航空高压直流电网低频纹波的有源抑制

陈 仲 许亚明 王志辉 李梦南

（南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京 210016）

0 引言

早期的飞机电源系统是DC 28V 直流系统。受限于线路尺寸和接触器功率，直流系统的母线电流合理值为400A 左右，因此DC 28V 系统单通道输送的最大功率约为12kW[1]。这对现代化新型飞机的电气容量而言显然是不合适的，因此，DC 270V 的高压直流电源系统被选为新型飞机的主电气系统，是未来的一个发展趋势。

DC 270V 高压直流电源系统已在美国空军的第四代作战飞机——F-22 和F-35 中得到运用。相对于其他形式的飞机电源系统，DC 270V 系统具有重量轻、功耗小的特点。然而，由于DC 270V 设备的成本较高，且大量的飞机用电设备仍然需要DC 28V或者AC 115V 供电，因此将DC 270V 变换作为传统供电电压的电力电子变换器依旧不可或缺。

图1所示为一种较为先进的270V 航空高压直流系统示意图。每台航空发动机带动一台无刷交流发电机产生交流电，通过双向AC-DC 功率变换电路，输出270V 直流电压。双向AC-DC 功率变换器的使用使得该电机具有起动/发电功能。270V 直流母线上有四种负载：①直接使用DC 270V 作为工作电压的负载；②通过DC-DC 变换器给28V 直流负载供电；③航空静止变流器（Aeronautic Static Inverter，ASI）；④蓄电池充放电负载。这四种负载中，ASI输出为400Hz 交流电，那么其输出的瞬时功率中就有一个800Hz 的脉动量，如此必然会在直流输入侧引入一个800Hz 的低频纹波量[2]。一般而言，270V航空高压直流电网的电压脉动不能超过6V[3,4]，而800Hz 的低频纹波的引入，必定会增大电压脉动，影响供电质量，因此必须对该低频纹波加以抑制。

图1 270V 航空高压直流供电系统示意图Fig.1 The 270V aeronautic high voltage DC power system

传统的滤除直流电网中低频纹波的解决方案是采用无源滤波器，但是较大的体积重量、较差的频率温度特性使得其在航空系统中受到很大的限制。自20 世纪80年代以来，有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）由于其补偿特性不受电网参数和负载影响而得到广泛的关注[5-7]。用于直流系统的APF 称为直流APF，目前已在高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）[8,9]、高精度电源[10,11]以及燃料电池系统[12]中得到应用。在航空电源系统中，交流有源滤波技术已被用于飞机电网电能质量的控制[13-15]，且取得了较好的效果。目前，直流航空电网的相关研究尚存在空白，因此，采用直流APF 来抑制270V 航空高压直流电网中的低频纹波，具有较为重要的研究意义。

本文对航空直流APF 的拓扑、控制进行了描述和分析，对控制系统建模，设计关键的控制参数，最后进行仿真和实验验证，以证明航空直流APF 的可行性。

1 ASI 输入谐波对直流电网的影响

图2所示为航空静止变流器的基本结构图，采用两级式的结构，即前级 DC-DC，后级逆变。iin为逆变器输入电流，文献[2]的分析指出，这个电流的谐波成分较为丰富，除了800Hz 低频纹波外，还有大量由于高频开关所造成的高次谐波。Chf为高频滤波电容，用于滤除iin中的高次谐波，使得电流iint中只含有直流量和800Hz 纹波量。

图2 航空静止变流器Fig.2 Aeronautic static inverter

电流iint经过DC-DC 环节向直流电网侧传播，虽然可以通过增大滤波电容来减小800Hz 纹波量的大小，但是由于受制于体积重量以及成本，直流电网中仍会含有较高的800Hz 纹波电流量。直流电网中800Hz 低频纹波的存在，会在电网内阻抗上产生压降，从而使得母线电压也产生波动，严重时会恶化供电质量，影响飞机的性能和飞行安全。本文选择有源抑制的方式来消除这一影响。

2 航空直流APF 拓扑及其工作原理

2.1 航空直流APF 拓扑结构

直流APF 系统结构如图3所示，直流APF 与航空静止变流器并联接入直流电网，不改变原系统电路结构。这里将ASI 视为负载，在理想情况下，直流电网提供给ASI 直流电流，而DC-APF 则提供ASI 正常运行时所需的二次谐波电流。

图3 航空直流APFFig.3 Aeronautic DC-APF

图3a～图3c 所示3 种直流APF 拓扑已有文献研究[16,17]。图3a 和图3b 均为采用电流源型拓扑的结构，主要滤除直流电网中工频逆变器产生的二次纹波。图3c 为一个由直流斩波器和能量吸收电容组成的直流有源滤波器拓扑，电容主要用来吸收纹波功率，而电感则控制开关电流。然而这三种拓扑的电感位置均不在电网侧，系统的效率和实用性将受到影响。

