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CN113555854B - 用于飞跨电容变换器的短路电流抑制电路与具有其的储能系统 - Google Patents

用于飞跨电容变换器的短路电流抑制电路与具有其的储能系统 Download PDF

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CN113555854B CN202010334464.1A CN202010334464A CN113555854B CN 113555854 B CN113555854 B CN 113555854B CN 202010334464 A CN202010334464 A CN 202010334464A CN 113555854 B CN113555854 B CN 113555854B
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Abstract

本发明公开了一种飞跨电容变换器及用于其的短路电流抑制电路与储能系统。飞跨电容变换器包括有控制器，且飞跨电容变换器的高压侧与第一电源相连接，飞跨电容变换器的低压侧是与第二电源相连接，短路电流抑制电路包括：至少一电流检测部件，连接于飞跨电容变换器的低压侧及/或高压侧；以及至少一开关组件，串联连接于飞跨电容变换器的高压侧及/或低压侧，其中，当电流检测部件检测到短路情况时，控制器控制开关组件以断开飞跨电容变换器与第一电源之间及/或飞跨电容变换器与第二电源之间的连接。本发明能够快速抑制飞跨电容变换器的短路电流，降低变换器本身的短路容量，并可提高由多个飞跨电容变换器组成的储能系统的短路可靠性。

Description

用于飞跨电容变换器的短路电流抑制电路与具有其的储能 系统
技术领域
本发明涉及一种短路电流抑制电路，特别是涉及一种用于飞跨电容变换器的短路电流抑制电路、具有所述短路电流抑制电路的飞跨电容变换器、与具有所述飞跨电容变换器的储能系统。
背景技术
目前，飞跨电容变换器已开始被应用于储能系统中，如图1所示，多个飞跨电容变换器(例如图1中所示的变换器#1、变换器#2、……、变换器#n等n个变换器)的一端是连接到直流电网或者直流公共母线，另一端是连接到储能元件，诸如超级电容或者电池(例如图1中所示的电池Battery-1、电池Battery-2、……、电池Battery-n等n个电池)。
在实际应用时，直流公共母线上会连接有多个飞跨电容变换器，用以分别给多个储能元件进行充放电。当其中一个变换器发生短路时，单个变换器可以提供的短路电流仅为数百安培。但是由于多个变换器并联在一起，每一个变换器都会向短路点提供短路电流，而短路电流的数值取决于并联的变换器的个数，当并联的变换器的数量增加后，会形成很大的短路电流，此短路电流会造成某些器件过流过热损坏，如果短路电流不能及时消除，会引起更大的短路事故或者火灾。
例如，在图1中，当其中一个飞跨电容变换器的内部发生短路时，例如变换器#2的ab点之间发生短路(如图1中ab点之间的箭头所示)，会导致系统存在如下问题：
(1)故障变换器内部的二极管D1/D2无法关断来自储能元件的短路电流；
(2)造成直流公共母线的短路，引起其他变换器的短路，导致整个系统故障；
(3)其他变换器的短路电流都会流向发生短路的故障变换器#2的短路点，例如，当每个变换器的短路电流是100A时，如果100个变换器并联，流过短路点的总短路电流就是10kA，而过大的总短路电流会造成发生短路的故障变换器的熔断器无法有效断开；
(4)过大的总短路电流会造成发生短路的故障变换器的机械部件的过热损坏；
(5)过大的总短路电流会造成在变换器设计时，难以选择满足短路容量的器件，或是必须选择大容量的器件，导致变换器成本升高；
(6)总短路电流不会流过位于直流公共母线上的熔断器，例如熔断器Fuse_a/Fuse_b，不会触发总的熔断器Fuse_a/Fuse_b保护。
因此，迫切需要一种用于飞跨电容变换器的短路电流抑制电路，以期能够快速抑制单个变换器的短路电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞跨电容变换器及用于其的短路电流抑制电路与储能系统，可以快速抑制单个变换器的短路电流。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于飞跨电容变换器的短路电流抑制电路，所述飞跨电容变换器包括有至少一功率开关，以及控制器，且所述飞跨电容变换器的高压侧与第一电源相连接，所述飞跨电容变换器的低压侧是与第二电源相连接，其特点在于，所述短路电流抑制电路包括：至少一电流检测部件，连接于所述飞跨电容变换器的所述低压侧及/或所述高压侧；以及至少一开关组件，串联连接于所述飞跨电容变换器的所述高压侧及/或所述低压侧，其中，当所述电流检测部件检测到短路情况时，所述控制器控制所述开关组件以断开所述飞跨电容变换器与所述第一电源之间及/或所述飞跨电容变换器与所述第二电源之间的连接。
