CN110809843A - 用于变速冷却器的有源谐波补偿器 - Google Patents

用于变速冷却器的有源谐波补偿器 Download PDF

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CN110809843A CN201880045759.8A CN201880045759A CN110809843A CN 110809843 A CN110809843 A CN 110809843A CN 201880045759 A CN201880045759 A CN 201880045759A CN 110809843 A CN110809843 A CN 110809843A
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金翰钟
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Abstract

提供了一种有源谐波滤波器（AHF）补偿组件。所述AHF补偿组件包括：承载输入电流的第一线路；承载输出电流并且电耦合到第一线路以用于接收输入电流的第二线路；以及第一和第二AHF。第一AHF确定输出电流的第一谐波分量并且在沿第一线路限定的第一位置处将配置成抵消第一谐波分量的第一信号输出到第一线路。第二AHF确定输出电流的第二谐波分量并且在第一位置的上游沿第一线路限定的第二位置处将配置成抵消第二谐波分量的第二信号输出到第一线路。

Description

用于变速冷却器的有源谐波补偿器
背景技术
以下描述涉及变速冷却器，并且更特别地涉及用于变速冷却器的有源谐波补偿器。
冷却器是经由蒸汽压缩或吸收式制冷循环从液体移走热量的机器。然后，该液体能循环通过热交换器以冷却设备或者可被提供给另一工艺流（process stream）。在空调系统中，冷冻水（chilled water）通常被分配到空气处理单元中的热交换器或盘管或者冷却它们相应的（一个或多个）空间中的空气的其它类型的终端装置。然后，水被再循环回到冷却器以再次被冷却。冷却盘管将显热和潜热从空气传递到冷冻水，从而冷却空气流并通常对空气流进行除湿。在工业应用中，来自冷却器的冷冻水或其它液体可被泵送通过工艺或实验室设备以冷却实验室设备。
近年来，已经开发了变速驱动（VSD）技术来尤其增加蒸汽压缩式冷却器的效率并且冷却器现在通常被设计有VSD能力。这样的冷却器可被称为“变速冷却器”，并且能够通过经由马达-压缩机组件旋转速度的对应控制来执行温度控制从而高效地匹配它们被部署在其中的系统的冷却需求。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种有源谐波滤波器（AHF）补偿组件。所述AHF补偿组件包括：承载输入电流的第一线路；承载输出电流并且电耦合到第一线路以用于接收输入电流的第二线路；以及第一和第二AHF。第一AHF确定输出电流的第一谐波分量并且在沿第一线路限定的第一位置处将配置成抵消第一谐波分量的第一信号输出到第一线路。第二AHF确定输出电流的第二谐波分量并且在第一位置的上游沿第一线路限定的第二位置处将配置成抵消第二谐波分量的第二信号输出到第一线路。
根据附加的或备选的实施例，所述AHF补偿组件还包括非线性负载、电插入在输出电流与非线性负载之间的二极管。
根据附加的或备选的实施例，所述非线性负载包括变速冷却器。
根据附加的或备选的实施例，所述第一谐波分量包括多个谐波分量并且所述第二谐波分量包括多个谐波分量。
根据附加的或备选的实施例，所述第一谐波分量包括最低-中间谐波分量并且所述第二谐波分量包括中间-最高谐波分量。
根据附加的或备选的实施例，所述AHF补偿组件还包括附加AHF，所述附加AHF确定输出电流的附加谐波分量并且将配置成抵消附加谐波分量的附加信号输出到第一线路。
根据附加的或备选的实施例，所述第一谐波分量包括最低-第一中间谐波分量，所述第二谐波分量包括第一中间-第二中间谐波分量，并且所述附加谐波分量包括第二中间-最高谐波分量。
根据本公开的另一方面，提供了一种非线性负载操作系统。所述非线性负载操作系统包括：非线性负载；承载输入电流的第一线路；承载向非线性负载的输出电流并且电耦合到第一线路以用于接收输入电流的第二线路；以及布置成补偿输出电流中的谐波分量的至少第一和第二有源谐波滤波器（AHF）。第一AHF被配置成确定输出电流的第一谐波分量并且在沿第一线路限定的第一位置处将配置成抵消第一谐波分量的第一信号输出到第一线路。第二AHF被配置成确定输出电流的第二谐波分量并且在第一位置的上游沿第一线路限定的第二位置处将配置成抵消第二谐波分量的第二信号输出到第一线路。
