直流有源電力濾波技術(shù)及其應(yīng)用

1引言

大功率的低紋波、高精度穩(wěn)定/脈沖直流電源是一種非常重要的特種電源，在現(xiàn)代科學(xué)研究和醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

高能物理研究中的質(zhì)子同步加速器，核磁共振裝置中的磁體以及超導(dǎo)電工技術(shù)研究中的超導(dǎo)磁體都對磁場的長期穩(wěn)定度提出了嚴(yán)格的要求。要保證磁場的長期穩(wěn)定，就要保證其勵磁電流的長期穩(wěn)定。在要求穩(wěn)定電源輸出電流穩(wěn)定的場合，一般同時要求它的輸出電流紋波也極低。如某大型粒子加速器的主環(huán)電源峰值功率約2500kW,要求的電流長期穩(wěn)定度為±1×10－4，電流紋波系數(shù)為5×10－5。核物理研究中的重粒子加速器系統(tǒng)應(yīng)用的快速脈沖電源，其電流必須精確地跟隨由計算機(jī)給出的電流脈沖模式，往往要求電流的上升速度達(dá)到每秒數(shù)百到上千A。這些應(yīng)用均有兩個特別嚴(yán)格的要求：極低的電流紋波和快速的動態(tài)響應(yīng)[1]。

由于線性電源的低效率和全控型器件容量、價格的限制，晶閘管相控整流電源仍然是大功率穩(wěn)定電源/脈沖電源應(yīng)用的優(yōu)先選擇。所以，目前一般大功率加速器，超導(dǎo)磁體等特種磁鐵電源多采用晶閘管相控整流電源，它由相控整流器和無源濾波器組成。這種常規(guī)的電源具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、電源容量大、開關(guān)器件價格低和易實現(xiàn)磁場能量回饋等特點。然而由于濾波電感不是無窮大，輸入電源電壓不對稱，整流器件觸發(fā)角不一致，器件特性不理想等，均可產(chǎn)生大量的特征諧波和非特征諧波。

為了滿足嚴(yán)格的穩(wěn)態(tài)性能要求，往往一方面需要接入大量的無源濾波器，另一方面，過去還采用多級串聯(lián)線性調(diào)整電路來提高電流的穩(wěn)定度和降低電流紋波。

無源濾波器體積龐大，價格昂貴，運行費用比較高。較大的無源濾波器將使系統(tǒng)的動態(tài)性能和過渡過程中的跟蹤精度惡化，還可能引起系統(tǒng)振蕩。采用無源濾波器時，高速控制要求和需要大幅度衰減紋波也是相互矛盾的。而且消除含量極低的非特征紋波（諧波）時非常困難，有時甚至不可能。實際運行經(jīng)驗表明，過多地增加無源濾波器的數(shù)量有時反而還放大了低次非特征諧波，這對降低輸出電流紋波非常不利。

采用多級串聯(lián)線性調(diào)整電路，串聯(lián)在主電路中的調(diào)節(jié)器晶體管工作在線性區(qū)，整流器輸出諧波電壓靠晶體管集—射極的電壓降吸收。而調(diào)整晶體管往往由數(shù)百個大功率晶體管組成，也存在能量損耗大、效率低、成本高、控制復(fù)雜等缺點。

為了滿足上述特殊應(yīng)用場合嚴(yán)格的輸出電流紋波和系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)要求，仍然僅采用無源濾波器和串聯(lián)線性調(diào)整電路來降低電流紋波和提高電源的動態(tài)響應(yīng)的方案存在許多問題[2～3]。因此，借助于直流有源電力濾波器獲得更進(jìn)一步的電流穩(wěn)定、降低輸出電流的紋波和提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)是必須的。

近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使有源電力濾波器技術(shù)實用化成為可能。這種濾波器即使在諧(紋)波頻率和幅值迅速變化時，也能產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流(壓)，這是一種非常理想、很有發(fā)展前途的補(bǔ)償裝置。目前，絕大多數(shù)有源電力濾波器都是應(yīng)用于交流電路中，把其用于高壓直流輸電、高精度穩(wěn)定/脈沖電源等直流電路中，也會產(chǎn)生非常理想的濾波效果。與傳統(tǒng)的無源濾波器相比，有源電力濾波器具有以下優(yōu)點：

——對各次諧波都能衰減,特別容易抑制低次諧波；

——能補(bǔ)償頻率變化和失諧效應(yīng)，并能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)；

