CN106059272B - 有源过滤系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有源过滤系统(AF)，其被设置为连接在DC总线的第一电源线(10)和第二电源线(11)之间，所述总线被设置为连接于位于上游的DC电压源，所述系统包含：第一电容器(C1)，被设置为既连接于总线的第一电源线(10)，也连接于总线的第二电源线(11)，并且连接于把包括AC分量的电压(VC1)施加于其处的端子；开关组件(SW)，由处理装置(UC)加以控制，用于生成补偿电压(VAF)(与第一电容器(C1)的端子的电压的AC分量相反)，并且包括连接于第一电容器(C1)的第一端子(B1)和旨在连接于第二电源线(11)的第二端子(B2)。

Description

有源过滤系统
技术领域
本发明涉及有源过滤系统。这一系统旨在连接于位于上游的DC电压源。
现有技术
单相逆变器通常用于诸如不间断电源(UPS)的电压转换器或者光伏领域。
在这些应用中，把包括两条电源线的DC电源总线向上游连接于诸如光伏板或者电池的DC电压源，并且向下游将其连接于受控的逆变器，以生成具有电负载的可变电压。使用一种过滤方案控制出现在输入端的电压变化。通常，为了避免这些电压变化，把一或多个滤波电容器连接于总线的第一电源线和第二电源线。各电容器的总电容必须足以吸收输入电压脉动。电容器通常为化学型的，并且具有大的空间要求，很贵，并且具有有限的生命期。为了克服这些缺点，必须提供有源过滤系统。
专利申请US2014/369090描述了一种有源过滤系统，这一系统旨在连接于位于上游的DC电压源和位于下游的逆变器，并且连接于负载。这一系统被串行地连接于DC电源总线。这一现有技术方案具有诸多缺点，包括：
·DC电源总线的输出端处出现极大电压脉动(本文档图1中的Vout1)，
·有源过滤系统需要使用能够承受DC电源总线的电压的晶体管，从而使所述方案昂贵、复杂、并且产生高损耗，必须使用电源和绝缘栅控制电路控制所述系统的晶体管，
·由于在DC电源总线上直接串行地连接所述系统，所以需要使大多数部件具有足够的维度，以承受负载的最大电流，从而导致高损耗，并且增加了所述方案的总开销。
专利US5999422A和US6583999B1描述了有源过滤系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种旨在连接于DC电源总线的有源过滤系统，这一有源过滤系统十分紧致、成本低、而且仅产生有限的损耗。
可以通过一种有源过滤系统实现这一目的，即把所述有源过滤系统设置为连接在DC总线的第一电源线和第二电源线之间，把所述总线设置为连接于位于上游的DC电压源，所述系统包含：
-第一电容器，将其设置为既连接于总线的第一电源线，也连接于总线的第二电源线，并且连接于把包括AC分量的电压施加于其处的端子，
-开关组件，由处理装置加以控制，用于生成补偿电压(与第一电容器的端子的AC分量相反)，并且包括连接于第一电容器的第一端子和旨在连接于第二电源线的第二端子，
-处理装置包括：
-用于接收第一电容器的端子处的所述电压的输入端，
-用于确定第一电容器的端子处的电压的所述AC分量的装置，
-用于根据所述AC分量确定参照值的装置，
-用于确定施加于开关组件的命令，以生成所述补偿电压的装置，所述补偿电压与第一电容器的端子的AC分量相反，并且对应于所述参照值。
根据第一实施例，开关组件包含第一晶体管、连接于第一晶体管以及其第二端子的第二晶体管、连接于其第一端子并且连接于位于两个晶体管之间的连接中点的电感器、以及既连接于第二端子也连接于第一晶体管的第二电容器。
根据第二实施例，开关组件包括：
-第一晶体管、串行连接于第一晶体管的第二晶体管、连接于其第一端子并且连接于位于两个晶体管之间的连接中点的电感器，
-与两个晶体管并行连接的第二电容器，
-第三晶体管和第四晶体管，串行连接并且与第二电容器并行连接，把位于第三晶体管和第四晶体管之间的中点连接于其第二端子。
根据一个特征，本发明的系统包含连接于开关组件的第一端子以及开关组件的第二端子的第三电容器。
