有源濾波總結(jié)論文

1、有源電力濾波的諧波電流檢測方法及比較I摘要由于電力電子器件的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了交流電網(wǎng)中電壓和電流波形的嚴(yán)重失真，這使得諧波問題日趨嚴(yán)重。在電網(wǎng)諧波污染越來越嚴(yán)重、用戶對電能質(zhì)量要求越來越高的背景下，諧波電流的檢測顯得尤為重要。本文簡單綜述了四種諧波電流檢測的方法，并且對后三種電流檢測的原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，在選擇電流檢測的方法上可以作為參考。II概述對電力系統(tǒng)而言，研究諧波和無功功率意義重大。首先，諧波污染的危害非常嚴(yán)重。諧波增加了 電網(wǎng)中的附加損耗， 降低了電能傳輸和使用效率，使電機(jī)、變壓器等設(shè)備過熱，并且加速絕緣老化致使壽命縮短。諧波在局部引起諧振，還會導(dǎo)致諧波放大以至于燒毀容性設(shè)備。另

2、外，諧波還可能引起控制和保護(hù)裝置誤動作、對通訊和電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。其次，大量無功功率的交換會增大線路和設(shè)備容量以及損耗，如果是焊接設(shè)備等沖擊性負(fù)載，會使電網(wǎng)電壓劇烈波動，從而嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。有源電力濾波器是一種新型的電力電子裝置，可以對電力系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。諧波電流檢測技術(shù)是有源電力濾波器技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。瞬時無功功率理論自 20世紀(jì)80年代提出以來，在許多方面得到成功的應(yīng)用?；谠摾碚摰贸隽擞糜谟性措娏V波器的諧波電流檢測方法。本文在闡述瞬時無功功率理論的基礎(chǔ)上，對基于該理論的諧波電流檢測方法的誤差因素進(jìn)行了分析。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的處理非線性問題的能力，近年來已有文獻(xiàn)將神經(jīng)網(wǎng)

3、絡(luò)應(yīng)用于諧波檢測中。本文分析了目前文獻(xiàn)中研究較多的基于多層前饋網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測 方法的基本原理。在分析已有檢測方法的不足的基礎(chǔ)上，從有源電力濾波器改善電能質(zhì)量、降低總諧波畸變率這一功能本質(zhì)角度出發(fā)提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測新方法，BP前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)諧波電流檢測方法。由于小波變換具有良好的時頻局部化特性，本文給出了小波變換的原理和選擇方法。并且分析了三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。III消除諧波的方法1 概述四種基本方法從有源電力濾波器結(jié)構(gòu)， 我們可以得出有源電力濾波器技術(shù)包含著三大關(guān)鍵技術(shù)：功率器件制造技術(shù)、諧波電流檢測技術(shù)和電流控制技術(shù)。事實(shí)上，正是這三大技術(shù)的發(fā)展決定著APF技術(shù)的發(fā)展。本論文

4、中重點(diǎn)研究的就是作為APF中關(guān)鍵技術(shù)之一的諧波電流檢測技術(shù)。有源電力濾波器諧波電流檢測技術(shù)也就是指對補(bǔ)償電流的檢測技術(shù)。補(bǔ)償電流的檢測是為了給出補(bǔ)償電流發(fā)生電路所需的輸出給定信號，以使APF產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流。用于 APF檢測環(huán)節(jié)中的檢測方法主要以下4種：(1) 頻率分析法該方法的基礎(chǔ)是傅立葉級數(shù)分析，將檢測到的畸變電流(或電壓)進(jìn)行傅立葉變換，分解為高次諧波代數(shù)和的形式，再將其合成為總的補(bǔ)償電流。此方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測精度較高，缺點(diǎn)是需要一定時間的電流值，計(jì)算量大，需花費(fèi)較多的計(jì)算時間，當(dāng)要求消除的諧波次數(shù)很高時，微機(jī)的適時計(jì)算有困難，不 適合實(shí)時控制。以上是對穩(wěn)態(tài)諧波的檢測而言的，對于時變諧波

