CN103001579A - 基于双向dc-dc变换器的直流有源滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，主要由双向DC-DC变换器、直流电容、微处理器和电机控制器构成，其中双向DC-DC变换器包含了开关器件驱动电路。本发明针对直流电源、逆变器和电机组成的电驱动系统，根据逆变器输入端电流可展开为以输出相电压基波为基准的傅里叶级数的思想，创造性地将电机与DC-DC变换器控制进行有机结合。通过电机控制器中由电机转子位置反馈计算得到的电角度，间接获得逆变器输出相电压基波的相位和频率作为微控制器进行傅里叶变换的基准，从而对直流母线电流高频纹波分量进行提取。最后通过控制双向DC-DC变换器让直流电容提供纹波分量从而大大减小、或者消除直流电源两端的纹波。

Description

基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器
技术领域
本发明的技术领域是电力电子技术与设备领域，具体涉及一种独创的基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，用于滤除直流电源端电流纹波。
背景技术
目前，对直流电源、逆变器和交流电机组成的电驱动系统的研究和应用已比较广泛。比如新能源汽车中电池或燃料电池驱动牵引电机，直流电网为工业交流电机供电等。
由于交流电机可能的非线性暂态负载特性以及开关器件的高频通断换流属性等，直流电源端会产生严重的纹波电流。这将严重影响直流储能系统（例如蓄电池）的使用寿命，或者直流电网（如果直流母线端连入直流电网）的用电品质。
现有的有源滤波技术大部分都应用在交流系统中，而已有的直流有源滤波器也均需要整流前交流电网的频率和相位作为基准才能实现其功能。尚无直流有源滤波器能够对包括直流电源、逆变器和电机的整个独立电驱动系统进行实时滤波。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器。
本发明的目的可以通过以下技术措施来实现：
根据本发明提供的基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，包括依次连接的电机控制器、微处理器、以及双向DC-DC变换器，还包括与双向DC-DC变换器相连接的直流电容，双向DC-DC变换器包含了开关器件驱动电路，其中：电机控制器用于根据电机转子位置反馈计算得到电角度，并根据电角度间接获得电机A相电压频率和基波电角度；微处理器用于以电机控制器获得的电机A相电压频率和基波电角度为基准，对采集到的逆变器直流母线端的电流进行傅里叶变换，以对直流母线电流高频纹波分量进行提取，然后通过控制双向DC-DC变换器让直流电容提供纹波分量，以大大减小、或者消除直流电源两端的纹波来滤除直流电源两端的纹波。
优选地，微处理器包括计算模块、第一A/D模块、第二A/D模块、减法运算器、PID模块、微处理器的PWM模块、微处理器的通信单元，其中：
微处理器的通信单元用于将接收自电机控制器的电机A相电压基波频率和基波电角度发送至计算模块；
第一A/D模块与直流母线相连接，用于将采集到的逆变器直流母线端的电流经A/D处理后发送至计算模块；
计算模块用于以电机A相电压基波频率和基波电角度作为傅里叶变换的基准，对采集到的逆变器直流母线端的电流进行傅里叶变换得到直流系统母线上的纹波分量idc，r；
第二A/D模块与直流母线相连接，用于将采集到的双向DC-DC变换器端的电流icon经A/D处理后发送至减法运算器；
减法运算器用于对双向DC-DC变换器端的电流icon与纹波分量idc，r进行减法运算，然后将运算结果输出给PID模块；
PID模块用于对减法运算器的运算结果进行PID调整得到信号A，然后将信号A发送至微处理器的PWM模块；
微处理器的PWM模块用于根据信号A产生PWM信号，并将PWM信号发送至双向DC-DC变换器。
优选地，微处理器还包括限值比较模块，其中，限值比较模块用于通过检测直流电容两端电压进行限值处理，然后根据限值处理结果发送指令至微处理器的PWM模块，微处理器的PWM模块根据所述指令和信号A产生PWM信号。
优选地，双向DC-DC变换器与直流电容并联连接，双向DC-DC变换器与直流电源并联连接。
优选地，双向DC-DC变换器允许双向功率流动。
优选地，直流电容为直流电解电容、超级电容、或膜电容。
优选地，直流系统中的电机控制与双向DC-DC变换器控制结合使用。
可以证明，逆变器输入端电流可展开为以输出相电压基波为基准的傅里叶级数。根据此依据，采用基波频率与过零点间接计算方法得出实时纹波电流补偿策略。最后将电机控制器与DC-DC控制器有机结合，利用上述实时纹波电流补偿策略实现消除直流电源端纹波的目的。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明针对直流电源、逆变器和电机组成的电驱动系统，根据逆变器输入端电流可展开为以输出相电压基波为基准的傅里叶级数的思想，创造性地将电机与DCDC变换器控制进行有机结合。本发明能够在不需要交流电网频率和相位作为基准的情况下，对包括直流电源、逆变器和电机的整个独立系统进行实时滤波。这将大大减小甚至有效消除直流电源端的严重电流纹波，实现延长直流储能系统的使用寿命或者有效提高直流电网品质的目的。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是根据本发明提供的基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器的工作原理图。
图中：
1为双向DC-DC变换器，
2为直流电容，
3为微处理器，
301为微处理器的PWM模块，
302为限值比较模块，
303为PID模块，
304为计算模块，
305为微处理器的通信单元，
306为第一A/D模块，
307为第二A/D模块，
4为电机控制器，
401为电机控制器的PWM模块，
402为电机控制器的通信单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明将交流有源滤波的思想应用到直流系统，根据电压源型逆变器输入端电流可展开为以输出电压基波频率作为基准的傅里叶级数的原理，得出一种基于傅里叶变换的实时纹波电流补偿控制策略。
