CN107430159A - 用于无涟波ac功率确定的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率计量电路，所述功率计量电路包含：电流输入路径，其用于在第一模/数转换器处接收模拟电流输入；电压输入路径，其用于在第二模/数转换器处接收模拟电压输入；乘法器，其经配置以将所述电流输入路径的输出及所述电压输入路径相乘；陷波滤波器，其经配置以接收所述乘法器的输出，所述陷波滤波器具有基于线频率的阻带；及控制电路，其用于将所述第一模/数转换器及所述第二模/数转换器的取样频率设置成所述线频率的倍数。

Description

用于无涟波AC功率确定的系统及方法
技术领域
本发明涉及功率计量，且特定来说涉及用于确定有功功率及无功功率的系统及方法。
背景技术
在正弦交流电(AC)电路中，如果所述电路是纯电阻性的，那么电流及电压是同相的，且由P＝VI给定真功率或有功功率(以瓦特为单位)。如果负载是纯电抗性的(即，电感性或电容性)，那么电压及电流是九十(90)度异相的，且以无功伏安的形式给定无功功率。在此情况下，不存在能量到负载的净传送。
实际负载具有电阻、电感及电容，因此真功率及无功功率将流动到真实负载。即使与无功功率相关联的电流不作用于负载，其仍使导线发热，从而浪费能量。
在功率计量应用中，用来测量有功功率及无功功率的最常见方式是使用模/数转换器(ADC)将电流及电压转换成数字字或数字流且接着应用各种处理以导出有功功率及无功功率。对于AC功率，电流及电压都具有在线频率ω下的基频分量。在进行瞬时功率计算时，在电压通道与电流通道之间，乘法运算是必要的。所述乘法运算的结果包含DC能量(其是有功功率或无功功率，这取决于已经相乘的量)及2ω分量能量，其中ω是所述线频率。通常，此结果经低通滤波(LPF)以仅提取DC信息，但除非应用大滤波器，否则如果PWM(脉冲宽度调制器)输出连接于所述LPF之后，那么2ω的剩余部分仍大得足以产生大抖动。
图1中展示用于AC有功或无功功率的实例常规功率计计算块。块100包含用于分别使电流I及电压V数字化的一对模/数转换器102a、102b。ADC 102a、102b的输出分别由高通滤波器(HPF)104a、104b进行滤波以移除偏移分量。接着在乘法器110处将电流I与电压相乘(开关108是闭合的)以获得瞬时有功功率，或(开关108是断开的)将电压施加于移相器106且接着将其与电流相乘以获得瞬时无功功率。
所述瞬时功率包含归因于所述乘法运算的DC分量及2ω分量。接着使用一或多个LPF 112、114对所述瞬时功率进行低通滤波以提取所要量。通常，将所述滤波实施为简单IIR(无限脉冲响应)一阶LPF。如上述，然而，如果在所述滤波的输出处应用PWM 116，那么所述2ω分量仍可造成抖动。
因此，需要用于功率计量的经改进且更稳定的输出。
发明内容
根据各种实施例，可使用本文中所揭示的系统及方法消除所述2ω分量。一种根据实施例的功率计量电路包含：电流输入路径，其用于在第一模/数转换器处接收模拟电流输入；电压输入路径，其用于在第二模/数转换器处接收模拟电压输入；乘法器，其经配置以将所述电流输入路径的输出及所述电压输入路径相乘；陷波滤波器，其经配置以接收所述乘法器的输出，所述陷波滤波器具有基于线频率的阻带；及控制电路，其用于将所述第一模/数转换器及所述第二模/数转换器的取样频率设置成所述线频率的倍数。
在一些实施例中，所述控制电路包含锁相回路，所述锁相回路经配置以接收所述模拟电流输入及所述模拟电压输入中的一者。在一些实施例中，所述控制电路包括频率检测器及可编程振荡器，所述可编程振荡器经配置以接收所述频率检测器的输出。在一些实施例中，所述电流输入路径及所述电压输入路径各自包含高通滤波器。在一些实施例中，所述电压输入路径包含可选择移相器。在一些实施例中，所述电路进一步包含输出脉冲宽度调制器。
一种根据实施例的功率计量电路包含：第一输入路径，其用于在第一模/数转换器处接收模拟电流输入或模拟电压输入中的一者；第二输入路径，其用于在第二模/数转换器处接收所述模拟电压输入或所述模拟电流输入中的另一者；乘法器，其经配置以将所述第一输入路径的输出及所述第二输入路径相乘；及陷波滤波器，其经配置以接收所述乘法器的输出，所述陷波滤波器具有基于线频率的阻带。
在一些实施例中，所述电路包含控制电路，所述控制电路用于将所述第一模/数转换器及所述第二模/数转换器的取样频率设置成所述线频率的倍数。在一些实施例中，所述控制电路包含锁相回路，所述锁相回路经配置以接收所述模拟电流输入及所述模拟电压输入中的一者。在一些实施例中，所述控制电路包括频率检测器及可编程振荡器，所述可编程振荡器经配置以接收所述频率检测器的输出。在一些实施例中，所述第一输入路径及所述第二输入路径各自包含高通滤波器。在一些实施例中，所述第一输入路径包含可选择移相器。在一些实施例中，所述电路包含输出脉冲宽度调制器。
