CN109906555A - 一无源电路构件的有源电子仿真 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电子仿真构件，用于有源地仿真一无源电子构件诸如一电容器或电感器，所述电容器或电感器具有一期望的值，所述电子仿真构件包括一对终端，用于连接到一外部电路，所述期望的值横跨所述的一对终端而显现；一电力变换器；及一待仿真类型的被动电子元件，但所述被动电子元件具有一值与待被仿真的所述值不同，且所述被动电子元件通过所述变换器从所述的一对终端被隔离。
Description
技术领域及背景技术
本发明在一些实施例中涉及一无源电路构件的有源电子仿真，因此涉及一电子式电容器或一电子式电感器，更具体地但非排它地，涉及具有这种电子仿真构件的一电源供应器。
无源元件包括电容器及电感器，并且显着地影响任何电源硬件的尺寸、重量及成本。此外，电解电容器在任何电力变换系统(power conversion system)的可靠性、寿命及MTBF方面构成瓶颈。所需的电容量与系统评级成比例，而高于几百瓦的评级的电容增加通常通过并联连接更多的离散的电容器单元而被进行，从而进一步降低可靠性。
电力变换器可以是交流对直流(AC-DC)、直流对直流(DC-DC)或交流对交流(AC到AC)，并且可以具有多个终端(terminals)。例如：可能存在多个电源，譬如说一太阳能发电厂及所述主电源。同样地，可能存在具有不同特征的多个负载。虽然主电源本身受到调节，但其他电源可能提供较不干净的信号，或者可能存在谐波。
电源中的纹波(ripple)(下文称ΔP)可以预期具有交流(AC)电源/负载频率的两倍的倍数，并且为了良好的调节，被放置横越所述电源供应器的所述电容器需要类似于每千瓦负载一毫法拉的物品。一毫法拉电容器是一非常大的电解电容器，并且电解电容器的寿命相对较短。然而，所述电容的全部能量含量实际上并未被使用。一小部分储存的能量用于抑制信号中的纹波，其余的能量保持未使用状态。
无源解决方案：
组合DC链路电容器与一串联电感器创建一谐振滤波器，如果被适当调谐，则所述谐振滤波器可抑制双电网频率分量(double grid frequency component)。然而，相对低的线路频率使得谐振滤波器体积庞大，即降低直流链路(DC link)电容意味着DC链路电感的增加。如果存在多个电网频率谐波，例如在AC-AC变换器中，系统将需要针对每个重要谐波频率的电容器-电感器耦合。此外，电容器电压降可能高于直流链路电压，具体取决于滤波器品质因数，需要增加电容器的额定电压。
以功率因数进行取舍：
可以通过扭曲输入电流以降低所述DC链路电容的值，使功率因数从统一值降低到最低允许限值，例如在以色列的0.92。然而，除了麻烦及计算密集之外，将谐波内容引入电网电流可能违反总谐波含量失真网格码(total harmonic content distortion gridcode)，因此不能被视为一通用解决方案。而且，实现的电容减小相对微不足道。
有源解决方案：
一群有潜力(promising)的电容降低方法(promising group of capacitancereduction methods)利用基于电力电子器件(power electronics)的辅助电路，进行仿真直流链路电容操作，同时利用更低的电容。操作原理基于以下观察：电力匹配过程中使用的能量仅包括存储在DC链路电容器中的一小部分能量，即，低得多的电容足以吸收双电网频率电力纹波。然而，一高的电容的值仍被需要以满足所述严格的DC链路纹波要求。因此，去耦(decoupling)能量及纹波要求将允许从所述纹波限制约束中释放所述大容量电容器，从而大大降低它的值。这种解决方案可以通过在大容量电容及DC链路之间插入一附加的双向电力变换器，并且以并联或以串联连接辅助单元被实现。
所述储能电容器上的电压现在被允许根据电力变换器拓扑(topology)及评级(rating)在一更宽的范围内变化。例如：如果所述变换器使用降压与升压拓扑(buck-boosttopology)并且所述电容器电压被允许在200伏特(V)与600V之间变化，则所需的电容将是20微法拉/千瓦(μF/kW)，即，将实现40倍的电容减小。应被强调的是，仍然必须遵守vC波纹限制。然而，由于所述储能电容器现在位于其他地方，所述控制系统必须自己处理这种限制。
更详细地，在有源电容减低过程中，一电容器Ca与一直流对直流变换器(DCtoDCconvertor)被并联地放置。所述DC-DC变换器允许一新电压被设定，因此我们不需要这样的一种高的评级(rating)。因此，可以使用相当低的电容的值。例如：一个1毫法拉(mF)电容可以用一个10微法拉(μF)代替，它可以是陶瓷的，因此具有更高的寿命。
