共模滤波器装置和系统的制作方法
【专利摘要】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和系统，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。电力转换器可以为单相，但优选地为多相。
【专利说明】共模滤波器装置和系统
【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和系统。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和系统，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和系统，该改进的共模滤波器装置和系统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和系统，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。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和系统，其中，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。
[0023]CM滤波器装置和系统的有源滤波器或无源滤波器可以具有含有多个初级绕组的CM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。
[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IOH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，共模滤波器装置和系统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典型地包含地(大地)导体的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，共模滤波器装置和系统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电压二者进行衰减的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]共模滤波器装置和系统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]本发明实施对开关频率和低频CM电压二者进行衰减的有源滤波器，即使它们与DM电压相比是显著的。
[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>IOOkHZ)下被显著地衰减。
[0055]还存在被设计成对CM电压的开关频率分量进行衰减的一些无源CM滤波器，即使CM电压的开关频率分量与DM电压相比是显著的。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电压二者进行衰减的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]有源滤波器包括与电力端口处的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]有源滤波器可包括对由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DCCM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。
【专利附图】
【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；
[0087]图19是示出CM变压器的芯、线圈架和支撑结构环形变压器的示意图，其中，实际绕组未示出但位于在根据本发明的实施方式的共模滤波器装置和系统的实施例中使用的CM电感器的线圈架的凹槽内；
[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_0UT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4IB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。
[0099]可使用广泛的CM电流控制结构。认识到CM电流控制器可完全以硬件来实施，或者以与可编程硬件装置相关联的固件和硬件的组合来实施。
[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电流测量典型地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 ο
[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，Idcqltot和VD。—。_是1!>。—Qf的函数。具体地:
[01 1 1 ] IDC-CM-OUT 一 (Zcm—TOTAl/Zcm—EXT).IDC-CM.[0112]Vdc—cm—cim — ZCi_total.1dc_cm.[0113]ZCM—T0TAL — (I/ (I/Zcmp+I/Zcmn+I/Zcmext))
[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具有串联电容器和电阻器的并联支路的电容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19A至图19D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电压二者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nd。M:nd。Μ:1。
[0129]王绕组与控制绕组β?数比，ndccm:^ ceil ((3.Vdc max) / (4.Vctrljlin)) = 28
[0130]主绕组自感，Lissm:^ Δ ψΜΧ/(2.V 2.lctrl—max/ndc—cm) = 0.00826.ndc cm
[0131]在此情况下，电感被定义为Ψ_—PMk，/I?—_，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，Ldccm lk: ( 0.02*Ldc ?
[0134]电感器必须符合本规范所有制造公差。
[0135]控制绕组漏感，Ldccm 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IOkHZ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]
