中压直流耦合器及直流网系统 |
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| 申请号 | CN202410169444.1 | 申请日 | 2024-02-06 | 公开(公告)号 | CN117955076A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 朝辉时代(太仓)能源科技有限公司; | 发明人 | 杨奇; 翁永凤; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种中压直流 耦合器 ，包括耦合 开关 ，限流单元、控 制模 块 、第一开关和第二开关，所述电气 二极管 与第一开关 串联 ；所述限流单元与第二开关串联；所述电气二极管和第一开关串联的整体与限流单元和第二开关串联后的整体并联，将并联后的整体与耦合开关并联；所述耦合开关一端连接直流总线，另一端连接直流储能柜；所述 控制模块 一端连接耦合开关,另一端连接第二开关，输出BMS 信号 连接到直流耦合柜；本发明兼容各种直流保护，可替代直流通信、 电池 BMS保护组件、中压直流并联管理、中压直流并网应用等，是一种高度集成的综合直流通道管理器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种中压直流耦合器，其特征在于：包括， |
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| 说明书全文 | 中压直流耦合器及直流网系统技术领域背景技术[0002] 随着传统化石能源的日益短缺和环境问题的突出，新能源作为一种新型可再生清洁能源，获得了大规模的应用和推广。风力和光伏作为新能源发电的重要应用形式，近年来迅猛发展，其技术也不断更新和进步。同时，由于风力和光伏发电受到环境的影响，发电输出存在一定的随机性和波动性。对了一些应用场合，需要采用储能装置对光伏和风力发电进行储存和保持稳定电压或功率输出，在这些应用场合一般需要两个或两个以上的变换控制电路来实现。对于一些需要储能和直流供电的场合，如果使用两个独立的DCDC控制电路，一方面会增加系统的成本和整体体积，另一方面也会降低系统的整体效率，特别是难以直接发挥电池系统的直流稳压能力。由于光伏风力发电系统的应用限制，常规的基本DCDC双向变换电路无法很好的满足应用需求。为了发挥新能源消纳，电网未来发展的一个重要趋势就是交直流共生模式，一些主要的应用将采用直流网替代传统交流网；直流网的特性和传统交流电网存在很大区别，特别是直流电是持续电流，不过零点，很多传统开关组件均难以胜任直流的接触和分断。 [0003] 传统开关的分断接触靠内部触点，由于直流电是一种连续的电流，传统开关在面对直流分段和闭合的过程中，拉弧问题会更严重。在交流下通道管理的过程中，由于交流电是一种玄波，它会周期性通过零点，采用一些简单的格栅处理传统开关就可以有效的避开拉弧问题。直流电因为没有零点，开关触点就很容易出故障，导致粘连和损坏。要解决直流这个通道管理，首先要解决开关的问题。目前为止，全行业没有真正可靠的直流大功率开关。 [0004] 耦合器是作为电力电子技术领域中应用十分广泛的电力器件，随着光伏和风力发电等新能源技术的发展，对新型耦合器带来了新的需求，作为电能管理的重要环节，其性能影响直流组网的功能实现性和运行可靠性。直流耦合器作为连通中压直流网、中压直流电源和储能的关键部件，中压直流耦合器的研究成为一种热门的研究方向。 发明内容[0005] 为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中两个独立DCDC控制电路系统工作效率低下以及基本双向DCDC变换电路无法满足应用需求，并且很多传统开关组件均难以胜任直流的接触和分断，提供了一种中压直流耦合器以及防浪涌开关组，所述中压直流耦合器是直流组网中依托储能特性和直流电源接入而研制的专用通道管理器，兼容各种直流保护，包括并不限于直流并网、储能保护、光伏直流并网及保护、直流风能并网及保护等。其作为独立产品设计，可替代直流通信、电池BMS保护组件、中压直流并联管理、中压直流并网应用等，是一种高度集成的综合通道管理器，大大提高了直流组网的工作效率。 [0006] 第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种中压直流耦合器，包括，第一直流侧和第二直流侧；耦合开关KM，所述耦合开关KM的两端分别连接所述第一直流侧和第二直流侧；第一开关K1，所述第一开关K1的两端分别连接所述第一直流侧和第二直流侧；限流单元；第二开关K2，所述第二开关K2与所述限流单元串联，且两者串联后的整体连接所述第一直流侧和第二直流侧；所有开关初始状态均为断开，在计入系统前，由控制电路进行内外差识别；其中，当所述第一直流侧和所述第二直流侧两者的电压差等于电压阈值时，所述耦合开关KM导通，所述第一开关K1和第二开关K2均断开，此时两侧直流电可以直接导通；当所述第一直流侧和所述第二直流侧两者的电压差大于电压阈值时，所述第二开关K2导通，所述耦合开关KM和第一开关K1均断开，限流单元开启工作，将高电压侧电流以限流状态向低电压测引流，直到电压差小于阈值；当所述第一直流侧和所述第二直流侧两者的电压差小于电压阈值时，所述第一开关K1导通，所述耦合开关KM和第二开关K2均断开。 [0008] 在本发明的一个实施例中，所述电压阈值设置为2～5V，可以在特定要求下设置。 [0010] 在本发明的一个实施例中，所述耦合开关KM包括第三开关K3、第四开关K4和第一电感，第三开关K3和第四开关K4串联，第一电感并联在第三开关K3的两端，第三开关K3和第四开关K4串联的整体一端连接第一直流侧，另一端连接第二直流侧；当耦合开关KM需要闭合时，先闭合第四开关K4，在闭合第三开关K3；当耦合开关KM需要断开时，先断开第三开关K3，再断开第四开关K4。 [0011] 在本发明的一个实施例中，所述耦合开关KM包括第七开关K7、第八开关K8和第二电感，第二电感并联在第八开关K8的两端，第七开关K7和第八开关K8串联的整体一端连接第一直流侧，另一端连接第二直流侧；当耦合开关KM需要闭合时，先闭合第七开关K7，在闭合第八开关K8；当耦合开关KM需要断开时，先断开第八开关K8，再断开第七开关K7。 [0012] 在本发明的一个实施例中，还包括电容，所述电容并联在第二电感的两端，所述耦合开关KM在设计过程中，开关分断和闭合次序不变。 [0013] 在本发明的一个实施例中，所述耦合开关KM包括第五开关K5、第六开关K6、第二二极管和第三二极管；当需要过充保护时，第五开关K5断开第六开关K6闭合，所述直流储能柜停止充电并进入自平衡状态，且不影响电池系统对外放电；当需要过放保护时，第六开关K6断开第五开关K5闭合，此时所述直流储能柜只接受充电。 [0014] 在本发明的一个实施例中，所述直流网包括中压光伏电源、中压风力电能和其他中压直流电源。 [0015] 第二方面，为解决以上技术问题，本发明提供了一种直流网系统，包括所述中压直流耦合器，以及直流储能柜，所述中压直流耦合器的第一直流侧连接所述直流储能柜，所述中压直流耦合器的第二直流侧连接直流网。 [0016] 本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：所述中压直流耦合器，兼容各种直流保护，包括并不限于直流并网、储能保护、光伏直流并网及保护、直流风能并网及保护等。所述中压直流耦合器可替代直流通信、电池BMS保护组件、中压直流并联管理、PCS智能预充、电池涓流修复、电池自我诊断、中压直流并网应用等，是一种高度集成的综合通道管理器。防浪涌开关组在实际控制中明显分开了闭合管理和分段管理的次序，能够安全闭合。附图说明 [0017] 为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。 [0018] 图1为本发明优选实施例中中压直流耦合器的内部原理图； [0019] 图2为本发明优选实施例中BCU耦合器的结构图； [0020] 图3为本发明优选实施例中DCU耦合器的结构图； [0021] 图4为本发明优选实施例中防浪涌开关组件结构图； [0022] 图5为本发明优选实施例中简化直接扼流电路结构图。 [0024] 2‑控制模块；3‑直流储能柜； [0025] 21‑限流单元；22‑旁路开关；23‑比较器和运算电路；24‑过充二极管；25‑过放二极管；26‑驱动电路； [0026] 51‑控制电路；52‑电感；53‑无极电容。 具体实施方式[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。 [0028] 参照图1所示，本发明公开了一种中压直流耦合器，包括第一直流侧和第二直流侧；耦合开关KM，所述耦合开关KM的两端分别连接所述第一直流侧和第二直流侧；第一开关K1，所述第一开关K1的两端分别连接所述第一直流侧和第二直流侧；限流单元；第二开关K2，所述第二开关K2与所述限流单元串联，且两者串联后的整体连接所述第一直流侧和第二直流侧；其中，当所述第一直流侧和所述第二直流侧两者的电压差等于电压阈值5V时，所述耦合开关KM导通，所述第一开关K1和第二开关K2均断开，此时两侧直流电可以直接导通；当所述第一直流侧和所述第二直流侧两者的电压差大于电压阈值5V时，所述第二开关K2导通，所述耦合开关KM和第一开关K1均断开，限流单元开启工作，将高电压侧电流以限流状态向低电压测引流，直到电压差小于阈值；当所述第一直流侧和所述第二直流侧两者的电压差小于电压阈值5V时，所述第一开关K1导通，所述耦合开关KM和第二开关K2均断开用于电池修复。以上根据不同的要求，可设定特定算法，如单向导通、双向导通、双向分离，全部脱离等，以便于直流组网的特殊控制要求。还包括控制模块，所述控制模块同时连接所述耦合开关KM、所述第一开关K1、所述第二开关K2和所述限流单元,输出BMS信号连接到直流耦合柜。