（电力电子与电力传动专业论文）基于神经网络的谐波电流检测方法的研究.pdf

a b s t r a c t a sl o t so fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e sh a v eb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d s ，t h e p r n b l e mo fh a r m o n i cp o l l u t i o ni nt h ep o w e rs y s t e mi sm o r es e r i o u s a c t i v ep o w e r f i l t e ri st h ee f f e c t i v es o l u t i o nl o 瓤sp r o b l e m t h eh a r m o n i cd e t e c t i o ni s 蜘ek e yf a e t o r a f f e c t i n gt h ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eo f a p eb m a l s ot h ee x t e n s i o na p p l i c a t i o n a s t h ed e v e l o p m e n to f t h eh a r m o n i cr e s e a r c h ，t h eh a r m o n i cd e t e c t i o ni sa p p l i e dn o to n l y i nt h ea p rb u ta l s oi nt h eo t h e rs i d e so ft h ep o w e rs y 髓c ms u c ha st h eh a r m o n i c s t a n d a r d t os a t i s f yt h eh a r m o m cm e a s u r er e q u i r e m e n to f t h em o d e mp o w e rs y s t e m ， t h i sp a p e rs t u d i e st h el l e wa p p r o a c ha n dr e a l i z a t i o no f t h eh a m a o n i cd e t e c t i o n 。 b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r eo f t h e s ea p p r o a c h e st ot h eh a r m o n i cd e t e c t i o n i nt h ep o w e rs y s t e m ，a na d a p t i v ed e t e c t i n ga p p r o a c ho ft h eh a r m o n i cc u r r e n t sb a s e d o t th a p f i e l dn e u r a ln e t w o r ko p t i m u mt h e o r yf o ra c t i v ep o w e rf i l t e ri sp r o p o s e di nt h i s p a p e r t h ea d a p t i v en e u r ln e t w o r k - b a s e ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei sa p p l i e dt o d e t e r m i n et h em a g n i t u d ea n dp h a s eo ft h ef u n d a m e n t a la n de a c ho ft h eh a r m o n i c c u l l rc o m p o n e n t si n r e a lt i m e , a n dt h i sa p p r o a c hc a n a p p l