共模滤波器装置 |
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| 申请号 | CN201280017633.2 | 申请日 | 2012-02-14 | 公开(公告)号 | CN103477544B | 公开(公告)日 | 2017-09-12 |
| 申请人 | 凯利捷投资有限公司; | 发明人 | 西蒙·罗伯特·沃尔; | ||||
| 摘要 | 一种用于对由电 力 转换器进行的从诸如 太阳能 板的外部源到另一外部 电路 的电力转换的多个方面进行调节的共模 滤波器 装置，其中，该共模滤波器装置大幅度衰减了电力转换器的 开关 频率 加上谐波处的共模 电压 ，并且其中，共模滤波器装置具有与电力转换器 串联 连接以支持电力转换器端口之间的共模电压差并且将共模 电流 控制在可接受 水 平的共模滤波器。电力转换器可以为单相，但优选地为多相。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于对由电力转换器进行的从外部源到另一外部电路的电力转换的多个方面进行调节的共模滤波器装置，其中，所述共模滤波器装置大幅度衰减了所述电力转换器的开关频率加上谐波处的共模电压，并且其中，所述共模滤波器装置具有与电力转换器串联连接以支持所述电力转换器端口之间的共模电压差并且将共模电流控制在可接受水平的共模滤波器。 |
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| 说明书全文 | 共模滤波器装置技术领域[0001] 本发明涉及一种使用有源共模滤波器的用于电力转换器和逆变器系统的装置。具体地，本发明涉及一种用于对从诸如太阳能板的外部源到公用电网的电力转换的多个方面进行调节的共模滤波器装置，但本发明不限于此。 背景技术[0002] 电力转换器被用来在电路之间转移电力。每个电路连接到电力转换器的不同电力端口。每个电力端口具有至少两个电力导体。电力端口电压由差模(DM)电压和共模(CM)电压表征。DM电压是成对电力导体之间的电势差。CM电压是所有电力导体与诸如地(大地)的参考电势之间的平均电势差。类似地，电力端口电流由DM电流和CM电流表征。DM电流是成对电力导体中的电流之间的差。CM电流是所有电力导体上的电流之和。 [0003] 在整个本文献中使用以下缩略词： [0004] CM 共模 [0005] DM 差模 [0006] EMI 电磁干扰 [0007] PWM 脉冲宽度调制 [0008] UPS 不间断电力供应 [0009] VSI 电压源逆变器 [0010] 在设计良好的电力转换器中，电力流主要经由指定的电力导体。因此，CM电流是小的，并且电力端口处的电力流主要由DM电压和DM电流确定。当选择电力转换器拓扑时，DM电压和DM电流特性是主要的考虑。CM电压和CM电流特性典型地是次要的。对于电力转换器，关键性能测量包括工作DM电压范围、电力转换效率、安装成本、大小和质量。 [0011] 许多最佳性能的电力转换器在电力端口之间具有系统的CM电压。例如，三相电压源逆变器(VSI)是在DC和AC电力端口之间具有显著CM电压差的DC至AC开关模式型电力转换器。参见图1中的示例性VSI电路。CM电压包括DC分量、AC端口频率的谐波和VSI开关频率的谐波。参见图2中的示例性VSI CM电压波形。参见图3中的VSI CM电压波形的低频(开关平均)分量的典型绘图。 [0012] 高效逆变器是期望的但成本必须合理。目前VSI具有高效率和低成本，但当其与光伏电源一起使用时相关的CM电压产生不可接受的高地电流。因此，提供低成本且与光伏电源一起使用时以低地电流工作的高效电力转换器是有益的。 [0013] 在使用VSI的许多应用中，电力端口之间的外部电路阻抗是高的，因而CM电压差仅产生小的CM电流。例如，大多数变速电机驱动使用三相VSI。CM电压差被施加在电机绕组绝缘层上，这典型地属于特殊类型。绝缘层由对地(大地)的小电容表征。CM电压的AC分量在绝缘电容中产生小的CM电流，这通常是可容许的。 [0014] 在一些应用中，至地的电容是显著的，例如，连接到AC公用电网的太阳能光伏发电系统。具有在开关频率和谐波处的CM电压差的电力转换器典型地产生不可接受水平的CM电流。对于大的光伏系统，具有在公用电网频率和谐波处的CM电压差的电力转换器还可能产生不可接受水平的CM电流。对于诸如双转换不可间断电力供应(UPS)系统的其它应用，在输入和输出电力端口之间存在对于CM电流而言的低阻抗外部电路。在此情况下，任何显著的CM电压将导致不可接受水平的CM电流。 [0015] 针对具有高地阻抗或低阻抗外部CM电路的应用的现有技术方案包括： [0016] ●具有低CM电压或零CM电压的电力转换器拓扑。这通常以其它关键方面的性能例如DM电压范围、电力转换效率、安装成本、大小和质量为代价。 [0017] ●与隔离变压器结合使用的具有显著CM电压的电力转换器拓扑。