CN112510742A - 一种储能系统的高电压穿越模块及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能系统的高电压穿越模块及其控制方法，高电压穿越模块包括MOS管单元、驱动单元、电源单元、采样单元以及控制单元；所述开关单元一端与电池正极连接，另一端与储能变流器直流侧连接；所述电源单元从储能系统取电为驱动单元和采样单元提供电能；所述驱动单元用于驱动所述开关单元工作，所述采样单元对电网电压和网侧电流的实时检测，并反馈至控制单元；所述控制单元用于根据采样单元的反馈发送控制指令至驱动单元控制开关单元关断。该模块实现过程简便，控制容易，灵活性高，且能够节约成本，极大的降低了风险，简便易于操作。

Description

一种储能系统的高电压穿越模块及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力能源储能技术领域，尤其是涉及一种储能系统的高电压穿越模块及其控制方法。

背景技术

近年来，由于现代工业生产对用电质量的要求不断提高，储能系统应运而生，且在电网，工商业，新能源等方面起到了至关重要的作用。但电网的电压跌落，升高或中断会影响储能系统的正常运行，尤其对于电池的影响是致命的，且也会对用户造成不可挽回的损失。那么如何解决电网高电压穿越期间对电池的保护，成为解决这一问题的关键点。

目前针对这个问题，行业内提出在电池测投切电阻的方案和在直流母线上并联BUCK电路的方案。投切电阻的方案是指在检测到电网电压升高后，在电池测切入串联电阻，利用电阻的分压，去消耗能量，此方案原理简单，设计明确。但电阻体积过大，不适用与系统集成化较高的设备中，且若是利用接触器去投切电阻，有可能会因为投切时间较长，不能确保有效的保护电池系统。直流母线上并联BUCK电路的方案指的是当检测到母线电压升高后，利用buck进行降压，保证电池电压不超过保护值。此方案较第一种方案可靠性提高，但成本较高，不适合大批量投产。

发明内容

针对上述背景技术问题的阐述，本发明提出了一种储能系统的高电压穿越模块及其控制方法，有效的解决了电池的风险，且体积小，成本低，可靠性高，在高电压穿越期间储能系统能稳定正常运行。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种储能系统的高电压穿越模块，包括开关单元、驱动单元、电源单元、采样单元以及控制单元；

所述开关单元一端与电池正极连接，另一端与储能变流器直流侧连接；所述电源单元从储能系统取电为驱动单元和采样单元提供电能；所述驱动单元用于驱动所述开关单元工作，所述采样单元对电网电压和网侧电流的实时检测，并反馈至控制单元；所述控制单元用于根据采样单元的反馈发送控制指令至驱动单元控制开关单元关断。

作为本发明的进一步改进，所述开关单元为电子开关或机械开关，电子开关包括MOS管、IGBT器件或SIC器件。

作为本发明的进一步改进，所述MOS管包括NMOS管和PMOS管中一种、多种串联或多种并联。

作为本发明的进一步改进，所述开关单元采用多个MOS管并联，多个MOS管并联采用一驱动单元驱动。

作为本发明的进一步改进，所述驱动单元包括RC滤波器、光耦芯片U1、推挽电路、驱动电阻R4和吸收电路；

PWM信号端串联电阻R1，电阻R1与光耦芯片U1输入端连接，RC滤波器并联在电阻R1与地之间；光耦芯片U1输出端串联电阻R3，电阻R3另一端分别连接推挽电路Q1和推挽电路Q2，推挽电路Q1连接VCC电压源，推挽电路Q2接地；

推挽电路Q1和推挽电路Q2中点串联驱动电阻R4，驱动电阻R4连接第一MOS管，驱动电阻R4还通过吸收电路连接第二MOS管；

推挽电路Q1和推挽电路Q2两端并联有串联的电容C3、电容C4和串联的稳压管D1、电阻R6；电容C3、电容C4的中点连接稳压管D1、电阻R6的中点，并连接至第三MOS管。

一种储能系统的高电压穿越模块的控制方法，包括以下步骤：

电网电压升高时，通过对电网电压和网侧电流的实时检测，当电网电压和电流增大且超过保护值时，控制驱动MOS管关断，切掉储能变流器与电池测的电流；储能变流器通过基于SVPWM的电压控制策略，确保储能变流器直流电压稳定，储能变流器正常工作于SVG模式；

