1、一 种 基于 自 适应 神 经网 络 的谐 波 电流 检 测方 法 的仿 真 1张国荣,王英,丁明教育部 光伏 系统 工程 研究 中心, 合肥 工业 大学 能源 研究所 ,合 肥 ()摘 要: 有 源电 力滤 波器 (A PF) 的性 能很 大程 度 上取决 于其 采用 的谐 波电 流检测 方法 。 本 文介绍 一种 基于 自适 应神 经网络 的谐 波电 流检 测方 法,这 种方 法能 实时 准确 地检测 出谐 波 ,很好地 弥补 了基 于 FFT 的 方法、 基于 瞬时 无功 理论 的方法 和基 于小 波变 换的 方法等 检测 方法的缺 陷 。 该 方法 的思 想 是根据 自适 应噪 声对
2、消技 术的基 本原 理 , 将 基波 电 流从负 载电 流中 滤除, 从而 得到 谐波 电流 。对 该 检测 方法 首先 在原 理上进 行了 阐述 ,并 在 MATLAB/Simulink下 对 其 进 行 了 仿 真 研究 。仿 真 结 果 表 明 这 种 方法 能够 快 速 准 确 地 检 测 谐波 电流 , 可 以 用 于APF 的谐波 电流 检测 。 关键词:有 源电 力滤 波器 ;人工 神经 网络 ;自 适应噪声对 消技 术; 谐波 检测0. 引言近年来 , 由于 大量 的非 线 性负载 投入 使用 , 包括 : 整流器 、 变频 器等 , 使得 电能质 量问 题变得 日 益 严重
3、。 有源 电 力滤波 器 ( APF) 是抑制 谐波电 流的 有效 设备, 它 能快速 准确 地跟 踪检测 谐 波 电流 并对 其进 行补偿 1。谐 波电 流检 测 方法的 好坏 是决 定 APF 性能的 一个 关键 因素。 当 前 应用 于 APF 的谐波 检 测方 法主 要包 括: 基于 FFT 的检测方 法, 基 于瞬时 无功 理 论的检测方法 和基于小波变换的检测方 法 2-3。虽然这些方法各有 优点,但它们也都存在 缺 陷,其 中 基 于 FFT 的检 测 方法 存 在栅 栏效 应和 频谱 泄漏问 题; 基于 瞬时 无功 理论的 方法 要 用到低 通 滤 波器 , 使得 谐 波检测
4、的实 时性 和准 确性 相互制 约 ; 而 基于 小波 变 换的检 测方 法也 存在小 波 函 数的 选择 具有 随机性 的问 题 4。人工神 经网 络 ANN( Artificial Neural Networks)已 经成 功 应用 于多 个领 域, 包括信 号 处理、 模 式 识别 和人 工智 能等, ANN 的 优点 是具 有 自我 学 习的 功能 ,可 以根 据需要 自动 改 变参数 。 本 文根 据自 适应 噪声 对 消技 术 ANCT( Adaptive Noise Cancelling Technology) 的基 本 原 理 , 结 合 人 工 神 经 网 络 , 提 出 一
5、 种 应 用 于 APF 的 谐 波 电 流 检 测 方 法 , 在 MATLAB/Simulink 软件环 境下对 这种 方法进 行仿 真 研究 , 结果 表明这 种方 法 具有很 好的 准 确性和 实 时 性。1. APF 的 结构和工作原理图 1 所 示 为 APF 的结构 和 工作原 理, APF 主要 由两 大部分 组成 ,即 指令 电流 运算电 路 和补偿 电 流 发生 电路 , 其 中补偿 电流 发生 电路 又由 电流跟 踪控 制电 路 、 驱 动 电路 、 主 电路 和 高通滤 波 器 (H igh Pass Filter HPF) 等部分 组成 。 APF 的工作原理是 ,
6、经 指令 电流运 算电 路 得出补 偿 电 流的 指令 信号 , 该 指令 信号 经过 补偿 电 流发生 电路 产生 补偿 电流 , 从 而将 负载 电 流中的 谐 波 和无 功电 流抵 消掉, 最终 得到 期望 的系 统电流 。非线性 负载 产生 的含 有谐 波的负 载电 流 为 iL,根据傅立叶 级数 可以 将其 展开 为:1 本 课 题 得 到 教育部高等学校博 士学科点专项科研基金项目( );教育部科学技术 研究重大项目 ( )的资助。* iL = I n sin(nt + n ) = I1 sin(t + 1 ) + I n sin(nt + n )n =1= i1 + ih = i