变压器降低电力转换效率并增大安装成本、大小和质量。 [0018] 因此，本发明的目的是提供一种改进的共模滤波器装置，该改进的共模滤波器装置克服或者至少大幅度改善现有技术中的一个或多个问题。 发明内容[0019] 因此，在一种形式中，本发明提供了一种用于对由电力转换器进行的从诸如太阳能板的外部源到另一外部电路的电力转换的多个方面进行调节的共模滤波器装置，其中，共模滤波器装置大幅度衰减了电力转换器的开关频率加上谐波处的共模电压，并且其中，共模滤波器装置具有与电力转换器串联连接以支持电力转换器端口之间的共模电压差并且将共模电流控制在可接受水平的共模滤波器。电力转换器可以为单相。 [0020] 优选地，电力转换器为多相。因此，根据本发明，提供了一种用于对从诸如太阳能板的外部源到诸如公用电网的AC系统的电力转换的多个方面进行调节的共模滤波器装置，其中，共模(CM)滤波器装置大幅度衰减了AC系统基波频率加上谐波处的、以及相关联的电力转换器的开关频率加上谐波处的CM电压。 [0021] CM滤波器装置可包括有源滤波器配置。 [0022] CM滤波器装置可包括无源滤波器配置。 [0024] 有源CM滤波器还可包括次级绕组。 [0025] 在一种形式中，有源CM滤波器可包括可经由电感性阻抗连接到受控电压源的控制电源。 [0026] CM滤波器装置可包括处于在次级绕组处并且在相关联的电力转换器的开关频率处测得的CM变压器励磁电感的25％至200％范围内的电感性阻抗。 [0027] 根据本发明的一种形式，提供了待与电力转换器串联地使用以支持电力转换器端口之间的CM电压差并且将CM电流控制在可接受水平的有源滤波器。 [0028] 有源滤波器可利用实时测得的CM电流，并且用CM电流返回路径和阻抗来提供对CM电流的实时控制。 [0029] 有源滤波器可以是有源电源，该有源电源是具有耦合到CM变压器的次级绕组的串联阻抗的可控电压源。 [0030] 串联阻抗可以主要是电感性阻抗。 [0031] 电感性阻抗处于在次级绕组处并且在相关联的电力转换器的开关频率处测得的CM变压器励磁电感的25％至200％范围内。 [0032] 在一种优选的形式中，可控电压源是具有脉冲宽度调制PWM的全桥。然而，可控电压源可以是具有PWM的半桥。 [0033] 可控电压源PWM周期可以与相关联的电力转换器的开关转变同步。 [0034] 优选地，CM变压器具有在初级绕组处并且在公用电网频率处测得的0.1H至10H范围内的励磁电感。这可以用具有由无定形金属(金属玻璃)制成的芯的CM变压器来实现。 [0035] 在本发明的一种形式中，共模滤波器装置用于被用来在电路之间转移电力的电力转换器，其中每个电路连接到电力转换器的不同电力端口并且每个电力端口具有至少两个电力导体，其中电力端口电压由差模(DM)电压和共模(CM)电压表征，其中，DM电压是成对电力导体之间的电势差，且CM电压是所有电力导体与诸如地(大地)的参考电势之间的平均电势差，并且电力端口电流由DM电流与CM电流表征，其中DM电流是成对电力导体中的电流之间的差，且CM电流是所有电力导体上的经由包含参考电势导体的又一外部电路流回到电力转换器的一个或多个其它电力端口中的电流之和； [0036] 其中，共模滤波器装置包括与电力转换器的电力端口串联地使用以限制和控制电力端口处的共模电流的AC分量的有源滤波器。 [0037] 并且其中，测量电力端口处的共模电流，并且使用反馈控制器限制和控制共模电流的AC分量以调整受控电压源。 [0038] 一种解决CM电感器饱和问题的方法是使用对开关频率和低频CM电压进行衰减的CM滤波器。这也有助于限制低频CM电流。缺点是用于衰减低频CM电压的无源CM滤波器增大了电力转换器的显著成本、大小和质量。也难以设置防止共振和CM电压超调的有效阻尼。这些限制可以使用有源CM滤波器来克服。 [0039] 针对有源CM滤波器的大部分现有技术应用已被限制于EMI滤波器中增大的性能。在EMI滤波器应用中，CM电压相对于DM电压较小并且仅在高频(典型地>100kHZ)下被显著地衰减。这些系统的设计局限性例如电容性耦合和/或基于电压的控制等阻止其被扩展至低频CM电压或者与与DM电压相比处于显著水平的CM电压。 [0040] 针对有源CM滤波器在变速电机驱动中的其它现有技术应用已提供了对与DM电压相比处于显著水平的开关频率CM电压进行的衰减。由于设计局限性例如基于电压的控制，这些系统不能被扩展至低频CM电压。 [0041] 共模滤波器装置的有源滤波器可以具有含有次级绕组和多个初级绕组的变压器。初级绕组全部具有相等的匝数。初级绕组与电力端口的每个电力端子串联连接。次级绕组经由阻抗连接到受控电压源。 [0042] 本发明使得最佳性能的电力转换器比如标准VSI能够在没有隔离变压器的情况下用在具有高地电容或低阻抗外部CM电路的应用中。例如，太阳能光伏应用和双转换不间断电力供应。 [0043] 本发明实施甚至当开关频率和低频CM电压与差模电压相比显著时也对开关频率和低频CM电压进行衰减的有源滤波器。 [0044] 有源CM滤波器可以具有含有次级绕组和多个初级绕组的变压器。初级绕组全部具有相等的匝数。初级绕组与CM滤波器所附接到的电力端口的每个电源端子串联连接。次级绕组连接到有源控制电压源。 [0045] 在一个实施方式中，有源控制电压源是具有串联电感性阻抗的受控电压源。 [0046] 在一种形式中，可以测量电力端口处的CM电流。使用反馈控制器限制和控制CM电流的AC分量以调整有源控制电源。 [0047] 在其它实施方式中，电力转换器电力端口处的CM电压的估算或测量还被用来提供对有源控制电源的前馈控制。这能够减小在闭环CM电流控制器的带宽之上的频率处的CM电流的AC分量。例如，在电力转换器开关频率和谐波处。 [0048] 在其它实施方式中，通过CM电流反馈控制器中的合适的闭环动态特性来获得CM滤波器响应的有源阻尼。 [0049] 在一些实施方式中，提供电路来将来自CM变压器的输出的CM电流返回到电力转换器的一个或多个其它电力端口。 [0050] 在典型情况下，该电路将包括至少一个串联电容性阻抗。 [0051] 在其它实施方式中，来自CM变压器的输出的CM电流经由诸如绝缘电容的外部电路返回到电力转换器的其它电力端口。 [0052] 除了有源控制迫使大部分CM变压器励磁电流在次级控制绕组中而不是在初级绕组中流动以外，所公开的有源滤波器的工作在概念上类似于无源CM滤波器的工作。该方法使CM变压器的有效阻抗远高于同等大小的无源CM变压器、扼流圈或电感器的有效阻抗。相比于无源CM滤波器，这减小了所公开的有源CM滤波器的成本、大小和质量。 [0053] 在概念上，还可以与电力转换器串联地添加CM滤波器以支持电力转换器端口之间的CM电压差并且将CM电流控制在可接受水平。利用该方法，高性能电力转换器比如VSI可以用在具有高地电容或低阻抗外部CM电路的应用中。CM滤波器可以是无源型的或有源型的。 [0054] 在现有技术中，通常使用与电力转换器的一个或多个电力端口串联的无源CM滤波器来减小传导的电磁干扰(EMI)。在该应用中，CM电压与DM电压相比较小且仅在高频(典型地>100kHZ)下被显著地衰减。 [0055] 还存在被设计成甚至当CM电压的开关频率分量与DM电压相比显著时对CM电压的开关频率分量进行衰减的一些无源CM滤波器。这些滤波器的主要应用是在变速电机驱动中，但它们没有被广泛应用。难以将开关频率CM滤波器的使用扩展至具有高地电容或低阻抗外部CM电路的应用。具体问题是由低频CM电流所引起的CM滤波器电感器饱和。一种解决CM电感器饱和问题的方法是使用对开关频率和低频CM电压进行衰减的CM滤波器。 [0056] 本发明还提供了一种用于在具有高地电容或低阻抗外部CM电路的应用中对从诸如太阳能板的外部源到公用电网的电力转换的多个方面进行调节的方法，包括以下步骤： [0057] 将有源CM滤波器装置串联连接在外部源电力电路和电力转换器之间； [0058] 测量CM滤波器输入或输出处的CM电流； [0059] 基于所测得的CM电流来提供有源CM电流返回， [0060] 由此，电力转换器对电力转换器端口之间的CM电压差进行调节并且将CM电流控制在可接受水平。 [0061] 有源滤波器可利用实时测得的CM电流，并且用CM电流返回路径和阻抗来提供对CM电流的实时控制。有源滤波器的函数用于限制和控制电力端口处的CM电流的AC分量。 [0062] 有源滤波器可包括具有次级绕组和多个初级绕组的变压器。每个初级绕组具有相等的匝数。初级绕组与电力端口的每个电力端子串联连接。次级绕组连接到有源电源。 [0063] 有源滤波器利用与电力端口处的CM电流相关的测量。有源滤波器包括使用所述测量的反馈来控制有源电源以使得端口处的CM电流被控制或限制的控制机构。 [0064] 有源滤波器可利用对由CM变压器的初级绕组支持的CM电压的额外的测量或估算。 [0065] 控制机构可以使用CM电压测量或估算的前馈来控制有源电源以使得端口处的CM电流减小。 [0066] 在另一种形式中，控制机构使用CM电压测量或估算来控制有源电源以提供CM滤波器的有源阻尼。 [0067] 在本发明的又一形式中，与电力转换器串联的有源滤波器可包括与AC电力端口串联的DC阻隔电容器，使得由串联电容器限制和控制DC CM电流的流动并且由有源CM滤波器限制和控制AC CM电流的流动。