径5。图4a的实施例示出一起形成电池储存器7的两列/串串联连接的电池单元8。该串的开关10由与电池储存器控制器27通信的单独的串控制器12控制，该电池储存器控制器27再次与外部储存器控制器16通信。该配置示出一种实现电池储存器的方式，因此其它配置以及电池储存器7到电流路径5、网格4、负载24等的其它连接点也是可能的。如两个电池单元8之间的虚线所指示，电池储存器7可以包括串联连接的电池单元8的另外的列。

用于控制所有电池单元8的一个控制器12是可能的，但是如所提及的，每串最好一个，并且因此不是控制电池储存器7的唯一可能性。此外，示出了用于测量电池储存器7与电流路径5之间的电流路径13中的电流(Imeas)的电流传感器17，但这不是测量该电流的唯一可能性。此外，示出了用于测量电池储存器7上的电压(Vref)的一个电压传感器18，但这不是测量该电压的唯一可能性。

如图1和图4a上所示，电池储存器7可以集成在DC链路的正负DC轨之间的转换器中。如图4a上所示的电池储存器7的实现方式的优点在于，它可以更便宜并且当例如网格故障发生时有助于UPS功能。

图4b是用于连接至电流路径5的DC部分的电池储存器7中使用的电池单元8的电气图的优选图示。所示的电池单元仅包括两个半导体开关10。如图所示，半导体开关10包括二极管，然而，这是由于以下事实，所示的半导体开关10是包括内部二极管的MOSFET类型。优选地，如图所示，两个半导体开关10安装在PCB 11上。

仅具有两个半导体开关10的原因是，电池储存器7连接至DC链路，并且因此仅用具有一种极性的电流充电，并以相同极性输送电流。这与将在下面描述的图5a、图5b上所示的实施例相反。

图4c示出将电池储存器7连接至电流路径5的DC链路的替代方法。这里，通过DC/DC转换器19进行连接。通过DC/DC转换器进行连接的优点在于，DC链路电压可以保持更稳定和受控，这在如现有文件中所述为现有转换器改装电池储存器7是有利的。应当提及的是，作为对DC/DC转换器的替代，可以做出为转换器改装电池储存器7的控制策略的变化。

电池储存器7的设计及其控制不受DC/DC转换器影响，即如上所述的设计和控制。

图5a示出如何可将电池储存器7集成到风力涡轮机1的转换器6中的示例。如图所示，电池储存器7连接至网格侧转换器6b与网格4之间的电流路径5。图5a的实施例示出一起形成电池储存器7的三列(也称为串)串联连接的电池单元8。三列中的每一列都连接至电流路径5的三相之一。因此，可以单独地调节三相中的每相(至少以120度的相移)。此外，在从电池储存器7到不对称或不平衡网格的支撑的情况下，电池储存器7中的相的控制将彼此不同。

可以使用用于控制所有电池单元8的一个控制器12，但这不是控制电池储存器7的唯一可能性。每个列/相/串可以由其自己的控制器12控制，并且然后主控制器或电池储存器控制器27可以如图所示协调各个列/相/串的控制器12的控制。此外，电池单元8中的每个电池单元可以基于来自控制器12的控制信号由控制器(未示出)控制。

此外，示出了用于测量电池储存器7和电流路径5之间的电流路径13中的电流(Imeas)的一个电流传感器17，但这不是测量该电流的唯一可能性。此外，示出了用于测量电池储存器7上的电压(Vref)的一个电压传感器18(仅示出了一个电压传感器18，但是优选地，电池储存器7的每一列一个电压传感器18)，但是这不是用于测量该电压的唯一可能性。

如所提及的，电池储存器7可以被集成在网格侧转换器6b和公用网格4之间，即在电流路径5的AC部分处。如图5a上所示的电池储存器7的实现方式是特别有利的，因为它更易于实施(改装)到现有系统中。此外，该位置可以帮助降低电网谐波并由此降低滤波器的要求。

在图5b上示出了优选用于连接至电流路径的AC部分的电池储存器7中的电池单元8的电气图。如图4b上所示的电气图，半导体开关10的二极管是MOSFET的体二极管。图5b上所示的电池单元8包括四个半导体开关10，因为它必须符合AC电流和电压，即负极性和正极性二者，并且如上所述仍然能够旁通电池单元8。图5b仅示出了电池单元8中的一个电池元件9，但是从以上描述可以理解，电池单元8中可以有多个电池元件9。

