專利名稱：包括解耦濾波器和固態(tài)功率控制器的發(fā)電和配電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
這里所公開的主題總體上涉及發(fā)電和配電系統(tǒng)的領域。
背景技術：
混合動力車輛可以包括與配電系統(tǒng)集成在一起的發(fā)電系統(tǒng)(EPGS)。所述配電單元可以包括一個或更多固態(tài)電力控制器(SSPC)。固態(tài)電力控制器(SSPC)被用在例如軍事或航空航天應用的配電系統(tǒng)中，以作為針對傳統(tǒng)的電機械斷路器的替換方案。SSPC可以向各種電負載配電并且對其進行保護。與電機械裝置相比，SSPC提供相對較快的響應時間，并且可以消除關斷瞬間的電弧放電和接通瞬間的反跳。與電機械裝置相比，SSPC在反復的故障隔離期間也不會受到嚴重損壞。SSPC的重量和尺寸可以相對較小。SSPC便于進行先進的保護和診斷，從而允許高效的配電體系結構和包裝技術。但是SSPC內的開關裝置在把電流限制到由于其內部電阻而升高的電流水平期間可能會產(chǎn)生過多熱量，因此可能需要相對復雜的熱管理技術，這可能會增加配電系統(tǒng)的復雜度、成本和重量。2010年3月10日提交的并且受讓給Hamilton Sundstrand Corp.的美國專利申請12/720703，其被全文合并在此以作參考，討論了利用SSPC輸出與DC負載之間的饋電線的電感，通過SSPC的固態(tài)開關的脈沖寬度調制(PWM)而執(zhí)行的電流限制。在某些應用中(比如飛機應用)，DC總線電壓可以相對較低(大約270Vdc)，并且所述饋電線可能由于其相對較長的長度而具有相當大的電感。但是在其他應用中(比如軍用陸上車輛)，DC總線電壓可能相對較高(超過600Vdc )，并且所述饋電線可能相對較短并且具有相對較低的電感。這樣的高電壓和低饋電線電感狀況可能會妨礙利用SSPC開關的PWM進行電流限制，即使在非常高的開關頻率下也是如此。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種發(fā)電系統(tǒng)(EPGS)包括被配置成經(jīng)由配電模塊為直流 (DC)負載供電的發(fā)電機，所述配電模塊包括固態(tài)電力轉換器(SSPC)；連接在所述發(fā)電機與所述配電模塊之間的解耦濾波器，所述解耦濾波器包括與電阻器和固態(tài)開關并聯(lián)連接的電感器，所述電阻器與固態(tài)開關串聯(lián)連接；其中，在SSPC中的電流限制狀況期間，所述解耦濾波器的固態(tài)開關被配置成打開，并且在SSPC中不存在電流限制狀況期間，所述解耦濾波器的固態(tài)開關被配置成閉合。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于操作發(fā)電系統(tǒng)(EPGS)的解耦濾波器的方法，所述EPGS包括配電模塊，所述配電模塊包括固態(tài)電力轉換器(SSPC)，所述方法包括由發(fā)電機經(jīng)由所述配電模塊的SSPC為直流(DC)負載供電，其中所述解耦濾波器連接在所述發(fā)電機與所述配電模塊之間，并且其中所述解耦濾波器包括與電阻器和固態(tài)開關并聯(lián)連接的電感器，所述電阻器與固態(tài)開關串聯(lián)連接；在SSPC中的電流限制狀況期間，打開所述解耦濾波器的固態(tài)開關；以及在SSPC中不存在電流限制狀況期間，閉合所述解耦濾波器的固態(tài)開關。
通過在下面結合附圖所做的描述，本發(fā)明的其他方面、特征和技術將變得更加明顯o


下面將參照附圖，其中相同的元件在幾幅圖中被賦予相同的附圖標記 圖1示出了包括永磁體發(fā)電機的發(fā)電和配電系統(tǒng)的實施例。圖2示出了包括感應式發(fā)電機的發(fā)電和配電系統(tǒng)的實施例。圖3示出了包括繞線磁極式同步發(fā)電機的發(fā)電和配電系統(tǒng)的實施例。圖4示出了解耦濾波器的實施例。圖5示出了 SSPC的實施例。
