一种双向有源滤波器及其使用方法与流程

1.本发明涉及有源滤波技术领域，特别涉及一种双向有源滤波器及其使用方法。


背景技术：

2.储能电站对于电网具有削峰填谷的作用。当电网处于用电低峰期时，多余电量可对储能电站的电池进行充电储存；当电网处于用电高峰期时，储能电站的电池可对电网进行放电补偿，从而实现电力系统稳定。储能电站电池的充电与放电过程都需要用到电力变换器，
3.然而，传统电力变换器通常采用母线并联大容量电解电容来处理直流侧二次脉动功率，由于电解电容易受温度影响且寿命较短，会降低电力变换器性能与寿命。并且，在充电储存和放电补偿的两个过程均存在直流侧二次脉动，使得对应上述两个过程的电路均需要接入大容量电解电容，导致设备成本增加，维护困难，制约储能电站推广使用。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：提供一种双向有源滤波器及其使用方法，同时对电网充放电过程的直流侧二次脉动进行抑制，增长电路使用寿命，降低设备成本。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种双向有源滤波器，包括低通滤波模块、双向ac/dc模块、母线电容、有源滤波模块和双向dc/dc模块；
7.所述有源滤波模块包括第一电容、第一电感、第一开关管和第二开关管；
8.所述低通滤波模块的输出端与所述双向ac/dc模块的输入端相连，所述双向ac/dc模块的正输出端同时与所述母线电容的一端、所述第一开关管的漏极和所述双向dc/dc模块的正输入端相连；
9.所述双向ac/dc模块的负输出端同时与所述母线电容的另一端、所述第二开关管的源极、所述第一电容的一端和所述双向dc/dc模块的负输入端相连；
10.所述第一开关管的源极分别与所述第一电感的一端和所述第二开关管的漏极相连，所述第一电感的另一端与所述第一电容的另一端相连；
11.所述低通滤波模块用于连接电网电源或电网负载，所述双向dc/dc模块的输出端分别用于连接储能电池。
12.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
13.s1、若工作模式为整流模式，则在低通滤波模块上接入电网电源，依靠所述电网电源给储能电池供电；
14.若工作模式为逆变模式，则在所述低通滤波模块上接入电网负载，依靠所述储能电池给所述电网负载供电；
15.s2、通过控制第一电容的电容电压和母线电容的电容电压在最大值和最小值之间变化，以抑制直流侧二次脉动。
16.本发明的有益效果在于：提供一种双向有源滤波器及其使用方法，由低通滤波模块、双向ac/dc模块、母线电容、有源滤波模块和双向dc/dc模块组成，具有整流和逆变两种工作模式，无论出于何种模式，都能够通过第一电容和母线电压的充放电使用减小所需的第一电容值和母线电容值，以便实现寿命更长、性能更稳定的薄膜电容来代替电解电容，实现无电解电容，具有双向使用的同时提升有源滤波器的稳定性与寿命，降低设备成本。
附图说明
17.图1为本发明实施例的一种双向有源滤波器处于整流模式的电路连接图；
18.图2为本发明实施例涉及的一种双向有源滤波器处于整流模式的信号波形图；
19.图3为本发明实施例的一种双向有源滤波器处于逆变模式的电路连接图；
20.图4为本发明实施例涉及的一种双向有源滤波器处于逆变模式的信号波形图；
21.图5为本发明实施例的一种双向有源滤波器的使用方法的步骤示意图；
22.图6为本发明实施例的一种双向有源滤波器的第一开关管和第二开关管开关变化时的电路状态图；
23.图7为本发明实施例的一种双向有源滤波器的第一电感的电感电压的变化示意图。
24.标号说明：
25.1、低通滤波模块；2、双向ac/dc模块；3、有源滤波模块；4、双向dc/dc模块；
26.c
bus
、母线电容；c1、第一电容；c2、第二电容；
27.l1、第一电感；l2、第二电感；l3、第三电感；
28.s1、第一开关管；s2、第二开关管；s3、第三开关管；s4、第四开关管；s5、第五开关管；s6、第六开关管；s7、第七开关管；s8、第八开关管。
具体实施方式
29.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
30.请参照图1和图3，一种双向有源滤波器，包括低通滤波模块1、双向ac/dc模块2、母线电容c
bus
、有源滤波模块3和双向dc/dc模块4；
31.所述有源滤波模块包括第一电容、第一电感l1、第一开关管s1和第二开关管s2；