i e di ns i n g l e - p h a s e s y s t e ma n dt h r e e - p h a s es y s t e m c o m p a r e d 憾o t h e ra p p r o a c h e s ，t h i so n e c a ns a t i s f y t h er e q u i r e m e n to ft h ea p eb u ta l s oc a nb ea p p l i e di nt h eo t h e rs i d e so ft h ep o w e r s y s t e m b e c a u s et h em o d e mp o w e rs y s t e mn e e d sh i g ha c c u r a c ya n dr e a lt i m et ot h e h a r m o n i cd e t e c t i o n , t h eh a r m o n i cd e l e t i o nr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yw i l ld e v e l o pf r o m t h ea n a l o gc i m a l tt e c h n o l o g ya n du n p r o g r a m m a b l ed i g i t a lc i r c u i tt e c h n o l o g yt ot h e p r o g r a m m a b l e 出瘿黼d e v i c e s t h i sp a p e ra p p l i e st h ea p p l i c a t i o ns p e c i i i eh l t e g r a t e d c i r c u i tt e c h n o l o g yo nt h ed e s i g no ft h eh a r m o n i cd e t e c t i o nb a s e do nt h ef i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yt e c h n o l o g y , t h eb e h a v i o r s i m u l a t i o no ft h ee x p e r i m e n t v e r i 黟t h i sa p p r o a c hi sf e a s i b i l i t y k 靛yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l e r , h a r m o n i cd e t e c t i o n , h o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k ， a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ， f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人猩导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标涟和致谢之处辨，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得蠡壅盘鲎或其他教育机构的学位或诞 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何囊献均融在论文中 作了弱确嚣谖甥并表示了l 蠢 塞。 学位论文作者签名：夤双一 签字目鲻： 2 * r 年f 用心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基查盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 将授较叁燮荛茎霹蕊将学经论文麴全都蕺部分海謇编入蠢关数摇瘴遗孬棱 索，并采用影印、缩印戏扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 囱髫家毒关郝f l 或规掬遴交论文豹复印件鞠磁盘。 ( 保密的学位论文在解密箭适用本授权说明) 学致论文章# 者签名：刍双一 签字日期：2 声。r 年1 月 鄹 导褥燕名：l 签字日期：西盯年，胃蹰 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 谐波阚题酌产生岛磺究意义 谐波一词煅早出现予声学当中，有关谐波的数学分析早在1 8 世纪和1 9 世纪 就已经得到很好的发展，傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍在广泛应焉着。 而在电力工业中，一般都采用正酝供电方式，在理想的情况下，电源以单一恒定 频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 静琵弦交纯麓津彝奄疆褒电。恕翅中豹恕莲和毫瀛锭越之涸 也仅存在幅值和相位的麓异，都是具有相同频率的正弦量。用复指数或复平面上 豹旋转矢量表褒示这些阉频率豹燕弦量构域了转统的电力系统分析和设计方法 的基础。在此蕊础上经过多年的研究，人们对电力系统在各种理想工作状态下的 特性已经有了深入和全筒的了解。因此，电力系统的谐波问题虽然早1 谯2 0 世纪 2 0 年代和3 0 年代就已经捷窭了，鑫子当嚣寸谐渡添在系统孛黪占的酲霪较枣，实 际电力系统基本上能满足理想电力系统的魏件，故米引起足够重视。 然嚣默五六十年代默来，由予番静 线性受戴毽捶可控整漉传动装嚣及高压 直流输电系统的投入，以及各种电力电子皴置在电力系统、 = 业、交通及家庭中 的应用目益广泛，理想电力系统的近似程艘变差，或接表现是1 1 乜网中的电压和电 流波形产生周耨性畸变。觚颓域的髓点，程这些电流和电压的渡形孛，不仅包禽 与供电电源同频率的正弦量( 称为基波分爨) ，而且出现了一系列频率为基波频率 整傣数貔正弦渡分曩( 禽次谐波势鏊) 。这一蓉到正弦分量统称为电力谐波。 在电力系统中电流、电压波形出现较大畸变，或者说当电力系统中存在较严 重的谐波污染对，许多翘题无法耀传统的磁弦电路理论，如棚赣分析方法进行解 释。按传统正弦理论设计的电力系统已不能安全可靠的运行，故障率大大增加。 所以，近十年来，电力谐波问题融引起世界各国政府和科技界的广泛关注。许雾 国家耀缝矮毒了隈联带窍电力奄子控铡器彳牟涟羝藤瞧器程家耀电器产生谐波豹 标准。国际电工委员会( i e c ) 、电气和电予工程师协会( i e e e ) 等国际学术机构， 瞧成立了专门的电力系统潼波工传组，开震包括剩定标准和缎织国际会议专题定 期对谐波研究进行学术交流和讨论。近十多年来对电力谐波f 酬戆的研究已经大大 超过r 电力系统自身的研究范围，渗透到媳工理论、非线性蔫统理论、数字信号 处褒，电力电子等学辩领域，霹电力谐波瓣研究已融褥了蘸瓣表有翡进震，劳寄 了许多重要发展。谐波问题逐渐被认识和了解，对冀产生的原因，计算方法的分 天津大学硕士学位论文第一章缝论 辚，筑害与彩嫡鹣规理，测量与译然撂礁魈剿定，以及研究综合治理的播麓等方 谣的探索也在不断深入。健由予谐波研究潮邂复杂、涉及谨域宽，囊嚣仍有大鼙 问题需要解决。穰况越来，可鞋划分为与谐波鸯美盼功率邀义和功率理毒套自研究、 谐波分辑及谐波危害和影响的分辨、谐波盼辛卜馁帮抑制、与谐波有关的铡量闯怒 及限制谐波的摭准的磷究等四个方巍”1 ，如图卜l 所示。 功攀定义与理论 诲波源分柝 谮波分桥一电力系统谐波分耩 冀陟一 鬟r 丽 浏整与标准 谗渡熊鬻与 辫晌的分辑 t 塑鎏塑翼兰l 谐搜存在黠璃率 与电靛懿攘量 谐波标准躺制定 隧卜l 游渡磷究携靼夸离戮 遮双个穷黼是按照谮波研究本身鲍内在规襻分类，它们辅互关联，福互键避 蕊发最。其中，谐波憋麴嚣4 和 摆，也籀谐波治理技术是谐波研究孵拨曲窥燕键 翊越。综主鬟i 谐波翊鞭豹掰究墨裁为一门叛兴的跨学科静领域霸息德加强的蘸 点研究方两。 1 2 灌波魏筑密毒影瀚 谐波对魄力系统的游染蕊盏严重，其产生豁主要危露“霄： i ) 谐波 辨擞 l 越过电压秘道电流。电力翅中广泛使粥 p 偻功率阂数盼电容 器，弼时存在分瘩惑銮，毡棚每系统熟感性部分组合在定魍频率下，可能撵 在南联或并联酌谐强条件。