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自适应神经网络在谐波电流检测中的应用

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第22卷第3期 2010年6月 电力系统及其自动化学报 Proceedings of the CSU—EPSA Vo1.22 NO.3 Jun. 2010 自适应神经网络在谐波电流检测中的应用 张国荣,王英 (合肥工业大学能源研究所教育部光伏系统工程研究中心,合肥230009) 摘要:为提高用于有源电力滤波器APF(active power filter)的谐波电流检测的性能,提出一种基于自适应神 经网络的谐波电流检测方法。根据自适应噪声对消技术的基本原理,将基波电流从负载电流中滤除从而得到 谐波电流。该方法能实时准确地检测出谐波,很好地弥补基于FFT方法、基于瞬时无功理论方法和基于小波 变换方法等检测方法的缺陷。MATLAB/ mulink仿真结果证明该方法的实时性和准确性,可用于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;谐波电流检测 中图分类号:TN713.8 文献标志码:A 文章编号:l003—8930(2010)03—0046—04 Application of Adaptive Neural Networks in Harmonic Current Detection ZHANG Guo—rong,WANG Ying (Research Center for Photovoltaic System Engineering Ministry of Education,Energy Institute of Hefei University of Technology,Hefei 230009,China) Abstract:A novel harmonic current detection method based on the adaptive neural networks is proposed in this paper tO improve the performance of active power filter(APF) S harmonic curent detection.According tO the basic principle of adaptive noise cancelling technology,the harmonic current is obtained after the fundamental current is filtered from the load current.This method can accurately and fast detect harmonic current and well overcome the shortages of those detection methods based on FFT,the instantaneous reactive power theory and the wavelet transform.Simulation results based on MATLAB/Simulink testify the real—timing and accuracy of the method.So the method proposed in this paper can be used as the harmonic current detection of APF. Key words:active power filter(APF);artificial neural networks;adaptive noise cancelling technology;har~ monic curtent detection 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。有源电力滤波器APF(active power filter)是 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,使得谐波检测的实时性和准确 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l_1]。谐波电流检测方法 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 ]。 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 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:基于快速傅 里叶变换FFT(fast fourier transform)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 ]。虽然这些方法各有优点,但它们 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 收稿日期:2009—03—11;修回日期:2009 06—23 基金项目:教育部科学技术研究重大项目(306004) 第3期 张国荣等:自适应神经网络在谐波电流检测中的应用 ・ 47 ・ cancelling technology)的基本原理,结合人工神经 网络,提出一种应用于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 HPF(high pass filter)等部分组成。APF的工作原 理是,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 , 根据傅里叶级数可以将其展开为 iL一 I sin(re.or+ )一 一1 I1 sin(wt+ 1)+ 工 sin(ru.ot+ )一 =2 il+ih—i1。+ 1。+ih (1) 式 中:i1p — J1 sin(at)cos( 1);ilq 一 11 cos(wt)sin(cp1);ih一 J sin(n ̄ot+ )。 n=2 由式(1)可知,负载电流包含三个部分:基波 有功电流i 。(与系统基波电压保持同相位);无功 电流i (与基波有功电流i 正交);谐波电流i“。 L…………一 图1 APF的原理图 Fig.1 Principle diagram of APF 由图1可知 is—iL+ c===i1p+ilq+ih+ic (2) 式中: 为系统电流;i。