CN108521843B - 滤波安排 - Google Patents

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Abstract

一种用于系统的滤波安排，所述系统包括电力电子设备和外部电力储存/放电元件，所述电力电子设备包括功率模块以及在所述功率模块的AC电源端子与供应AC电网之间的三相滤波器，并且所述功率模块包括DC中间电源总线，并且在所述AC电源端子与所述供应AC电网之间的所述三相滤波器包括两个三相电感器，并且所述外部电力储存/放电元件具有两个DC电源端子，所述两个DC电源端子连接到所述电力电子设备的所述DC中间电源总线。所述滤波安排包括共模电感器，所述共模电感器连接在所述外部电力储存/放电元件的所述DC电源端子与所述功率模块的所述DC中间电源总线的端子之间。

Description

滤波安排
技术领域
本发明涉及一种用于连接到电力储存/放电元件的电力电子设备的滤波安排。更具体地，本发明涉及一种再生AC/AC转换器，所述再生AC/AC转换器具有从其中间DC电源总线到外部DC电压源的连接。
背景技术
调整AC电动机轴旋转速度的一种普通方法是通过频率转换器(FC)调整供电电压幅值和频率。流行的FC技术被称为PWM(pulse width modulation，脉宽调制)，其中，所述设备包括：整流器，用于市电电压整流；经滤波的DC电压中间电源总线；以及逆变桥，用于生成输出电压。输出电压由通过快速电力电子开关(通常为IGBT(insulated gate bipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管))形成的脉冲组成。与在电动机侧使用的类似的逆变器单元也可以用于市电侧，例如，在电动机可能在发电机模式下工作并且期望将所生成的电力供应回市电的情况下。此类再生系统在本文档中被称为再生AC/AC转换器。
可以将外部电源/储存元件连接在FC的DC中间电源总线中，例如，如果发生市电电力故障，则用于冗余电源。此类功率元件可以是例如电池、光伏电站、燃料电池发电机等。
由频率转换器引起的问题，特别是在包括连接到接地网络的再生市电桥时引起的问题可能是DC中间电源总线中的共模电压。IGBT的快速切换速度与连接电缆中的可能谐振组合可能跨从外部电源/储存元件到地的绝缘生成危险的电压尖峰，因而缩短绝缘层的寿命。
可以通过在市电电网与频率转换器之间使用专用变压器来避免所述问题，但这种方法增加了大量安装成本。
发明内容
本发明的目的是通过呈现一种新颖的解决方案来避免现有技术的问题，所述解决方案减少了连接到再生AC/AC转换器的DC中间电源总线的外部电源/储存元件的绝缘的应力。所述目的通过独立权利要求中陈述的内容来实现，其他优选实施例在从属权利要求中公开。
根据本发明的滤波器安排的特有特征在于共模电感器连接在DC中间电源总线与外部电源/储存元件之间。
在本发明的一个实施例中，所述滤波器安排至少包括第一电容器安排，所述第一电容器安排采用星形耦合，使得电容器的第一端子连接到LCL滤波器相位电感器的中点，并且电容器的第二端子直接地或经由滤波电容器连接到外部电源/储存元件的第一极。进一步地，所述滤波器安排可以包括第二星形耦合的电容器安排，所述电容器安排作为第一电容器安排而分别连接在LCL滤波器相位电感器的中点与外部电源/储存元件的第二极之间。
根据本发明的滤波安排的效果在于，当与共模电感器的另一侧处的相应电位振荡即DC中间电源总线与地之间的相应电位振荡相比较时，所述滤波安排通过大量减少外部电源/储存元件与地之间的电位振荡稳定了外部电源/储存元件的电位。因此，可能危害外部设备的绝缘的高压尖峰将被避免。当与使用专用市电变压器的现有技术相比，根据本发明的技术解决方案例如由于以下事实而便宜得多：只需根据外部设备供应的电流而不是根据AC/AC转换器的市电电流来对共模电感器进行尺寸设定。
在本说明书和以下实施例示例中更详细地限定了本发明。在独立权利要求以及其他权利要求中的优选实施例中限定了保护范围。
附图说明
在下文中，本发明参照附图、使用示例呈现了更详细的说明，在附图中：
图1呈现了再生AC/AC转换器的主电路，
图2展示了逆变桥中的调制和电压，
图3呈现了根据本发明的滤波安排的第一实施例，
图4A和图4B呈现了根据本发明的滤波安排的其他实施例，
图5A展示了连接到再生AC/AC转换器的中间DC总线的外部设备与地之间的在不具有根据本发明的滤波安排的情况下的电压，并且
图5B展示了连接到再生AC/AC转换器的中间DC总线的外部设备与地之间的在具有根据本发明的滤波安排的情况下的电压。
具体实施方式
图1呈现了作为其中可以应用根据本发明的滤波安排的功率设备安排的示例的已知且典型的再生AC/AC转换器的简化主电路图。
