基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有源電力濾波器諧波電流提取方法

1、基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有源電力濾波器諧波電流提取方法曾令全，白志亮，曾德俊，劉春山（東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012）摘要：對有源電力濾波器（APF ）諧波檢測方法進(jìn)行研究，將自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ADNN ）的信號處理技術(shù)應(yīng)用于三相非線性負(fù)載的諧波電流檢測中，提出了一種基于ADNN 檢測方法。該方法的主要特點是不僅能檢測諧波電流中的基波成分，也能檢測出其中不同的高次諧波分量的幅值和相位。通過搭建一個基于DSP 三相并聯(lián)APF 的實驗系統(tǒng)來證實該方法的有效性，并與傳統(tǒng)的傅里葉變換法和d -q 算法相比較，驗證其具有更快的動態(tài)響應(yīng)。最后，通過分別對感性負(fù)載和容性負(fù)載進(jìn)行階躍變化操作試驗檢驗

2、所提出的ADNN 檢測法的APF 諧波補償特性，并獲得了優(yōu)良的補償性能。關(guān)鍵詞：自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；諧波提取；有源電力濾波器；補償電流；DSP 中圖分類號：TM 761文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：10066047（2010）02003304收稿日期：20090620；修回日期：200909 14電力自動化設(shè)備Electric Power Automation EquipmentVol30No2Feb. 2010第30卷第2期2010年2月電網(wǎng)中交流電源側(cè)的諧波成分由有源電力濾波器（APF ）進(jìn)行補償，因此首先要對諧波進(jìn)行提取1-4。本文引入了一種自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ADNN ）檢測方法來檢測各次諧波的幅值

3、和相位，檢測時間比常規(guī)的方法要短，通過這種方法能夠有選擇性地對5次和7次諧波進(jìn)行補償。本方法中，不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，而是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理確定畸變的負(fù)載電流中的基波和各次諧波成分，即不再為訓(xùn)練選擇訓(xùn)練模式、隱藏的層數(shù)和每一層神經(jīng)元的個數(shù)。而且所提出的ADNN 在單相和三相系統(tǒng)中都適用5-10。1系統(tǒng)描述1.1實驗系統(tǒng)的一般介紹完整的APF 配置在圖1中給予了描述11。ADNN 方法確定出基波分量（i af ，i bf ）和三相非線性負(fù)載電流（i la ，i lb ），然后用負(fù)載電流減去基波得到諧波成分的補償量（i *ca ，i *cb ）。負(fù)載電流各相中總的諧波電流是通過從負(fù)載電流中減去基

4、波分量得到的，而并不是各次諧波分量的總和。低次諧波分量占據(jù)總的諧波的主要部分，這樣用于確定諧波的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也會簡單一些?？梢宰C明，通過ADNN 分離出來的諧波幅值和相位是正確的。補償電流參考量（i *ca ，i *cb ）通過abc -dq 相位變換被轉(zhuǎn)換為d -q 軸分量（i *c d ，i *c q ），它們被用于指令電壓向量計算，計算單元中含一個快速電流控制器。指令輸出電壓向量由空間矢量調(diào)制方法提供。在快速電流控制器中，引用一個自適應(yīng)性線路放大器（ALE ）12提前2個采樣周期預(yù)測參考值，這樣就減少了計算時間，同時也能增強快速電流控制系統(tǒng)的魯棒性。1.2實驗系統(tǒng)的構(gòu)成ADNN 確定諧波電流

5、以及APF 的實現(xiàn)都是在基于DSP 的實驗系統(tǒng)中進(jìn)行的13-14。逆變器中的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件是以數(shù)字1和0表示的開或關(guān)狀態(tài)。因此，同DSP 接口的逆變器控制器適合采用數(shù)字電路。所有的計算都是數(shù)字化完成的，補償電流的計算，使用ALE 的快速控制算法，以及用于維持直流電壓U dc 恒定的比例積分（PI ）控制，都是用匯編語言編程完成的，程序由連接在PC 機(jī)上的DSP 運行。實驗系統(tǒng)框圖如圖2所示。2各因素對實驗結(jié)果的影響2.1積分常數(shù)K 的影響下面對積分常數(shù)K 進(jìn)行定義。 設(shè)x （t ）=鄱l 1，511，N（A 1cos l t k +B 1sin l t k ）為時間t 時的負(fù)載電流，可以證