32.所述低通滤波模块的输出端与所述双向ac/dc模块的输入端相连，所述双向ac/dc模块的正输出端同时与所述母线电容的一端、所述第一开关管的漏极和所述双向dc/dc模块的正输入端相连；
33.所述双向ac/dc模块的负输出端同时与所述母线电容的另一端、所述第二开关管的源极、所述第一电容的一端和所述双向dc/dc模块的负输入端相连；
34.所述第一开关管的源极分别与所述第一电感的一端和所述第二开关管的漏极相连，所述第一电感的另一端与所述第一电容的另一端相连；
35.所述低通滤波模块用于连接电网电源或电网负载，所述双向dc/dc模块的输出端分别用于连接储能电池。
36.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：由低通滤波模块、双向ac/dc模块、母线
电容、有源滤波模块和双向dc/dc模块组成，具有整流和逆变两种工作模式，无论出于何种模式，都能够通过第一电容和母线电压的充放电使用减小所需的第一电容值和母线电容值，以便实现寿命更长、性能更稳定的薄膜电容来代替电解电容，实现无电解电容，具有双向使用的同时提升有源滤波器的稳定性与寿命，降低设备成本。
37.进一步地，所述低通滤波模块包括第二电感l2和第二电容c2；
38.所述第二电容的一端与所述第二电感的一端相连，且另一端与所述双向ac/dc模块的负输入端相连；
39.所述第二电感的另一端与所述双向ac/dc模块的正输入端相连。
40.从上述描述可知，低通滤波模块是由第二电感和第二电容组成的lc低通滤波，可去除高频噪声，提高线路稳定性。
41.进一步地，所述双向ac/dc模块包括第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5和第六开关管s6；
42.所述低通滤波模块的正输出端同时与所述第三开关管的源极和所述第四开关管的漏极相连，所述第三开关管的漏极同时与所述第五开关管的漏极、所述母线电容的一端、所述第一开关管的漏极和所述双向dc/dc模块的正输入端相连；
43.所述低通滤波模块的负输出端同时与所述第五开关管的源极和所述第六开关管的漏极相连，所述第六开关管的源极同时与所述第四开关管的源极、所述母线电容的另一端、所述第二开关管的源极、所述第一电容的一端和所述双向dc/dc模块的负输入端相连。
44.从上述描述可知，双向ac/dc模块主要由开关管组成的整流桥电路，实现双向变化。
45.进一步地，所述双向dc/dc模块包括第七开关管s7、第八开关管s8和第三电感l3；
46.所述第七开关管漏极同时与所述双向ac/dc模块的正输出端、所述母线电容的一端和所述第一开关管的漏极相连；
47.所述第七开关管的源极同时与所述第八开关管的漏极和所述第三电感的一端相连；
48.所述第八开关管的源极同时与所述双向ac/dc模块的负输出端、所述母线电容的另一端、所述第二开关管的源极和所述第一电容的一端相连；
49.所述第三电感的另一端和所述第八开关管的源极用于连接储能电池。
50.请参照图1至图7，一种双向有源滤波器的使用方法，应用于上述的一种双向有源滤波器，包括步骤：
51.s1、若工作模式为整流模式，则在低通滤波模块上接入电网电源，依靠所述电网电源给储能电池供电；
52.若工作模式为逆变模式，则在所述低通滤波模块上接入电网负载，依靠所述储能电池给所述电网负载供电；
53.s2、通过控制第一电容的电容电压和母线电容的电容电压在最大值和最小值之间变化，以抑制直流侧二次脉动。
54.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：由低通滤波模块、双向ac/dc模块、母线电容、有源滤波模块和双向dc/dc模块组成，具有整流和逆变两种工作模式，无论出于何种模式，都能够通过第一电容和母线电压的充放电使用减小所需的第一电容值和母线电容
值，以便实现寿命更长、性能更稳定的薄膜电容来代替电解电容，实现无电解电容，具有双向使用的同时提升有源滤波器的稳定性与寿命，降低设备成本。
55.进一步地，所述步骤s2具体为：
56.在输入瞬时功率高于输出瞬时功率时，控制所述第一电容的电容电压和所述母线电容的电容电压从最小值变为最大值，以吸收所述输入瞬时功率与所述输出瞬时功率之差；
57.在所述输入瞬时功率低于所述输出瞬时功率时，控制所述第一电容的电容电压和所述母线电容的电容电压从最大值变为最小值，以补偿所述输入瞬时功率与所述输出瞬时功率之差。
58.从上述描述可知，通过控制第一电容的电容电压和母线电容的电容电压，从而应对输入瞬时功率和输出瞬时功率的差异变化，进而实现处理直流侧二次脉动。
