CN109510446A - 基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器及方法，该有源滤波器应用于电动汽车一体化充电系统，达到抑制直流侧母线的二次脉动电压，拓扑结构包括：三个共直流母线的H桥、以及带中心抽头的三相双层绕组电机；两个H桥输入并联，输出并联，并以三相双层电机绕组中的L_A、L_A’和L_B、L_B’的漏感作为滤波电感，使得两个H桥共同工作在单相PWM整流模式下；第三个H桥以及电机绕组中的L_C和L_C’的漏感构成了以电感作为储能元件的有源滤波器，从而抑制二次纹波电压。方法包括：给出三相异步电机定子绕组的结构及连接方式，获取带中心抽头绕组工作在不同模式下的电流流通路径和所产生的磁动势；用具有能量可双向流动的直流变换器实现对二次脉动能量的吸收和释放；通过电感电流补偿控制有效的减小二次纹波电压。

Description

基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术的拓扑及控制技术领域，尤其涉及一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器及方法。

背景技术

能源是全球经济发展和人类日常生活的基础，但随着经济的高速增长和社会的快速发展，对能源的需求和消耗越来越大。与此同时，世界人均汽车拥有量在不断增加。目前的汽车仍然以化石燃料为主要的能量来源，而过度地使用化石能源带来的环境问题也愈加严重。新能源汽车以可再生能源为动力源，可实现清洁无污染运行，被认为是有效缓解能源危机和环境污染的新型交通运输方式之一。随着科技的发展，电动汽车充电系统趋于高度的智能化和一体化。其中一体化充电技术越来越受到人们的关注。在电动汽车一体化充电系统中，主要的充电方式分为三相快速充电和单相慢速充电。对于大多数家庭用电动汽车，多采用单相慢速充电，这样能有效保护电池，延长电池使用寿命。

为给高压动力电池提供可控的电压、电流进行充电，且保证输入电流功率因数可控，以及能量可实现双向流动，目前多采用单相PWM(脉冲宽度调制)整流技术。然而正弦交变的电流和电网电压共同作用产生了两倍频于电网电压频率的脉动无功功率，且其峰值与电网提供的有功功率峰值相等。对于电动汽车充电系统而言，二次脉动电流对于车用高压电池以及低压蓄电池充电来说是极其不利的，它会造成电池充电过度发热和温升提高，从而缩短了电池的使用寿命。一般情况下，蓄电池电流的电流纹波需要小于其额定电流的10％。因此在一体化充电系统中，减小单相PWM整流充电系统直流侧二次纹波电压具有重要的研究意义

目前减小直流纹波电压纹波的方法主要有两种：无源滤波和有源滤波。

无源滤波是在直流母线侧并联容值较大的电容或者LC谐振电路来抑制二次纹波电压。前一种方法简单有效，但限制了功率变换器的整体功率密度。后者在一定程度上提高了功率密度，但是对参数偏移比较敏感，选择不适当的参数会导致系统的谐振，以及在直流侧支撑电容和LC谐振电路之间产生较大的二次谐波电流。

在抑制二次电压纹波的同时，为了尽可能使单相PWM整流系统获得更高的功率密度，许多学者提出了有源滤波器(AF)的方法。有源滤波器的种类很多，从连接方式上可分为交流侧AF和直流侧AF；从能量存储单元上又可分为电容储能型AF和电感储能型AF。对于直流侧AF，一般是在单相PWM整流器的直流侧并联带能量储存单元的双向直流变换器。与无源滤波中在直流侧并联LC谐振电路所不同的是，直流侧AF方法一般是通过双向直流变换器与直流母线相连，即使直流变换器的电容电压或电感电流大范围脉动也不会对直流母线造成影响。当采用无源器件作为储能单元时，电容相比于电感储能密度较高；但电感铁芯的磁导率比电容的介电常数大，因此在储存能量时比较容易实现。

但上述方法都需要外加双向直流变换器及相应的储能元件，集成度不高。因此为了节约成本和实现高度集成化，需要提出一种基于车载一体化单相整流充电系统的二次纹波电压抑制方法，使其适用于新能源电动汽车。