图5c示意性地示出图5b的电池单元8和在PCB 11上实现的开关10。示出了PCB包括所有四个开关10以及控制开关10的门驱动器20。图5c上所示的实施例的电气隔离被实现为门驱动器20的一部分。

从以上描述中，现在清楚的是，本发明公开了与风力涡轮机等有关的用于诸如电网4的电气系统中的电池储存器7。电池储存器7可以连接至电力系统的DC部分或AC部分，诸如从发电机3到风力涡轮机的公用电网4的电流路径5。基于基准电流Iref(在电流路径13与电池储存器7之间的电流路径13中流动的所需电流)和测量电流Imeas(在电流路径13与电池储存器7之间的电流路径13中测量)之间的差来控制电池储存器7上的电压Vref。

如果基准电压Vref低于与电池储存器7连接到的电流路径5的电压，则对电池储存器7充电。如果基准电压Vref高于电池储存器7连接到的电流路径5的电压，则电池储存器7放电。

除了本发明的上述特征之外，本发明还有助于旁通有缺陷的电池单元以继续操作，监视每个电池元件9上的健康状态(SOH)以更好地计划电池更换，并由此降低了操作成本和主动滤波，其可以降低对网格滤波器组件的需求。

因此，本发明的优点在于，在一种解决方案中，其有助于能量储存和功率转换器。它通过高度自动化的生产和模块化设计来降低CAPEX。就功率和能量额定值而言，它有助于实现高度的灵活性和可扩展性。由于延长了电池寿命并具有预测性维护的能力，因此降低了CAPEX。它通过模块化设计促进了更高的可靠性，由此允许在故障期间继续操作。

通过本发明的集成能量储存解决方案，获得了在一种解决方案中将能量储存和功率转换结合在一起的经济有效的解决方案。该新的储存解决方案将显著降低CAPEX和OPEX，同时保持模块化设计的可扩展性和灵活性，并解决诸如购置和维护成本高的限制，这阻碍了与传统解决方案相关的广泛实现方式。

应该提及的是，电池储存器7也可以用于由一个或多个太阳能电池板生成能量的太阳能系统。在此类实施例中，将如上所述地控制电池储存器7，并且优选地将其连接在太阳能系统和与其连接的网格之间。

最后应该提及的是，尽管在不同的实施例中进行了描述，但是说明书的以上特征和本申请的附图可以组合在一起，因为它们全部都涉及同一发明。因此，即使未在其上示出，在一个图上示出的元件也可以存在于其它图上。

在实施例中，电池储存器7(也称为能量储存器)应理解为所谓的不间断电源(也称为UPS)。电池储存器在作为UPS操作时，可以作为有时被称为成列UPS和离线UPS的UPS操作。无论电池储存器7是作为成列UPS还是离线UPS操作，它可以作为风力涡轮机的一部分或与之相连或作为独立于风力涡轮机的独立设备连接到电力系统(诸如电网)，如图6a上示出的此类UPS 22。如果作为独立设备连接至网格，则可用于支持网格电压、频率和功率。此外，它可以用作能量储存的缓冲区，以将能量储存到需要时或价格比生产时更好的时间点。

在风力涡轮机外部使用的UPS 22通常需要独立的UPS控制器23。在图6a上所示的实施例中，UPS控制器23从网格4和电池储存器7的控制器12接收信息。在实施例中，UPS控制器23还从负载24接收信息，该负载可以是电力消费者或者它可以是网格4的另一部分。该信息用于控制第一UPS开关25和第二UPS开关26，其位置用于将电池储存器7连接至网格4和负载24之间的连接或从中断开。

在图6a上示出的实施例优于经典成列UPS解决方。在经典成列UPS解决方案中，必须将网格4上的AC电压整流为DC电压以储存在UPS解决方案中，并且然后需要逆变器以随后为负载/网格生成AC电压。因此，电压需要由两个转换器处理，这导致总效率低。

