CN108832695B - 直流微网系统、充电回路电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流微网系统、充电回路电路及其控制方法。其中，该充电回路电路通过开关组将充电回路选择性接入第一侧回路或者第二侧回路。通过本发明，解决了在变流器的两侧都要分别设计充电回路导致的资源浪费的问题，减少了充电回路的器件数量，节约了成本，并且节约了空间，有利于优化PCB布局布线。

Description

直流微网系统、充电回路电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电路领域，具体而言，涉及一种直流微网系统、充电回路电路及其控制方法。

背景技术

近年来随着储能系统的快速发展，新能源领域双向变流器也得到了越来越好的发展。其中的双向DC/DC变流器更是应用广泛。在分布式能源领域，有储能系统对直流微网母线的双向DC/DC；新能源汽车方面有车载双向DC/DC充电机，其他领域有双向DC/DC数字电源等。

双向DC/DC变流器中一般会有充电电容，为了避免上电时对该元器件造成电流的冲击，现在流行的方案是在其前端和后端都接入一种充电回路，实现软启动功能。传统的方案如图1所示，该方案的充电回路是由一个限流电阻并联一个直流接触器/功率继电器来实现预充电的：上电后，由于限流电阻会分得电压，充电完成后合上直流接触器/功率继电器，进行后续的升压或者降压工作，但是该方案有很多缺陷，比如：

①如果限流电阻开路失效，则根本不能进行预充电；

②如果直流接触器/功率继电器失效，则限流电阻会一直存在电路中，造成损耗；

③高压侧和低压侧都有充电回路，造成资源的浪费。

针对上述缺陷，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种直流微网系统、充电回路电路及其控制方法，以至少解决相关技术中双向DC/DC变流器的高压侧和低压侧都有充电回路导致的资源浪费的问题。

第一方面，本发明提供了一种充电回路电路，包括：开关组和充电回路，其中，

所述开关组分别与所述充电回路、变流器的第一侧回路，以及所述变流器的第二侧回路电连接；

所述充电回路通过所述开关组选择性地接入所述第一侧回路或者所述第二侧回路。

第二方面，本发明提供了一种直流微网系统，所述直流微网系统包括：由低压侧设备和双向DC/DC变流器构成的第一侧回路、由高压侧设备和所述双向DC/DC变流器构成的第二侧回路，以及如第一方面所述的充电回路电路。

第三方面，本发明提供了一种第一方面的充电回路电路的控制方法，包括：

变流器的第一侧采样电路对其第一侧回路进行电压/电流采样，所述变流器的第二侧采样电路对其第二侧回路进行电压/电流采样；

当检测到所述第一侧回路有电而所述第二侧回路无电的情况下，所述变流器的控制电路控制所述开关组将所述充电回路接入所述第一侧回路；

当检测到所述第一侧回路无电而所述第二侧回路有电的情况下，所述变流器的控制电路控制所述开关组将所述充电回路接入所述第二侧回路。

通过本发明实施例提供的直流微网系统、充电回路电路及其控制方法，通过开关组将充电回路选择性接入第一侧回路或者第二侧回路，解决了在变流器的两侧都要分别设计充电回路导致的资源浪费的问题，减少了充电回路的器件数量，节约了成本，并且节约了空间，有利于优化PCB布局布线。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的直流微网储能系统的拓扑图；

图2是根据本发明实施例的充电回路电路的拓扑图；

图3是根据本发明优选实施例的充电回路电路的电路图一；

图4是根据本发明优选实施例的充电回路电路的电路图二；

图5是根据本发明实施例的直流微网系统的拓扑图；

图6是根据本发明实施例的充电回路电路的控制方法的流程图；

图7是根据本发明实施例的直流微网系统接入低压侧充电回路电路的拓扑图；

图8是根据本发明实施例的直流微网系统接入高压侧充电回路电路的拓扑图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实施例中提供了一种充电回路电路，图2是根据本发明实施例的充电回路电路的拓扑图，图2中的变流器等采用虚线表示，用以表示这些部件不属于充电回路电路的组成部分。如图2所示，该充电回路电路包括：开关组A和充电回路B，其中，所述开关组A分别与所述充电回路B、第一侧回路以及第二侧回路电连接；

所述充电回路通过所述开关组选择性地接入第一侧回路或者第二侧回路。

上述的第一侧回路和第二侧回路分别表示与变流器的一侧连接的回路，和与变流器的另一侧连接的回路。当变流器为AC/AC变流器或者DC/DC变流器时，变流器的一侧和另一侧回路一般称为低压侧回路和高压侧回路；当变流器为AC/DC变流器或者DC/AC变流器时，变流器的一侧和另一侧回路一般称为交流侧回路和直流侧回路。

