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专利名称：一种直流分量检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及逆变器领域，具体涉及一种直流分量检测装置。
背景技术：
随着人们生活水平的提高和社会的技术进步，电能成为人们日常生活中必须依赖的能源。然而煤、石油等一次能源日渐减少，而且人们在应用他们的同时，也对环境造成巨大的污染。解决能源问题的根本办法是开发环保型的可再生能源，其中太阳能发电就是其中重要的发展方向。随着光伏并网发电的规模和容量不断加大，其对电网的电能质量及稳定运行的影响日益明显，为此世界各国对光伏发电接入电网的条件诸如注入谐波、直流分量、电压波动和闪变等方面都制定了严格的标准，这也对光伏并网逆变器的设计及控制提出了更高的要求。逆变器就一种将直流电转变为交流电的电子设备，理想情况下逆变器只向电网中输入交流电，但实际使用时，由于并网逆变器主回路电力电子器件及驱动电路参数不一致性，导致逆变器输出电压含有直流分量。必须对该直流分量进行检测并抑制，否则其注入电网会造成变电所变压器的工作点偏移，导致变压器饱和；增加电网电缆的腐蚀；导致高的初级电流峰值，可能烧毁输入保险，引起断电；甚至可以增加谐波分量。如果使用非隔离并网逆变器，则会使产生的直流分量流入电网，这会导致诸如变压器或互感器饱和等不良影响。故当逆变器产生直流分量到达某一要求值后，必须在规定时间内断掉逆变器与电网的连接保护电网设备。故对逆变器产生的交流电中的直流分量的检测显得尤为重要。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，从而提供了一种直流分
量检测装置。为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案:一种直流分量检测装置，包括:滤除共模干扰信号的差分滤波模块；对差分滤波模块输出的信号进行滤除交流波并输出直流分量的N阶低通滤波模块；对所述直流分量进行隔离的隔离运放模块。进一步地，所述N为大于等于5的自然数。进一步地，所述N阶低通滤波模块为六阶低通滤波模块，所述六阶低通滤波模块包括六个有源低通滤波单元，所述六个有源低通滤波单元依次串联。进一步地，所述N阶低通滤波模块为六阶低通滤波模块，所述六阶低通滤波模块包括四个有源低通滤波单元和两个无源低通滤波单元，所述四个有源低通滤波单元依次串联后与两无源低通滤波单元依次串联。进一步地，所述有源低通滤波单元包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容；所述第二电阻的一端连接第一运算放大器的正端，第二电阻的另一端连接第一地信号；第一电容和第三电阻并联，第一电容的一端连接至运算放大器的负端，第一电容的另一端连接第一运算放大器的输出端，第一电阻的一端连接第一运算放大器的负输入端；所述第一电阻的另一端为有源低通滤波单元的输入端，第一运算放大器的输出端为有源低通滤波单元的输出端。进一步地，所述无源低通滤波单元包括第四电阻和第二电容；所述第四电阻和第二电容串联，第二电容的开放端连接至第一地信号，第四电阻的开放端为无源低通滤波单元的输入端，第四电阻与第二电容的连接点为无源低通滤波单元的输出端。进一步地，所述直流分量检测装置还包括第一箝位模块，所述第一箝位模块连接在N阶低通滤波模块和隔离运放模块之间；所述第一箝位模块包括第一箝位二极管和第二箝位二极管；所述第一箝位二极管的负极连接第一电源正极，第一箝位二极管的正极连接第二箝位二极管的负极，第二箝位二极管的正极连接第一电源负极，所述第一箝位二极管的正极连接在N阶低通滤波模块和隔离运放模块之间。