7、1 p + i1q + ihn =2 (1 )其中 i1 p = sin(t ) cos(1 ) , i1q = I1 cos(t ) sin(1 ) , ih = I n sin(nt + n )n =2由 (1 ) 式 可知 , 负 载电 流 包含三 个部 分: 基波 有功 电流 i1p, 与 系统 基波 电压 保持同 相 位;无 功 电 流 i1q,与 基波 有功 电 流 i1p 正 交; 谐波 电 流 ih。由图 1 可知图 1 APF 的原理图iS = iL + iC= i1 p + i1q + ih + iC ( 2)其中,i S 为系 统电 流,i C 为 APF 输出 的补 偿
8、电 流。 若要系 统电 流 iS 在 补偿 后 仅含基 波有 功电 流 i1p,则 :iC = i1q ih (3 )即 APF 输出 的 补 偿电 流既 包含与 无功 电 流 i1q 大小 相 等, 方 向相 反的 分量 , 也 包含与 谐 波电 流 ih 大小相 等,方 向 相反的 分量 。5-8若 APF 仅补 偿 谐 波电 流 ih,则 补 偿后 的系 统电 流 iS 中仅含 有基 波电 流 i1 。2. 自适应 噪声对消技术Widrow 等人在 数字 信号 处 理中提 出一 种把 信号 和噪 声分 离 的方 法 自 适应 噪声对 消技术 ANCT( Adaptive Noise Ca
9、ncelling Technology) ,能把 信 号 s 从 噪声 s+n0 中分离 出来 , 其原理 图如 图 2 所示 。它 有两 个 输入 :原 始输 入 s+n0,参 考输 入 n1。 原始 输 入中除 含有 信 号 s 外 还含 有加 性噪 声 n0。 s 和 n0 是 不相 关的 , s 和 参考输 入 n1 也 是不 相关 的 , 但参 考输 入 n1 和加 性 噪 声 n0 是 相关 的 。 n1 通 过自 适应 滤波 器的 处理, 得到 与 n0 逼近 的噪 声 n0 , 从而在 系统输 出 y 中 n0 被 抵消 掉 , 得 到信 号 s。 输出 y 同时 作为误 差信
10、 号 e 对自 适应 滤波器 的参 数 进行调 整, 使 y 逐步逼 近 s9.10。- 3 -豆丁标准与论文网免费阅读: + n*0n1图 2 自适应噪声对消技术原理 图根据自 适应 噪声 对消 技术 的基本 原理 ,可 以将 其应 用到 APF 的谐波检测 中, 图 2 中 的 自适应 滤 波 器可 以 用 ANN 或一 个 神经 元代 替 11-15。 负载电 流 iL 可以作 为原 始 输入信 号 , 基 波有功 电 流 可看 作是 参考 输入信 号 , 则 输出 信号 是 需要补 偿的 谐波 和无 功电 流; 参考 输入 信 号也可 以 是 谐波 和无 功电 流,这 样输 出信 号就
11、 是基 波有功 电流 。3. 基于自 适应神经网络的 谐波电流检测3.1 将 基波 有功 电流作为 噪声 源的检 测方 法将自适 应神 经网 络应 用于 谐波和 无功 电流 检测 的原 理如 图 3 所 示iLANN*S idirf ()e图 3 将基波有功电流作为噪声 源的原理图图 3 中 iL=i1p+ih+i1q 为原始 输入 , 其中 谐波 和无 功电 流 ih+i1q 作为 信 号 源 , 基 波 有 功 电 流 i1p 作为 噪 声源 , 将与 电网 电压 同 步的 正弦 信 号 us*=sin(t +) (=2f, f=50Hz, 为 电网 电压 的相位角) 作为参考输入, 该同
12、步信号可通过锁 相环 (P LL)对电网电压锁相 获得。 1 是 神 经网络 的 权 值, 变换 函 数 f(.)选为线 性函 数, 即 ir=1us*=1*sin(t +) 。由三角 函数 特性 可知 , 谐 波 和无功 电 流 ih+i1q 与基波有 功电 流 i1p 即信 号源 与噪 声 源是线 性无关 的 , 则 ih 和 ir 也是 线性 无 关的 。 通 过调 整权 值 1 可 以 使 ir 逐步 逼近 基 波有功 电 流 i1p, 通过 自适应滤波 器将基波有功 电流 i 1p 滤除 ,所得即为谐 波和无功电 流 ,实现 了谐波 检测的目 标,同 时 id 作为 误差信 号 e