发明内容

本发明提供了一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器及方法，本发明针对新能源电动汽车一体化充电系统中单相整流器直流母线电压的性能要求，利用三相异步电机的漏感作为单相PWM整流器的输入滤波电感以及直流侧AF的储能电感，再结合冗余的H桥，便构成了直流侧电感储能型AF，同时提出了一种进一步减小二次纹波的电流补偿控制策略，详见下文描述：

一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器，所述有源滤波器应用于电动汽车一体化充电系统，达到抑制直流侧母线的二次脉动电压，

所述有源滤波器的拓扑结构包括：三个共直流母线的H桥、以及带中心抽头的三相双层绕组电机；

其中，两个H桥输入并联，输出并联，并以三相双层电机绕组中的L_A、L_A’和L_B、L_B’的漏感作为滤波电感，使得两个H桥共同工作在单相PWM整流模式下；

第三个H桥以及电机绕组中的L_C和L_C’的漏感构成了以电感作为储能元件的有源滤波器，从而抑制二次纹波电压。

进一步地，所述有源滤波器通过继电器的配合使用切换充电系统的工作模式；

当继电器均闭合时，充电系统工作在充电模式下；

当继电器均断开时，充电系统工作在牵引模式下。

优选地，所述三相双层电机绕组具有中心抽头，抽头比是1：1。

一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波控制方法，所述方法包括：

给出三相异步电机定子绕组的结构及连接方式，获取带中心抽头绕组工作在不同模式下的电流流通路径和所产生的磁动势；

用具有能量可双向流动的直流变换器实现对二次脉动能量的吸收和释放；

通过电感电流补偿控制有效的减小二次纹波电压。

其中，所述获取带中心抽头绕组工作在不同模式下的电流流通路径和所产生的磁动势具体为：

当从中心抽头注入电流时，A₁和A₂、B₁和B₂以及C₁和C₂为同一相绕组的两部分，磁动势方向相反，相互抵消，每一相都没有产生脉动磁动势，此时整个绕组的自感量为零，但存在漏感。

进一步地，所述通过电感电流补偿控制有效的减小二次纹波电压具体为：

对电感电流以直流形式流动时的模态进行分析，进而获取直流形式电流的给定表达式；

对电感电流以交流形式流动时的模态进行分析，进而获取交流形式电流的给定表达式；

根据直流、交流形式电流的给定表达式，采用单相整流的电压外环输出对电流给定进行补偿校正，进一步抑制二次脉动功率。

其中，所述直流形式电流的给定表达式具体为：

K≥1+cosψ

其中，ω为输入电压基波角频率；ψ为相位角；L_k为等效漏感；V_S为单相交流输入电压幅值；I_S为单相交流输入电流幅值；L为单相整流器交流侧输入滤波电感；K为常量。

其中，所述交流形式电流的给定表达式具体为：

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明利用电动汽车一体化充电系统结构进行单相整流器的直流母线二次纹波电压抑制，即通过复用电机绕组，再结合冗余的H桥，初步实现了对二次纹波电压的抑制；

2、本发明同时考虑到系统中线路及开关管等的损耗，在控制策略中加入了基于电感电流的补偿控制，进一步抑制了二次纹波电压，因此极大地减小了蓄电池的充电电压和电流的二次纹波成分，提高了新能源电动汽车中蓄电池的使用寿命。

