在稳定/脉冲电源中直流有源电力滤波器原理及应用

1引言
   大功率的低纹波、高精度稳定/脉冲直流电源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和医疗、工业生产中获得越来越广泛的应用。
   高能物理研究中的质子同步加速器，核磁共振装置中的磁体以及超导电工技术研究中的超导磁体都对磁场的长期稳定度提出了严格的要求。要保证磁场的长期稳定，就要保证其励磁电流的长期稳定。在要求稳定电源输出电流稳定的场合，一般同时要求它的输出电流纹波也极低。如某大型粒子加速器的主环电源峰值功率约2500kW,要求的电流长期稳定度为±1×10－4，电流纹波系数为5×10－5。核物理研究中的重粒子加速器系统应用的快速脉冲电源，其电流必须精确地跟随由计算机给出的电流脉冲模式，往往要求电流的上升速度达到每秒数百到上千A。这些应用均有两个特别严格的要求：极低的电流纹波和快速的动态响应[1]。
   由于线性电源的低效率和全控型器件容量、价格的限制，晶闸管相控整流电源仍然是大功率稳定电源/脉冲电源应用的优先选择。所以，目前一般大功率加速器，超导磁体等特种磁铁电源多采用晶闸管相控整流电源，它由相控整流器和无源滤波器组成。这种常规的电源具有系统结构简单、电源容量大、开关器件价格低和易实现磁场能量回馈等特点。然而由于滤波电感不是无穷大，输入电源电压不对称，整流器件触发角不一致，器件特性不理想等，均可产生大量的特征谐波和非特征谐波。
   为了满足严格的稳态性能要求，往往一方面需要接入大量的无源滤波器，另一方面，过去还采用多级串联线性调整电路来提高电流的稳定度和降低电流纹波。
   无源滤波器体积庞大，价格昂贵，运行费用比较高。较大的无源滤波器将使系统的动态性能和过渡过程中的跟踪精度恶化，还可能引起系统振荡。采用无源滤波器时，高速控制要求和需要大幅度衰减纹波也是相互矛盾的。而且消除含量极低的非特征纹波（谐波）时非常困难，有时甚至不可能。实际运行经验表明，过多地增加无源滤波器的数量有时反而还放大了低次非特征谐波，这对降低输出电流纹波非常不利。
   采用多级串联线性调整电路，串联在主电路中的调节器晶体管工作在线性区，整流器输出谐波电压靠晶体管集-射极的电压降吸收。而调整晶体管往往由数百个大功率晶体管组成，也存在能量损耗大、效率低、成本高、控制复杂等缺点。
   为了满足上述特殊应用场合严格的输出电流纹波和系统动态响应要求，仍然仅采用无源滤波器和串联线性调整电路来降低电流纹波和提高电源的动态响应的方案存在许多问题[2～3]。因此，借助于直流有源电力滤波器获得更进一步的电流稳定、降低输出电流的纹波和提高系统的动态响应是必须的。
   近年来，随着电力电子技术的发展，使有源电力滤波器技术实用化成为可能。这种滤波器即使在谐(纹)波频率和幅值迅速变化时，也能产生相应的补偿电流(压)，这是一种非常理想、很有发展前途的补偿装置。目前，绝大多数有源电力滤波器都是应用于交流电路中，把其用于高压直流输电、高精度稳定/脉冲电源等直流电路中，也会产生非常理想的滤波效果。与传统的无源滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点：