进一步地，所述直流分量检测装置还包括将隔离运放输出的电压进行抬升的求和模块；所述求和模块连接在隔离运放的输出端。进一步地，所述直流分量检测装置还包括对求和模块输出的电压进行分压的分压模块，所述分压模块连接在求和模块的输出端。进一步地，所述直流分量检测装置还包括对分压模块输出的电压进行电压跟随的电压跟随器，所述电压跟随器连接在分压模块的输出端。与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果:本实用新型公开的直流分量检测装置，通过N阶低通滤波模块将输入信号的交流波滤除，该N阶低通滤波模块可以有效的滤除交流波，得到直流分量。

图1是本实用新型实施例直流分量检测装置的原理框图。图2是本实用新型实施例差分滤波模块的电路原理图。图3是本实用新型实施例六阶低通滤波模块的电路原理图。图4是本实用新型实施例直流分量检测装置的电路原理图。图5是本实用新型实施例直流分量检测装置输入输出第一波形图。图6是本实用新型实施例直流分量检测装置输入输出第二波形图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。图1是本实用新型实施例直流分量检测装置的原理框图；一种直流分量检测装置，包括:滤除共模干扰信号的差分滤波模块I ;对差分滤波模块I输出的信号进行滤除交流波并输出直流分量的N阶低通滤波模块2 ;对所述直流分量进行隔离的隔离运放模块3。通过N阶低通滤波模块将输入信号的交流波滤除，该N阶低通滤波模块可以有效的滤除交流波，得到直流分量。图2是本实用新型实施例差分滤波模块的电路原理图；差分滤波模块包括电感FB2 j、电容C5 j、电阻R2 j、电容C7 j、电阻R3 j、电阻R5 j、电容C4 j、运算放大器Ul、电感FB3 j、电容Cl Ij、电阻R7j、电容ClOj、电阻R8j、电阻Rl Ij、电容C12j。电感FB2j、电阻R2j和电阻R3j依次串联后，电阻R3j的开放端连接运算放大器Ul的正输入端，电感FB2j的开放端连接输入信号的正端VDW_U+。电容C5j的一端连接电感FB2j和电阻R2j的节点，另一端连接第一地信号GND。电阻R5j的一端连接电阻R2j和电阻R3j的节点，另一端连接第一地信号GND。电容C4j的一端连接运算放大器Ul的正输入端，另一端连接第一地信号GND。电感FB3j、电阻R7j、和电阻R8j依次串联后，电阻R8j的开放端连接运算放大器Ul的负输入端，电感FB3j的开放端连接输入信号的负端VDW_U-。电容Cllj的一端连接电感FB3j和电阻R7j的节点，另一端连接第一地信号GND。电容ClOj的一端连接电阻R7j和电阻R8j的节点，另一端连接第一地信号GND。电容C7j的一端连接电感FB2j和电阻R2j的节点，另一端连接电感FB3j和电阻R7j的节点。电容C12j的一端连接运算放大器Ul的负输入端，另一端连接运算放大器Ul的输出端。电阻Rllj —端连接电阻R7j和电阻R8j的节点，另一端连接运算放大器Ul的输出端；该运算放大器Ul的输出端为差分滤波模块的输出端。本实施例中，N为大于等于5的自然数，即N阶低通滤波模块为最少五阶低通滤波模块。优选地，N阶低通滤波模块为六阶低通滤波模块，所述六阶低通滤波模块包括六个有源低通滤波单元，所述六个有源低通滤波单元依次串联。当然，N阶低通滤波模块也可以是五阶，该五阶可以是五个有源低通滤波单元依次串联。在其他实施例中，所述六阶低通滤波模块包括四个有源低通滤波单元和两个无源低通滤波单元，所述四个有源低通滤波单元依次串联后与两无源低通滤波单元依次串联。，如图3所示，图3是本实用新型实施例六阶低通滤波模块的电路原理图。有源低通滤波单元的滤波效果比无源低通滤波单元的滤波效果要好很多，这里用了四个有源低通滤波单元依次串联后与两无源低通滤波单元依次串联，是因为无源低通滤波单元的成本比有源低通滤波单元的饿成本低，并且该六阶低通滤波模块滤波效果也是非常好的。