6、明：圖1諧波檢測控制電路圖Fig.1Control circuit of harmonic detectioni sa i sb負(fù)載i ca i cb i ccT1T3T5V T4V T6T23-dq門極驅(qū)動空間矢量調(diào)制指令電壓計算U *d U *qi c d i c q電壓相位檢測ADNN i afdq 3i *c dii *c q PI 控制器i *cai *cbU c d i la i lb i V D1V D3V D5D4D6V D2U ref + 第30卷電力自動化設(shè)備 A 1=-K乙鄱l 1，5，7，11，N（A 1cos l t k +B1sin l t k ）-d k 鄱鄱&#

7、215;cos l t k d t B 1=-K乙鄱l 1，5，7，11，N（A 1cos l t k +B1sin l t k ）-d k 鄱鄱×sin l t k d t它們分別為第l 次諧波系數(shù)，且相互關(guān)聯(lián)；K 為積分常數(shù)。error=鄱l 1，5，7，11，N（A 1cos l t k +B1sin l t k ）-d k鄱鄱定義為時間t k 時的誤差量。K 取值的變化對ADNN 的性能有著重大影響。圖3給出了用于精確諧波檢測的最優(yōu)K 值下的電流波形（圖中n 為采樣點數(shù)）。圖3（a ）中，K 設(shè)為240。這時K 值過低，誤差量比較大，系數(shù)B 1的響應(yīng)比較慢。圖3（b ）中，K

8、 值設(shè)為480，誤差減小，B 1的響應(yīng)快多了，此時是最優(yōu)值。當(dāng)K 被設(shè)為一個更大的值，如圖3（c ）所示，誤差變得更小，但是系數(shù)B 1，也就是基波的幅值，發(fā)生波動，而且基波分量發(fā)生畸變。事實證明調(diào)整K 值的基準(zhǔn)在于系數(shù)B 1，而不是誤差大小。有一點很重要，就是注意到在暫態(tài)條件下，一旦K 值決定，它是不隨負(fù)載類型和負(fù)載大小變化而變化的。2.2諧波次數(shù)的影響考慮的諧波次數(shù)越高，則諧波提取的精度也越高。同時，考慮的諧波次數(shù)也被限制在一個較低的值，因為提取算法的執(zhí)行必須在一個采樣周期內(nèi)完成。以下3種模式顯示了實驗結(jié)果，它表明了如果要高精度地檢測出基波電流，需要對諧波次數(shù)考慮到何種程度。圖4給出了不同K

9、 值下的電流波形。第1種模式，如圖4（a ）所示，K =240欠增益，此時是只考慮基波成分的情況，誤差很大。第2種模式，如圖4（b ）所示，此時K =480最優(yōu)，不小，但是基波的估算很精確，因此要想精確地提取基波成分，至少要考慮到7次諧波。第3種模式，如圖4（c ）所示，此時K =1080過增益，只是考慮到19次諧波時的情況，可以看到誤差幾乎被消除。從這3種模式看，證明所提出的ADNN 要想以高精度檢測出基波電流，并不需要考慮到太高次數(shù)的諧波成分。因此也不需要有功能十分強大的DSP 來將ADNN 應(yīng)用到APF 中的諧波檢測中。2.3采樣頻率的影響一般，當(dāng)把采樣頻率定在某個較高的值時，諧波提取的

