专利名称：交错驱动pwm补偿电流发生器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种PWM补偿电流发生器，尤其涉及一种用于对电力系统中的谐波电流和 无功电流进行主动跟踪补偿的交错驱动PWM补偿电流发生器及其控制方法。
背景技术：
采用现代电力电子技术对电力系统中的谐波电流和无功电流进行主动补偿，是近年来发 展起来的柔性输电技术(FACTS)和用户电力技术(D-FACTS)中的重要内容。例如有源电力 滤波器(APF)和静止同步补偿器(STATCOM)等，都属于采用现代电力电子技术制造的补偿 电流发生器。
为了取得高效率、高速度的效果，这类补偿电流发生器通常采用脉冲宽度调制(PWM) 方法产生所需的快速变化的高强度补偿电流。PWM方法是将指令信号与频率显著高于指令信 号频率的三角波(载波)信号进行比较，将幅值随时间变化的指令信号转换为一系列宽度与 指令信号幅值成正比的矩形脉冲信号，即PWM信号。PWM信号以脉冲宽度的变化来反映指 令信号幅值的变化。用此PWM信号来控制大功率半导体功率器件的开通与关断，可得到大 容量的PWM电压脉冲，然后通过大容量电感器抑制PWM脉冲中的载波频率分量，将其转化 成所需强度的补偿电流。
公知的PWM补偿电流发生器存在两个严重不足
1) 公知的PWM补偿电流发生器产生的补偿电流中含有较高强度载波频率纹波电流，导 致电磁干扰。若要降低纹波电流水平，则需要采用电感量较大的输出电感器，或提高载波频 率。但增加输出电感器的电感量会限制输出电流的最大变化率，影响跟踪补偿速度和效果， 同时会增加电感器的体积、重量和成本；而提高载波频率会增加半导体功率器件的开关损耗， 降低效率，并受半导体功率器件开关速度限制，不可能过分提高。因此需要在几个限制因素 中进行折中选择，导致对补偿电流发生器技术性能的限制。
2) 补偿电流发生器工作时，其逆变桥的直流回路中也存在较大纹波电流，导致直流母线 电压波动并在直流母线电容器中产生较大损耗。为保证装置正常工作，需要较大的直流母线 电容器，增加了装置的体积、重量和成本。
发明内容
本发明的目的就是为了改善公知PWM补偿电流发生器存在的上述不足，提供一种交错 驱动PWM补偿电流发生器及其控制方法，它能够用较低的载波频率和较小的输出电感器， 取得比公知技术方法显著降低的输出纹波电流，同时直流回路中的纹波电流有效值也降至公 知技术方法的46%左右，从而使PWM补偿电流发生器的电流跟踪速度、输出纹波电流、损耗、效率和成本等指标得到综合改善。
为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案
一种交错驱动pwm补偿电流发生器，它由直流母线电容器、逆变桥i、逆变桥ii、电 感器i、电感器ii、驱动电路i、驱动电路ii、 pwm脉宽调制器i、 pwm脉宽调制器ii、
反相器、三角波发生器、运算与控制单元、电流互感器组i、电流互感器组n构成；其中，
逆变桥i和逆变桥ii的直流母线并联在一起，与共用的直流母线电容器连接；逆变桥i的逆
变输出端接电感器i的输入端，逆变桥n的逆变输出端接电感器n的输入端；电感器i和电
感器ii的输出端并联后与被补偿电力线路连接；逆变桥i的控制端与驱动电路i的相应驱动
输出端连接，逆变桥n的控制端与驱动电路n的相应驱动输出端连接；驱动电路i的输入端
与PWM脉宽调制器i的输出端连接，驱动电路ii的输入端与PWM脉宽调制器ii的输出端连 接；运算与控制单元的的指令信号输出端分别与PWM脉宽调制器i的调制信号输入端和 PWM脉宽调制器ii的调制信号输入端连接；运算与控制单元的的同步信号输出端则经三角波 信号发生装置处理后，输出两个反相的三角波信号分别送入PWM脉宽调制器i的三角波输 入端和PWM脉宽调制器ii的三角波输入端；运算与控制单元的三组输入端分别接被补偿电 力线路、电流互感器组i的2次侧和电流互感器组ii的2次侧；电流互感器组i的一次侧串
