航空高壓直流電網低頻紋波的有源抑制

陳 仲 許亞明 王志輝 李夢南

（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 南京 210016）

0 引言

早期的飛機電源系統是DC 28V 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DC 28V 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，DC 270V 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。

DC 270V 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，DC 270V 系統具有重量輕、功耗小的特點。然而，由于DC 270V 設備的成本較高，且大量的飛機用電設備仍然需要DC 28V或者AC 115V 供電，因此將DC 270V 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DC 270V 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（Aeronautic Static Inverter，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[2]。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。

圖1 270V 航空高壓直流供電系統示意圖Fig.1 The 270V aeronautic high voltage DC power system

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（Active Power Filter，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[5-7]。用于直流系統的APF 稱為直流APF，目前已在高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）[8,9]、高精度電源[10,11]以及燃料電池系統[12]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[13-15]，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。

1 ASI 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。

圖2 航空靜止變流器Fig.2 Aeronautic static inverter

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3 航空直流APFFig.3 Aeronautic DC-APF

圖3a～圖3c 所示3 種直流APF 拓撲已有文獻研究[16,17]。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。

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

模態1（圖4a）：iC＞0，即補償電流流入DC-APF主電路，開關管S2施加觸發信號，S2導通，電感L2儲能，此時有式（1）成立。

模態2（圖4b）：iC＞0，開關管S2關斷，電感L2上的電流通過二極管VD1續流，電感L2釋放能量，式（2）此時成立。

模態3（圖4c）：iC＜0，即補償電流流出DC-APF主電路，開關管S1有驅動信號，電感L1儲能，該模態電流電壓表達式為

模態4（圖4d）：iC＜0，開關管S1關斷，電感L1上的電流通過二極管VD2續流，電感L2的能量釋放到電網中，此時有

通過對航空直流APF 拓撲工作原理的分析，可以看出，當iC＞0時，航空直流APF 工作于Boost狀態；當iC＜0時，航空直流APF 工作于Buck狀態。

3 DC-APF 控制策略及其性能分析

3.1 DC-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。

式中，iref為二次諧波檢測的輸出，在數值上等于ASI 輸入端二次諧波的負值；IL為iL的直流量，即直流電網所應該提供的直流電流。iref和APF 電容電壓環輸出相疊加構成補償電流基準ir。

圖5 航空直流APF 控制框圖Fig.5 Control diagram of aeronautic DC-APF

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

式中，Q1和Q2分別為開關管S1和S2的驅動信號。

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。其中，GL(s)=Vdc/(sL)。

圖6 航空直流APF 滯環控制小信號模型Fig.6 Small signal model of HCC of aeronautic DC-APF

根據補償電流方向，有如下兩組表達式成立。

因而對電流環而言，其閉環傳遞函數表示為

當且僅當開關頻率相對ASI 輸出頻率非常高時上式成立，電流環可以等效為線性環節。

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。

圖7 航空直流APF 系統控制模型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。

圖8 航空直流APF 簡化模型Fig.8 Simplified model of aeronautic DC-APF

為方便分析，這里先給出了APF 電容工作工況時的控制信號流圖，如圖9所示。

圖9 電容工作時系統信號流圖Fig.9 Signal flow graph when capacitor working

圖中，GPI(s)為APF 電容電壓環傳遞函數

式中，KP為比例參數；KI為積分參數。由信號流圖，通過梅森公式，可以得到二次諧波檢測值iref(s)到補償電流iC(s)的閉環傳遞函數ΦiC(s)為

由勞斯判據，ΦiC(s)穩定的條件是ki＞0，kvKP＞0，kvKI＞0，顯然是滿足的。由式（11）可知，在電容C、補償電流采樣系數ki和APF 電容電壓采樣系數kv確定的情況下，電容電壓環參數對系統的性能起了主要作用。這里設定C=470μF，ki=0.5，kv=1/100，來研究電容電壓環參數對ΦiC(s)的影響。

首先固定積分參數KI值為100，通過變化比例參數KP值，考察KP對系統的影響。如圖10a 所示，看到隨著KP參數的增大，ΦiC(s)的增益越小，這對系統性能不利，因而KP參數應取較小值。

