一种供电系统、储能变流器及预充电方法与流程

1.本技术涉及电源技术领域，具体涉及一种供电系统、储能变流器及预充电方法。


背景技术：

2.随着新能源的不断发展，目前新能源领域包括储能变流器(pcs，power converter system)，储能变流器的一般可以作为双向变流器，直流侧连接储能电池，交流侧可以连接电网或负载。即储能变流器可以将储能电池输出的直流电转换为交流反馈给电网，也可以将交流电转换为直流电为储能电池充电。
3.但是，如果储能变流器的直流侧与储能电池断开时，由于直流侧的直流母线电压为0，因此需要给直流母线进行充电，待直流母线电压达到预设电压时，才控制储能变流器与电网之间的继电器闭合。但是，现有技术的充电方案均存在问题，仍然会在继电器闭合时存在冲击电压。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本技术实施例提供一种供电系统、储能变流器及预充电方法，能够降低交流侧继电器闭合时的冲击电压。
5.本技术提供一种供电系统，包括：逆变电路和预充电路；预充电路包括：整流电路、开关电源和预充支路；
6.逆变电路的第一端用于连接预充支路的第一端，逆变电路的第二端用于连接电网或负载；预充支路至少包括串联的第一开关和第一电阻；
7.整流电路的第一端连接逆变电路的第二端，整流电路的第二端通过开关电源连接预充支路的第二端；预充支路的第二端用于连接直流电源；
8.逆变电路的输入电压小于第一预设电压时，第一开关闭合，整流电路用于将交流电整流为直流电提供给开关电源，开关电源将整流电路的输出电压升压后，通过预充支路为逆变电路的第一端预充电。
9.优选地，预充电路还包括：第二电阻；
10.开关电源的第一端连接整流电路的第二端，开关电源的第二端通过第二电阻连接逆变电路的第一端；第二电阻的阻值大于第一电阻的阻值；
11.逆变电路的输入电压小于第二预设电压值时，控制第一开关断开，开关电源通过第二电阻为逆变电路的第一端预充电；逆变电路的输入电压大于第二预设电压值且小于第一预设电压时，第一开关闭合，开关电源通过预充支路为逆变电路的第一端预充电。
12.优选地，供电系统包括多个逆变电路和多个预充电路，逆变电路和预充电路一一对应；
13.多个逆变电路的第一端均用于连接直流电源，多个逆变器的第二端均用于连接电网或负载；
14.每个预充电路还包括：二极管；
15.二极管的阳极连接开关电源，二极管的阴极连接逆变电路的第一端。
16.优选地，每个预充电路还包括：第二开关；
17.逆变电路的输入端通过第二开关连接直流电源；
18.逆变电路的输入电压大于第一预设电压，第二开关闭合。
19.优选地，每个预充电路还包括：第三开关；
20.逆变电路的正输入端通过预充支路连接直流电源的正端，逆变电路的负输入端通过第三开关连接直流电源的负端。
21.优选地，供电系统还包括：连接在预充支路的第二端与逆变电路的第一端之间的电容；
22.电容、逆变电路、预充支路、开关电源和整流电路均位于储能变流器内部；整流电路为储能变流器的辅助电源中的整流电路。
23.优选地，整流电路为包括二极管的不控整流电路。
24.本技术还提供一种储能变流器，包括：逆变电路和预充电路；预充电路包括：整流电路、开关电源和预充支路；逆变电路的第一端用于连接预充支路的第一端，逆变电路的第二端用于连接电网或负载；预充支路至少包括串联的第一开关和第一电阻；
25.整流电路的第一端连接逆变电路的第二端，整流电路的第二端通过开关电源连接预充支路的第二端；预充支路的第二端用于连接直流电源；
26.逆变电路的输入电压小于第一预设电压时，第一开关闭合，整流电路用于将交流电整流为直流电提供给开关电源，开关电源将整流电路的输出电压升压后，通过预充支路为逆变电路的第一端预充电。
27.优选地，还包括：第二电阻；
28.开关电源的第一端连接整流电路的第二端，开关电源的第二端通过第二电阻连接逆变电路的第一端；第二电阻的阻值大于第一电阻的阻值；