10、精度也會大幅提高。但是為了能在采樣周期頻率的不同，可能獲取的精度不同。為了能夠獲得較8位計數(shù)器8位計數(shù)器C dc逆變器PWM 比較系列寄存器非線性負(fù)載電壓相位檢測A D 轉(zhuǎn)換器DSP R Li la ，ilbU dci ca ，i cbInt -CPC MSBVCO3.3k L 40-4i A-192-6464192320n（a ）K 240，欠增益B 1誤差40-4i A-192-6464192320n （b ）K 480，最優(yōu)增益B 1誤差40-4i A-192-6464192320n（c ）K 1080，過增益B 1誤差圖3不同K 值下的波形Fig.3Waveforms of diffe

11、rent K values基波TT負(fù)載階躍變化負(fù)載階躍變化基波基波40-4i A-192-6464320448n（b ）只考慮到7次諧波B 1基波40-4i A-256-1280256384n（c ）只考慮到19次諧波B 1基波圖4不同諧波次數(shù)時的波形Fig.4Waveforms of different harmonic frequencies誤差誤差19212840-4i A-256-128n（a ）只考慮基波B 1基波誤差128負(fù)載階躍變化T 曾令全，等：基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有源電力濾波器諧波電流提取方法第2期=2V DC 10:1CH2=2V DC 10:1CH3=2.44V DC 1

12、0:110ms div ；（10ms div ）；Norm ：100kS s i Lai ca i sa負(fù)載變化（a ）感性負(fù)載，電路參數(shù)：L L 96mH ，L s =4mH高的提取精度，這里考慮了2種采樣頻率：7.68kHz 和15.36kHz 。圖5顯示了在這2種頻率下的負(fù)載電流波形、波形系數(shù)、誤差及基波分量。圖中采樣點0表示諧波分析計算的起始點?？梢钥闯?，系數(shù)A 1和B 1，也就是對應(yīng)于基波無功分量和有功分量波形的幅值，當(dāng)采樣頻率從15.36kHz 減少至7.68kHz 時，它們的執(zhí)行時間沒有改變。而且，在2種采樣頻率下，對基波的檢測精度幾乎沒有差別。因此可以得出結(jié)論，在進(jìn)行諧波分析時

13、，要想得到滿意的結(jié)果，7.68kHz 已經(jīng)是足夠高的采樣頻率。3傳統(tǒng)方法和ADNN 算法檢測速度的比較3.1傅里葉變換和ADNN 算法檢測速度的比較這里給出了傅里葉變換和所提出的ADNN 算法執(zhí)行時間的比較。圖6給出了實驗結(jié)果。圖中，采樣點0表示諧波分析計算的開始點。在圖6（a ）所示傅里葉變換的情況下，計算系數(shù)A 1和B 1需要一個基波周期。而在本文所提出的方法下，只需要半個基波周期，如圖6（b ）所示。d q 本節(jié)中對提出的基于ADNN 的諧波算法和基于常規(guī)d -q 理論的算法做了比較。在基本的d -q 理論中，補償電流有功分量的參考向量是這樣確定的：首先讓負(fù)載電流向量的有功分量通過低通濾

14、波器，來得到輸出的直流分量，然后從瞬時有功分量里減去這個輸出量得到參考量。因此，發(fā)生了直流成分的檢測延遲，而且參考量中包含有誤差。圖7（a ）給出了階躍變化條件下d 軸補償電流的參考量。此時以一個數(shù)字低通濾波器為例來檢測負(fù)載電流中的直流分量。暫態(tài)過程中由檢測延遲造成的電流降落較為顯著。而在本文提出的ADNN 算法中，雖然不可能完全消除檢測延遲，但做到了能有效地減少延遲，如圖7（b ）所示?？梢哉f本文提出的ADNN 算法具有更短的執(zhí)行時間，而且在暫態(tài)過程中帶來更小的電流幅值降落。4諧波補償性能為了檢驗所提出的ADNN 諧波檢測法的APF 的諧波補償特性，做了以下2個實驗。圖8給出了分別對感性負(fù)載