然而，由于许多原因，所述解决方案在实践中难以实施。第一个原因是所述解决方案需要将在系统中所有电流的一总和通过一高通滤波器发送，以便消除直流并对于所述DC-DC变换器提供一参考。因此，测量所述电流需要将多个传感器添加到所述系统中，因此难以提供简单变换的解决方案。此外，接入所述多个测量点可能很困难。此外，所述系统依赖于高通滤波器的精度，所述高通滤波器可以有效地停止DC但是允许双基频率分量完全通过，并且这样的滤波器很难实现，但是如果没有精确地实现那么有效的参考信号，则所述有源电容降低的基础将是错误的。
另一种解决方案被称为直流电压调节(Direct Voltage Regulation)，由于所述直流电压被直接取用，免除测量电流的需求。同样的问题适用于DC消除及高通滤波器，所述解决方案仅适用于被预先提供的多个特定频率。
现在更详细地考虑所述问题。我们考虑具备DC链路的一通用K终端电力变换系统(generalized K-terminal power conversion system with DC link)，如图1所示，其中一个或多个终端可以被直接连接到所述DC链路。此外，我们假设每个终端Tk，k＝1、..、K，其特征在于周期性但非正弦表现特性(behavior)，由下式给出：
因此，每个终端的瞬时功率被获得如下：
pk(t)＝vk(t)ik(t)＝Pk+Δpk(t) (2)
其中，Pk及Δpk标示平均(DC)及脉动(pulsating)(零平均)功率分量。在稳定状态下，必须维持系统功率平衡，因此：
必须保持pC(t)表示直流链路电容器的瞬时功率。所述前者条件由一专用控制器确保，将直流链路电压的平均值调节关于一恒定参考而后者则证明一电力匹配元件(通常由电容器实现)的必要性，因为通常：
因此，所述稳态直流链路电压由下式给出：
其中
并且，ΔvDC(t)表示所述瞬时直流链路纹波。由于fP(t)取决于电力系统来源/负载并且不能从DC链路侧改变，因此DC链路电容的值是唯一可调参数，影响DC链路纹波幅度。后者通常受系统电力变换器的操作限制以及DC链路电容器额定电压值的限制，这意味着在被评级高于几十瓦的系统中使用电解电容器。假设直流链路纹波幅度限制由下式给出：
所需的大容量DC链路的电容的值可以从以下公式被决定：
显然，紧缩(7)的所述多个限制会增加CB，而提高CB会降低所述DC链路纹波。有趣的是，让：
CB→∞ (9)
在(5)产生(yield)
当利用一无源电力匹配元件(passive power matching element)时，这显然是不可行的。应被指出的是，在额定功率大于1千瓦(kW)的电力变换系统中，所述需要的电容通常由被并联连接的几个元件实现，这进一步降低可靠性。
以上给出一般想法，并且在文献中已经提出许多有源电容降低的解决方案(active capacitance reduction solutions)。所述解决方案倾向于使用相同的硬件，但在底层控制结构、反馈变量、算法(underlying control structures,feedbackvariables,algorithms)以及性能方面存在显着差异。所述被提出的控制方法可以分为如下三个主要群组。
第一个也许是最受欢迎的有源电容降低解决方案群组(通常被称为纹波消除器，ripple eliminators)是基于主电力变换器及辅助电力变换器的同时控制，亦即，所述变换器将所述能量储存电容器从所述DC链路进行去耦(decoupling)。这些解决方案的主要缺点是所述纹波消除器不能以一即插即用(plug-and-play)的方式被操作，并且必须重新设计所述主电力变换器控制结构，以应付(cope with)所述纹波消除器(RE)的诸多变动(dynamics)。这样的一种解决方案的一增强版本已经被演示，其中所述RE控制算法不影响所述主变换器控制器；然而，它需要输入电压感测才能正确操作，因此不能被视为一即插即用装置。
第二组有源解决方案包含的方法除了同时控制主电力变换器及辅助电力变换器以外，还需要修改所述主电力变换器硬件并且不太可能被考虑，因为它是特定于应用的，因此不能构成一实用的DC链路电容降低解决方案。
第三种也是最小但最有希望群组的有源电容降低解决方案群组包含支持即插即用操作的方法，既不影响主变换器的硬件也不影响主变换器的控制结构。所述方法基于一串联的纹波消除器(series-connected ripple eliminator)，允许以一串联装置(series-connected device)校正PFC输出电压纹波。然而，作者假设一220伏特均方根(Vrms)电网(grid)没有考虑到实际可能发生的15％电网电压上升的可能性。在这样的一种情况下，所述被提出的电路将无法正常工作。