本实施例中，有源低通滤波单元包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容；所述第二电阻的一端连接第一运算放大器的正端，第二电阻的另一端连接第一地信号；第一电容和第三电阻并联，第一电容的一端连接至运算放大器的负端，第一电容的另一端连接第一运算放大器的输出端，第一电阻的一端连接第一运算放大器的负输入端；所述第一电阻的另一端为有源低通滤波单元的输入端，第一运算放大器的输出端为有源低通滤波单元的输出端。具体地，四个有源低通滤波单元分别为第一有源低通滤波单元21、第二有源低通滤波单元22、第三有源低通滤波单元23、第四有源低通滤波单元24。第一有源低通滤波单元21包括运算放大器U3、电阻Rla、电阻R2a、电阻R3a、电容Cla ;所述电阻R2a的一端连接运算放大器U3的正端，电阻R2a的另一端连接第一地信号GND ;电容Cla和电阻R3a并联，电容Cla的一端连接至运算放大器的负端，电容Cla的另一端连接运算放大器U3的输出端，电阻Rla的一端连接运算放大器U3的负输入端；所述电阻Rla的另一端为第一有源低通滤波单元21的输入端，运算放大器U3的输出端为第一有源低通滤波单元21的输出端。[0033]第二有源低通滤波单元22包括运算放大器U4、电阻R4a、电阻R5a、电阻R6a、电容C2a ;所述电阻R5a的一端连接运算放大器U4的正端，电阻R5a的另一端连接第一地信号GND ;电容C2a和电阻R6a并联，电容C2a的一端连接至运算放大器的负端，电容C2a的另一端连接运算放大器U4的输出端，电阻R4a的一端连接运算放大器U4的负输入端；所述电阻R4a的另一端为第二有源低通滤波单元22的输入端，运算放大器U4的输出端为第二有源低通滤波单元22的输出端。第三有源低通滤波单元23包括运算放大器U5、电阻R7a、电阻R8a、电阻R9a、电容C3a ;所述电阻R8a的一端连接运算放大器U5的正端，电阻RSa的另一端连接第一地信号GND ;电容C3a和电阻R9a并联，电容C3a的一端连接至运算放大器的负端，电容C3a的另一端连接运算放大器U5的输出端，电阻R7a的一端连接运算放大器U5的负输入端；所述电阻R7a的另一端为第三有源低通滤波单元23的输入端，运算放大器U5的输出端为第三有源低通滤波单元23的输出端。第四有源低通滤波单元24包括运算放大器U6、电阻RlOa、电阻Rlla、电阻R12a、电容C4a ;所述电阻Rlla的一端连接运算放大器U3的正端，电阻Rlla的另一端连接第一地信号GND ；电容C4a和电阻R12a并联，电容C4a的一端连接至运算放大器U6的负端，电容C4a的另一端连接运算放大器U6的输出端，电阻RlOa的一端连接运算放大器U6的负输入端；所述电阻RlOa的另一端为第四有源低通滤波单元24的输入端，运算放大器U4的输出端为第四有源低通滤波单元24的输出端。所述无源低通滤波单元包括第四电阻和第二电容；所述第四电阻和第二电容串联，第二电容的开放端连接至第一地信号，第四电阻的开放端为无源低通滤波单元的输入端，第四电阻与第二电容的连接点为无源低通滤波单元的输出端。具体地，两个无源低通滤波单元分别为第一无源低通滤波单元25、第二无源低通滤波单元26 ;第一无源低通滤波单元25包括电阻Rl3a和电容C5a ;所述电阻Rl3a和电容C5a,电容C5a的开放端连接至第一地信号GND,电阻R13a的开放端为第一无源低通滤波单元25的输入端，电阻R13a与电容C5a的连接点为第一无源低通滤波单元25的输出端。