上述的开关组A并不限于某一种具体的电路，只要能够通过对开关组中各个开关器件的通断，而将充电回路选择性地接入到第一侧回路或者第二侧回路中，就能够解决变流器的两侧都有充电回路导致的资源浪费的问题；由于减少了一个充电回路，因此对于充电回路而言节约了器件数量和成本。

为了尽量减少开关组中器件的数量和占用的空间，在本实施例中提出了一种开关组的优选电路结构。图3是根据本发明优选实施例的充电回路电路的电路图，如图3所示，该电路包括：第一侧辅助触点开关KM1、第二侧辅助触点开关KM2、第一侧双掷继电器K1、第二侧双掷继电器K2和充电回路，其中，

充电回路由限流电阻R1和直流接触器K3并联构成，且充电回路的两个结点分别与第一侧双掷继电器K1的第一触点、第二侧双掷继电器K2的第二触点电连接；

第一侧辅助触点开关KM1，用于串接到第一侧回路中，第一侧辅助触点开关KM1的一端与第一侧双掷继电器K1的第三触点电连接，第一侧辅助触点开关KM1的另一端与第二侧双掷继电器K2的第四触点电连接；

第二侧辅助触点开关KM2，用于串接到第二侧回路中，第二侧辅助触点开关KM2的一端与第一侧双掷继电器K1的第五触点电连接，第二侧辅助触点开关KM2的另一端与第二侧双掷继电器K2的第六触点电连接；

其中，第一侧双掷继电器K1，用于将第一触点与第三触点断开/闭合，或者将第一触点与第五触点断开/闭合；第二侧双掷继电器K2，用于将第二触点与第四触点断开/闭合，或者将第二触点与第六触点断开/闭合。

本发明实施例的充电回路优选用于直流微网系统中，但不局限于此。对于高电压等级直流母线对低电压等级直流母线的BUCK变换；新能源汽车方面有车载双向DC/DC充电机(OBC)；双向DC/DC数字电源等其他双向DC/DC系统中需要充电回路的场景也同样适用。并且，本发明实施例中充电回路电路所应用的变流器优选为双向DC/DC变流器，但也不局限于此。对于整流器、逆变器等其他变流器，在需要使用充电回路的场景下也同样可以应用本发明实施例提供的充电回路电路。

以直流微网系统为例，本实施例提供的充电回路电路可以应用在直流微网系统的双向DC/DC变流器中，该双向DC/DC变流器两侧的回路可以为任意的直流微网系统的高压侧回路和低压侧回路。例如，其高压侧回路可以由以下之一组成：储能系统和双向DC/DC变流器；逆变器和双向DC/DC变流器；高压直流母线和双向DC/DC变流器。又例如，其低压侧回路可以由以下之一组成：储能系统和双向DC/DC变流器；整流器和双向DC/DC变流器；低压直流母线和双向DC/DC变流器。

可选地，在充电回路的两个结点上还并联有一个容错充电结构或者多个容错充电结构。容错充电结构用于在限流电阻R1开路故障的情况下，替代故障的限流电阻R1，以实现对双向DC/DC变流器的储能电容的充能。

如图4所示，可选地，上述的一个容错充电结构或者多个容错充电结构中的每个容错充电结构都包括：直流接触器K4和限流电阻R2，其中，直流接触器K4与限流电阻R2串联。

需要说明的是，本实施例中所称的限流电阻R1和限流电阻R2，是指该电阻的功能是用于限流，并非对该电阻的性能、参数等作出限制性描述。例如，限流电阻可以选用任意类型的具有阻抗特性的器件，限流电阻的类型还可选为水泥电阻或者铝壳电阻等，但并不限于此。

可选地，所述开关组中的开关器件均接受控制电路的控制而断开/闭合，以实现自动化控制。例如，上述的第一侧辅助触点开关KM1、第二侧辅助触点开关KM2、第一侧双掷继电器K1、第二侧双掷继电器K2、直流接触器K3、直流接触器K4均可以由变流器的控制电路控制，以分别实现断开/闭合。

需要说明的是，本实施例中的直流接触器、辅助触点开关等均可以由其他的开关器件替代，优选为可接受控制电路控制的开关器件，例如，可以由绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称为IGBT)、场效应管MOS、或者功率继电器替代。