3、本发明具有集成度高、成本低、结构简单和易于控制等优点。

附图说明

图1为现有技术提供的一体化充电拓扑的结构图；

图2为本发明所提电机绕组漏感作为储能电感的直流侧有源滤波器的结构示意图；

图3为带中心抽头三相双层绕组槽内分布图；

图4为各相线圈磁动势星型图；

其中，(a)为牵引模式的示意图；(b)为充电模式的示意图。

图5为二次纹波抑制等效电路图；

图6为电路工作原理图；

其中，(a)为电感电流以直流模式流动的示意图；(b)为电感电流以交流模式流动的示意图。

图7为电感储能型二次脉动功率抑制拓扑的控制框图；

图8为本发明所提二次纹波抑制方案的仿真波形图。

其中，上述附图中主要符号名称：

Q₁-Q₁₂分别为变换器的功率开关；S_1A-S_1C、S_2A-S_2C为功率开关Q₁-Q₆的开关信号；

S_1A’-S_1C’、S_2A’-S_2C’是功率开关Q₇-Q₁₂的开关信号；N为一相绕组总的匝数；

A₁(B₁、C₁)和A₂(B₂、C₂)代表电机绕组中的A(B、C)相；

V_rec为单相整流器输出电压；P_in为瞬时输入功率；P_r为二次脉动功率；

P_o为输出平均功率；C为有源滤波器中高压电池侧稳压电容；

V_HO为高压电池侧母线电压；L_k为电机绕组等效漏感；

u_L为储能电感两端电压；i_L为经过储能电感的电流；

i_L1(t)为电感电流以直流形式流动时的给定值；

i_L2(t)为电感电流以交流形式流动时的给定值；i_L1、i_L2分别为不同模式下电感电流；

i_ac为交流侧输入电流。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器，参见图1和图2，该有源滤波器包括：

本发明实施例在电动汽车一体化充电系统的基础上，基于图1提出一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器，达到抑制直流侧母线的二次脉动电压。

由图2可以看得，整个有源滤波器的拓扑结构主要由三个共直流母线的H桥(即H桥1、H桥2以及H桥3)以及带中心抽头的三相双层绕组电机所构成，且该拓扑结构工作在单相充电模式下。其中两个H桥(H桥1和H桥2)输入并联，输出并联，并以三相双层电机绕组中的L_A、L_A’和L_B、L_B’的漏感作为滤波电感，使得H桥1和H桥2共同工作在单相PWM整流模式下。

针对单相PWM整流所产生的二次纹波电压，在没有添加任何元器件的情况下，本发明实施例通过利用第三个H桥(即H桥3)以及电机绕组中的L_C和L_C’的漏感构成了以电感作为储能元件的有源滤波器，从而抑制二次纹波电压。

通过继电器G₁和G₂的配合使用可切换充电系统的工作模式：充电模式和牵引模式。当继电器G1和G2均闭合时，充电系统工作在充电模式下；当继电器G1和G2均断开时，充电系统工作在牵引模式下。

本发明实施例所采用的三相双层绕组电机是具有中心抽头绕组的双层并绕组，抽头比是1：1。每一相的两部分电枢绕组因中心抽头可分裂为匝数相同的两部分，均位于铁芯上同一个槽的上下两层，它们各自在同一槽的位置如图3所示。

对于中心抽头双层绕组电机，每一相的磁动势由两个分裂的电枢线圈磁动势合成。从图3(a)和(b)中可以看出，当从中心抽头注入电流时，A₁和A₂、B₁和B₂以及C₁和C₂为同一相绕组的两部分，它们的磁动势方向相反，相互抵消，从而每一相都没有脉动磁动势产生，也就更没有旋转磁动势的存在，并且此时整个绕组的自感量为零，但存在漏感。图4(a)和图4(b)分别给出了在充电和牵引模式下各相线圈磁动势星形图。图4(b)为在牵引模式下，该连接方式也使得电机在每相中都获得了最大合成磁动势。

综上所述，本发明实施例利用电动汽车一体化充电系统结构进行单相整流器的直流母线二次纹波电压抑制，即通过复用电机绕组，再结合系统中冗余的H桥，初步实现了对二次纹波电压的抑制。

实施例2

本发明实施例提供了一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波控制方法，该方法包括以下步骤：

101：对一体化充电系统中具有二次纹波抑制功能的拓扑结构进行分析；

其中，该步骤101具体为：添加一组继电器(两个)来切换充电系统的工作模式：牵引模式和充电模式。

给出三相异步电机定子绕组的结构及连接方式，同时分析出所采用的带中心抽头绕组工作在不同模式下的电流流通路径和所产生的磁动势，以得到在充电模式下每一相绕组的自感量为零(磁动势相互抵消)，但漏感仍然存在。

102：采用具有能量可双向流动的直流变换器实现对二次脉动能量的吸收和释放；

具体实现时，为了实现对二次脉动能量的吸收和释放，除了储能元件以外，需要采用具有能量可双向流动的直流变换器。在一体化单相充电系统中，当其中两个H桥用来并联充电时，会有一个H桥冗余。故利用该冗余的H桥再结合电机绕组的漏感，便构成了单相PWM整流器直流侧电感储能型有源滤波器，可有效抑制二次脉动功率。

