用于电应急能量储存装置充电的方法

摘要

本发明涉及一种用于电力用户(2)的电应急能量储存装置(1)充电的方法。根据本发明实现用于电应急能量储存装置(1)充电的方法，该方法考虑到应急能量储存装置的老化并将其减小到最小程度，该方法包括以下步骤：预测电力用户(2)的能量需求EB，确定能量储存装置(1)的电容量C及能量储存装置(1)的内电阻Ri，计算充电电压UL，其中，通过这样的方法计算充电电压UL，在考虑到特别是在内电阻Ri处损耗的情况下，为了满足预测的能量需求EB，在该充电电压UL下储存在应急能量储存装置(1)中的能量刚好足够，并且对应急能量储存装置(1)充电及放电直到计算的充电电压UL。

说明书

技术领域

本发明涉及用于电力用户的电应急能量储存装置充电的方法。

背景技术

为电力用户进行电能供应的应急能量储存装置已经应用在很多领域。通常，需要应急能量供应的电力用户与安全相关。这种与安全相关的电力用户的例子包括，特别是载人电梯中的发动机或在风能装置(Windenergieanlage)中的变桨系统。

当外部电网失效，例如可能出现建筑物火灾，在没有外电网提供能量的情况下，要求载人电梯可以驶向最近的楼层，然后打开电梯的门，由此，可将电梯中的人员带到安全的地方。

通常，现代的风能装置配备了电力变桨系统，每个转子叶片(Rotorblatt)具有至少一个称为变桨发动机的电机。通过旋转叶片围绕其纵轴的旋转，这类变桨系统调整旋转叶片相对于风的位置，并且经常唯一安全的可能是将风能装置的转子带到静止状态。由此出现，变桨系统将旋转叶片旋转到所述旗臶位置(Fahnenstellung)上，并且在没有驱动的情况下，通过风力使转子进入静止状态。变桨系统的能量供应通常通过电网(Netz)完成，在该电网中，风能装置也输送产生的电流。例如，电网出现故障时可能引发危险的情况，即随着风力的增大，风能装置的转子的旋转速度会超出允许的最高值，因此，风能装置或在其附近的人可能受到伤害。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了能够避免在电力故障中的这样的危险状况，在没有通过外部电网向变桨系统提供能量的情况下，旋转叶片必须可移动到旗臶位置上。对此，根据现有技术可知，变桨系统具备一个或多个应急能量储存装置，该应急能量储存装置在电力故障中保证变桨系统的能量供应及由此保证变桨系统的执行能力，至少可以将转动叶片带到安全的旗臶位置。

在通过应急能量储存装置提供电能时存在的问题是，通常，应急能量储存装置会经受老化过程。也就是，应急能量储存装置经过某一使用寿命后不再满足像最初那样相同的性能参数。特别地，在应急能量储存装置中，随着时间的变化，最大可存储能量下降。其他涉及的性能参数可能是电压或最大功率。老化过程的速度及幅度将通过其他的参数确定，如为应急能量储存装置充电的环境温度和电压。

为了满足截至到所选时间段终点时的期望的性能参数，即到应急能量储存装置的使用寿命的结束，并且因此，例如，为了保证风能装置的安全，在现有技术状态下这样确定应急能量储存装置的容量，使性能参数在一开始选择的时间段内远超出期望的性能参数，这样，即使由于老化性能参数下降，期望的性能参数依然可以在选择的时间段结束时得到满足。通过必要的应急能量储存装置的超量设计，会相应地增加费用。特别地，在风能装置中，最大可存储能量的性能参数会超量设计。此外，应急能量储存装置在风能装置的运行中这样进行充电，即在每个时间点，始终在应急能量储存装置中储存最大可能的能量额。这样可以确保始终在应急能量储存装置中储存足够的能量。

(二)技术方案

至此，本发明的目的是确定用于电应急能量储存装置的充电方法，该方法考虑到应急能量储存装置的老化并将其减至最小。

基于此前的发明目的，通过描述获得解决电子的应急能量储存装置的充电的方法。该方法包括下列步骤：

预测电力用户的能量需求E_B。

确定应急能量储存装置的电容量C及应急能量储存装置的内电阻R_i。

计算充电电压U_L，从而计算充电电压U_L，使得在考虑到特别是在内电阻R_i出现损耗的情况下，在所述充电电压U_L下储存在所述应急能量储存装置(1)中的能量E_C的预测的能量需求E_B正好满足所述预测的能量需求E_B，并且，为所述应急能量储存装置(1)充电或放电，直到所述计算的充电电压U_L。