——濾波性能優(yōu)異而費用相對較低；

——由于有源電力濾波器僅對諧（紋）波起作用，其相對容量非常小；

——裝置體積小、效率高。

本文結(jié)合筆者為一臺大功率高精度穩(wěn)定/脈沖電源研制的直流有源電力濾波器的情況，詳細(xì)介紹了直流有源電力濾波器在穩(wěn)定/脈沖電源中應(yīng)用的工作原理，主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，國內(nèi)外的研究及實際應(yīng)用狀況。結(jié)果表明，直流有源電力濾波器抑制紋波電流（壓）的性能非常優(yōu)秀，具廣泛的應(yīng)用前景。

需要說明的是，直流有源電力濾波器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是用于對高壓直流輸電直流側(cè)的諧波的濾波，本文沒有涉及。

2直流有源電力濾波器的基本原理

一般來說，諧波是交流系統(tǒng)中的概念，而紋波是針對直流系統(tǒng)來講的，二者有區(qū)別，更有聯(lián)系。交流濾波，是希望濾除工頻（基波）分量以外的所有諧波分量，保證電源的正弦性。交流系統(tǒng)的電流畸變主要是由非線性負(fù)載引起的。而直流濾波，是希望濾除負(fù)載中直流分量以外的所有紋（諧）波分量，這些紋（諧）波分量主要是由直流電（壓）源（一般是由交流電源整流獲得）中的紋波電壓分量在負(fù)載中引起的。而通過傅里葉分析可知，直流系統(tǒng)中的紋波分量也是由各次諧波分量構(gòu)成的。在這個意義上講，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)中抑制諧波的目的是相同的：抑制不希望在電源或負(fù)載中出現(xiàn)的諧波分量。

直流有源電力濾波器（DCAPF）與交流有源電力濾波器，也就是我們一般所說的有源電力濾波器（APF），都是采用主動的而不是被動的方法或手段去吸收或消除諧（紋）波。因而直流有源電力濾波器和交流有源電力濾波器的工作原理是相同或相近的。但是，由于作用的對象不同，直流有源電力濾波器也有自己的特點。

與交流有源電力濾波器相似，按照其與直流負(fù)載的聯(lián)結(jié)方式，直流有源電力濾波器也可分為串聯(lián)直流有源電力濾波器和并聯(lián)直流有源電力濾波器，分別如圖1和圖2所示。串聯(lián)直流有源電力濾波器的工作原理是：檢測整流器經(jīng)平波電抗器（無源濾波器）后的輸出電壓，如圖1所示，通過低通濾波器將紋波電壓分離出來，用此信號控制直流有源電力濾波器的輸出電壓，并使與的大小相等，相位相反，從而達(dá)到顯著減小直流負(fù)載中紋波電流的目的，在理論上完全可以使直流負(fù)載中不存在紋波電壓。這里，直流有源電力濾波器相當(dāng)于電壓控制電壓源（VCVS）的逆變器。嚴(yán)格地講，采用串聯(lián)直流有源電力濾波器時，可以不必串聯(lián)平波電抗器。

并聯(lián)直流有源電力濾波器的工作原理是：檢測平波電抗器（無源濾波器）的輸出電流Id＋ih，如圖2所示，通過低通濾波器將紋波電流ih分離出來，用此信號控制直流有源電力濾波器的輸出電流iah，使ih與iah的大小相等，相位相同（如圖示方向），從而使直流負(fù)載上的紋波電流分流，達(dá)到減小直流負(fù)載中紋波電

圖1串聯(lián)直流有源電力濾波器

圖2并聯(lián)直流有源電力濾波器

圖3采用變壓器方式的串聯(lián)直流有源電力濾波器

圖4串聯(lián)斬波方式的直流有源電力濾波器

流的目的。這里，直流有源電力濾波器相當(dāng)于電流控制電流源（CCCS）的逆變器。也可以檢測整流器經(jīng)平波電抗器后的輸出電壓，如圖2所示，通過低通濾波器將紋波電壓分離出來，用此信號控制直流有源電力濾波器的輸出電流iah，使直流負(fù)載上的紋波電流分流，同樣可以達(dá)到降低直流負(fù)載中紋波電流的目的。在這種情況下，雖然直流有源電力濾波器在理論上不能徹底消除負(fù)載端的紋波電流，但可以使其大幅度地衰減。這時，直流有源電力濾波器相當(dāng)于電壓控制電流源（VCCS）的逆變器。

從上面介紹的直流有源電力濾波器的工作原理可以看出，串聯(lián)直流有源電力濾波器所抑制的是紋波電壓，它通過全額負(fù)載電流。當(dāng)負(fù)載電流較大時，直流有源電力濾波器必須采用多個器件并聯(lián)運行，損耗也比較大，這是它的缺點。串聯(lián)直流有源電力濾波器比較適合于對紋波電流要求低的電感量較小或純阻性的直流負(fù)載。