根据附加的或备选的实施例，所述非线性负载操作系统还包括电插入在输出电流与非线性负载之间的二极管。
根据附加的或备选的实施例，所述非线性负载包括变速冷却器。
根据附加的或备选的实施例，所述第一谐波分量包括多个谐波分量并且所述第二谐波分量包括多个谐波分量。
根据附加的或备选的实施例，所述第一谐波分量包括最低-中间谐波分量并且所述第二谐波分量包括中间-最高谐波分量。
根据附加的或备选的实施例，所述非线性负载操作系统还包括附加AHF，所述附加AHF确定输出电流的附加谐波分量并且将配置成抵消附加谐波分量的附加信号输出到第一线路。
根据附加的或备选的实施例，所述第一谐波分量包括最低-第一中间谐波分量，所述第二谐波分量包括第一中间-第二中间谐波分量并且所述附加谐波分量包括第二中间-最高谐波分量。
根据本公开的又一方面，提供了一种操作有源谐波滤波器（AHF）补偿组件的方法。所述方法包括：将从输入电流导出的输出电流分配到非线性负载，确定输出电流的第一谐波分量，将配置成抵消第一谐波分量的第一信号输出到输入电流，确定输出电流的第二谐波分量，以及将配置成抵消第二谐波分量的第二信号输出到在配置成抵消第一谐波分量的信号的输出的上游的输入电流。
根据附加的或备选的实施例，所述方法还包括将有源谐波滤波器划分成分别确定第一和第二谐波分量并且分别输出第一和第二信号。
根据附加的或备选的实施例，所述方法还包括更新所述划分。
根据附加的或备选的实施例，所述第一谐波分量包括最低-中间谐波分量并且所述第二谐波分量包括中间-最高谐波分量。
根据附加的或备选的实施例，所述方法还包括确定输出电流的附加谐波分量并且将配置成抵消附加谐波分量的附加信号输出到输入电流。
根据附加的或备选的实施例，所述第一谐波分量包括最低-第一中间谐波分量，所述第二谐波分量包括第一中间-第二中间谐波分量并且所述附加谐波分量包括第二中间-最高谐波分量。
根据以下描述结合附图，这些和其它优点和特征将变得更显而易见。
附图说明
在说明书的结尾处的权利要求中特别指出并明确要求保护被认为是本公开的主题。根据以下详细描述结合附图，本公开的前述和其它特征以及优点是显而易见的，在附图中：
图1是示出根据实施例的有源谐波滤波器（AHF）补偿组件的示意图；
图2是示出用于图1的AHF补偿组件的控制算法的示意图；
图3是采用图1的AHF补偿组件的操作结果的图形描绘；以及
图4是示出根据实施例的操作有源谐波滤波器（AHF）补偿组件的方法的流程图。
具体实施方式
变速冷却器通常包括二极管桥前端电路，并且帮助提高系统级部分负载冷却器效率，这样的冷却器被认为是它们被部署在其中的系统中的非线性负载的来源。这是由于以下事实：二极管桥输入电流包括大量的电流谐波，所述电流谐波能产生不期望的电压谐波，所述电压谐波可扰乱相邻设备的正常操作。然而，存在包括但不限于使用无源滤波器、有源前端滤波器和有源谐波滤波器（AHF）的各种方法来减轻电流谐波。AHF通过以下操作来工作：测量由非线性负载引起的负载侧谐波，实时计算每个谐波分量，并且生成具有相反相位角的等幅度谐波分量来抵消原始谐波。
因此，如将在下文中所述的，提供了一种用于变速冷却器的有源谐波补偿器，并且其包括AHF硬件和控制算法。AHF硬件被划分成至少第一和第二部分，所述至少第一和第二部分被设计成最优地处理至少第一和第二电流谐波。控制算法使得这些部分能够使用针对特定电流谐波的选择性谐波消除方案，并且对于要被抵消的每个电流谐波，存在提供必要的电压控制信号以抵消电流谐波的谐波调节器。
参考图1，提供了一种非线性负载操作系统10。非线性负载操作系统10包括非线性负载20、布置和配置成承载输入电流I_grid的第一线路30、布置和配置成承载向非线性负载20的输出电流I_rec的第二线路40。第二线路40电耦合到第一线路30，并且因此接收来自第一线路30的输入电流I_grid。非线性负载20可例如被提供为冷却器，或更特别地被提供为变速冷却器，或被提供为任何其它合适的非线性负载。在任何情况下，非线性负载20接收经过二极管21和极化电容器22的输出电流I_rec，所述二极管21和极化电容器22被串联电插入在第二线路40与非线性负载20之间。
非线性负载操作系统10还包括至少第一有源谐波滤波器（AHF）50和第二AHF 60，所述至少第一AHF 50和第二AHF 60被布置和配置成补偿由第二线路40承载的输出电流中的谐波分量。