15、和容性負(fù)載進(jìn)行階躍變化操作的實驗結(jié)果（負(fù)載電阻從60變?yōu)?0）。圖中，i La 為負(fù)載電流，i ca 為補償電流，i sa 為電源電流。在容性負(fù)載情況下，負(fù)載電流THD 為32.3%，而經(jīng)過補償后的電源電流THD 僅為3.35%，有顯著改進(jìn)。獲得了優(yōu)良的諧波補償性能，那是因為ADNN 諧波檢測法和快速電流控制法在APF 中都足夠精確。圖9中以占基波電流百分比（e f ）的形式給出了40-4i A0256512768n（a ）采樣頻率15.36kHz ，檢測最高次數(shù)31次B 1基波圖5不同采樣頻率下的波形Fig.5Waveforms of different sample frequencies

16、誤差A(yù) l40-4i A0128256384n（b ）采樣頻率7.68kHz ，檢測最高次數(shù)19次B 1基波誤差A(yù) l圖6傅里葉變換法和ADNN 法的比較Fig.6Comparison between Fourier transform and ADNN40-4i A0128384512n（a ）傅里葉變換B 1基波A l256完成時間T40-4i A0128384512n（b ）ADNN 算法B 1基波A l256完成時間T 2T0.50-1.0i A-192-48240384（a ）常規(guī)方法960. 64A 完成時間1. 53T0.50-1.0i A-192-48240384（b ）ADN

17、N 算法960.49A 完成時間1.30Ti *cp圖7常規(guī)d -q 法和ADNN 算法的比較Fig.7Comparison between d -q algorithm and ADNN-0.5-0.5CH1=2V DC 10:1CH2=200mV 10:1CH3=2.44V DC 10:1ms div ；（10ms div ）；Norm ：100kS s i Lai ca i sa（b ）容性負(fù)載，電路參數(shù)：C L 3300F ，L s =4mH負(fù)載變化圖8感性負(fù)載和容性負(fù)載下的實驗結(jié)果Fig.8Results of tests with inductiveload and capacit

18、or load負(fù)載電流和電源電流的諧波頻譜（h 為諧波次數(shù)）。在基于對電源電流的THD 值的測量基礎(chǔ)上，APF 補償后的結(jié)果表明所提出的檢測方法是很有效的。同時還可以觀察到，各次諧波電流，不管是在檢測范圍內(nèi)（57諧波）的，還是在檢測范圍之外的，它們的幅值都大幅減小了。最顯著的是5次諧波電流的幅值減小了大約95%。檢測范圍之內(nèi)的諧波電流幅值減小了88%95%，之外的則為30%86%。5結(jié)論本文提出的基于ADNN 諧波檢測方法能有效而精確地提取諧波分量，其可行性和有效性也通過實驗得到了證實。為了利用ADNN 得到好的諧波分析結(jié)果，分析結(jié)果表明：積分常數(shù)的最優(yōu)值為480，這個值適用于任何類型的負(fù)載；

19、對于諧波系數(shù)的計算，至少要計算到7次諧波；采樣頻率的最低值是7.68kHz ；補償電流的參考值是通過從原始畸變負(fù)載電流中減去基波分量得到的，而不是所有次數(shù)諧波的總和。參考文獻(xiàn)：1李戰(zhàn)鷹，任震，楊澤明. 有源濾波裝置及其應(yīng)用研究綜述J 電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（22）：40-43.LI Zhanying ，REN Zhen ，YANG Zeming. Survey on active power filter devices and their application study J Power System Tech -nology ，2004，28（22）：40-43.2戴朝波，林海雪，雷林

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28、（16）：91-95.ZHOU Xuesong ，ZHOU Yongbing ，MA Youjie A power har -monic detection method based on adaptive filter J . Power System Technology ，2008，32（16）：91-95.（責(zé)任編輯：李玲）作者簡介：曾令全（1955-），男，重慶人，教授，研究方向為有源電力濾波器、電力電子及電機(jī)節(jié)能技術(shù)（E-mail ：soreizen mail 白志亮（1981-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古通遼人，碩士研生源電的監(jiān)測。第30卷電力自動化設(shè)備h圖9負(fù)載電流和電源電流的諧波頻

