CN103765743B - 用于减少dc链路电容的dc链路模块 - Google Patents

用于减少dc链路电容的dc链路模块 Download PDF

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Abstract

电力电子电路的DC链路模块包括：用于连接到第一级功率变换电路的第一连接器；用于连接到第二功率变换电路的第二连接器，其中第二级功率变换电路连接到布置成至少间歇地作为电力电子电路的电源操作的负载电路；布置在所述第一连接器和所述第二连接器之间的用于处理在所述第一连接器或所述第二连接器处接收的电压信号的至少一个DC链路电容器；以及布置在所述第一连接器和所述第二连接器之间的至少一个电压补偿电路，所述一个或多个电压补偿电路产生电压信号以补偿至少一个DC链路电容器上的DC电压信号中的AC纹波分量。

Description

用于减少DC链路电容的DC链路模块
技术领域
本发明涉及用于减少电力电子电路中的DC链路电容的DC链路模块，DC链路模块的控制器和使用DC链路模块来减少电力电子电路中的DC链路电容的方法。
背景技术
在今天的关注能量和环保的世界，高功率密度和长寿命是对电子系统的关键要求。在支持电容器的电力电子系统中，DC链路滤波器或模块从体积和成本方面来说通常是主要的零件。铝电解电容器与任何其他类型的电容器相比能够提供最高的电容值。然而，电解电容器的寿命随着环境温度的上升而明显减少。对于温度每10℃的增加，电容器的寿命将减少一半。因此，电容器通常是电子系统的可靠性的瓶颈。根据统计资料，高达30%的电子系统故障由电容器的失效引起。
特别是，对于高电压高功率变换系统，DC链路电容器通常为了可靠和安全的操作而被周期性地更换和监控，导致相当大的维护成本。为了增加可靠性和寿命，电力薄膜电容器在一些电容器支持的应用例如风力变换器和LED灯驱动器中被用作对一些铝电解电容器的代替品。然而，使用电力薄膜电容器的好处在某种程度上被其减少降低了的体积效率损害。电解电容器的体积效率一般比电力薄膜电容器高十倍。因此，对于相同的电容值，电力薄膜电容器的物理尺寸比电解电容器的物理尺寸大得多。
为了减少对DC链路电容器的相依性，提出了很多现有技术方法来最小化DC链路电容。然而，这些方法的适用性常常取决于电路结构。而且，很多方法或引起系统输入电流的形变，或在辅助部件上承受高电压应力，或其降低电容的有效性没有很好地被证明。
图1示出用于例如电源、电子镇流器、电机驱动器等应用的电力电子系统100的一般结构。它由DC链路106所连接的两个功率变换器102、104组成。第一级变换器102用于将以AC或DC形式的输入变换成DC。第二级变换器104用于向负载提供所需形式的功率。例如，用于驱动荧光灯的电子镇流器由将线频率（50Hz或60Hz）输入变换成高电压DC（一般400V）的前级功率因数校正器组成。它的第二级是将高频功率输送到荧光灯的逆变器。输出的频率高于20kHz。这两级由DC链路互连。DC链路电压由高电压DC链路电容器稳定。电容器用于吸收在输入源和输出负载之间的瞬时功率差，过滤在第一级和第二级变换器中产生的谐波，并在整个系统的停电后提供足够的能量以维持一定时间的系统功率输出。
附图的表I示出对于电路例如图1的电路中的DC链路使用铝电解电容器与使用电力薄膜电容器的比较。铝电解电容器由于其高体积效率和低成本而被广泛地选择。然而，它们具有下列缺点：
1）高等效串联电阻（ESR）和低纹波电流能力。这暗示在电容器中的相当大的功率损失。为了满足纹波电流要求，所需的总电容值通常比用于限制DC母线上的特定电压变化所需的电容值高得多。
2）电压额定值的瓶颈。对于具有高DC链路电压的应用，两个或多个电解电容器串联连接以维持高电压DC链路。因此，需要额外的电路来平衡串联电容器的电压分布。
3）与功率变换系统中的其它部件比较的相对短的寿命。可通过减少各种应力例如温度、工作电压和纹波电流来提高电容器的寿命。这暗示应以相当大的裕度设计DC链路电容，从而导致体积和成本的进一步增加，特别是对于具有高额定电压值的电容器。
4）相当多的维护工作。铝电解电容器的可靠性在功率变换系统中非常重要。对于工业应用，通常需要监控电容器的状况并周期性地更换它们。
最近二十年来的技术不断进步使薄膜电容器越来越多地应用于DC链路滤波。电力薄膜电容器在ESR、预期使用寿命、环境性能、DC电压承受能力、纹波电流能力和可靠性等方面得性能优于铝电解电容器。虽然低电压和高容值的薄膜电容器在市场上可买到，但是高电压薄膜电容器的电容值范围仍然比电解电容器小。电力薄膜电容器在DC链路中广泛应用的主要障碍是它们相对低的体积效率和相对高的成本。
发明内容
本发明提出了用于减少功率变换电路或系统中的DC链路电容的有源串联电压补偿器。因此，本发明提供了包括电压补偿器的DC链路模块，其普遍可应用于电容器支持的电力电子系统。电压补偿器只处理DC链路电容器的纹波电压和无功功率。它不影响变换电路或系统的输入和输出性能。所需的DC链路电容明显减少，使设计高功率密度长寿命高性价比的电力电子系统变得可能。而且，本发明的有源串联电压补偿器可应用于延长现有设计中的DC链路电容器的寿命，因此提高了整个系统的使用寿命。
在第一主要方面中，本发明提供了电力电子电路的DC链路模块，其包括：用于连接到功率变换电路的输出端的输入端；用于连接到负载电路的输出端；布置在所述输入端和所述输出端之间的用于处理在所述输入端处接收的电压信号的DC链路电容器；以及布置在所述输入端和所述输出端之间的电压补偿电路，所述电压补偿电路适合于产生电压信号以补偿DC链路电容器DC电压信号中的AC纹波分量。