预测能量需求E_B描述了能量，该能量是电力用户是为了在应急状态下，例如，在停电的时候，完成必要的工作所必须的。

预测消耗体的能量需求E_B可以是在简单的情况下的绝对的能量用量。根据本发明可以以不同方式预测能量需求E_B。例如，预测可以包括，将能量需求E_B假设为常数值。可选的，预测可以依据模型，例如，假设随着应急能量储存装置的或电力用户的老化，能量需求E_B线性增长。

此外，在应急情况下的扩展能量需求E_B的时间区间至少可以分成两个时间间隔，其中，对于在每个这样的时间间隔内，预测出绝对的能量用量。扩展能量需求E_B的时间区间可以分成任意多个时间间隔，其中，对于每个时间间隔预测绝对的能量用量。特别地，时间间隔可以无限短。在本发明的其他设计方案中，特别地，能量需求E_B的预测结果是连续的时间函数，该函数表示在能量需求E_B扩展的时间区间的每个时间点的当前的能量需求E_B。

为了满足特定的目的，能量需求E_B对应电力用户的能量需要。在升降电梯中的电力用户的例子中有以下目的，没有外电网提供能量的情况下，可以到达邻近的楼层，并且打开电梯门。例如，在风能装置中存在以下目的，一个或多个旋转叶片，特别是所有的旋转叶片，在没有来自风力的能量供应的情况下，可以旋转到旗臶位置上。

确定应急能量储存装置的电容量C及应急能量储存装置的内电阻R_i可以通过不同的方式实现。一种方法是，应急能量储存装置通过电阻进行短时间地放电，然后，测试电压和放电电流。由此可以重新计算应急能量储存装置的电容量C及应急能量储存装置的内电阻R_i。一种可选的确定应急能量储存装置的电容量C及应急能量储存装置的内电阻R_i的方法在于，应急能量储存装置的电容量C及应急能量储存装置的内电阻R_i通过模型估算。例如，这种模型可以存在以下假设，应急能量储存装置的电容量C随时间线性下降和/或应急能量储存装置的内电阻R_i随时间线性增加。该模型的复杂性可以明显的升高，并且可以考虑多个参数的线性或非线性的影响，例如，充电/放电周期的次数，充电电压U_L，充电电流/放电电流，温度等。例如，考虑到温度的模型可以根据应急能量储存装置的电容C_-1之前的测量值，由此确定应急能量储存装置的当前电容量C，从而根据已知的温度T与电容量C(T)的关系计算当前的应急能量储存装置的当前电容量C。在此，“C(T)”表示的意思是电容量C是关于温度T的函数。这样的模型允许用于应急能量储存装置的内电阻R_i的类似转换。在最后两个提到的模型中，既需要之前测量的应急能量储存装置的电容量C_-1及应急能量储存装置的内电阻R_i,-1时的测试温度T，也要在确定当前的应急能量储存装置的电容量C及应急能量储存装置的内电阻R_i时的测试温度T。温度T既可以是应急能量储存装置的温度，也可以是容器的内部温度，应急能量储存装置设置在该容器内部，或者利用周围环境温度。此外，应急能量储存装置的内电阻R_i可以通过模型确定并且应急能量储存装置的电容量C通过测量确定，反之亦然。

提供充电电压U_L的充电单元可用于应急能量储存装置的充电，该充电装置提供充电电压。例如，该充电装置可以通过整流器构成，该整流器将供应网络的交流电整流成具有电压的直流电，该电压对应于充电电压U_L。

如果计算的充电电压U_L低于当前的应急能量储存装置的电压U，应急能量储存装置放电。例如，可以这样实现，在应急能量储存装置上仅设置充电电压U_L，并且通过自动放电应急能量储存装置达到预期的充电电压U_L。可选的是，应急能量储存装置可以主动地放电，由于例如外部电阻应用到应急能量储存装置，直到充电电压U_L。

