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《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2015年第S1期

早期的飛機(jī)電源系統(tǒng)是DC28V直流系統(tǒng)。受限于線路尺寸和接觸器功率，直流系統(tǒng)的母線電流合理值為400A左右，因此DC28V系統(tǒng)單通道輸送的最大功率約為12kW[1]。這對現(xiàn)代化新型飛機(jī)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(tǒng)被選為新型飛機(jī)的主電氣系統(tǒng)，是未來的一個(gè)發(fā)展趨勢。DC270V高壓直流電源系統(tǒng)已在美國空軍的第四代作戰(zhàn)飛機(jī)——F-22和F-35中得到運(yùn)用。相對于其他形式的飛機(jī)電源系統(tǒng)，DC270V系統(tǒng)具有重量輕、功耗小的特點(diǎn)。然而，由于DC270V設(shè)備的成本較高，且大量的飛機(jī)用電設(shè)備仍然需要DC28V或者AC115V供電，因此將DC270V變換作為傳統(tǒng)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(jìn)的270V航空高壓直流系統(tǒng)示意圖。每臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一臺(tái)無刷交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)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(jī)具有起動(dòng)/發(fā)電功能。270V直流母線上有四種負(fù)載：①直接使用DC270V作為工作電壓的負(fù)載；②通過DC-DC變換器給28V直流負(fù)載供電；③航空靜止變流器（AeronauticStaticInverter，ASI）；④蓄電池充放電負(fù)載。這四種負(fù)載中，ASI輸出為400Hz交流電，那么其輸出的瞬時(shí)功率中就有一個(gè)800Hz的脈動(dòng)量，如此必然會(huì)在直流輸入側(cè)引入一個(gè)800Hz的低頻紋波量。一般而言，270V航空高壓直流電網(wǎng)的電壓脈動(dòng)不能超過6V[3,4]，而800Hz的低頻紋波的引入，必定會(huì)增大電壓脈動(dòng)，影響供電質(zhì)量，因此必須對該低頻紋波加以抑制。傳統(tǒng)的濾除直流電網(wǎng)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(tǒng)中受到很大的限制。

自20世紀(jì)80年代以來，有源電力濾波器（ActivePowerFilter，APF）由于其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載影響而得到廣泛的關(guān)注。用于直流系統(tǒng)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(tǒng)中得到應(yīng)用。在航空電源系統(tǒng)中，交流有源濾波技術(shù)已被用于飛機(jī)電網(wǎng)電能質(zhì)量的控制，且取得了較好的效果。目前，直流航空電網(wǎng)的相關(guān)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(wǎng)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?fù)洹⒖刂七M(jìn)行了描述和分析，對控制系統(tǒng)建模，設(shè)計(jì)關(guān)鍵的控制參數(shù)，最后進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以證明航空直流APF的可行性。

1ASI輸入諧波對直流電網(wǎng)的影響

圖2所示為航空靜止變流器的基本結(jié)構(gòu)圖，采用兩級式的結(jié)構(gòu)，即前級DC-DC，后級逆變。iin為逆變器輸入電流，文獻(xiàn)[2]的分析指出，這個(gè)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(guān)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(jīng)過DC-DC環(huán)節(jié)向直流電網(wǎng)側(cè)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(wǎng)中仍會(huì)含有較高的800Hz紋波電流量。直流電網(wǎng)中800Hz低頻紋波的存在，會(huì)在電網(wǎng)內(nèi)阻抗上產(chǎn)生壓降，從而使得母線電壓也產(chǎn)生波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)惡化供電質(zhì)量，影響飛機(jī)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?fù)浼捌涔ぷ髟?/p>

2.1航空直流APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直流APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，直流APF與航空靜止變流器并聯(lián)接入直流電網(wǎng)，不改變原系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)。這里將ASI視為負(fù)載，在理想情況下，直流電網(wǎng)提供給ASI直流電流，而DC-APF則提供ASI正常運(yùn)行時(shí)所需的二次諧波電流。圖3a～圖3c所示3種直流APF拓?fù)湟延形墨I(xiàn)研究。圖3a和圖3b均為采用電流源型拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，主要濾除直流電網(wǎng)中工頻逆變器產(chǎn)生的二次紋波。圖3c為一個(gè)由直流斬波器和能量吸收電容組成的直流有源濾波器拓?fù)洌娙葜饕脕砦占y波功率，而電感則控制開關(guān)電流。然而這三種拓?fù)涞碾姼形恢镁辉陔娋W(wǎng)側(cè)，系統(tǒng)的效率和實(shí)用性將受到影響。圖3d為第四種DC-APF拓?fù)洌@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shí)，由于續(xù)流二極管一般使用開關(guān)管的體二極管，故其損耗也較大。圖3e為第五種DC-APF拓?fù)洌@種新型拓?fù)浣鉀Q了拓?fù)洧舻目煽啃院投O管損耗這兩個(gè)問題。圖中，Vd為直流電網(wǎng)電壓，iS為直流電網(wǎng)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(gè)電感電壓，iL1和iL2為兩個(gè)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?fù)洧踝鳛楹娇罩绷鰽PF的主電路結(jié)構(gòu)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(dǎo)通情況，其共有4種工作模態(tài)。

