CN112821735A - 滤波器装置 - Google Patents

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Abstract

一种滤波器装置，滤波器装置与电力转换器连接以用于在多相AC电压网络和DC电压网络之间传输电力。该滤波器装置包括耦合在逆变器电桥的每个AC端子与对应的AC网络相端子之间的差模线圈，以及耦合在每个逆变器电桥DC端子与对应的DC网络端子之间的共模线圈。两个电感器位于相同的磁芯结构中，使得每个差模绕组缠绕其自身的特定相的磁芯芯柱，并且全部共模绕组缠绕其自身的单个磁芯芯柱。AC侧和DC侧电感器绕组的缠绕方向使得在相同方向上沿两个电感器流动的共模电流在每个磁芯芯柱中感应出通量，该通量增强在磁芯中循环的总通量。

Description

滤波器装置
技术领域
本发明涉及一种与电力转换器连接的滤波器装置，以用于在直流“DC”电压网络和多相交流“AC”电压网络之间传输电力。此外，本发明还涉及配电***，其中采用了可以应用根据本发明的滤波器装置的电力转换器。
背景技术
逆变器广泛地用于DC电力和AC电力之间转换的电力电子应用中。最普遍的逆变器类型，即PWM逆变器，将DC电源电压转换成由具有变化宽度的脉冲组成的AC输出电压。在此，输出电压是通过所谓的脉宽调制“PWM”方法形成的，其目的是形成具有期望的基波分量和最小量的不利谐波的输出电压脉冲图形。
PWM电压图形的瞬时平均值不是像例如在三相对称正弦电压波形中那样为零，而是在DC电源电压范围内变化。非零的平均电压值形成全部相的共用的电压分量，产生所谓的共模电流，该共模电流在连接到设备的DC网络和AC网络中循环并且可能对环境造成有害影响。对于通常使用的调制方法，共模电压和产生的共模电流越高，逆变器输出AC电压的值就越低。在一些应用中，脉冲形状的电压是不可接受的，因此输出AC电压需要被滤波成更接近正弦波形。例如在许多可再生能源应用中就是这种情况，其中所产生的电力被馈送到公共能量分配网。
在PWM应用中常用的滤波器解决方案是所谓的LCL滤波器，LCL滤波器耦合在逆变器输出端子和配电网络之间，如图1所示。LCL滤波器通常包括耦合在第一电感滤波器和第二电感滤波器之间的电容滤波器。这种滤波器类型的缺点是电感元件，电感元件通常大且重，从而产生相当大的电力损耗。因此，滤波器需要适当的外壳和有效的冷却装置。为了限制共模电流，在该滤波器装置中还需要附加的共模线圈。总体上，LCL滤波器显著地增加了装置的尺寸和成本。
在PWM应用中的另一种已知的滤波器解决方案包括串联连接的电感器和电容滤波器装置，如图2所示。在该滤波器的优选实施例中，电感器位于相同的磁芯结构上，使得每个差模绕组都缠绕其自身的磁芯芯柱，并且全部共模绕组都缠绕公共的单个磁芯芯柱，如图5的示例所示。这种滤波器的缺点是总的AC电流，即其全部的差模分量和共模分量，必须沿着串联耦合的两个电感器流动。尤其是在同时具有低AC输出电压和高输出电流的工作点中，共模线圈同时被加载在最坏情况下的共模电流和在最坏情况下的差模电流。因此，这种情况必须作为共模线圈和磁芯芯柱设计的基础。这种滤波器的另一个缺点是，可能难以将共模线圈的全部绕组都放置在同一磁芯芯柱周围。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖的滤波器装置，以用于DC电压网络与多相AC电压网络之间的电力转换器。本发明的滤波器装置避免了现有技术的缺点，例如在同时出现的最坏情况的差模电流分量和共模电流分量下的共模线圈的尺寸或笨重的LCL滤波器电路。本发明的目的通过独立权利要求中所述的内容来实现，其它优选实施例在从属权利要求中公开。
根据本发明，滤波器装置包括耦合在逆变器电桥的每个AC端子与对应的AC网络相端子之间的差模线圈，以及耦合在每个逆变器电桥DC端子与对应的DC网络端子之间的共模线圈。根据本发明，两个电感器位于相同的磁芯结构中，使得每个差模绕组缠绕其自身的特定相的磁芯芯柱，并且全部共模绕组有利地缠绕其自身的单个磁芯芯柱。电感线圈缠绕其磁芯芯柱，使得在DC网络和AC网络之间沿着两个电感器在相同方向上流动的共模电流在每个磁芯芯柱中感应出通量，该通量增强在磁芯中循环的总通量。