在本发明的一实施例中，每一所述开关组件包括两个反向串联连接的开关元件，并与所述飞跨电容变换器的所述控制器连接。
在本发明的一实施例中，每一所述开关组件还包括至少一个机械开关，并与所述两个反向串联连接的开关元件串联连接。
在本发明的一实施例中，所述电流检测部件检测到短路情况时，根据检测的电流方向判断短路情况发生在所述飞跨电容变换器内部或外部。
在本发明的一实施例中，所述电流检测部件检测到短路情况时，所述控制器控制所述开关元件断开。
在本发明的一实施例中，当短路情况发生在飞跨电容变换器内部，所述控制器还控制与所述开关元件串联的所述机械开关断开。
为了实现上述目的，本发明还提供一种飞跨电容变换器，其特点在于，包括有如上所述的短路电流抑制电路。
在本发明的一实施例中，所述飞跨电容变换器为三电平飞跨电容变换器，包括依次串联连接的第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关、飞跨电容以及输出电容，所述第一功率开关和第四功率开关连接于高压侧；所述飞跨电容跨接于第二功率开关和第三功率开关的两端；所述第二功率开关和第三功率开关的连接点通过一电感耦接于低压侧。
在本发明的一实施例中，所述飞跨电容变换器为多电平飞跨电容变换器，包括依次串联连接的多个功率开关，以及多个飞跨电容。
在本发明的一实施例中，所述功率开关和所述开关元件包括Si MOSFET、SiCMOSFET、GaN FET或IGBT中的至少一类。
为了实现上述目的，本发明又提供一种储能系统，其包括：多个如上所述的飞跨电容变换器；电源，其正端与每一所述飞跨电容变换器的高压侧的正输入端相连接，其负端与每一所述飞跨电容变换器的高压侧的负输入端相连接；以及多个储能元件，每一所述储能元件对应连接于每一所述飞跨电容变换器的低压侧的正输出端和负输出端之间。
在本发明的又一实施例中，所述电源为一直流电网或一直流公共母线，所述多个储能元件为电池或者超级电容。
本发明能够快速抑制飞跨电容变换器的短路电流，降低变换器内部器件的短路容量要求，并可提高由多个飞跨电容变换器组成的储能系统的短路可靠性。本发明在储能系统中某一变换器发生故障时，可旁路掉故障变换器，保证系统稳定运行。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1为现有技术的飞跨电容变换器应用于储能系统的电路结构示意图；
图2为本发明一较佳实施例的飞跨电容变换器及用于飞跨电容变换器的短路电流抑制电路的结构示意图；
图3为本发明如图2所示的飞跨电容变换器应用于一储能系统的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。实施方式中可能使用相对性的用语，例如“上”或“下”以描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”侧的组件将会成为在“下”侧的组件。此外，权利要求书中的术语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
本发明的飞跨电容变换器包括有控制器，且其高压侧是与第一电源相连接，低压侧是与第二电源相连接。本发明的飞跨电容变换器还包括有短路电流抑制电路，其包括有至少一电流检测部件以及至少一开关组件。所述至少一电流检测部件是连接于所述飞跨电容变换器的低压侧及/或高压侧。所述至少一开关组件是串联连接于所述飞跨电容变换器的高压侧及/或低压侧。其中，当所述电流检测部件检测到短路情况时，所述飞跨电容变换器的控制器能够控制所述开关组件以断开所述飞跨电容变换器与所述第一电源之间及/或所述飞跨电容变换器与所述第二电源之间的连接。如此，本发明可以有效抑制飞跨电容变换器的短路电流，并且，通过控制开关组件断开，可以旁路掉故障变换器。
如图2所示，其示出了本发明的一较佳实施例的飞跨电容变换器及其短路电流抑制电路的结构。在本图2所示的较佳实施例中，飞跨电容变换器200包括有四个依次串联连接的开关元件21，例如包括开关元件S1/D1、S2/D2、S3/D3、S4/D4。以开关元件S1/D1为例，其是由一可控开关S1及一二极管D1组成，其中二极管D1可以为可控开关S1的体二极管，也可以为外接的二极管。飞跨电容变换器200还包括有控制器(图中未示出)，其是与这些开关元件S1/D1、S2/D2、S3/D3、S4/D4连接并控制前述开关元件的动作。飞跨电容变换器200还包括有输入电容C1、飞跨电容C2以及输出电容C3，所述输入电容C1是连接于高压侧(HV side)，即连接于所述四个开关元件21的输入侧的节点a和节点b之间；所述飞跨电容C2是跨接于中间两个开关元件21(即S2/D2和S3/D3)的两端；所述输出电容C3是通过一电感L1连接于低压侧(LV side)，即连接于低压侧两个开关元件21(即S3/D3和S4/D4)的输出侧的节点c和节点d之间。如此，可组成一个飞跨电容三电平变换器。当然，可以理解的是，在其它实施例中，所述飞跨电容变换器的电路也可以为其它本领域技术人员习知的多电平电路拓扑结构，例如飞跨电容四电平变换器，这并不作为对本发明的限制。