具體實施例方式提供了用于包括SSPC的發(fā)電和配電系統(tǒng)的解耦濾波器以及用于操作包括SSPC的發(fā)電和配電系統(tǒng)的解耦濾波器的方法的實施例，在下面詳細討論了其示例性實施例。使用所述解耦濾波器允許在可能具有相對較低的饋電線電感的高電壓DC發(fā)電和配電系統(tǒng)中將 SSPC技術應用于DC負載的分配和保護，所述DC負載包括恒定電力負載，比如DC-DC轉換器、出口逆變器以及電機驅動器。在增加的DC總線電壓水平下的電流限制能力可以得到改進，并且電容性負載的軟啟動期間的浪涌電流可以受到控制。還可以減少在任一條負載通道中的過載狀況期間各負載通道之間的相互作用。還可以改進在一條或更多條負載通道處的電流限制狀況期間調節(jié)點(POR)處的電壓調節(jié)和系統(tǒng)總線上的電力質量。還可以降低各個負載的前端處的濾波要求，并且可以去除各個負載處的預充電功能，導致減小的總體系統(tǒng)重量、尺寸和成本。最后，通過把高電壓、高電流DC電力包含在電力轉換單元(PCU)內可以提高系統(tǒng)安全性。圖1示出了包括永磁體(PM)發(fā)電機102的發(fā)電和配電系統(tǒng)100，所述發(fā)電機從原動機101的運動發(fā)電。連接到PM發(fā)電機102的P⑶103控制并轉換來自發(fā)電機102的電力，以便為DC負載109A-C供電。P⑶103包括有源整流器104、解耦濾波器106以及配電模塊107。配電模塊107包括多個SSPC 108A-C。配電模塊107的SSPC 108A-C每個均連接到對應的DC負載109A-C。每一個SSPC 108A-C為對應的DC負載109A-C提供負載保護功能，包括短路負載期間的電流限制和電容性負載預充電期間的浪涌電流控制。SSPC 108A-C 和DC負載109A-C僅僅是出于說明性目的而示出的；配電模塊107可以包括每個均連接到對應負載的任意適當數(shù)目的SSPC。有源整流器104響應于接收自PM發(fā)電機102的可變電壓和可變負載狀況將系統(tǒng)總線電壓控制在調節(jié)點(POR) 105處。解耦濾波器106在SSPC 108A-C中任一個處的過載狀況期間最小化POR 105處的電壓失真。解耦濾波器106包括固態(tài)開關，其基于電力轉換單元103中的操作狀況來控制解耦濾波器106兩端的阻尼電阻和電感，下面將關于圖4對其進行更加詳細的討論。SSPC 108A-C每個也可以包括可選的固態(tài)開關，其基于所述SSPC中的操作狀況來控制該SSPC兩端的阻尼電阻和電感，下面將關于圖 5對其進行更加詳細的討論。圖2示出了包括電感式發(fā)電機(PM)202的發(fā)電和配電系統(tǒng)200，所述發(fā)電機從原動機201的運動發(fā)電。連接到IM發(fā)電機202的P⑶203包括轉換器204、解耦濾波器206以
5及配電模塊207，所述配電模塊包括多個SSPC 208A-C。配電模塊207的SSPC 208A-C每個均連接到對應的DC負載209A-C。每一個SSPC 208A-C為對應的DC負載209A-C提供負載保護功能，包括短路負載期間的電流限制和電容性負載預充電期間的浪涌電流控制。SSPC 208A-C和負載209A-C僅僅是出于說明性目的而示出的；配電模塊207可以包括每個均連接到對應負載的任意適當數(shù)目的SSPC。解耦濾波器206在一個或更多SSPC 208A-C處的過載狀況期間最小化POR 205處的電壓失真。解耦濾波器206包括固態(tài)開關，其基于電力轉換單元203中的操作狀況來控制解耦濾波器206的阻尼電阻，下面將關于圖4對其進行更加詳細的討論。SSPC 208A-C每個也可以包括可選的固態(tài)開關，其基于所述SSPC中的操作狀況來控制該SSPC兩端的阻尼電阻和電感，下面將關于圖5對其進行更加詳細的討論。圖3示出了包括繞線磁極式同步發(fā)電機(WFSG)發(fā)電機302的發(fā)電和配電系統(tǒng) 300，所述發(fā)電機從原動機301的運動發(fā)電。連接到WFSG 302的POT 303包括無源整流器 304、發(fā)電機控制單元(GCU) 305、解耦濾波器306以及配電模塊307。發(fā)電機控制單元305 基于處在無源整流器304與解耦濾波器306之間的調節(jié)點處的狀況來控制WFSG 302。配電模塊307包括每個均連接到對應的DC負載309A-C的多個SSPC 308A-C。每一個SSPC 308A-C為對應的DC負載309A-C提供負載保護功能，包括短路負載期間的電流限制和電容性負載預充電期間的浪涌電流控制。SSPC 308A-C和負載309A-C僅僅是出于說明性目的而示出的；配電模塊307可以包括每個均連接到對應負載的任意適當數(shù)目的SSPC。解耦濾波器306在一個或更多SSPC 308A-C處的過載狀況期間最小化系統(tǒng)300中的電壓失真。解耦濾波器306包括固態(tài)開關，其基于電力轉換單元303中的操作狀況來控制解耦濾波器306 的阻尼電阻，下面將關于圖4對其進行更加詳細的討論。