有源過濾系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及有源過濾系統(tǒng)(AF)，其被設(shè)置為連接在DC總線的第一電源線(10)和第二電源線(11)之間，所述總線被設(shè)置為連接于位于上游的DC電壓源，所述系統(tǒng)包含：第一電容器(C1)，被設(shè)置為既連接于總線的第一電源線(10)，也連接于總線的第二電源線(11)，并且連接于把包括AC分量的電壓(VC1)施加于其處的端子；開關(guān)組件(SW)，由處理裝置(UC)加以控制，用于生成補(bǔ)償電壓(VAF)(與第一電容器(C1)的端子的電壓的AC分量相反)，并且包括連接于第一電容器(C1)的第一端子(B1)和旨在連接于第二電源線(11)的第二端子(B2)。
【專利說明】
有源過濾系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及有源過濾系統(tǒng)。運(yùn)一系統(tǒng)旨在連接于位于上游的DC電壓源。 現(xiàn)有技術(shù)
[0002] 單相逆變器通常用于諸如不間斷電源(UPS)的電壓轉(zhuǎn)換器或者光伏領(lǐng)域。
[0003] 在運(yùn)些應(yīng)用中，把包括兩條電源線的DC電源總線向上游連接于諸如光伏板或者電 池的DC電壓源，并且向下游將其連接于受控的逆變器，W生成具有電負(fù)載的可變電壓。使用 一種過濾方案控制出現(xiàn)在輸入端的電壓變化。通常，為了避免運(yùn)些電壓變化，把一或多個(gè)濾 波電容器連接于總線的第一電源線和第二電源線。各電容器的總電容必須足W吸收輸入電 壓脈動(dòng)。電容器通常為化學(xué)型的，并且具有大的空間要求，很貴，并且具有有限的生命期。為 了克服運(yùn)些缺點(diǎn)，必須提供有源過濾系統(tǒng)。
[0004] 專利申請(qǐng)US2014/369090描述了一種有源過濾系統(tǒng)，運(yùn)一系統(tǒng)旨在連接于位于上 游的DC電壓源和位于下游的逆變器，并且連接于負(fù)載。運(yùn)一系統(tǒng)被串行地連接于DC電源總 線。運(yùn)一現(xiàn)有技術(shù)方案具有諸多缺點(diǎn)，包括：
[0005] .DC電源總線的輸出端處出現(xiàn)極大電壓脈動(dòng)(本文檔圖1中的Voutl)，
[0006] ?有源過濾系統(tǒng)需要使用能夠承受DC電源總線的電壓的晶體管，從而使所述方案 昂貴、復(fù)雜、并且產(chǎn)生高損耗，必須使用電源和絕緣柵控制電路控制所述系統(tǒng)的晶體管，
[0007] ?由于在DC電源總線上直接串行地連接所述系統(tǒng)，所W需要使大多數(shù)部件具有足 夠的維度，W承受負(fù)載的最大電流，從而導(dǎo)致高損耗，并且增加了所述方案的總開銷。
[000引專利US5999422A和US6583999B1描述了有源過濾系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種旨在連接于DC電源總線的有源過濾系統(tǒng)，運(yùn)一有源過濾 系統(tǒng)十分緊致、成本低、而且僅產(chǎn)生有限的損耗。
[0010] 可W通過一種有源過濾系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)一目的，即把所述有源過濾系統(tǒng)設(shè)置為連接在 DC總線的第一電源線和第二電源線之間，把所述總線設(shè)置為連接于位于上游的DC電壓源， 所述系統(tǒng)包含：
[0011] -第一電容器，將其設(shè)置為既連接于總線的第一電源線，也連接于總線的第二電源 線，并且連接于把包括AC分量的電壓施加于其處的端子，
[0012] -開關(guān)組件，由處理裝置加 W控制，用于生成補(bǔ)償電壓（與第一電容器的端子的AC 分量相反），并且包括連接于第一電容器的第一端子和旨在連接于第二電源線的第二端子， [001引-處理裝置包括：
[0014] -用于接收第一電容器的端子處的所述電壓的輸入端，
[0015] -用于確定第一電容器的端子處的電壓的所述AC分量的裝置，
[0016] -用于根據(jù)所述AC分量確定參照值的裝置，