一种根据实施例的方法包含：在第一模/数转换器处接收模拟电流输入；在第二模/数转换器处接收模拟电压输入；将所述电流输入路径的输出及所述电压输入路径的输出相乘；利用基于线频率的阻带对所述乘法器的输出进行陷波滤波；及将所述第一模/数转换器及所述第二模/数转换器的取样频率设置成所述线频率的倍数。
在一些实施例中，设置所述取样频率包含使用锁相回路，所述锁相回路经配置以接收所述模拟电流输入及所述模拟电压输入中的一者。在一些实施例中，设置所述取样频率包括使用频率检测器及可编程振荡器，所述可编程振荡器经配置以接收所述频率检测器的输出。在一些实施例中，所述电流输入路径及所述电压输入路径各自包含高通滤波器。在一些实施例中，所述电压输入路径包含可选择移相器。
在结合下文描述及附图进行考虑时将更好地了解及理解本发明的这些方面及其它方面。然而，应理解，下文描述虽然指示本发明的各种实施例及其众多特定细节，但其通过说明方式且非限制方式而给定。可在不背离本发明的精神的情况下进行本发明的范围内的许多替代、修改、添加及/或重新布置，且本发明包含所有此类替代、修改、添加及/或重新布置。
附图说明
本说明书所附且形成其部分的图式经包含以描绘本发明的某些方面。应注意，所述图式中所说明的特征未必按比例绘制。可通过参考结合其中相同参考数字指示相同特征的附图所作的下文描述获得对本发明及其优点的更全面理解，且其中：
图1是说明根据现有技术的示例性系统的图。
图2是说明根据实施例的示例性系统的图。
图3是说明根据实施例的示例性系统的图。
具体实施方式
参考附图中所说明且下文描述中所详述的示例性且(因此)非限制性的实施例更完全地解释本发明以及其各个特征及有利细节。然而，应理解，详细描述及特定实例虽然指示优选实施例，但其通过说明方式且非限制方式而给定。已知编程技术、计算机软件、硬件、操作平台及协议的描述可以省略以免使本发明的细节不必要地变模糊。所属领域的技术人员将清楚在基本发明概念的精神及/或范围内的各种替代、修改、添加及/或重新布置。
如下文将更详细论述，实施例提供一种用于确定有功功率或无功功率从而移除2ω分量的经改进无涟波计算块。特定来说，实施例使用陷波滤波器来移除所述2ω分量。如果所述陷波滤波器具有2ω陷波，那么移除所述分量且在所述滤波器之后，输出仅包含所要DC量。
然而，由于2ω频率必须已知以便置入是所述2ω频率的陷波，所以可存在困难。然而，线频率通常是未知的且可随时间、温度及网络差错而移动和变更。
因此，提供包含控制电路的实施例，所述控制电路可追踪所述线频率且提供是恰好2ω频率的陷波。一个此类实施例采用锁相回路(PLL)且例如展示于图2中。
图2的块200包含用于分别使电流I及电压V数字化的一对模/数转换器202a、202b。ADC 202a、202b的输出分别由高通滤波器204a、204b滤波以移除偏移分量。接着在乘法器210处将电流I与电压相乘(开关208是闭合的)以获得瞬时有功功率，或(开关208是断开的)将电压施加于移相器206且接着将其与电流相乘以获得瞬时无功功率。
所述瞬时功率包含归因于所述乘法运算的DC分量及2ω分量。使用根据实施例的陷波滤波器212对所述2ω分量进行滤波。接着在214处对有功功率信号或无功功率信号进行滤波并将其提供到从中提供脉冲输出的PWM 216。
此外，锁相回路218经提供以接收并锁定所述线频率。如所展示，PLL 218输出Nfline，ADC将所述Nfline用作取样频率。因此，所述ADC的数据率是所述线频率的倍数。如果所述转换器是超取样转换器，那么超取样率是NflinOSR，OSR是超取样比。在此情况下，以数据率频率Nfline执行所有计算。可将陷波滤波器212实施为一阶或二阶sinc滤波器。在此情况下，如果所述ADC的数据率是Nfline，那么可使用超取样率或平均因子N/2来获得是恰好2fline频率的陷波。
N因子取决于所述转换器的所要带宽。举例来说，如果应用需要转换所述线频率的32个谐波，那么N>64。由于PLL必须将OSR及N相乘OSR x N(其中OSR通常介于32与512之间且N通常介于8与64之间)，所述PLL可能是相对较复杂的模拟分量。
因此，其它实施例可将可编程主时钟振荡器及数字处理块用作所述控制电路。图3中说明此实施例。图3的块300包含用于分别使电流I及电压V数字化的一对模/数转换器302a、302b。ADC 302a、302b的输出分别由高通滤波器304a、304b进行滤波以移除偏移分量。接着，在乘法器310处将电流I与电压相乘(开关308是闭合的)以获得瞬时有功功率，或(开关308是断开的)将电压施加于移相器306且接着将其与电流相乘以获得瞬时无功功率。
所述瞬时功率包含归因于所述乘法运算的DC分量及2ω分量。使用根据实施例的陷波滤波器312对所述2ω分量进行滤波。接着在314处对有功功率信号或无功功率信号进行滤波并将其提供到从中提供脉冲输出的PWM 316。