29.逆变电路的输入电压小于第二预设电压值时，控制第一开关断开，开关电源通过第二电阻为逆变电路的第一端预充电；逆变电路的输入电压大于第二预设电压值且小于第一预设电压时，第一开关闭合，开关电源通过预充支路为逆变电路的第一端预充电。
30.优选地，储能变流器为多个，多个储能变流器的输入端均连接直流电源，多个储能变流器的输出端均用于连接电网或负载；
31.每个储能变流器中的预充电路还包括：二极管；
32.二极管的阳极连接开关电源，二极管的阴极连接逆变电路的第一端。
33.优选地，每个预充电路还包括：第三开关；
34.逆变电路的正输入端通过预充支路连接直流电源的正端，逆变电路的负输入端通过第三开关连接直流电源的负端。
35.优选地，整流电路为储能变流器中辅助电源中的整流电路。
36.本技术提供一种供电系统的预充电方法，供电系统包括：逆变电路和预充电路；预充电路包括：整流电路、开关电源和预充支路；逆变电路的第一端用于连接预充支路的第一端，逆变电路的第二端用于连接电网或负载；预充支路至少包括串联的第一开关和第一电阻；整流电路的第一端连接逆变电路的第二端，整流电路的第二端通过开关电源连接预充支路的第二端；预充支路的第二端用于连接直流电源；
37.该方法包括：
38.逆变电路的输入电压小于第一预设电压时，控制第一开关闭合，整流电路用于将交流电整流为直流电提供给开关电源，开关电源将整流电路的输出电压升压后，通过预充支路为逆变电路的第一端预充电。
39.优选地，预充电路还包括：第二电阻；开关电源的第一端连接整流电路的第二端，开关电源的第二端通过第二电阻连接逆变电路的第一端；第二电阻的阻值大于第一电阻的阻值；
40.开关电源通过预充支路为逆变电路的第一端预充电，具体包括：
41.逆变电路的输入电压小于第二预设电压值时，控制第一开关断开，开关电源通过第二电阻为逆变电路的第一端预充电；
42.逆变电路的输入电压大于第二预设电压值且小于第一预设电压时，第一开关闭合，开关电源通过预充支路为逆变电路的第一端预充电。
43.由此可见，本技术实施例具有如下有益效果：
44.本技术提供的供电系统包括逆变电路和预充电路；预充电路包括：整流电路、开关电源和预充支路；逆变电路的第一端用于连接预充支路的第一端，逆变电路的第二端用于连接电网或负载；预充支路至少包括串联的第一开关和第一电阻；整流电路的第一端连接逆变电路的第二端，整流电路的第二端通过开关电源连接预充支路的第二端；预充支路的第二端用于连接直流电源；
45.本技术提供的开关电源可以升压，即将整流电路的输出电压升压后为逆变电路的输入端预充电，这样可以保证直流母线电压的峰值大于交流电压的峰值，进而在交流侧的继电器闭合时，不会由于电压差而存在电压冲击。
附图说明
46.图1为一种供电系统的示意图；
47.图2为本技术实施例提供的一种供电系统的示意图；
48.图3为本技术实施例提供的另一种供电系统的示意图；
49.图4为本技术实施例提供的一种供电系统的示意图；
50.图5为本技术实施例提供的再一种供电系统的示意图；
51.图6为本技术实施例提供的又一种供电系统的示意图；
52.图7为本技术实施例提供的一种储能变流器的示意图；
53.图8为本技术实施例提供的一种供电系统的预充电方法的流程图。
具体实施方式
54.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图先介绍本技术实施例提供的供电系统的应用场景。
55.本技术实施例不具体限定逆变电路的应用场景，可以应用在一侧是交流，一侧是直流的任何供电场合，例如储能场景，光伏场景，充电机场景等。
56.为了方便理解，下面以逆变电路在储能场景的应用为例进行描述，逆变电路的输入端可以连接储能电池，逆变电路的输出端连接电网。
57.由于实际产品中，逆变电路一般位于逆变电路板上，而且逆变电路的输入端连接直流母线电容，因此，还包括电容板。
58.参见图1，该图为一种供电系统的示意图。