在所述示例中，转换器包括有源市电桥AFE1，所述有源市电桥能够在3相市电网络R、S、T与中间DC电路DC1之间在两个方向上馈送电力。AFE1经由所谓的LCL线路滤波器单元LFU1连接到市电，所述LCL线路滤波器单元包括第一3相电感器单元LF1、第二3相电感器单元LF2以及电容器单元CF。电感器单元LF1、LF2可以包括一个3相电感器(缠绕在共同核心部分周围的线圈)或三个单独的1相电感器。逆变器单元INU1从由电容器CDC1滤波的直流电压电路DC1中产生可调节的3相输出电压U、V、W例如以便对AC电动机进行供应。
AFE1桥和INU1桥两者类似，两者都由能够将相位端子连接到DC中间电路DC1的任一极DC+、DC-的3个相开关组成。一个相位开关包括连接到DC+的上臂功率部件(具有反并联连接的二极管的可控开关型部件，通常为IGBT)以及下臂中连接到DC-的类似功率部件。关于这种类型的桥如何操作的操作原理称为PWM(脉宽调制)。
图2展示了一种已知且常用的PWM调制方法，即所谓的正弦三角波比较，所述方法用于确定PWM桥的有源IGBT部件——在这种情况下，AFE1的有源IGBT部件——是如何被控制的。在所述方法中，将相位特定的正弦参考信号(UR参考、US参考、UT参考)与共同三角形信号UΔ进行比较。当正弦信号的瞬时值高于三角波的瞬时值时，上臂IGBT接通，反之亦然。例如，在时刻t1处，UΔ的值超过UR参考的值，这导致R相开关从上部位置转到下部位置等。
图2的下部部分展示了在市电电源接地时(地电位被标记为0)的DC中间电路电位的主要波形。在时刻t1与t2之间，当AFE1的所有相位都处于下部位置中时，中间电路DC1的DC-极处于0电位(由于当转换器的输出侧未接地时，市电相位电流与相位电流梯度之和始终为0)。类似地，在t4和t5之间，所有相位都处于上部位置中，从而使DC+极保持处于0电位，并且当相位开关处于不同的位置中时，DC中间电路电位处于这些最大位置之间，如图2所示。
由于杂散分量值例如主电路与接地框架之间的杂散电容以及电流导体中的串联杂散电感，DC中间电路的电位变化实际上不如图2所示的那样干净，而是包括一些瞬时振荡以及在每个电位阶跃之后的电压过冲。这种现象可能由于谐振而被放大——尤其是在通过长电缆连接到DC电路的外部设备的末端，从而导致可能对绝缘有害的电压尖峰。
图3呈现了根据本发明的滤波安排的示例性实施例，所述滤波安排用于减少连接到中间电源总线DC11的外部设备B1的主电路与地之间的电位之间的瞬时振荡。此示例中的DC电源总线DC11属于与图1所呈现的类似的再生AC/AC转换器，但是为了简单起见，此处未呈现LCL滤波器的逆变器单元和电容器单元CF。
可以在外部设备B1与转换器的DC电源总线之间使用电压调节器(图中标记为DC/DC)以便匹配电压水平。
滤波安排包括共模电感器LCM11，所述共模电感器连接在转换器的DC中间电源总线(DC11、极DC+和DC-)与外部设备的DC连接器(极BDC+和BDC-)之间。进一步地，所述安排包括第一电容器安排CM11，所述第一电容器安排由三个星形连接的电容器组成，使得在每个相位中，相位特定电容器的第一端子连接到LCL滤波电感器L11、L12的连接点，并且电容器的第二端子连接到外部设备的正极BDC+。进一步地，所述安排包括第二电容器安排CM12，所述第二电容器安排由三个星形连接的电容器组成，使得在每个相位中，相位特定电容器的第一端子连接到LCL滤波电感器L11、L12的连接点，并且电容器的第二端子连接到外部设备的负极BDC-。电容器的第二端子可以直接连接到外部设备的负极BDC-。
图4A呈现了本发明的另一个实施例，其仅包括一个星形耦合的电容器安排CM。所述电容器安排以类似于例如图3中的CM11的方式连接到LCL滤波器(L1、L2)，但电容器的星形点S此处经由电容器C41和C42连接到外部设备极BDC+、BDC-两者。
图4B呈现了本发明的另一个实施例，其包括一个星形耦合的电容器安排CM，所述电容器安排接到如图4A所呈现的LCL滤波器(L1、L2)，但是此处电容器的星形点S仅经由电容器C43连接到外部设备极BDC-之一。在此实施例中，外部设备的极BDC+、BDC-通过电容器C44连接。
如在图3的实施例的情况下，可以在外部设备与转换器的DC电源总线之间使用电压调节器(图中标记为DC/DC)以便匹配电压水平。
图5A和图5B将根据本发明的滤波器的效果展示为相对值，其中，1对应于中间电源总线的电压。图5A展示了在不具有滤波器的情况下的共模电压，即DC+与地之间的电压。可以看出，电压以高振幅急剧波动，其中，峰到峰值约为2.0，并且最大尖峰达到约1.4。图5B对应地展示了在具有根据本发明的滤波安排的情况下的共模电压，即BDC+与地之间的电压(见图3)。现在，电压波动非常有限，峰到峰值仅约0.2，并且尖峰保持低于0.4。
尽管已经参照先前实施例描述了本发明，但是应当认识到，本发明不限于此实施例，而是在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下，许多修改和变化对本领域技术人员而言将变得明显。