联在两个电感器输出端与被补偿三相电力线路的连接回路中；电流互感器组n的一次侧串联 在被补偿电力线路中。
所述逆变桥i和逆变桥n的直流母线是公共的，逆变桥i和逆变桥n的逆变输出端分别 串联一个独立的电感器后并联在一起。
所述逆变桥i的驱动电路i和pwm脉宽调制器i以及逆变桥n的驱动电路n和pwm脉 宽调制器n间相互独立驱动。
所述三角波发生器产生的三角波信号分为两路， 一路直接供给pwM脉宽调制器n，另 一路通过反相器反相后供给PWM脉宽调制器i;其中的运算与控制单元产生的指令信号同
时供给PWM脉宽调制器i和PWM脉宽调制器ii 。
所述三角波信号发生装置包括一个三角波发生器，它的一个三角波输出信号直接送入
PWM脉宽调制器ii的三角波输入端；另一个三角波输出信号经反相器送入PWM脉宽调制器
i的三角波输入端。
所述三角波信号发生装置包括两个反相的三角波发生器，它们的输出端分别接PWM脉
宽调制器i的三角波输入端和pwm脉宽调制器n的三角波输入端。
一种交错驱动PWM补偿电流发生器控制方法
(1) 由运算与控制单元按公知方法分析被补偿电力线路中的电流补偿需求，并产生相应 指令信号；
(2) 将指令信号同时送入两个相同的PWM脉宽调制器；(3) 由一个三角波发生器在运算与控制单元提供的同步信号控制下产生载频三角波，并 将三角波送入一个反相器，得到同频、等幅、反相的三角波；
(4) 将由步骤(3)得到的两种彼此反相，相位差180°的同频、等幅三角波分别送入 步骤(2)中的两个PWM脉宽调制器，分别对指令信号进行PWM调制，得到两组载波相位 彼此交错180°的PWM信号；
(5) 将上述两组载波相位彼此交错180°的PWM信号分别送入两套驱动电路，分别驱 动两个相同的逆变桥；
(6) 将两个逆变桥产生的补偿电流叠加后送入被补偿电力线路。
步骤(4)中所述两种彼此反相，相位差180°的同频、等幅三角波，由运算与控制单元 同步控制两个彼此反相的三角波发生器同步产生。
用以上方案，两个逆变桥经电感器输出的补偿电流中，对应指令信号的有效补偿电流分 量是相同的，并联后相互叠加，输出总电流为单个逆变桥输出电流的两倍；而两个逆变桥经 电感器输出的补偿电流中因PWM调制而产生的载波频率纹波电流分量是近似等幅反相的， 可相互抵消，从而使输出总电流中的纹波分量显著降低。更深入的数学分析证明，两个逆变 桥工作时流过直流母线电容器的纹被电流彼此部分抵消，使直流母线电容器中的总电流降低 为同容量公知PWM补偿电流发生器对应电流的46%左右。
本发明的有益效果是
(1) 交错驱动的两个PWM逆变桥并联输出，有效输出电流强度增大一倍，而输出电流 中的有害纹波电流含量显著降低；
(2) 在相同载波频率、满足相同输出纹波限制条件下，可采用较小的输出电感器，显著 提高的输出电流的跟踪速度，并降低成本。
(3) 在满足相同输出纹波限制、相同输出电流跟踪速度要求条件下，可采用较低的载波 频率，降低对半导体功率器件开关速度的要求，降低开关损耗；
(4) 在输出相同补偿电流的条件下，流过直流母线电容器的纹波电流降低至公知PWM 补偿电流发生器对应电流的46%左右，可降低直流母线纹波电压，减小直流母线电容内的电 流应力，降低损耗，提高可靠性，并且可以减小对直流母线电容器容量的需求。
图1为本发明第一实施例结构示意图。 图2为本发明第二实施例结构示意图。 图3为本发明第三实施例结构示意图。
其中1.直流母线电容器、2.逆变桥I 、 3.逆变桥II、 4.电感器I 、 5.电感器II、 6.驱 动电路I 、 7.驱动电路II 、 & PWM脉宽调制器I 、 9. PWM脉宽调制器II 、 10.反相器、11. 三角波发生器、12.运算与控制单元、13.电流互感器组I、 14.电流互感器组II。