另一种方法包括一并联连接的纹波消除器，由一先进的重复控制技术(advancedrepetitive control technique)调节。尽管是即插即用操作，所述纹波消除控制器需要检测PFC输出电流以确保正确操作。此外，这些方法仅针对单相AC/DC电源而开发，并且是应用特定的而不是通用的。
总的来说，采用一电子式电容器类(electronic capacitor-like)的系统以降低所述电容的不同方法已经被提出。然而，所有方法都是应用特定的(application-specific)，采用不同的应用特定控制系统。
发明内容
本实施例涉及一种电子单元，所述电子单元对外部电路显现为一电容器或电感器的一给定的值(given value)，但内部具有多个不同的、通常小得多且更能管理的值。所述单元可以包括一电容器或电感器，所述电容器或电感器是从所述多个装置终端及所述多个外部电路条件被去耦的。特别地，所述电容器可能从所述外部观点显现为比实际从所述内部观点显现的要大得多或者小得多。一控制系统可以包括电容或电感仿真(emulation)，如下面将被描述的，并且所述被仿真的值可以是可变的。
根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种电子仿真构件，用于有源地仿真一无源构件，所述无源构件具有一期望的电容或电感的值，所述仿真构件包括：
一对终端，用于连接到一外部电路，并且所述期望的电容横跨所述的一对终端而显现；
一电力变换器；
一控制器，被连接到所述电力变换器，所述控制器被配置为提供一控制信号给所述电力变换器，所述控制信号具有一值，所述值至少部分地基于所述期望值；及
一无源构件，通过所述变换器从所述的一对终端被隔离。
在一实施例中，所述电力变换器包括一控制单元。
在一实施例中，所述电力变换器包括一仿真器，所述仿真器用于仿真所述电容或电感。
在一实施例中，所述仿真器被配置为提供所述控制信号给所述电力变换器。
在一实施例中，所述控制信号是可变的，从而允许所述电子构件改变所述被仿真的构件的所述值。
在一实施例中，所述被仿真的构件是一电容器。
在一实施例中，所述被仿真的构件是一电感器。
在一实施例中，通过所述变换器从所述的一对终端被隔离的所述无源构件具有一电容或电感的值，所述电容或电感的值与所述期望的值无关。
在一实施例中，所述仿真器被配置为通过提供一直流参考电压(vDC *)给处于一控制电流iC下的所述电力变换器以在所述的一对终端处提供一电容CB的一仿真，其中所述参考电压由下式给出：
在一实施例中，所述仿真器被配置为通过提供一直流参考电流(iDC *)给处于一控制电流vC下的所述电力变换器以在所述的一对终端处提供一电感LB的仿真，其中所述参考电流由下式给出：
在一实施例中，所述控制电流基于所述被仿真的电容的多个内部损耗被计算。
在一实施例中，所述控制电压基于所述被仿真的电感的多个内部损耗被计算。
一实施例可以包括一调节器，用于调节来自所述仿真器的电流以提供一控制信号。
一实施例可以包括一调节器，用于调节来自所述仿真器的电压以提供一控制信号。
一实施例可以包括一调制器，用于调制来自所述调节器的所述控制信号，以提供用于所述电力变换器的一切换序列。
一电源供应器电路可以使用在这里被描述的所述电子仿真构件被建构。
在一实施例中，所述电子仿真构件横跨所述电源供应器电路被连接以平滑化多个波纹。
根据本发明的一第二方面，提供一种用于有源地仿真横跨一对终端的一第一电容/电感的方法，包括步骤：
提供一对终端；
提供一电容器，所述电容器具有一第二电容，所述第二电容与所述第一电容不同；
放置一去耦器在所述的一对终端与所述电容器之间；
使用一参考信号控制所述去耦器，所述参考信号具有一值，所述值至少部分地基于所述第一电容/电感的一值被选择。
一实施例可以使用一控制信号以控制所述去耦器。
在一实施例中，所述控制信号包括一电容/电感仿真成分(capacitance/inductance emulation component)。
在一实施例中，所述电容/电感仿真成分包括所述控制信号的全部或部分的一值，所述控制信号至少部分地基于所述期望的电容/电感的一值。
在一实施例中，所述电容/电感仿真成分被配置为通过提供一直流参考电压/电流给处于一控制电流/电压iC/vC下的所述去耦器以提供在所述的一对终端处的一电容/电感CB/LB的一仿真，其中所述参考电压由下式给出：
在一实施例中，所述控制电流基于所述被仿真的电容/电感的多个内部损耗被计算。
一实施例可以包括步骤：调节所述电容/电感仿真的电流/电压以提供所述控制信号。
一实施例可以调制所述控制信号以提供所述用于去耦器的一切换序列。
所述去耦器可以被操作为一电力变换器。