13、对 权 值 1 进行 调节 。i d (k ) = iL (k ) ir (k )其中, k 为 迭代 次数 。权值 1 的 调节 采用 delta 算法, 调节 公式 为: (k + 1) = (k ) +k e u * (k )(4)(5 )1 1 1 s其中, k1 为 神经 网络 的学 习率。合理选 择学 习 率 k1, 可以 使检测 算法 具有 良好 的精 度和自 适应 跟踪 能力 。如果采 用 us*=sin(t+)作 为参考 输入 , 则 经过 该检 测算法 所得 的结 果为 谐波 电流和 无 功 电流 , 可 以应用 于要 求同 时补偿 谐波 电流 和无 功无 功电流 的场 合
14、。 如果 采 用 us*=sin(t +)+ cos(t+)作为 参考 输入 , 则经 过该 检测 算法 所得 的结果 为谐 波电 流, 不包 含无功 电流 , 可 以应用 于只 要求 补偿 谐波 电流的 场合 。i3.2 将 谐波 和无 功电流作 为噪 声源的 检测 方法图 3 所 示为 将基 波有 功电 流作为 噪声 源的 检测 方法 ,若将 谐波 和无 功电 流作 为噪声 源 , 则其原 理 如 图 4 所示 。iL =i1p +i1q +ih i drf ()图 4 将无功和谐波电流作为噪 声源的原理图从图 4 中可 以 看 出 , 自 适 应滤波 器是 一个 多输 入单 输出的 耦合
15、 系统 , 可以 用 人工神 经网 络实现 。 其中 1c 为无 功电 流的 权 值 , 5s,5c,ns,nc 为 5 次到 n 次 谐波 电流 的权值 ; n 为 APF 需要补 偿的 谐波 电流 的最 高 次数 ; f(.)为 激活函 数, 通常是 线性 函数 , 即 f(x)=x; 为 神 经网络 的 阈 值。 则:ir = f (1c cost +5s sin5t +5c cos5t +ns sinnt +nc cosnt +(k)=1c cost +5s sin5t +5c cos5t +ns sinnt +nc cosnt +(k) (6)由式 (6 ) 可 以看 出 , 通 过
16、 调节权 值 1c,5s,5c,ns,nc 等, 可 以 使 ir 逐渐 逼近 负载电 流中的 无 功 电流 和各 次谐 波电流 16-18。比较两 种检 测算 法可 以看 出, 第一 种方 法是 将基 波 有功电 流作 为噪 声源 , 这 种方法 的优 点是计 算 简 单, 可以 快速 准确地 检测 出无 功和 谐波 电流, 因此 适合 于作 为 APF 的谐波检 测 算法 ; 第 二种 方 法 是将 无 功和谐 波电 流作 为噪 声源 , 该 方法 的特 点是 通过 调 节权值 可以 准确 计算负 载 电 流中 的各 次谐 波电流 , 但前 提是 必须 知 道负载 电流 的频 谱即 所含
17、谐波的 次数 , 并 且计算 较 复 杂, 在检 测的 快速性 上不 能满 足 APF 的要求。由于将 基波 有功 电流 作为 噪声源 的方 法适 合于 作 为 APF 的谐波 电流 检测 算法 ,因此 本 文对这 种 方 法做 了仿 真验 证。4. 仿真结 果为了 验证 该检 测算 法的 性能, 本文 在 MATLAB/Simulink 软件环境 下对 这种 方法进 行 了仿真 研 究 。电 网单 相电 压有效 值为 220V, 采用 三 相不 可 控整 流桥 作为 谐波 源,带 阻感 负 载 , R=10, L=20mH。 以 A 相 电流 为例 , 图 5 为 不含无 功的 电流 波形
18、, 图 6 为含 有无 功的 电流波 形 。 从两 个图 中可 以看出 ,这 种检 测算 法能 在 5ms 内快 速 地检 测出 谐 波电流 。从 图 中看出 这 种 检测 方法 是可 以用 于 APF 的谐波 电流 检 测的 , 并且 具有 良好 的检 测精度 和跟 踪 速度。- 5 -豆丁标准与论文网免费阅读: 5 不含无功的谐波电流波形5. 结论图 6 含有无功的谐波电流波形用于 APF 的谐 波电 流检 测 方法的 检测 精度 和跟 踪速 度,直 接决 定了 其对 由非 线性负 载产生的 谐波 的补 偿效 果, 因此谐 波检 测方 法是 影 响 APF 性能的 一个 关键 因素 。本文
