一种基于辅助环储能系统的调谐滤波器设计方法与流程

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种基于辅助环储能系统的调谐滤波器设计方法。

背景技术：

滤波器是一种能使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行抑制(或衰减)的电子装置。

在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣及整个系统的性能。所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。

基于辅助环储能系统功率交换的调谐滤波器是针对基于辅助环的储能系统设计的滤波器。调谐滤波器的存在是为了对辅助频率分量形成一个低阻抗的谐振通路，同时对基波分量形成一个高阻支路。由于调谐滤波器为一谐振电路，在理想情况下，则只要该滤波器中的电感和电容值满足谐振条件即可，但调谐滤波器在为辅助频率分量提供低阻抗通路的同时，应该能最大限度的抑制基波分量的存在，即对基波分量形成一个尽可能高的阻抗。

技术实现要素：

发明目的：为了对辅助频率分量形成一个低阻抗的谐振通路，对基波分量形成一个高阻支路，本发明提供一种基于辅助环储能系统的调谐滤波器设计方法。

技术方案：本发明提供的一种基于辅助环储能系统的调谐滤波器设计方法，所述储能系统包括一个或多个H桥模块，所述调谐滤波器包括电感L_r、电容C_r及电阻R_r，所述电感L_r、电容C_r、电阻R_r串联，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)令直流侧电压为V_c，令最大交换功率为P_emax，根据电阻R_r与V_c、P_emax的关系确定R_r，公式为：

$P_{emax}=\frac{V_c^2}{4R_r};$

(2)令谐振频率为f_a，令谐振角频率为ω_a，令基波频率为f_m，令基波角频率为ω_m，令基频部分的损耗值为P_{loss_m}，令电感的下限值为L_{r_low}，令调谐滤波器在基波时的阻抗角根据基波的功率损耗值及公式，计算出所述电感的下限值L_{r_low}，公式为：

其中，M_h为H桥模块中最大基波调制度，ω_m＝2πf_m，ω_a＝2πf_a；

(3)令电感的上限值为L_{r_high}，令电感偏移量为ΔL，令可接受的角度偏差为令调谐滤波器支路在辅助频率部分的实际阻抗为Z_rr，根据ΔL与Z_rr、R_r、ω_a的关系计算ΔL，进而根据所述L_{r_low}与ΔL计算电感的上限值L_{r_high}，公式为：

L_{r_high}＝L_{r_low}+ΔL；

(4)根据计算出的L_{r_low}和L_{r_high}，选择L_r，使L_{r_low}≤L_r≤L_{r_high}，根据所述L_r计算电容C_r的值，公式为：

${\mathrm{\ω}}_a{L}_r=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_a{C}_r}.$

有益效果：本发明提供的一种基于辅助环储能系统的调谐滤波器在为辅助频率分量提供低阻抗通路的同时，最大限度的抑制基波分量的存在，即对基波分量形成一个高阻抗。

附图说明

图1是调谐滤波器的拓扑图；

图2是调谐滤波器组合一时的各电抗仿真图；

图3是调谐滤波器组合二时的各电抗仿真图；

图4是调谐滤波器选取两种电感值时的调谐支路电流与总电流的电流比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

本实施例的带辅助环储能系统包括三个H桥模块，调谐滤波器包括电感L_r、电容C_r和电阻R_r，所述电感L_r、电容C_r、电阻R_r串联，如图1所示，调谐滤波器是为了对辅助频率分量形成一个低阻抗的谐振通路，同时对基波分量形成一个高阻支路。由于调谐滤波器为一谐振电路，在理想情况下，则只要该滤波器中的电感和电容值满足谐振条件即可，但调谐滤波器在为辅助频率分量提供低阻抗通路的同时，应该能最大限度的抑制基波分量的存在，即对基波分量形成一个尽可能高的阻抗。