为APF输出的补偿电流。 若要系统电流i 在补偿后仅含基波有功电流 i ,则有 c一一il。一ih (3) 即APF输出的补偿电流既包含与无功电流i 大 小相等、方向相反的分量,也包含与谐波电流i 大 小相等、方向相反的分量。 若APF仅补偿谐波电流i ,则补偿后的系统 电流is中仅含有基波电流i1l_5 。 2 自适应噪声对消技术 Widrow等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 cancelling technology),能 把信号S从噪声S+ 。中分离出来,其原理如图2所 示。它有两个输入:原始输入s+ 。,参考输入 。原 始输入中除含有信号S外还含有加性噪声 。。5和 n。是不相关的,S和参考输入 也是不相关的,但 参考输入 和加性噪声n。是相关的。 通过自适 应滤波器的处理,得到与 。逼近的噪声n ,从而 在系统输出Y中 。被抵消掉,得到信号s。输出Y同 时作为误差信号e对自适应滤波器的参数进行调 整,使Y逐步逼近S_9 。 图2 自适应噪声对消技术原理 Fig.2 Principle of adaptive noise cancelling technology 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或一个神经元代替口卜¨]。负载 电流i 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。 图3中,i 为原始输入i 一i 。+ih+i ,其中 谐波和无功电流i +i。 作为信号源,基波有功电 流i 。作为噪声源,将与电网电压同步的正弦信号 ・ 48 ・ 电力系统及其自动化学报 第22卷 us"一sin(at+ )(to一27c厂,f一50 Hz, 为电网 谐波电流的最高次数;厂(・)为激活函数,通常是线 性函数,即厂(z)一 ;0为神经网络的阈值。则 i 一f(tol COS cot+ 5。sin 5“+ 5 COS 5 + …电压的相位角)作为参考输入,该同步信号可通过 锁相环PLL(phase locked loop)对电网电压锁相 获得。∞ 是神经网络的权值,变换函数,(・)选为线 性函数,即 i 一 1“ 一叫 sin(at+ ) (4) +∞ 。sin nwt+∞ COS ntot+O(k))一 +(u5。sin 5 +∞; COS 5“+ ∞1 COS …+叫 sin r/ot+∞ COS nwt+O(k) t由式(7)可以看出,通过调节权值cc, 。, …, 等,可以使i 逐渐逼近负载电流中 … 。……fll… 图3 将基波有功电流作为噪声源的原理 Fig.3 Principle of the method with fundamental active curren上to be noise source 由三角函数特性可知,谐波和无功电流i + i 与基波有功电流i 即信号源与噪声源是线性无 关的,则i 和i,也是线性无关的。通过调整权值 可以使i 逐步逼近基波有功电流i 。,通过自适应 滤波器将基波有功电流i 。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i 作为误 差信号e对权值 进行调节。 id(走)一iL(尼)一i (k) (5) 式中,k为迭代次数。 权值to,的调节采用delta算法,调节公式为 031(志+1)一to1(k)+k (是) (6) 式中,k 为神经网络的学习率。 合理选择学习率k ,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 一sin( ̄+ )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。如果采用u2一sin(at+ )+cos( ̄+ )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。 3.2 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。 从图4中可以看出,自适应滤波器是一个多输 入单输出的耦合系统,可以用人工神经网络实现。 其中∞1 为无功电流的权值,to toIc,…, ot 为 5次到 次谐波电流的权值;n为APF需要补偿的 的无功电流和各次谐波电流n ¨]。 图4 将无功和谐波电流作为噪声源的原理图 Fig.4 Principle diagram of the method with reactive and harmonic current to be noise source 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220 V,采用 三相不可控整流桥作为谐波源,带阻感负载,R一 10 Q,L一2O mH。以A相电流为例,图5为不含无 功的电流波形,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5 ms内快速 地检测出谐波电流。从图中看出这种检测方法可以 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。 第3期 张国荣等:自适应神经网络在谐波电流检测中的应用 ・ 49 ・ tls o (a)A相电网电压 t/s (b)A相负载电流 /_、/\//,\//,\//,\ :\/\/\v/V\/ t/s (c)A相基波有功电流 - 』^ /1』^I /1 ^ /1』,、 /1 A^l }/ }/、J 『 yV t/s (d)A相谐波电流 图5 不含无功的谐波电流波形 Fig.5 Waveforms of harmonic current without reactive power t/s (a)A相负载电流 t/s (b)A相谐波电流 图6 含有无功的谐波电流波形 Fig.6 Waveforms of harmonic current with reactive power 5 结论 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 该方法有很好的实时性和准确性,并具有良好的参 数自适应能力,可用于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EM].北京: 科学出版社,2005. 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