【权利要求】
1.一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和系统，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。
2.根据权利要求1所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述电力转换器为单相。
3.根据权利要求1所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述电力转换器为多相。
4.根据权利要求1所述的共模滤波器装置和系统，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，其中，所述共模滤波器装置大幅度衰减了所述AC系统基波频率加上谐波处的、以及相关联的所述电力转换器的开关频率加上谐波处的共模电压。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述共模滤波器装置包括有源滤波器配置。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述共模滤波器装置包括无源滤波器配置。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述共模滤波器装置和系统具有由具有多个初级绕组的共模变压器(共模电感器)提供的有源共模滤波器。
8.根据权利要求7所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述初级绕组全部具有相等的匝数并且每个初级绕组与电力端口的每个电力端子串联连接。
9.根据权利要求7或8所述的共模滤波器装置和系统，其中，有源共模滤波器还包括次级绕组。
10.根据权利要求9所述的共模滤波器装置和系统，其中，在一种形式中，所述有源共模滤波器包括耦合到所述次级绕组的控制电源。
11.根据权利要求10所述的共模滤波器装置和系统，其中，控制电源由与电感性阻抗串联的受控电压源构成。
12.根据权利要求11所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述控制电源装置包括处于在所述次级绕组处并且在相关联的所述电力转换器的开关频率处测得的共模变压器励磁电感的25%至200%范围内的串联电感性阻抗。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的共模滤波器装置和系统，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。
14.根据权利要求13所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述共模滤波器是有源滤波器。
15.根据权利要求13所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述共模滤波器是无源滤波器。
16.根据权利要求13所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述电力转换器是电压源逆变器。
17.根据权利要求13所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述有源滤波器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。
18.根据权利要求17所述的共模滤波器装置和系统，其中，实时测得的共模电流的所述函数包括对跨所述共模电流返回路径的电压的测量和反馈控制。
19.根据权利要求13所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述有源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。
20.根据权利要求13所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述共模滤波器包括共模变压器以及一个或多个共模电流返回电路，所述一个或多个共模电流返回电路分别连接在所述电力转换器与所述外部电路、所述CM滤波器输出端口处的第一电力导体或所述共模滤波器输出端口处的第二电力导体之间。
21.根据权利要求20所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述有源滤波器包括耦合到所述共模变压器的次级绕组的有源电源。
22.根据权利要求20或21所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述有源滤波器包括由与电感性阻抗串联的受控电压源构成的有源电源。
23.根据权利要求22所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述串联阻抗主要是电感性阻抗。
24.根据权利要求23所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述有源电源的所述串联电感性阻抗处于在所述次级绕组处并且在相关联的所述电力转换器的开关频率处测得的共模变压器励磁电感的25%至200%范围内。
25.根据权利要求20至24中的任一项所述的共模滤波器装置和系统，具有是具有脉冲宽度调制(PWM)的全桥的可控电压源。
26.根据权利要求20至24中的任一项所述的共模滤波器装置和系统，具有是具有脉冲宽度调制(PWM)的半桥的可控电压源。
27.根据权利要求25或26所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述可控电压源PWM周期与相关联的所述电力转换器的开关转变同步。
28.根据权利要求20至24中的任一项所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述共模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IOH范围内的励磁电感。
29.根据权利要求20至24中的任一项所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述共模变压器具有由无定形金属(金属玻璃)或纳米晶金属制成的芯。