需要说明的是，本实施例中的双掷继电器也均可以由其他具有双位置、且可接受控制电路控制的开关器件替代。

在本实施例中还提供了一种直流微网系统。图5是根据本发明实施例的直流微网系统的拓扑图，如图5所示，该直流微网系统包括：第一侧设备51、双向DC/DC变流器52、第二侧设备53，以及如图4所示的充电回路电路。其中，充电回路电路还可以是上述实施例中描述的其他结构的充电回路电路，在此不再赘述。

可选地，双向DC/DC变流器包括：控制电路、第一侧采样电路和第二侧采样电路。

在第一侧为低压侧时，则相对地第二侧为高压侧。此时，第一侧设备可以为以下之一：整流器、低压直流母线或者低压储能系统等低压侧设备；第二侧设备可以为以下之一：逆变器、高压直流母线或者高压储能系统等高压侧设备。

可选地，双向DC/DC变流器的高压侧设有储能电容，双向DC/DC变流器的低压侧设有储能电容或者未设有储能电容。

下面结合图5对充电回路电路的工作过程，以及直流微网系统的储能电容的充电过程进行描述和说明。

参考图5，双向DC/DC变流器可实现双向的能量流动，本发明实施例把低压侧和高压侧的充电回路整合在一起，然后通过两个双掷继电器实现高压侧或者低压侧的充电回路切入。

当低压侧(即第一侧)1、2接入充电回路时，即K1、K2接通1和2，K1的辅助触点KM1断开，K2的辅助触点KM2闭合，使高压侧(即第二侧)3和4闭合；同理当高压侧3、4接入充电回路时，直流接触器的辅助触点KM1闭合，KM2断开，使低压侧1、2闭合。

在本实施例中还提供了一种充电回路电路的控制方法，图6是根据本发明实施例的充电回路电路的控制方法的流程图，如图6所示，该流程包括如下步骤：

步骤S601，变流器的第一侧采样电路对其第一侧回路进行电压/电流采样，变流器的第二侧采样电路对其第二侧回路进行电压/电流采样；

步骤S602，当检测到第一侧回路有电而第二侧回路无电的情况下，变流器的控制电路控制开关组将充电回路接入第一侧回路，如图7所示；

步骤S603，当检测到第一侧回路无电而第二侧回路有电的情况下，变流器的控制电路控制开关组将充电回路接入第二侧回路，如图8所示。

可选地，控制电路为双向DC/DC变流器的主控数字信号处理(Digital SignalProcessing，简称为DSP)芯片。

这个功能是针对高压侧和低压侧都有充电回路时造成器件资源和印刷电路板(Printed Circuit Board，简称为PCB)上布局空间的浪费，考虑到PCB的趋势是小型化，轻便化，如何把PCB做小是比较重要的事情，一味的减小器件之间的间距不足以解决问题，同时可能引起电气安全距离和爬电距离过小的危险，所以器件的选型、重复器件的整合是一个有效的解决办法。本发明实施例通过把高压侧和低压侧相同的充电回路整合到一起，有效的减小了器件的数量，为PCB的布局布线提供了便利。通过上述改进，配合主控DSP芯片中的程序控制就可以实现低压侧和高压侧的分别充电。

此外，本发明实施例的充电回路电路不仅可以减少器件数量，节约成本，就单独充电回路电路来看，还可以避免因充电回路电路中器件失效带来的损害和危险。

在第一侧设备51为低压储能系统，第二侧设备53为高压直流母线的情况下，以低压侧接入充电回路的情况为例来进行说明：如图7所示，K3、K4为直流接触器，R1、R2为限流电阻。

(1)当储能系统从低压侧开始上电时，电能先通过限流电阻R1给双向DC/DC变流器的储能电容充电，当充电电压达到需要的电压后，直流接触器K3闭合，将限流电阻R1旁路掉，避免R1在电路中产生不必要的损耗，影响变流器的效率。

(2)若限流电阻R1开路失效，软件控制启用“直流接触器K4+限流电阻R2”进行充电；当充电电压达到需要的电压后，直流接触器K3闭合，K4保持闭合；或者当充电电压达到需要的电压后，直流接触器K3闭合，K4断开，切除限流电阻。

(3)若直流接触器K3失效，软件控制启用辅助触点KM1闭合，避免限流电阻R1一直存在电路中造成的损耗。

(4)若限流电阻R2未失效，可以通过“直流接触器K4+限流电阻R1”和限流电阻R2的并联来控制充电的快慢。限流电阻1与限流电阻2的阻值相同，因此当K4吸合后相当于两个电阻并联，即等效充电电阻阻值降低为原阻值的1/2，故充电速度变为之前的2倍。