5、的檢測而言，由于傅立葉變換存在著在頻域完全局部化而在時域完全無局部性的缺陷而使其難以實(shí)現(xiàn)對時變諧波的檢測。(2) 基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法應(yīng)用三相瞬時無功功率理論進(jìn)行無功功率分析和諧波電流檢測，這對于以平均功率為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)方法來說是個突破，較為常用。它的思想就是通過坐標(biāo)變換得到三相電壓和電流矢量，兩者的點(diǎn)積和矢積分別定義瞬時實(shí)功率 p和瞬時虛功率q,從而推導(dǎo)出瞬時無功功率、無功電流。經(jīng)過許多學(xué)者的大量研 究與改進(jìn)，現(xiàn)在已在 p-q檢測法基礎(chǔ)上衍生出了 ip-iq檢測法，還有以同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的d-q檢測法。p-q檢測法檢測諧波，只對三相三線制系統(tǒng)電網(wǎng)電壓對稱且無畸變的情況適用；

6、而ip-iq檢測法則對電網(wǎng)電壓畸變和不對稱的情況都適用，并且通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，ip-iq檢測法還可以應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)；d-q檢測法是現(xiàn)在的主要檢測方法，與ip-iq檢測法相似，優(yōu)點(diǎn)是它可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的無功電流檢測，并且電路簡單。此外，對于單相電路，也可以通過以三相為模型做分解，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用三相瞬時無功功率理論對單相無功和諧波電流的檢測。此外，還有FFT頻域分析和Fryze時域分析等方法，因延時時間長，實(shí)時性差等缺點(diǎn)，已經(jīng)很少被 采用。(3) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的諧波電流檢測法利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和非線性映射等能力，通過在線和離線樣本訓(xùn)練，輸入待補(bǔ)償信號到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸出信號中的各次諧波的

7、相位和幅值18。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測法可以實(shí)現(xiàn)高檢測精度和實(shí)時性，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最為廣泛使用的是多層前饋網(wǎng)絡(luò)，在諧波檢測中已經(jīng)成功應(yīng)用，是很有前景的檢測方法。(4) 基于小波變換理論的諧波電流檢測法小波分析在頻域和時域都有很好的局部性。應(yīng)用小波分析將采樣的畸變電流作相應(yīng)變換，再經(jīng)小波濾波器分離出基波電流分量，從而也就得到了諧波分量17。這種方法易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，但是小波算法復(fù)雜，又要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，會產(chǎn)生較大的延時和相位差異 2諧波檢測方法原理與優(yōu)缺點(diǎn) 2.1基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法目前在有源電力濾波器的諧波電流檢測中應(yīng)用

8、得最為普遍。檢測方法的基本原理：對于三相交流系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載端電壓和負(fù)載電流滿足以下條件：eaebec0(3-1)ia ibic 0(3-2)可用三相/兩相變換將abc三相交流量變換到正交的坐標(biāo)上，或通過兩相/三相反變換將正交的量變換成三相交流量，瞬時有功功率和瞬時無功功率表達(dá)式如下：pee qeeiiiCpq i(3-3)對三相平衡的正弦系統(tǒng)而言，瞬時有功功率p和瞬時無功功率q為基波電壓與基波電流的乘積，兩者均為恒定的直流量。其中，p值等于負(fù)載有功功率 P，q值等于負(fù)載無功功率 Q。但當(dāng)系統(tǒng)供電給諧波源負(fù)載時，負(fù)載電流中含有高次諧波，這時p和q中除含有基波直流分量（記作p）外，還含有交流分量，交

9、流分量為電源電壓與負(fù)載諧波電流眾的乘積，即：peei h（3-4）qeei h于是i hee-1 p(3-5)i heeq由（3-4）（3-5）可知，如果用高通濾波器從p和q中分離出交流成分，就可通過圖3-1所示運(yùn)算電路求出三相瞬時諧波電流。這就是目前有源電力濾波器中采用的基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測 方法，也叫pq法。'二帕fi三帕0:匕I圖3-1瞬時諧波電流檢測原理示意圖這種方法和其它諧波電流檢測方法，如最早采用模擬濾波器來實(shí)現(xiàn)的諧波電流檢測方法（采用陷波器將基波電流分量濾除，得到諧波分量；或采用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測電流相減得到諧波分量）相比設(shè)計(jì)難度相對較小，且