[0017] -用于確定施加于開關(guān)組件的命令，W生成所述補(bǔ)償電壓的裝置，所述補(bǔ)償電壓與 第一電容器的端子的AC分量相反，并且對(duì)應(yīng)于所述參照值。
[0018] 根據(jù)第一實(shí)施例，開關(guān)組件包含第一晶體管、連接于第一晶體管W及其第二端子 的第二晶體管、連接于其第一端子并且連接于位于兩個(gè)晶體管之間的連接中點(diǎn)的電感器、 W及既連接于第二端子也連接于第一晶體管的第二電容器。
[0019] 根據(jù)第二實(shí)施例，開關(guān)組件包括：
[0020] -第一晶體管、串行連接于第一晶體管的第二晶體管、連接于其第一端子并且連接 于位于兩個(gè)晶體管之間的連接中點(diǎn)的電感器，
[0021] -與兩個(gè)晶體管并行連接的第二電容器，
[0022] -第Ξ晶體管和第四晶體管，串行連接并且與第二電容器并行連接，把位于第Ξ晶 體管和第四晶體管之間的中點(diǎn)連接于其第二端子。
[0023] 根據(jù)一個(gè)特征，本發(fā)明的系統(tǒng)包含連接于開關(guān)組件的第一端子W及開關(guān)組件的第 二端子的第Ξ電容器。
【附圖說明】
[0024] 在W下參照附圖所進(jìn)行的詳細(xì)描述中，將可明顯看出其它特征與優(yōu)點(diǎn)，其中：
[0025] 圖1示意性地表示了本發(fā)明的有源過濾系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，
[0026] 圖2表示本發(fā)明的有源過濾系統(tǒng)的實(shí)施例的一個(gè)示例的電子圖，
[0027] 圖3表示本發(fā)明的有源過濾系統(tǒng)中所使用的開關(guān)組件的控制概況，
[0028] 圖4表示本發(fā)明的有源過濾系統(tǒng)中所使用的開關(guān)組件的一個(gè)變體實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 本發(fā)明設(shè)及有源過濾系統(tǒng)，運(yùn)一系統(tǒng)旨在連接于DC電源總線，所述總線包括第一 電源線1〇(例如，具有正電位）W及第二電源線11 (例如，具有負(fù)電位）。例如，把所述DC電源 總線連接于DC電壓源(例如，一或多個(gè)光伏板或者電池）。例如，把所述總線所供給的DC電壓 施加于包含受控用于生成可變電壓的、具有電負(fù)載C的晶體管的(DC/AC)逆變器的輸入端。
[0030] 本發(fā)明的有源過濾系統(tǒng)AF包含：
[0031] -第一電容器C1，將其設(shè)置為既連接于所述總線的第一電源線10也連接于所述總 線的第二電源線11，并且向其端子施加包括AC分量的電壓Vci。
[0032] -開關(guān)組件SW，將其設(shè)置為生成補(bǔ)償電壓Vaf(與第一電容器Cl的端子處的電壓的AC 分量相反），并且包括連接于第一電容器Cl的第一端子B1和旨在連接于第二電源線11的第 二端子B2。
[0033] -其各種裝置的處理裝置，主要用于控制開關(guān)組件，在W下對(duì)系統(tǒng)的操作的描述中 將對(duì)它們?cè)敿?xì)加 W描述。
[0034] 必須對(duì)開關(guān)組件SW進(jìn)行控制，W使有源過濾系統(tǒng)的等效電容能夠最高。實(shí)際上，等 效電容Ceq為：
[00對(duì) Ceq =打/(1-k)，其中，C功第一電容器C1的電容，k為補(bǔ)償增益。
[0036] 根據(jù)運(yùn)一關(guān)系，應(yīng)該意識(shí)到，對(duì)于接近于1、小于1，但不等于1的k的值，等效電容將 非常高，使輸入電壓按脈動(dòng)頻率的過濾明顯得W改進(jìn)。
[0037] 圖1說明了本發(fā)明的有源過濾系統(tǒng)的操作原理。對(duì)開關(guān)組件SW進(jìn)行控制，W生成添 加于第一電容器Cl的端子處的電壓Vci的補(bǔ)償電壓Vaf，其中，第一電容器Cl具有作用于從電 壓Vaf和Vci之和得出的DC電源總線的電壓Vdc的考慮。
