直流有源电力滤波技术及其应用

3 直流有源电力滤波器的典型拓扑及其应用

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。

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。

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。

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。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。

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。