附图说明 [0068] 现在将参照附图仅作为说明来描述本发明的优选实施方式，其中： [0069] 图1是典型电压源逆变器(VSI)电路的电路图； [0070] 图2是典型电压源逆变器(VSI)电路的在DC电力端口处的共模电压图； [0071] 图3是典型电压源逆变器(VSI)电路的在DC电力端口处的共模电压图，所述共模电压具有在每个开关周期Ts内取平均的值； [0072] 图4是根据本发明的第一实施方式的共模滤波器装置和系统的示意性工作框图； [0073] 图5是使用共模有源滤波器的、根据本发明的第二实施方式的共模滤波器装置和系统的典型电压源逆变器(VSI)电路的电路示意图； [0074] 图6是具有有源共模滤波器的、根据本发明的第三实施方式的共模滤波器装置和系统的控制器的示意性电路图； [0075] 图7是具有共模电压前馈控制的、根据本发明的第四实施方式的共模滤波器装置和系统的控制器的示意性电路图； [0076] 图8是具有有源阻尼和共模电压前馈控制的、根据本发明的第五实施方式的共模滤波器装置和系统的控制器的示意性电路图； [0077] 图9是具有有源控制电源的、根据本发明的第六实施方式的共模滤波器装置和系统的控制器的电路图； [0078] 图10是具有用于控制共模电流的AC分量的组合式有源共模滤波器和用于阻隔共模电流的DC分量的串联电容器的、根据本发明的第七实施方式的共模滤波器装置和系统的控制器的示意性电路图； [0079] 图11是具有用于输出共模电流和电压的具有用于共模控制电流的共模电压前馈和内环的控制器的、根据本发明的第八实施方式的共模滤波器装置和系统的控制器的示意性电路图； [0080] 图12是具有使用CM电流的测得的函数的控制器的、根据本发明的第九实施方式的共模滤波器装置和系统的控制器的示意性电路图； [0081] 图13是具有用于电网频率谐波和开关频率谐波共模电压的无源低通滤波器的、根据本发明的第十实施方式的共模滤波器装置和系统的控制器的示意性电路图； [0082] 图14是具有衰减了高频和低频地电压的、根据本发明的第十一实施方式的共模滤波器装置和系统的具有减小的地电压的电源逆变器的示意性电路图； [0083] 图15是具有根据本发明的第十二实施方式的有源共模滤波器装置和系统的具有减小的地电压的电源逆变器的示意性电路图，该有源电路以增大的有效滤波器电感运载励磁电流； [0084] 图16是作为结果的低共模电压逆变器CM电压波形的图形显示； [0085] 图17是在根据本发明的共模滤波器装置和系统的实施方式中使用的CM电感器的磁化材料特性的图形显示； [0086] 图18是根据本发明的实施方式的有源共模滤波器装置的示意图，其示出了CM变压器和CM滤波器相对于电力转换器的相对大小； [0088] 图20A至图20D是示出了图19的CM变压器的芯、线圈架和支撑结构的环形变压器的各种结构视图。 [0089] 图21A至图21D是示出了实际绕组位于图19的CM变压器的CM电感器的线圈架的凹槽内的实际线圈环形变压器的各钟结构视图。 [0090] 图22是具有串联有源CM滤波器的VSI的示意性电路图。有源CM滤波器由CM变压器(LCM)和CM电流返回路径(Cdn、Rdn、Cdna)构成。图22还示出用于连接到有源CM控制桥电力电路的CM变压器次级控制电流输入IDC_CTRL_IN和输出IDC_CTRL_OUT以及CM电流测量IDC_CM。 [0091] 图23是CM控制桥电力电路的示意性电路图。 具体实施方式[0092] 参照图4所示的框图和部分电路图，其在示例性电路中示出了共模滤波器装置和系统。该装置可使用有源共模滤波器或无源共模滤波器。电力转换器被示出具有连接到AC公用电网的AC电力端口和连接到有源CM滤波器的输入端口的DC电力端口。有源CM滤波器的输出端口连接到外部电路，如电源或负载。 [0093] 在该形式中，共模滤波器装置和系统具有与电力转换器串联地使用以支持电力转换器端口之间的共模电压差并且将共模电流控制在可接受水平的共模滤波器。电力转换器可以是VSI。共模滤波器利用实时测得的共模电流，并且用共模电流返回路径和阻抗来提供对共模电流的实时控制。 [0094] 根据本发明并参照图5至图10所示的共模滤波器装置和系统21，所述共模滤波器装置和系统21包括串联在诸如太阳能光伏阵列等外部电路11与将电力馈送到公用电网13的电力转换器12之间使用的有源滤波器。CM滤波器装置12将具有初级绕组33的电力导体35和具有初级绕组34的电力导体36分别连接到电力转换器的电力端口25，并通过在电力导体的电力转换器端上的CM滤波器输入端口35处的共模电流测量装置41A或者在电力导体31、32的外部电路端处的CM滤波器输出端口37处的电流测量装置41B来测量电力端口处的共模电流来限制和控制电力端口25处的共模电流的AC分量，并且使用反馈控制器51限制和控制共模电流的AC分量以调整受控电压源。 [0095] CM滤波器21包括CM变压器以及一个或多个CM电流返回电路53、54和55，所述一个或多个CM电流返回电路53、54和55分别连接在电力转换器与外部电路11、与CM滤波器输出端口37处的第一电力导体31或与CM滤波器输出端口37处的第二电力导体32之间。来自DC电力端口25的CM电流流过CM变压器的初级绕组33、34，并经由CM电流返回电路53、54和55返回到电力转换器。CM电流返回电路可包括具有限定的阻抗的滤波器部件。它们在图4中示出为Zcm-p和Zcm-n。可替选地，CM电流返回电路53、54和55可以是寄生部件，比如外部电路中的绝缘电容。这在图4中示出为Zcm-ext。 [0096] CM变压器具有次级绕组58和多个初级绕组33、34。初级绕组全部具有相等的匝数。初级绕组与CM滤波器所附接到的电力转换器端口的每个电力端子串联连接。次级绕组连接到由CM电流控制器51直接控制的有源控制电源52。图4示出了将有源控制电源实施为具有串联电感性阻抗57的受控电压源56的典型实施。 [0097] CM电流由CM滤波器21的输入端口35处的电流传感器41A或者输出端口37处的电流传感器41B来测量。CM滤波器的输入端口处的传感器测量来自电力转换器的DC端口的总CM电流。CM滤波器输出端口处的传感器测量传递到外部电路的总CM电流，这排除了经由滤波器内的CM电流返回路径返回的任何CM电流。CM滤波器装置还包含CM电流控制器51，CM电流控制器51应用CM电流测量的反馈来调整有源控制电源56，使得CM电流被控制和限制。 [0098] 可以看出共模滤波器装置和系统21提供了一种用于在具有高地电容或低阻抗外部CM电路的应用中对从诸如太阳能板的外部源到公用电网的电力转换的多个方面进行调节的方法，所述方法包括以下步骤：将有源CM滤波器装置串联在外部源电路和电力转换器之间；测量CM滤波器输入端或输出端处的CM电流；基于所测得的CM电流来提供有源CM电流返回，由此电力转换器调节电力转换端口之间的CM电压差并控制CM电流至可接受水平。 [0100] 为了防止CM变压器的饱和，有源CM滤波器只能对CM电压的AC分量进行衰减。因此，CM电流测量由高通滤波器处理以提取AC分量。在典型的应用中，高通滤波器的截止频率在AC公用电网频率的50％至300％之间。实际上，对CM电流传感器还存在带宽限制。因此，CM电流信号典型地被带通滤波以产生测量Idc_cm。该滤波可以通过CM电流传感器特性可能连同外部电路来实施。 [0101] CM电流控制器的作用为朝向零值或者较小参考来控制和限制CM电流。因此，认识到本发明将会在CM电流测量中存在显著精度和线性误差的情况下给出令人满意的工作。 [0102] 图6是示例性CM电流控制器的框图。所测得的CM电流由高通滤波器处理并在求和框中与零值CM电流参考相比较以产生CM电流误差信号。Idc_cm控制器作用于CM电流误差信号以产生次级控制电流参考Icm_s_ctrl*，该次级控制电流参考Icm_s_ctrl*在求和框中与所测得的次级控制电流Icm_s_ctrl相比较以产生次级控制电流误差信号。Icm_s_ctrl控制器作用于次级控制电流误差信号以产生用于有源控制电源的控制电压Vcm_s_ctrl。 [0103] 在图6示例中，控制器具有嵌套环结构，其中具有用于Icm_s_ctrl的内控制器器。这有助于根据有源控制电源的规范来限制Icm_s_ctrl的水平。然而，认识到Idc_cm控制器可以被用于直接控制有源控制电源。Idc_cm控制器和Icm_s_ctrl控制器二者被示出为线性PI控制器而没有限制。认识到许多不同的线性或非线性控制结构适用于这种应用，并且许多中间变量可能会受到如Icm_s_ctrl*和Vcm_s_ctrl等的限制。 [0104] 图7是可替选的示例性CM电流控制器的框图，其中具有测量或估算的CM电压至有源控制电源电压的前馈。该示例未示出用于Icm_s_ctrl的内环控制器，但其可以包含在Idc_cm控制器的动态特性中。根据对电力转换器工作状态的了解来测量或估算电力转换器电力端口处的CM电压Vdc_cm。将该CM电压Vdc_cm乘以前馈控制器增益以产生前馈电压，该前馈电压在求和框中与Idc_cm控制器的输出结合以产生有源控制电源电压Vcm_s_ctrl。 [0105] 图8是可替选的示例性CM电流控制器的框图，其中具有CM滤波器的有源阻尼和CM电压的前馈。该示例未示出用于Icm_s_ctrl的内环控制器，但其可以包含在Idc_cm控制器的特性中。根据对电力转换器工作状态的了解来测量或估算电力转换器电力端口处的CM电压Vdc_cm。该CM电压Vdc_cm乘以前馈控制器增益以产生前馈电压，该前馈电压在求和框中与Idc_cm控制器的输出结合以产生有源控制电源电压Vcm_s_ctrl。在该示例中，有源阻尼控制器作用于Vdc_cm以产生用于Idc_cm的非零CM电流参考。典型地，有源阻尼控制器在CM滤波器谐振的区域中具有电阻性特性，在该区域之上或之下的频率处具有显著减小的增益。 [0106] 图9是示出示例性有源控制电源的的框图和部分电路图。DC电力源向全桥电路提供DC电压Vpsu_ctrl。有源控制电源控制器向全桥提供PWM控制信号以朝向来自DC CM电流控制器的参考值来控制输出电压Vcm_s_ctrl或输出电流Icm_s_ctrl。 [0107] 图10示出了具有用于控制CM电流的AC分量的组合式有源CM滤波器和用于阻隔CM电流的DC分量的串联电容器的配置。串联电容器Cac_s_series与电力转换器的AC电力端口串联地使用。有源CM滤波器被示出为与电力转换器的DC端口串联。串联电容器支持来自电力转换器的CM电压的DC分量。有源CM滤波器支持来自电力转换器的CM电压的AC分量。