除非另外定义，否则本文使用的所有技术及/或科学术语具有的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法及材料可用于实践或测试本发明的实施方案，但示例性方法及/或材料被描述如下。如有冲突的情况，所述专利说明书，包括诸多定义，将具支配性。另外，材料、方法及实施例仅是说明性的，并非被意图作为必要的限制。
附图说明
本发明的一些实施例在本文中仅通过举例的方式参考附图被描述。在具体参考附图，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于说明性讨论本发明的诸多实施例的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实施本发明的诸多实施例。
在附图中：
图1是使用一传统电容器/电感器的一现有技术电源的一图例；
图2是示出根据本发明诸多实施例的一电子式电容器/电感器被附接到一电源供应器的一简化图；
图3是本发明诸多实施例的所述电子式电容器构件的一简化示意电路图；
图4A是图3的所述电路在仿真一电容器时的一功率级等效图(power-levelequivalent diagram)；
图4B是图3的所述电路在仿真一电感器时的一功率级等效图；
图5是在图2及图3的所述电子式电容器/电感器中的一控制电路的一简化图；
图6是以图解说明根据本发明的多个实施例的一种仿真一电容/电感的方法的一简化流程图。及
图7A及图7B是根据本发明诸多实施例的使用一大的电容器及使用仿真的电力调节的一比较性示例。
具体实施方式
本发明在一些实施例中涉及一无源电路构件的电子仿真，因此涉及一电子式电容器(electronic capacitor)或一电子式电感器(electronic inductor)，更具体地但非排它地，涉及一电源供应器设置有这样的一种电子仿真构件(electronically emulatedcomponent)。
本实施例可以通过一电子系统代替大的无源构件，所述电子系统由一小得多的无源构件(much smaller passive component)及一电力电子变换器(power electronicconverter)组成。在多个电容器的情况下，多个实施例可以实现在所述电容的值方面的显着降低，允许在一些情况下利用单一陶瓷/薄膜电容器代替一组电解电容器，因此导致更高的可靠性、MTBF及寿命。在多个电感器的情况下，电感器类的操作可以仅利用多个电容器及多个电子开关被实现。
在一电容器/电感器的情况下，本发明诸多实施例可以提供一个两终端装置，所述两终端装置由电容器CP、电力变换器及控制系统组成，能够仿真任何有限电容CB(高于或低于CP)或有限电感的终端行为。此外，被仿真的电容/电感的值CB/LB可以根据一外部控制信号被瞬时改变。另一方面，所述被提出的装置的能量存储能力与所述电容器CP的能量存储能力相等，即，被仿真的电容/电感的所述值是从所述装置能量存储能力被去耦的，与两个被耦合的一常规电容器/电感器形成对比。
本发明诸多实施例的所述装置可以替换现有的多个电容器/多个电感器，以一即插即用的方式作为短时能量存储器，利用相对较低的电容，因此提高可靠性及寿命，同时在许多情况下减少重量及体积。
本发明诸多实施例可以因此使得电力变换系统的重量及体积被降低，同时提高可靠性、MTBF及寿命。
为了更好地理解本发明的一些实施例，如在附图的图2至图7B以图解说明的，首先参考如在图1以图解说明的一电源供应器具备一传统电容器/电感器的结构及操作。
图1以图解说明所述传统情况，其中一电容器/电感器CB/LB 10经由一DC链路(DClink)14横跨一电力变换器(power convertor)12的所述多个终端被放置。所述电力变换器12的任务是从一来源(source)T1、16获得电力，并在不同条件下供应所述电力以输出多个终端Tk18及20。
在详细解释本发明的至少一实施例前，应被理解的是，本发明不必然限于它应用在以下描述及/或以图解说明在多个附图及/或多个示例中阐述的构造的所述多个细节及所述多个构件及/或多个方法的所述布置。本发明能够具有其他实施例或以各种方式实践或进行。
现在参考图2，图2是以图解说明根据本发明一第一实施例的一电子式电容器/电感器(ECI)30的一简化图。所述ECI 30可以是一电子式电容/电感构件(electroniccapacitance/inductance component)，所述电子式电容/电感构件用于仿真一期望的电容/电感(desired capacitance/inductance)。如图2所示，所述待被仿真的电容/电感是电力变换器32所需要以处理横跨多个终端33的所述电源。所述构件30包括一对终端(a pairof terminals)34，用于连接到所述外部电路32，并且所述期望的电容/电感横跨所述的一对终端34而显现。电容器Cp36通过一去耦器38从所述的一对终端36被隔离，所述去耦器38本身可以是一电源供应器(powersupply)，如一直流对直流(DC-DC)电源供应器及隔离器所示。