在图2所示的较佳实施例中，本发明的飞跨电容变换器200还包括有短路电流抑制电路，其包括有电流检测部件CS1和CS2，其是分别连接于所述飞跨电容变换器200的高压侧及低压侧，可用以分别检测高压侧及低压侧的电流。所述短路电流抑制电路还包括有分别串联连接于所述飞跨电容变换器200的高压侧及低压侧的开关组件23，每一所述开关组件23可包括两个彼此反向串联连接并与所述飞跨电容变换器200的控制器连接的开关元件231，例如包括位于高压侧的开关元件S5/D5、S6/D6以及位于低压侧的开关元件S7/D7、S8/D8。以位于高压侧的开关元件S5/D5为例，其是由一可控开关S5及一二极管D5组成。所述飞跨电容变换器200的控制器还分别与这些开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8连接。当在这些开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8上施加的驱动信号为高电平时，这些开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8是处于开通状态；当施加的驱动信号为低电平时，这些开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8断开。
优选的，所述开关元件21和开关组件23中的开关元件231包括Si MOSFET、SiCMOSFET、GaN FET或IGBT中的至少一类。
优选地，每一所述开关组件23还包括有机械开关232，分别与高压侧和低压侧的两个反向串联连接的开关元件231串联连接。例如，机械开关K1、电流检测部件CS1与开关元件S5/D5、S6/D6是设置于高压侧的正母线；机械开关K4与开关元件S5/D5、S6/D6是设置于低压侧的负母线，而电流检测部件CS2是设置于低压侧的正母线。
较佳地，在高压侧的负母线上还可设置机械开关K2，在低压侧的正母线上还可以设置机械开关K3。更佳地，在高压侧的正母线和负母线、以及低压侧的正母线和负母线上还可以分别设置一个熔断器24，例如熔断器Fuse1～Fuse4。并且，所述飞跨电容变换器200的控制器还可以与所述机械开关K1～K4控制连接。
在图2所示的较佳实施例中，本发明的飞跨电容变换器200的高压侧可与第一电源相连接，低压侧可与第二电源相连接。
在本发明中，当电流检测部件检测到短路情况时，可根据检测电流的方向判断短路情况发生在飞跨电容变换器内部或外部。并且，当电流检测部件检测到短路情况时，飞跨电容变换器的控制器可控制开关元件断开。较佳地，当短路情况发生在飞跨电容变换器内部，飞跨电容变换器的控制器还控制与开关元件串联的机械开关断开。
举例而言，在图2中，当飞跨电容变换器200正常运行时，高压侧和低压侧都连接有电源或者储能元件。当发生短路故障时，电流检测部件CS1和CS2会检测到有某个数值的短路电流，并快速做出判断，从而关闭开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8的驱动。
具体而言，变换器200内部的电流检测部件CS1和CS2，可以判断出短路电流的方向，进而区分出是模块内部短路还是模块外部短路。
如果短路故障发生在变换器外部，例如高压侧的正负极短路，电流检测部件CS1会检测到电流增加。当检测到的电流达到某个过流保护阈值时，变换器可通过快速硬件比较电路，产生过流保护信号，关闭开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8的驱动信号，以断开与高压侧的连接，从而可快速地切断来自变换器内部电容和来自低压侧储能元件的短路电流。如此，可在熔断器保护之前就已经切断短路回路，从而可避免熔断器Fuse1、熔断器Fuse2、机械开关K1、机械开关K2的过流损坏。
如果短路故障发生在变换器内部，例如节点a和节点b之间，电流检测部件CS1会检测到电流增加。当检测到的电流达到某个过流保护阈值时，变换器可通过快速硬件比较电路，产生过流保护信号，变换器的控制器会先快速关断开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8的驱动信号，切开短路回路；然后变换器#2的控制器会发出指令，断开机械开关K1、K2、K3、K4，切断该故障变换器，使得短路故障被限制在变换器内部，从而保证了系统中其他变换器的稳定运行。
