在風(fēng)電場中使用的能量儲存系統(tǒng)的容量和充電狀態(tài)的準(zhǔn)確估計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的實施例提供了用于準(zhǔn)確地估計在風(fēng)電場上使用的能量儲存系統(tǒng)（ESS）中的電池的老化容量（E老化）的技術(shù)和裝置?？赏ㄟ^測量電池的內(nèi)阻抗并使用電池的年齡（例如，充電循環(huán)的數(shù)量）與對應(yīng)于電池的最大容量之間的關(guān)系來估計在電池的整個壽命中的E老化?？苫陔姵氐碾妱觿荩‥MF）來計算充電狀態(tài)（SOC）?？苫陔姵氐腅老化和所計算的SOC來計算電池的實際可用能量（E可用）。以這種方式，本發(fā)明的實施例可允許風(fēng)電場起虛擬發(fā)電廠（VPP）的作用并在不考慮間歇的風(fēng)速的情況下輸送峰值負(fù)載電。
【專利說明】在風(fēng)電場中使用的能量儲存系統(tǒng)的容量和充電狀態(tài)的準(zhǔn)確估計
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施例通常涉及風(fēng)電場能量儲存系統(tǒng)，且更具體地涉及準(zhǔn)確地估計能量儲存系統(tǒng)中的電池的老化容量。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)?shù)V物燃料正被耗盡時，用于轉(zhuǎn)換替代能源的手段被研究并發(fā)展以得到更有效的方式來利用太陽、流動的水和風(fēng)的力量來產(chǎn)生動力。使用用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的很多風(fēng)力渦輪發(fā)電機的風(fēng)電場位于世界上具有一致的風(fēng)的區(qū)域中。當(dāng)風(fēng)波動時，一般利用一些形式的能量儲存，使得風(fēng)電場可在平靜的風(fēng)時期期間提供足夠的能量。
[0003]一些風(fēng)電場可包括用于儲存由風(fēng)力渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)換的能量并釋放這個儲存的能量以在風(fēng)暫時平息期間供應(yīng)電力需求的能量儲存系統(tǒng)(ESS)。對ESS的容量和在ESS中儲存的可用能量的準(zhǔn)確估計可能對風(fēng)能的能量儲存應(yīng)用來說是重要的。ESS容量的知識可用來控制被充電到ESS中的能量的量?？稍诜峙鋪碜訣SS的能量的時候利用對儲存在ESS中的可用能量的認(rèn)知。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的實施例通常涉及用于準(zhǔn)確地估計與多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機相關(guān)聯(lián)的能量儲存系統(tǒng)(ESS)中的電池的老化容量的方法和裝置。
[0005]本發(fā)明的一個實施例提供了用于估計與多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機相關(guān)聯(lián)的ESS中的電池的老化容量的方法。
[0006]該方法通常包括確定電池的內(nèi)阻抗，確定在對應(yīng)于該電池的最大容量與充電循環(huán)的數(shù)量之間的關(guān)系，以及基于內(nèi)阻抗和該關(guān)系來確定電池的老化容量。
[0007]本發(fā)明的另一實施例提供了用于估計與多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機相關(guān)聯(lián)的ESS中的電池的老化容量的裝置。該裝置通常包括被配置成確定電池的內(nèi)阻抗、確定在對應(yīng)于電池的最大容量與充電循環(huán)的數(shù)量之間的關(guān)系以及基于內(nèi)阻抗和該關(guān)系來確定電池的老化容量的至少一個處理器。
[0008]本發(fā)明的又一實施例提供一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常包括一個或多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機、用于儲存由風(fēng)力渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的能量的至少一個電池以及至少一個處理器。該處理器一般被配置成確定電池的內(nèi)阻抗、確定在對應(yīng)于電池的最大容量與充電循環(huán)的數(shù)量之間的關(guān)系以及基于內(nèi)阻抗和該關(guān)系來確定電池的老化容量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]從而通過參考實施例可以有本發(fā)明的上述特征可被詳細(xì)理解的方式、上面簡要概述的本發(fā)明的更具體的描述，其中一些實施例在附圖中示出。然而應(yīng)注意，附圖只示出本發(fā)明的典型實施例，且因此不應(yīng)被視為對其范圍的限制，因為本發(fā)明可承認(rèn)其它同等有效的實施例。
[0010]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性風(fēng)電場系統(tǒng)。
[0011]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性能量儲存系統(tǒng)(ESS)充電系統(tǒng)。