该示例性配置适合于存在低阻抗外部CM电路的应用。例如，连接到AC公用电网的太阳能光伏发电系统，其中正的或负的太阳能阵列导体连接到地(大地)。 [0108] 参照图11和图12，示出了共模滤波器装置和系统可这样工作：其中有源滤波器以各种方式利用实时测得的共模电流的函数，并且跨共模电流返回路径和阻抗而提供对共模电流的实时控制。 [0109] 这包括测量共模电流和施加反馈来减小滤波器输入端口处或者输出端口处的共模电流的概念。这将覆盖其中共模电流的函数被用作反馈变量任何方案。在一种形式中，可以测量两个变量，一个是跨共模返回路径的电压(滤波器的共模输出电压)，另一个是传递到外部电路的共模电流。将反馈施加于这两个变量以控制受控电源的电压源并且减小共模电流。使用对电压的比例反馈，原因是这实际上是共模电流的积分值。可以使用对电流的积分反馈。清楚地，存在可以使用不同的相关变量来实现相同的效果的许多方式，但所有的方式都使用了共模电流的测得的函数的概念或者在滤波器输入或输出端口处的共模电流或电压的测得的函数的概念。 [0110] 图11示出了利用实时测得的共模电流的函数的有源滤波器。应当注意，IDC_CM_OUT和VDC_CM_OUT是IDC_CM的函数。具体地： [0111] IDC_CM_OUT＝(ZCM_TOTAL/ZCM_EXT)·IDC-CM. [0112] VDC_CM_OUT＝ZCM_TOTAL·IDC_CM. [0113] ZCM_TOTAL＝(1/(1/ZCM_P+1/ZCM_N+1/ZCM_EXT)) [0114] 图12示出了实时测得的共模电流的函数包括对跨共模电流返回路径的电压的测量和反馈控制。共模滤波器装置和系统利用共模电流的测得的函数，并且提供共模输出电压以及共模输出电路上所施加的反馈。 [0115] 参照图13所示的框图和部分电路图，其在示例性电路中示出了共模滤波器装置和系统。该装置是无源共模滤波器。电力转换器被示出为具有连接到AC公用电网的AC电力端口和连接到无源CM滤波器的输出端口的DC电力端口。 [0116] 在该形式中，共模滤波器装置和系统具有与电力转换器串联地使用以支持电力转换器端口之间的共模电压差并且将共模电流控制在可接受水平的共模滤波器。电力转换器是VSI。无源共模滤波器包括共模变压器以及由电容器和电阻器串联再与电容并联而构成的共模电流返回路径，以便产生大幅度衰减了AC系统基波频率加上谐波处的、以及相关联的电力转换器的开关频率加上谐波处的CM电压的阻尼式低通滤波器。 [0117] 图14示出无源实施方式，这与图13等效，但稍微简化了CM滤波器表示而更详细示出了电力转换器。图15是有源实施方式，尽管简化了附图且未示出CM电流测量和控制框。这与图5等效，但简化了CM滤波器表示而更详细示出了电力转换器。图16是示出由有源CM滤波器所提供的CM电压改善的实际测量波形(相比于图2和图3中所示无滤波器的情况下VSI的CM电压-其是理论波形)。图17是电感器芯的磁化曲线。电感器芯示出了保持低励磁电流所需要的非常高的磁导率。 [0118] 参照图18和图19，其中图19示出了形成有嵌入在典型电力转换器12中的共模滤波器21的图18的环形变压器。CM滤波器的主要可见的部件是CM变压器，其在图20A至20D中以构造形式被示出。 [0119] 图18具体示出了CM滤波器相比于电力转换器的相对大小，这是本系统的一个基本优势。图19和图20A至20D示出了CM变压器的芯、线圈架和支撑结构。在图19中线圈架的凹槽内示出了实际绕组。这是环形变压器结构，但其它类型也可以被用于形成共模电感器。 [0120] 共模电感是排列有多个绕组的电感性部件使得芯中磁通量的变化在每个绕组中感生出相同极性的电压。典型的共模电感在绕组间具有很强的耦合，并且典型的共模电感类似于其中与绕组的额定电流相比励磁电流较小的电压变压器。对共模变压器的使用表明该设备主要作为电压变压器工作。CM变压器必须被设计成支持开关频率和低频CM电压而不会出现饱和或过热。同样地，CM变压器的励磁电感必须足够大使得峰值励磁电流处于有源控制电源的容量内。 [0121] 示例性CM变压器规范 [0122] 50kVA太阳能电网连接逆变器的DC侧共模主电感。 [0123] DC侧共模主电感位于GCI升压器和逆变器级之间。它支持由逆变器级所产生的共模电压的AC分量。共模电压包括线路频率的三次谐波处的显著分量。还存在逆变器开关频率和谐波处的显著分量。 [0124] DC侧CM主电感的主要功能是：当DC侧负载是地参考的或者具有显著的对地电容如大型太阳能阵列的情况时，阻止地环流电流的AC分量。(通过控制逆变器转换类型来阻止地环流电流的DC分量。)该设计使得逆变器能够在AC侧和DC侧二者均是地参考的。(DC侧地参考必须接近DC母线电压中点，除非DC阻隔电容也安装在逆变器的AC侧。) [0125] DC侧CM主电感器包括3个绕组。存在用于DC正和DC负的两个主绕组。还存在控制绕组，其由外部控制电路驱动，使得大部分电感器励磁电流在控制绕组中流动。