当系统中该次羰率韵谐波是移夫瓣，裁会逑戏最险麓 过电雁或过电流，逡槛锰导致电气元件及设备损坏，影响电力系统安全运行。 2 ) 对旋转电机瀚影响。谐波奄歪或电流会在逛机的寇子绕组、转子闰路戳数 跫子帮转予镟蕊中引怒辩龆损糕+ 使其发热，雅辍艇耀寿翕。舅爨，谐渡怠漉逐 会溜大电橇豹骥音犟拜产璺曼赫动转缒，这秘振荡力矩疆能激超啦枫的复杂的羯台糕 天津丈学硕士学位论文第一章绪论 动，捷转予元件发生援宠振荡并偻嚏片夸搀。 3 ) 对输电系统的影响。谐波电流一方面在输电线路上产缴谐波电胍降，另 方蕊，增加了输电线路上的电流肖效笾丽日| 起附加损甏。在电缆输电的情况下， 谐波电压以正比于其幅值电压的彤式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使 用寿命。 4 ) 薅交孤器鲍影确。变压嚣程离次谐波的作溺下，在绕缀中 怒瓣鸯鼙损耗， 影响使用寿命。对于普通变压器，特别重疆的影响是3 次及冀倍数次零序谐波， 这些谐波在三角形连接躲绕组中澎残环流，使变压嚣绕组过热。对于供给不对稼 负荷的变压器，如果负荷电流中含有直流分量，剐它将使变腿器磁路的饱和度掇 高，从而使交流励磁电流的谐波分量大大提高。对于金星形接法的变腿器，正常 对每裙绕组毫援嚣3 次诸渡含蟹可能达辫襁当大煎数值，若绕经孛茬点接逢，燕 该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时，可能构成接近于3 凌谶波谐摄静条静，麸箍楚谐波怒流增大，辫鸯羹损趣大增，2 重彩确变篷器匏碍 靠性，因此很多国家不主张采用垒星形接法的三相变压器。 5 ) 对继急保护、自动装曼的影购。谐波艟够改变继电嚣豹动作特性，这与继 电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依嚣采样数瓣或过零工作的数字 继电器容易产生误差。高次谐波对过电流、欠电压、距离、阁波等继电器均会引 超箍韵帮误韵豹影稿，经保护装甏失灵_ 耱动作不稳定。 6 ) 使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计精。 ? ) 对遁信驰于扰。电力线路与通信线鼹之间既通过 赵场糕台，也通过磁场耦 合。在两条线路非常近的情况下，例如，都铺设在潲一电杼上，根据资料分析， 一般是出谐波电流磁场感应在通信系统内产生干扰电压，从箍影响通信质量，电 场感应可鞋忽略不谵。谐渡j 重通信线路瓣予挠，不毽毒麓彩稍透信豹震董，严鬟 时甚至无法工作。而且在谐波和基波的综合作用下能使重要和敏感的电子设备和 妻动控铡系统芏痒紊熬，严重黥藏耪透繁设备弱a 员静安全。 8 ) 对其他用户设餐的影响。谐波还会对用电用户的生活造成影响，例如谐 波使电视机图像发生畸变，影响电视枫的潮面质量；日光灯中的镇流器和补偿 餍电容器在谐波作耀下，有可戆发生谐报褥过热甚至逢藏援筇；诗算祝中的魄 源中谐波电压含量过大会导致计算错误或程序出错。使褒流装置不能正常工 聿。薅子鑫溺管蓥篱l 港变速设备，谐波霹艇造成熬阐管误动作、控制豳熬误触 发，不同装戤间的谐振可能造成过电压及振荡。 出于电力谐波造成粒影赡执理菲常复杂。涉及粕妇客非常广泛，早期的研究 大多仅是对危害原理和影响途径分析，所德的结论中定性描述詹多。避十年来随 着对谐波研究的不断深入，人们认识到对谐波危害和影响更为细致的怒量分析和 天津大学磺学像论文第一章缝论 研究怒饭有必要的，嗣此详细定壤研究逐渐增多。舞多 对谐波影响的广泛往也开 始关注。 e 如离次谐波环境对入，动物i = l 及生态环境的影响。 诲波静熊害鞠影桷 l 超了擞舞备国蔫度蓬程，为了缳逐电剜秘用毙设各魏嶷 全强游运行，罐魏诲多工鼗匡、鞫黪电工缝缎蓑一艘大电力公弼都剑定了龆褒数 谐波标准。我国予1 9 9 3 年完成了鼹家标准( g b w1 4 5 4 9 - - 9 3 ) 电能质量公用 电网谐波的劁定，并出圜家技术监督局发带，与1 9 9 4 年3 月 日越抵式执行。 1 3 谐波的派溪 如蒋烬决魄力忘予装鬟期其 赶谐波源豹谐波薅染| 嗣题，基零思路“3 露两条： 一方蔼鼠产生谐波的谐波源入手，就是对想力电予装爱本身进行改造，骥其不产 生谐波，同时也不消耗无功功率或者根据需要能对其功率因数进行控翎；另一方 面装设补偿装鬟，设法补偿其产生的谐波。 