优选地，电压补偿电路只处理DC电压信号的AC纹波分量。电压补偿电路可适合于在补偿所述AC纹波分量之前使AC纹波分量从DC电压信号去耦。电压补偿电路可适合于产生紧密地跟随DC电压信号的AC纹波分量的电压信号，以便补偿DC电压信号的AC纹波分量。
电压补偿电路可与DC链路模块输入端或输出端串联连接。在一个实施方式中，电压补偿电路包括线性电压源。然而优选地，电压补偿电路包括开关变换器。
在第二主要方面中，本发明提供了在电力电子电路中的DC链路的电压补偿电路，其可包括：电压源；输出滤波器；以及布置在所述电压源和所述输出滤波器之间的开关电路，所述开关电路包括有源开关设备，其中所述电压补偿电路用于产生电压信号以补偿DC链路电容器DC电压信号中的AC纹波分量。优选地，开关电路包括全桥开关电路，但它在一些实施方式中可包括有源开关设备和多个二极管的组合。
电压源可包括单个电容器电路、外部电压源或绕组耦合电压源中的任一个。
在第三主要方面中，本发明提供了减少电力电子电路中的DC链路的电容的方法，其包括下列步骤：将DC链路模块的输入端连接到功率变换电路的输出端；将DC链路模块的输出端连接到负载电路；在布置在所述DC链路模块的所述输入端和所述输出端之间的DC链路电容器处理在所述输入端处接收的电压信号；以及使用布置在所述输入端和所述输出端之间的电压补偿电路来产生电压信号以补偿DC链路电容器DC电压信号中的AC纹波分量。
在第四主要方面中，本发明提供了电力电子电路中的DC链路的控制器，其包括：用于对DC链路电容器电压信号采样的装置；用于从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置；用于采样电压补偿电路的输出电压信号的装置；用于调节电压补偿电路的所采样的输出电压信号的装置；用于从电压补偿电路的所采样的输出电压信号获得DC偏移信号的装置；用于使用DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置；用于从所述补偿的和经调节的DC链路电容器电压纹波信号获得电压补偿电路的有源开关电路的驱动信号的装置。
优选地，用于从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置包括高通滤波器。
用于从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置可包括确定在所采样的DC链路电容器电压信号和DC链路电容器DC电压信号之间的差的差分电路。
用于采样电压补偿电路的输出电压信号的装置和用于调节电压补偿电路的所采样的输出电压信号的装置可都包括在低通滤波器电路中。
优选地，用于获得DC偏移信号的装置包括比例积分器。
也优选地，用于使用DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置包括减法器电路。
用于获得驱动信号的装置可包括脉冲波调制器。
在第五主要方面中，本发明提供了减少电力电子电路中的DC链路的电容的方法，其包括下列步骤：对DC链路电容器电压信号采样；从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号；采样电压补偿电路的输出电压信号；调节电压补偿电路的所采样的输出电压；从电压补偿电路的所采样的输出电压信号获得DC偏移信号；使用DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号；从所述补偿的和经调节的DC链路电容器电压纹波信号获得电压补偿电路的有源开关电路的驱动信号的装置。
在第六主要方面中，本发明提供了包括根据本发明的第一主要方面的DC链路模块或根据本发明的第二主要方面的电压补偿电路的功率变换电路。
根据本发明的第七主要方面，提供了电力电子电路的DC链路模块，其包括：
用于连接到第一级功率变换电路的第一连接器；
用于连接到第二级功率变换电路的第二连接器，其中第二级功率变换电路连接到布置成至少间歇地作为电力电子电路的电源操作的负载电路；
布置在所述第一连接器和所述第二连接器之间的用于处理在所述第一连接器或所述第二连接器处接收的电压信号的至少一个DC链路电容器；以及
布置在所述第一连接器和所述第二连接器之间的至少一个电压补偿电路，所述一个或多个电压补偿电路布置成产生电压信号以补偿至少一个DC链路电容器的DC电压信号中的AC纹波分量。
在第七方面的实施方式中，至少一个电压补偿电路布置成只处理DC电压信号的AC纹波分量。
在第七方面的实施方式中，至少一个电压补偿电路布置成在补偿所述AC纹波分量之前使AC纹波分量从DC电压信号去耦。
在第七方面的实施方式中，至少一个电压补偿电路布置成产生紧密地跟随DC电压信号的AC纹波分量的电压信号，以便补偿DC电压信号的所述AC纹波分量。
在第七方面的实施方式中，至少一个电压补偿电路与第一连接器或第二连接器串联连接。
在第七方面的实施方式中，至少一个电压补偿电路包括线性电压源。
在第七方面的实施方式中，至少一个电压补偿电路包括开关变换器。
在第七方面的实施方式中，至少一个电压补偿电路包括：
电压源；
输出滤波器；以及
布置在所述电压源和所述输出滤波器之间的开关电路，所述开关电路包括有源开关设备。
在第七方面的实施方式中，开关电路包括全桥开关电路。
在第七方面的实施方式中，开关电路包括有源开关设备和多个二极管的组合。
在第七方面的实施方式中，电压源包括单个电容器电路、外部电压源或绕组耦合电压源中的任一个。
根据本发明的第八方面，提供了根据第七方面的实施方式的电力电子电路中的DC链路的电压补偿电路，其包括：
电压源；
输出滤波器；以及
布置在所述电压源和所述输出滤波器之间的开关电路，所述开关电路包括有源开关设备；