30.根据权利要求13所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述共模滤波器装置和系统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所述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，所述DM电压是成对电力导体之间的电势差，且所述共模电压是所有所述电力导体与诸如地(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电流和共模电流表征，其中所述DM电流是成对电力导体中的电流之间的差，且所述共模电流是所有电力导体上的经由典型地包含地(大地)导体的外部电路流回到所述电力转换器的一个或多个其它电力端口中的电流之和； a.其中，所述共模滤波器装置和系统包括与所述电力转换器的电力端口串联地使用以限制和控制所述电力端口处的共模电流的AC分量的有源滤波器； b.并且其中，测量所述电力端口处的共模电流的函数，并且使用反馈控制器限制和控制共模电流的AC分量以调整所述有源滤波器控制。
31.根据权利要求20至24中的任一项所述的共模滤波器装置和系统，其中，由对开关频率和低频共模电压二者进行衰减的共模滤波器来控制共模变压器饱和。
32.—种共模滤波器装置和系统，其中，所述共模滤波器装置和系统的有源滤波器具有含有次级绕组和多个初级绕组的变压器；所述初级绕组具有相等的匝数并且每个初级绕组与电力端口的每个电力端子串联连接；并且所述次级绕组经由阻抗连接到受控电压源，其中，本发明实施对开关频率和低频共模电压二者进行衰减的有源滤波器，即使它们与DM电压相比是显著的。
33.根据权利要求32所述的共模滤波器装置和系统，其中，由对开关频率和低频共模电压二者进行衰减的共模滤波器来控制共模变压器饱和。
34.根据权利要求32所述的共模滤波器装置和系统，其中，在一种形式中，测量所述电力端口处的共模电流，使用反馈控制器限制和控制共模电流的AC分量以调整有源控制电源。
35.根据权利要求32所述的共模滤波器装置和系统，其中，所述有源滤波器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。
36.根据权利要求32所述的共模滤波器装置和系统，其中，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。
37.根据权利要求32所述的共模滤波器装置和系统，其中，电力转换器电力端口处的共模电压的估算或测量被用来提供对有源控制电源的前馈控制，以减小在闭环共模电流控制器的带宽之上的频率处的共模电流的AC分量，包括电力转换器开关频率和谐波处的共模电流的AC分量。
38.根据权利要求32所述的共模滤波器装置和系统，其中，通过共模电流反馈控制器中的合适的闭环动态特性来获得共模滤波器响应的有源阻尼。
39.根据权利要求32所述 的共模滤波器装置和系统，其中，提供电路来将来自共模变压器的输出的共模电流返回到所述电力转换器的一个或多个其它电力端口。
40.根据权利要求39所述的共模滤波器装置和系统，其中，该电路包括至少一个串联电容性阻抗。
41.根据权利要求32所述的共模滤波器装置和系统，其中，来自共模变压器的输出的共模电流经由诸如绝缘电容的外部电路返回到所述电力转换器的其它电力端口。
42.根据权利要求32所述的共模滤波器装置和系统，其中，除了有源控制迫使大部分共模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，所公开的所述有源滤波器的工作在概念上类似于无源共模滤波器的工作，其中，共模变压器的有效阻抗远高于同等大小的无源共模变压器、扼流圈或电感器的有效阻抗。
43.根据权利要求32所述的共模滤波器装置和系统，其中，共模滤波器与电力转换器串联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。
44.一种在具有高地电容或低阻抗外部共模电路的应用中使用共模滤波器装置和系统来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: a.将有源共模滤波器装置串联连接在外部源电力电路与电力转换器之间； b.测量共模滤波器输入或输出处的共模电流的函数； c.基于所测得的共模电流来提供有源共模电流返回，其中，所述电力转换器对电力转换器端口之间的共模电压差进行调节并且将所述共模电流控制在可接受水平。
45.根据权利要求44所述的使用共模滤波器装置和系统的方法，其中，所述有源滤波器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。
46.根据权利要求44所述的共模滤波器装置和系统，其中，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。
47.根据权利要求44所述的使用共模滤波器装置和系统的方法，其中，所述有源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，其中，所述有源滤波器限制和控制电力端口处的共模电流的AC分量。
48.根据权利要求44至47中的任一项所述的使用共模滤波器装置和系统的方法，其中，所述有源滤波器包括具有次级绕组和多个初级绕组的共模变压器，其中每个初级绕组具有相等的匝数并且每个初级绕组与电力端口的每个电力端子串联连接，并且所述次级绕组连接到有源电源。
49.根据权利要求48所述的使用共模滤波器装置和系统的方法，其中，所述有源滤波器包括与所述电力端口处的共模电流相关的测量，其中，所述有源滤波器包括使用所述测量的反馈来控制所述有源电源以使得所述端口处的所述共模电流被控制或限制的控制机构。
50.根据权利要求48所述的使用共模滤波器装置和系统的方法，其中，所述有源滤波器包括由所述共模变压器的所述初级绕组支持的共模电压的额外的测量或估算。
51.根据权利要求48所述 的使用共模滤波器装置和系统的方法，其中，所述控制机构使用共模电压测量或估算的前馈来控制所述有源电源以使得所述端口处的共模电流减小。
52.根据权利要求48所述的使用共模滤波器装置和系统的方法，其中，所述控制机构使用共模电压测量或估算来控制所述有源电源以提供所述共模滤波器的有源阻尼。
53.根据权利要求44所述的使用共模滤波器装置和系统的方法，其中，所述有源滤波器与电力转换器串联并且包括与AC电力端口串联的DC阻隔电容器，使得由所述串联电容器限制和控制DC共模电流的流动并且由所述有源共模滤波器限制和控制AC共模电流的流动。
54.基本上如说明书中参照示例和附图所描述的共模滤波器装置和系统。
55.基本上如说明书中参照示例和附图所描述的使用共模滤波器装置和系统的方法。
【文档编号】H02M1/12GK103477544SQ201280017633
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年2月14日 优先权日:2011年2月14日
【发明者】西蒙·罗伯特·沃尔 申请人:凯利捷投资有限公司