具体实施例方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1是所述交错驱动PWM补偿电流发生器用于三相三线电力线路中的实施例一。根据 补偿的目的，可用作有源电力滤波器或静止同步补偿器，补偿电力线路中的谐波电流和无功 电流。
如图1所示， 一种交错驱动PWM补偿电流发生器，它由直流母线电容器l、逆变桥I2、 逆变桥I13、电感器I 4、电感器I15、驱动电路I 6、驱动电路I17、 PWM脉宽调制器I 8、 PWM 脉宽调制器I19、反相器IO、三角波发生器ll、运算与控制单元12、电流互感器组l13、电 流互感器组II14构成；其中，逆变桥I2和逆变桥I13的直流母线并联在一起，与共用的直 流母线电容器l连接；逆变桥I2的逆变输出端接电感器I4的输入端，逆变桥II3的逆变输 出端接电感器I15的输入端；电感器I 4和电感器I15的输出端并联后与被补偿电力线路连接； 逆变桥I 2的控制端与驱动电路I 6的相应驱动输出端连接，逆变桥I13的控制端与驱动电路 117的相应驱动输出端连接；驱动电路I 6的输入端与PWM脉宽调制器I 8的输出端连接， 驱动电路I17的输入端与PWM脉宽调制器I19的输出端连接；运算与控制单元的12的指令 信号输出端分别与PWM脉宽调制器I 8调制信号输入端和PWM脉宽调制器I19的调制信号 输入端连接；运算与控制单元的12的同步信号输出端则经三角波信号发生装置处理后，输出 两个反相的三角波信号分别送入PWM脉宽调制器I 8的三角波输入端和PWM脉宽调制器II 9的三角波输入端；运算与控制单元12的三组输入端分别接被补偿电力线路、电流互感器组 I 13的2次侧和电流互感器组I114的2次侧；电流互感器组I 13的一次侧串联在两个电感 器输出端与被补偿三相电力线路的连接回路中；电流互感器组I114的一次侧串联在被补偿电 力线路中。
所述逆变桥I 2和逆变桥I13的直流母线是公共的，逆变桥I 2和逆变桥I13的逆变输出 端分别串联一个独立的电感器I4和电感器II5后并联在一起。
所述逆变桥I 2的驱动电路I 6和PWM脉宽调制器I 8以及逆变桥I13的驱动电路I17 和PWM脉宽调制器I19间相互独立驱动。
所述三角波发生器ll产生的三角波信号分为两路， 一路直接供给PWM脉宽调制器I19, 另一路通过反相器10反相后供给PWM脉宽调制器I 8;其中的运算与控制单元12产生的指 令信号同时供给PWM脉宽调制器I 8和PWM脉宽调制器I19。
所述三角波信号发生装置包括一个三角波发生器11,它的一个三角波输出信号直接送入 PWM脉宽调制器I19的三角波输入端；另一个三角波输出信号经反相器10送入PWM脉宽调 制器I8的三角波输入端。
所述三角波信号发生装置包括两个反相的三角波发生器11，它们的输出端分别接PWM 脉宽调制器I 8的三角波输入端和PWM脉宽调制器I19的三角波输入端。一种交错驱动PWM补偿电流发生器控制方法
(1) 由运算与控制单元按公知方法分析被补偿电力线路中的电流补偿需求，并产生相应
指令信号；
(2) 将指令信号同时送入两个相同的PWM脉宽调制器；
(3) 由一个三角波发生器在运算与控制单元提供的同步信号控制下产生载频三角波，并 将三角波送入一个反相器，得到同频、等幅、反相的三角波；
(4) 将由步骤(3)得到的两种彼此反相，相位差180°的同频、等幅三角波分别送入 步骤(2)中的两个PWM脉宽调制器，分别对指令信号进行PWM调制，得到两组载波相位 彼此交错180。的PWM信号； 、
(5) 将上述两组载波相位彼此交错180°的PWM信号分别送入两套驱动电路，分别驱 动两个相同的逆变桥；