如图3所示，其示出了本发明的具有短路电流抑制电路的飞跨电容变换器应用于储能系统的结构。其中，本发明的储能系统包括有电源100、多个飞跨电容变换器200以及多个储能元件300。其中，所述飞跨电容变换器200例如包括变换器#1、变换器#2、……、变换器#n等n个变换器，其结构例如可如图2所示。所述电源100例如可为一直流电网或一直流公共母线，其正端是与每一所述飞跨电容变换器200的高压侧的正输入端相连接，其负端是与每一所述飞跨电容变换器200的高压侧的负输入端相连接。每一所述储能元件300是对应连接于每一所述飞跨电容变换器200的低压侧的正输出端和负输出端之间，其例如可为电池。
下面将结合图3，进一步说明本发明的储能系统的优点：
(1)例如，当变换器#2的节点a和节点b之间发生短路故障时，变换器#2的控制器在检测到短路电流后，会关闭开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8的驱动信号，断开与高压侧的连接，从而可阻止变换器#2引起其他并联的变换器的短路；
(2)例如，变换器#2内部发生短路后，变换器#2的控制器会先快速关断开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8的驱动信号，切开短路回路；然后变换器#2的控制器会发出指令，断开机械开关K1、K2、K3、K4，切断该故障变换器(即变换器#2)，使得短路故障被限制在变换器#2内部，从而保证了系统中其他变换器的稳定运行；
(3)本发明的变换器添加了开关元件S5/D5、S6/D6、S7/D7、S8/D8，降低了变换器本身的熔断器的短路容量，有利于降低器件成本。
本发明的飞跨电容变换器，通过其中的短路电流抑制电路，能够快速抑制飞跨电容变换器的短路电流，降低变换器内部器件的短路容量，并可提高由多个飞跨电容变换器组成的储能系统的短路可靠性。本发明在储能系统中的某个变换器发生故障时，可旁路掉故障变换器，保证系统稳定运行。
本发明的飞跨电容变换器可广泛应用于轨道交通、电力、新能源发电、分布式储能、大功率传动等领域。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (10)

1.一种用于飞跨电容变换器的短路电流抑制电路，所述飞跨电容变换器包括有至少一功率开关，以及控制器，且所述飞跨电容变换器的高压侧与第一电源相连接，所述飞跨电容变换器的低压侧是与第二电源相连接，其特征在于，所述短路电流抑制电路包括：
至少一电流检测部件，连接于所述飞跨电容变换器的所述低压侧及/或所述高压侧；
至少一开关组件，串联连接于所述飞跨电容变换器的所述高压侧及/或所述低压侧，每一所述开关组件包括两个反向串联连接的开关元件，并与所述飞跨电容变换器的所述控制器连接，每一所述开关组件还包括至少一个机械开关，并与所述两个反向串联连接的开关元件串联连接，其中，当所述电流检测部件检测到短路情况时，所述控制器控制所述开关组件以断开所述飞跨电容变换器与所述第一电源之间及/或所述飞跨电容变换器与所述第二电源之间的连接。
2.根据权利要求1所述的短路电流抑制电路，其特征在于，所述电流检测部件检测到短路情况时，根据检测的电流方向判断短路情况发生在所述飞跨电容变换器内部或外部。
3.根据权利要求1所述的短路电流抑制电路，其特征在于，所述电流检测部件检测到短路情况时，所述控制器控制所述开关元件断开。
4.根据权利要求2所述的短路电流抑制电路，其特征在于，当短路情况发生在飞跨电容变换器内部，所述控制器还控制与所述开关元件串联的所述机械开关断开。
5.根据权利要求1所述的短路电流抑制电路，其特征在于，所述飞跨电容变换器为三电平飞跨电容变换器，包括依次串联连接的第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关，以及飞跨电容，所述第一功率开关和第四功率开关连接于高压侧；所述飞跨电容跨接于第二功率开关和第三功率开关的两端；所述第二功率开关和第三功率开关的连接点通过一电感耦接于低压侧。
6.根据权利要求1所述的短路电流抑制电路，其特征在于，所述飞跨电容变换器为多电平飞跨电容变换器，包括依次串联连接的多个功率开关，以及多个飞跨电容。
7.根据权利要求1至6中任一所述的短路电流抑制电路，其特征在于，所述功率开关和所述开关元件包括Si MOSFET、SiC MOSFET、GaN FET或IGBT中的至少一类。
8.一种飞跨电容变换器，其特征在于，包括有如权利要求1~7任一权利要求所述的短路电流抑制电路。
9.一种储能系统，其特征在于，包括：
多个如权利要求8所述的飞跨电容变换器；
电源，其正端与每一所述飞跨电容变换器的高压侧的正输入端相连接，其负端与每一所述飞跨电容变换器的高压侧的负输入端相连接；
多个储能元件，每一所述储能元件对应连接于每一所述飞跨电容变换器的低压侧的正输出端和负输出端之间。
10.根据权利要求9所述的储能系统，其特征在于，所述电源为一直流电网或一直流公共母线，所述多个储能元件为电池或超级电容。
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