附图说明
在以下参照附图所进行的详细描述中，将可明显看出其它特征与优点，其中：
图1示意性地表示了本发明的有源过滤系统的体系结构，
图2表示本发明的有源过滤系统的实施例的一个示例的电子图，
图3表示本发明的有源过滤系统中所使用的开关组件的控制概况，
图4表示本发明的有源过滤系统中所使用的开关组件的一个变体实施例。
具体实施方式
本发明涉及有源过滤系统，这一系统旨在连接于DC电源总线，所述总线包括第一电源线10(例如，具有正电位)以及第二电源线11(例如，具有负电位)。例如，把所述DC电源总线连接于DC电压源(例如，一或多个光伏板或者电池)。例如，把所述总线所供给的DC电压施加于包含受控用于生成可变电压的、具有电负载C的晶体管的(DC/AC)逆变器的输入端。
本发明的有源过滤系统AF包含：
-第一电容器C1，将其设置为既连接于所述总线的第一电源线10也连接于所述总线的第二电源线11，并且向其端子施加包括AC分量的电压VC1。
-开关组件SW，将其设置为生成补偿电压VAF(与第一电容器C1的端子处的电压的AC分量相反)，并且包括连接于第一电容器C1的第一端子B1和旨在连接于第二电源线11的第二端子B2。
-其各种装置的处理装置，主要用于控制开关组件，在以下对系统的操作的描述中将对它们详细加以描述。
必须对开关组件SW进行控制，以使有源过滤系统的等效电容能够最高。实际上，等效电容Ceq为：
Ceq＝C1/(1-k)，其中，C1为第一电容器C1的电容，k为补偿增益。
根据这一关系，应该意识到，对于接近于1、小于1，但不等于1的k的值，等效电容将非常高，使输入电压按脉动频率的过滤明显得以改进。
图1说明了本发明的有源过滤系统的操作原理。对开关组件SW进行控制，以生成添加于第一电容器C1的端子处的电压VC1的补偿电压VAF，其中，第一电容器C1具有作用于从电压VAF和VC1之和得出的DC电源总线的电压Vdc的考虑。
根据第一电容器C1的端子处的电压VC1的值，处理装置UC抽取这一电压的振荡，然后确定施加于开关组件SW以补偿这些振荡的诸如PWM(脉冲宽度调制)类型的控制信号CT1、CT2。
更精确地，参照图3，所述操作原理如下：
-在第一步骤中，把通过传统的测量装置所测量的电压VC1发送到处理装置的输入端，并且在带通滤波器Pb的辅助下由处理装置UC加以过滤，其中，处理装置UC具有封锁其DC分量和其高频脉动、并且仅保持其AC分量的考虑。
-在第二步骤中，把处理装置UC设置为把一个增益施加于电压的AC分量以调整补偿度。这一增益最好为-k，其中，k具有接近于1，但小于1的值，从而使所述方案保持稳定。
-在施加了至第三步骤的偏移θ之后，所述处理装置实现了用于确定开关组件SW的端子处的电压所期望的参照值VAF_ref的模块。
-在第四步骤中，所述处理装置实现了把参照值VAF_ref注入其中的控制循环。所述控制循环由确定开关组件SW的端子处所期望的参照值VAF_ref和传统的测量装置所测量的电压的值VAF之间的差组成。把所获得的差注入处理装置的控制器(例如，比例积分求导(PID)控制器)。在控制循环的输出端，处理装置确定施加于开关组件SW的控制命令CT1、CT2，以使开关组件SW的端子处的电压VAF达到参照值VAF_ref。控制命令CT1、CT2是互补的，即，晶体管T1和T2永远不会同时处于关闭状态。当令晶体管T1为关闭状态时(于是，晶体管T2处于开放状态)，其导致电流和电压VAF增加，并且趋向于VAUX的值。当令晶体管T2为关闭状态时(于是，晶体管T1处于开放状态)，其导致电流和电压VAF减小，并且趋向于0。
有利的做法是，令开关组件包含第一晶体管T1和第二晶体管T2。把第二晶体管T2连接于开关组件SW的第二端子B2和第一晶体管T1。其还包含既连接于开关组件的第一端子B1也连接于位于两个晶体管T1、T2之间的中点的电感器L1。其还包含被指定为第二电容器、连接于第一晶体管T1和开关组件SW的第二端子B2的电容器C2。由两个晶体管T1、T2形成所述组件，和电感器L1作为用于生成旨在补偿第一电容器C1的端子处的电压VC1的AC分量的电压VAF的功率放大器来操作。第二电容器C2用于针对DC总线的第二电源线11创建用于供给开关组件SW的功率放大器的电位VAUX。第二电容器C2的作用主要是吸收功率变化，并且限制电位Vaux的变化。