圖10b 所示為KI參數對性能的影響，可以看出KI參數對性能影響不是很大，取值可以適中。

同樣，通過圖9，可以得到二次諧波檢測值iref(s)到APF 電容電壓Vdc(s)的閉環傳遞函數

圖10 PI 參數對系統性能ΦiC(s)的影響Fig.10 Influence of PI parameters onΦiC(s)

同樣，作出PI 參數對ΦVdc(s)的影響伯德圖，通過圖11可看出，KP參數越大，系統增益越高，特別是在800Hz 頻段，KP必須有一定的值才能保證系統具有足夠的增益；而KI參數則對系統基本無影響。

圖11 PI 參數對系統性能ΦVdc(s)的影響Fig.11 Influence of PI parameters onΦVdc(s)

綜合各參數下系統在800Hz 頻段下的表現，選定PI 參數如下：KP=5，KI=20。

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。

圖12 400Hz 逆變器仿真結果Fig.12 Simulation results of the 400Hz inverter

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。

圖13 航空直流APF 補償波形Fig.13 Simulation results of aeronautic DC-APF

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。

圖14 航空直流APF 實驗波形Fig.14 Experimental results of aeronautic DC-APF

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。

[1]Moir I,Seabridge A.Aircraft system:mechanical,electrical,and avionics subsystems integration[M].3rd ed.West Sussex,UK:John Wiley & Sons Ltd,2008.

[2]陳仲,汪昌友,陳淼.航空靜止變流器的輸入紋波電流特性研究[J].中國電機工程學報,2012,32(27):154-161.

Chen Zhong,Wang Changyou,Chen Miao.Analysis on input ripple current characteristics of aviation static inverters[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(27):154-161.

[3]中華人民共和國解放軍總裝備部.GJB 181A—2003 飛機供電特性[S].北京:總裝備部軍標出版發行部,2003:6-9.

[4]USA.Department of defense.MIL-STD-704F Aircraft Electric Power Characteristics[S].Lakehurst,2004.

[5]Gyugyi L,Strycula E C.Active ac power filter[C].IEEE-IAS Annual Meeting,1976:529-535.

[6]Akagi H,Watanabe E H,Aredes M.Instantaneous power theory and applications to power conditioning[M].Piscataway,NJ:IEEE Press,2007.

[7]Singh B,Al-Haddad K,Chandra A.A review of active filters for power quality improvement[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1999,46(5):960-971.

[8]Zhang W,Asplund G,Aberg A,et al.Active DC filter for HVDC system—a test installation in the Konti- Skan DC link at Lindome converter station[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1993,8(3):1599-1606.

[9]Miller A,Dewe M.Harmonic measurements made on the upgraded New Zealand inter-island HVDC trans- mission system[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1994,9(3):1281-1288.

[10]Li K,Liu J,Xiao G,et al.Novel load ripple voltage- controlled parallel DC active power filters for high performance magnet power supplies[J].IEEE Trans- actions on Nuclear Science,2006,53(3):1530-1539.

[11]Chow A,Parreault D.Design and evaluation of a hybrid passive/active ripple filter with voltage injection[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2003,39(2):471-480.

[12]Mazumder S,Burra R,Acharya K.A ripple-mitigating and energy-efficient fuel cell power-conditioning system[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(4):1437-1452.

[13]Chen Z,Luo Y,Chen M.Control and performance of a cascaded shunt active power filter for aircraft electric power system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(9):3614-3623.

[14]陳仲,陳淼,羅穎鵬,等.一種采用單功率管橋臂的并聯型有源濾波器[J].中國電機工程學報,2012,32(3):22-29.

Chen Zhong,Chen Miao,Luo Yingpeng,et al.A parallel active power filter with single power switch leg[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(3):22-29.

[15]Liu J,Zanchetta P,Degano M.Control design and implementation for high performance shunt active filters in aircraft power grids[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(9):3604-3613.

[16]Xing K.Modeling,analysis and design of distributed power electronics system based on building block concept[D].Blacksburg,Virginia:Virginia Polytechnic Institute and State University,1999.

[17]Itoh J,Hayashi F.Ripple current reduction of a fuel cell for a single-phase isolated converter using a DC active filter with a center tap[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(3):550-556.

[18]朱銀玉.航空直流有源濾波器的關鍵技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2010.