当检测到电网电压和网侧电流低于保护值时，控制MOS管开通，储能变流器继续工作于整流模式，给电池充电。

作为本发明的进一步改进，重新开通MOS管时，将直流母线电压调整为与电池电压相同。

作为本发明的进一步改进，还包括高电压穿越控制步骤：

储能系统正常工作时，若检测到电网电压和直流母线电压突然增加至当前电压的设定阈值时，且网侧电流增大至电流保护值时，则认为高电压穿越发生，驱动MOS管断开，储能系统由整流模式切换为SVG模式；

继续恒压运行，等待故障穿越结束，待检测到电网电压恢复至电压安全值内，电流值恢复正常时，则高电压穿越已经结束，调整直流母线电压至当前的电池电压，闭合MOS管，储能系统恢复正常工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明高电压穿越模块串联在储能变流器的直流侧，当检测到电网电压和网侧电流正常时，驱动MOS管导通，储能变流器正常给电池充放电。既考虑了高电压穿越期间储能系统能正常工作，又能对电池进行可靠的保护，保证了储能系统的安全性。在实施上，电路简单，不需要额外的开关以及无源器件，减少了系统集成的体积，极大的简化了高电压穿越的复杂性。控制上只需执行实时检测以及对运行模式的切换即可，降低了因为程序的复杂性，而导致切换不及时的风险，简便易于操作。实现过程简便，控制容易，灵活性高，且能够节约成本，极大的降低了风险，简便易于操作。

本发明控制方法，当检测到电网电压升高，网侧电流急剧增大时，控制MOS管关断，利用MOS管体二极管的单向导通性，切断反灌电流，避免引入电池测，造成电池损坏，极大的提高了电池的利用率。这样既能保证安全可靠，且储能变流器也能保证在高电压穿越期间不停机运行。本专利实现过程简便，控制容易，灵活性高，且能够节约成本，极大的降低了风险，简便易于操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为储能系统框图；

图2为高穿模块系统框图；

图3为高电压穿越模块接入系统的示意图；

图4为高电压穿越模块的多种实现方式；

图5为本专利控制的简易流程图；

图6为高电压穿越的保护点示意图；

图7为高电压穿越模块的驱动示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种储能系统的高电压穿越模块，高电压穿越模块串联于电池的正极，再与储能变流器连接。

根据图2所示，本发明所示的一种储能系统的高电压穿越模块，包括MOS管，驱动单元，电源单元，采样单元以及控制单元，其中电源单元可从储能系统取电，10V～15V均可，只要满足MOS管能正常导通和关闭即可，没有特殊要求。控制单元要能快速响应控制MOS管的关断。

根据图3所示，为高电压穿越模块接入系统的示意图，选取3组MOS管并联串入储能变流器的直流侧(图中只选取了3组，可根据储能系统的电流和功率，选取不同数量和型号的开关管)，起到高电压穿越时，既不停机也能保护储能系统的作用。

根据图4所示，为高电压穿越模块的多种实现方式。(a)为两个NMOS管串联，(b)为一个NMOS管和一个PMOS管串联，(c)为3个PMOS管串联。可根据实际情况，选择不同的是实现方式。

原理为：储能系统的高电压穿越模块，通过对串联MOS管的开通关断，对电池测进行保护，当电网电压升高时，IGBT的三相不控整流会导致母线电压升高，高电压穿越模块通过对电网电压和网侧电流的实时检测，当电网电压和电流增大且超过保护值时，控制驱动MOS管关断，切掉储能变流器与电池测的联系，利用MOS管的二极管截止高电压和反灌电流，保护电池不受损坏。此时储能变流器通过基于SVPWM的电压控制策略，确保储能变流器直流电压稳定，储能变流器正常工作于SVG模式。当高电压穿越模块检测到电网电压和网侧电流低于保护值时，控制MOS管开通，储能变流器继续工作于整流模式，给电池充电。

作为优选，开关的选型不仅限于MOS管，也可选IGBT，SIC，速度快的电子开关以及机械开关，且开关可实现串联或者并联，对于耐压小的开关，可使用串联方式，对于电流小的开关，可使用并联方式，也可串并联都使用。此方案灵活多样，可操作性强。

MOS管的驱动可采用一驱多的方式，保证MOS管在需要断开时，每一路都能可靠断开，且对于驱动电路的设计可根据系统实际情况，只需保证MOS管能正常开通关断即可。

上述技术方案中，重新开通MOS管时，需将直流母线电压调整为与电池电压相同，避免电流冲击。

上述技术方案中，为保证高电压穿越时，储能系统能正常运行，需保证实时监测电网电压和网侧电流的速度，以及切换为SVG模式时的速度。

本发明的高电压穿越模块控制简单。在储能系统正常运行期间，储能变频器处于逆变状态或者整流状态，只需驱动MOS管导通即可，操作方便，且MOS管导通压低，损耗小，对储能系统基本无影响；