该方法允许DC侧CM滤波器使用与原本必需的电感值和电容值相比较小的电感值和电容值。在该设计中，控制绕组由低电压电路驱动，因此主绕组与控制绕组之间存在显著的匝数比ndc_cm。 [0126] 电感器磁场由线路频率三次谐波支配，但也存在其它线路频率三次谐波处的以及基波和谐波开关频率处的显著分量。电感器芯设计需要解决显著的开关频率分量。这对于限制电感器损耗以实现较高的电力转换效率也是重要的。 [0127] 电气规范包括： [0128] 配置：1个耦合电感器，具有在共模配置中相等匝数的2个主绕组和在共模配置中的控制绕组。主绕组和控制绕组之间的匝数比为ndc_cm:ndc_cm:1。 [0129] 主绕组与控制绕组匝数比，ndc_cm：≥ceil((3.Vdc_max)/(4.Vctrl_min))＝28[0130] 主绕组自感，Ldc_cm：≥Δψmax/(2.√2.1ctrl_max/ndc_cm)＝0.00826.ndc_cm[0131] 在此情况下，电感被定义为Ψmax_peak,/Icm_max，以给出电感的“积分值”而不是电感的增量值。关键是电感的下界由最大可用控制电流和最大施加伏秒来限定。假设峰值磁链与平衡的AC磁通密度变化相对应。 [0132] 电感器必须符合本规范的所有制造公差。 [0133] 主绕组漏感，Ldc_cm_lk:≤0.02*Ldc_cm [0134] 电感器必须符合本规范所有制造公差。 [0135] 控制绕组漏感，Ldc_cm_ctrl_lk:≤0.02*/ndc_cm2Ldc_cm [0136] 主绕组额定电流：80ADC [0137] (无显著线路频率或开关频率谐波电流) [0138] 控制绕组额定电流：8Arms(线路频率三次谐波) [0139] 这包括较小量的其它线路频率三次谐波电流和开关频率电流。可以从规定的电感器电压、自感和匝数比中推导出精确的控制绕组电流。 [0140] 标称开关频率：15kHZ [0141] 设计应当容许10kHZ至30kHZ范围内的开关频率(在20kHZ之上的工作将被限制在<额定电流25％的基波电流水平)。 [0142] 电感器电压：≤300Vrms(总和) [0143] 电感器电压具有线路频率的三次谐波处的以及开关频率和相关联的谐波处的显著分量。精确值取决于包括AC侧和DC侧电压的若干因素。一般而言，总的线路频率电压随着AC侧电压增大而增大。总的均方根开关频率电压随着DC侧电压增大而增大并且随着AC侧电压减小而减小。在表1和表2中给出了结果的选择。在最差情况下这些是800V DC侧电压。结果示出了总的线路频率电压的均方根值和每个线路频率谐波次数NFL处的均方根值。还给出总的开关频率电压的均方根值和每个开关频率谐波次数NFs处的均方根值。 [0144]VAC_PN 总和 NFl＝3 NFl＝9 NFl＝15 200(50HZ) 43 42 4.7 2.0 231(50HZ) 49 48 5.2 2.1 305(60HZ) 64 63 6.2 2.7 [0145] 表1若干AC侧工作电压处的线路频率电压 [0146] [0147] 发生的最大磁链变化为ΔΨmax＝0.187Vs。 [0148] 这是线路频率值和开关频率值二者的叠加。以受控速率建立共模电感器电压，使得可以假定与ΔΨmax对应的芯磁通摆幅在零附近平衡。共模电感器应当被设计成支持从零磁通密度处的芯开始直到0.1Vs的磁链变化而不进入饱和区域。例如，0.1Vs的磁链摆幅不应当使纵向退火玻璃金属2605SA1的最初无磁通的芯超过1.4T的磁通密度。 [0149] 最大电力损耗：125@75ADC，25C冷却空气 [0150] 杂散磁场问题：应当使来自电感器的杂散磁通最小化以防止杂散磁场损耗和干扰。可以将电感器基板直接安装至钢板。电感器应当被设计成使该板内的杂散磁场损耗最小化。(注意：除此钢板之外，无铁质材料将被用在电感器芯的20mm以内。)[0151] 绕组间绝缘：1000VDC连续，2500V(DC，50HZ或60HZ)1分钟 [0152] 对地绝缘：1000VDC连续，2500(DC，50HZ或60HZ)1分钟 [0153] 控制绕组对地绝缘应当确定为600V连续 [0154] 冷却空气温度：-20C至50C [0155] 冷却空气流量：>0.005m3s-1 [0156] 冷却速度：>0.005ms-1 [0157] 提供示例性设计以供参考。这是高层次的设计，不包括安装和终止的全部细节。该示例性设计在没有使用磁性分析软件和/或实验来验证电感、漏感和损耗等关键参数的进一步工作的情况下不应当被潜在的供应商使用。在没有该额外工作的情况下，示例性设计可能不能满足规范。 [0158] 示例性CM变压器实施 [0159] 参照图17、图18以及图19，这样的共模电感器的一种形式具有如下特性： [0160] 电感：在峰值磁通密度1.2T、150HZ下按照Lcm(B)＝N.B.A，/Icm(B)定义时，Lcm＝0.61H±25％ [0161] 电感：在峰值磁通密度50mT、10kHZ下按照Lcm(B)＝N.B.A，/Icm(B)定义时，Lcm＝0.034H±25％ [0162] 芯：定制金属玻璃部件 [0163] 形状：塑料壳内的环形芯 [0164] 芯内径：90.0mm [0165] 芯外径：185mm [0166] 芯深度：60.0mm [0167] 壳内径：内侧85.5mm、外侧81.5mm [0168] 壳外径：内侧192.omm、外侧197.0mm [0169] 壳深度：内侧62mm，外侧72mm(OD和ID边缘的半径5.5mm) [0170] 芯材料：纵向磁场退火的金属玻璃2605SA1 [0171] 壳材料：具有工作温度≥180C的塑料 [0172] 气隙：无 [0173] 绕组1：在芯的覆盖角度约+10°至+170°的一侧上30匝 [0174] 线圈具有并联连接的4个层。每个层具有30匝10AWG重漆包铜圆电磁线(UL 180级，例如MW30)。(典型导体直径＝2.59mm。典型总直径≤2.69mm。) [0175] 导线在每一层上是等间隔的。为了保持导线间隔，通过芯的塑料壳端面内的凹槽将第一层与第二层对齐。 [0176] 绕组通过系带固定至芯的塑料壳上的点。 [0177] 4条10AWG导线则形成悬空引线。 [0178] 绕组2：与绕组1一样，除了在芯的覆盖角度-10°至-170°的另一侧上。设置绕组方向以产生共模电感器。 [0179] 绕组3：1匝16AWG绝缘铜线。具有500mm悬空引线。 [0180] 在180C时绝缘额定值＝600V。例如，PTFE(聚四氟乙烯)绝缘UL1213线。 [0181] 绝缘：UL等级180C [0182] 绕组：导线涂层足以满足匝间绝缘和层间绝缘。 [0184] 终止的引线：玻璃纤维管。 [0185] 绕组之间。两个绕组间隔离物被集成到塑料芯壳内。这些是从25mm的内径延伸至106mm的外径的9mm高的端面凸起部分。每个间隔物覆盖10°的弧度。 [0187] 最后加工：清漆加工至UL等级180C。掩饰或者消除终止。 [0188] 参照图22和图23，可以看出示图各自示出了整个系统的一部分。图22是电力转换器和串联有源CM滤波器的功能性电路图，而图23是有源电源的详细电路图。每幅图上的接口没有完全对准并且彼此用不同的名称来描述，但能够理解的是，这两幅图通过该接口链接以从有源电源向串联有源滤波器CM变压器次级绕组提供次级CM控制电流ICM_S_CTRL，并且本领域的技术人员应当理解这样的接口以便理解本文所公开和要求保护的发明。 [0189] 图22和图23示出了VSI和串联有源CM滤波器的部分电路图。参照图22，有源CM滤波器包括CM变压器部件名称LCM和由部件名称Cdn、Rdn和Cdna形成的CM电流返回路径。CM变压器初级绕组与VSI的DC电力端口串联连接。图22示出了CM有源滤波器的输出处的CM电流测量IDC_CM。 [0190] 图22还示出了用于连接到在图23中被示出为连接器DC CM CTRL的有源CM控制桥电力电路的CM变压器次级控制电流输入端IDC_CTRL_IN和输出端IDC_CTRL_OUT。该接口从有源电源向串联有源滤波器CM次级绕组提供次级CM控制电流ICM_S_CTRL。全桥受控电压源使用电力集成电流U11和相关部件来实现。串联电感性元件用部件L5、L6和L7来实现。ICM_S_CTRL电流测量由部件CS1提供。ICM_S_CTRL测量、全桥受控电压源PWM控制以及状态信号连接到连接器CONTROL BRD处的数字控制系统(未示出)。数字控制系统还接收IDC_CM测量信号和其它相关测量。数字控制系统执行反馈和前馈控制方案以限制并控制IDC_CM。 [0191] 尽管我们已经在本文中描述了共模滤波器装置和系统的具体实施方式，但还可以设想到，本发明的其它实施方式能够展示任意数目的前述特征以及前述特征中的任意一项的组合。本领域的技术人员将领会到：在不脱离本发明范围的情况下，可以对例证的具体实施方式进行各种修改和改变。所有这样的修改和改变意在落入本发明的范围内。 [0192] 具体地，上述应用是将电力转换器和串联的有源CM滤波器连接到公用电网的应用。然而，其它应用包括将电力转换器和串联有源CM滤波器连接到太阳能光伏电池阵列的应用。此外，它包括将CM滤波器连接在双转换不间断电力供应UPS的两个电力转换器之间的应用。更多应用包括有源CM滤波器支持与公用电网DM电压相比显著水平处的公用电网频率的谐波处的CM电压AC分量。显然，本领域技术人员将看到对这些及以上应用进行的类似和明显的变化落入本发明的范围内。 [0193] 此外，可能存在结构上的特定变化。例如，本发明的有源滤波器可包括用以提供具有限定的阻抗的CM返回电路来使电力端口处的CM电流在经过CM变压器之后返回到电力转换器的部件。这些CM返回电路部件可具有主要是电容性的阻抗。 |
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