其中所述电压补偿电路布置成产生电压信号以补偿DC链路电容器的DC电压信号中的AC纹波分量。
在第八方面的实施方式中，开关电路包括全桥开关电路。
在第八方面的实施方式中，开关电路包括有源开关设备和多个二极管的组合。
在第八方面的实施方式中，电压源包括单个电容器电路、外部电压源或绕组耦合电压源中的任一个。
根据本发明的第九方面，提供了减少电力电子电路中的DC链路的电容的方法，其包括下列步骤：
将DC链路模块的第一连接器连接到第一功率变换电路的输出端；
将DC链路模块的第二连接器连接到第二功率变换电路，其中第二功率变换电路连接到布置成至少间歇地作为电力电子电路的电源操作的负载电路；
使用DC链路电容器处理在第一或第二连接器处接收的电压信号；以及
使用布置在所述输入端和所述输出端之间的电压补偿电路来产生电压信号以补偿DC链路电容器的DC电压信号中的AC纹波分量。
根据本发明的第十方面，提供了根据第七方面的实施方式中的任一项的电力电子电路中的DC链路的控制器，其包括：
用于对DC链路电容器电压信号采样的装置；
用于从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置；
用于采样电压补偿电路的输出电压信号的装置；
用于调节电压补偿电路的所采样的输出电压信号的装置；
用于从电压补偿电路的所采样的输出电压信号获得DC偏移信号的装置；
用于使用DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置；以及
用于从所述补偿的和经调节的DC链路电容器电压纹波信号获得电压补偿电路的有源开关电路的驱动信号的装置。
在第十方面的实施方式中，用于从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置包括高通滤波器。
在第十方面的实施方式中，用于从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置包括确定在所采样的DC链路电容器电压信号和DC链路电容器的DC电压信号之间的差的差分电路。
在第十方面的实施方式中，用于采样电压补偿电路的输出电压信号的装置和用于调节电压补偿电路的所采样的输出电压信号的装置可都包括在低通滤波器电路中。
在第十方面的实施方式中，用于获得DC偏移信号的装置包括比例积分器。
在第十方面的实施方式中，用于使用DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置包括减法器电路。
在第十方面的实施方式中，用于获得驱动信号的装置可包括脉冲波调制器。
在第十方面的实施方式中，控制器还包括布置成确定第一连接器和第二连接器之间的电流流动的方向的功率流方向电路。
在第十方面的实施方式中，功率流方向电路布置成基于第一连接器和第二连接器之间的电流流动的方向而选择性地操作控制器。
在第十方面的实施方式中，功率流方向电路布置成选择性地操作减法器电路。
根据本发明的第十一方面，提供了减少根据第七方面的实施方式中的任一项的电力电子电路中的DC链路的电容的方法，其包括下列步骤：
对DC链路电容器电压信号采样；
从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号；
采样电压补偿电路的输出电压信号；
调节电压补偿电路的所采样的输出电压信号；
从电压补偿电路的所采样的输出电压信号获得DC偏移信号；
使用DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号；以及
从所述补偿的和经调节的DC链路电容器电压纹波信号产生电压补偿电路的有源开关电路的驱动信号。
根据本发明的第十二方面，提供了包括第七方面的实施方式的DC链路模块或第八方面的电压补偿电路的功率变换电路。
根据本发明的第十三方面，提供了根据权利要求1的DC链路模块，其中第八方面的实施方式的至少一个电压补偿电路或电压补偿电路布置成补充电力电子电路的电力。
根据本发明的第十四方面，提供了布置成将第一级功率变换器电路电连接到第二级功率变换器电路的功率调节电路的DC链路模块，其包括：
链路电容器，其布置在第一级功率变换器电路与第二级功率变换器电路之间以处理在与第一级功率变换器的连接或与第二级功率变换器的连接处接收的电压信号；以及
电压补偿模块，其布置成产生电压信号以补偿链路电容器的DC电压信号中的AC纹波分量，
其中电流布置成从第一级功率变换器电路流到第二级功率变换器电路，且至少间歇地使电流从第二级功率变换器电路流到第一级功率变换器电路。
本发明的概述不一定公开用于定义本发明的所有必不可少的特征；本发明可存在于所公开的特征的子组合中。
附图说明
在参照附图以及仅作为例子提供的优选实施方式的下面的描述中，本发明的前述和另外的特征将变得明显，其中：
图1是一般功率变换系统或电路的示意图；
图2是示出根据本发明的具有串联电压补偿器电路的DC链路模块的示意性电路图；
图3是示出根据本发明的电压补偿器电路的示意性电路图；
图4A到4C是图3的电压补偿器电路的优选电压源；
图5是示出本发明的DC链路模块的控制器的电路的示意性电路图；
图6是用于获得经调节的纹波电压信号的图5所示的电路的可选部分；
图7是示出图5的DC链路控制器的脉冲宽度调制（PWM）控制器的示意性电路图；
图8包括DC链路模块的DC链路电容器和辅助电容器的设计的Va-C曲线。
图9是示出电解电容器的寿命倍增曲线图；
图10是具有单相全桥PWM整流器的前端级的AC-DC-DC功率变换系统的示意性电路图；
图11是为了初步实验验证目的的根据本发明的DC链路系统的示意性电路图；