(1)令直流侧电压为V_c，令最大交换功率为P_emax，根据电阻R_r与V_c、P_emax的关系确定R_r，公式为：

$P_{emax}=\frac{V_c^2}{4R_r};$

(2)对角频率任意ω，调谐滤波器支路的阻抗值可以表示为：

$Z_r=R_r+{\mathrm{jL}}_r(\mathrm{\ω}-\frac{{\mathrm{\ω}}_a^2}{\mathrm{\ω}})$

其中，ω_a＝2πf_a为谐振角频率。

因为调谐滤波电路中的电阻R_r相对电抗来说很小，因而从上可知，调谐滤波器支路的阻抗值主要由其电感值决定，并且该支路在基波频率和辅助频率时的阻抗都随着电感值L_r的增大而增大。

令谐振频率为f_a，令谐振角频率为ω_a，令基波频率为f_m，令基波角频率为ω_m，令基频部分的损耗值为P_{loss_m}，令电感的下限值为L_{r_low}，令调谐滤波器在基波时的阻抗角根据基波的功率损耗值及公式，计算出所述电感的下限值L_{r_low}，公式为：

其中，M_h为三个H桥模块中最大基波调制度，ω_m＝2πf_m，ω_a＝2πf_a；

如果仅仅从调谐滤波器支路在基波部分的损耗来考虑，则其电感值L_r越大，其损耗越小。

为了分析调谐滤波器中不同电感值对整个电路阻抗和电流的影响，选取两种不同的调谐滤波器参数，并对其仿真结果进行比较，两种参数如下表所示：

仿真结果如图2至4所示。

从图4可知，调谐滤波器在小电容的情况下电流比的方差明显小于大电容时的情况。所以选择小电容有利于兼顾调谐和LC滤波器滤波功能的实现。

但是另一方面，谐振电路的品质因数且谐振支路电感和电容两端的电压有如下关系：U_L(jω)＝U_C(jω)＝QU_i(jω)，也即当调谐滤波器中电容越小，电感越大时，品质因数越高，此时电感电容两端将出现比U_i高出Q倍的过电压。

(3)同时，从另一个方面考虑，在实际使用的电感电容器必定存在一定的误差，且会随着外界环境(如使用温度等)的改变，具体参数也会存在一定的偏移，上述误差的存在，必定会对调谐滤波器的正确工作造成一定的影响。

令电感的上限值为L_{r_high}，令电感偏移量为ΔL，令可接受的角度偏差为令调谐滤波器支路在辅助频率部分的实际阻抗为Z_rr，根据ΔL与Z_rr、R_r、ω_a的关系计算ΔL，进而根据所述L_{r_low}与ΔL计算电感的上限值L_{r_high}，公式为：

L_{r_high}＝L_{r_low}+ΔL；

调谐滤波器支路的电流可表示为

为储能变换单元的等效输出辅助频率电压的相角，V_ah＝V_c，

从上式可知，谐振电感的偏移会导致辅助频率电流的相位偏移并且其幅值也会相应的减小。从而，三个H桥模块直流侧电源E₁～E₃交换的功率也将偏移理论值，甚至可能完全背离所需要交换的设计目标。例如，第三个H桥模块直流侧电源E₃输出的有功功率可能从0～P₃。其中P₃为

当调谐滤波器的电感值偏移量为±2％时，可以通过减小电感L_r或者增加电阻值R_r来最小化。R_r决定了交换功率的大小，SOC均衡速度和功率损耗。R_r的增加将会削弱SOC均衡控制运行和效率。而与此同时，减小电感L_r将会增加调谐滤波器支路中的基频分量。该支路中基频电压和电流的增加同样会影响整个系统的运行效率。因而，调谐滤波器支路中的电感和电阻的设计应该综合考虑系统的控制精度和整个系统的损耗。

(4)最后根据计算出的L_{r_low}和L_{r_high}，选择L_r，使L_{r_low}≤L_r≤L_{r_high}，根据所述L_r计算电容C_r的值，公式为：

${\mathrm{\ω}}_a{L}_r=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_a{C}_r}.$

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和有益效果和实施方案。本发明是基于辅助环储能系统功率交换的调谐滤波器的设计方法，对于其他类似滤波器的设计方法也属于本发明保护范围。