根据本发明的实施例，DC侧共模电感器结构还包括差模电感，使得差模电感小于共模电感的15％。
根据本发明的实施例，滤波器装置还包括DC网络端子和AC网络端子之间的电容耦合。一种有利的滤波器装置包括第一电容器组和第二电容器组，第一电容器组包括在每个DC网络端子与星点之间的电容器，第二电容器组包括在每个AC网络端子与星点之间的电容器。
根据本发明的实施例，电容滤波器装置的星点经由电容器耦合到地。
根据本发明，电容器C43-C49和C33-C39的网络从AC网络耦合到DC网络，以便对共模电流进行滤波。
根据本发明的实施例，在***中采用本发明的滤波器装置，其中所连接的AC网络具有至少2个相，并且所连接的DC网络具有至少2个极。
根据本发明的实施例，采用设有本发明的滤波器装置的电力转换器，以在***中在DC网络和多相AC网络之间传输电力，其中供应到DC网络的电力由电池、整流AC网络或诸如太阳能电池板或风力涡轮机之类的可再生源供应。
根据本发明的实施例，采用设有本发明的滤波器装置的电力转换器，以在***中在DC网络与多相AC网络之间传输电力，其中供应到AC网络的电力由AC发电机或由AC网络供应。
根据本发明的实施例，采用设有本发明的滤波器装置的电力转换器，以在***中在DC网络与多相AC网络之间传输电力，其中DC网络由电池充电器或由AC电动机经由逆变器加载。
根据本发明的实施例，采用设有本发明的滤波器装置的电力转换器，以在***中在DC网络与多相AC网络之间传输电力，其中AC网络由AC网络或由AC电动机加载。
根据本发明的实施例，在调制指数为0,4.(100)时，本发明的滤波器装置比现有技术例如LCL滤波器和西门子的DE 102008026870A1的效率更高，多达30％。
附图说明
下面将参照附图，使用示例进行更详细的说明本发明，其中
图1示出了现有技术的滤波器装置；
图2示出了现有技术的滤波器装置；
图3示出了根据本发明的滤波器装置；
图4示出了根据本发明的滤波器装置；
图5示出了根据本发明的电感器结构；
图6示出了在根据本发明的电感器磁芯中的磁通量流；
图7示出了根据本发明的配电***；
图8示出了与现有技术相比，本发明的滤波器装置电力损耗图形。
具体实施方式
图1示出了现有技术电力转换器10的简化主电路图，该电力转换器用于在多相AC电压网络UAC12和DC电压网络UDC11之间传输电力，该简化主电路图作为单线图示出。在转换器装置中，供应的DC电压UDC11通过逆变器单元INU11被逆变为三相AC电压UAC11。输出电压UAC11由脉冲组成，脉冲的高度是逆变器单元INU11的中间电路的DC电压。由于其脉冲状的电压形状的有害谐波的高含量，该电压通常不能连接到公共配电网。因此，这种连接必须通过去除大部分有害谐波的重型滤波器来实现。通常，滤波器，例如图1中的LCL11，由第一差模电感L11、第二差模电感L12和电感之间的电容C11组成。为了限制供应给AC网络的共模电流，在滤波器装置中还需要附加的共模电感器L13。
图2示出了另一现有技术电力转换器20的主电路图，该电力转换器用于在具有DC+、DC-极并由储能电容器C21滤波的DC电压网络与具有U相、V相、W相的3相AC电压网络之间传输电力。以简化形式示出的逆变器电桥B20对于本领域技术人员而言是显而易见的，该逆变器电桥生成具有U2相、V2相、W2相的3相输出AC电压。由于该脉冲形状，使用包括串联连接在逆变器AC端子U2、V2、W2和对应的网络端子U、V、W之间的3相差模线圈L21和3相共模线圈L22的滤波器装置，将输出电压滤波成更接近正弦波形，该滤波器装置还包括在每个DC电压网络极DC+、DC-和星点N2之间的第一电容器组C23、C24，以及在每个AC电压网络相U、V、W和星点N2之间的第二电容器组C26-C28。星点N2可以通过电容器C29连接到地电位。