图12示出使用具有和没有本发明的电压补偿器和在每种情况中具有DC链路相同电容值的图11的电路实现的实验结果；
图13A是示出根据本发明的另一实施方式的具有串联电压补偿器电路的DC链路模块的示意性电路图；
图13B是示出图13A所示的DC链路模块的控制器的示意性电路和方框图；
图14A是示出根据本发明的另一实施方式的具有串联电压补偿器电路的DC链路模块的示意性电路图；
图14B是示出图14A所示的DC链路模块的控制器的示意性电路和方框图；
图15A是示出布置成处理有功功率的图2的DC链路模块的示意性电路图；
图15B是示出布置成处理有功功率的图13A的DC链路模块的示意性电路图；
图15C是示出布置成处理有功功率的图13B的DC链路模块的示意性电路图；以及
图16是示出在双向功率变换电路中使用的图13A的DC链路模块的示意性电路图。
具体实施方式
下面的描述是仅作为例子的优选实施方式而不是对用于实现本发明所必要的特征的组合的限制。
本发明通常涉及用于减少电容器支持的电力电子系统中的电容要求的电路。更具体地，本发明涉及减少各种功率变换系统中的DC（直流）链路电容的串联电压补偿器。因此，高电压铝电解电容器可由电容值小很多的高电压电力薄膜电容器代替。
图2示出本发明的DC链路模块的所提出的基本概念。包括DC母线16a和16b的DC链路电容器11的输入端连接到前一功率变换级（未示出）的输出端。通常，前一功率变换级是产生包含AC（交流）纹波分量的DC电压的桥整流器或功率因素校正器电路。如图2所示，电容器电压vC由与ΔvC的电压纹波叠加的DC分量VC组成。为了使这两个信号部分去耦，电压补偿器电路12与DC母线16c串联连接以产生紧密跟随纹波电压ΔvC的AC电压vab。因此，理想情况下母线16c和16d之间的两个端子的DC链路输出端处的电压VDC只含有直流分量。因此，高得多的电压纹波被允许在DC链路电容器11上。DC链路电容的值只取决于vab的设计最大幅值，从而允许电容器11的值的减少。DC链路电容器11连同电压补偿器12一起形成可在各种DC链路电容器支持的电力电子系统中应用的DC链路模块10。
应注意，AC分量ΔvC的波形不是必须是如图2所示的正弦。它可以是具有被定义为frip的频率的任意类型的周期信号。vab跟随ΔvC的幅值和相位。虽然电压补偿器12优选地串联连接到母线16c，但是它可与母线16d、DC链路电容器11或甚至串联的母线16a和16b连接。
电压补偿器12只适于处理无功功率。也就是说，它没有净能量流。由于电压补偿器的功能是用于产生所需的电压以补偿DC链路电容器11的电压纹波，应注意，电压补偿器12可通过使用线性电压源或开关变换器来实现。为了减少功率损耗，开关变换器是优选的。在下面的讨论中，给出了开关变换器的操作，但相同的概念可应用于包括线性电压源的电压补偿器电路。
由于vab比DC链路电压小得多（即，vab<<VDC），因此电压补偿器12的电压和功率额定值非常小，这实现了使用低功率变换器来实现纹波抵消。
因此可看到，本发明提供了电力电子电路的DC链路模块。DC链路模块包括用于连接到功率变换器电路的输出端的输入端和用于连接到负载电路的输出端。DC链路电容器布置在所述输入端和所述输出端之间以用于处理在所述输入端处接收的电压信号，且电压补偿电路布置在所述输入端和所述输出端之间，所述电压补偿产生电压信号以补偿DC链路电容器的DC电压信号中的AC纹波分量。
电压补偿器12的电路拓扑的描述
在如在图3中看到的优选实施方式中，电压补偿器12是由电压源20、有源开关电路21和输出滤波器组成的全桥结构，有源开关电路21包括例如具有低电压额定值（例如，60V、100V）的MOSFET S1-S4。图3所示的H桥21可应用于有和没有从负载到源的再生能量的应用。对于对从负载到源的再生能量不可行的应用，有源开关设备S1和S4或S2和S3中的两个可以由二极管代替。有源开关设备S1-S4可以是具有预定的电压和电流额定值的任何其它类型的开关。
在图4A到图4C中示出连接到H桥21的电压源20的优选实施方式。由于电压补偿器21只处理无功功率以抵消电容器电压纹波，它不需要从电压源20供应的有效功率。对于恒定电力负载应用，DC链路电容器电压和负载电流的变化是反相的。如图4C所示的单个电容器20c不能确保电压补偿器的稳定性。因此，绕组耦合方法20a或外部源20b可用于提供电压源20。在不受控负载条件如非开关电阻或电感负载下，单个辅助电容器Ca20c可应用于电压源。在这样的情况下，在Ca20c两端的电压从启动时的零增加，并接着自动达到稳态值。
因此，可看到，本发明提供DC链路模块的电压补偿电路，其可包括：电压源；输出滤波器；以及布置在所述电压源和所述输出滤波器之间的开关电路。开关电路可包括有源开关设备。优选地，开关电路包括全桥开关电路，但它在一些实施方式中包括有源开关设备和多个二极管的组合。
控制器的实现的说明
图5到图7示出电压补偿器的控制器的详细实现。为了确保vab严格地等于ΔvC，DC链路电容器11的电压纹波被调节到PWM控制器19的控制信号。存在着两种优选的获得经调节的电容器电压纹波vrip的方法。一种方式是使用如在17a中示出的在所采样的DC链路电压vfd和DC链路电压参考之间的差异。另一种方式是将vfd连接到高通滤波器17b以消除如图6所示的DC分量，从而仅仅留下电压纹波。高通滤波器17b可引入从所采样的vrip到实际电压纹波ΔvC之间的超前相位角，然而，这个角非常小，且在大部分实际应用中它对电压补偿器21的性能的影响是可忽略的。
