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《電工技術學報》2015年第S1期

早期的飛機電源系統是DC28V直流系統。受限于線路尺寸和接觸器功率，直流系統的母線電流合理值為400A左右，因此DC28V系統單通道輸送的最大功率約為12kW[1]。這對現代化新型飛機的電氣容量而言顯然是不合適的，因此，DC270V的高壓直流電源系統被選為新型飛機的主電氣系統，是未來的一個發展趨勢。DC270V高壓直流電源系統已在美國空軍的第四代作戰飛機——F-22和F-35中得到運用。相對于其他形式的飛機電源系統，DC270V系統具有重量輕、功耗小的特點。然而，由于DC270V設備的成本較高，且大量的飛機用電設備仍然需要DC28V或者AC115V供電，因此將DC270V變換作為傳統供電電壓的電力電子變換器依舊不可或缺。圖1所示為一種較為先進的270V航空高壓直流系統示意圖。每臺航空發動機帶動一臺無刷交流發電機產生交流電，通過雙向AC-DC功率變換電路，輸出270V直流電壓。雙向AC-DC功率變換器的使用使得該電機具有起動/發電功能。270V直流母線上有四種負載：①直接使用DC270V作為工作電壓的負載；②通過DC-DC變換器給28V直流負載供電；③航空靜止變流器（AeronauticStaticInverter，ASI）；④蓄電池充放電負載。這四種負載中，ASI輸出為400Hz交流電，那么其輸出的瞬時功率中就有一個800Hz的脈動量，如此必然會在直流輸入側引入一個800Hz的低頻紋波量。一般而言，270V航空高壓直流電網的電壓脈動不能超過6V[3,4]，而800Hz的低頻紋波的引入，必定會增大電壓脈動，影響供電質量，因此必須對該低頻紋波加以抑制。傳統的濾除直流電網中低頻紋波的解決方案是采用無源濾波器，但是較大的體積重量、較差的頻率溫度特性使得其在航空系統中受到很大的限制。

自20世紀80年代以來，有源電力濾波器（ActivePowerFilter，APF）由于其補償特性不受電網參數和負載影響而得到廣泛的關注。用于直流系統的APF稱為直流APF，目前已在高壓直流輸電（HighVoltageDirectCurrent，HVDC）、高精度電源以及燃料電池系統中得到應用。在航空電源系統中，交流有源濾波技術已被用于飛機電網電能質量的控制，且取得了較好的效果。目前，直流航空電網的相關研究尚存在空白，因此，采用直流APF來抑制270V航空高壓直流電網中的低頻紋波，具有較為重要的研究意義。本文對航空直流APF的拓撲、控制進行了描述和分析，對控制系統建模，設計關鍵的控制參數，最后進行仿真和實驗驗證，以證明航空直流APF的可行性。

1ASI輸入諧波對直流電網的影響

圖2所示為航空靜止變流器的基本結構圖，采用兩級式的結構，即前級DC-DC，后級逆變。iin為逆變器輸入電流，文獻[2]的分析指出，這個電流的諧波成分較為豐富，除了800Hz低頻紋波外，還有大量由于高頻開關所造成的高次諧波。Chf為高頻濾波電容，用于濾除iin中的高次諧波，使得電流iint中只含有直流量和800Hz紋波量。電流iint經過DC-DC環節向直流電網側傳播，雖然可以通過增大濾波電容來減小800Hz紋波量的大小，但是由于受制于體積重量以及成本，直流電網中仍會含有較高的800Hz紋波電流量。直流電網中800Hz低頻紋波的存在，會在電網內阻抗上產生壓降，從而使得母線電壓也產生波動，嚴重時會惡化供電質量，影響飛機的性能和飛行安全。本文選擇有源抑制的方式來消除這一影響。

2航空直流APF拓撲及其工作原理

2.1航空直流APF拓撲結構直流APF系統結構如圖3所示，直流APF與航空靜止變流器并聯接入直流電網，不改變原系統電路結構。這里將ASI視為負載，在理想情況下，直流電網提供給ASI直流電流，而DC-APF則提供ASI正常運行時所需的二次諧波電流。圖3a～圖3c所示3種直流APF拓撲已有文獻研究。圖3a和圖3b均為采用電流源型拓撲的結構，主要濾除直流電網中工頻逆變器產生的二次紋波。圖3c為一個由直流斬波器和能量吸收電容組成的直流有源濾波器拓撲，電容主要用來吸收紋波功率，而電感則控制開關電流。然而這三種拓撲的電感位置均不在電網側，系統的效率和實用性將受到影響。圖3d為第四種DC-APF拓撲，這種拓撲結構較為簡單，但是有可能造成APF電容兩端短路，因此可靠性存在隱患。同時，由于續流二極管一般使用開關管的體二極管，故其損耗也較大。圖3e為第五種DC-APF拓撲，這種新型拓撲解決了拓撲Ⅳ的可靠性和二極管損耗這兩個問題。圖中，Vd為直流電網電壓，iS為直流電網提供的電流，iL為流入ASI的電流，iC為流入DC-APF的電流，vL1和vL2為兩個電感電壓，iL1和iL2為兩個電感電流，兩電感感值均為L，Vdc為APF電容上的電壓，電流電壓參考方向見圖中所示。基于可靠性和損耗等多方面考慮，本文最終采用拓撲Ⅴ作為航空直流APF的主電路結構形式。