[0012]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于估計電池中的老化容量(Em)、充電狀態(tài)(SOC)和剩余的可用能量(E 的示例性操作的流程圖。
[0013]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的對應(yīng)于充電循環(huán)的數(shù)量的內(nèi)阻抗和電池容量的曲線。
[0014] 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于估計的示例性估計過程。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明的實施例提供了用于準(zhǔn)確地估計在風(fēng)電場上使用的能量儲存系統(tǒng)(ESS)中的電池的老化容量(E^gifc)的技術(shù)和裝置。可通過測量電池的內(nèi)阻抗并使用電池的年齡(例如，充電循環(huán)的數(shù)量)與對應(yīng)于電池的最大容量之間的關(guān)系來估計在電池的整個壽命中的E老化。可基于電池的電動勢(EMF)來計算充電狀態(tài)(S0C)?？苫陔姵氐暮退嬎愕腟OC來計算電池的實際可用能量以這種方式，本發(fā)明的實施例可允許風(fēng)電場起到虛擬發(fā)電廠(VPP)的作用并在不考慮間歇的風(fēng)速的情況下輸送峰值負(fù)載電。
[0016]示例的風(fēng)電場系統(tǒng)
[0017]圖1示出示例性風(fēng)電場(WF)系統(tǒng)100。系統(tǒng)100可包括用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機102。多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機102可經(jīng)由變壓器108 (例如加強的變壓器)耦合到電網(wǎng)110，以向電網(wǎng)110提供大規(guī)模電力。可無線地或經(jīng)由電線、電纜或在控制臺(例如虛擬發(fā)電廠控制器(VPPCH04)和風(fēng)力渦輪發(fā)電機102之間以及在VPPC104和電網(wǎng)110之間的任何其它適當(dāng)?shù)挠芯€連接來發(fā)送來自風(fēng)力渦輪發(fā)電機102的傳感器和其它數(shù)據(jù)信號以及到風(fēng)力渦輪發(fā)電機102的控制信號。VPPC104 —般位于相應(yīng)的風(fēng)電場上或附近。
[0018]VPPC104可耦合到一般包括一個或多個電池或其它電化學(xué)儲存設(shè)備的ESS106。ESS106可允許風(fēng)電場系統(tǒng)100提供足夠的電力輸出，特別是在缺乏風(fēng)、沒有足夠的風(fēng)速或有零星的風(fēng)的時期期間。為了克服風(fēng)電場的一些缺點，例如波動的電力輸出，ESS106可被考慮為風(fēng)電場系統(tǒng)100的部分。ESS106可允許風(fēng)電場系統(tǒng)100起VPP的作用并在不考慮間歇的風(fēng)速的情況下輸送峰值負(fù)載電。
[0019]圖2示出示例性ESS充電系統(tǒng)200，其可以被合并到圖1的風(fēng)電場系統(tǒng)100中。風(fēng)力渦輪發(fā)電機102通過轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能，并進一步經(jīng)由耦合到在機艙內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)軸的發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能。風(fēng)的波動可引起風(fēng)力渦輪發(fā)電機102的轉(zhuǎn)子以可變速度旋轉(zhuǎn)，這可導(dǎo)致從風(fēng)力渦輪機102輸出到電網(wǎng)110的電力的變化?？砂ㄕ麟娐返碾娏D(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)202可用于將這個所產(chǎn)生的電力從交流(AC)電轉(zhuǎn)換成直流(DC)電。
[0020]電池管理系統(tǒng)(BMS)204可用于給ESS106充電/放電，ESS106可包括如圖2所示的串聯(lián)和并聯(lián)的多個電池。為了描述的容易，從此以后，ESS106將被視為包括能夠有比一般電池相對更高的電壓和更高的電流的單個電池210。BMS204可由VPPC104控制和監(jiān)測?？稍贓SS操作期間監(jiān)測在電池210的端子之間的電壓(V) 208和電池210內(nèi)的電流(I) 206。
[0021]對包括風(fēng)力渦輪發(fā)電機102和ESS106的VPP的控制可能是一個挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確地估計儲存在ESS中的可用能量(Eilffi)和ESS可儲存的最大能量(Emax)可改進對VPP的控制。
[0022]充電狀態(tài)(SOC)是電池210的重要參數(shù)。SOC可被定義為在電池中剩余的可用容
量，其被表示為電池的最大容量的百分比，如在方程(I)中表示的:
[0023]
SOC ^(I)

E
[0024]SOC可用于根據(jù)方程(2)來確定電池中的可用能量:
[0025]E可用=S0C.Emax (2)