由于在DC链路上的稳态电压的变化和H桥开关的非理想开关作用，DC分量可在vab中出现。为了消除这个DC偏移，电压补偿器12的输出电压由低通滤波器14采样和调节。比例积分（PI）控制器被添加以获得DC偏移信号voffset。电压纹波信号vrip在进入PWM19的控制器之前通过减法器18由voffset补偿。因此，DC偏移被消除，以允许与以前相同的DC电压电平被输出。而且，电压补偿器12将不处理有功功率。
在优选实施方式中，在图7中示出PWM控制器19。控制信号首先由电压限制器25调节到某个范围内，并接着通过比较器27与三角信号26比较。驱动电路28提供反相的并具有预定的死区时间的两对驱动信号。整个PWM控制器19可由IC、分立部件或数字装置实现。vab、Vab的幅值近似由下式给出：
（方程1）
其中Vcon是控制信号vcon的幅值，Vtri是三角信号vtri的幅值，而Va是辅助电容器电压va的平均稳态值。vab的频率和相位与ΔvC的相位相同。
应注意，其它类型的控制器也可被应用而不偏离本发明的范围。
因此可看到，本发明提供了如在上文中所述的DC链路模块的控制器和减少DC链路模块的电容的方法，其中该方法包括下列步骤：对DC链路电容器电压信号采样；从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号；采样电压补偿电路的输出电压信号；调节电压补偿电路的所采样的输出电压信号；从电压补偿电路的所采样的输出电压信号获得DC偏移信号；使用DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号；从所述补偿的和经调节的DC链路电容器电压纹波信号获得电压补偿电路的有源开关电路的驱动信号。
DC链路电容器和辅助电容器的选择
在图8中示出DC链路电容器C11和辅助电容器Ca24的设计考虑。
图8包括在规定的负载功率额定值和DC链路电压电平下的DC链路电容器和辅助电容器的设计的Va-C曲线（Va-在Ca24两端的电压的稳态DC分量，ΔVDC-所提出的DC链路模块10的DC链路或输出的设计电压纹波，Cnorm-没有所提出的发明的所需DC链路电容值，C′norm-在某个程度的老化之后的DC链路电容值，ΔV′DC-归因于电容老化而增加至的电压纹波，Cbd-根据规范、可用性、成本和体积的选定类型的DC链路电容器的边界，Vbd-相应于Cbd的Va的值，薄膜Cap.-薄膜电容器，AE Cap.-铝电解电容器）。
对于规定的负载功率额定值和DC链路电压电平，最少的DC链路电容是Cnorm，在没有本发明所提供的电压补偿时用于限制DC链路上期望的纹波电压大小ΔVDC，。实际上，选定的电容通常大于Cnorm的值以满足纹波电流要求。由于铝电解电容器的老化过程，电容Cnorm将随着运行时间而衰减，如图8所示，并导致电压纹波增加至ΔV′DC，其为电容器的寿命结束的重要参数。
使用所提出的发明，DC链路电容的设计不再基于ΔVDC的设计要求，而是辅助电容器Ca24的所设计的DC电压水平。做出折衷考虑以选择DC链路电容并限制Ca两端的稳态电压。根据所设计的电力电子系统的设计要求、不同类型的电容器的可用性、成本和体积，可如图8所示的确定边界电容器Cbd。例如，在图8所示的情况1中应用电力薄膜电容器，此情况下Va的值比铝电解电容器被选择的情况2的Va的值大。陶瓷电容器也可用于DC链路滤波器。在所提出的电压补偿器的帮助下，所需DC链路电容明显减少，使实现长寿命电力电子系统（即，通过使用电力薄膜电容器）变得可能，同时保持高功率密度和比较低的成本。
此外，本发明提供了另一优点，因为即使现有的DC链路电容器不改变，本发明的电压补偿器在现有系统中的使用也可延长系统的寿命，因为本发明的方法允许DC链路电容的明显减少。例如，如果系统的电解电容值最初为1000μF且其值减少到操作裕度，比如三年后变成800μF，电容器必须被更换。使用本发明的电容补偿器，即使电解电容器减少到比800μF低得多的值，系统仍然可被操作。换句话说，系统的寿命延长，而不改变DC链路电容器的类型。
在本发明中，理想情况是vab确切地跟随DC链路电容器C的电压纹波。然而，当H桥21运行时，辅助电容器Ca通过DC母线16c电流（负载级的输入电流）被充电或放电。因此，Ca上产生与C的电压纹波相同频率的电压纹波ΔvCa。该电压纹波将在vab中引入双倍频率的AC分量，因此引起所提出的DC链路模块的输出的电压变化。
因此，Ca的设计基于ΔVDC的电压纹波限制。对于具有升压PFC或PWM整流器的前端级和开关模式DC-DC变换器或高频输出AC逆变器的负载级的电力电子系统，如果Ca的值与Cnorm的值相同，所提出的DC链路模块的最大可能的纹波可被限制在ΔVDC内。这暗示本发明可通过使用具有与以前在没有本发明的情况下使用的那些DC链路电容器相同电容值但低得多的电压额定值的电容器来在DC链路上维持相同的电压纹波。对于其它应用，Ca的所需值可以比如图8所示的Cnorm更低或更高。
本发明可用于延长在现有的电力电子系统中的DC链路电容器的寿命。如图8所示，即使DC链路电容降低到C′norm，使用所提出的电压补偿器可仍然保持低的电压纹波，而不是增加到ΔV′DC。
如上文所述的，辅助电容器Ca只经受DC链路电容器的电压纹波。根据可用性、成本和体积效率，用于Ca的电容器可如下：
1）高温高纹波电流长寿命铝电解电容器。高性能低电压额定值铝电解电容器相对成本比较低。与具有高电压额定值的铝电解电容器不同，它们在寿命、额定温度和成本方面可有非常好的性能。例如，如图9所示，电容器的寿命可容易地延长到电力薄膜电容器所具有的范围。
2）陶瓷电容器。Ca可由具有高体积效率的陶瓷电容器组实现。
3）钽电容器。钽电容器具有高体积效率和长寿命，然而具有高成本。在一些应用中Ca可用它们来实现。