2.2航空直流APF工作原理航空直流APF的工作原理如圖4所示，按功率管的導通情況，其共有4種工作模態。

3DC-APF控制策略及其性能分析

3.1DC-APF控制策略與傳統交流系統中的APF一樣，直流APF也包含了基準電流檢測電路和補償電流發生電路兩部分，其系統控制框圖如圖5所示。和交流APF中的復雜諧波檢測算法不同，直流APF獲取補償電流基準的方式則較為簡單，可以用式（5）表示。電流控制方面，出于響應速度和控制精度的考慮，本文選擇滯環電流控制作為電流控制方式，當然，為了使航空直流APF拓撲性能得到發揮，根據主電路工作原理對電流控制電路進行適當的改進是必需的。前文指出，不同的補償電流方向會導致不同的主電路工作狀態，因此在電流控制中要考慮這一點。圖5中，補償電流基準ir和實際補償電流iC的誤差通過滯環比較器得到PWM信號A，ir經過過零比較器得到極性信號B，對信號A和B進行如下處理。

3.2滯環控制小信號模型直流APF可等效為Boost電路和Buck電路以半周期模式交錯運行。因此，其滯環控制小信號模型需要針對補償電流的方向分別建立。文獻[18]對該模型的建立進行了推導，得到如圖6所示的小信號模型。

3.3控制系統性能分析航空直流APF整個系統的控制模型如圖7所示，圖中ki為補償電流采樣系數，iCf為采樣衰減后的補償電流，kv為直流APF電容電壓采樣系數，Vdcf為采樣衰減后的電容電壓。電流誤差Δi經過滯環比較器，得到占空比信號d，d通過兩個傳遞函數，GL(s)和GC(s)，分別得到流入主電路的電流iC和APF電容電壓Vdc。由前文的工作原理可知，航空直流APF主電路的4種工作狀態中，有兩種狀態APF電容不參與工作，因此，根據APF電容工作與否，可將圖7的模型簡化為兩種形式，如圖8所示。對于APF電容不工作的工況（圖8a），系統是一個開環的系統，其總是穩定的。對于APF電容工作的工況（圖8b），系統閉環，此時系統控制參數對性能的影響較大，下面將對此工況進行重點分析。

4仿真與實驗研究

4.1仿真分析為了簡化驗證流程，這里以一個1kV•A的115V/400Hz逆變器來代替航空靜止變流器，逆變器直流輸入端采用LC濾波濾除高頻開關紋波，濾除高頻紋波之后的電流作為直流電網負載電流。其仿真波形如圖12所示：分別為逆變器直流側輸入電流iin，直流電網負載電流iL，逆變器輸出電壓uo。可以看到逆變器輸入電流中含有大量的高頻諧波，經過濾波后，作為直流電網負載電流的波形為直流波形，含有800Hz的低頻紋波。航空直流APF系統參數為：直流電網電壓270V，APF電感800μH，APF電容470μF，電容電壓400V。圖13給出了航空直流APF的工作波形，流入APF的電流iC和負載電流iL的低頻紋波電流大小相等，方向相反。補償后，電網只提供平滑的直流電流。

4.2實驗驗證參照仿真模型，搭建了航空直流APF的實驗平臺來進行進一步驗證，實驗參數和仿真一致。圖14為航空直流APF在空載和滿載工況下的實驗波形，從上至下分別為負載電流iL，流入APF的電流iC，電網提供的電流iS。從實驗結果來看，航空直流APF能夠較好地補償負載產生的低頻紋波，補償后直流電網只提供平滑的直流電流。

5結論

（1）針對高壓航空電網中的低頻紋波問題，本文提出采用航空直流有源濾波器來抑制。簡述了航空直流APF的拓撲，分析了其工作原理，這種新型拓撲具有可靠性高、損耗低的特點。（2）詳細介紹了新型航空直流APF的控制策略，通過對控制系統的建模，詳細分析了系統的性能，對幾個關鍵的系統控制參數，利用伯德圖對其進行了對比設計，根據800Hz應用場合的特性，選取了合適的控制參數，使得系統的濾波效果得到保證。（3）利用帶輸入濾波器的400Hz逆變器作為負載，進行了相關的仿真，并搭建了一套航空直流APF的原理樣機，結果表明了航空直流APF的可行性以及理論分析的正確性。

作者：陳仲 許亞明 王志輝 李夢南 單位：南京航空航天大學江蘇省新能源發電與電能變換重點實驗室