59.该供电系统包括电容板105、逆变电路板104a和预充电路1000，其中预充电路包括电阻r、整流桥101a和开关102。预充电路还包括预充支路，预充支路包括串联的电阻r1和开关k1。另外，还包括正常工作时的通路开关k2。
60.逆变电路板104a的输出端通过串联的两级继电器连接电网。两级继电器分别为k3和k4。当逆变电路板104a的输出端连接电网时，k3和k4均闭合。
61.当电容板105与直流电源断开时，图1中采用整流桥101与电阻r串联的方案为电容板105预充电，预充电时，k1-1闭合，k2-1断开；预充电完毕，k2-1闭合，k1-1断开。直流母线电压最大值将小于电网的电压峰值，在闭合k3和k4时仍然会存在较大的冲击电压。
62.为了减小继电器闭合时的电压冲击，本技术实施例提供了一种新的预充电路，下面结合附图进行详细介绍。
63.参见图2，该图为本技术实施例提供的一种供电系统的示意图。
64.本技术实施例提供的供电系统，包括：逆变电路104和预充电路；预充电路包括：整流电路101、开关电源103和预充支路；
65.本实施例中以逆变电路104的第一端连接电容板105为例进行介绍。
66.逆变电路104的第一端用于连接预充支路的第一端，逆变电路104的第二端用于连接电网或负载；预充支路至少包括串联的第一开关k1-1和第一电阻r1-1；
67.整流电路101的第一端连接逆变电路的第二端，整流电路101的第二端通过开关电源103连接预充支路的第二端；预充支路的第二端用于连接直流电源；
68.逆变电路104的输入电压小于第一预设电压时，第一开关闭合，整流电路101用于将交流电整流为直流电提供给开关电源103，开关电源103将整流电路101的输出电压升压后，通过预充支路为逆变电路104的第一端预充电。当预充电到一定电压之后，才开始连接直流电源，进而不会因为直流电源的电压太高，对于后续电路产生过冲电压和过冲电流，保护后级电路的安全。
69.预充电路还包括：第二开关k2-1；
70.逆变电路的输入端通过第二开关k2-1连接直流电源；
71.逆变电路的输入电压大于第一预设电压，第二开关闭合。
72.具体地，预充电时，k1-1闭合，整流电路101从交流侧取电，整流为直流电提供给开关电源103的输入端，开关电源103将电压进行升压变换后通过k1-1和r1-1为电容板105的输入端充电，随着充电时间的增加，电容板105的电压越来越大，待预充满足需求以后，可以控制第二开关k2-1闭合，此时可以控制k1-1断开，也可以不控制k1-1，因为当k2-1闭合时，自动将预充支路的k1-1和r1-1进行了旁路。
73.本技术实施例不具体限定开关电源103的具体实现形式，例如可以采用反激式开关电源。具体地，开关电源103可以将整流电路101的输出电压升压后提供给电容板105的输入端，本技术实施例提供的开关电源103中的开关采用弱电信号进行控制，并不需要高压开关或高压继电器。另外，开关电源103中的变压器为高频变压器，并不是工频变压器，因此，采用高频变压器可以有效降低整个预充电路的体积和成本。另外，由于图1中不存在变压
器，导致直流母线电压的峰值小于交流电压的峰值。而本技术实施例中的开关电源103除了为高频电源以外，还可以升压，即将整流电路的输出电压升压后为逆变电路的输入端预充电，这样可以保证直流母线电压的峰值大于交流电压的峰值，进而在交流侧的继电器闭合时，不会由于电压差而存在电压冲击。
74.另外，为了降低成本，整流电路可以采用逆变电路所在的电力电子设备中辅助电源中的整流电路，例如电力电子设备为储能变流器时，储能变流器中包括辅助电源，辅助电源用于给控制电路提供电源，例如辅助电源一般可以输出24v或12v的电压。本技术实施例中的整流电路可以直接采用辅助电源中的不控整流电路，不必另外设置整流电路，这样可以节省硬件开销，减小硬件电路的体积。应该理解，不控整流电路中的开关管均为二极管，不必控制，进而可以降低控制难度。
75.以储能领域为例，直流电源为储能电池，参见图3，该图为本技术实施例提供的另一种供电系统的示意图。