SSPC 308A-C每個也可以包括可選的固態(tài)開關，其基于所述SSPC中的操作狀況來控制該SSPC兩端的阻尼電阻和電感，下面將關于圖5對其進行更加詳細的討論。圖4示出了解耦濾波器400的實施例，其可以包括解耦濾波器106、206、或306當中的任一個。解耦濾波器400包括與串聯(lián)連接的阻尼電阻器403和固態(tài)開關404并聯(lián)連接的電感器402。輸入401在如圖1和2所示的實施例中可以連接到POR (105，205)，并且在如圖3所示的實施例中連接到無源整流器304的輸出。輸出405連接到配電模塊(107，207， 307)。在正常操作期間，固態(tài)開關404被閉合，以便從阻尼電阻器403提供解耦濾波器400 兩端的系統(tǒng)阻尼。當在位于連接到解耦濾波器400的配電模塊(107，207，307)內的SSPC (SSPC 108A-C、208A-C、308A-C當中的任一個)中存在電流限制狀況時，固態(tài)開關404被打開，以便從電感器402在解耦濾波器400兩端提供附加的輸出阻抗。通過打開固態(tài)開關404 而在過載狀況期間提供附加輸出阻抗可以在電流限制期間最小化EPGS (100,200,300)中的電壓失真并且改進其中的電力質量。圖5示出了 SSPC 500的實施例，其可以包括配電模塊(107，207，307)內的SSPC 108A-C、208A-C、或308A-C當中的任一個。輸入501連接到解耦濾波器(106，206，306)的輸出405。在正常操作期間，電力流過SSPC 500，從輸入501經(jīng)過主固態(tài)開關503到達輸出 513，輸出513連接到DC負載(109A-C, 209A-C, 309A-C)。主固態(tài)開關503連接在二極管504 兩端。主固態(tài)開關503通過斷開連接到SSPC 500的故障負載，通過脈沖寬度調制來限制電容性負載的預充電期間的浪涌電流，并且響應于接收自輸出電流傳感器512的電流數(shù)據(jù)通過脈沖寬度調制來提供過載狀況期間的電流限制來保護其相關聯(lián)的EPGS。過電壓保護二極管505和511分別在開關503和濾波器電感器508的輸出上連接到接收自輸入502的共同電壓。SSPC 500還包括輸出濾波器，所述輸出濾波器包括電感器506、電容器507和電感器 508，電感器508與串聯(lián)連接的阻尼電阻器509和第二固態(tài)開關510并聯(lián)連接。第二固態(tài)開關510在SSPC 500的電流限制模式期間被閉合以便從電阻器509在所述輸出濾波器兩端提供附加的系統(tǒng)阻尼，并且在SSPC 500的正常操作期間被打開以便改進濾波。示例性實施例的技術效果和益處包括在短路狀況期間改進EPGS中的電力質量以及最小化其中的電壓失真。這里所使用的術語僅僅是用于描述特定實施例，而不意圖限制本發(fā)明。本發(fā)明的描述是為了進行說明和描述而給出的，而不意圖進行窮舉或者被限制到所公開的形式的本發(fā)明。在不背離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領域普通技術人員可以設想到未在這里進行描述的許多修改、變型、更改、替換或等效設置。此外，雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施例，但是應當理解的是，本發(fā)明的某些方面可以只包括其中一些所描述的實施例。因此， 本發(fā)明不應被視為受到前面描述的限制，而是僅受到所附權利要求書的范圍的限制。
權利要求
1.一種發(fā)電系統(tǒng)(EPGS)，包括被配置成經(jīng)由配電模塊為直流(DC)負載供電的發(fā)電機，所述配電模塊包括固態(tài)電力轉換器(SSPC)；以及連接在所述發(fā)電機與所述配電模塊之間的解耦濾波器，所述解耦濾波器包括與電阻器和固態(tài)開關并聯(lián)連接的電感器，所述電阻器與固態(tài)開關串聯(lián)連接；其中，在SSPC中的電流限制狀況期間，所述解耦濾波器的固態(tài)開關被配置成打開，并且在SSPC中不存在電流限制狀況期間，所述解耦濾波器的固態(tài)開關被配置成閉合。
2.權利要求1的EPGS，其中所述發(fā)電機包括永磁體發(fā)電機，并且其中所述EPGS還包括處在所述發(fā)電機與所述解耦濾波器之間的有源整流器。
3.權利要求1的EPGS，其中所述發(fā)電機包括感應式發(fā)電機，并且其中所述EPGS還包括處在所述發(fā)電機與所述解耦濾波器之間的轉換器。