最好是，令功率放大器可以包含被指定为第三电容器的电容器C3，其与电感器L1合作，平滑两个晶体管T1、T2的开关所生成的电压VAF。把该第三电容器C3连接在开关组件SW的第一端子B1和第二端子B2之间。
令晶体管T1、T2的维度可承受电压Vaux。通常，电压Vaux可以为DC电源总线的电压Vdc的20分之一的量级。令晶体管T1、T2所形成的开关组件以及电感器L1的维度支持负载电流的AC分量的峰值的量级的电流。
由于所支持的电压VAUX低，所以晶体管T1和T2可以为低压MOSFET类型，具有按极高频率(100kHz左右，最高可达MHz)和具有极低(非常低的百万级RDson)导通损耗以及极低转换损耗的优点。于是，电感器L1可以具有低的值。
图4表示了本发明的有源过滤系统AF中所使用的开关组件SW的变体实施例。在这一第二拓扑中，开关组件SW包含两个附加的与第二电容器C2并行连接的晶体管T3、T4。而且，不再把开关组件SW的第二端子B2连接于第二电容器C2和第二晶体管T2，而是将其连接于位于两个晶体管T3、T4之间的中点。如在先前拓扑中，可以提供第三电容器C3，并且将其连接于第一端子B1和第二端子B2之间。这一第二拓扑主要用于降低施加于第二电容器C2的电压VAUX，并且可以用于取代DC电源总线生成AC电压。
因此，本发明的方案具有多个优点，包括：
-有限的空间要求，
-降低了损耗，
-适中的成本，
-易于安装和可靠的操作。

Claims (4)

1.有源过滤系统(AF)，被设置为连接在DC总线的第一电源线(10)和第二电源线(11)之间，所述总线被设置为连接于位于上游的DC电压源，所述系统的特征在于，其包含：
-第一电容器(C1)，被设置为既连接于总线的第一电源线(10)，也连接于总线的第二电源线(11)，并且连接于把包括AC分量的电压(VC1)施加于其处的端子，
-开关组件(SW)，包括连接于第一电容器(C1)的第一端子(B1)和旨在连接于第二电源线(11)的第二端子(B2)，
-处理装置(UC)包括：
-用于接收第一电容器的端子处的所述电压(VC1)的输入端，
-用于确定第一电容器的端子处的电压的所述AC分量的装置，
-用于根据所述AC分量确定参照值(VAF_ref)的装置，
-用于确定施加于开关组件(SW)的控制命令，以生成补偿电压(VAF)的装置，所述补偿电压与第一电容器的端子的电压的AC分量相反，并且对应于所述参照值(VAF_ref)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，开关组件(SW)包含第一晶体管(T1)、连接于第一晶体管(T1)以及其第二端子(B2)的第二晶体管(T2)、连接于其第一端子(B1)并且连接于位于两个晶体管之间的连接中点的电感器(L1)、以及既连接于第二端子(B2)也连接于第一晶体管(T1)的第二电容器(C2)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，开关组件(SW)包括：
-第一晶体管(T1)、串行连接于第一晶体管(T1)的第二晶体管(T2)、连接于其第一端子(B1)并且连接于位于两个晶体管之间的连接中点的电感器(L1)，
-与两个晶体管(T1、T2)并行连接的第二电容器(C2)，
-第三晶体管(T3)和第四晶体管(T4)，串行连接并且与第二电容器(C2)并行连接，把位于第三晶体管(T3)和第四晶体管(T4)之间的中点连接于其第二端子(B2)。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，其包含连接于开关组件(SW)的第一端子(B1)以及开关组件(SW)的第二端子(B2)的第三电容器(C3)。
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