本发明的高电压穿越模块电路设计简单；除MOS管外，无需增加别的功率器件，体积小，且MOS管驱动速度快，能更好的响应保护。当实时检测到电网电压和网侧电流升高时，控制MOS管关断，储能变流器由整流模式切换为SVG模式，等待电网电压和网侧电流恢复正常后，驱动MOS管开通，储能变流器再由SVG模式切换为整流模式，继续给电池充电，故障穿越期间，电池电压保持不变，储能变流器正常运行不停机。此方法控制简单，且易于实现。

其中，储能系统中的储能变流器包括但不限于储能变流器。

根据图5所示，为简易的控制流程图，当储能系统正常工作时(给电池充电)，电网电压突然升高至高穿保护点时，此时驱动MOS管断开，若电网电压没有升至保护点，则储能系统正常工作。高电压穿越结束后，此时检测到电网电压已经恢复至正常电压，调整直流母线电压至电池电压，闭合MOS管，储能系统恢复正常状态，给电池充电。

根据图6所示，为高电压穿越的标准，储能系统正常工作时，若检测到电网电压或直流母线电压突然增加至当前电压的1.3倍时(设定阈值，可根据实际情况进行调整倍数)，且电流增大至1.5倍(具体可根据系统而定)，此时认为高电压穿越发生，驱动MOS管断开，储能系统由整流模式切换为SVG模式，继续恒压运行，等待故障穿越结束，待检测到电网电压恢复至小于1.1倍，电流值恢复正常时，认为高电压穿越已经结束，可调整直流母线电压至当前的电池电压，闭合MOS管，储能系统恢复正常工作。

根据图7所示，给出了一种驱动并联MOS管的驱动电路，PWM为控制信号，可通断IGBT，C1&R2为RC滤波器，U1为光耦芯片，Q1&Q2为推挽电路，VCC电压可根据系统实际选择(10-15V)，R4为驱动电阻，C2&R5组成吸收电路，D1为稳压管。MOS管的驱动采用正压和负压，保证其既能可靠开通，也能可靠关断。

具体的，所述驱动单元的驱动电路包括RC滤波器、光耦芯片U1、推挽电路、驱动电阻R4、吸收电路；

所述PWM信号端串联电阻R1，电阻R1与光耦芯片U1输入端连接，RC滤波器并联在电阻R1与地之间；光耦芯片U1输出端串联电阻R3，电阻R3另一端分别连接推挽电路Q1和推挽电路Q2，推挽电路Q1连接VCC电压源，推挽电路Q2接地；

推挽电路Q1和推挽电路Q2中点串联驱动电阻R4，驱动电阻R4连接第一MOS管，驱动电阻R4还通过吸收电路连接第二MOS管；

推挽电路Q1和推挽电路Q2两端并联有串联的电容C3、电容C4和串联的稳压管D1、电阻R6；电容C3、电容C4的中点连接稳压管D1、电阻R6的中点，并连接至第三MOS管。

以上所述开关仅以MOS管为例，也可使用IGBT，SIC，电子开关以及机械开关等，形式不限。

本发明还提供一种储能系统的高电压穿越模块的控制方法，包括以下步骤：

电网电压升高时，通过对电网电压和网侧电流的实时检测，当电网电压和电流增大且超过保护值时，控制驱动MOS管关断，切掉储能变流器与电池测的电流；储能变流器通过基于SVPWM的电压控制策略，确保储能变流器直流电压稳定，储能变流器正常工作于SVG模式；

当检测到电网电压和网侧电流低于保护值时，控制MOS管开通，储能变流器继续工作于整流模式，给电池充电。

还包括高电压穿越控制步骤：

储能系统正常工作时，若检测到电网电压或直流母线电压突然增加至当前电压阈值时，且电流增大至电流阈值时，则为高电压穿越发生，驱动MOS管断开，储能系统由整流模式切换为SVG模式；

继续恒压运行，等待故障穿越结束，待检测到电网电压恢复至电压安全值内，电流值恢复正常时，则高电压穿越已经结束，调整直流母线电压至当前的电池电压，闭合MOS管，储能系统恢复正常工作。