在该实施例中，图6a上所示的电池储存器7是DC储存器，该DC储存器包括至少一串电池单元8，生成与相关网格代码要求相对应的AC电压。UPS开关25、26由UPS控制器23控制，该UPS控制器23确保在正常操作期间，用于负载26的电力从网格4获取。

当网格4不存在(或有故障)时，即，当操作不正常时，电力由电池储存器7输送。通过图6a上所示的UPS 22的构造，不需要快速网格故障检测手段。这是因为UPS开关25、26被构造和控制为使得负载的功率流不被干扰。这是有利的，因为对于图6a上所示的UPS可以用作能量储存，以平滑网格上或推向网格的功率波动，还可以用作DC UPS等。

图6b示意性地示出如何构造UPS开关25、26。在该实施例中，UPS开关25、26是双向设备，即两个半导体开关10，优选是IGBT，其中开关25、26的输入连接至第一IGBT 10a的集电极腿，并且开关25、26的输出连接至第二IGBT 10b的集电极腿。两个IGBT的发射极腿都连接在一起，并且两个IGBT的栅极腿都连接至UPS控制器23。图6c示出在两个电网故障期间具有图6b上所示的开关25、26的与图6a上所示的UPS配置有关的电压和电流的示例。网格故障发生在0.42和0.65(分别在0.55和0.78处结束)，并且如图所示，这些网格故障在“负载电压”和“负载电流”图上几乎没有明显地出现。这是由于“电池储存器电流”图所示的电池储存器的耦合，其耦合由UPS控制器执行。图7示出根据本发明实施例的PCB 11。PBC包括级联的耦合的H桥开关10，其状态确定电流路径13是否正在穿过或旁通电池单元8。如图所示，示出了附加PCB旁路开关28。使用该PCB旁路开关28以便确保无论在PCB上发生什么情况，通过电池储存器7的电流路径13都是完整的。因此，在有故障的PCB或其组件的情况下，控制器12(串控制器或电池储存器控制器)能够通过闭合旁路开关28来旁通PCB11。这是有利的，因为其具有如下效果，使电池储存器7在诸如转换器故障(栅极驱动器、开关故障)的PCB故障方面容错，并且从而消除了由于转换器故障而可能发生的单点故障。

旁路开关28可以实现在PCB上，或者如图所示在PCB外部。在PCB上实现旁路开关28的优点在于，开关系统更易于设计和生产。在PCB外部实现旁路开关28是有利的，因为如果PCB发生故障，则不必更换旁路开关。此外，PCB外部的实现方式的优点在于，如果要更换电池单元8或PCB 11，则可以使用完全旁通电池单元8的旁路功能。

因此，图7示出电池储存器7的多个电池单元8中的一个电池单元8，通过电池储存器7的电流路径13由在PCB 11的两个端子之间实现的半导体开关配置10控制，其中半导体开关配置10包括可控的电流连接，诸如两个AC端子之间的旁路开关28，在PCB上发生故障的情况下有助于旁通半导体开关配置10。在此，半导体开关配置在所谓的级联H桥中也被称为开关10。

优选地，旁路开关28由控制器12或电池储存器控制器27控制。

本发明的电池储存器7的有利特征在于，由于通过电池储存器7的电流路径中仅包括一个电池单元8的可能性，可以用相对较低的充电电压对其进行充电。为了能够控制流入电池储存器的电流，电池单元电压的总和必须高于充电电压的绝对值。因此，如果电池单元的串联连接的电池单元达到例如50V，并且仅一个电池单元要充电，则H桥的输入/输出处的电压必须在高达50V AC(峰值)或50V DC之间。充电电压必须低于电池电压以便能够控制MOSFET开关的电流(当使用MOSFET开关时)，否则反并联二极管将导通，并且充电电流无法由MOSFET控制开关10控制。这是特别有利的，因为在风力涡轮机或太阳能系统中，如果仅建立的电压(根据上述示例)低于50V，则电池单元8可以被充电。以该方式，当风力涡轮机的转子旋转但是风速低于切入速度时，所生成的能量可以用于对电池储存器7的电池单元8一个接一个地充电。类似地，如果太阳不发光，则太阳能电池板能源生产厂生成的少量能量可以储存在电池储存器7中。