76.图3提供的供电系统包括储能变流器pcs，其中，电容板105、逆变电路104、整流电路101、开关电源103和预充电路均位于储能变流器pcs内部。
77.即电容板105的正输入端通过预充支路连接电池的正端bat+，电容板105的负输入端连接电池的负端bat-。例如，在电池电压很低，或者电池与电容板105断开连接时，预充电路从交流侧取电为电容板105的输入端充电，即给直流母线电容充电。
78.另外，为了有效降低开关电源的额定功率，本技术实施例提供的预充电路还包括第二电阻，下面结合附图进行详细介绍。
79.参见图4，该图为本技术实施例提供的一种供电系统的示意图。
80.本实施例提供的供电系统继续以包括储能变流器pcs为例进行介绍，预充电路还包括：第二电阻r2-1；
81.开关电源103的第一端连接整流电路的第二端，开关电源103的第二端通过第二电阻r2-1连接逆变电路104的第一端；第二电阻r2-1的阻值大于第一电阻r1-1的阻值；
82.逆变电路104的输入电压小于第二预设电压值时，控制第一开关k1-1断开，开关电源103通过第二电阻r2-1为逆变电路104的第一端预充电；逆变电路104的输入电压大于第二预设电压值且小于第一预设电压时，第一开关k1-1闭合，开关电源103通过预充支路为逆变电路104的第一端预充电。
83.例如，对于电网的交流电压为800v为例进行说明，开关电源103升压后的输出电压可以为直流1300v。r2-1的阻值可以选择为r1-1的阻值的整数倍，例如，r1-1可以取值为2k或3k欧姆，r2-1可以取值为20k欧姆左右。以上仅是举例说明，只要r2-1的阻值大于r1-1即可。
84.本技术实施例提供的预充电路设计为双路输出，即一路直接连接电池的正端，另一路通过串联第二电阻连接电容板的输入端。本实施例提供的供电系统，一开始预充电时，为了避免过大的冲击电流，以及避免开关电源所需的功率过大，可以采用较大阻值的预充电阻来限流，即通过第二电阻限流。当电压被充到一定数值，例如第一预设电压时，可以切换为较小的第一电阻限流。这样在合闸进行预充电时，可以降低开关电源所需的功率，有利于降低开关电源的体积和成本。
85.需要注意的是，在交流侧的两级串联的继电器(k3和k4)未闭合之前，储能变流器
内部的风扇需要保证不运行，进而有足够多的功率将来支撑储能变流器内部的其他负载。
86.另外，在实际产品中，为了提高整个供电系统的容量，可以包括多个逆变电路，多个逆变电路并联在一起连接电网或负载。下面介绍多个逆变电路的情况。
87.参见图5，该图为本技术实施例提供的再一种供电系统的示意图。
88.对于多个逆变电路并联的电源系统，直流侧并联时，如果开关电源的输出电压时间不一致，则会导致其中部分开关电源过载运行，直至开关电源的电压被拉低，导致开关电源关机。因此，为了解决时间不一致导致的以上问题，本技术实施例提供的电源系统中的预充电路还包括二极管，将开关电源的输出端口串联防反二极管，避免过载回路的产生。
89.如图5所示，供电系统包括多个逆变电路和多个预充电路，逆变电路和预充电路一一对应；
90.多个逆变电路的第一端均用于连接直流电源，多个逆变器的第二端均用于连接电网或负载；
91.每个预充电路还包括：二极管；
92.二极管的阳极连接开关电源，二极管的阴极连接逆变电路的第一端。
93.本实施例不具体限定并联的逆变电路的数量，例如为n个，n为大于等于2的整数。图5中以供电系统包括n个pcs为例，即pcs-1至pcs-n。pcs-1至pcs-n中的器件和连接关系相同，下面先介绍pcs-1。
94.电容板1的输出端连接逆变电路1的第一端，逆变电路1的第二端经过串联的两级继电器k3-1和k4-1连接电网。整流电路101的第一端连接电网，整流电路101的第二端连接开关电源103的第一端，开关电源103的第二端通过第二电阻r2-1和二极管d1-1连接电容板1的正输入端，开关电源103的第二端通过二极管d2-1连接电池的正端bat+，预充支路的k1-1、k2-1和r1-1与图4相同在此不再赘述。
