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基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器及方法技术

技术编号:20656958 阅读:30 留言:0更新日期:2019-03-23 08:22
本发明专利技术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LA、LA’和LB、LB’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LC和LC’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。

Inductive Energy Storage Active Power Filter Based on Leakage Inductance of Motor Winding and Its Method

The invention discloses an inductive energy storage active filter and a method based on leakage inductance of motor windings. The active filter is applied to the integrated charging system of electric vehicles to suppress the secondary fluctuating voltage of DC bus. The topological structure includes three H-bridges of common DC bus and three-phase double-layer winding motor with central tap; two H-bridges are input-parallel and output-parallel. The leakage inductances of LA, LA'and LB, LB' in three-phase double-layer motor windings are used as filter inductances to make the two H-bridges work together in single-phase PWM rectification mode. The leakage inductances of the third H-bridge and LC and LC'in motor windings constitute active filters with inductance as energy storage elements, thus suppressing the secondary ripple voltage. The methods include: giving the structure and connection mode of the stator windings of three-phase asynchronous motor, obtaining the current flow path and the magnetomotive force produced by the central tap windings working in different modes; using the DC converter with energy bidirectional flow to realize the absorption and release of the secondary pulsating energy; and effectively reducing the secondary ripple voltage through the inductive current compensation control.

【技术实现步骤摘要】
基于电机绕组漏感的电感储能型有源滤波器及方法
本专利技术涉及电力电子技术的拓扑及控制
,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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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,本专利技术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LA、LA’和LB、LB’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LC和LC’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;Lk为等效漏感;VS为单相交流输入电压幅值;IS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:本专利技术提供的技术方案的有益效果是:1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术具有集成度高、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为本专利技术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为本专利技术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;S1A-S1C、S2A-S2C为功率开关Q1-Q6的开关信号;S1A’-S1C’、S2A’-S2C’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;Vrec为单相整流器输出电压;Pin为瞬时输入功率;Pr为二次脉动功率;Po为输出平均功率;C为有源滤波器中高压电池侧稳压电容;VHO为高压电池侧母线电压;Lk为本文档来自技高网
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【技术保护点】
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LA、LA’和LB、LB’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LC和LC’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。

【技术特征摘要】
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LA、LA’和LB、LB’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LC和LC’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...

【专利技术属性】
技术研发人员:张云方剑宋天宝
申请(专利权)人:天津大学
类型:发明
国别省市:天津,12

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