图3更详细地示出所述构件30。多个终端34横跨去耦器38被连接，所述电容器CP36被连接在所述去耦器的另一侧，以便从所述多个终端34被去耦化。如前所述，去耦器38被显示为一DC-DC电源供应器。附加的电容器CR 40横跨所述多个终端被连接以处理进行切换纹波，并且待被仿真的电容/电感CB/LB横跨所述多个终端而显现，以便被所述外部电路所见。
图4A及图4B是图3的多个功率级等效电路，并且将在本文被讨论。
现在参考图5，图5是以图解说明用于控制所述去耦器38的控制单元60的一简化图。去耦器38设置有一驱动信号，并且所述驱动信号由所述控制单元60提供。所述控制单元60包括电容/电感仿真器(capacitance/inductance emulator)62，所述电容/电感仿真器62提供一控制信号用于所述去耦器38，所述控制信号具有一值，所述值至少部分地基于所述期望的电容/电感CB/LB的一值。
所述仿真器可以通过提供一DC参考电压(vDC *)给处于一控制电流iC下的所述去耦器38以启用在所述的一对终端34处的所述电容CB的所述仿真，其中所述参考电压由下式给出：
或者，
所述仿真器可以通过提供一直流(DC)参考电流(iDC *)给处于一控制电压vC下的所述去耦器38以启用在所述的一对终端34处的所述电感LB的仿真，其中所述参考电压由下式给出：
所述积分可以由积分器(integrator)63执行。
所述控制单元还可包括一损耗补偿单元(loss compensation unit)64，所述损耗补偿单元64生成一初始控制电流/电压，所述初始控制电流/电压是基于所述被仿真的电容/电感CB/LB的多个内部损耗被计算的。
所述控制单元还可包括一调节器(regulator)66，所述调节器66调节来自所述电容/电感仿真器的所述电流/电压，以提供一被调节的控制信号。
所述控制单元60还可以包括一调制器(modulator)68，所述调制器68调制来自所述调节器的所述被调节的控制信号，以提供用于所述去耦器的一切换序列(switchingsequence)，所述去耦器可以是一电力变换器。
所述电子式电容/电感构件可以横跨一电源供应器电路被有用地连接以平滑化多个波纹(smooth ripples)。对于具备一相对较高评级(relatively high rating)的电源供应器电路，在所述电容器与所述多个终端之间的所述去耦有效地允许一相对小的电容器以仿真所述电源需要的所述大得多的电容器/电感器。
现在参考图6，图6是以图解说明根据本发明的多个实施例的一种使用一不同的电容的值提供一仿真电容/电感的方法的一流程图。
一对终端70提供对所述装置的一外部连接。具有不是所述要被仿真的电容/电感的一第二电容的一电容器然后被提供72，并且通过一去耦器诸如一DC-DC电源供应器被连接74到终端。
然后使用一参考信号控制所述去耦器作为一电源供应器，所述参考信号具有一值，所述值至少部分地基于所述要被仿真的电容/电感的一值而被选择。
所述装置根据本发明诸多实施例因此提供而显现为所述被仿真的电容/电感，横跨它的多个输出终端，并且由于横跨所述多个终端而显现的效果，所述多个终端可以横跨一现有的电源供应器而被简单地附接。所述装置事实上借助于一内部去耦电容(internaldecoupled capacitance)CP以电子化方式提供所述仿真，所述内部去耦电容CP在许多情况下可以比所述被仿真的电容/电感小得多。如果所述装置与首要电压设备(mains voltageequipment)诸如电源供应器被使用，则所述被使用的电容器不需要是电解式的，并且可以比现有技术中使用的电容器小得多并且更便宜，因此具有一更长的预期寿命(longerexpected lifetime)。
更详细地说，一较小的电容可能就足够，因为我们注意到根据上面的等式(7)，大容量电容存储的一最大能量为：
此外，只有一小的部分由下式给出：
实际上被使用的。对于一典型情况小于10％的储存能量被利用。因此，如果所述DC链路纹波约束不存在，则一小得多的电容器足以提供的所述能量需求超过被要求的能量需求。本实施例的所述电子式电容器参见图2至图6，允许所述电力匹配电容器从所述DC链路物理性去耦，因此从式(7)给出的纹波约束中释放它的电压。所述去耦导致所述电力匹配电容的显着减低，即在图2中的CP<<CB。进一步示出，任何有限的CB可以使用图3所示的所述电路，通过本实施例的所述电子式电容器装置仿真。