[0026]SOC值可由電池管理系統(tǒng)(BMS)確定，電池管理系統(tǒng)可由電池制造商提供。對于一些實施例，可基于電池210的電動勢(EMF)、根據(jù)SOC和電池EMF (即，電池電壓)之間的預(yù)定關(guān)系來確定S0C。可替代地，可通過穿過電池的電流206的積分來確定S0C。在確定SOC時，可假設(shè)電池的容量是已知的并保持恒定。
[0027]然而，當(dāng)電池老化時，Eniax可逐漸降低。例如，在接近電池壽命的末端時，電池的實際容量可接近電池的初始容量的僅僅80%。
[0028]在由于電池老化而容量降低的情況下，電池的電壓仍可被充電到額定值，這可產(chǎn)生100%的SOC值。在這種情況下，可能是其預(yù)期容量的僅僅80%。通常，制造商不計算
。在預(yù)期可用能量和實際之間的差異可能對風(fēng)電場中的一些ESS應(yīng)用是有意義的。
[0029]因此，所需要的是用于準(zhǔn)確地估計ESS中的電池的實際的技術(shù)和裝置。本發(fā)明的實施例使用通過使用測量和數(shù)學(xué)計算的組合來估計電池的老化容量和SOC從而估計實際E的方法。
[0030]E老化和SOC的估計
[0031]圖3是用于確定電池(例如電池210)的E雜和SOC的示例性操作300的流程圖。操作300可通過確定電池的內(nèi)阻抗在302開始。對于一些實施例，可通過測量ESS兩端的電壓208 (即，在電池210的端子之間的電壓)和電流206來確定內(nèi)阻抗?？墒褂秒姵?10兩端的電壓208和穿過電池的電流206在線地估計電池210的內(nèi)阻(Rin)和電動勢(EMF)，電壓208和電流206在兩個不同的時間點處被測量，從而動態(tài)負(fù)載是變化的。以這種方式，可對兩個不同的方程求解以得到兩個未知量(即，Rin和EMF)，而不使電池210從負(fù)載斷開。
[0032]圖4示出與充電循環(huán)的數(shù)量對應(yīng)的電池的內(nèi)阻抗402和放電容量404的曲線，內(nèi)阻抗402和放電容量404都被表示為初始值的百分比。確定在運行的風(fēng)電場中的ESS的E
可能很難，因為這個確定一般包括對電池完全充電，接著使電池完全放電，且然后測量放電電流和相應(yīng)的時間。相反，對于本發(fā)明的一些實施例，可通過測量電池的內(nèi)阻抗的變化來確定電池的容量的退化。如在圖4 中描繪的，隨著電池老化，所測量的內(nèi)阻抗402可增加。
[0033]返回到圖3，可在304確定對應(yīng)于電池的最大容量與充電循環(huán)的數(shù)量之間的關(guān)系。確定該關(guān)系可包括執(zhí)行對應(yīng)于電池的最大容量和充電循環(huán)的數(shù)量的回歸分析?？赏ㄟ^關(guān)于容量衰退效應(yīng)的實驗室測試結(jié)果的回歸分析來確定電池容量的退化。圖4示出關(guān)于放電容量404的回歸分析的示例性結(jié)果，顯示當(dāng)電池老化時容量一般降低的容量衰退效應(yīng)。回歸分析可基于具有類似于該電池的功能特性的另一電池的最大容量數(shù)據(jù)，或基于相同類型的電池。
[0034]在306，可基于所測量的內(nèi)阻抗和在對應(yīng)于電池的最大容量與充電循環(huán)的數(shù)量之間的關(guān)系來確定電池的E--fc。對于一些實施例，內(nèi)阻抗的測量可用于確定電池的大致年齡。年齡可被表示為循環(huán)的數(shù)量，如在圖4的曲線400中所示的。電池的年齡可接著用于確定在該特定年齡時電池的最大容量，這得到了老化容量(E 。
[0035]在308，可確定電池的S0C。確定電池的SOC可包括確定電池210的電動勢(EMF)。確定電池210的EMF可包括通過測量電池210兩端的電壓和在兩個距離處的電池210內(nèi)的電流來估計EMF，如上所述。
[0036]在310，可確定基于SOC和Ea的在電池中剩余的在一些實施例中，這可涉及根據(jù)上面的方程(2)來計算Eim=SOC.其中以安培-小時(Ah)為單位的E老化是老化電池的最大容量。
[0037]在312，可基于來操作與ESS相關(guān)的多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機或包含電池的ESS中的至少一個。例如，風(fēng)力渦輪發(fā)電機的葉片可被調(diào)節(jié)以更快地轉(zhuǎn)動并基于低來更快地給ESS的一個或多個電池充電。
[0038]以這種方式，可準(zhǔn)確地估計在電池中剩余的(其可能對放電過程來說是重要的和儲存在電池中的E (其可能對充電過程來說是重要的)。結(jié)果可用于改進對風(fēng)電場和ESS的控制策略。
[0039]圖5示出估計的示例性估計過程500。EMF502的確定可用于計算ESS106中的電池的S0C504。內(nèi)阻抗506的確定和容量退化508的回歸分析可用于如上所述地確定E老化510。S0C504和E老化510可用于準(zhǔn)確地估計E可用512。E老化510和E可用512可由VPPC104使用來調(diào)節(jié)ESS106的充電或放電。估計過程500的結(jié)果可用于改進風(fēng)電場的控制策略，以及更具體地，ESS和風(fēng)力渦輪發(fā)電機的控制策略，并用于能量分配和電力流量控制。