95.同理，pcs-n中的电容板n的输出端连接逆变电路n的第一端，逆变电路n的第二端经过串联的两级继电器k3-n和k4-n连接电网。整流电路10n的第一端连接电网，整流电路10n的第二端连接开关电源103n的第一端，开关电源103n的第二端通过第二电阻r2-n和二极管d1-n连接电容板n的正输入端，开关电源103n的第二端通过二极管d2-n连接电池的正端bat+，预充支路包括串联的k1-n和r1-n，电容板n的第一端通过串联的k1-n和r1-n连接bat+，电容板n的第一端通过k2-n连接bat+。
96.由于以上实施例已经介绍过预充电路的工作原理，本实施例着重介绍添加的防反二极管，由于多个pcs并联时，如果各个pcs中的开关电源输出电压的时间不一致，则会导致部分开关电源过载运行，直至开关电源的电压被拉低，开关电源关机。因此，为了在各个开关电源的输出电压时间不一致时，不存在开关电源过载的情况，在开关电源的第二端连接二极管，由于防反二极管的存在，起到反向截止的作用，即开关电源103不会成为开关电压103n的负载，开关电源103n也不会成为开关电源103的负载。
97.由于开关电源的输出端包括双路输出，因此每路输出连接一个二极管，例如pcs1中包括d1-1和d2-1。
98.另外，为了避免多个pcs并联时，开关电源输出电压不一致，导致部分开关电源过载的情况，本技术实施例还提供另外一种解决方案，参见图6，该图为本技术实施例提供的又一种供电系统的示意图。
99.本实施例提供的供电系统，每个预充电路还包括：第三开关；
100.逆变电路的正输入端通过预充支路连接直流电源的正端，逆变电路的负输入端通过第三开关连接直流电源的负端。
101.比较图5和图6可以看出，图6中没有设置防反二极管，电容板的输入端包括正输入端和负输入端，在电容板的负输入端添加第三开关，pcs1中添加第三开关k5-1，pcsn中添加第三开关k5-n。即电容板1的负输入端通过第三开关k5-1连接bat-，电容板n的负输入端通过第三开关k5-n连接bat-。
102.本技术实施例提供的供电系统可以通过控制第三开关来避免开关电源过载，例如可以检测开关电源的输出电压，当开关电源的输出电压大于预设目标电压时，控制第三开关闭合，反之控制第三开关断开。
103.对比图5和图6，均可以解决开关电源过载的问题，图5的方案相对更简单，由于二极管自动实现反向截止，不需要控制器控制。
104.应该理解，本技术实施例提供的供电系统中的各个开关需要控制器进行驱动来控制开关的状态，例如控制器发送驱动信号至开关。本技术不具体限定开关的类型，均为可控开关管。例如，可控开关管的类型可以为以下任意一种：继电器、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor filed effect transistor，mosfet，以下简称mos管)、sic mosfet(silicon carbide metal oxide semiconductor filed effect transistor，碳化硅场效应管)等。当开关管为mos管时，具体可以为pmos管或nmos管，本技术实施例对此不作具体限定。
105.基于以上实施例提供的一种供电系统，本技术实施例还提供一种储能变流器，下面结合附图进行详细介绍。
106.参见图7，该图为本技术实施例提供的一种储能变流器的示意图。
107.本实施例提供的储能变流器，包括：逆变电路104和预充电路；预充电路包括：整流电路101、开关电源103和预充支路701；逆变电路104的第一端用于连接预充支路701的第一端，逆变电路104的第二端用于连接电网或负载；预充支路701至少包括串联的第一开关和第一电阻；
108.整流电路101的第一端连接逆变电路104的第二端，整流电路101的第二端通过开关电源103连接预充支路701的第二端；预充支路701的第二端用于连接直流电源；
