有源過濾系統的制作方法

有源過濾系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及有源過濾系統(AF)，其被設置為連接在DC總線的第一電源線(10)和第二電源線(11)之間，所述總線被設置為連接于位于上游的DC電壓源，所述系統包含：第一電容器(C1)，被設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；開關組件(SW)，由處理裝置(UC)加以控制，用于生成補償電壓(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
技術領域
[0001] 本發明設及有源過濾系統。運一系統旨在連接于位于上游的DC電壓源。 現有技術
[0002] 單相逆變器通常用于諸如不間斷電源(UPS)的電壓轉換器或者光伏領域。
[0003] 在運些應用中，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生成具有電負載的可變電壓。使用 一種過濾方案控制出現在輸入端的電壓變化。通常，為了避免運些電壓變化，把一或多個濾 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。電容器通常為化學型的，并且具有大的空間要求，很貴，并且具有有限的生命期。為 了克服運些缺點，必須提供有源過濾系統。
[0004] 專利申請US2014/369090描述了一種有源過濾系統，運一系統旨在連接于位于上 游的DC電壓源和位于下游的逆變器，并且連接于負載。運一系統被串行地連接于DC電源總 線。運一現有技術方案具有諸多缺點，包括：
[0005] .DC電源總線的輸出端處出現極大電壓脈動(本文檔圖1中的Voutl)，
[0006] ?有源過濾系統需要使用能夠承受DC電源總線的電壓的晶體管，從而使所述方案 昂貴、復雜、并且產生高損耗，必須使用電源和絕緣柵控制電路控制所述系統的晶體管，
[0007] ?由于在DC電源總線上直接串行地連接所述系統，所W需要使大多數部件具有足 夠的維度，W承受負載的最大電流，從而導致高損耗，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。

