一种功率变换器、其控制方法及储能系统与流程

本技术涉及能源，尤其涉及一种功率变换器、其控制方法及储能系统。

背景技术：

1、目前，在诸如通信电池、数据中心储能电池、车载动力电池及光伏储能电池等储能场景或者具有变换功能的电源电路中，需要增加剩余电流检测电路进行漏电流保护，避免因漏电导致的电源失效。并且，在具备功率变换功能的储能设备或电源电路中，需要增加具有共模电感的滤波电路，共模电感可以对共模分量进行滤波，以保障储能设备或电源电路的电磁兼容性(electromagnetic compatibility，emc)性能。

2、其中，剩余电流检测装置(residual current device，rcd)的作用是及时检测线路中的剩余电流即漏电电流，根据漏电电流的大小判断是否发生漏电，以杜绝由于漏电引发的危险。剩余电流检测包括以下三种类型：(1)a型剩余电流检测：仅可以对正弦交流信号进行检测；(2)ac型剩余电流检测：可以对正弦交流信号和脉动直流信号进行检测；(3)b型剩余电流检测：可以对正弦交流信号、脉动直流信号以及直流信号进行检测。剩余电流检测可以采用以下三种检测方式：(1)电流互感器(current transformer，ct)：仅可作为a型剩余电流检测，在直流场景下无法完成测量；(2)霍尔传感器：成本高，易受外部大的电流磁场干扰，由于磁芯磁滞的影响，当被测电流含有较大直流分量时，霍尔互感器的检测误差也会增大；(3)磁通门传感器：成本较高，体积较大。

3、因此，目前在同时具有剩余电流检测和共模滤波需求的情况下，功率转换装置内需要分别设置用于剩余电流检测和用于共模滤波的两个磁器件，两个磁器件会增加装置成本，所占电路板的面积较大，且会增加单板的损耗。

技术实现思路

1、本技术提供了一种功率变换器、其控制方法及储能系统，用以节省成本、减少磁器件所占电路板面积且减少单板损耗。

2、第一方面，本技术实施例提供一种功率变换器，功率变换器包括功率变换电路、集成电感、比较电路和控制器。其中，功率变换电路的输入端用于连接第一母线，第一母线可以连接储能装置、电源或其他电路的输出端；功率变换电路的输出端用于连接第二母线，第二母线可以连接负载设备或电网。功率变换电路用于将第一母线提供的电能经过功率转换后输出至第二母线。集成电感串联在功率变换电路的输入端与第一母线之间，或，集成电感串联在功率变换电路的输出端与第二母线之间。集成电感包括第一绕组、第二绕组和第三绕组。集成电感为集成了共模滤波和漏电流检测的磁器件，其中，第一绕组和第二绕组构成共模电感线圈且用于共模滤波，第三绕组与比较电路连接且用于检测漏电流。在具体实施时，第一绕组和第二绕组可以连接第一母线，此时集成电感作为输入滤波使用且集成电感采用第三绕组可以检测功率变换电路的输入端是否具有漏电流。或者，第一绕组和第二绕组也可以连接第二母线，此时集成电感作为输出滤波使用且集成电感采用第三绕组可以检测功率变换电路的输出端是否具有漏电流。比较电路与控制器连接，比较电路用于根据第三绕组输出的感应电流信号确定是否需要漏电流保护，在判断需要进行漏电流保护时向控制器输出第一信号；控制器在接收到第一信号后会生成并输出第二信号，第二信号用于指示功率变换电路停止向第二母线输出，以完成相应的漏电流保护功能。

3、在本技术中，将用于滤波的共模电感和用于剩余电流保护的检测电感集成为同一个电感，以减少磁器件使用数量从而节省成本、减少磁器件所占电路板面积且减少单板损耗，并且配合相应电路，同时实现共模滤波和剩余电流保护的功能。

4、在本技术一些实施例中，在比较电路判断感应电流信号的电压幅值大于第一阈值时，确定漏电流异常需要进行漏电流保护时，此时比较电路才向控制器输出第一信号，第一信号具体可以为高电平信号。相应地，在比较电路判断感应电流信号的电压幅值小于第一阈值时，比较电路可以向控制器输出低电平信号。比较电路仅需要根据感应电流信号是否大于第一阈值来判断是否需要进行漏电流保护，无需精确检测漏电流大小，可减少成本，占板面积及模块损耗。