(6) 将两个逆变桥产生的补偿电流叠加后送入被补偿电力线路。
步骤(4)中所述两种彼此反相，相位差18(T的同频、等幅三角波，由运算与控制单元 同步控制两个彼此反相的三角波发生器同步产生。
所述交错驱动PWM补偿电流发生器中的运算与控制单元，通过连接被补偿电力线路的 输入端和连接电流互感器组II的输入端检测到被补偿电力线路中的电压和电流值，经按设定 的程序运算后，可得出需要进行补偿的电流值。同时运算与控制单元经连接电流互感器组I 的输入端检测到本补偿电流发生器的实际输出电流，将此实际电流值与运算得出的需要进行 补偿的电流值进行比较，可得到误差信号。运算与控制争元依据误差信号产生指令信号，送 给两个PWM脉宽调制器，产生PWM驱动信号。PWM驱动信号经驱动电路驱动两个逆变桥， 可按需求改变输出电流，使其符合补偿需要。
所述交错驱动PWM补偿电流发生器中的驱动电路I 、驱动电路II 、 PWM脉宽调制器I 、 PWM脉宽调制器II、反相器、三角波发生器、运算与控制单元均可用公知技术实现。例如驱 动电路可采用EXB841等驱动器构成，PWM脉宽调制器可采用LM339等电压比较器构成，三 角波发生器和反相器可采用TL074等运算放大器构成，运算与控制单元可采用TMS320F2812 等数字信号处理器构成数字化控制器，采用瞬时无功理论、快速傅里叶变换等方法完成分析 运算，并按照预先编制好的控制程序完成控制。其中的PWM脉宽调制器I、 PWM脉宽调制 器II、反相器和三角波发生器可以用硬件电路构成，也可以直接由数字控制芯片用数字运算 方法完成其相同功能。
图2为所述交错驱动PWM补偿电流发生器用于三相四线电力线路中的实施例二。为满
足三相四线系统中对中线电流的补偿需求，直流母线电容器需要用两个电容器串联，其串联
连接点与电力线路的中性线的连接。其他部分均与实施例一相同，工作方式与实施例一相同。 图3为所述交错驱动PWM补偿电流发生器用于单相电力线路中的实施例三。此时逆变桥I和逆变桥II均简化为单相桥，电感器I和电感器II均简化为单相结构，电流互感器组I
和电流互感器组n均简化为单只电流互感器，驱动电路I 、驱动电路II、 PWM脉宽调制器I 、
pwM脉宽调制器n和运算与控制单元也只需要处理单相信号，工作方式仍与实施例一、实施 例二相同。
权利要求
1.一种交错驱动PWM补偿电流发生器，其特征是，它由直流母线电容器(1)、逆变桥I(2)、逆变桥II(3)、电感器I(4)、电感器II(5)、驱动电路I(6)、驱动电路II(7)、PWM脉宽调制器I(8)、PWM脉宽调制器II(9)、反相器(10)、三角波发生器(11)、运算与控制单元(12)、电流互感器组I(13)、电流互感器组II(14)构成；其中，逆变桥I(2)和逆变桥II(3)的直流母线并联在一起，与共用的直流母线电容器(1)连接；逆变桥I(2)的逆变输出端接电感器I(4)的输入端，逆变桥II(3)的逆变输出端接电感器II(5)的输入端；电感器I(4)和电感器II(5)的输出端并联后与被补偿电力线路连接；逆变桥I(2)的控制端与驱动电路I(6)的相应驱动输出端连接，逆变桥II(3)的控制端与驱动电路II(7)的相应驱动输出端连接；驱动电路I(6)的输入端与PWM脉宽调制器I(8)的输出端连接，驱动电路II(7)的输入端与PWM脉宽调制器II(9)的输出端连接；运算与控制单元的(12)的指令信号输出端分别与PWM脉宽调制器I(8)的调制信号输入端和PWM脉宽调制器II(9)的调制信号输入端连接；运算与控制单元的(12)的同步信号输出端则经三角波信号发生装置处理后，输出两个反相的三角波信号分别送入PWM脉宽调制器I(8)的三角波输入端和PWM脉宽调制器II(9)的三角波输入端；运算与控制单元(12)的三组输入端分别接被补偿电力线路、电流互感器组I(13)的2次侧和电流互感器组II(14)的2次侧；电流互感器组I(13)的一次侧串联在两个电感器输出端与被补偿三相电力线路的连接回路中；电流互感器组II(14)的一次侧串联在被补偿电力线路中。