图3d 为第四种DC-APF 拓扑，这种拓扑结构较为简单，但是有可能造成APF 电容两端短路，因此可靠性存在隐患。同时，由于续流二极管一般使用开关管的体二极管，故其损耗也较大。

图3e 为第五种DC-APF 拓扑，这种新型拓扑解决了拓扑Ⅳ的可靠性和二极管损耗这两个问题。图中，Vd为直流电网电压，iS为直流电网提供的电流，iL为流入ASI 的电流，iC为流入DC-APF 的电流，vL1和vL2为两个电感电压，iL1和iL2为两个电感电流，两电感感值均为L，Vdc为APF 电容上的电压，电流电压参考方向见图中所示。基于可靠性和损耗等多方面考虑，本文最终采用拓扑Ⅴ作为航空直流APF 的主电路结构形式。

2.2 航空直流APF 工作原理

航空直流APF 的工作原理如图4所示，按功率管的导通情况，其共有4 种工作模态。

图4 航空直流APF 工作原理Fig.4 Operation principle of aeronautic DC-APF

模态1（图4a）：iC＞0，即补偿电流流入DC-APF主电路，开关管S2施加触发信号，S2导通，电感L2储能，此时有式（1）成立。

模态2（图4b）：iC＞0，开关管S2关断，电感L2上的电流通过二极管VD1续流，电感L2释放能量，式（2）此时成立。

模态3（图4c）：iC＜0，即补偿电流流出DC-APF主电路，开关管S1有驱动信号，电感L1储能，该模态电流电压表达式为

模态4（图4d）：iC＜0，开关管S1关断，电感L1上的电流通过二极管VD2续流，电感L2的能量释放到电网中，此时有

通过对航空直流APF 拓扑工作原理的分析，可以看出，当iC＞0时，航空直流APF 工作于Boost状态；当iC＜0时，航空直流APF 工作于Buck状态。

3 DC-APF 控制策略及其性能分析

3.1 DC-APF 控制策略

与传统交流系统中的APF 一样，直流APF 也包含了基准电流检测电路和补偿电流发生电路两部分，其系统控制框图如图5所示。和交流APF 中的复杂谐波检测算法不同，直流APF 获取补偿电流基准的方式则较为简单，可以用式（5）表示。

式中，iref为二次谐波检测的输出，在数值上等于ASI 输入端二次谐波的负值；IL为iL的直流量，即直流电网所应该提供的直流电流。iref和APF 电容电压环输出相叠加构成补偿电流基准ir。

图5 航空直流APF 控制框图Fig.5 Control diagram of aeronautic DC-APF

电流控制方面，出于响应速度和控制精度的考虑，本文选择滞环电流控制作为电流控制方式，当然，为了使航空直流APF 拓扑性能得到发挥，根据主电路工作原理对电流控制电路进行适当的改进是必需的。前文指出，不同的补偿电流方向会导致不同的主电路工作状态，因此在电流控制中要考虑这一点。图5中，补偿电流基准ir和实际补偿电流iC的误差通过滞环比较器得到PWM 信号A，ir经过过零比较器得到极性信号B，对信号A 和B 进行如下处理

式中，Q1和Q2分别为开关管S1和S2的驱动信号。

3.2 滞环控制小信号模型

直流APF 可等效为Boost 电路和Buck 电路以半周期模式交错运行。因此，其滞环控制小信号模型需要针对补偿电流的方向分别建立。文献[18]对该模型的建立进行了推导，得到如图6所示的小信号模型。其中，GL(s)=Vdc/(sL)。

图6 航空直流APF 滞环控制小信号模型Fig.6 Small signal model of HCC of aeronautic DC-APF

根据补偿电流方向，有如下两组表达式成立。

因而对电流环而言，其闭环传递函数表示为

当且仅当开关频率相对ASI 输出频率非常高时上式成立，电流环可以等效为线性环节。

3.3 控制系统性能分析

航空直流APF 整个系统的控制模型如图7所示，图中ki为补偿电流采样系数，iCf为采样衰减后的补偿电流，kv为直流APF 电容电压采样系数，Vdcf为采样衰减后的电容电压。电流误差Δi经过滞环比较器，得到占空比信号d，d通过两个传递函数，GL(s)和GC(s)，分别得到流入主电路的电流iC和APF 电容电压Vdc。