因此，控制器12设置有电流路径5中的电压的信息，即，提供了可用充电电压的知识，该可用充电电压然后被用于控制通过电池储存器7的电流路径13的有源电池单元8的数量，并且由此控制要充电的单独电池单元8的数量。

用于本发明的电池储存器7的能量储存设备的类型(不同类型的电池(锂离子等)，不同类型的电容器(锂电容器等))优选为锂离子电池，但也可以使用其它类型。该类型由要使用电池储存器7的应用确定。如果例如电池储存器的主要目的是在短时段内输送高峰值电流，则可以以相同的方式使用促进该电流的锂离子电池，如果主要目的是长时间输送较低电流，则选择支持该电流的锂离子电池类型。

如从上面已经清楚地看到，本发明描述了一种包括多个可控电池单元8的电池储存器7。电池单元是可选择性控制的，这意味着借助于开关10，它们在建立电池储存器7上的总电压时可以是活动的或不活动的。可以通过有源电池单元8的多个不同组合来建立电池储存器7上的电压。如果一个电池单元8被去激活，则另一个电池单元可以被激活，并且如果例如第一电池的充电状态再次高于第二电池的充电状态，则可以通过在不激活第二电池单元8的同时激活第一电池来继续建立电池储存器电压。

电池单元的激活和去激活由优选地位于PCB 11上的开关10控制。PCB 11的开关配置优选地是级联的H桥，并且该开关优选地由控制器12控制。在电池储存器7包括多于一串的串联连接的电池单元7的情况下，优选地，一个串控制器用于串中的每个串。优选地，在此类实施例中，串控制器与主电池储存器控制器通信。以该方式，原则上可以从电池储存器中建立任何所需电压，因为较高的电压仅需要串联的更多电池单元，而较高的容量仅需要并联的更多电池单元。此外，应该提及的是，有可能通过开关在一个大的串联电池单元中连接多个串。

电池储存器7可以在风力涡轮机的内部或外部的许多不同位置中直接连接(例如，不具有DC/DC转换器)至电气系统。内部在转换器的两侧或在其DC链路中。作为风电场的一部分的风力涡轮机外部，作为能量储存和/或网格支持。无论如何，在网格故障期间，电池储存器7可用于启动或供电，一个或多个风力涡轮机用作偏航和俯仰驱动等的辅助电源。

理论上，对于电池储存器7没有高电压限制，并且主要的电流限制器是半导体开关10的可用性。在本发明的优选实施例中，电压约为+-1000V，并且约为100A rms。

最后应该提及的是，即使以上描述仅是如所描述的电池单元8，电容器也可以用于替换或支持电池单元8。对于电容器，电池储存器7能够在短时间内输送或吸收高功率，这可能与网格支持有关(如果频率/电压下降，可以通过电池储存器7来增强电网，如果频率/电压升高，则网格可以从网格吸收(通过充电)电力)。电容器可以作为电池储存器7的单独的串添加，作为相关时连接的一个或多个电池单元8。电池储存器7能够向电网支持提供无功功率。对于电池，电池储存器7能够在较长的时间段内输送较低的功率，而对于电容器，电池储存器7能够在短时间段内输送较高的功率。因此，在本发明的电池模块7中，电容器和电池的组合具有优点。

列表

1.风力涡轮机

2.转子

3.发电机

4.公用网格

5.电流路径(通过风力涡轮机从发电机到公用网格)

6.转换器

a.发电机侧转换器

b.网格侧转换器

7.电池储存器

8.电池单元

9.电池元件

10.半导体开关(用于区分同一电池单元的开关的10a、10b、10c和10d)

11.印刷电路板

12.控制器

a.控制模块

b.调制器模块

C.减法节点

d.电流基准发生器

13.电流路径(从电流路径并通过电池储存器)

14.控制信号路径

15.电气隔离

16.外部控制器

17.电流传感器

18.电压传感器

19.DC/DC转换器

20.门驱动器

21.网格侧过滤器

22.UPS

23.UPS控制器

24.负载

25.第一UPS开关

26.第二UPS开关

27.电池储存器控制器

28.PCB旁路开关

Iref.基准电流

Imeas测量电流

Ierroe基准电流和测量电流之间的误差

Vref基准电压。