第二无源低通滤波单元26包括电阻R14a和电容C6a ;所述电阻R14a和电容C6a，电容C6a的开放端连接至第一地信号GND，电阻R14a的开放端为第二无源低通滤波单元26的输入端，电阻R14a与电容C6a的连接点为第二无源低通滤波单元26的输出端。图4是本实用新型实施例直流分量检测装置的电路原理图；本实施中，所述直流分量检测装置还包括第一箝位模块4，所述第一箝位模块4连接在N阶低通滤波模块2和隔离运放模块3之间；所述第一箝位模块4包括第一箝位二极管Dl和第二箝位二极管D2 ;所述第一箝位二极管Dl的负极连接第一电源正极+15V，第一箝位二极管Dl的正极连接第二箝位二极管D2的负极，第二箝位二极管D2的正极连接第一电源负极-15V，所述第一箝位二极管Dl的正极连接在N阶低通滤波模块2和隔离运放模块3之间。第一箝位模块4可以对N阶低通滤波模块2输出的直流信号进行箝位，以防电压过大或者过小损坏器件。所述直流分量检测装置还包括将隔离运放3输出的电压进行抬升的求和模块5 ；所述求和模块5连接在隔离运放3的输出端。所述求和模块5包括运算放大器U7、电阻R303、电阻R307、电阻R298、电阻R299 ;所述运算放大器U7的负输入端经过电阻R298连接至第二地信号VSSA，运算放大器U7的负输入端经过电阻R299连接至运算放大器U7的输出端；电阻R303 —端连接至运算放大器U7的正输入端，电阻R303的另一端连接至隔离运放3的输出端；电阻R307的一端连接至运算放大器U7的正输入端，电阻R307的另一端连接至参考电压Vref ;运算放大器U7的输出端为求和模块5的输出端。参考电压Vref—般为5V，求和模块5相当于把隔离运放3输出的信号进行抬升一定的电压，主要是防止隔离运放3输出的信号较小，输出到后面不好处理，这里把输出的信号抬升。直流分量检测装置还包括对求和模块5输出的电压进行分压的分压模块6，所述分压模块6连接在求和模块5的输出端；分压模块6包括电阻R300和电阻R306，电阻R300和电阻R306串联后，电阻R306的开放端连接至第二地信号VSSA，电阻R300的开放端为分压模块6的输入端并连接至求和模块5的输出端；电阻R300和电阻R306串联后的节点为分压模块6的输出端。分压模块6根据实际应用需要进行设置，可对求和模块5输出的信号进行分压处理。所述直流分量检测装置还包括对分压模块6输出的电压进行电压跟随的电压跟随器7，所述电压跟随器7连接在分压模块6的输出端；所述电压跟随器7包括运算放大器U8，运算放大器U8的负输入端连接运算放大器U8的输出端；运算放大器U8的正输入端连接电阻R300和电阻R306串联后的节点。电压跟随器7可以提高输入阻抗，并且减小输出阻抗。所述直流分量检测装置还包括对电压跟随器7输出的电压进行放大的放大模块8，所述放大模块8连接至电压跟随器7的输出端。放大模块8包括运算放大器U9、电阻R302、电阻R310、电阻R311 ;所述电阻R302 —端连接至运算放大器U9的正输入端，电阻R302另一端连接至电压跟随器7的输出端；运算放大器U9的负输入端经过电阻R311连接至第二地信号VSSA，运算放大器U9的负输入端经过电阻R310连接至运算放大器U9的输出端。所述直流分量检测装置还包括对放大模块输出电压进行箝位的第二箝位模块10，所述第二箝位模块10连接在放大模块8的输出端。所述第二箝位模块10包括箝位二极管D3和箝位二极管D4 ;所述箝位二极管D3的负极连接第二电源正极3.3V，箝位二极管D3的正极连接箝位二极管D4的负极，箝位二极管D4的正极连接第二地信号VSSA，所述箝位二极管D3的正极连接在放大模块8的输出端。该第二箝位模块10可以对放大模块8输出的信号进行箝位，放置电压过大烧坏芯片或者元器件。