4）适合于辅助电容器Ca的任何其它类型的电容器。
图10示出具有单相全桥PWM整流器29的前端级和全桥DC-DC变换器30的负载级的AC-DC-DC功率变换器系统。工频频率是50Hz。表II比较有和没有本发明的所提出的电压补偿器12的DC链路部分的设计。输出额定负载功率是2kW，而DC链路电压等级是800V。
图11示出所提出的发明的初步实验验证的2kW400V DC链路系统。DC链路模块10的输入端连接到包含AC电流纹波ia的DC电流源IA。IA=5A，且ia的幅值是1A。负载ZL=80+j0.063Ω。450V/40μF薄膜电容器应用于DC链路滤波器11。50V/1000μF长寿命铝电解电容器用于电压补偿器12中的辅助电容器Ca。图12示出有和没有具有DC链路电容的相同值的所提出的电压补偿器的实验结果。可看到使用所提出的技术可使DC链路模块的输出电压纹波从77.5V减少到9.8V。
总体来说，本发明提供了电力电子电路的DC链路模块。DC链路模块包括用于处理来自电力电子电路的电压信号的DC链路电容器。该模块包括适合于产生电压信号以补偿DC链路电容器的DC电压信号中的AC纹波分量的电压补偿电路。电压补偿电路布置成使AC纹波分量从DC电压信号去耦且只处理AC纹波分量。这使所需的DC链路电容能够大大降低。
在DC链路模块的可选实施方式中，DC链路模块可被实现或布置成与双向功率流电路一起操作。双向功率流电路可包括例如功率变换电路，其中电流可从电源流到电力负载，且至少以间歇的间隔，电力负载布置成产生电力。该电力可通过变换电路从电力负载传输回到电源。
电力负载可产生用于传输回到功率变换电路的电流的双向功率流应用的例子包括电动车辆、电梯或轨道缆车系统的功率变换电路的应用，其中电力负载例如电动机可能在汽车载运期间消耗电力，但在发电操作期间，电动机也可产生电流。具有这个效应的应用的例子可包括电动车辆或电梯的再生制动系统。
为了与这些双向功率流应用一起操作，功率变换电路的示例性实施方式可布置有双向DC链路模块或能够以双向方式操作的DC链路模块，以便处理从电源流到电力负载的电能以及从电力负载流到电源的能量。参考图1所示的功率变换电路，假如这个功率变换电路用于双向功率流应用，则功率变换电路将布置成使得电能可从第一级变换器102通过DC链路流到第二级变换器104，或者，在双向应用的某些操作期间，例如在再生制动阶段期间，电能可从第二级变换器104流到第一级变换器102。在这些情况中，为了处理在双向应用中的电流，DC链路可能需要被修改或布置成处理来自电源和电力负载的电流。
参考图13A和14A，示出了DC链路模块的可选实施方式，当电力电子电路双向运行时，其布置成当电能从第一级变换器102传递到第二级变换器104时为第二级变换器104提供平稳的DC电压，且当电能在相反的方向上流动时为第一级变换器104提供平稳的DC电压。
在一个实施方式中，双向电力电子电路的DC链路模块包括：用于连接到第一级功率变换器或第一级变换电路102的第一连接器16a和16b；用于连接到第二级功率变换器或第二变换电路104的第二连接器16c和16d，其中第二级功率变换电路104连接到布置成至少间歇地作为电力电子电路的电源操作的负载电路；布置在所述第一连接器16a和16b与所述第二连接器16c和16d之间的至少一个DC链路电容器，其用于处理在所述至少一个连接器或所述第二连接器处接收的电压信号；以及布置在所述第一连接器与所述第二连接器之间的至少一个电压补偿电路，所述一个或多个电压补偿电路布置成产生电压信号以补偿至少一个DC链路电容器的DC电压信号中的AC纹波分量。
如图13A所示，示出了包括两个DC链路电容器31和32的双向电力电子电路的DC链路模块的示例性实施方式的配线图。在本例中，当电能从第一级变换器102转移到第二级变换器104时，电容器C1和电压部件12（其可类似于上面描述的电压补偿器12）形成DC链路模块，其在第二级变换器104的端子16c和16d处得到平稳的DC电压。在本例中，电容器C2也可帮助减少电压纹波。
然而，当电能从第二级变换器104转移到第一级变换器102时，例如当电力负载产生电时，电容器C2和电压补偿器12又形成前述DC链路模块以在第一级变换器102的端子（16a和16b）处得到平稳的DC电压。以类似的方式，C1也可帮助减少在第一级变换器的端子处的纹波电压。
参考图13B，使用控制方法的例子实现的控制器1302被示为方框图。控制器1302布置成控制上面参考图13A描述的DC链路模块。在这个实施方式中，DC链路的电压由可类似于前面描述的电压采样电路的采样模块13测量或采样。采样模块13也可布置探测纹波电压并测量纹波电压，以便给电压补偿器12提供足够的信息来产生所需的纹波电压以抵消DC链路纹波电压的影响。
如在图13B中的控制方法的方框图中所示的，存在着在两个节点“a”和“b”处的两个采样点。一旦电能从第一级变换器102转移到第二级变换器104，由电压补偿器产生的纹波电压就基于在节点“a”处采样的电压，其又使在节点“b”处的纹波电压减少。相反，当能量从第二级变换器104转移到第一级变换器102时，由电压补偿器产生的纹波电压基于在节点“b”处采样的电压，以便减少在节点“a”处的纹波电压。因此，电压纹波反馈信号Vrip是Vrip1或Vrip2，取决于功率通过DC链路流动的方向，其可由功率流探测电路34探测。
参考图14A和图14B，示出了双向功率流电力电子电路的DC链路的另一实施方式。在这个实施方式中，DC链路包括一个电容器C（11）和两个串联电压补偿器12——VC1和VC2，其可类似于早些时候描述的电压补偿器12。然而，如在图14A的配线图中所示的，在本例中，电压补偿器12——VC1和VC2可作为DC/AC变换器运行。