在图3中，CR 40是一小型陶瓷电容器，所述小型陶瓷电容器可以存在于所述电子式电容器的所述多个DC链路侧终端34处以吸收开关纹波。注意的是，即使电容器CP操作为一电力匹配元件(power matching element)，它的电压纹波限制也比上述的等式(7)更宽松。
忽略被存储在CR中的能量，CP吸收所述脉冲式功率分量(pulsating powercomponent)，如图4A及图4B所示，即它的稳态电压(steady-state voltage)将由下式给出：
其中及ΔvP(t)分别表示vP(t)的恒定参考值及瞬时纹波。应该强调的是，ΔvP(t)的幅度约束条件(magnitude constraints)与电子式电容器的操作要求以及CP的额定电压值有关，同时与系统电力变换器的其余操作限制无关。
假设：
所述辅助电力匹配电容的所述值由以下公式决定：
并通过以下设定被最小化：
有趣的是，DC链路纹波与CP的值无关，并且仅由电子式电容器变换器的所述被仿真的电容及调节能力支配。因此，在所述DC链路电压控制器能够满足式(5)的情况下，从所述DC链路的角度来看，电容CB可以通过所述电子式电容器被仿真，同时实际利用CR+CP的总电容。
控制系统：
所述电子式电容器/电感器装置包括如图5所示的一控制系统。所述控制器由三个主要子系统组成：电容/感应仿真(capacitance/induction emulation)62、损耗补偿(losscompensation)64、电压/电流调节(voltage/current regulation)66及调制器(modulator)68，如图5所示。
所述仿真块62可以通过将所述DC链路电压/电流参考设定为至少部分地基于所述待被仿真的电容/电感CB/LB以仿真所述电容/电感器终端电压/电流行为，并且更具体地，如下：
损耗补偿：
所述损耗补偿块64计算由所述电子式电容器/电感器汲取的所述DC电流/电压项，以补偿内部损耗，如下：
其中f1(·)及f2(·)是多个补偿函数。
电压/电流调节：
所述电压/电流调节块66计算对所述电力变换器的所述控制信号d，如下：
其中g1(·)及g2(·)是所述多个调节功能。
调制器：
所述调制器块68将所述控制信号d调制成发送到所述电力变换器的切换序列。
示例：
作为一示例，考虑(为了简洁及清楚)一单位功率因数(unity-power-factor)操作的单相整流器，驱动一DC负载。因此，
pC(t)＝PL cos2ω1t (20)
其中PL及ω1分别表示负载功率(load power)及电网频率(grid frequency)。在利用一双向降压与升压电子式电容器变换器(bidirectional buck-boost electroniccapacitor converter)(vP<vDC)的情况下，电力匹配电容可以理想地减少为：
对于实际上，稍高的匹配电容可以被选择以允许安全裕度并且提高对抗突发性负载变化的鲁棒性(robustness)。然后获得所述ACRC的稳态输入电压及输出电流，如
及
分别地，图7A展示出PL＝350瓦(W)且CB＝270微法拉(μF)的实验结果。而图7B展示出实验结果，PL＝350W，CP＝22μF，仿真电容为270μF。显然，结果非常接近，验证所提出的方法。
所述多个术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有(having)”及其词性变化表示“包括但不限于(including but notlimited to)”。
所述术语“由...组成(consisting of)”表示“包括并且限于(including andlimited to)”。
所述术语“基本上由......组成(consisting essentially of)”是指组合物、方法或结构可包括另外的构件、步骤及/或部件，但仅在所述附加构件、步骤及/或部件不实质上改变所要求保护的基本及新颖特征的情况下。
如本文所用，单数形式“一(a)”、“一(an)”及“所述(the)”包括复数引用，除非上下文另有明确说明。
应当理解的是，为了清楚起见，在多个单独的实施例的上下文中被描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中被描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供，或者适合于本发明的任何其他描述的实施例。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的必要特征，除非所述实施例在没有那些元件的情况下不起作用。