Claims (4)

1.一种用于系统的滤波装置，所述系统包括电力电子设备和外部电力储存/放电元件，
所述电力电子设备包括功率模块以及在所述功率模块的AC电源端子与供应AC电网之间的三相滤波器，并且
所述功率模块包括DC中间电源总线，并且
在所述AC电源端子与所述供应AC电网之间的所述三相滤波器包括两个三相电感器，并且
所述外部电力储存/放电元件具有两个DC电源端子，所述两个DC电源端子连接到所述电力电子设备的所述DC中间电源总线，
其特征在于：
所述滤波装置包括：
共模电感器，所述共模电感器连接在所述外部电力储存/放电元件的所述DC电源端子与所述功率模块的所述DC中间电源总线的端子之间；以及
第一电容器装置，所述第一电容器装置包括采用星形耦合的三个电容器，所述三个电容器被安排成使得所述第一电容器装置的电容器的第二端子连接在一起从而形成星形点，其中，所述第一电容器装置的所述星形点直接地连接到所述外部电力储存/放电元件的第一极。
2.根据权利要求1所述的滤波装置，
其特征在于，所述第一电容器装置的电容器的第一端子连接到所述三相滤波器的三相电感器的相位特定中点。
3.根据权利要求2所述的滤波装置，
其特征在于，所述滤波装置进一步包括：
第二电容器装置，所述第二电容器装置包括采用星形耦合的三个电容器，所述三个电容器被安排成使得所述第二电容器装置的电容器的第一端子连接到所述三相滤波器的三相电感器的相位特定中点，并且所述第二电容器装置的电容器的第二端子连接在一起从而形成星形点，并且
其中，所述第二电容器装置的所述星形点连接到所述外部电力储存/放电元件的第二极。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的滤波装置，
其特征在于，所述滤波装置进一步包括电压调节器，所述电压调节器位于所述外部电力储存/放电元件与所述电力电子设备的所述DC中间电源总线之间。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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