T＝RC/0.434{log[ξ/(ξ-Uc)]}

其中：ξ是一个常数，与电容本身有关；Uc为系统的充电电压设定值；C为储能电容的容量；当其他参数确定后，充电时间只是与限流电阻有关，因此限流电阻值减小后，充电时间会缩短。

综上所述，通过本发明的上述实施例的直流微网系统、充电回路电路及其控制方法，一方面，可避免关键元器件失效时对变流器的储能电容造成冲击，保障充电回路电路的可靠性；另一方面，通过双掷继电器优化低压侧和高压侧的充电回路电路，只使用一套充电回路，节约资源，降低成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种充电回路电路，其特征在于，包括：开关组和充电回路，其中，

所述开关组分别与所述充电回路、变流器的第一侧回路，以及所述变流器的第二侧回路电连接；

所述充电回路通过所述开关组选择性地接入所述第一侧回路或者所述第二侧回路；

其中，当所述变流器为AC/AC变流器或者DC/DC变流器时，所述变流器的一侧和另一侧回路一般称为低压侧回路和高压侧回路；当所述变流器为AC/DC变流器或者DC/AC变流器时，变流器的一侧和另一侧回路一般称为交流侧回路和直流侧回路；

所述充电回路包括：电阻R1和开关K3，其中，所述电阻R1和所述开关K3并联；

在所述充电回路的两个结点上还并联有一个或者多个容错充电结构；其中，所述容错充电结构包括：开关K4和电阻R2；所述开关K4与所述电阻R2串联；

其中，所述开关组包括：开关KM1、开关KM2、双掷开关K1、双掷开关K2，其中，

所述充电回路的两个结点分别与所述双掷开关K1的第一触点、所述双掷开关K2的第二触点电连接；

所述开关KM1，用于串接到第一侧回路中，所述开关KM1的一端与所述双掷开关K1的第三触点电连接，所述开关KM1的另一端与所述双掷开关K2的第四触点电连接；

所述开关KM2，用于串接到第二侧回路中，所述开关KM2的一端与所述双掷开关K1的第五触点电连接，所述开关KM2的另一端与所述双掷开关K2的第六触点电连接；

其中，所述双掷开关K1，用于将所述第一触点与所述第三触点断开/闭合，或者将所述第一触点与所述第五触点断开/闭合；所述双掷开关K2，用于将所述第二触点与所述第四触点断开/闭合，或者将所述第二触点与所述第六触点断开/闭合。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关组中的开关器件均接受控制电路的控制而断开/闭合。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关KM1、所述开关KM2、所述开关K3或者所述开关K4为以下之一：绝缘栅双极型晶体管IGBT、场效应管MOS、或者功率继电器。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述双掷开关K1和所述双掷开关K2为：双掷继电器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路，其特征在于，所述变流器包括以下之一：整流器、逆变器、双向DC/DC变流器。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，在所述变流器为双向DC/DC变流器的情况下，

所述第一侧回路包括以下之一：储能系统和所述双向DC/DC变流器；整流器和所述双向DC/DC变流器；低压直流母线和所述双向DC/DC变流器；

所述第二侧回路包括以下之一：储能系统和所述双向DC/DC变流器；逆变器和所述双向DC/DC变流器；高压直流母线和所述双向DC/DC变流器。

7.一种直流微网系统，其特征在于，所述直流微网系统包括：由低压侧设备和双向DC/DC变流器构成的第一侧回路、由高压侧设备和所述双向DC/DC变流器构成的第二侧回路，以及如权利要求1至6中任一项所述的充电回路电路。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述双向DC/DC变流器包括：控制电路、第一侧采样电路和第二侧采样电路。

9.一种权利要求1至6中任一项所述的充电回路电路的控制方法，其特征在于，包括：

变流器的第一侧采样电路对其第一侧回路进行电压/电流采样，所述变流器的第二侧采样电路对其第二侧回路进行电压/电流采样；

当检测到所述第一侧回路有电而所述第二侧回路无电的情况下，所述变流器的控制电路控制所述开关组将所述充电回路接入所述第一侧回路；

当检测到所述第一侧回路无电而所述第二侧回路有电的情况下，所述变流器的控制电路控制所述开关组将所述充电回路接入所述第二侧回路。

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