综上所述，本发明此模块包括大功率MOS管(包括但不限于MOS管，本文以MOS管为例)，驱动模块，检测单元，控制单元以及电源单元。当网侧电压升高时，因IGBT体二极管组成的三相不控整流电路而导致直流母线电压升高，若此时电池电压低于直流母线电压，会造成网侧电流急剧增大，并给电池反灌，此时若不采取措施，将会对储能系统，尤其对电池造成不可恢复的损坏，极易引起电池爆炸和起火，造成安全事故以及财产损失。

本发明从此点出发，将高电压穿越模块串联在储能变流器的直流侧，当检测到电网电压和网侧电流正常时，驱动MOS管导通，储能变流器正常给电池充放电。当检测到电网电压升高，网侧电流急剧增大时，控制MOS管关断，利用MOS管体二极管的单向导通性，切断反灌电流，避免引入电池测，造成电池损坏，极大的提高了电池的利用率。这样既能保证安全可靠，且储能变流器也能保证在高电压穿越期间不停机运行。本专利实现过程简便，控制容易，灵活性高，且能够节约成本，极大的降低了风险，简便易于操作。

以上披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (8)

1.一种储能系统的高电压穿越模块，其特征在于，包括开关单元、驱动单元、电源单元、采样单元以及控制单元；

所述开关单元一端与电池正极连接，另一端与储能变流器直流侧连接；所述电源单元从储能系统取电为驱动单元和采样单元提供电能；所述驱动单元用于驱动所述开关单元工作，所述采样单元对电网电压和网侧电流的实时检测，并反馈至控制单元；所述控制单元用于根据采样单元的反馈发送控制指令至驱动单元控制开关单元关断。

2.根据权利要求1所述的一种储能系统的高电压穿越模块，其特征在于，所述开关单元为电子开关或机械开关，电子开关包括MOS管、IGBT器件或SIC器件。

3.根据权利要求2所述的一种储能系统的高电压穿越模块，其特征在于，所述MOS管包括NMOS管和PMOS管中一种、多种串联或多种并联。

4.根据权利要求1所述的一种储能系统的高电压穿越模块，其特征在于，所述开关单元采用多个MOS管并联，多个MOS管并联采用一驱动单元驱动。

5.根据权利要求4所述的一种储能系统的高电压穿越模块，其特征在于，所述驱动单元包括RC滤波器、光耦芯片U1、推挽电路、驱动电阻R4和吸收电路；

PWM信号端串联电阻R1，电阻R1与光耦芯片U1输入端连接，RC滤波器并联在电阻R1与地之间；光耦芯片U1输出端串联电阻R3，电阻R3另一端分别连接推挽电路Q1和推挽电路Q2，推挽电路Q1连接VCC电压源，推挽电路Q2接地；

推挽电路Q1和推挽电路Q2中点串联驱动电阻R4，驱动电阻R4连接第一MOS管，驱动电阻R4还通过吸收电路连接第二MOS管；

推挽电路Q1和推挽电路Q2两端并联有串联的电容C3、电容C4和串联的稳压管D1、电阻R6；电容C3、电容C4的中点连接稳压管D1、电阻R6的中点，并连接至第三MOS管。

6.权利要求1至5任一项所述的一种储能系统的高电压穿越模块的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

电网电压升高时，通过对电网电压和网侧电流的实时检测，当电网电压和电流增大且超过保护值时，控制驱动MOS管关断，切掉储能变流器与电池测的电流；储能变流器通过基于SVPWM的电压控制策略，确保储能变流器直流电压稳定，储能变流器正常工作于SVG模式；

当检测到电网电压和网侧电流低于保护值时，控制MOS管开通，储能变流器继续工作于整流模式，给电池充电。

7.根据权利要求1所述的一种储能系统的高电压穿越模块的控制方法，其特征在于，重新开通MOS管时，将直流母线电压调整为与电池电压相同。

8.根据权利要求1所述的一种储能系统的高电压穿越模块的控制方法，其特征在于，还包括高电压穿越控制步骤：

储能系统正常工作时，若检测到电网电压和直流母线电压突然增加至当前电压的设定阈值时，且网侧电流增大至电流保护值时，则认为高电压穿越发生，驱动MOS管断开，储能系统由整流模式切换为SVG模式；

继续恒压运行，等待故障穿越结束，待检测到电网电压恢复至电压安全值内，电流值恢复正常时，则高电压穿越已经结束，调整直流母线电压至当前的电池电压，闭合MOS管，储能系统恢复正常工作。

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