1 3 1 浚理谐波源1 1 5 1 开发新裂变流器，往莫不产生谐波虽功率匿数为1 。遮释窝流器梭称失荦链 动攀翻数变巍器( u n i t yp o w e rf a c t o rc o n v e r t e r ，u p f c ) 。麓功率因数变滤器可 近似器成单艇功攀因数变巍器，也蠢人称之为p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ， 功攀阑数校难) 技术的变流器。 厂走容鬣一雾重托技术 f l 嚣j 獬匙脯镯一糯貅 变流器。 二援管懿流加斩波 夺窭燕一差菜；逶。 l厂其他掰黧变漶嚣 、熟他思路 黠传统熬流 、器加以致避 固1 离功率因数变流器分类 豳1 - 2 承出了各釉容量下蔚瑭率因数变流嚣主要采用黯技术。大器擞变流器 提高功率因数和减少谐波的主簧方法是来用多重化技术。黧中，如果要求总功率 因数为1 ，嫠歪提供超嚣酌无功功率，耐一般需便蠲螽换籀燮流嚣。雾露亿接术 如策能蒋配合多电平技术和p r 0 4 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 调帝技术，可获得更 是璇憋瓣效繁。 天津大学硬士譬位论文第一攀缝 鑫 中等容嚣( 十千伏安副几西千铰安) 的革莅功率丽数交流器主要采用p 剃整 流技术，一般需要使用自关断器件。对电流挺整流器，可壹接对各个电力半导体 嚣 牛的遗辑遴行p ! r l 调镱，镬德猿入电溅为接近予l 蕊功攀嗣数。对电压型熬溅 器，需要将整流器通i 嬖电捷器毒电源籀述+ 毒两类控制方法，一类载楚燕接对墼 漉器避行p w m 调制使其输入端电压接近正弦的p w m 波形，并保持一寇的相位，可 使通过电抗器输入的魁流为与嗽源电压蒯掴的正弦波；舅一共是检测输入电流， 通过电流反馈信号对熬流器进行跽踪型p ! i m 调制。达到控制输入电流波形和褶位 的瓣瓣。p 礴整流器与p w m 递交器糟壹流镱能元襻联络超采，筲梅或耀戆豹露象 限交流诵速羽交流器，霄大称之隽鞭p w m 燮流器。运耱交流爨不毽麓出曦压电流 均为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1 ，必要财述可为其窀负载提 供笼功功率龄搂，丽殿越量转换效率高。可实现熬嚣的双向传送( 即实现再生希4 动) 。 小容量靛整流器为蜜现荦佼窃率因数，豫可采用p w m 整流技术外，还可采耀 二檄管整流躺p w m 斩波的方式。这方式在各种开关巍源中霄非常广泛的应用髓 最，必l 每对谐波污染麴治理骰爨基大熬委蛾。这葶申整流器孛携爨只能单方向流动， 却从交渡侧淡内直流捌，翔嚣翔聚受载燕驱动电枫的逆变器，将无法实现再生铡 动。目前，在单相电路中性能鞍为理想，已能做到满负载情况下输人电臌在8 5 2 6 5 v 之间时电流的憩谐波畸变率小于5 ，已有商遭纯的专用控制芯片嚣市，并 且与主电路封闭在一起成为小功率开关电源的带功率因数校正的输入模块。对兰 糨 赶路来巍露翡箕输入魄流熬波形还不燕革籀奄薅撵撵毽想，还待避一步研究。 逐有冀德黪式懿交流器也霹实现接滋予1 静功率因数，麴矩薄式变频嚣、谐 摄交流中间环节的变频器等等，特别是矩阵式变频器，它是在传统的周波变流嚣 基础土发展丽来的交燮直接变频器却可以输出戡：输入频搴更离的交流电压，并 且能实现自& 攫的双向流动。与飙p w m 变流器相比矩阵式变频器省却了照流储能 环节，只经避次挟能，函露效率更高；瘤子主恕路全都楚矬元舞，因嚣维搀紧 凑，易于模块纯。目蘸矩阵式变频嚣的蜜蠲纯还奔待予震两全控开关裁本匏避一 步下降，以及褒不增大竣入滤波参数的情况下输擞电压幅度媳进一步摄高。 使电力也予装置本身不产生谐波和茏功是一种积极豹谐波抑制措施。日髓， 除了继续探索新的拓扑缩构外，国内外的研究均主委朝改祷装疑的可移动性能、 降低成本、撬离效率、掷割高速开关产生的电磁千虢警方辩发靛，努力淹实用纯 迈进。 1 + 3 。2 谐波的誊p 偿 慕熙艰制谶波瓣舶方法能有效地减小电力系统中的谐波，但由于电力系统中 天津天学硬士学霞论文第一整嬷建 谐波漾的多样幢和电力系统酶燕杂性，要完全清除谐波是不冒能的。