在本例中，DC链路电容器C包括ΔVC的DC分量VC和AC分量。在操作中，VC1和VC2将分别产生纹波电压Δv1和Δv2。这些产生的纹波电压将有效地抵消在第一级变换器102（16a和16b）和第二级变换器104（16c和16d）的端子处出现的纹波电压。也就是说，Δv1具有相同的幅值且与ΔvC同相（在数学上，Δv1=ΔvC）。因此，第一级变换器102的端子电压（在16a和16b处）完全是DC（即，没有任何明显的AC纹波电压）。类似地，也就是说，Δv2具有相同的幅值且与ΔvC同相（在数学上，Δv2=ΔvC）。因此，第二级变换器104的端子电压（在16c和16d处）也完全是DC。
参考图14B，控制器1402的实施方式在方框图中示出。在本示例性实施方式中，由控制器1402使用来控制电压补偿器12——VC1和VC2的方法将是相同的。在操作中，控制器1402首先使用采样模块13测量DC电容器电压，并从测量提取纹波电压分量。一旦这些纹波电压值是已知的，值就被提供到VC1和VC2，以便产生所需的纹波电压。如在图14B中所示的，DC链路电压VC由采样模块13测量，并接着被调节以得到反馈信号Vrip的AC分量。一旦VC是已知的，为了消除可能出现在VC1和VC2的输出电压中的任何DC分量，VC1和VC2的输出电压就由低通滤波器33采样和调节。比例积分（PI）控制器19被添加以获得DC偏移信号Voffset1和Voffset2。
在这个实施方式中，电压纹波信号Vrip在进入分别VC1和VC2的PWM控制器之前由Voffset1和Voffset2补偿。因此，DC偏移被消除，允许在节点“a”、“b”和“c”处的相同的DC电压水平。
这些实施方式是有利的，因为DC链路模块允许双向功率流电路使在第一变换器102和第二变换器的端子处的电压变成非常低的纹波电压。
参考图15A和图15B，示出了如图2、图13A和图14A中所示的布置成控制DC链路的实施方式的控制器的实施方式，使得DC链路200、1300和1400布置成处理有功功率。这又允许电压补偿器12充当能量源或能量吸收器。
在一个例子中，为了处理有功功率，如果VC的输出电压vab具有DC电压Vab，Vab的极性确定VC的功能。如果Vab是负的，则VC充当能量源，因为VC将能量输送到VDC。相反，如果Vab是正的，VC充当功率吸收器，因为VC将从VDC吸收能量。VC的DC侧连接到DC源。
在这个实施方式中，DC链路200、1300和1400的电路结构可能不需要任何电路修改。然而，这些DC链路200、1300和1400的布置可布置成通过修改或改造如在图5、图13B和图14B中所示的控制器及其控制方法来处理有功功率。
在一个例子中，DC偏移抵消的反馈路径的修改可确定VC的输出DC分量。如图15A、图15B和图15C所示，其中控制电压VDC_0可控制输出DC电压。图15A-图15C示出具有有功功率流的DC链路模块的三个相应的一般配置。参考图15A和图15B所示的实施方式，控制电压VDC_0通过求和电路35加到VC的输出电压的分量。控制电压VDC_0的产生方式和具体的应用相关。当VDC_0等于零时，VC仅如正常一样处理无功功率。然而，当VDC_0不等于零时，DC分量出现在控制信号Vcon中，在VC输出电压中引入DC偏移。因此，VC可提供主功率变换系统所需的期望有源能量。
参考图15C，有源功率控制方法类似于参考图15A和15B所示的方法，区别仅在于该方法中有两个控制电压VDC_c1和VDC_c2，其用于分别控制在VC1和VC2中的有功功率。
控制器的这些实施方式对提高电容器支持的电力电子系统动态响应也是有利的。当电压补偿器12充当可从整个电容器支持的系统快速提供功率的能量源或者吸收功率的功率吸收器时，功率变换电路内的输入和输出功率可在短时间段内达到平衡。这-将缩短功率变换电路在供电或负载干扰工况下达到稳态的时间。
实例
参考图16，示出了双向电力电子电路的DC链路1600的示例性操作的配线图。在本例中，第一级变换器29是AC/DC整流器，而第二级变换器36是DC/AC电动机驱动器。在电动机驱动器的操作期间，如果电动机驱动器的操作模式从电动机运转模式（正常转发操作）改变到再生模式（制动），例如在再生制动期间，存储在电动机驱动的部件中的机械能量由DC/AC电动机驱动器变换成电能。
该电能又从第二级变换器36转移到第一级变换器29。由于第一级变换器29可以是慢响应类型，它不能在短时间段内将再生能从第二级变换器36转移到第一级变换器29的电源侧（例如，电池）。这导致DC链路电压明显增加。
为了避免DC链路中的过电压，DC链路可包括多个电容器，以便吸收无功功率。因此，使用在电压补偿器（VC）中的所提出的有功功率控制，VC可吸收从第二级变换器36再生的功率，以便在电动机驱动器的再生模式期间保持DC链路电压相对恒定。
此外，这些实施方式对系统输入停止供电后（例如：停电事故）控制系统输出维持时间也是有利的。由于电压补偿器VC可充当能量源，它可输送能量并在断电期间维持VDC的电压。
在另一实施方式中，DC链路模块也可包括有功功率控制，以使得在第一级和第二级变换器处的电压都可具有高质量DC电压以及功率流控制。
虽然在附图和前述描述中详细示出和描述了本发明，本发明在性质上被考虑为例证性的而不是限制性的，应理解，只有示例性实施方式被示出和描述且它们不以任何方式限制本发明的范围。可以理解的是，本文描述的任何特征可与任何实施方式一起使用。例证性实施方式不排斥彼此或未在本文陈述的其它实施方式。因此，本发明还提供包括上面描述的一个或多个例证性实施方式的组合。可进行如本文所阐述的本发明的修改和变化，而不偏离其精神和范围。因此，本发明的限制只应如所附权利要求中所指示的。