由此，充电电压U_L及储存在应急能量储存装置中的能量E_C适应于预测的能量需求E_B，实现更长的应急能量储存装置寿命。

根据本发明，代替应急能量储存装置在其寿命期间以最大充电电压U_L,max充电的情况，该应急能量储存装置每次仅仅以特殊时刻所需的充电电压U_L进行充电，通常该充电电压要比最大的充电电压U_L,max低。通过与现有技术相比，更低的充电电压会减缓应急能量储存装置的老化进程，因为，老化进程相当大程度依赖于充电电压U_L的大小。为了将之前的应急能量储存装置变得更小，即特别地采用较小的电容量C，可以借助于根据本发明的方法使得使用寿命延长，由此，明显降低用于应急能量储存装置的费用。

根据本发明的有利的改进方案，通过负载电流曲线I(t)及负载电阻R_L或通过负载电流曲线I(t)及负载电压曲线或通过负载电阻R_L及负载电压曲线来确定预测的能量需求EB。

已知三个变量R_L、I(t)、的两个可以计算能量需求E_B。至此，负载电阻R_L为使得应急能量储存装置在应急情况下放电的电阻。特别地，负载电阻R_L也可能是依赖时间的。负载电流I(t)是在应急情况下从应急能量存储器中流出的电流，典型的负载电流曲线I(t)在应急情况下连续地发生改变，并且在某些条件下短暂地是负值。在应急情况下，在应急能量储存装置释放电能的过程期间，负载电压曲线与应急能量储存装置的电压吻合。能量需求E_B等于由负载电阻R_L与负载电流曲线I(t)平方的乘积关于时间的积分，或等于由负载电压曲线与负载电流曲线I(t)的乘积关于时间的积分，或等于由负载电压曲线的平方与负载电阻R_L的比值关于时间的积分。

$>E_B={\int }_{t_0}^{t_1}{R}_L{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}={\int }_{t_0}^{t_1}\hat{U}\left(t\right)I\left(t\right)\mathrm{dt}={\int }_{t_0}^{t_1}\frac{{\hat{U}}^2\left(t\right)}{R_L}\mathrm{dt}$>

积分的界限是开始时间点t₀和结束时间点t₁,从t₀开始在应急的情况下，电力用户需要从应急能量储存装置中释放的能量，从t₁开始，电力用户不再需要从应急能量储存装置中释放的能量。

在从应急能量储存装置提取能量的过程中始终存在损耗E_V，该损耗实际上归根于应急能量储存装置的内电阻R_i。于是，储存的能量E_C等于损耗的能量E_V与可用的能量E_L的总和。

E_C＝E_V+E_L

根据本发明这样计算充电电压U_L，可用的能量E_L与能量需求E_B相等。

$>E_C-E_V=E_L\cong E_B$>

本发明的一个优化的设计指出，在所述充电电压U_L下存储在所述应急能量储存装置中的所述能量被假定为在由所述预测的能量需求E_B表示的所述负载电流曲线I(t)下的所述应急能量储存装置的内电阻R_i的损失与在所述负载电流曲线I(t)下的由所述应急能量储存装置供应的电能之和。

因此，根据本发明，为了计算充电电压U_L，假定内电阻是应急能量储存装置内部唯一损耗。即假定，已知供应的电能E_L由储存的能量E_C与由内电阻R_i和负载电流曲线I(t)平方的积关于时间的积分的差。

$>E_L=E_C-E_V=E_C-{\int }_{t_0}^{t_1}{R}_i{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$>

积分的界限同样是开始时间点t₀和结束时间点t₁,从t₀开始在应急的情况下，电力用户需要从应急能量储存装置中释放的能量，从t₁开始，电力用户不再需要从应急能量储存装置中释放的能量。

特别地，根据发明的优化的方案，应急能量储存装置是电容器，特别是超级电容器。

如下所述，电容器或超级电容器既可以表示为单个的电容器单元也可以表示为多个电容器并联和/或串联。电容器的电容量C指由多个相互连接的电容器单元的总电容量。

下面的是储存在电容器中，在充电电压为U_L的情况下，在电容器中存储的能量E_C与电容器电容量C之间的关系

$>E_C=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_L^2$>

得出下面用于确定充电电压的公式：

$>U_L=\sqrt{\frac{2}{C}(E_B+{\int }_{t_0}^{t_1}{R}_i{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt})}$>