59.进一步地，所述控制第一电容的电容电压和母线电容的电容电压在最大值和最小值之间变化具体为：
60.通过改变第一开关管和第二开关管的开关状态，使得第一电感的电感电流变化；
61.所述改变第一开关管和第二开关管的开关状态包括：
62.在第一预设时间段内，控制所述第一开关管导通，所述第二开关管截止，使得所述第一电感的电感电压等于所述母线电容的母线电压减去所述第一电容的电容电压的差值，第一电感吸收能量，所述第一电感的电感电流大于零且线性增加；
63.在第二预设时间段内，控制所述第一开关管截止，所述第二开关管导通，使得所述第一电感的电感电压的大小等于负的所述第一电容的电容电压的大小，所述第一电感释放能量，所述第一电感的电感电流大于零且线性减小；
64.在第三预设时间段内，控制所述第一开关管截止，所述第二开关管导通，使得所述第一电感的电感电压的大小等于负的所述第一电容的电容电压的大小，所述第一电感吸收能量，所述第一电感的电感电流小于零且线性增加；
65.在第四预设时间段内，控制所述第一开关管导通，所述第二开关管截止，使得所述第一电感的电感电压等于所述母线电容的母线电压减去所述第一电容的电容电压的差值，所述第一电感释放能量，所述第一电感的电感电流小于零且线性减少。
66.从上述描述可知，通过按照特定控制方式来控制第一开关管和第二开关管的开关状态，从而实现抑制直流侧二次脉动，操作简单。
67.本发明的一种双向有源滤波器端能够适用于储能电站充放电的场景，以下通过具体的实施方式进行说明：
68.请参照图1和图3，本发明的实施例一为：
69.一种双向有源滤波器，如图1和图3所示，包括低通滤波模块、双向ac/dc模块、母线电容、有源滤波模块和双向dc/dc模块，有源滤波模块包括第一电容、第一电感、第一开关管和第二开关管；低通滤波模块的输出端与双向ac/dc模块的输入端相连，双向ac/dc模块的正输出端同时与母线电容的一端、第一开关管的漏极和双向dc/dc模块的正输入端相连；双向ac/dc模块的负输出端同时与母线电容的另一端、第二开关管的源极、第一电容的一端和双向dc/dc模块的负输入端相连；第一开关管的源极分别与第一电感的一端和第二开关管的漏极相连，第一电感的另一端与第一电容的另一端相连；低通滤波模块用于连接电网电
源或电网负载，双向dc/dc模块的输出端分别用于连接储能电池。
70.在本实施例中，如图1所示，低通滤波模块包括第二电感和第二电容；第二电容的一端与第二电感的一端相连，且另一端与双向ac/dc模块的负输入端相连；第二电感的另一端与双向ac/dc模块的正输入端相连。
71.在本实施例中，如图1所示，双向ac/dc模块包括第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管；低通滤波模块的正输出端同时与第三开关管的源极和第四开关管的漏极相连，第三开关管的漏极同时与第五开关管的漏极、母线电容的一端、第一开关管的漏极和双向dc/dc模块的正输入端相连；低通滤波模块的负输出端同时与第五开关管的源极和第六开关管的漏极相连，第六开关管的源极同时与第四开关管的源极、母线电容的另一端、第二开关管的源极、第一电容的一端和双向dc/dc模块的负输入端相连。
72.在本实施例中，如图1所示，双向dc/dc模块包括第七开关管、第八开关管和第三电感；第七开关管漏极同时与双向ac/dc模块的正输出端、母线电容的一端和第一开关管的漏极相连；第七开关管的源极同时与第八开关管的漏极和第三电感的一端相连；第八开关管的源极同时与双向ac/dc模块的负输出端、母线电容的另一端、第二开关管的源极和第一电容的一端相连；第三电感的另一端和第八开关管的源极用于连接储能电池。
73.请参照图1至图7，本发明的实施例二为：
74.一种双向有源滤波器的使用方法，应用于实施例一的一种双向有源滤波器，包括步骤：
75.s1、若工作模式为整流模式，则在低通滤波模块上接入电网电源，依靠电网电源给储能电池供电；
76.若工作模式为逆变模式，则在低通滤波模块上接入电网负载，依靠储能电池给电网负载供电；
77.s2、通过控制第一电容的电容电压和母线电容的电容电压在最大值和最小值之间变化，以抑制直流侧二次脉动。
78.在本实施例中，步骤s2具体为：
79.在输入瞬时功率高于输出瞬时功率时，控制第一电容的电容电压和母线电容的电容电压从最小值变为最大值，以吸收输入瞬时功率与输出瞬时功率之差；
80.在输入瞬时功率低于输出瞬时功率时，控制第一电容的电容电压和母线电容的电容电压从最大值变为最小值，以补偿输入瞬时功率与输出瞬时功率之差。