[0038] 根據(jù)第一電容器C1的端子處的電壓Vci的值，處理裝置U巧由取運(yùn)一電壓的振蕩，然 后確定施加于開關(guān)組件SWW補(bǔ)償運(yùn)些振蕩的諸如PWM(脈沖寬度調(diào)制）類型的控制信號(hào)打1、 。2。
[0039] 更精確地，參照?qǐng)D3，所述操作原理如下：
[0040] -在第一步驟中，把通過傳統(tǒng)的測(cè)量裝置所測(cè)量的電壓Vci發(fā)送到處理裝置的輸入 端，并且在帶通濾波器化的輔助下由處理裝置UC加 W過濾，其中，處理裝置UC具有封鎖其DC 分量和其高頻脈動(dòng)、并且僅保持其AC分量皆^的考慮。
[0041] -在第二步驟中，把處理裝置UC設(shè)置為把一個(gè)增益施加于電壓的AC分量調(diào) 整補(bǔ)償度。運(yùn)一增益最好為-k，其中，k具有接近于1，但小于1的值，從而使所述方案保持穩(wěn) 定。
[0042] -在施加了至第Ξ步驟的偏移Θ之后，所述處理裝置實(shí)現(xiàn)了用于確定開關(guān)組件SW的 端子處的電壓所期望的參照值VAF_ref的模塊。
[0043] -在第四步驟中，所述處理裝置實(shí)現(xiàn)了把參照值VAF_ref注入其中的控制循環(huán)。所述 控制循環(huán)由確定開關(guān)組件SW的端子處所期望的參照值VAF_ref和傳統(tǒng)的測(cè)量裝置所測(cè)量的電 壓的值Vaf之間的差組成。把所獲得的差注入處理裝置的控制器(例如，比例積分求導(dǎo)(PID) 控制器）。在控制循環(huán)的輸出端，處理裝置確定施加于開關(guān)組件SW的控制命令Cti、Ct2，W使 開關(guān)組件SW的端子處的電壓Vaf達(dá)到參照值VAF_ref?？刂泼頒ti、Ct2是互補(bǔ)的，即，晶體管T1 和T2永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)令晶體管T1為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)(于是，晶體管T2處于開放狀 態(tài)），其導(dǎo)致電流和電壓Vaf增加，并且趨向于Vaux的值。當(dāng)令晶體管T2為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)(于是，晶 體管T1處于開放狀態(tài)），其導(dǎo)致電流和電壓Vaf減小，并且趨向于0。
[0044] 有利的做法是，令開關(guān)組件包含第一晶體管T1和第二晶體管T2。把第二晶體管T2 連接于開關(guān)組件SW的第二端子B2和第一晶體管T1。其還包含既連接于開關(guān)組件的第一端子 B1也連接于位于兩個(gè)晶體管Τ1、Τ2之間的中點(diǎn)的電感器L1。其還包含被指定為第二電容器、 連接于第一晶體管Τ1和開關(guān)組件SW的第二端子Β2的電容器C2。由兩個(gè)晶體管Τ1、Τ2形成所 述組件，和電感器L1作為用于生成旨在補(bǔ)償?shù)谝浑娙萜鰿1的端子處的電壓Vci的AC分量馬$ 的電壓Vaf的功率放大器來操作。第二電容器C2用于針對(duì)DC總線的第二電源線11創(chuàng)建用于供 給開關(guān)組件SW的功率放大器的電位Vaux。第二電容器C2的作用主要是吸收功率變化，并且限 制電位化UX的變化。
[0045] 最好是，令功率放大器可W包含被指定為第Ξ電容器的電容器C3,其與電感器L1 合作，平滑兩個(gè)晶體管Τ1、Τ2的開關(guān)所生成的電壓Vaf。把該第Ξ電容器C3連接在開關(guān)組件SW 的第一端子B1和第二端子B2之間。
[0046] 令晶體管Τ1、Τ2的維度可承受電壓化UX。通常，電壓化UX可W為DC電源總線的電壓 Vdc的20分之一的量級(jí)。令晶體管Τ1、Τ2所形成的開關(guān)組件W及電感器L1的維度支持負(fù)載電 流的AC分量的峰值的量級(jí)的電流。
[0047] 由于所支持的電壓Vaux低，所W晶體管Τ1和Τ2可W為低壓M0SFET類型，具有按極高 頻率（lOOkHz左右，最高可達(dá)MHz)和具有極低(非常低的百萬級(jí)RDson)導(dǎo)通損耗W及極低轉(zhuǎn) 換損耗的優(yōu)點(diǎn)。于是，電感器LI可W具有低的值。