109.逆变电路104的输入电压小于第一预设电压时，第一开关闭合，整流电路101用于将交流电整流为直流电提供给开关电源103，开关电源103通过预充支路701为逆变电路104的第一端预充电。
110.本技术实施例不具体限定开关电源103的具体实现形式，例如可以采用反激式开关电源。具体地，开关电源103可以将整流电路101的输出电压升压后提供给电容板105的输入端，本技术实施例提供的开关电源103中的开关采用弱电信号进行控制，并不需要高压开关或高压继电器。另外，开关电源103中的变压器为高频变压器，并不是工频变压器，因此，采用高频变压器可以有效降低整个预充电路的体积和成本。另外，由于图1中不存在变压器，导致直流母线电压的峰值小于交流电压的峰值。而本技术实施例中的开关电源103除了为高频电源以外，还可以升压，即将整流电路的输出电压升压后为逆变电路的输入端预充
电，这样可以保证直流母线电压的峰值大于交流电压的峰值，进而在交流侧的继电器闭合时，不会由于电压差而存在电压冲击。
111.储能变流器，还包括：第二电阻；
112.开关电源的第一端连接整流电路的第二端，开关电源的第二端通过第二电阻连接逆变电路的第一端；第二电阻的阻值大于第一电阻的阻值；
113.逆变电路的输入电压小于第二预设电压值时，控制第一开关断开，开关电源通过第二电阻为逆变电路的第一端预充电；逆变电路的输入电压大于第二预设电压值且小于第一预设电压时，第一开关闭合，开关电源通过预充支路为逆变电路的第一端预充电。
114.储能变流器为多个时，多个储能变流器的输入端均连接直流电源，多个储能变流器的输出端均用于连接电网或负载；
115.每个储能变流器中的预充电路还包括：二极管；
116.二极管的阳极连接开关电源，二极管的阴极连接逆变电路的第一端。
117.每个预充电路还包括：第三开关；
118.逆变电路的正输入端通过预充支路连接直流电源的正端，逆变电路的负输入端通过第三开关连接直流电源的负端。
119.整流电路为储能变流器中辅助电源中的整流电路。
120.对于储能变流器的具体工作原理和内部的连接关系可以参见以上供电系统实施例的描述，在此不再赘述。
121.基于以上实施例提供的一种供电系统及储能变流器，本技术实施例还提供一种供电系统的预充电方法，下面结合附图进行详细介绍。
122.参见图8，该图为本技术实施例提供的一种供电系统的预充电方法的流程图。
123.本实施例提供的供电系统的预充电方法，供电系统包括：逆变电路和预充电路；预充电路包括：整流电路、开关电源和预充支路；逆变电路的第一端用于连接预充支路的第一端，逆变电路的第二端用于连接电网或负载；预充支路至少包括串联的第一开关和第一电阻；整流电路的第一端连接逆变电路的第二端，整流电路的第二端通过开关电源连接预充支路的第二端；预充支路的第二端用于连接直流电源；
124.该方法包括：
125.s801：检测逆变电路的输入电压；
126.s802：判断逆变电路的输入电压小于第一预设电压时，控制第一开关闭合，整流电路用于将交流电整流为直流电提供给开关电源，开关电源通过预充支路为逆变电路的第一端预充电。
127.预充电路还包括：第二电阻；开关电源的第一端连接整流电路的第二端，开关电源的第二端通过第二电阻连接逆变电路的第一端；第二电阻的阻值大于第一电阻的阻值；
128.开关电源通过预充支路为逆变电路的第一端预充电，具体包括：
129.逆变电路的输入电压小于第二预设电压值时，控制第一开关断开，开关电源通过第二电阻为逆变电路的第一端预充电；
130.逆变电路的输入电压大于第二预设电压值且小于第一预设电压时，第一开关闭合，开关电源通过预充支路为逆变电路的第一端预充电。
131.本技术提供的方法，由于开关电源可以升压，即将整流电路的输出电压升压后为
逆变电路的输入端预充电，这样可以保证直流母线电压的峰值大于交流电压的峰值，进而在交流侧的继电器闭合时，不会由于电压差而存在电压冲击。
132.需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。