[0040]雖然前述內(nèi)容涉及本發(fā)明的實施例，可設(shè)想本發(fā)明的其它和另外的實施例，而不偏離其基本范圍，且其范圍由所附權(quán)利要求確定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于估計與多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機相關(guān)聯(lián)的能量儲存系統(tǒng)(ESS)中的電池的老化容量的方法，所述方法包括: 確定所述電池的內(nèi)阻抗； 確定對應(yīng)于所述電池的最大容量與充電循環(huán)的數(shù)量之間的關(guān)系；以及 基于所述內(nèi)阻抗和所述關(guān)系來確定所述電池的所述老化容量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定所述電池的充電狀態(tài)(SOC)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，確定所述SOC包括確定所述電池的電動勢(EMF)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括基于所述SOC和所述老化容量來確定在所述電池中剩余的可用能量。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括基于所述可用能量來操作所述ESS或所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機中的至少一個。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述關(guān)系包括執(zhí)行對對應(yīng)于所述電池的所述最大容量的回歸分析。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述回歸分析基于具有類似于所述電池的功能特性的另一電池的最大容量數(shù)據(jù)。
8.一種用于估計與多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機相關(guān)聯(lián)的能量儲存系統(tǒng)(ESS)中的電池的老化容量的裝置，所述裝置包括: 至少一個處理器，其被配置成: 確定所述電池的內(nèi)阻抗； 確定對應(yīng)于所述電池的最大容量與充電循環(huán)的數(shù)量之間的關(guān)系；以及 基于所述內(nèi)阻抗和所述關(guān)系來確定所述電池的所述老化容量。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述至少一個處理器被配置成確定所述電池的充電狀態(tài)(SOC)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述至少一個處理器被配置成通過確定所述電池的電動勢(EMF)來確定所述SOC。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述至少一個處理器被配置成基于所述SOC和所述老化容量來確定在所述電池中剩余的可用能量。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述至少一個處理器被配置成基于所述可用能量來控制所述ESS或所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機中的至少一個的操作。
13.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述關(guān)系基于對對應(yīng)于所述電池的所述最大容量的回歸分析。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述回歸分析基于具有與所述電池相同類型的另一電池的最大容量數(shù)據(jù)。
15.—種系統(tǒng),包括: 一個或多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機； 至少一個電池，其用于儲存由所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的能量；以及 至少一個處理器，其被配置成: 確定所述電池的內(nèi)阻抗； 確定對應(yīng)于所述電池的最大容量與充電循環(huán)的數(shù)量之間的關(guān)系；以及基于所述內(nèi)阻抗和所述關(guān)系來確定所述電池的老化容量。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個處理器被配置成確定所述電池的充電狀態(tài)(SOC)。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個處理器被配置成基于所述SOC和所述老化容量來確定在所述電池中剩余的可用能量。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個處理器被配置成基于所述可用能量來控制所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機的操作或?qū)λ鲭姵氐某潆娭械闹辽僖粋€。
19.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述關(guān)系基于對對應(yīng)于所述電池的所述最大容量的回歸分析。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述回歸分析基于具有類似于所述電池的功能特性的另一電池的最大容量數(shù)據(jù)。`
【文檔編號】G01R31/36GK103492891SQ201280018555
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月15日
【發(fā)明者】J·張 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團公司