超级电容器的概念包括电化学的电容器，该电化学的电容器既具有双层电容量也具有伪容量根据两种电容量中占主导的一个，超级电容器被划分为三类之一。双层电容器或EDLC(电子双层电容器)表示超级电容器时，在超级电容器中，双层电容量占优势。用伪电容器表示超级电容器时，在超级电容器中，伪电容量占优势。用混合电容器表示超级电容器，在混合电容器中，双层电容量与伪电容量为超级电容器的总电容量C贡献几乎相同的电容量。

根据本发明的一个优选的方案，在计算充电电压U_L时，储存在在应急能量储存装置中的充电电压U_L的能量仅仅考虑部分能量E_T，其中所述部分能量E_T是对应于在所述充电压电U_L下储存在所述电容器中的能量与在下限电压下的所述电容器的能量差值的能量。

出于技术的原因，如果电容器的电压低于临界电压U_G，有些电力用户不能再获得电容器中的能量。至此，根据本发明，在电容器中的电压到达临界电压U_G时未被使用的能量E(U_G)在计算充电电压U_L时没有考虑，即将能量额E(U_G)从储存在电容器中的充电电压U_L的能量E(U_L)中减去。由此，得出为了计算充电电压U_L而考虑的部分能量E_T：

$>E_T=E\left(U_L\right)-E\left(U_G\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_L^2-\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_G^2$>

下面得出用于计算充电电压的修正公式：

$>U_L=\sqrt{U_G^2+\frac{2}{C}(E_B+{\int }_{t_0}^{t_1}{R}_i{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt})}$>

根据本发明的另一个优化的方案，预测的能量需求E_B增加一安全校正函数和/或能量需求E_B乘以安全校正函数.

考虑到特别是在内电阻上R_i产生的损耗的情况下，为了确保储存在应急能量储存装置中的能量足够满足预测的能量需求E_B，借助于安全校正函数优化调整预测的能量需求E_B是有利的。特别地，通过调整，提高了预测的能量需求E_B，同样导致计算的充电电压U_L转而大于未借助于安全校正函数调整的预测的能量需求E_B。由于预测的能量需求E_B既可以是绝对能量值，也可以是时间的函数，所以安全校正函数同样可以通过绝对值或依赖时间的函数确定。

此外，优选地，计算的充电电压U_L增加一常数值和/或乘以安全系数。

代替或附加用于后来的能量需求E_B的调整，充电电压U_L也可以根据计算进行调整。特别地，为了在考虑内电阻R_i上出现的损耗的情况下满足能量需求E_B，通过该调整同样确保在应急能量储存装置中存储的能量是足够的。

根据本发明的另一个优化的方案，执行负载测试，并且，预测的能量需求E_B至少部分地依据测试的结果。

在这种情况下，负载测试是指电力用户在正常运行或应急情况期间，对应急能量储存装置释放的能量的测试。凭借该测试能量需求E_B可以用于以后的应急情况下的准确估算。由此，负载测试的结果用于预测电力用户的能量需求E_B。与此同时，能量需求E_B的预测既可以部分或者全部地基于负载测试。因此，在后者情况下，可以假设，在以前应急情况下，电力用户的能量需求E_B基本上等于在以后的应急状况下的电力用户的能量需求E_B。

本发明的一个优化的方案是，电力用户具有电机，特别是变桨发动机。

特别地，根据本发明的方法对于电力用户是有利的，在该电力用户中，维护或更换应急能量储存装置是非常昂贵的。这尤其是在风能装置中，特别是在近海风能装置中变桨系统的情况。

根据发明的另一个优化的方案是，依据计算的充电电压U_L和/或预测的能量需求E_B和/或确定的电容量C和/或某个内电阻R_i输出状态信号。

例如，状态信号可以是电信号，包含关于计算的充电电压U_L的信息。该信息可能是计算电压U_L自身或在某一值域内的计算的充电电压U_L。信号也可以是光学的，即电磁属性的，或声学的，例如，声学的预警信号。更多的不同的属性的信号输出属于本发明的范畴。