4.權利要求1的EPGS，其中所述發(fā)電機包括繞線磁極式同步發(fā)電機，并且其中所述 EPGS還包括處在所述發(fā)電機與所述解耦濾波器之間的無源整流器。
5.權利要求4的EPGS，其還包括連接在所述發(fā)電機與一點之間的發(fā)電機控制單元，該點處在所述無源整流器與所述解耦濾波器之間。
6.權利要求1的EPGS，其中所述配電模塊包括每個均連接到對應的DC負載的多個 SSPC。
7.權利要求1的EPGS，其中所述SSPC包括與輸出濾波器串聯(lián)的主固態(tài)開關，所述輸出濾波器包括第一電感器、電容器以及與電阻器和第二固態(tài)開關并聯(lián)連接的第二電感器，所述電阻器和第二固態(tài)開關串聯(lián)連接。
8.權利要求7的EPGS，其中，在SSPC中的電流限制狀況期間，第二固態(tài)開關被配置成閉合，并且在SSPC中不存在電流限制狀況期間，第二固態(tài)開關被配置成打開。
9.權利要求7的EPGS，其中，在SSPC中的電流限制狀況期間，所述主固態(tài)開關被配置成受到脈沖寬度調制，以便限制所述SSPC上的負載電流。
10.一種用于操作發(fā)電系統(tǒng)(EPGS)的解稱濾波器的方法，所述EPGS包括配電模塊，所述配電模塊包括固態(tài)電力轉換器(SSPC)，所述方法包括由發(fā)電機經(jīng)由所述配電模塊的SSPC為直流(DC)負載供電，其中所述解耦濾波器連接在所述發(fā)電機與所述配電模塊之間，并且其中所述解耦濾波器包括與電阻器和固態(tài)開關并聯(lián)連接的電感器，所述電阻器與固態(tài)開關串聯(lián)連接；在SSPC中的電流限制狀況期間，打開所述解耦濾波器的固態(tài)開關；以及在SSPC中不存在電流限制狀況期間，閉合所述解耦濾波器的固態(tài)開關。
11.權利要求10的方法，其中所述發(fā)電機包括永磁體發(fā)電機，并且其中所述EPGS還包括處在所述發(fā)電機與所述解耦濾波器之間的有源整流器。
12.權利要求10的方法，其中所述發(fā)電機包括感應式發(fā)電機，并且其中所述EPGS還包括處在所述發(fā)電機與所述解耦濾波器之間的轉換器。
13.權利要求10的方法，其中所述發(fā)電機包括繞線磁極式同步發(fā)電機，并且其中所述 EPGS還包括處在所述發(fā)電機與所述解耦濾波器之間的無源整流器。
14.權利要求13的方法，其還包括連接在所述發(fā)電機與一點之間的發(fā)電機控制單元， 該點處在所述無源整流器與所述解耦濾波器之間。
15.權利要求10的方法，其中所述配電模塊包括每個均連接到對應的DC負載的多個 SSPC。
16.權利要求10的方法，其中所述SSPC包括與輸出濾波器串聯(lián)的主固態(tài)開關，所述輸出濾波器包括第一電感器、電容器以及與電阻器和第二固態(tài)開關并聯(lián)連接的第二電感器， 所述電阻器和第二固態(tài)開關串聯(lián)連接。
17.權利要求16的方法，其還包括在SSPC中的電流限制狀況期間，閉合第二固態(tài)開關；以及在SSPC中不存在電流限制狀況期間，打開第二固態(tài)開關。
18.權利要求16的方法，其還包括在SSPC中的電流限制狀況期間，對所述主固態(tài)開關進行脈沖寬度調制，以便限制所述SSPC上的負載電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括解耦濾波器和固態(tài)功率控制器的發(fā)電和配電系統(tǒng)。一種發(fā)電系統(tǒng)(EPGS)包括被配置成經(jīng)由配電模塊為直流(DC)負載供電的發(fā)電機。所述配電模塊包括固態(tài)電力轉換器(SSPC)。解耦濾波器被連接在所述發(fā)電機與所述配電模塊之間。所述解耦濾波器包括與電阻器和固態(tài)開關并聯(lián)連接的電感器，所述電阻器與固態(tài)開關串聯(lián)連接。在SSPC中的電流限制狀況期間，所述解耦濾波器的固態(tài)開關被配置成打開，并且在SSPC中不存在電流限制狀況期間，所述解耦濾波器的固態(tài)開關被配置成閉合。
文檔編號H02M1/14GK102332811SQ20111019243
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權日2010年7月12日
發(fā)明者G.I.羅斯曼, S.J.莫斯 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司