使用串联有源滤波器降低直流电源纹波

李 辉

(海军工程大学电气工程学院，湖北武汉430033)

随着大功率直流电源需求的日益增长，传统的换向式直流发电机由于存在机械换向问题，已逐步被交流电机配合多相整流AC/DC变换器的方案取代.采用整流变换器的主要不足是整流后输出的直流电压常叠加较大纹波成分.以常用的12脉波整流变换器为例，忽略整流变换器内阻，理论上换流装置输出除主要直流电压成分外，还主要含有交流基频的12倍频次电压特征谐波［1］.整流系统产生的直流电压源的电压脉动和电磁干扰过大，无法满足高精度稳压、稳流直流电源的供电要求.解决该问题的有效方法是加装有源滤波装置［2-7］.有源滤波器按照结构不同可分为并联型［2-4］、串联型［5-7］两类，主要用于改善电网电能质量.目前应用在直流电源中的有源滤波器大多属于并联型，但是并联型有源滤波器的性能受负载阻抗的影响较大，有时补偿效果并不理想.参照有源滤波器应用的相关结论［8］，选择串联结构有源滤波器作为补偿直流电源的等效谐波电压源更为合适.

串联型有源滤波器用于降低直流电源纹波，以往方案存在的主要问题是滤波装置借助耦合变压器直接串入直流母线，需要承受全部直流电流和较高的绝缘电压，器件负担过重［8］.针对这一不足，文中拟改进有源滤波器接入电网的方式，提出一种新的串联混合型结构.

1 有源滤波结构分析

图1为串联混合型有源滤波器主电路，包含无源模块和有源模块两部分.无源模块由电感L和电容C组成.有源模块与电容C串联后再与电感L并联，共同串入直流电源母线.联动开关K1，K2控制有源模块投切，K1闭合、K2断开时仅无源滤波模块工作，K1断开、K2闭合时有、无源模块共同工作.

图1 直流有源滤波器主电路

无源模块中，电感支路和电容支路组成并联谐振电路.假设两条并联谐振支路的阻抗分别为R1+jX1，R2+jX2，可以推导得到电路并联谐振条件为X1+X2=0，即并联支路组成回路的总电抗之和为0.电路谐振频率由X1，X2的值确定.

无源器件用于滤除直流纹波中含量最多的12次谐波(600 Hz)，据此选择电路并联谐振参数.试验表明无源器件对12次谐波具有较大的谐波阻抗，滤波后直流电压、电流中12次谐波大大衰减.

有源模块用于滤除其他含量较小的谐波成分，并提高滤波效果.该结构中有源模块只承受谐波电压和谐波电流，因此器件功率要求大大降低.

2 控制方案分析

图2为有源滤波器控制系统原理图，其中有源模块等效为受控电压源UA，ZR为等效负载，L，C为无源滤波器件，IR为直流电源电流，UR为滤波后直流电源电压，U为整流器输出等效电压源(主要包含直流成分和交流基频的12k次特征谐波).

图2 控制系统原理图

将串联型有源滤波器控制为谐波“阻塞”装置，其作用为增大线路谐波阻抗，保证谐波电压均降落到有源滤波器.理想情况下，希望串联有源滤波器对谐波呈现无穷大阻抗，则滤波后直流电源供电电压、电流无纹波.据此，定义系统性能函数

用于衡量其滤波效果.在需要滤波的频率区间，H(s)幅频特性的幅值越小越好.

仿真及试验电路参数见表1，后续分析均使用表1中数据，其中为整流器输出电压平均值.

参数 L/mH C/μF R/ΩU/V 16.0 4.4 100 1 000试验参数仿真参数15.6 4.5 100 1 000

根据图2，仅使用无源LC滤波模块时，

式中ZL，ZC，ZR分别表示器件L，C和负载的阻抗.

加入有源滤波模块后，将有源模块等效为受控电压源，不同的控制策略直接影响控制效果.

反馈控制策略是最常见的控制方法.检测直流线路电流IR中的谐波成分并用于控制有源滤波器，控制函数为GA1(s).