所述中压直流耦合器的派生种类有很多，可替代直流通信，是一种高度集成的综合通道管理器。 [0029] 所述限流单元21，可以智能控制往返直流电在5mA～5A之间，用于替代传统预充电阻，可实现智能化设置；同时，所述限流单元21可以使得电池簇并联时，可以将高电压电池能量以限流充电方式转换到低电压电池，以实现并联平衡，最后对齐电压实现并包；所述限流单元21还可以将储能电压向直流网电压考虑，最后对齐接入系统；当电池系统被诊断为严重不均衡或衰减，可以控制该限流单元21以50～100mA小电流对电池涓流充电，配合电池BMS均衡实现电池修复；修复率95％以上。这些功能均是电池系统保障安全的重要措施，基于电池根本电化学特性，可大幅减少电池衰减和安全隐患。 [0030] 所述中压直流耦合器在同一控制原理下，有两种型号包括BCU耦合器和DCU耦合器。参照图2所示，BCU耦合器内置旁路包括限流单元21、控制模块、第五开关K5、第六开关K6和对顶二极管包括第二二极管24和第三二极管25。所述控制模块包括驱动电路26、比较器电路和运算电路23，限流单元21与旁路开关22串联，串联之后的整体与对顶二极管并联，对顶二极管的两端分别并联一个开关包括第五开关K5和第六开关K6。所述比较器电路与运算电路串联，串联之后的整体与驱动电路26并联，其中驱动电路接入12～24V的电源；所述控制模块的输入端口分别连接第五开关K5，第六开关K6，旁路开关22，输出端口输出BMS信号和对外can通信；所述比较器电路和运算电路23一端接入直流网，采集外电压；另一端连接直流储能柜3，采集内电压。其中比较器电路负责测量电源侧电压和直流网侧电压并进行电压对比，同时可接受内外信号输入，所述BMS信号包括过充信号和过放信号、温度异常信号、电流异常信号、气味信号、SOC分析信号等。所述运算电路本身具有通信功能，兼顾CAN2.0、485通信。耦合开关KM为2个开关串联，一个负责管理过充电即第五开关K5，一个负责管理过放电即第六开关K6，在直流网的运行中，电池系统一般直接挂接在直流网上，必然会面对充电和放电两种直流电态势，当需要过充保护的时候，第五开关K5断开，电池组停止充电并进入自平衡状态，但不影响电池系统对外放电；当需要过放保护的时候，第六开关K6断开第五开关K5闭合，此时电池系统只接受充电。 [0031] 当电源系统要并入直流网的过程中，比较器电路和运算电路23先同时监测内外电压，当内外电压差低于某个阈值为5V，驱动器首先开启限流单元21实现内外导通，再闭合开关组，实现直联。它不仅能够实现多簇电池的安全并联，也能安全实现直流并网。 [0032] 参照图3所示，DCU耦合器是BCU耦合器的延伸设计，取消了与第五开关K5和第六开关K6的对顶二极管，将电感与第三开关K3并联。所述DCU耦合器在开关组方面增加了直流抗浪涌功能，其主要作用通过开关组合结合电感用于防止开关过流粘连。在直流接入和分断的过程中，触点粘连是对系统导致各种安全隐患的原因。和交流电相比，由于直流电为持续电流，没有零点，因此传统开关触点的灭弧措施效果有限，不能保证触点的安全。DCU耦合器中同样采用双开关组合，此结构可以满足现有直流开关应用。 [0033] DCU耦合器兼顾直流并网、限流保护、过充过放保护、SOC通信及控制通信多种功能,其控制方法和BCU耦合器略有区别，更适合多簇挂网。所述DCU耦合器的主要特点在于开关组实际控制均为同开同断，控制器在驱动开关工作时，内置延时电路，兼顾直流并网时的浪涌控制。当系统需要分断时先分断第三开关K3，待所述电感L1平稳后再分断第四开关K4，利用电感L1瞬间蓄能减少第四开关K4分断浪涌，可有效保护第三开关K3和第四开关K4触点。当控制器驱动开关闭合时，先接通限流电路21，随后则先闭合第四开关K4，等电感稳定后再闭合第三开关K3主路。所示DCU耦合器可以有效保护开关组件，过程中也能够识别2个开关的状态。 [0034] 参照图4所示，当直流电需要闭合的过程中，首先闭合第七开关K7，此时串联电感将有效扼流，并积蓄能量；利用电感52电流延迟的天然效应，可保证第七开关K7安全实现闭合，当触点安全闭合之后，浪涌电流对触点的冲击就不会产生粘连效应。电感扼流时间接近1秒，而继电器完成闭合动作仅需20ms。约100ms后，再闭合第八开关K8，LC震荡过程中，产生玄波电流，属于交流电，则第八开关K8同样可以安全闭合；分断的时候，反过来，驱动电路先驱动第八开关K8分断，延时100～200ms后再驱动第七开关K7分断。 [0035] 参照图5所示，开关组中实际设计可以去掉无极电容53，具有同样的效果，开关分断和闭合次序不变，而延时时间略作调整，其结果等同。该结构经过100万次测试，开关寿命接近其机械寿命，已证明安全可靠，可以解决长期以来直流分断和接触的难题。 [0036] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。 |
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