19、 介绍 了 一种基 于自 适应 神经 网络 的谐波 电流 检测 方法 , 从 仿 真结果 可以 看出 这种 方法 有很好 的实 时 性和准 确性 ,并 且具 有良 好的参 数自 适应 能力 ,可 以应用 于 APF 的谐波 电流 检测。参考文献1 姜齐荣,赵东元,陈建业. 有 源电力滤波器 M. 北京, 科学 出版社 , 20052 王兆安,杨君,刘进军等. 谐 波抑制和无功功率补偿 M. 北 京, 机械工业出版社, 1998.3 王群,吴宁,王兆安一种基 于人工神经网络的电力系统谐 波测量方法 J电力系统自动 化, 1998,22(11):3 5-394 WANG Qun, WU Ning,
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26、Harmonic Current Detection MethodBased on Adaptive Neural NetworksZhang Guorong, Wang Ying, Ding MingResearch center for Photovoltaic System Engineering Ministry of Education, The Energy Institute of Hefei University of Technology, Hefei ()AbstractActive Power Filter (APF)s performance is dependent
27、on its harmonic current detection method to alarge extent. In this paper, a harmonic current detection method based on adaptive neural networks is introduced. This method can detect harmonic current fast and accurately, It could well make up the shortage of the methods based on FFT, the instantaneou
28、s reactive power theory and the wavelets transformation. The concept is according to the principle of adaptive noise cancelling technology, filtering the fundamental wave current from the load current, so the left component is harmonic current. Firstly, the theory of the harmonic current detection m
29、ethod is clarified, and then the simulation with MATLAB/Simulink is done. The result verified that the method can detect harmonic current accurately and fast, and it can be used as the harmonic current detection algorithm of APF.Keywords: active power filter; artificial neural networks; adaptive noise cancelling technology;harmonic current detection- 7 -豆丁标准与论文网免费阅读: 张国荣( 1963), 男 , 副 研 究员 , 硕 士生 导师 , 博 士 , 研 究方 向为 电力 电子 技术, 计算 机应 用技术 ;王英(19 84),男 ,硕 士研 究生, 研究 方向 为电 力电 子变换 技术 。