10、對電網(wǎng)頻率波動和電路元件參數(shù)敏感度較之亦降低許多；與 傅立葉分析方法相比計(jì)算量小了很多，故需花費(fèi)的計(jì)算時間較少， 從而使得諧波檢測具有較少的時延，實(shí)時性得到了提高。 盡管如此，該方法在使用中依然存在局限性，一個主要的方面就是檢測中的誤差問題。其檢測誤差存在的根本原因在于采用它檢測瞬時諧波電流時必須滿足以下幾個條件:1）p和q必須包含各次諧波電流的全部成分，即正序、負(fù)序和零序分量；2） p和q僅是基波電壓和基波電流的乘積，不包含諧波功率成分；3）p和q僅是高次諧波電流和基波電壓的乘積，不包含基波電流與各次諧波電壓的乘積項(xiàng)。pq法的誤差因素主要包括以下四個方面：（1）零序諧波電流的存在；（2）電源

11、電壓波形的嚴(yán)重畸變；三相電壓/電流不對稱；（4）高通濾波器參數(shù)的變化。嚴(yán)格地講，基于瞬時功率理論的諧波電流檢測方法僅適用于三相三線制、電源電壓為三相對稱正弦波、三相負(fù)荷平衡的負(fù)載諧波電流的檢測。所以，在采用這種諧波電流檢測方法的有源電力濾波器的設(shè)計(jì)中必須針對具體電網(wǎng)和負(fù)載的特點(diǎn)采取相應(yīng)措施來消除或減小各種不利因素的影響。以上的分析亦表明目前有源電力濾波器中采用的基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法在應(yīng)用中仍然存 在著較大的局限性，因此探求其它更為有效的諧波電流檢測方法很有必要。2.2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的諧波電流檢測法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具有本質(zhì)的非線性特性、并行處理能力、強(qiáng)魯棒性以及自組織自學(xué)習(xí)的

12、能力,智能控制、自適應(yīng)濾波和信號處理、非BP算法的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波電流3-2所示。網(wǎng)絡(luò)除輸入輸出節(jié)點(diǎn)外，還有在處理非線性問題上表現(xiàn)出了很大的潛力，已經(jīng)在模式識別、 線性優(yōu)化、機(jī)器人等方面取得了令人鼓舞的進(jìn)展。采用基于 檢測方法是目前研究較多的諧波檢測方法。BP網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖（傳遞函數(shù)）通常為一層或多層的隱層節(jié)點(diǎn)， 同層節(jié)點(diǎn)中沒有任何耦合。 輸入信號從輸入層節(jié)點(diǎn)依次傳過各隱層節(jié)點(diǎn)，然 后傳到輸出節(jié)點(diǎn)，每一層節(jié)點(diǎn)的輸出只影響下一層節(jié)點(diǎn)的輸入。其節(jié)點(diǎn)單元特性Sigmoid型，輸出層節(jié)點(diǎn)的單元特性可以為線性和Sigmoid型。圖3-2 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對電力諧波的檢測采

13、用BP網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想源于一種模擬并行濾波式諧波檢測裝置。這種裝置的原理方框圖如圖3-3所示。這種諧波測量裝置具有實(shí)時檢測電力諧波的優(yōu)點(diǎn)，但同時還具有很多缺點(diǎn)：大量的濾波器和檢波器、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所需元件多、造價(jià)高，且沒有自適應(yīng)性。輸入放A器檢波器1一濾波黠2 f檢波潺2輸出I輸出2* 三if T' if濾歿著n f檢波器n圖3-3模擬并行濾波式諧波檢測裝置方框圖比較圖3-2和圖3-3可以看出這兩種結(jié)構(gòu)具有相似性。根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意F: RnRm功的非線性映射的特性，可以考慮用BP網(wǎng)絡(luò)來代替圖3-3所示的模擬并行式諧波檢測裝置中的帶通濾波器和檢波器。BP網(wǎng)絡(luò)的輸入是待測量信號，相當(dāng)于圖3-

14、3中輸入放大器的輸出信號，離線訓(xùn)練時它是信號在一個周期的采樣值，而在線訓(xùn)練時它是信號的一系列時延值；BP網(wǎng)絡(luò)的輸出對應(yīng)于圖3-3所示檢波器的輸出信號，它們得出的是所要檢測的各次諧波電流信號的幅值，而這些值是有源電 力濾波器的補(bǔ)償電流發(fā)生電路所需要的指令電流信號的組成部分。這就是基于BP網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測方法的基本原理。有文獻(xiàn)在對網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中所采用的訓(xùn)練樣本的選擇上直接認(rèn)定諧波的初相角為0或180度，且采用讓奇次諧波幅度從 0開始，以10%的基波幅度的間隔逐漸遞增的方式來構(gòu)造樣本，還有些文獻(xiàn) 雖然提出了一種估計(jì)初相角的方法，但在樣本選擇上采用了同樣的方法。實(shí)際上，這樣構(gòu)造的樣本與電力系統(tǒng)諧波的