在其他实施例中，直流分量检测装置还包括低通滤波模块9，低通滤波模块9包括电阻R305和电容C292 ;电阻R305和电容C292串联，电容C292的开放端连接至第二地信号VSSA，电阻R305的开放端连接至放大模块8的输出端，电阻R305和电容C292串联的节点为本直流分量检测装置的输出端，电阻R305和电容C292串联的节点连接箝位二极管D3的正极。低通滤波模块9可以滤除高频谐波，只通过直流信号，并且滤除干扰信号。以下详述该实施例的工作原理:输入信号送到差分滤波模块I后要求输入输出幅值相等，由于所选滤波电容C4j和ClOj很小，其与相应低通滤波电阻R3j和R7j的乘积很小，故相移可以忽略，差分滤波模块I在滤除了共模信号干扰的同时保证了信号不失真。输入输出关系为:VIN=VDW_U+*(R5j*R7j+ R5j*Rllj)/[(R2j+R5j)*R7j]-VDW_U-*Rllj/R7j，由上式可知要想输入输出相等应取 R7j=Rllj 且 R5j=R2j。[0048]由图3可得六阶低通滤波模块的传递函数为:G(S)=U0UT(S)/UIN(S)=R3a*R6a*R9a*R12a/Rla*R4a*R7a*R10a*(l+S*R3a*Cla)*(l+S*R6a*C2a)*(1+S*R9a*C3a) (l+S*R12a*C4a) (l+S*R13a*C5a) (l+S*R14a*C6a);由传递函数可知当交流电中含有直流成分并通过差分滤波模块I后送入六阶低通滤波模块输入端，通过电阻Rla与电阻R3a，电阻R4a与电阻R6a，电阻R7a与电阻R9a，电阻RlOa与电阻R12a设置信号放大比例，本电路放大倍数为R3a*R6a*R9a*R12a/Rla*R4a*R7a*R10a ;本实施例设计为20倍放大，电容Cla、电阻R3a、电容C2a、电阻R6a、电容C3a、电阻R9a、电容C4a、电阻R12a、电阻R13a、电容C5a、电阻R14a、电容C6a ;组成六阶低通滤波电路，其衰减为_120dB/十倍频程，要实现衰减50HZ的信号截止频率应设置在5HZ左右，本实施例选取7.9HZ的截止频率实现对峰峰值6V，50HZ交流电的滤波使直流分量检测装置的输出端只含有直流分量并且响应时间满足要求。由图4可知直流分量输出到隔离运放模块3进行隔离，隔离后的信号可送到DSP处理模块进行处理，此处的DSP处理模块在隔离运放模块3之后，图中没有画出。隔离运放模块3输出后进入同相求和模块5，然后经过分压模块6连接到电压跟随器7，在电压跟随器7后经过放大模块8将信号放大，具体输入输出电压关系如下公式:V0UT_DSP= [ (5*R303/ (R303+R307)) + (V0UT*R307/ (R303+R307) ) ] * (1+R299/R298) * (R306/R306+R300)*(l+R310/R311)，V0UT_DSP为整个直流分量检测装置的输出，该输出V0UT_DSP最终传输到后续的DSP模块进行处理，DSP模块判断输入的直流分量是否超过预定值，如果超过则控制信号断开电路连接。本实用新型中，基于TUV认证要求，直流分量检测装置的响应时间小于200ms，并考虑断开电路需要5(T70ms时间，直流分量检测电路实际响应时间约为IOOms左右。图5是本实用新型实施例直流分量检测装置输入输出第一波形图；图6是本实用新型实施例直流分量检测装置输入输出第二波形图；在实验测试中，用电流台架给出350A交流电流，再用直流源外接电阻给出2A直流电流，测试该直流分量检测装置输出响应时间为100ms，纹波为31mv ;满足电路要求。图5中I通道为给定直流输入1.97A对应5.25mv, 2通道为直流分量输出变化，该变化显示为lOOmv，该IOOmv为20倍放大之后的结果，2通道开始时的抬升是由于在输入信号之前所选霍尔的固有零漂造成的，这可以在软件程序中补偿掉。从图5中可以看出输出响应时间为100ms，满足要求。