并聯(lián)直流有源電力濾波器通過使諧波源產(chǎn)生的諧波電流分流達(dá)到抑制直流負(fù)載紋波的目的，它承受全額負(fù)載電壓。而在穩(wěn)定/脈沖直流電源中，這個電壓不會太高，器件完全能夠承受。當(dāng)紋波電流比較低時，用較小的紋波電流來控制直流有源電力濾波器比較困難，這時宜采用檢測紋波電壓來控制直流有源電力濾波器，使紋波電流分流[5]。并聯(lián)直流有源電力濾波器比較適合于電感量較大直流負(fù)載。

3直流有源電力濾波器的典型拓?fù)浼捌鋺?yīng)用

文獻(xiàn)[1]采用變壓器—電抗器式串聯(lián)直流有源電力濾波器研制的高穩(wěn)定度大功率脈沖電源，其輸出的主要技術(shù)指標(biāo)為：電壓220V，電流0～6500A，電源長期穩(wěn)定度達(dá)到100mA，輸出紋波電流峰?峰值30mA，最大的電流變化率達(dá)到±20kA/s，最大的電壓變化率達(dá)到±12kV/s。電源結(jié)構(gòu)如圖3所示。借助于直流有源電力濾波器，達(dá)到了既大幅度地衰減負(fù)載電流紋波，又能對負(fù)載電流、電壓進(jìn)行高速控制的目的。

文獻(xiàn)[2]提出了一種適合于離子加速器磁鐵負(fù)載的新型電源，如圖4所示。該電源系統(tǒng)由工作于開關(guān)方式的電流紋波調(diào)節(jié)器（SMRR）和一相控整流器（PRS）組成。SMRR由許多IGBT并聯(lián)而成，采用斬波電路原理，串在相控整流器的輸出電路中作為直流有源電力濾波器使用。它濾除了PRS輸出電壓中的諧波，尤其是低次諧波和非特征諧波。該系統(tǒng)供給磁鐵負(fù)載的電流紋波系數(shù)能夠達(dá)到1×10－5，同時還具有系統(tǒng)響應(yīng)快、成本低的特點。

文獻(xiàn)[3]提出了直流有源電力濾波器與負(fù)載主電路并聯(lián)聯(lián)結(jié)的1kVA試驗電源裝置，如圖5所示。該系統(tǒng)采用檢測紋波電流的控制方法，直流有源電力濾波器不但用于消除負(fù)載電流紋波，而且還可用于補(bǔ)償輸出電流脈沖的跟蹤誤差。試驗結(jié)果表明，該直流有源電力濾波器能夠使負(fù)載紋波電流衰減到1/100。

文獻(xiàn)[4]提出了利用共用的直流母線電源，在交流側(cè)并聯(lián)有源電力濾波器抑制交流側(cè)的諧波電流，而在直流側(cè)串聯(lián)直流有源電力濾波器消除直流側(cè)諧波電壓的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。采用直流有源電力濾波器可望在整流器中代替體積大、造價高的平波電抗器。

圖5采用并聯(lián)聯(lián)結(jié)的直流有源電力濾波器

圖6并聯(lián)交流與串聯(lián)直流有源電力濾波器

圖7帶有直流有源濾波器的整流系統(tǒng)簡圖

圖8有源濾波器投入前負(fù)載兩端紋波電壓波形

圖9有源濾波器投入后負(fù)載兩端紋波電壓波形

針對實際工業(yè)應(yīng)用的一臺12脈波、120kW大功率高精度直流穩(wěn)定/脈沖電源，筆者設(shè)計制作了一臺直流有源電力濾波器，電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖8、圖9分別是直流有源電力濾波器投入前、后負(fù)載兩端紋波電壓的波形。表1是該電源某一工況時有源電力濾波器投入前、后的諧波電壓各分量實測值。從圖8、圖9和表1可以清楚地看出直流有源電力濾波器抑制諧波的效果非常好，特別是抑制低次諧波的能力較強(qiáng)，而這些諧波的含量恰恰在負(fù)載紋波電流中占主導(dǎo)地位。經(jīng)測量諧波電壓值，用間接法計算，其負(fù)載電流紋波系數(shù)峰?峰值小于1×10－5。

表1直流有源電力濾波器投入效果測試

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，必將促使有源電力濾波器技術(shù)實用化。本文結(jié)合筆者為一臺大功率高精度穩(wěn)定/脈沖直流電源研制的直流有源電力濾波器的情況，介紹了直流有源電力濾波器在穩(wěn)定/脈沖直流電源中應(yīng)用的工作原理，主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，國內(nèi)外的研究及實際應(yīng)用狀況。結(jié)果表明，直流有源電力濾波器抑制紋波電流（壓）的性能非常優(yōu)秀，在現(xiàn)代科學(xué)研究和醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。