尽管本发明已经结合本发明的具体实施方案被描述，但显然许多替代、修改及变化对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的精神及广泛范围内的所有这些替代、修改及变化。
本说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请均通过引用整体并入本说明书中，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体及单独地指出通过引用并入本文。另外，本申请中任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这样的参考可用作本发明的现有技术。在被使用的章节标题的范围内，它们不应被解释为必然限制。
Claims (26)
1.一种电子仿真构件，用于有源地仿真一无源元件，所述无源元件具有一期望的电容或电感的值，其特征在于：所述仿真构件包括：
一对终端，用于连接到一外部电路，并且所述期望的电容横跨所述的一对终端而显现；
一电力变换器；
一控制器，被连接到所述电力变换器，所述控制器被配置为提供一控制信号给所述电力变换器，所述控制信号具有一值，所述值至少部分地基于所述期望值；及
一无源元件，通过所述变换器从所述的一对终端被隔离。
2.如权利要求1所述的电子仿真构件，其特征在于：所述电力变换器包括一控制单元。
3.如权利要求2所述的电子仿真构件，其特征在于：所述电力变换器包括一仿真器，所述仿真器用于仿真所述电容或电感。
4.如权利要求3所述的电子仿真构件，其特征在于：所述仿真器被配置为提供所述控制信号给所述电力变换器。
5.如权利要求4所述的电子仿真构件，其特征在于：所述控制信号是可改变的，从而允许所述电子构件改变所述被仿真的构件的所述值。
6.如前述权利要求中任一项所述的电子仿真构件，其特征在于：所述被仿真的构件是一电容器。
7.如权利要求1至5中任一项所述的电子仿真构件，其特征在于：所述被仿真的构件是一电感器。
8.如前述权利要求中任一项所述的电子仿真构件，其特征在于：通过所述变换器从所述的一对终端被隔离的所述无源元件具有一电容或电感的值，所述电容或电感的值与所述期望的值无关。
9.如权利要求3至6中任一项所述的电子仿真构件，其特征在于：所述仿真器被配置为通过提供一直流参考电压(vDC *)给处于一控制电流(iC)下的所述电力变换器以在所述的一对终端处提供一电容(CB)的一仿真，其中所述参考电压由下式给出：
10.如权利要求3至6中任一项所述的电子仿真构件，其特征在于：所述仿真器被配置为通过提供一直流参考电流(iDC *)给处于一控制电流(vC)下的所述电力变换器以在所述的一对终端处提供一电感(LB)的一仿真，其中所述参考电流由下式给出：
11.如权利要求9所述的电子仿真构件，其特征在于：所述控制电流基于所述被仿真的电容的多个内部损耗被计算。
12.如权利要求10所述的电子仿真构件，其特征在于：所述控制电压基于所述被仿真的电感的多个内部损耗被计算。
13.如权利要求3至12中任一项所述的电子仿真构件，其特征在于：还包括一调节器，用于调节来自所述仿真器的电流，以提供一控制信号。
14.如权利要求3至12中任一项所述的电子仿真构件，其特征在于：还包括一调节器，用于调节来自所述仿真器的电压，以提供一控制信号。
15.如权利要求13或14所述的电子仿真构件，其特征在于：还包括一调制器，用于调制来自所述调节器的所述控制信号，以提供用于所述电力变换器的一切换序列。
16.一种电源供应器电路，其特征在于：包括前述权利要求中任一项所述的电子仿真构件。
17.如权利要求16所述的电源供应器电路，其特征在于：所述电子仿真构件横跨所述电源供应器电路被连接，以平滑化多个波纹。
18.一种用于有源地仿真横跨一对终端的一第一电容/电感的方法，其特征在于：包括步骤：
提供一对终端；
提供一电容器，所述电容器具有一第二电容，所述第二电容与所述第一电容不同；
在所述一对终端及所述电容器之间放置一去耦器；及
使用一参考信号控制所述去耦器，所述参考信号具有一值，所述值至少部分地基于所述第一电容/电感的一值而被选择。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：还包括步骤：使用一控制信号以控制所述去耦器。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述控制信号包括一电容/电感仿真成分。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述电容/电感仿真成分包括所述控制信号的全部或部分的一值，所述控制信号至少部分地基于所述期望的电容/电感的一值。