GA1(s)由控制环节和谐波检测环节两部分组成.控制环节使用比例控制器kp;谐波检测环节选取一阶高通滤波器s/(s+D)(参数D决定滤波器性能，D越大，滤波器动态性能越好，并有更好的低频衰减).对图2列写电路方程并化简得系统性能函数:

将表1的电路参数代入式(4)，根据Routh判据分析系统稳定性.分析发现，参数D取值较大时有利于提高谐波检测效果，但同时会影响控制器kp的取值范围及系统稳定性.使用单一反馈控制，系统性能和稳定性之间难以兼顾.

无源模块对于并联谐振点对应的12次谐波(600 Hz)有很好的抑制效果.但是对于线路中其他特征谐波，如24，36，48次谐波则几乎没有作用.如果安装一组无源滤波模块，分别并联谐振于各次特征谐波频率，可以实现对各次谐波的抑制，但明显成本过高.

分析表明，选择合适的控制策略，该无源滤波器组可以通过有源模块等效实现.检测流过有源模块的电流IA产生有源模块控制信号，有源模块等效为电流控制电压源UA(s)=GA2(s)IA(s)，此时其电路特性在图3中表现为等效阻抗GA2(s)［9］，该等效阻抗和原有无源滤波支路中的电容C串联，并且阻抗值是可控的.合理设计控制函数GA2(s)，可以构造一组谐振于12k次谐波的并联谐振滤波器组.

图3 有源滤波器等效电路

以针对24次谐波的滤波器设计为例，有源模块等效为阻抗GA2.无源器件的谐振频率为12次谐波.如果要求整个并联支路在24次谐波处具有并联谐振点，保持电感L不变，只需电容C和阻抗G24(s)组成支路的合成电容值为C/4.此时阻抗GA2(s)在24次谐波频率处应表现为电容特性C24=C/3.

式(5)为控制函数，由两部分组成:谐波检测环节传函，检测流过有源模块电流IA中的24次谐波成分，使用自适应谐波检测方法，其中参数ω24对应24次谐波角频率，系数M由谐波检测算法决定;1/(sC24)为有源模块等效电容传函.

类似方法针对36次、48次谐波构造滤波器组，得到完整控制函数:

式中n=24，36，48，C24=C/3，C36=C/8，C48=C/15.

检测电流IA实现的控制属于针对特征谐波的开环补偿，将其与反馈控制结合，得到复合控制方式:

其中前馈控制函数GA2(s)占主体部分，反馈控制函数GA1(s)主要用于减小开环控制误差，提高控制精度，所以GA1(s)不需要取很大，也就避免了稳定性问题.

图4为增加控制函数GA2(s)前后，电感、电容支路的系统函数的幅频特性比较.图4a中，未加入有源模块，无源器件仅谐振于12次谐波(600 Hz);图4b中，加入有源模块，电容支路增加等效串联阻抗GA2(s)，构造多调谐滤波器组，增加了1 200，1 800，2 400 Hz等多个并联谐振点.由于针对特征谐波频率处设置谐振陷波点，在这些特征频率处复合控制策略的滤波效果明显优于单一反馈控制.

图4 控制前后电感、电容支路幅频特性

3 滤波器性能比较

搭建仿真、试验平台验证前文分析.试验平台由12脉波相控整流电源(1 200 V/15 kW)和串联混合型直流有源滤波器(有源模块功率300 W)两部分组成.图5为Matlab仿真结果，为系统在不同控制策略下直流电源输出电压的波形.按照时间顺序，分别为滤波前、仅使用无源滤波模块、反馈控制策略和复合控制策略，可以看出直流电压纹波系数对应分别约为 5.13%，2.17%，1.34%和 0.68%，表明其纹波逐渐减小，有源滤波器滤波效果依次增强.

图6为不同补偿方案的试验效果比较.补偿前直流电源输出电压纹波系数为5.60%;仅采用无源滤波技术，电压纹波系数为2.79%;采用有源滤波后，电压纹波系数减小到0.74%.试验结果与理论分析以及仿真结果一致.

图5 有源滤波器滤波效果仿真波形

图6 有源滤波器滤波效果试验波形

4 结论

论文针对已有串联型有源滤波器需要承受全部直流电流和较高的绝缘电压、器件负担过重的不足，提出一种新的串联混合型有源滤波器，并研究与之相适应的系统控制策略.该结构能有效降低对电力电子器件的要求，有利于串联型补偿方案的实际应用.仿真和试验结果均验证了滤波方案的可行性和有效性.

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