3DC-APF控制策略及其性能分析

3.1DC-APF控制策略與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中的APF一樣，直流APF也包含了基準(zhǔn)電流檢測電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩部分，其系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。和交流APF中的復(fù)雜諧波檢測算法不同，直流APF獲取補(bǔ)償電流基準(zhǔn)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(yīng)速度和控制精度的考慮，本文選擇滯環(huán)電流控制作為電流控制方式，當(dāng)然，為了使航空直流APF拓?fù)湫阅艿玫桨l(fā)揮，根據(jù)主電路工作原理對電流控制電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)是必需的。前文指出，不同的補(bǔ)償電流方向會(huì)導(dǎo)致不同的主電路工作狀態(tài)，因此在電流控制中要考慮這一點(diǎn)。圖5中，補(bǔ)償電流基準(zhǔn)ir和實(shí)際補(bǔ)償電流iC的誤差通過滯環(huán)比較器得到PWM信號A，ir經(jīng)過過零比較器得到極性信號B，對信號A和B進(jìn)行如下處理。

3.2滯環(huán)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(cuò)運(yùn)行。因此，其滯環(huán)控制小信號模型需要針對補(bǔ)償電流的方向分別建立。文獻(xiàn)[18]對該模型的建立進(jìn)行了推導(dǎo)，得到如圖6所示的小信號模型。

3.3控制系統(tǒng)性能分析航空直流APF整個(gè)系統(tǒng)的控制模型如圖7所示，圖中ki為補(bǔ)償電流采樣系數(shù)，iCf為采樣衰減后的補(bǔ)償電流，kv為直流APF電容電壓采樣系數(shù)，Vdcf為采樣衰減后的電容電壓。電流誤差Δi經(jīng)過滯環(huán)比較器，得到占空比信號d，d通過兩個(gè)傳遞函數(shù)，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(tài)中，有兩種狀態(tài)APF電容不參與工作，因此，根據(jù)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(tǒng)是一個(gè)開環(huán)的系統(tǒng)，其總是穩(wěn)定的。對于APF電容工作的工況（圖8b），系統(tǒng)閉環(huán)，此時(shí)系統(tǒng)控制參數(shù)對性能的影響較大，下面將對此工況進(jìn)行重點(diǎn)分析。

4仿真與實(shí)驗(yàn)研究

4.1仿真分析為了簡化驗(yàn)證流程，這里以一個(gè)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(guān)紋波，濾除高頻紋波之后的電流作為直流電網(wǎng)負(fù)載電流。其仿真波形如圖12所示：分別為逆變器直流側(cè)輸入電流iin，直流電網(wǎng)負(fù)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(jīng)過濾波后，作為直流電網(wǎng)負(fù)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(tǒng)參數(shù)為：直流電網(wǎng)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(fù)載電流iL的低頻紋波電流大小相等，方向相反。補(bǔ)償后，電網(wǎng)只提供平滑的直流電流。

4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證參照仿真模型，搭建了航空直流APF的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)和仿真一致。圖14為航空直流APF在空載和滿載工況下的實(shí)驗(yàn)波形，從上至下分別為負(fù)載電流iL，流入APF的電流iC，電網(wǎng)提供的電流iS。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，航空直流APF能夠較好地補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的低頻紋波，補(bǔ)償后直流電網(wǎng)只提供平滑的直流電流。

5結(jié)論

（1）針對高壓航空電網(wǎng)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?fù)洌治隽似涔ぷ髟恚@種新型拓?fù)渚哂锌煽啃愿摺p耗低的特點(diǎn)。（2）詳細(xì)介紹了新型航空直流APF的控制策略，通過對控制系統(tǒng)的建模，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的性能，對幾個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)控制參數(shù)，利用伯德圖對其進(jìn)行了對比設(shè)計(jì)，根據(jù)800Hz應(yīng)用場合的特性，選取了合適的控制參數(shù)，使得系統(tǒng)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(fù)載，進(jìn)行了相關(guān)的仿真，并搭建了一套航空直流APF的原理樣機(jī)，結(jié)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(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室