22.如权利要求20或21所述的方法，其特征在于：所述电容/电感仿真成分被配置为通过提供一直流参考电压/电流给处于一控制电流(iC)/电压(vC)下的所述去耦器以在所述一对终端处提供一电容(CB)/电感(LB)的一仿真，其中所述参考电压由下式给出：
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述控制电流基于所述电容/电感的多个内部损耗被计算。
24.如权利要求19至23中任一项所述的方法，其特征在于：还包括步骤：调节所述电容/电感仿真的电流/电压以提供所述控制信号。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于：还包括调制所述控制信号以提供用于所述去耦器的一切换序列。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于：包括操作所述去耦器作为一电力变换器。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060145675A1 (en) * | 2005-01-06 | 2006-07-06 | Solomon Systech Limited. | Programmable inductor current control for DC-DC converters |
| US20100027304A1 (en) * | 2008-07-30 | 2010-02-04 | Ruxi Wang | Electrical power system with high-density pulse width modulated (pwm) rectifier |
| CN105229645A (zh) * | 2013-05-14 | 2016-01-06 | 株式会社村田制作所 | 电感器的仿真方法及电感器的非线性等效电路模型 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2451077B1 (en) * | 2010-11-03 | 2013-06-19 | Nxp B.V. | Integrated circuit capacitor |
| US20140172343A1 (en) * | 2012-12-13 | 2014-06-19 | Infineon Technologies Ag | Emulation System and Method |
| CN103312136B (zh) * | 2013-06-14 | 2015-04-22 | 西南交通大学 | 一种工频纹波电流的抑制方法及其装置 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060145675A1 (en) * | 2005-01-06 | 2006-07-06 | Solomon Systech Limited. | Programmable inductor current control for DC-DC converters |
| US20100027304A1 (en) * | 2008-07-30 | 2010-02-04 | Ruxi Wang | Electrical power system with high-density pulse width modulated (pwm) rectifier |
| CN105229645A (zh) * | 2013-05-14 | 2016-01-06 | 株式会社村田制作所 | 电感器的仿真方法及电感器的非线性等效电路模型 |
| WO2016110254A1 (en) * | 2015-01-06 | 2016-07-14 | Edge Electrons Limited | Fast response active reactive power (kvar) compensator |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| W. LIU: "Modeling and Design of Series Voltage Compensator for Reduction of DC-Link Capacitance in Grid-Tie Solar Inverter", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 * |
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