因照，辩逛 网谐波进行有效的滤波和补偿也燕一个重要的研究方向。 镄统蠢孽谐波 镁方法，是健用臻冤源魄力滤波器p a s s i v ep o w e rf i l t e r ， p p f ) 。p p f 建 憩力电容器、电挽嚣和电阻按功能要壤组合露戚，与谐渡源著联工 掺。单调谐滤波器是利用串联l 、c 谐振原理构成的。 它对第n 次谐波的隧抗为： z 间尝r 埘+ j ( 蚪甜，l 一；) ( 卜l j h 删- l 式( 卜1 ) 中，m 。为基波角频率，则谐掇的谐波次数n 为： h = 警( 1 - 2 ) m 。q l 在谐振点弛，n 敬谐波电流娄要由l c 滤波嚣分流，缑少流入龟斓中，丽对 其它次数的谐波电流，幽于电抗z ，。远大于电阻雇。，所以滤波器分流很少。因 诧，避过调整单调谐滤波器酶谐掇频率藏爵班蘧除特定凌数鹣谐渡魄滤。 实际应用中常用几缀革谣谐滤波嚣和一组离遵滤波器擒箴混合滤波装霍。窀 爨蠢络梅楚尊、一次性投八低、逡幸亍赞用也低、鼹收特没谐波效果熙著，而且同 时可以 臻蠢功功率的谯点。织出于结构骧理上的原因，在废角中存在种种难戳 克服的缺点： 1 、由工释原理决定，只能稀翻祷宠频率酌谐波藏分。膏时由予蕊蒎谐波瓣 成分较多，必须两时加入多个滤波器，途就增搬了整个滤波装置酶成本和体积。 2 、滤波母等蛙受魄瓣阻藏巍频率影昀缀大，嚣电嘲阻摭和频率随电力系绕的 逡 ， 擎嚣嚣醚辩发圭| 三变鬟二，嚣越难强获褥骥期熬滤波效累。 3 、l c 滤波器有可能与电| ；i 4 阻抗发生并联谐振，而产生“谐波放大现象”， 捷电路无法砸常工作，严重时会损坏滤波器，并使局部墩嘲崩溃。 4 、谐波电流超蹙时，容翁引起滤波嚣的过载，损害设番。 出予纛源邀力滤波嚣蘑上述疑点，使它缀蹙瀵怒理找泡为系统豹要求。毽裁 魏趋势是聚瘸惫力壤子装鬟避毒亍谐波卦缮，这靛是寿源魄力滤波嚣( a c t i v e p o w e rf i l t e r ，a p f ) 。a p f 是一种用于动态抑制谐波和补偿最功的新型电力电子 装鬣，它糍对大，、积频率都变化的谐渡以及变纯的秃功避行补偿；a p f 的发展最 早可咀追溯到6 0 年代束，1 9 6 9 年b m b i r d 在他的论文”1 中，描述了邋过向交流 穗源注入三次谐波奄流越改替毫滚电流波形的方法。文孛痨述的方法可良被认为 燕有源电力滤波器愚怒的诞生。1 9 7 1 年鲻奉静h s a s a k e 秘t m a c h i d a 静论文” 蓠次宪整嫩撼述了电流霄源滤波器的基本原理，蝗出于当时袋用线性放大器来产 生 偿谐波电漉，缀耗靼成本较商，势舞多大实用价值。1 9 7 6 年美国的蔼崖趣 气公司的l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 提出了用p w m 变流器构成的有源电力滤波器 天津走学硕士学位论文第一章绪论 ”，迩提出了蠢添毫力滤波豹安瑰方法靼朝瘟豹控制缀理，盛诧确定了毒添毫力 滤波器的基础，并建立了当今有源电力滤波器的基本拓扑结构。然而在7 0 年代 出于缺少大功攀可关断器件，对霄源电力滤波器的研究一度停滞。 进入8 0 年代以后，新型电力半导体器件的出城，滞m 避变技术的发展，特 别是日本学者赤木泰文( h h k a g i ) 的基于瞬时无功劝率理论”1 的谐波电流瞬时检 测方法静提爨，使畜源逛力滤滚嚣静繇究褥良逐速袋装。1 9 8 6 年蠢东寨文提凑 了用并联有源滤波器消除谐波的方法“，同时他研制成功了第一台7 k v a 的并联 型有滚电力滤波器实验装置，该装置袁功地 偿了2 0 k v a 三相全控桥式整流器产 生的谐波和无功功率。该实验证明了有源滤波器的可行性。 进入9 0 年代以后，由于电力谐波污染臼趋严重，a p f 的研究越来越受重视， 丈嚣稿关论文、专著及文献发表或出版。犬容量、运行可蠡瓣骞源毫力滤渡嚣瑟 经在曰、美等西家大量投入工业应用。近几年，有源电力滤波技术在抑制谐波、 蛰偿茺功功率方嚣已经毙较戏熬，在不同豹壤擒组艘、控卷l 燕咯和硬馋建置等各 个方面有了很大的发展。同时，有源电力滤波器应用的领域也越来越广泛，例如 在消黠电压谐波，调节束端电压，以致电膳闪变，补偿中性线电流以及改进三栩 系统的电嚣平簿等等方面都有斑箱。 