103：提出一种电感电流补偿控制方法，可进一步有效的减小二次纹波电压。

其中，现有技术中的电感储能型有源滤波器的控制算法未考虑实际线路及开关管等损耗，因此本发明实施例在此基础上加入了一种电感电流补偿控制方法，可进一步有效的减小二次纹波电压。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103实现了利用电动汽车一体化充电系统结构进行单相整流器的直流母线二次纹波电压抑制，即通过复用电机绕组，再结合系统中冗余的H桥，初步实现了对二次纹波电压的抑制，同时加入了基于电感电流的补偿控制方法，进一步抑制了二次纹波电压。

实施例3

下面结合图5-图8，、以及具体的计算公式对实施例2中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

一、电感电流以直流形式流动时的电流给定

由图5和图6(a)知，电感电流以直流形式流动时，在一个周期中，变换器有四个工作模态。

模态1：当S_1CS_2CS_1C’S_2C’＝1001时，开关管Q₅和Q₁₂导通，开关管Q₆和Q₁₁关断。此时电感通过功率开关管Q₅和Q₁₂进行储能，电感电流正向增大，此时电感两端的电压为直流母线电压。

模态2：当S_1CS_2CS_1C’S_2C’＝0000时，开关管Q₅、Q₆、Q₁₁和Q₁₂均关断，由于电感电流方向不能突变，此时Q₆和Q₁₁的反并联二极管导通。此时电感通过开关管的反并联二极管释放能量，电感电流正向减小，此时电感两端的电压为负向直流母线电压。

模态3：当S_1CS_2CS_1C’S_2C’＝0110时，开关管Q₆和Q₁₁导通，开关管Q₅和Q₁₂关断。此时电感通过功率开关管Q₆和Q₁₁释放能量，电感电流正向减小，此时电感两端的电压为负向直流母线电压。

模态4：此状态同模态1一样。

此时的电感电流以直流形式流动时的电流给定表达式为：

K≥1+cosψ (3)

其中，ω为输入电压基波角频率；ψ为相位角；L_k为等效漏感；V_S为单相交流输入电压幅值；I_S为单相交流输入电流幅值；L为单相整流器交流侧输入滤波电感；K为积分过程中产生的常量，实际物理意义和电感电流峰值有关。

二、电感电流以交流形式流动时的电流给定

从图5和图6(b)中可以看出，电感电流以交流形式流动也就是在瞬时输入功率的一个周期内电流是正向流动，在接下来的一个周期内是反向流动，二者交替进行，便形成了对称交流形式流动的电感电流。电流以交流形式流动时不仅会存在直流形式流动时的四种模态，还会有如下四种模态。

模态5：当S_1CS_2CS_1C’S_2C’＝0110时，开关管Q₆和Q₁₁导通，开关管Q₅和Q₁₂关断。此时电感通过功率开关管Q₆和Q₁₁进行储能，电感电流反向增大，此时电感两端的电压为负向直流母线电压。

模态6：当S_1CS_2CS_1C’S_2C’＝0000时，开关管Q₅、Q₆、Q₁₁和Q₁₂均关断，由于电感电流方向不能突变，此时Q₅和Q₁₂的反并联二极管导通。此时电感通过开关管反并联二极管释放能量，电感电流正向减小，此时电感两端的电压为负向直流母线电压。

模态7：当S_1CS_2CS_1C’S_2C’＝1001时，开关管Q₅和Q₁₂导通，开关管Q₆和Q₁₁关断。此时电感通过功率开关管Q₅和Q₁₂释放能量，电感电流反向减小，此时电感两端的电压为直流母线电压。

模态8：此状态同模态5一样。

此时的电感电流以交流形式流动时电流的给定表达式为：

根据控制框图7(a)，若控制电感电流为式(1)和式(4)，可实现二次纹波电压抑制。由图7(b)可知，针对实际应用中开关管及线路等产生的损耗，从而导致上述电流给定计算的表达式不够精确，故采用单相整流的电压外环输出对电流给定进行补偿校正，其中k为校正系数。该方法的实施，可进一步抑制二次脉动功率。