第一AHF 50耦合到第一感测电路51，第一AHF 50被配置成通过该第一感测电路51来感测输出电流的第一谐波分量。第一AHF 50还被配置成确定输出电流的第一谐波分量的特性并且将第一信号501输出到第一线路30。第一信号501被配置成抵消输出电流的第一谐波分量并且在第一位置502处被输出到第一线路30。沿第一线路30限定第一位置502。第一AHF 50还耦合到第二感测电路52，第一AHF 50被配置成通过该第二感测电路52来感测输出第一信号501的谐波作为反馈回路的一部分，该反馈回路使得第一AHF 50能够基于所感测的第一谐波分量在目标处高效地实现第一信号501的输出。
第二AHF 60耦合到第一感测电路61，第二AHF 60被配置成通过该第一感测电路61来感测输出电流的第二谐波分量。第二AHF 60还被配置成确定输出电流的第二谐波分量的特性并且将第二信号601输出到第一线路30。第二信号601被配置成抵消输出电流的第二谐波分量并且在第二位置602处被输出到第一线路30。在第一位置502的上游沿第一线路30限定第二位置602。第二AHF 60还耦合到第二感测电路62，第二AHF 60被配置成通过该第二感测电路62来感测输出第二信号601的谐波作为反馈回路的一部分，该反馈回路使得第二AHF60能够基于所感测的第二谐波分量在目标处高效地实现第二信号601的输出。
根据实施例，第一谐波分量可包括由第一AHF 50有效地抵消的多个谐波分量（例如，与最低谐波相关联的那些谐波分量到与中间谐波相关联的那些谐波分量），并且第二谐波分量可包括由第二AHF 60有效地抵消的多个谐波分量（例如，与中间谐波相关联的那些谐波分量到与最高谐波相关联的那些谐波分量）。因此，如下文表1中所示的那样，对于其中非线性负载操作系统10呈现具有至少5次-31次谐波（实际上，在许多情况下可以有1次-51次谐波）的输出电流的情况，第一AHF 50可被配置成处理并有效地抵消5次-13次谐波，并且第二AHF 60可被配置成处理并有效地抵消17次-31次谐波。
Figure 100109DEST_PATH_IMAGE001
这样，在第一AHF 50被布置成处理并有效地抵消5次-13次谐波的情况下，第一AHF50可具有以10 kHz开关的标称整流器电流的30%的电流额定值。同时，在第二AHF 60被布置成处理并有效地抵消17次-25次谐波的情况下，第二AHF 60可具有以20 kHz开关的标称整流器电流的5%的电流额定值。因此，虽然传统的AHF被设计和构造成使用高开关频率处理低次谐波和高次谐波两者，所述高开关频率产生对开关尺寸和冷却系统具有负面影响、最终转化成更高的成本的高开关损耗，但是第一AHF 50和第二AHF 60的划分提供了它们的相应设计的优化，由此用较低开关频率装置来解决低次谐波，并且通过高开关频率装置来解决高频谐波。
根据实施例，在第一AHF 50被布置成处理并有效地抵消5次-13次谐波的情况下，第一AHF 50可包括硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）。这种IGBT通常能在处理高电流方面有效，但是可能不会良好地被配备用于高开关频率操作。因此，将它们的使用限于主要高电流低次谐波提供非线性负载操作系统10的高效配置。类似地，在第二AHF 60被布置成处理并有效地抵消17次-25次谐波的情况下，第二AHF 60可包括一个或多个低电流装置。这种低电流装置可包括碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其相对好地适用于非线性负载操作系统10的高开关频率操作。
继续参考图1，非线性负载操作系统10还可包括至少附加AHF 70。附加AHF 70耦合到附加感测电路（未图示），附加AHF 70被配置成通过该附加感测电路来感测输出电流的附加谐波分量。附加AHF 70还被配置成确定输出电流的附加谐波分量的特性并且将附加信号（未示出）输出到第一线路30。附加信号被配置成抵消输出电流的附加谐波分量并且在沿第一线路30限定的附加位置处被输出到第一线路30。附加AHF 70还耦合到另一附加感测电路（未示出），附加AHF 70被配置成通过该另一附加感测电路来感测输出附加信号的谐波作为反馈回路的一部分，该反馈回路使得附加AHF 70能够基于所感测的附加谐波分量在目标处高效地实现附加信号的输出。
在采用附加AHF 70的情况下，第一谐波分量可包括最低-第一中间谐波分量，第二谐波分量可包括第一中间-第二中间谐波分量，并且附加谐波分量可包括第二中间-最高谐波分量。
