在穩(wěn)定/脈沖電源中直流有源電力濾波器原理及應(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(duì)磁場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度提出了嚴(yán)格的要求。要保證磁場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定，就要保證其勵(lì)磁電流的長(zhǎng)期穩(wěn)定。在要求穩(wěn)定電源輸出電流穩(wěn)定的場(chǎng)合，一般同時(shí)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(zhǎng)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(jì)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(gè)特別嚴(yán)格的要求：極低的電流紋波和快速的動(dòng)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(jià)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(jiǎn)單、電源容量大、開關(guān)器件價(jià)格低和易實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)能量回饋等特點(diǎn)。然而由于濾波電感不是無窮大，輸入電源電壓不對(duì)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(jí)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(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用比較高。較大的無源濾波器將使系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)，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(shí)非常困難，有時(shí)甚至不可能。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，過多地增加無源濾波器的數(shù)量有時(shí)反而還放大了低次非特征諧波，這對(duì)降低輸出電流紋波非常不利。

采用多級(jí)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(gè)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(diǎn)。

為了滿足上述特殊應(yīng)用場(chǎng)合嚴(yán)格的輸出電流紋波和系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(huì)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(diǎn)：

——對(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)；

——濾波性能優(yōu)異而費(fèi)用相對(duì)較低；

——由于有源電力濾波器僅對(duì)諧（紋）波起作用，其相對(duì)容量非常??；

——裝置體積小、效率高。

本文結(jié)合筆者為一臺(tái)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(guó)內(nèi)外的研究及實(shí)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(duì)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(duì)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(gè)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(dòng)的而不是被動(dòng)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(duì)象不同，直流有源電力濾波器也有自己的特點(diǎn)。

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(cè)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(hào)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(shí)，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(cè)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(hào)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