專利名稱：基于雙向dc-dc變換器的直流有源濾波器的制作方法
技術領域：
本發明的技術領域是電力電子技術與設備領域，具體涉及一種獨創的基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，用于濾除直流電源端電流紋波。
背景技術：
目前，對直流電源、逆變器和交流電機組成的電驅動系統的研究和應用已比較廣泛。比如新能源汽車中電池或燃料電池驅動牽引電機，直流電網為工業交流電機供電等。由于交流電機可能的非線性暫態負載特性以及開關器件的高頻通斷換流屬性等，直流電源端會產生嚴重的紋波電流。這將嚴重影響直流儲能系統(例如蓄電池)的使用壽命，或者直流電網(如果直流母線端連入直流電網)的用電品質。現有的有源濾波技術大部分都應用在交流系統中，而已有的直流有源濾波器也均需要整流前交流電網的頻率和相位作為基準才能實現其功能。尚無直流有源濾波器能夠對包括直流電源、逆變器和電機的整個獨立電驅動系統進行實時濾波。
發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提供一種基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器。本發明的目的可以通過以下技術措施來實現根據本發明提供的基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，包括依次連接的電機控制器、微處理器、以及雙向DC-DC變換器，還包括與雙向DC-DC變換器相連接的直流電容，雙向DC-DC變換器包含了開關器件驅動電路，其中電機控制器用于根據電機轉子位置反饋計算得到電角度，并根據電角度間接獲得電機A相電壓頻率和基波電角度；微處理器用于以電機控制器獲得的電機A相電壓頻率和基波電角度為基準，對采集到的逆變器直流母線端的電流進行傅里葉變換，以對直流母線電流高頻紋波分量進行提取，然后通過控制雙向DC-DC變換器讓直流電容提供紋波分量，以大大減小、或者消除直流電源兩端的紋波來濾除直流電源兩端的紋波。優選地，微處理器包括計算模塊、第一 A/D模塊、第二 A/D模塊、減法運算器、PID模塊、微處理器的PWM模塊、微處理器的通信單兀，其中微處理器的通信單元用于將接收自電機控制器的電機A相電壓基波頻率和基波電角度發送至計算模塊；第一 A/D模塊與直流母線相連接，用于將采集到的逆變器直流母線端的電流經A/D處理后發送至計算模塊； 計算模塊用于以電機A相電壓基波頻率和基波電角度作為傅里葉變換的基準，對采集到的逆變器直流母線端的電流進行傅里葉變換得到直流系統母線上的紋波分量idu ;第二A/D模塊與直流母線相連接，用于將采集到的雙向DC-DC變換器端的電流i_經A/D處理后發送至減法運算器；
減法運算器用于對雙向DC-DC變換器端的電流i_與紋波分量id。, r進行減法運算，然后將運算結果輸出給PID模塊；PID模塊用于對減法運算器的運算結果進行PID調整得到信號A，然后將信號A發送至微處理器的PWM模塊；微處理器的PWM模塊用于根據信號A產生PWM信號，并將PWM信號發送至雙向DC-DC變換器。優選地，微處理器還包括限值比較模塊，其中，限值比較模塊用于通過檢測直流電容兩端電壓進行限值處理，然后根據限值處理結果發送指令至微處理器的PWM模塊，微處理器的PWM模塊根據所述指令和信號A產生PWM信號。優選地，雙向DC-DC變換器與直流電容并聯連接，雙向DC-DC變換器與直流電源并聯連接。優選地，雙向DC-DC變換器允許雙向功率流動。優選地，直流電容為直流電解電容、超級電容、或膜電容。優選地，直流系統中的電機控制與雙向DC-DC變換器控制結合使用。可以證明，逆變器輸入端電流可展開為以輸出相電壓基波為基準的傅里葉級數。根據此依據，采用基波頻率與過零點間接計算方法得出實時紋波電流補償策略。最后將電機控制器與DC-DC控制器有機結合，利用上述實時紋波電流補償策略實現消除直流電源端紋波的目的。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果本發明針對直流電源、逆變器和電機組成的電驅動系統，根據逆變器輸入端電流可展開為以輸出相電壓基波為基準的傅里葉級數的思想，創造性地將電機與DCDC變換器控制進行有機結合。本發明能夠在不需要交流電網頻率和相位作為基準的情況下，對包括直流電源、逆變器和電機的整個獨立系統進行實時濾波。這將大大減小甚至有效消除直流電源端的嚴重電流紋波，實現延長直流儲能系統的使用壽命或者有效提高直流電網品質的目的。