以下描述将涉及其中仅采用第一AHF 50和第二AHF 60的实施例。这是为了清楚和简洁而进行的，并且不旨在以其他方式限制本申请或权利要求的范围。
参考图2，提供了第一AHF 50和第二AHF 60的控制算法。控制算法使得能够实现将谐波划分到第一AHF 50和第二AHF 60，并且还使得能够实现使用针对特定谐波（例如，与最低到中间谐波相关联的多个谐波分量和与中间谐波到最高谐波相关联的多个谐波分量）的选择性谐波消除方案。如图2中所示，对于要抵消的每个谐波，存在将提供必要的电压控制信号以抵消谐波的谐波调节器。
也就是说，第一AHF 50包括谐波电流参考生成器201、电压调节器202、包括第一并联调节单元2031和第二并联调节单元2032的电流调节器203以及谐波电流参考反馈单元204。谐波电流参考生成器201从第一感测电路51接收整流器电流输入，并将对应的信号输出到电插入在电压调节器202与电流调节器203的第一并联调节单元2031之间的求和单元205并且输出到电流调节器203的第一并联调节单元2031和第二并联调节单元2032。同时，谐波电流参考反馈单元204从第二感测电路52接收反馈电流输入，并将对应的信号输出到电流调节器203的第一并联调节单元2031和第二并联调节单元2032。电流调节器203的第一并联调节单元2031和第二并联调节单元2032输出第一信号501（参见图1）。第二AHF 60以类似的方式操作。
参考图3，看到的是，输入电流的参考电流呈现出各种谐波并且第一信号501（或第二信号601）被设计成抵消那些谐波中的至少一些谐波。因此，当第一信号501和第二信号601被施加到在第一线路30上承载的输入电流时，所得到的输出电流相对平滑并且缺少原始谐波。
参考图4，提供了一种操作有源谐波滤波器（AHF）补偿组件的方法。如图4中所示，该方法最初包括：将从输入电流导出的输出电流分配到非线性负载（框401）以及划分AHF以处理并且抵消输入或输出电流中的某些低次谐波或高次谐波（框402）。该方法还包括：促使第一划分的AHF确定输出电流的第一谐波分量（框403）并且将配置成抵消第一谐波分量的第一信号输出到输入电流（框404），以及促使第二划分的AHF确定输出电流的第二谐波分量（框405）并且将配置成抵消第二谐波分量的第二信号输出到在第二信号的输出的上游的输入电流（框406）。
另外，该方法可包括基于AHF补偿组件的性能来确定框402的划分是否适当（框407）以及更新该划分（框408）或维持该划分（框409）。也就是说，如果AHF补偿组件的分析显示当前的划分方案是非优化的，并且能通过例如重新分派（re-apportion）AHF中的一个AHF以处理并且抵消AHF中的这一个AHF先前没有解决的某些低次谐波或高次谐波来提高AHF性能，则可执行框408的划分的更新。相反，在分析显示当前划分方案是优化的并且AHF性能将不会通过重新分派而被提高的情况下，如在框409中那样维持划分。
本文中描述的有源谐波补偿器允许更高的冷却器效率和更低的成本。因为有源谐波补偿器利用了谐波的自然分离，并在开关装置的相应“最佳（sweet）”点使用开关装置。例如，诸如IGBT的高电流装置能有效地处理高电流，但是可能不会良好地被配备用于高开关频率操作，因此将它们的使用限于主要高电流低次谐波是明智的方法。另一方面，诸如MOSFET的低电流装置相对好地适用于高开关频率操作。考虑到一些客户可能选择仅抵消低次谐波，并且具有更严格要求的其他客户可能选择并联地增加更小的单元以增加抵消高频谐波的能力，本文中描述的方法还给系统增加了灵活性。
虽然仅结合有限数量的实施例详细提供了本公开，但是应当容易理解，本公开不限于这样的公开的实施例。本公开而是能被修改以合并此前未描述但与本公开的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替代或等效布置。另外，虽然已经描述了本公开的各种实施例，但是要理解，（一个或多个）示例性实施例可仅包括所描述的示例性方面中的一些示例性方面。因此，本公开不应被视为受前述描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (20)

1.一种有源谐波滤波器（AHF）补偿组件，包括：
第一线路，所述第一线路承载输入电流；
第二线路，所述第二线路承载输出电流并且电耦合到所述第一线路以用于接收所述输入电流；
第一AHF，所述第一AHF确定所述输出电流的第一谐波分量并且在沿所述第一线路限定的第一位置处将配置成抵消所述第一谐波分量的第一信号输出到所述第一线路；以及