5、在本技术一些实施例中，为了避免干扰触发错误判断，控制器可以在第一时间段内确定接收到的第一信号的数量大于第二阈值时，才生成并输出第二信号。例如，控制器在1秒内接收到1千次及以上的第一信号时，才会生成并输出第二信号。

6、在本技术一些实施例中，控制器可以采用向功率变换电路输出第二信号，第二信号用于控制功率变换电路停止工作的方式，对功率变换电路进行停机处理，使功率变换电路停止向第二母线输出。

7、在本技术另一些实施例中，在功率变换电路的外侧设置有开关，开关具体可以采用继电器实现其功能。控制器还可以采用对开关输出第二信号，第二信号用于控制开关断开的方式，切断母线与功率变换电路之间的连接，使功率变换电路停止向第二母线输出。具体地，功率变换器可以包括与第一母线串联的第一开关，以及与第二母线串联的第二开关。在集成电感设置在功率变换电路的输入端一侧，即集成电感设置在第一开关与功率变换电路的输入端时，控制器可以向第一开关输出第二信号，第二信号用于控制第一开关断开。进一步地，控制器也可以同时向第一开关和功率变换电路输出第二信号，第二信号用于控制功率变换电路停止工作同时控制第一开关断开的方式，对功率变换电路进行停机处理且对第一开关进行断开处理，使功率变换电路停止向第二母线输出。在集成电感设置在功率变换电路的输出端一侧，即集成电感设置在第二开关与功率变换电路的输出端时，控制器可以向第二开关输出第二信号，第二信号用于控制第二开关断开。进一步地，控制器也可以同时向第二开关和功率变换电路输出第二信号，第二信号用于控制功率变换电路停止工作同时控制第二开关断开的方式，对功率变换电路进行停机处理且对第二开关进行断开处理，使功率变换电路停止向第二母线输出。

8、在本技术一些实施例中，第一绕组、第二绕组和第三绕组可以绕在同一磁芯上，第一绕组和第二绕组的匝数和相位都相同且绕制反向，第三绕组的匝数一般多于第一绕组的匝数。当正常的电流流经集成电感时，电流在同相位绕制的第一绕组和第二绕组中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常的电流主要受绕组电阻的影响；当有共模电流流经第一绕组和第二绕组时，由于共模电流的同向性，会在第一绕组和第二绕组内产生同向的磁场而增大第一绕组和第二绕组的感抗，使第一绕组和第二绕组表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的作用。第三绕组作为集成电感的二次侧线圈，在磁芯的磁通作用下，产生感应电势，从而在二次回路即第三绕组中产生一个正比于漏电流的感应电流。在正常情况下，共模电流很小，在发生漏电时，漏电流通过第一绕组和第二绕组输出，产生较大的共模电流，集成电感的第三绕组根据共模电流产生的磁通量生成感应电势而产生感应电流信号，漏电流越大，则第三绕组产生的感应电势即感应电流也就越大。

9、在本技术一些实施例中，功率变换电路可以为直流转直流变换电路器(dc-dcconverter，dcdc)，dcdc用于通过升压或者降压的方式，将储能装置提供的直流电转换为不同电压，以供后级设备。

10、在本技术另一些实施例中，功率变换器还可以包括交流转直流变换电路，交流转直流变换电路的输出端可以通过集成电感与直流转直流变换电路的输入端连接；或者，交流转直流变换电路的输出端也可以直接与直流转直流变换电路的输入端连接，且直流转直流变换电路的输出端与集成电感连接。

11、在本技术另一些实施例中，功率变换电路也可以具体为直流转交流变换电路，具体可以为储能变流器(power conversion system，pcs)，pcs用于将直流电转换为交流电，负责交流电网构网。