【發明內容】

[0009] 本發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，運一有源過濾 系統十分緊致、成本低、而且僅產生有限的損耗。
[0010] 可W通過一種有源過濾系統實現運一目的，即把所述有源過濾系統設置為連接在 DC總線的第一電源線和第二電源線之間，把所述總線設置為連接于位于上游的DC電壓源， 所述系統包含：
[0011] -第一電容器，將其設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] -開關組件，由處理裝置加 W控制，用于生成補償電壓（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] -用于根據所述AC分量確定參照值的裝置，
[0017] -用于確定施加于開關組件的命令，W生成所述補償電壓的裝置，所述補償電壓與 第一電容器的端子的AC分量相反，并且對應于所述參照值。
[0018] 根據第一實施例，開關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晶體管之間的連接中點的電感器、 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] 根據第二實施例，開關組件包括：
[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 于位于兩個晶體管之間的連接中點的電感器，
[0021] -與兩個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連接于其第二端子。
[0023] 根據一個特征，本發明的系統包含連接于開關組件的第一端子W及開關組件的第 二端子的第Ξ電容器。
【附圖說明】
[0024] 在W下參照附圖所進行的詳細描述中，將可明顯看出其它特征與優點，其中：
[0025] 圖1示意性地表示了本發明的有源過濾系統的體系結構，
[0026] 圖2表示本發明的有源過濾系統的實施例的一個示例的電子圖，
[0027] 圖3表示本發明的有源過濾系統中所使用的開關組件的控制概況，
[0028] 圖4表示本發明的有源過濾系統中所使用的開關組件的一個變體實施例。
【具體實施方式】
[0029] 本發明設及有源過濾系統，運一系統旨在連接于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、具有電負載C的晶體管的(DC/AC)逆變器的輸入端。
[0030] 本發明的有源過濾系統AF包含：
[0031] -第一電容器C1，將其設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] -開關組件SW，將其設置為生成補償電壓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，主要用于控制開關組件，在W下對系統的操作的描述中 將對它們詳細加 W描述。
[0034] 必須對開關組件SW進行控制，W使有源過濾系統的等效電容能夠最高。實際上，等 效電容Ceq為：
[00對 Ceq =打/(1-k)，其中，C功第一電容器C1的電容，k為補償增益。
[0036] 根據運一關系，應該意識到，對于接近于1、小于1，但不等于1的k的值，等效電容將 非常高，使輸入電壓按脈動頻率的過濾明顯得W改進。
[0037] 圖1說明了本發明的有源過濾系統的操作原理。對開關組件SW進行控制，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巧由取運一電壓的振蕩，然 后確定施加于開關組件SWW補償運些振蕩的諸如PWM(脈沖寬度調制）類型的控制信號打1、 。2。
[0039] 更精確地，參照圖3，所述操作原理如下：
[0040] -在第一步驟中，把通過傳統的測量裝置所測量的電壓Vci發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、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設置為把一個增益施加于電壓的AC分量調 整補償度。運一增益最好為-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 定。
[0042] -在施加了至第Ξ步驟的偏移Θ之后，所述處理裝置實現了用于確定開關組件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，所述處理裝置實現了把參照值VAF_ref注入其中的控制循環。所述 控制循環由確定開關組件SW的端子處所期望的參照值VAF_ref和傳統的測量裝置所測量的電 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(PID) 控制器）。在控制循環的輸出端，處理裝置確定施加于開關組件SW的控制命令Cti、Ct2，W使 開關組件SW的端子處的電壓Vaf達到參照值VAF_ref。控制命令Cti、Ct2是互補的，即，晶體管T1 和T2永遠不會同時處于關閉狀態。當令晶體管T1為關閉狀態時(于是，晶體管T2處于開放狀 態），其導致電流和電壓Vaf增加，并且趨向于Vaux的值。當令晶體管T2為關閉狀態時(于是，晶 體管T1處于開放狀態），其導致電流和電壓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組件的第一端子 B1也連接于位于兩個晶體管Τ1、Τ2之間的中點的電感器L1。其還包含被指定為第二電容器、 連接于第一晶體管Τ1和開關組件SW的第二端子Β2的電容器C2。由兩個晶體管Τ1、Τ2形成所 述組件，和電感器L1作為用于生成旨在補償第一電容器C1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DC總線的第二電源線11創建用于供 給開關組件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，平滑兩個晶體管Τ1、Τ2的開關所生成的電壓Vaf。把該第Ξ電容器C3連接在開關組件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。令晶體管Τ1、Τ2所形成的開關組件W及電感器L1的維度支持負載電 流的AC分量的峰值的量級的電流。
[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MHz)和具有極低(非常低的百萬級RDson)導通損耗W及極低轉 換損耗的優點。于是，電感器LI可W具有低的值。
[004引圖4表示了本發明的有源過濾系統AF中所使用的開關組件SW的變體實施例。在運 一第二拓撲中，開關組件SW包含兩個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 于位于兩個晶體管Τ3、Τ4之間的中點。如在先前拓撲中，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。運一第二拓撲主要用于降低施加于第二電容器C2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，本發明的方案具有多個優點，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。
【主權項】
1. 有源過濾系統(AF)，被設置為連接在DC總線的第一電源線（10)和第二電源線（11)之 間，所述總線被設置為連接于位于上游的DC電壓源，所述系統的特征在于，其包含： -第一電容器(C1)，被設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， -用于根據所述AC分量確定參照值(VAF_rrf)的裝置， -用于確定施加于開關組件(SW)的控制命令，以生成所述補償電壓(VAF)的裝置，所述補 償電壓與第一電容器的端子的電壓的AC分量相反，并且對應于所述參照值(VAF+rrf)。2. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，開關組件(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 接于位于兩個晶體管之間的連接中點的電感器(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. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，開關組件(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晶體管之間的連接中點的電感器(L1)， -與兩個晶體管(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)之間的中點連接于其第二端子(B2)。4. 根據權利要求2或3所述的系統，其特征在于，其包含連接于開關組件（SW)的第一端 子(B1)以及開關組件(SW)的第二端子(B2)的第三電容器(C3)。
【文檔編號】H02M1/14GK106059272SQ201610204859
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月5日 公開號201610204859.3, CN 106059272 A, CN 106059272A, CN 201610204859, CN-A-106059272, CN106059272 A, CN106059272A, CN201610204859, CN201610204859.3
【發明人】M-X.王, A.登特拉, R.戈什
【申請人】施耐德電氣工業公司