此外，提供包含低通滤波器318、计频器320及振荡器322的控制电路。在此实施例中，所述线频率由LPF 318(例如，一阶或二阶IIR)测量以避免噪声及谐波干扰随后由零交叉检测器及计频器320进行的测量。接着使用频率检测器320的数个时钟周期提取线周期。接着振荡器322的频率作为此线频率检测的函数而进行编程和调整以尽可能接近通过零交叉路径计算的线频率的整数倍。
在一个实施例中，采用相对较简单的陷波滤波器(sinc滤波器，其中N/2平均率是2的幂)，在振荡器322经调谐以使得数据率可为fline的2的幂次倍时，经检测时钟周期的数目应为2的幂。在此情况下，实施所述陷波滤波器所需的数字处理是相对较少的(可使用简单加法器实施一阶sine滤波器)，同时频率估计块大小在多数情况下保持基本上小于第一情况的PLL。
在PLL以及振荡器频率估计及调谐的两种情况下，所述陷波滤波器之后的输出结果是仅DC分量。所述陷波滤波器产生的其它优点是其还消除来自功率线的所有谐波的2ω分量。因此，只要频率追踪器(PLL或结合数字处理的可编程振荡器)正确地追踪fline频率，输出信号就无任何谐波。

Claims (18)

1.一种功率计量电路，其包括：
电流输入路径，其用于在第一模/数转换器处接收模拟电流输入；
电压输入路径，其用于在第二模/数转换器处接收模拟电压输入；
乘法器，其经配置以将所述电流输入路径的输出及所述电压输入路径相乘；
陷波滤波器，其经配置以接收所述乘法器的输出，所述陷波滤波器具有基于线频率的阻带；及
控制电路，其用于将所述第一模/数转换器及所述第二模/数转换器的取样频率设置成所述线频率的倍数。
2.根据权利要求1所述的功率计量电路，其中所述控制电路包含锁相环路，所述锁相环路经配置以接收所述模拟电流输入及所述模拟电压输入中的一者。
3.根据权利要求1或2所述的功率计量电路，其中所述控制电路包括频率检测器及可编程振荡器，所述可编程振荡器经配置以接收所述频率检测器的输出。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的功率计量电路，所述电流输入路径及所述电压输入路径各自包含高通滤波器。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的功率计量电路，其中所述电压输入路径包含可选择移相器。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的功率计量电路，其包含输出脉冲宽度调制器。
7.一种功率计量电路，其包括：
第一输入路径，其用于在第一模/数转换器处接收模拟电流输入或模拟电压输入中的一者；
第二输入路径，其用于在第二模/数转换器处接收所述模拟电压输入或所述模拟电流输入中的另一者；
乘法器，其经配置以将所述第一输入路径的输出及所述第二输入路径相乘；及
陷波滤波器，其经配置以接收所述乘法器的输出，所述陷波滤波器具有基于线频率的阻带。
8.根据权利要求7所述的功率计量电路，其进一步包含控制电路，所述控制电路用于将所述第一模/数转换器及所述第二模/数转换器的取样频率设置成所述线频率的倍数。
9.根据权利要求8所述的功率计量，其中所述控制电路包含锁相环路，所述锁相环路经配置以接收所述模拟电流输入及所述模拟电压输入中的一者。
10.根据权利要求8所述的功率计量电路，其中所述控制电路包括频率检测器及可编程振荡器，所述可编程振荡器经配置以接收所述频率检测器的输出。
11.根据权利要求7到10中任一权利要求所述的功率计量电路，所述第一输入路径及所述第二输入路径各自包含高通滤波器。
12.根据权利要求7到11中任一权利要求所述的功率计量电路，其中所述第一输入路径包含可选择移相器。
13.根据权利要求7到13中任一权利要求所述的功率计量电路，其包含输出脉冲宽度调制器。
14.一种方法，其包括：
在第一模/数转换器处接收模拟电流输入；
在第二模/数转换器处接收模拟电压输入；
将所述电流输入路径的输出及所述电压输入路径的输出相乘；
利用基于线频率的阻带对所述乘法器的输出进行陷波滤波；及
将所述第一模/数转换器及所述第二模/数转换器的取样频率设置成所述线频率的倍数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中设置所述取样频率包含使用锁相环路，所述锁相环路经配置以接收所述模拟电流输入及所述模拟电压输入中的一者。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中设置所述取样频率包括使用频率检测器及可编程振荡器，所述可编程振荡器经配置以接收所述频率检测器的输出。
17.根据权利要求14到16中任一权利要求所述的方法，所述电流输入路径及所述电压输入路径各自包含高通滤波器。
18.根据权利要求14到17中任一权利要求所述的方法，其中所述电压输入路径包含可选择移相器。
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