12、在本技术另一些实施例中，功率变换电路具体可以包括dcdc和pcs，dcdc连接在储能装置与pcs之间，pcs作为dcdc的后级设备与电网连接。

13、在本技术另一些实施例中，功率变换电路也可以具体为交流转直流变换电路，交流转直流变换电路用于将交流电转换为直流电，之后可以对负载供电。

14、第二方面，本技术提供了一种储能系统，包括储能装置和第一方面提供的上述功率变换器，储能装置通过第一母线与功率变换器连接，功率变换器用于将储能装置提供的电能经过功率转换后输出。本技术实施例提供的功率变换器可以广泛应用于如通信电池、数据中心储能电池、车载动力电池及光伏储能电池等储能场景也可以应用于具有功率变换功能的电源电路。功率变换器中将用于滤波的共模电感和用于剩余电流保护的检测电感集成为同一个电感，以减少磁器件使用数量从而节省成本、减少磁器件所占电路板面积且减少单板损耗，并且配合相应电路，同时实现共模滤波和剩余电流保护的功能。

15、第三方面，本技术提供了一种功率变换器的控制方法，其中功率变换器为第一方面提供的功率变换器。该控制方法具体可以包括以下步骤：比较电路根据第三绕组输出的感应电流信号，向控制器输出第一信号；控制器根据第一信号，生成并输出第二信号，第二信号用于指示功率变换电路停止向第二母线输出。

16、在本技术中，将用于滤波的共模电感和用于剩余电流保护的检测电感集成为同一个电感，以减少磁器件使用数量从而节省成本、减少磁器件所占电路板面积且减少单板损耗，并且配合相应电路，同时实现共模滤波和剩余电流保护的功能。

17、在本技术一些实施例中，比较电路根据第三绕组输出的感应电流信号，向控制器输出第一信号，可以具体包括：在比较电路判断感应电流信号的电压幅值大于第一阈值时，确定漏电流异常需要进行漏电流保护时，此时比较电路才向控制器输出第一信号，第一信号具体可以为高电平信号。相应地，在比较电路判断感应电流信号的电压幅值小于第一阈值时，比较电路可以向控制器输出低电平信号。比较电路仅需要根据感应电流信号是否大于第一阈值来判断是否需要进行漏电流保护，无需精确检测漏电流大小，可减少成本，占板面积及模块损耗。

18、在本技术一些实施例中，为了避免干扰触发错误判断，控制器根据第一信号，生成并输出第二信号，可以具体包括：控制器在第一时间段内确定接收到的第一信号的数量大于第二阈值时，才生成并输出第二信号。例如，控制器在1秒内接收到1千次及以上的第一信号时，才会生成并输出第二信号。

19、在本技术一些实施例中，控制器输出第二信号，可以具体包括：控制器可以采用向功率变换电路输出第二信号，第二信号用于控制功率变换电路停止工作的方式，对功率变换电路进行停机处理，使功率变换电路停止向第二母线输出。

20、在本技术一些实施例中，在功率变换电路的外侧设置有开关，开关具体可以采用继电器实现其功能。控制器还可以采用对开关输出第二信号，第二信号用于控制开关断开的方式，切断母线与功率变换电路之间的连接，使功率变换电路停止向第二母线输出。具体地，功率变换器可以包括串联在集成电感与第一母线之间的第一开关，以及串联在集成电感与第二母线之间的第二开关。

21、在本技术一些实施例中，在集成电感设置在功率变换电路的输入端一侧，即集成电感设置在第一开关与功率变换电路的输入端时，控制器可以向第一开关输出第二信号，第二信号用于控制第一开关断开。进一步地，控制器也可以同时向第一开关和功率变换电路输出第二信号，第二信号用于控制功率变换电路停止工作同时控制第一开关断开的方式，对功率变换电路进行停机处理且对第一开关进行断开处理，使功率变换电路停止向第二母线输出。

22、在本技术另一些实施例中，在集成电感设置在功率变换电路的输出端一侧，即集成电感设置在第二开关与功率变换电路的输出端时，控制器可以向第二开关输出第二信号，第二信号用于控制第二开关断开。进一步地，控制器也可以同时向第二开关和功率变换电路输出第二信号，第二信号用于控制功率变换电路停止工作同时控制第二开关断开的方式，对功率变换电路进行停机处理且对第二开关进行断开处理，使功率变换电路停止向第二母线输出。

23、第二方面和第三方面中的任一可能设计可以达到的技术效果，请参照上述第一方面中的任一可能设计可以达到的技术效果，这里不再重复赘述。本技术的这些方面或其它方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。