[004引圖4表示了本發(fā)明的有源過濾系統(tǒng)AF中所使用的開關(guān)組件SW的變體實(shí)施例。在運(yùn) 一第二拓?fù)渲?，開關(guān)組件SW包含兩個(gè)附加的與第二電容器C2并行連接的晶體管Τ3、Τ4。而 且，不再把開關(guān)組件SW的第二端子Β2連接于第二電容器C2和第二晶體管Τ2,而是將其連接 于位于兩個(gè)晶體管Τ3、Τ4之間的中點(diǎn)。如在先前拓?fù)渲?，可W提供第Ξ電容器C3,并且將其 連接于第一端子Β1和第二端子Β2之間。運(yùn)一第二拓?fù)渲饕糜诮档褪┘佑诘诙娙萜鰿2的 電壓Vaux，并且可W用于取代DC電源總線生成AC電壓。
[0049] 因此，本發(fā)明的方案具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括：
[0050] -有限的空間要求，
[0051] -降低了損耗，
[0化2]-適中的成本，
[0053]-易于安裝和可靠的操作。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 有源過濾系統(tǒng)(AF)，被設(shè)置為連接在DC總線的第一電源線（10)和第二電源線（11)之 間，所述總線被設(shè)置為連接于位于上游的DC電壓源，所述系統(tǒng)的特征在于，其包含： -第一電容器(C1)，被設(shè)置為既連接于總線的第一電源線（10)，也連接于總線的第二電 源線（11)，并且連接于把包括AC分量(?.)的電壓(VQ)施加于其處的端子， -開關(guān)組件（SW)，包括連接于第一電容器(C1)的第一端子(B1)和旨在連接于第二電源 線（11)的第二端子(B2)， -處理裝置(UC)包括： -用于接收第一電容器的端子處的所述電壓(VC1)的輸入端， -用于確定第一電容器的端子處的電壓的所述AC分量的裝置， -用于根據(jù)所述AC分量確定參照值(VAF_rrf)的裝置， -用于確定施加于開關(guān)組件(SW)的控制命令，以生成所述補(bǔ)償電壓(VAF)的裝置，所述補(bǔ) 償電壓與第一電容器的端子的電壓的AC分量相反，并且對(duì)應(yīng)于所述參照值(VAF+rrf)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，開關(guān)組件(SW)包含第一晶體管(T1)、連接 于第一晶體管(T1)以及其第二端子(B2)的第二晶體管(T2)、連接于其第一端子(B1)并且連 接于位于兩個(gè)晶體管之間的連接中點(diǎn)的電感器(L1)、以及既連接于第二端子(B2)也連接于 第一晶體管(T1)的第二電容器(C2)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，開關(guān)組件(SW)包括： -第一晶體管(T1)、串行連接于第一晶體管(T1)的第二晶體管(T2)、連接于其第一端子 (B1)并且連接于位于兩個(gè)晶體管之間的連接中點(diǎn)的電感器(L1)， -與兩個(gè)晶體管(T1、T2)并行連接的第二電容器(C2)， -第三晶體管(T3)和第四晶體管(T4)，串行連接并且與第二電容器(C2)并行連接，把位 于第三晶體管(T3)和第四晶體管(T4)之間的中點(diǎn)連接于其第二端子(B2)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的系統(tǒng)，其特征在于，其包含連接于開關(guān)組件（SW)的第一端 子(B1)以及開關(guān)組件(SW)的第二端子(B2)的第三電容器(C3)。
【文檔編號(hào)】H02M1/14GK106059272SQ201610204859
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日 公開號(hào)201610204859.3, CN 106059272 A, CN 106059272A, CN 201610204859, CN-A-106059272, CN106059272 A, CN106059272A, CN201610204859, CN201610204859.3
【發(fā)明人】M-X.王, A.登特拉, R.戈什
【申請(qǐng)人】施耐德電氣工業(yè)公司