   --对各次谐波都能衰减,特别容易抑制低次谐波；
   --能补偿频率变化和失谐效应，并能提高系统稳定性和动态响应；
   --滤波性能优异而费用相对较低；
   --由于有源电力滤波器仅对谐（纹）波起作用，其相对容量非常小；
   --装置体积小、效率高。
   本文结合笔者为一台大功率高精度稳定/脉冲电源研制的直流有源电力滤波器的情况，详细介绍了直流有源电力滤波器在稳定/脉冲电源中应用的工作原理，主要的拓扑结构，国内外的研究及实际应用状况。结果表明，直流有源电力滤波器抑制纹波电流（压）的性能非常优秀，具广泛的应用前景。
   需要说明的是，直流有源电力滤波器在电力系统中的应用主要是用于对高压直流输电直流侧的谐波的滤波，本文没有涉及。
   2直流有源电力滤波器的基本原理
   一般来说，谐波是交流系统中的概念，而纹波是针对直流系统来讲的，二者有区别，更有联系。交流滤波，是希望滤除工频（基波）分量以外的所有谐波分量，保证电源的正弦性。交流系统的电流畸变主要是由非线性负载引起的。而直流滤波，是希望滤除负载中直流分量以外的所有纹（谐）波分量，这些纹（谐）波分量主要是由直流电（压）源（一般是由交流电源整流获得）中的纹波电压分量在负载中引起的。而通过傅里叶分析可知，直流系统中的纹波分量也是由各次谐波分量构成的。在这个意义上讲，交流系统和直流系统中抑制谐波的目的是相同的：抑制不希望在电源或负载中出现的谐波分量。
   直流有源电力滤波器（DCAPF）与交流有源电力滤波器，也就是我们一般所说的有源电力滤波器（APF），都是采用主动的而不是被动的方法或手段去吸收或消除谐（纹）波。因而直流有源电力滤波器和交流有源电力滤波器的工作原理是相同或相近的。但是，由于作用的对象不同，直流有源电力滤波器也有自己的特点。
   与交流有源电力滤波器相似，按照其与直流负载的联结方式，直流有源电力滤波器也可分为串联直流有源电力滤波器和并联直流有源电力滤波器，分别如图1和图2所示。串联直流有源电力滤波器的工作原理是：检测整流器经平波电抗器（无源滤波器）后的输出电压，如图1所示，通过低通滤波器将纹波电压分离出来，用此信号控制直流有源电力滤波器的输出电压，并使与的大小相等，相位相反，从而达到显着减小直流负载中纹波电流的目的，在理论上完全可以使直流负载中不存在纹波电压。这里，直流有源电力滤波器相当于电压控制电压源（VCVS）的逆变器。严格地讲，采用串联直流有源电力滤波器时，可以不必串联平波电抗器。
   并联直流有源电力滤波器的工作原理是：检测平波电抗器（无源滤波器）的输出电流Id＋ih，如图2所示，通过低通滤波器将纹波电流ih分离出来，用此信号控制直流有源电力滤波器的输出电流iah，使ih与iah的大小相等，相位相同（如图示方向），从而使直流负载上的纹波电流分流，达到减小直流负载中纹波电
   
