解决方案︱航空高压直流电网低频纹波的有源抑制
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的研究人员陈仲、许亚明、王志辉、李梦南，在2015年第20期《电工技术学报》上撰文，270V航空高压直流电网是一种先进的飞机供电系统形式，但其母线中的低频纹波会对电网电压脉动产生影响，因此必须对该低频纹波进行滤除。提出采用航空直流有源滤波器（APF）来抑制电网中的低频纹波，该方法补偿性能不受电网参数和负载影响，具有较好的前景。
简要描述了直流APF的几种拓扑，采用了一种可靠性高、损耗低的新型拓扑作为航空直流APF的主电路，分析了其工作原理并详细介绍了航空直流APF的控制策略；建立了控制系统模型，通过绘制伯德图对比了各参数下系统的性能，为控制优化提供了依据。仿真和实验结果验证了该航空直流APF方案的可行性。
早期的飞机电源系统是DC 28V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DC 28V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，DC 270V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。
DC 270V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，DC 270V系统具有重量轻、功耗小的特点。然而，由于DC 270V设备的成本较高，且大量的飞机用电设备仍然需要DC 28V或者AC 115V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DC 270V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（Aeronautic Static Inverter，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[2]。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。
图1 270V航空高压直流供电系统示意图
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（Active Power Filter，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[5-7]。
用于直流系统的APF称为直流APF，目前已在高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）[8,9]、高精度电源[10,11]以及燃料电池系统[12]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[13-15]，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。
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。
关注电气工程技术、聚焦学科前沿发展