具体地，本发明提供的所述基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器的工作原理如图1所示：所述基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，包括依次连接的电机控制器（4）、微处理器（3）、以及双向DC-DC变换器（1），还包括与双向DC-DC变换器（1）相连接的直流电容（2），双向DC-DC变换器（1）包含了开关器件驱动电路，其中：电机控制器（4）用于采集并根据电机转子的机械角度，得出电机A相电压基波频率和基波电角度；微处理器（3）用于接收来自电机控制器（4）的电机A相电压基波频率和基波电角度，将电机A相电压基波频率和基波电角度作为傅里叶变换的基准，然后对采集到的逆变器直流母线端的电流进行傅里叶变换得到直流系统母线上的纹波分量idc，r，接下来将采集到的双向DC-DC变换器端的电流icon与纹波分量idc，r进行减法运算，误差进行PID调节后得到信号A，再根据信号A产生PWM信号，并将PWM信号发送至双向DC-DC变换器（1），以控制双向DC-DC变换器端的电流icon，从而利用直流电容2提供高频纹波分量。微处理器（3）通过检测直流电容2端电压进行限值处理，微处理器（3）根据限值处理结果和信号A产生PWM信号，以稳定直流电容（2）端电压。
更为具体地，电机控制器4通过测量模块得出电机转子的机械角度，通过数学计算以及电机的偏差纠正得出电机的同步电角度。根据电机理论，电机同步频率等于输入电压基波频率，所以利用电机控制器4中已算出的基波频率以及同步电角度来推导出电机A相电压的基波频率和过零点。然后电机控制器的通信单元402把获得的电机A相电压的基波频率和基波电角度传输到微处理器的通信单元305进而传输到微处理器3的计算模块304作为傅里叶变换的基准。同时，逆变器直流母线端的电流经过微处理器3的第一A/D模块306变换之后传输到微处理器3的计算模块304中。电机控制器4及时更新数据，在新计算周期开始时刻，微处理器3的计算模块304通过傅里叶变换得到直流母线电流谐波次数≥3的纹波分量idc，r。双向DC-DC变换器端的电流icon经过微处理器3的第二A/D模块307采样后与得出的纹波分量idc，r进行减法运算，误差通过进行PID调节后送到微处理器3的PWM模块301。微处理器的PWM模块301产生PWM信号，由此控制双向DC-DC变换器1的电流icon，从而利用直流电容2提供高频纹波分量。同时微处理器3的限值比较模块302通过检测直流电容2端电压进行限值处理，并发送指令至微处理器的PWM模块301，从而起到稳定直流电容2端电压的作用。最终，基于双向DCDC变换器的直流有源滤波器可以实现大大减小甚至有效消除直流电源端电流纹波的目的。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，其特征在于，包括依次连接的电机控制器（4）、微处理器（3）、以及双向DC-DC变换器（1），还包括与双向DC-DC变换器（1）相连接的直流电容（2），双向DC-DC变换器（1）包含了开关器件驱动电路，其中：电机控制器（4）用于根据电机转子位置反馈计算得到电角度，并根据电角度间接获得电机A相电压频率和基波电角度；微处理器（3）用于以电机控制器（4）获得的电机A相电压频率和基波电角度为基准，对采集到的逆变器直流母线端的电流进行傅里叶变换，以对直流母线电流高频纹波分量进行提取，然后通过控制双向DC-DC变换器（1）让直流电容（2）提供纹波分量，以大大减小、或者消除直流电源两端的纹波来滤除直流电源两端的纹波。
2.根据权利要求1所述的基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，其特征在于，微处理器（3）包括计算模块（304）、第一A/D模块（306）、第二A/D模块（307）、减法运算器、PID模块（303）、微处理器的PWM模块（301）、微处理器的通信单元（305），其中：
微处理器的通信单元（305）用于将接收自电机控制器（4）的电机A相电压基波频率和基波电角度发送至计算模块（304）；
第一A/D模块（306）与直流母线相连接，用于将采集到的逆变器直流母线端的电流经A/D处理后发送至计算模块（304）；
计算模块（304）用于以电机A相电压基波频率和基波电角度作为傅里叶变换的基准，对采集到的逆变器直流母线端的电流进行傅里叶变换得到直流系统母线上的电流纹波分量idc，r；
第二A/D模块（307）与直流母线相连接，用于将采集到的双向DC-DC变换器端的电流icon经A/D处理后发送至减法运算器；
减法运算器用于对双向DC-DC变换器端的电流icon与纹波分量idc，r进行减法运算，然后将运算结果输出给PID模块；
PID模块用于对减法运算器的运算结果进行PID调整得到信号A，然后将信号A发送至微处理器的PWM模块（301）；
微处理器的PWM模块（301）用于根据信号A产生PWM信号，并将PWM信号发送至双向DC-DC变换器（1）。
3.根据权利要求2所述的基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，其特征在于，微处理器（3）还包括限值比较模块（302），其中，限值比较模块（302）用于通过检测直流电容（2）两端电压进行限值处理，然后根据限值处理结果发送指令至微处理器的PWM模块（301），微处理器的PWM模块（301）根据所述指令和信号A产生PWM信号。
4.根据权利要求1所述的基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，其特征在于：双向DC-DC变换器（1）与直流电容（2）并联连接，双向DC-DC变换器（1）与直流电源并联连接。
5.根据权利要求1所述的基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，其特征在于：双向DC-DC变换器（1）允许双向功率流动。
6.根据权利要求1所述的基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，其特征在于：直流电容（2）为直流电解电容、超级电容、或膜电容。
7.根据权利要求1所述的基于双向DC-DC变换器的直流有源滤波器，其特征在于：直流系统中的电机控制与双向DC-DC变换器（1）控制结合使用。
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