   图1串联直流有源电力滤波器
   
   图2并联直流有源电力滤波器
   
   图3采用变压器方式的串联直流有源电力滤波器
   
   
   图4串联斩波方式的直流有源电力滤波器
   流的目的。这里，直流有源电力滤波器相当于电流控制电流源（CCCS）的逆变器。也可以检测整流器经平波电抗器后的输出电压，如图2所示，通过低通滤波器将纹波电压分离出来，用此信号控制直流有源电力滤波器的输出电流iah，使直流负载上的纹波电流分流，同样可以达到降低直流负载中纹波电流的目的。在这种情况下，虽然直流有源电力滤波器在理论上不能彻底消除负载端的纹波电流，但可以使其大幅度地衰减。这时，直流有源电力滤波器相当于电压控制电流源（VCCS）的逆变器。
   从上面介绍的直流有源电力滤波器的工作原理可以看出，串联直流有源电力滤波器所抑制的是纹波电压，它通过全额负载电流。当负载电流较大时，直流有源电力滤波器必须采用多个器件并联运行，损耗也比较大，这是它的缺点。串联直流有源电力滤波器比较适合于对纹波电流要求低的电感量较小或纯阻性的直流负载。
   并联直流有源电力滤波器通过使谐波源产生的谐波电流分流达到抑制直流负载纹波的目的，它承受全额负载电压。而在稳定/脉冲直流电源中，这个电压不会太高，器件完全能够承受。当纹波电流比较低时，用较小的纹波电流来控制直流有源电力滤波器比较困难，这时宜采用检测纹波电压来控制直流有源电力滤波器，使纹波电流分流[5]。并联直流有源电力滤波器比较适合于电感量较大直流负载。
   3直流有源电力滤波器的典型拓扑及其应用
   文献[1]采用变压器-电抗器式串联直流有源电力滤波器研制的高稳定度大功率脉冲电源，其输出的主要技术指标为：电压220V，电流0～6500A，电源长期稳定度达到100mA，输出纹波电流峰?峰值30mA，最大的电流变化率达到±20kA/s，最大的电压变化率达到±12kV/s。电源结构如图3所示。借助于直流有源电力滤波器，达到了既大幅度地衰减负载电流纹波，又能对负载电流、电压进行高速控制的目的。
   文献[2]提出了一种适合于离子加速器磁铁负载的新型电源，如图4所示。该电源系统由工作于开关方式的电流纹波调节器（SMRR）和一相控整流器（PRS）组成。SMRR由许多IGBT并联而成，采用斩波电路原理，串在相控整流器的输出电路中作为直流有源电力滤波器使用。它滤除了PRS输出电压中的谐波，尤其是低次谐波和非特征谐波。该系统供给磁铁负载的电流纹波系数能够达到1×10－5，同时还具有系统响应快、成本低的特点。
   文献[3]提出了直流有源电力滤波器与负载主电路并联联结的1kVA试验电源装置，如图5所示。该系统采用检测纹波电流的控制方法，直流有源电力滤波器不但用于消除负载电流纹波，而且还可用于补偿输出电流脉冲的跟踪误差。试验结果表明，该直流有源电力滤波器能够使负载纹波电流衰减到1/100。
   文献[4]提出了利用共用的直流母线电源，在交流侧并联有源电力滤波器抑制交流侧的谐波电流，而在直流侧串联直流有源电力滤波器消除直流侧谐波电压的结构，如图6所示。采用直流有源电力滤波器可望在整流器中代替体积大、造价高的平波电抗器。
   
   图5采用并联联结的直流有源电力滤波器
   
   图6并联交流与串联直流有源电力滤波器
   
   
   图7带有直流有源滤波器的整流系统简图
   
   图8有源滤波器投入前负载两端纹波电压波形
   
   图9有源滤波器投入后负载两端纹波电压波形
   针对实际工业应用的一台12脉波、120kW大功率高精度直流稳定/脉冲电源，笔者设计制作了一台直流有源电力滤波器，电路系统结构如图7所示。图8、图9分别是直流有源电力滤波器投入前、后负载两端纹波电压的波形。表1是该电源某一工况时有源电力滤波器投入前、后的谐波电压各分量实测值。从图8、图9和表1可以清楚地看出直流有源电力滤波器抑制谐波的效果非常好，特别是抑制低次谐波的能力较强，而这些谐波的含量恰恰在负载纹波电流中占主导地位。经测量谐波电压值，用间接法计算，其负载电流纹波系数峰?峰值小于1×10－5。
   表1直流有源电力滤波器投入效果测试

频率/Hz	100	300	600	900
投入前的谐波电压值/mV投入后的谐波电压值/mV	3820340	920288	2040700	280130

   4结论
   随着电力电子技术的发展，必将促使有源电力滤波器技术实用化。本文结合笔者为一台大功率高精度稳定/脉冲直流电源研制的直流有源电力滤波器的情况，介绍了直流有源电力滤波器在稳定/脉冲直流电源中应用的工作原理，主要的拓扑结构，国内外的研究及实际应用状况。结果表明，直流有源电力滤波器抑制纹波电流（压）的性能非常优秀，在现代科学研究和医疗、工业生产中具有广泛的应用前景。