81.在本实施例中，如图1和图2所示，当工作于整流模式时，电网电源侧输入瞬时功率包括直流分量和交流分量；但储能电池侧输出瞬时功率只含有直流分量，v
ac
、i
ac
、p
in
、po、v
bus
、v
dc
、v、i
l1
、t分别表示电网电源侧电压、电网电源侧输入电流、电网电源侧输入瞬时功率、储能电池侧输出瞬时功率、储能电池侧电压、母线电压、第一电容电压、第一电感l1电流、工频周期；当t/t处于[1/8，3/8]阶段时，输入瞬时功率高于输出瞬时功率，多余的那部分功率对第一电容和母线电容充电，第一电容电压和母线电容电压均从最小值上升至最大值，第一电容和母线电容均储存能量；当t/t处于[3/8，5/8]阶段时，输入瞬时功率低于输出瞬时功率，少出的那部分功率由第一电容和母线电容放电补偿，第一电容电压和母线电容电压均从最大值下降至最小值，第一电容和母线电容均释放能量；第一电容电压最大值与最小值之间波动过程就是处理二次脉动功率过程，也是实现有源滤波与母线电压低纹波的
过程。
[0082]
如图3和图4所示，当工作于逆变模式时，储能电池侧输入瞬时功率只含有直流分量；但电网负载侧输出瞬时功率包括直流分量和交流分量，v
bus
、v
dc
、v、i
l1
、p
in
、p
out
、v
ef
、v
ac
、i
ac
、t分别表示母线电压、电池负载侧电压、第一电容电压、第一电感l1电流、储能电池侧输入瞬时功率、电网负载侧输出瞬时功率、逆变器输出电压、电网负载侧电压、电网负载侧输出电流、工频周期；当t/t处于[1/8，3/8]阶段时，输入瞬时功率低于输出瞬时功率，少出的那部分功率由第一电容和母线电容放电补偿，第一电容电压和母线电容电压均从最大值下降至最小值，第一电容和母线电容均释放能量；当t/t处于[3/8，5/8]阶段时，输入瞬时功率高于输出瞬时功率，多余的那部分功率对第一电容和母线电容充电，第一电容电压和母线电容电压均从最小值上升至最大值，第一电容和母线电容均储存能量；电容电压最大值与最小值之间波动过程就是处理二次脉动功率过程，也是实现有源滤波与母线电压低纹波的过程。第一电容电压最大值与最小值之间波动过程就是处理二次脉动功率过程。
[0083]
在本实施例中，结合图6和图7所示，控制第一电容的电容电压和母线电容的电容电压在最大值和最小值之间变化具体为：
[0084]
通过改变第一开关管和第二开关管的开关状态，使得第一电感的电感电流变化；
[0085]
其中，改变第一开关管和第二开关管的开关状态包括：
[0086]
如图7和图6(a)所示，在第一预设时间段t1-t2内，控制第一开关管导通，第二开关管截止，使得第一电感的电感电压等于母线电容的母线电压减去第一电容的电容电压的差值，第一电感吸收能量，第一电感的电感电流大于零且线性增加；
[0087]
如图7和图6(b)所示，在第二预设时间段t2-t3内，控制第一开关管截止，第二开关管导通，使得第一电感的电感电压的大小等于负的第一电容的电容电压的大小，第一电感释放能量，第一电感的电感电流大于零且线性减小；
[0088]
如图7和图6(c)所示，在第三预设时间段内t4-t5，控制第一开关管截止，第二开关管导通，使得第一电感的电感电压的大小等于负的第一电容的电容电压的大小，第一电感吸收能量，第一电感的电感电流小于零且线性增加；
[0089]
如图7和图6(d)所示，在第四预设时间段t5-t6内，控制第一开关管导通，第二开关管截止，使得第一电感的电感电压等于母线电容的母线电压减去第一电容的电容电压的差值，第一电感释放能量，第一电感的电感电流小于零且线性减少。
[0090]
在本实施例中，按照图7所示的开关控制周期来控制第一开关管和第二开关管，对应得到第一电感的电感电压的变化波形，结合到图2或图4之中，从而控制第一电容的电容电压和母线电容的电容电压在最大值和最小值之间变化，以抑制直流侧二次脉动。
[0091]
综上所述，本发明提供的一种双向有源滤波器及其使用方法，由低通滤波模块、双向ac/dc模块、母线电容、有源滤波模块和双向dc/dc模块组成，具有整流和逆变两种工作模式，无论出于何种模式，都能够通过第一电容和母线电压的充放电使用减小所需的第一电容值和母线电容值，以便实现寿命更长、性能更稳定的薄膜电容来代替电解电容，实现无电解电容，具有双向使用的同时提升有源滤波器的稳定性与寿命，降低设备成本。
[0092]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。