在接下来的权利要求中和本发明的前述描述中，除了上下文由于明确的语言或必要的暗示而需要另外情况以外，词“comprise（包括）”或变形例如“comprises（包括）”或“comprising（包括）”在包含端点的意义上被使用，即，规定所陈述的特征的存在，而不是排除在本发明的各种实施方式中的另外的特征的存在或添加。
应理解，如果任何现有技术公布被本文被提及，则这样的提及不构成该公布形成本领域中的公共一般知识的一部分的承认。

Claims (20)

1.一种电力电子电路的DC链路模块，所述DC链路模块包括：
输入端，其用于连接到第一级功率变换电路，所述输入端被布置用于从所述第一级功率变换电路接收DC电压信号，所述DC电压信号包括DC分量和AC纹波分量；
输出端，其用于连接到第二级功率变换电路；
至少一个DC链路电容器，其布置在所述输入端和所述输出端之间，用于处理从所述第一级功率变换电路接收的DC电压信号；以及
至少一个开关变换器，其布置在所述输入端和所述输出端之间，并被布置用于产生电压信号以补偿所述至少一个DC链路电容器上的DC电压信号中的AC纹波分量，从而充分地阻止所述AC纹波分量到达所述输出端；
其中，所述至少一个开关变换器包括：
电压源；
输出滤波器；以及
开关电路，其布置在所述电压源和所述输出滤波器之间，所述开关电路包括多个有源开关设备；
其中所述至少一个开关变换器只适于处理无功功率。
2.如权利要求1所述的DC链路模块，其中所述至少一个开关变换器被布置成只处理所述DC电压信号的所述AC纹波分量。
3.如权利要求1所述的DC链路模块，其中所述至少一个开关变换器被布置成在补偿所述AC纹波分量之前使所述AC纹波分量从所述DC电压信号去耦。
4.如权利要求1所述的DC链路模块，其中所述至少一个开关变换器被布置成产生紧密地跟随所述DC电压信号中的所述AC纹波分量的电压信号，以便补偿所述DC电压信号中的所述AC纹波分量。
5.如权利要求1所述的DC链路模块，其中所述至少一个开关变换器与所述输入端或所述输出端串联连接。
6.如权利要求1所述的DC链路模块，其中所述多个有源开关设备构成全桥开关电路。
7.如权利要求1所述的DC链路模块，其中所述开关变换器还包括多个二极管。
8.如权利要求1所述的DC链路模块，其中所述电压源包括单个电容器电路、外部电压源或绕组耦合电压源。
9.如权利要求1所述的DC链路模块，所述DC链路模块还包括控制器，所述控制器包括：
用于对DC链路电容器电压信号采样的装置；
用于从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置；
用于对所述开关变换器的输出电压信号采样的装置；
用于调节所述开关变换器的所采样的输出电压信号的装置；
用于从所述开关变换器的所采样的输出电压信号获得DC偏移信号的装置；
用于使用DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置；以及
用于从所述补偿的和经调节的DC链路电容器电压纹波信号获得所述开关变换器的有源开关电路的驱动信号的装置。
10.如权利要求9所述的DC链路模块，其中用于从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号的所述装置包括高通滤波器。
11.如权利要求9所述的DC链路模块，其中用于从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号的所述装置包括确定在所采样的DC链路电容器电压信号和所述DC链路电容器电压DC分量之间的差的差分电路。
12.如权利要求9所述的DC链路模块，其中用于采样所述开关变换器的输出电压信号的所述装置和用于调节所述开关变换器的所采样的输出电压的所述装置都包括在低通滤波器电路中。
13.如权利要求9所述的DC链路模块，其中用于获得DC偏移信号的所述装置包括比例积分器。
14.如权利要求9所述的DC链路模块，其中用于使用所述DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号的所述装置包括减法器电路。
15.如权利要求9所述的DC链路模块，其中用于获得驱动信号的所述装置包括脉冲波调制器。
16.如权利要求9所述的DC链路模块，还包括布置成确定所述输入端和所述输出端之间的电流流动的方向的功率流方向电路。
17.如权利要求16所述的DC链路模块，其中所述功率流方向电路布置成基于所述输入端和所述输出端之间的电流流动的方向而选择性地操作所述控制器。
18.如权利要求16所述的DC链路模块，其中用于使用DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号的装置包括减法器电路；以及；并且所述功率流方向电路布置成选择性地操作所述减法器电路。
19.一种用于控制权利要求1所述的DC链路模块的方法，包括下列步骤：
对DC链路电容器电压信号采样；
从所述采样的DC链路电容器电压信号产生经调节的DC链路电容器电压纹波信号；
采样开关变换器的输出电压信号；
调节所述开关变换器的所采样的输出电压信号；
从所述开关变换器的所采样的输出电压信号获得DC偏移信号；
使用所述DC偏移信号来补偿所述经调节的DC链路电容器电压纹波信号；以及
从所述补偿的和经调节的DC链路电容器电压纹波信号获得所述开关变换器的所述开关电路的驱动信号。
20.一种功率变换电路，其中，该功率变换电路包括权利要求1-18中任一项所述的DC链路模块。
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