15、實(shí)際情形有很大差異，所選擇的樣本并不具有很強(qiáng)的代表性，用這樣的樣本訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)來檢測電力系統(tǒng)的諧波是不成功的。2.3基于小波變換的諧波電流檢測方法數(shù)學(xué)理論上講，多分辨就是不斷地濾除頻率相對較高的頻帶上的分量（細(xì)節(jié)），同時保存這些分量以進(jìn)行信號重構(gòu)（高頻信號重構(gòu)），這就是多分辨思想用于諧波檢測的原理。圖3-4采用小波變換檢測諧波的 APF的基本結(jié)構(gòu)框圖在有源電力濾波器中，需要檢測的只是除基波外的所有諧波含量，不需要給出各次諧波的大小。結(jié)合小波變換的多分辨思想，對有源電力濾波器中的諧波檢測提出如下構(gòu)想：即首先通過基于小波變換的諧波檢測環(huán)節(jié)對畸變電流信號進(jìn)行多尺度分解，濾除掉頻率相對較高的頻帶上的分量

16、（細(xì)節(jié)即高頻信號），分解出低頻信號一基波信號，然后通過與總的畸變電流相減得出總的諧波電流。采用小波變換檢測諧波的 APF，的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-4所示。通常認(rèn)為選取小波主要有以下幾個標(biāo)準(zhǔn)：相似原則：對二進(jìn)小波變換，如果選擇的小波對信號有一定的相似性，則變換后的能量就比較集中，可以有效減少計(jì)算量。判別函數(shù)：針對某類問題，找出一些關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo)，得到一個判別函數(shù)，將各種小波函數(shù)代 入其中，得到一個最優(yōu)準(zhǔn)則。支集長度：大部分應(yīng)用選擇支集長度在 59之間的小波，因?yàn)橹ЪL會產(chǎn)生邊界問題，支集太短消失矩太低，不利于信號能量的集中。IV總結(jié)諧波電流檢測技術(shù)是有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)之一，諧波電流檢測

17、技術(shù)的發(fā)展直接決定著有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展。本文在對有源電力濾波器的諧波電流檢測方法進(jìn)行了概括總結(jié)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對 三種諧波電流檢測方法進(jìn)行了分析和研究。首先對基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法原理和pq法的誤差因素進(jìn)行了分析，分析的結(jié)果表明零序諧波電流的存在、電源電壓波形的嚴(yán)重畸變、三相電壓/電流不對稱、高通濾波器參數(shù)的變化這四大因素使基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法pq法在應(yīng)用中不可避免地產(chǎn)生了誤差。在分析已有的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測方法的不足的基礎(chǔ)上，從有源電力濾波器所實(shí)現(xiàn)的功能本質(zhì)一改善電能質(zhì)量，降低總諧波畸變一一這一角度提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測方法。BP神經(jīng)

18、網(wǎng)絡(luò)諧波電流檢測方法。檢測效果好，輸出層采用線性輸出效果不錯。基于小波變換的諧波檢測電流方 法能彌補(bǔ)傅立葉變換的不足，可以實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器對電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和時變諧波電流進(jìn)行檢測的功 能；小波函數(shù)的選取以及所采用的小波函數(shù)尺度的選取對諧波檢測的結(jié)果存在很大的影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換應(yīng)用于自然科學(xué)的各個領(lǐng)域，顯示了突出的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景，然而和其他任何技術(shù)一樣它們都不可避免地存在著局限性。因此，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換的諧波電流檢測技術(shù)的研究和基于瞬時無功功率的諧波電流檢測技術(shù)的研究一樣都還有待于繼續(xù)深入和展開。V參考文獻(xiàn)1 鐘山，楊晟，趙爭鳴.有源電力濾波器技術(shù)與發(fā)展綜述J.變頻器世界.2011 (01): 45-49 .2 王群，吳寧，王兆安一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力諧波檢測方法電力系統(tǒng)自動化，1998,