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯圖1是根據本發明提供的基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器的工作原理圖。圖中I為雙向DC-DC變換器，2為直流電容，3為微處理器，301為微處理器的PWM模塊，302為限值比較模塊，303 為 PID 模塊，304為計算模塊，
305為微處理器的通信單元，306 為第一 A/D 模塊，307 為第二 A/D 模塊，4為電機控制器，401為電機控制器的PWM模塊，402為電機控制器的通信單元。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。本發明將交流有源濾波的思想應用到直流系統，根據電壓源型逆變器輸入端電流可展開為以輸出電壓基波頻率作為基準的傅里葉級數的原理，得出一種基于傅里葉變換的實時紋波電流補償控制策略。具體地，本發明提供的所述基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器的工作原理如圖1所示所述基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，包括依次連接的電機控制器(4 )、微處理器(3 )、以及雙向DC-DC變換器(I)，還包括與雙向DC-DC變換器(I)相連接的直流電容(2 )，雙向DC-DC變換器(I)包含了開關器件驅動電路，其中電機控制器(4 )用于采集并根據電機轉子的機械角度，得出電機A相電壓基波頻率和基波電角度；微處理器(3)用于接收來自電機控制器(4)的電機A相電壓基波頻率和基波電角度，將電機A相電壓基波頻率和基波電角度作為傅里葉變換的基準，然后對采集到的逆變器直流母線端的電流進行傅里葉變換得到直流系統母線上的紋波分量id。, r,接下來將采集到的雙向DC-DC變換器端的電流i_與紋波分量idc^進行減法運算，誤差進行PID調節后得到信號A，再根據信號A產生PWM信號，并將PWM信號發送至雙向DC-DC變換器(1)，以控制雙向DC-DC變換器端的電流i_，從而利用直流電容2提供高頻紋波分量。微處理器(3)通過檢測直流電容2端電壓進行限值處理，微處理器(3)根據限值處理結果和信號A產生PWM信號，以穩定直流電容
(2)端電壓。更為具體地，電機控制器4通過測量模塊得出電機轉子的機械角度，通過數學計算以及電機的偏差糾正得出電機的同步電角度。根據電機理論，電機同步頻率等于輸入電壓基波頻率，所以利用電機控制器4中已算出的基波頻率以及同步電角度來推導出電機A相電壓的基波頻率和過零點。然后電機控制器的通信單元402把獲得的電機A相電壓的基波頻率和基波電角度傳輸到微處理器的通信單元305進而傳輸到微處理器3的計算模塊304作為傅里葉變換的基準。同時，逆變器直流母線端的電流經過微處理器3的第一 A/D模塊306變換之后傳輸到微處理器3的計算模塊304中。電機控制器4及時更新數據，在新計算周期開始時刻，微處理器3的計算模塊304通過傅里葉變換得到直流母線電流諧波次數彡3的紋波分量idc^。雙向DC-DC變換器端的電流i_經過微處理器3的第二 A/D模塊307采樣后與得出的紋波分量id。, r進行減法運算，誤差通過進行PID調節后送到微處理器3的PWM模塊301。微處理器的PWM模塊301產生PWM信號，由此控制雙向DC-DC變換器I的電流i_，從而利用直流電容2提供高頻紋波分量。同時微處理器3的限值比較模塊302通過檢測直流電容2端電壓進行限值處理，并發送指令至微處理器的PWM模塊301，從而起到穩定直流電容2端電壓的作用。最終，基于雙向DCDC變換器的直流有源濾波器可以實現大大減小甚至有效消除直流電源端電流紋波的目的。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器,其特征在于,包括依次連接的電機控制器(4 )、微處理器(3 )、以及雙向DC-DC變換器(I)，還包括與雙向DC-DC變換器(I)相連接的直流電容(2 )，雙向DC-DC變換器(I)包含了開關器件驅動電路，其中電機控制器(4 ) 用于根據電機轉子位置反饋計算得到電角度，并根據電角度間接獲得電機A相電壓頻率和基波電角度；微處理器(3)用于以電機控制器(4)獲得的電機A相電壓頻率和基波電角度為基準，對采集到的逆變器直流母線端的電流進行傅里葉變換，以對直流母線電流高頻紋波分量進行提取，然后通過控制雙向DC-DC變換器(I)讓直流電容(2)提供紋波分量，以大大減小、或者消除直流電源兩端的紋波來濾除直流電源兩端的紋波。