图6中显示的输出纹波31mv，该31mv的纹波是20倍放大后的结果，可以看出该输出纹波非常小。本实用新型具有电路简单、元器件少、实用性强、成本低等特点，能够有效解决50HZ交流电网中直流分量检测时间与准确性的要求。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种直流分量检测装置，其特征在于，包括: 滤除共模干扰信号的差分滤波模块； 对差分滤波模块输出的信号进行滤除交流波并输出直流分量的N阶低通滤波模块； 对所述直流分量进行隔离的隔离运放模块。
2.根据权利要求1所述的直流分量检测装置，其特征在于，所述N为大于等于5的自然数。
3.根据权利要求1所述的直流分量检测装置，其特征在于，所述N阶低通滤波模块为六阶低通滤波模块，所述六阶低通滤波模块包括六个有源低通滤波单元，所述六个有源低通滤波单元依次串联。
4.根据权利要求1所述的直流分量检测装置，其特征在于，所述N阶低通滤波模块为六阶低通滤波模块，所述六阶低通滤波模块包括四个有源低通滤波单元和两个无源低通滤波单元，所述四个有源低通滤波单元依次串联后与两无源低通滤波单元依次串联。
5.根据权利要求3或4所述的直流分量检测装置，其特征在于，所述有源低通滤波单元包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容；所述第二电阻的一端连接第一运算放大器的正端，第二电阻的另一端连接第一地信号；第一电容和第三电阻并联，第一电容的一端连接至运算放大器的负端，第一电容的另一端连接第一运算放大器的输出端，第一电阻的一端连接第一运算放大器的负输入端；所述第一电阻的另一端为有源低通滤波单元的输入端，第一运算放大器的输出端为有源低通滤波单元的输出端。
6.根据权利要求4所述的直流分量检测装置，其特征在于，所述无源低通滤波单元包括第四电阻和第二电容；所述第四电阻和第二电容串联，第二电容的开放端连接至第一地信号，第四电阻的开放端为无源低通滤波单元的输入端，第四电阻与第二电容的连接点为无源低通滤波单元的输出端。
7.根据权利要求1所述的直流分量检测装置，其特征在于，所述直流分量检测装置还包括第一箝位模块，所述第一箝位模块连接在N阶低通滤波模块和隔离运放模块之间；所述第一箝位模块包括第一箝位二极管和第二箝位二极管；所述第一箝位二极管的负极连接第一电源正极，第一箝位二极管的正极连接第二箝位二极管的负极，第二箝位二极管的正极连接第一电源负极，所述第一箝位二极管的正极连接在N阶低通滤波模块和隔离运放模块之间。
8.根据权利要求1所述的直流分量检测装置，其特征在于，所述直流分量检测装置还包括将隔离运放输出的电压进行抬升的求和模块；所述求和模块连接在隔离运放的输出端。
9.根据权利要求8所述的直流分量检测装置，其特征在于，所述直流分量检测装置还包括对求和模块输出的电压进行分压的分压模块，所述分压模块连接在求和模块的输出端。
10.根据权利要求9所述的直流分量检测装置，其特征在于，所述直流分量检测装置还包括对分压模块输出的电压进行电压跟随的电压跟随器，所述电压跟随器连接在分压模块的输出端。
专利摘要本实用新型涉及逆变器领域，公开了一种直流分量检测装置，包括滤除共模干扰信号的差分滤波模块；对差分滤波模块输出的信号进行滤除交流波并输出直流分量的N阶低通滤波模块；对所述直流分量进行隔离的隔离运放模块。通过N阶低通滤波模块将输入信号的交流波滤除，该N阶低通滤波模块可以有效的滤除交流波，得到直流分量。
文档编号G01R19/00GK202929087SQ20122047251
公开日2013年5月8日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者石毅, 赵利忠, 王营辉, 修贵东 申请人:比亚迪股份有限公司