图7 航空直流APF 系统控制模型Fig.7 System control model of aeronautic DC-APF

由前文的工作原理可知，航空直流APF 主电路的4 种工作状态中，有两种状态APF 电容不参与工作，因此，根据APF 电容工作与否，可将图7的模型简化为两种形式，如图8所示。对于APF 电容不工作的工况（图8a），系统是一个开环的系统，其总是稳定的。对于APF 电容工作的工况（图8b），系统闭环，此时系统控制参数对性能的影响较大，下面将对此工况进行重点分析。

图8 航空直流APF 简化模型Fig.8 Simplified model of aeronautic DC-APF

为方便分析，这里先给出了APF 电容工作工况时的控制信号流图，如图9所示。

图9 电容工作时系统信号流图Fig.9 Signal flow graph when capacitor working

图中，GPI(s)为APF 电容电压环传递函数

式中，KP为比例参数；KI为积分参数。由信号流图，通过梅森公式，可以得到二次谐波检测值iref(s)到补偿电流iC(s)的闭环传递函数ΦiC(s)为

由劳斯判据，ΦiC(s)稳定的条件是ki＞0，kvKP＞0，kvKI＞0，显然是满足的。由式（11）可知，在电容C、补偿电流采样系数ki和APF 电容电压采样系数kv确定的情况下，电容电压环参数对系统的性能起了主要作用。这里设定C=470μF，ki=0.5，kv=1/100，来研究电容电压环参数对ΦiC(s)的影响。

首先固定积分参数KI值为100，通过变化比例参数KP值，考察KP对系统的影响。如图10a 所示，看到随着KP参数的增大，ΦiC(s)的增益越小，这对系统性能不利，因而KP参数应取较小值。

图10b 所示为KI参数对性能的影响，可以看出KI参数对性能影响不是很大，取值可以适中。

同样，通过图9，可以得到二次谐波检测值iref(s)到APF 电容电压Vdc(s)的闭环传递函数

图10 PI 参数对系统性能ΦiC(s)的影响Fig.10 Influence of PI parameters onΦiC(s)

同样，作出PI 参数对ΦVdc(s)的影响伯德图，通过图11可看出，KP参数越大，系统增益越高，特别是在800Hz 频段，KP必须有一定的值才能保证系统具有足够的增益；而KI参数则对系统基本无影响。

图11 PI 参数对系统性能ΦVdc(s)的影响Fig.11 Influence of PI parameters onΦVdc(s)

综合各参数下系统在800Hz 频段下的表现，选定PI 参数如下：KP=5，KI=20。

4 仿真与实验研究

4.1 仿真分析

为了简化验证流程，这里以一个1kV·A 的115V/ 400Hz 逆变器来代替航空静止变流器，逆变器直流输入端采用LC 滤波滤除高频开关纹波，滤除高频纹波之后的电流作为直流电网负载电流。其仿真波形如图12所示：分别为逆变器直流侧输入电流iin，直流电网负载电流iL，逆变器输出电压uo。可以看到逆变器输入电流中含有大量的高频谐波，经过滤波后，作为直流电网负载电流的波形为直流波形，含有800Hz 的低频纹波。

图12 400Hz 逆变器仿真结果Fig.12 Simulation results of the 400Hz inverter

航空直流APF 系统参数为：直流电网电压270V，APF 电感800μH，APF 电容470μF，电容电压400V。图13给出了航空直流APF 的工作波形，流入APF的电流iC和负载电流iL的低频纹波电流大小相等，方向相反。补偿后，电网只提供平滑的直流电流。

图13 航空直流APF 补偿波形Fig.13 Simulation results of aeronautic DC-APF

4.2 实验验证

参照仿真模型，搭建了航空直流APF 的实验平台来进行进一步验证，实验参数和仿真一致。

图14为航空直流APF 在空载和满载工况下的实验波形，从上至下分别为负载电流iL，流入APF的电流iC，电网提供的电流iS。从实验结果来看，航空直流APF 能够较好地补偿负载产生的低频纹波，补偿后直流电网只提供平滑的直流电流。

图14 航空直流APF 实验波形Fig.14 Experimental results of aeronautic DC-APF

5 结论

（1）针对高压航空电网中的低频纹波问题，本文提出采用航空直流有源滤波器来抑制。简述了航空直流APF 的拓扑，分析了其工作原理，这种新型拓扑具有可靠性高、损耗低的特点。

（2）详细介绍了新型航空直流APF 的控制策略，通过对控制系统的建模，详细分析了系统的性能，对几个关键的系统控制参数，利用伯德图对其进行了对比设计，根据800Hz 应用场合的特性，选取了合适的控制参数，使得系统的滤波效果得到保证。

（3）利用带输入滤波器的400Hz 逆变器作为负载，进行了相关的仿真，并搭建了一套航空直流APF的原理样机，结果表明了航空直流APF 的可行性以及理论分析的正确性。

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