本发明的特别地优化的方案是，如果计算的充电电压U_L不大于第一临界值，则输出第一状态信号。

例如，第一临界值值可以描述成数值，低于该数值，应急能量储存装置能正常运行，即，该应急能量储存装置可以满足规定程度的功能。

本发明的优化的改进方案是，如果计算的充电电压U_L大于第一临界值并且不大于第二临界值，则输出第二状态信号。

特别地，第二状态信号包含信息，该信息表示虽然应急能量储存装置能正常运行，但是，为了保证应急能量储存装置的运行功能，在某一时间区间内应急能量储存装置必须进行维护。

根据发明的另一优化的方案，如果计算的充电电压U_L大于第二临界值并且不大于第三临界值，输出第三状态信号。

特别地，第三状态信号可以包含信息，该信息表示虽然应急能量储存装置仍正常运行，但应急能量储存装置即将出现故障，即，应急能量储存装置需要进行修理或更换，。

由发明中推断出，如果当计算的充电电压U_L大于第三临界值，输出第四状态信号是非常有益的，从而第三临界值将是最大允许充电电压U_L,max。

第四状态信号表明，应急能量储存装置不能满足其想要的功能，因为即使在最大充电电压U_L,max情况下，考虑到特别是内电阻R_i出现损耗时，储存在应急能量储存装置中的能量E_C不足以满足预测的能量需求E_B。

根据发明的优选的方案，即，如果计算的充电电压U_L大于最大允许充电电压U_L,max，将计算电压U_L减小到最大允许充电电压U_L,max。

因此，如果计算的充电电压U_L大于最大允许充电电压U_L,max，应急能量储存装置将无法通过原始的计算的充电电压U_L进行充电，而是只能通过最大允许充电电压U_L,max进行充电。这是一种保护功能，目的在于保护在高电压下应急能量储存装置不会受到损坏或甚至摧毁。

在其他的观点中，发明涉及用于执行根据本发明的方法的计算机程序产品。例如，在该计算机程序产品中可以处理计算机程序，将该程序在变桨系统中的控制单元中运行，其中该变桨系统具有运行方法步骤的必要工具。

具体来说，目前存在很多可能性用来设计及改进根据本发明的用于电力的应急能量储存装置充电的方法。对此，参阅根据权利要求1的从属权利要求及参照附图，详细描述根据本发明的优选实施例。

附图说明

图1为在本发明的第一实施例中的根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了应急能量储存装置及电力用户2，其中，应急能量储存装置在应急情况下接收电力用户2的能量供给。为了预测电力用户2的能量需求E_B，提供了用于预测电力用户2的能量需求E_B的工具3，通过用于预测电力用户2的能量需求E_B的工具3预测的电力用户2的能量需求E_B将通过安全校正函数进行调整，并且而后，调整后的能量需求导入计算工具5。另外，计算工具5获得应急能量储存装置的电容量C及应急能量储存装置的内电阻R_i，此前该内电阻已确定。通过调整后的能量需求应急能量储存装置的电容量C及应急能量储存装置的内电阻R_i并利用计算工具5计算充电电压U_L，其中，充电电压U_L这样计算，使得考虑到特别是在内电阻R_i上出现的消耗情况下，在充电电压U_L下储存到应急能量储存装置中的能量E_C正好满足调整的能量需求

借助于调整工具6，计算工具5计算的充电电压U_L将增加一常数值和/或乘以安全系数。该调整的结果就是调整的充电电压将该调整的充电电压通知给充电装置7。随后，充电装置7为应急能量储存装置1充电或放电，直到调整的充电电压

用于预测电力用户2的能量需求E_B的工具3、安全校正函数4、计算工具5及调整工具6优选地以在控制单元8上运行的软件形式构成。例如，控制单元8可以构成为风能装置变桨系统的可储存编程的控制单元。

附图标记说明

1.应急能量储存装置

2.电力用户

3.用于预测电力用户的能量需求E_B的工具

4.安全校正函数

5.计算工具

6.调整工具

7.充电单元

8.控制单元