2.根據權利要求1所述的基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，其特征在于，微處理器(3)包括計算模塊(304)、第一 A/D模塊(306)、第二 A/D模塊(307)、減法運算器、PID 模塊(303 )、微處理器的PWM模塊(301)、微處理器的通信單元(305 )，其中微處理器的通信單元(305 )用于將接收自電機控制器(4 )的電機A相電壓基波頻率和基波電角度發送至計算模塊(304)；第一 A/D模塊(306)與直流母線相連接，用于將采集到的逆變器直流母線端的電流經 A/D處理后發送至計算模塊(304)；計算模塊(304)用于以電機A相電壓基波頻率和基波電角度作為傅里葉變換的基準， 對采集到的逆變器直流母線端的電流進行傅里葉變換得到直流系統母線上的電流紋波分第二 A/D模塊(307)與直流母線相連接，用于將采集到的雙向DC-DC變換器端的電流 icon經A/D處理后發送至減法運算器；減法運算器用于對雙向DC-DC變換器端的電流i_與紋波分量id。, r進行減法運算，然后將運算結果輸出給PID模塊；PID模塊用于對減法運算器的運算結果進行PID調整得到信號A，然后將信號A發送至微處理器的PWM模塊(301);微處理器的PWM模塊(301)用于根據信號A產生PWM信號，并將PWM信號發送至雙向 DC-DC變換器(I)。
3.根據權利要求2所述的基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，其特征在于，微處理器(3 )還包括限值比較模塊(302 )，其中，限值比較模塊(302 )用于通過檢測直流電容(2 ) 兩端電壓進行限值處理，然后根據限值處理結果發送指令至微處理器的PWM模塊(301)，微處理器的PWM模塊(301)根據所述指令和信號A產生PWM信號。
4.根據權利要求1所述的基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，其特征在于雙向DC-DC變換器(I)與直流電容(2)并聯連接，雙向DC-DC變換器(I)與直流電源并聯連接。
5.根據權利要求1所述的基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，其特征在于雙向DC-DC變換器(I)允許雙向功率流動。
6.根據權利要求1所述的基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，其特征在于直流電容(2)為直流電解電容、超級電容、或膜電容。
7.根據權利要求1所述的基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，其特征在于直流系統中的電機控制與雙向DC-DC變換器(I)控制結合使用。
全文摘要
本發明提供一種基于雙向DC-DC變換器的直流有源濾波器，主要由雙向DC-DC變換器、直流電容、微處理器和電機控制器構成，其中雙向DC-DC變換器包含了開關器件驅動電路。本發明針對直流電源、逆變器和電機組成的電驅動系統，根據逆變器輸入端電流可展開為以輸出相電壓基波為基準的傅里葉級數的思想，創造性地將電機與DC-DC變換器控制進行有機結合。通過電機控制器中由電機轉子位置反饋計算得到的電角度，間接獲得逆變器輸出相電壓基波的相位和頻率作為微控制器進行傅里葉變換的基準，從而對直流母線電流高頻紋波分量進行提取。最后通過控制雙向DC-DC變換器讓直流電容提供紋波分量從而大大減小、或者消除直流電源兩端的紋波。
文檔編號H02M1/14GK103001579SQ20121046160
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者張希 申請人:上海交通大學