图3示出了电力转换器30的主电路图，该电力转换器用于在DC电压网络和3相AC电压网络之间传输电力。逆变器电桥B30在此类似于电力转换器20的逆变器电桥。储能滤波电容器C31耦合到电桥B30的DC端子B3+、B3-。根据本发明，电力转换器30中的滤波器装置包括在逆变器电桥的DC电压网络侧的共模线圈L32，即分别在逆变器端子B3+、B3-和对应的DC网络极DC+、DC-之间的两个线路上的一个绕组。另外，滤波器装置接近于电力转换器20的滤波器装置，包括逆变器AC端子U3、V3、W3与对应的AC网络相U、V、W之间的3相差模线圈L31。与电感器符号相邻的实线表示电感器线圈的磁芯芯柱。本发明的该示例性实施例中的电容滤波器包括在每个DC电压网络极DC+、DC-和星点N3之间的第一电容器组C33、C34，以及在每个AC电压网络相U、V、W和星点N3之间的第二电容器组C36-C38。星点N3可以通过电容器C39连接到地电位。
如已知的，在恒定输出电流下，逆变器DC输入功率越低，AC输出频率就越低。因此，在低输出频率下DC输入电流也是低的，在使用本发明的滤波器装置时由于共模电感器中的低电力损耗，这带来了显著的益处。在现有技术中，全部电感器都放置在逆变器的AC侧，电感器电流和与电流成比例的损耗不取决于输出频率。
该新颖的想法不对AC网络相的数量设置限制，例如，尽管在本文的示例中使用3相网络，但是单相AC电源是可以的。DC网络极的数量也可以大于2。图4示出了电力转换器40的主电路图的示例，其中逆变器电桥B40可以从双极性DC电压源形成3级输出AC电压模式。由于这些类型的逆变器电桥类型，如NPC、TNPC、ANPC等，对于本领域技术人员而言是熟悉的，因此在此仅以简化的形式呈现电桥。根据本发明，滤波器装置包括在逆变器电桥的直流网络侧上的共模线圈L42，即在每个逆变器直流端子B4+、B4N、B4-和对应的直流网络极DC+、N、DC-之间的一个绕组。另外，滤波器装置类似于电力转换器30的滤波器装置，包括在DC电源的两个极处的储能滤波器电容器C41、C42，在每个DC网络极与星点N4之间的第一滤波器电容器组C43…C45、在每个AC网络相与星点N4之间的第二滤波器电容器组C46…C48，以及用于将星点N4接地的电容器C49。
图5示出了根据本发明的电感器的有利的示例性实施例的主要结构。电感器的磁芯包括4个由磁轭55、56连接的芯柱51-54。3相差模线圈L31由围绕芯柱52…54的绕组形成。共模线圈L32由围绕单个芯柱51的绕组形成。每个绕组旁边的小黑点表示绕组围绕芯柱旋转的方向，绕组端部旁边的标记表示电感器与图3中的转换器电路的其它部件的连接。应当注意，共模线圈绕组也可以围绕分离的磁芯芯柱而不是上面示出的单个芯柱51组装。
图6示出了在图5的磁芯中的磁通量流。在该图中，划线区域表示磁芯，并且与图5中一样，芯柱由数字51-54标记。
图的上部示出了在电力转换器电路中没有共模电流分量的磁通量流。在这种情况下，围绕芯柱51的两个绕组的电流相等但反向(即，图3中从DC+到B3+的电流等于从B3-到DC-的电流)，因此它们在芯柱51中产生的磁通量ΦdmD也相等并彼此抵消。这意味着在这种情况下共模线圈对转换器的工作没有影响。围绕芯柱52-54的每个差模线圈绕组的电流产生其自身的磁通量。通常，输出电流之和为零，因此芯柱52-54中的通量ΦdmA之和也为零，并且这些通量中没有任何部分通过芯柱51循环(即，尽管是共用的机械结构，共模线圈和差模线圈彼此没有影响)。
图的下部示出了在电力转换器电路中具有共模电流的通量流(共模电流＝在全部主电路线路中在连接的DC网络和AC网络之间以相同方向流动的电流，例如在图3中从DC+流向B3+和从DC-流向B3-)。在这种情况下，围绕芯柱51的两个绕组的电流方向相同，因此它们产生的磁通量ΦcmD的方向也相同并且彼此加强。相同的共模电流也流经差模线圈L31相，并且由于电感器绕组围绕它们的磁芯芯柱旋转的方向，进一步增强了磁芯芯柱52-54中的循环磁通量ΦcmA，因此，在共模情况下，全部绕组增强了循环磁通量，这意味着全部绕组构成了对共模电流的阻抗，这在减小共模电流方面是有利的。
图7示出了配电***的示例，其中可以应用采用根据本发明的滤波器装置的电力转换器PC。该图在原理层面上示出了各种备选方案，然而，这些备选方案不一定同时出现在实际***中。在示例性***中，供应到***的电力可以由风力涡轮机WT经由电力转换器PC1、由太阳能电池板SP经由电力转换器PC2、由配电网DG1经由整流器REC，或者由电池B经由电力转换器PC3供应到DC电压网络。也可以由配电网DG2直接或经由变压器T，或由作为发电机工作的AC机器M2从AC侧给***供应电力。