综上所述，本发明实施例加入了基于电感电流的补偿控制方法，进一步抑制了二次纹波电压，因此极大地减小了蓄电池的充电电压和电流的二次纹波成分，提高了新能源电动汽车中蓄电池的使用寿命。

实施例4

下面结合图8，以及具体的数据对实施例1-3中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

图8给出了一体化充电系统中二次纹波抑制的仿真结果。在0.5s之前，没有切入电感储能型AF，从图8(a)中可以看出，由单相PWM整流所产生的二次脉动电压比较大，其峰峰值为34V，电压波动率达17％。而且此时的网侧输入电流因直流侧电压波动而产生了一定畸变，其THD＝16％，如图8(b)所示。

在0.5s时切入AF，此时峰峰值电压只有1.9V，电压波动率下降为0.95％(下降了18倍)，同时网侧电流也明显改善，其THD＝1.5％。在0.65s时加入给定电流补偿值，二次纹波电压进一步减小为1.5V，相比不加补偿方法时减小了21％。

图8(c)和图8(d)分别为电感电流以直流、交流形式流动的电感电流波形，在图8(c))中可以看出，在0.65s加入电流补偿值后电感电流也随之增大了。验证了所提抑制纹波方案的有效性和可行性。

综上所述，本发明实施例提出的有源滤波器利用电动汽车中改进型牵引电机的漏感作为储能元件，从而消除了对大容量和高成本的滤波电容器和/或电感的需求。因此，当将该控制方法应用于具有牵引电机的实际电动汽车电驱系统时，可以在单相充电电路中显著节省成本和提高功率密度。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器，其特征在于，所述有源滤波器应用于电动汽车一体化充电系统，达到抑制直流侧母线的二次脉动电压，

所述有源滤波器的拓扑结构包括：三个共直流母线的H桥、以及带中心抽头的三相双层绕组电机；

其中，两个H桥输入并联，输出并联，并以三相双层电机绕组中的L_A、L_A’和L_B、L_B’的漏感作为滤波电感，使得两个H桥共同工作在单相PWM整流模式下；

第三个H桥以及电机绕组中的L_C和L_C’的漏感构成了以电感作为储能元件的有源滤波器，从而抑制二次纹波电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器，其特征在于，

所述有源滤波器通过继电器的配合使用切换充电系统的工作模式；

当继电器均闭合时，充电系统工作在充电模式下；

当继电器均断开时，充电系统工作在牵引模式下。

3.根据权利要求1所述的一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器，其特征在于，所述三相双层电机绕组具有中心抽头，抽头比是1：1。

4.一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波控制方法，其特征在于，所述方法包括：

给出三相异步电机定子绕组的结构及连接方式，获取带中心抽头绕组工作在不同模式下的电流流通路径和所产生的磁动势；

用具有能量可双向流动的直流变换器实现对二次脉动能量的吸收和释放；

通过电感电流补偿控制有效的减小二次纹波电压。

5.根据权利要求4所述的一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波控制方法，其特征在于，所述获取带中心抽头绕组工作在不同模式下的电流流通路径和所产生的磁动势具体为：

当从中心抽头注入电流时，A₁和A₂、B₁和B₂以及C₁和C₂为同一相绕组的两部分，磁动势方向相反，相互抵消，每一相都没有产生脉动磁动势，此时整个绕组的自感量为零，但存在漏感。

6.根据权利要求4所述的一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波控制方法，其特征在于，所述通过电感电流补偿控制有效的减小二次纹波电压具体为：

对电感电流以直流形式流动时的模态进行分析，进而获取直流形式电流的给定表达式；

对电感电流以交流形式流动时的模态进行分析，进而获取交流形式电流的给定表达式；

根据直流、交流形式电流的给定表达式，采用单相整流的电压外环输出对电流给定进行补偿校正，进一步抑制二次脉动功率。

7.根据权利要求6所述的一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波控制方法，其特征在于，所述直流形式电流的给定表达式具体为：

K≥1+cosψ

其中，ω为输入电压基波角频率；ψ为相位角；L_k为等效漏感；V_S为单相交流输入电压幅值；I_S为单相交流输入电流幅值；L为单相整流器交流侧输入滤波电感；K为常量。

8.根据权利要求7所述的一种基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波控制方法，其特征在于，所述交流形式电流的给定表达式具体为：