29、譜Fig.9Harmonic spectrums of loadcurrent and power current負(fù)載電流，電源電流基于雙級矩陣變頻器的柔性分頻輸電系統(tǒng)中的變頻換流技術(shù)易靈芝1，彭寒梅1，王根平2，鄧文浪1，趙曉昀1（1. 湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南湘潭411105；2. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電分院，廣東深圳518055）摘要：采用雙級矩陣變頻器作為倍頻設(shè)備，改進(jìn)柔性分頻輸電系統(tǒng)的變頻換流站，將水輪發(fā)電機(jī)發(fā)出分頻電力，經(jīng)升壓變壓器和輸電線路，送入雙級矩陣變換器進(jìn)行交-直-交變換，轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl電力，并入電網(wǎng)，或者給交流負(fù)載供電。通過分析交-直-交雙級矩陣變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、雙空間

30、矢量調(diào)制策略和零電流換流方法等變頻換流技術(shù)，提出柔性分頻輸電系統(tǒng)新型變頻換流站實現(xiàn)方案，充分利用雙級矩陣變換器結(jié)構(gòu)緊湊、能量雙向傳遞、輸出頻率可控、輸入功率因數(shù)可調(diào)的優(yōu)點。在Matlab Simulink 環(huán)境下的模型仿真結(jié)果表明，該方案能明顯提高輸電系統(tǒng)的傳輸效率，充分抑制諧波分量以及有效降低系統(tǒng)無功功率，并通過修正逆變級調(diào)制系數(shù)，可保證在分頻電力輸入不對稱時網(wǎng)側(cè)輸出平衡。關(guān)鍵詞：分頻輸電系統(tǒng)；雙級矩陣變頻器；仿真；雙空間矢量調(diào)制；零電流換流中圖分類號：TM 743文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：10066047（2010）0200370 6電力自動化設(shè)備Electric Power Automa

31、tion EquipmentVol30No2Feb. 2010第30卷第2期2010年2月收稿日期：20090602；修回日期：20090923基金項目：教育部工程碩士教改課題項目（2009-ZX-052）；湖南省自然科學(xué)基金項目（08JJ6029）0引言柔性分頻輸電系統(tǒng)利用分頻降低系統(tǒng)電抗，可成倍提高系統(tǒng)傳輸容量，顯著改善系統(tǒng)運行特性，為我國遠(yuǎn)距離、大容量送電提供了一種非常有競爭力的方案1-4。交-直-交雙級矩陣變換器是一種新型的矩陣變換器，集交-直-交變換器和矩陣變換器的優(yōu)點于一身，其拓?fù)潆娐放c傳統(tǒng)交-直-交變換器相似，有中間直流環(huán)節(jié)，但只有很小的儲能元件或者無儲能元件。除了具有與傳統(tǒng)矩陣

32、變換器相同的優(yōu)良輸入輸出性能外，交-直-交雙級矩陣變換器有以下優(yōu)點：控制策略簡化；輸入側(cè)是電流源的整流器，采用零電流換流策略解決了安全換流問題；輸出側(cè)是電壓源的逆變器，能夠克服傳統(tǒng)矩陣變換器的不足5-8。在柔性分頻輸電系統(tǒng)中，本文采用交-直-交雙級矩陣變換器替代倍頻變壓器，作為分頻和工頻系統(tǒng)之間的連接裝置完成變頻和傳輸能量，將有效抑制對工頻電網(wǎng)的諧波污染。1基于雙級矩陣變頻器的柔性分頻輸電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基于交-直-交雙級矩陣變頻器的柔性分頻輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。圖中分頻電源（由水輪發(fā)電機(jī)和升壓變壓器組成）發(fā)出分頻電力，經(jīng)由輸電線路送至末端，再通過交-直-交雙級矩陣變換器組成的變頻換流站將分頻電力轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl電力