在该示例性***中，来自该***的电力可经由逆变器INU通过DC电压网络供应给电动机M1，或经由电池充电器PC3供应给电池。来自***的电力也可以直接或经由变压器T供应给AC侧负载，如电动机M2，或供应给AC电压电网。
值得注意的是，如果许多具有本地储能电容器的逆变器单元连接到公共直流电压网络，则由于因分开的电容器及其之间的DC链路杂散电感而导致的有害谐振现象，DC电压链路的电流可能增加。因此，DC链路中的额外电感可以是有益的，以便降低谐振频率并对其进行抑制。根据本发明，共模电感可以包含少量的差模电感，有利地小于共模电感的15％，以便满足这种需要。
除非另有明确说明，以上描述中提供的具体示例不是穷举的，也不应将它们解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。所附从属权利要求中引用的特征是可相互自由组合的，除非另有明确说明。动词“包括”和“包含”在本文中用作开放性限制，既不是排除也不是需要存在未引用的特征。此外，应当理解，在整个文档中使用“一”或“一个”，即单数形式，并不排除多个。

Claims (9)

1.一种滤波器装置(10、20、30、40)，所述滤波器装置与电力转换器连接，以用于在交流“AC”电压网络和直流“DC”网络之间传输电力，所述电力转换器包括具有AC端子和DC端子的逆变器电桥，并且所述滤波器装置包括
-第一电感器(L11、L21、L31、L41)，包括每个逆变器电桥AC端子与对应的AC网络连接之间的差模线圈，以及
-第一电容器组(C11、C21-C24、C31-C34、C41-C44)，包括每个电力转换器DC网络连接和星点(N2、N3、N4)之间的电容器，以及
-第二电容器组(C26-C28、C36-C38、C46-C48)，包括每个电力转换器AC网络连接与所述星点(N2、N3、N4)之间的电容器，其特征在于，所述滤波器装置还包括第二电感器(L32、L42)，所述第二电感器包括所述逆变器电桥的每个DC端子与对应的DC网络连接之间的共模线圈，其中所述第一电感器和所述第二电感器经由共用的磁芯结构磁耦合(LS)。
2.根据权利要求1的滤波器装置，其特征在于，第一电感器线和第二电感器线缠绕到磁芯结构，使得全部共模线圈绕组都缠绕共用的磁芯芯柱，每个差模线圈线缠绕其自身的磁芯芯柱，并且所述磁芯芯柱的末端通过磁芯轭部件彼此连接。
3.根据权利要求1和2中任一项的滤波器装置，其特征在于，每个绕组围绕其磁芯芯柱的旋转方向使得在相同方向上沿着所述第一电感器和所述第二电感器流动的共模电流在每个磁芯芯柱中感应出通量，所述通量增强在磁芯中循环的总通量。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的滤波器装置，其特征在于，所述第二电感器还包括差模电感，使得所述差模电感小于共模电感的15％。
5.一种配电***，其中采用权利要求1-4中任一项的滤波器装置的电力转换器在AC电压网络和DC电压网络之间传输电力，其特征在于，所述AC电压网络具有至少2个相，并且所述DC电压网络具有至少2个极。
6.一种配电***，其中由权利要求1-4中任一项的滤波器装置采用的电力转换器在AC电压网络和DC电压网络之间传输电力，其特征在于，供应到所述DC网络的电力由电池、整流AC网络或者诸如太阳能电池板或风力涡轮机之类的可再生源供应。
7.一种配电***，其中由权利要求1-4中任一项的滤波器装置采用的电力转换器在AC电压网络和DC电压网络之间传输电力，其特征在于，供应到所述AC网络的电力由AC发电机或由AC网络供应。
8.一种配电***，其中由权利要求1-4中任一项的滤波器装置采用的电力转换器在AC电压网络和DC电压网络之间传输电力，其特征在于，所述DC网络由电池充电器或由AC电动机经由逆变器加载。
9.一种配电***，其中由权利要求1-4中任一项的滤波器装置采用的电力转换器在AC电压网络和DC电压网络之间传输电力，其特征在于，所述AC网络由AC网络或由AC电动机加载。
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