第二AHF，所述第二AHF确定所述输出电流的第二谐波分量并且在所述第一位置的上游沿所述第一线路限定的第二位置处将配置成抵消所述第二谐波分量的第二信号输出到所述第一线路。
2.根据权利要求1所述的AHF补偿组件，还包括：
非线性负载；以及
二极管，所述二极管电插入在所述输出电流与所述非线性负载之间。
3.根据权利要求2所述的AHF补偿组件，其中所述非线性负载包括变速冷却器。
4.根据权利要求1所述的AHF补偿组件，其中：
所述第一谐波分量包括多个谐波分量，以及
所述第二谐波分量包括多个谐波分量。
5.根据权利要求1所述的AHF补偿组件，其中：
所述第一谐波分量包括最低-中间谐波分量，以及
所述第二谐波分量包括中间-最高谐波分量。
6.根据权利要求1所述的AHF补偿组件，还包括附加AHF，所述附加AHF确定所述输出电流的附加谐波分量并且将配置成抵消所述附加谐波分量的附加信号输出到所述第一线路。
7.根据权利要求6所述的AHF补偿组件，其中：
所述第一谐波分量包括最低-第一中间谐波分量，
所述第二谐波分量包括第一中间-第二中间谐波分量，以及
所述附加谐波分量包括第二中间-最高谐波分量。
8.一种非线性负载操作系统，包括：
非线性负载；
第一线路，所述第一线路承载输入电流；
第二线路，所述第二线路承载向所述非线性负载的输出电流并且电耦合到所述第一线路以用于接收所述输入电流；以及
至少第一和第二有源谐波滤波器（AHF），所述至少第一和第二有源谐波滤波器（AHF）布置成补偿所述输出电流中的谐波分量，
所述第一AHF被配置成确定所述输出电流的第一谐波分量并且在沿所述第一线路限定的第一位置处将配置成抵消所述第一谐波分量的第一信号输出到所述第一线路，以及
第二AHF被配置成确定所述输出电流的第二谐波分量并且在所述第一位置的上游沿所述第一线路限定的第二位置处将配置成抵消所述第二谐波分量的第二信号输出到所述第一线路。
9.根据权利要求8所述的非线性负载操作系统，还包括电插入在所述输出电流与所述非线性负载之间的二极管。
10.根据权利要求8所述的非线性负载操作系统，其中所述非线性负载包括变速冷却器。
11.根据权利要求8所述的非线性负载操作系统，其中：
所述第一谐波分量包括多个谐波分量，以及
所述第二谐波分量包括多个谐波分量。
12.根据权利要求8所述的非线性负载操作系统，其中：
所述第一谐波分量包括最低-中间谐波分量，以及
所述第二谐波分量包括中间-最高谐波分量。
13.根据权利要求8所述的非线性负载操作系统，还包括附加AHF，所述附加AHF确定所述输出电流的附加谐波分量并且将配置成抵消所述附加谐波分量的附加信号输出到所述第一线路。
14.根据权利要求13所述的非线性负载操作系统，其中：
所述第一谐波分量包括最低-第一中间谐波分量，
所述第二谐波分量包括第一中间-第二中间谐波分量，以及
所述附加谐波分量包括第二中间-最高谐波分量。
15.一种操作有源谐波滤波器（AHF）补偿组件的方法，所述方法包括：
将从输入电流导出的输出电流分配到非线性负载；
确定所述输出电流的第一谐波分量；
将配置成抵消所述第一谐波分量的第一信号输出到所述输入电流；
确定所述输出电流的第二谐波分量；以及
将配置成抵消所述第二谐波分量的第二信号输出到在所述第二信号的所述输出的上游的所述输入电流。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括将有源谐波滤波器划分成分别确定所述第一和第二谐波分量并且分别输出所述第一和第二信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括更新所述划分。
18.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述第一谐波分量包括最低-中间谐波分量，以及
所述第二谐波分量包括中间-最高谐波分量。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括：
确定所述输出电流的附加谐波分量；以及
将配置成抵消所述附加谐波分量的附加信号输出到所述输入电流。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：
所述第一谐波分量包括最低-第一中间谐波分量，
所述第二谐波分量包括第一中间-第二中间谐波分量，以及
所述附加谐波分量包括第二中间-最高谐波分量。
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