2. 如权利要求1所述的交错驱动PWM补偿电流发生器，其特征是所述逆变桥I (2) 和逆变桥II (3)的直流母线是公共的，逆变桥I (2)和逆变桥II (3)的逆变输出端分别串 联一个独立的电感器(4、 5)后并联在一起。
3. 如权利要求1所述的交错驱动PWM补偿电流发生器，其特征是所述逆变桥I (2) 的驱动电路I (6)和PWM脉宽调制器I (8)以及逆变桥II (3)的驱动电路II (7)和PWM 脉宽调制器ll (9)间相互独立驱动。
4. 如权利要求1所述的交错驱动PWM补偿电流发生器，其特征是所述三角波发生器 (11)产生的三角波信号分为两路， 一路直接供给PWM脉宽调制器II (9)，另一路通过反相器(10)反相后供给PWM脉宽调制器I (8);其中的运算与控制单元(12)产生的指令 信号同时供给PWM脉宽调制器I (8)和PWM脉宽调制器II (9)。
5. 如权利要求1所述的交错驱动PWM补偿电流发生器，其特征是所述三角波信号发 生装置包括一个三角波发生器(11),它的一个三角波输出信号直接送入PWM脉宽调制器II(9)的三角波输入端；另一个三角波输出信号经反相器(10)送入PWM脉宽调制器I (8) 的三角波输入端。
6. 如权利要求1所述的交错驱动PWM补偿电流发生器，其特征是所述三角波信号发生装置包括两个反相的三角波发生器(11)，它们的输出端分别接PWM脉宽调制器I (8) 的三角波输入端和PWM脉宽调制器II (9)的三角波输入端。
7. —种如权利要求1所述的交错驱动PWM补偿电流发生器控制方法，该方法为-(1) 由运算与控制单元按公知方法分析被补偿电力线路中的电流补偿需求，并产生相应 指令信号；(2) 将指令信号同时送入两个相同的PWM脉宽调制器；(3) 由一个三角波发生器在运算与控制单元提供的同步信号控制下产生载频三角波，并 将三角波送入一个反相器，得到同频、等幅、反相的三角波；(4) 将由步骤(3)得到的两种彼此反相，相位差18(T的同频、等幅三角波分别送入 步骤(2)中的两个PWM脉宽调制器，分别对指令信号进行PWM调制，得到两组载波相位 彼此交错180。的PWM信号；(5) 将上述两组载波相位彼此交错180°的PWM信号分别送入两套驱动电路，分别驱 动两个相同的逆变桥；(6) 将两个逆变桥产生的补偿电流叠加后送入被补偿电力线路。
8. 如权利要求7所述的交错驱动PWM补偿电流发生器控制方法，其特征为步骤(4) 中所述两种彼此反相，相位差180°的同频、等幅三角波，由运算与控制单元同步控制两个 彼此反相的三角波发生器同步产生。
全文摘要
本发明公开了一种交错驱动PWM补偿电流发生器及其控制方法。它采用两个逆变桥并联工作，两个逆变桥经电感器输出的补偿电流中，对应指令信号的有效补偿电流分量是相同的，并联后相互叠加，输出总电流为单个逆变桥输出电流的两倍；而两个逆变桥经电感器输出的补偿电流中因PWM调制而产生的载波频率纹波电流分量是近似等幅反相的，可相互抵消，从而使输出总电流中的纹波分量显著降低。本发明能够用较低的载波频率和较小的输出电感器，取得比公知技术方法显著降低的输出纹波电流，同时直流回路中的纹波电流有效值也降至公知技术方法的46％左右，从而使PWM补偿电流发生器的电流跟踪速度、输出纹波电流、损耗、效率和成本等指标得到综合改善。
文档编号H02J3/18GK101527457SQ20091001988
公开日2009年9月9日 申请日期2009年3月26日 优先权日2009年3月26日
发明者波 李, 李建明, 王德涛 申请人:山东山大华天科技股份有限公司