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高压直流电网低频纹波的抑制

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《电工技术学报》2015年第S1期

早期的飞机电源系统是DC28V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DC28V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,DC270V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。DC270V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,DC270V系统具有重量轻、功耗小的特点。然而,由于DC270V设备的成本较高,且大量的飞机用电设备仍然需要DC28V或者AC115V供电,因此将DC270V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DC270V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(AeronauticStaticInverter,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。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。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(ActivePowerFilter,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。用于直流系统的APF称为直流APF,目前已在高压直流输电(HighVoltageDirectCurrent,HVDC)、高精度电源以及燃料电池系统中得到应用。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,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。

1ASI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。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3a~图3c所示3种直流APF拓扑已有文献研究。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。

3DC-APF控制策略及其性能分析

3.1DC-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。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。

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。

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。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。

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。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。

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。

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。

作者:陈仲 许亚明 王志辉 李梦南 单位: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

电工技术学报责任编辑:杨雪    阅读:人次
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