在结构组成方面，针对单相、三相三线、三相四线系统以及电压补偿和电流 羚媸静需要，淡无滚滤波器，势联、事鞍袋者三纛混合躲鸯滚电力滤波嚣都蠢 了较大的发展。目前膏源电力滤波器的研究熟点是混合型有源电力滤波器“”。， 它有能力抑制电压鞠电流谐波，并且出于它是由一串联有源电力滤波器鄹并联无 源滤波器组成，降低了造价，减少了装藿的容量。因此，带蠢无源滤波器的混合 型有源电力滤波器被认为是最有效的谐波抑制和无功功率补偿的解决方案，因此 褥到广泛鲍关注帮研究。 在硬件装置方面，随着快速自换向器件的发展，有源电力滤波技术有了很大 戆发鼹。在搜羽豹元嚣俸方嚣，起拐是晶潮警，大功率双投挺品髂管( s j t ) 和功 率m o $ 场效应晶体管用于有源电力滤波器的制造，随届是静电感应晶体管( s i t ) 和可关断晶阐管( 6 t o ) 。随着绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的成熟，有源电力滤波技 术襻掰了真歪静摇赍。魏今，在，l 、容量膏滚电力滤波嚣方蘸，理想元嚣律建挥楚 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，大容：蜃则选择可关断晶闸管( g t o ) 。传感器的发展也 为鸯滚电力滤渡按本发袋骰出了缀丈嚣献，馀整矮孛、容量足够的霍容传感器大 大改进了有源电力滤波器的性能。同时，微处理器，微控制器甚至数字信号处理 器( d s p ) 的使罔，使有源电力滤波器在线灼实现大攮、复杂的算法计算成为可能， 也使得各种复杂的控肯算法褥黻突现，保诞了有源电力滤渡嚣静快速、实时的铃 偿性能以及稳态性能。 天津大学矮士学位论文第一章缭论 控青5 策蛲是有源电力滤波嚣的核心部分，它怒对电网和负栽中的谐波电鹰和 电流进行实时检测，得到与检测值板性相反的信弩，控制p 嘲递交器产生相应的 偿毫嚣或媳滚。嚣魏，妇嚣挠速准确撼把供电累统中电嚣帮瞧漉中麴谐波及菇 功功率检测趱浓，遴行实瓣麴动态於髅将是骞源电力滤波嚣的荧键潮题。谐波检 测的方法主爱商傅里叶分析方法、瞬时凭功功率理论方法，也称p - q 法0 3 ，随精 还箭生了适台f 敏压发生畸变场合的f 。一屯法“。近年来，逐出璃了自适应检测方 法、小波变换检测方法、模糊逻辑检测方法以及神经两络检测方法等蝗实时检 灞谐波和无劝功率韵方法。 与罾， 广泛虚用肖源电力滤波器福毙，黧蠢在霄濂毫鸯滤波嚣方器瓣簪 究起 步拔晚，壹刹1 9 8 9 簪才见到这方蒋的文献1 9 9 3 年爿一见到试验性的工业应用实 验。逅几年来，磷究霄漂电力滤波器的国内学者和单位在逐渐增多，程臻构组娥、 检测方法和控制方式等一些方两有了较大的进步。国内相关研究以理论研究和实 验为主，在对萄矫研究戚果连行消讫吸收静基础。t ，遴论磷究承平进步穰映，甚 经接近国际先避水平，俺受各种条件限翩，实际应雳承平不高，范醚不大，与国 终商缀丈差遴。嚣鼗，霹藏熬叟簧褥究方囊是加快鸯源电力滤波器黝产品化，提 离其在实际激产中斡应用水平。 1 4 论文的研究内容鞠结构 1 4 1 论文勰磷究肉密 在有源滤波器的发展过程中，谐波检测技术有r 很大的发展，出现了多种技 术。随着谐波研究静发展，谐渡测璧逐渐成为一个单独研究谖题。本论文在总结 前人的研究成巢的基础上，对目前广泛使用的几种谐波检测方法避行了总结，按 照鞋蔼谐波溯薰静发鼗越势，谐波检测不仅簧适瘸予寄漂滤波器，还要能够邋耀 予魄力系统鹣其链瘦蠲，本论文按照这种思想，提出了一秘基于h o p f i e l d 神经 网络的谐波检测方法。这种方法不仅适用于有源电力滤波器，而且可应用于电力 系统其他方辩捌如谐波标准制定。 本论文的谐波检测理论是在神经网络的基础上提出的，但与目前已有一意发 展豹拳j 播多瑟嚣馕礴络豹涵数逶避能力嚣构造静谐波检测蹲终不弱懿悬，本文鏊 予种蒋豫翡葳馕弼络h f i e l d 耱经潮络，遥l 建麓颦电流与寰瓣鬯滚燕之 最小舶优化腻嫁，来构造一个目标函数，利用h o p f i e l d 能量酗数构造一个 h o p f i e l d 网络赞构的检测电路模型。该模型在凇t l a b $ i m u ! i n k 傍冀环境下， 通过仿真，证明了这种检测方法能够检测出谐波的各个参数包括基波和备次谐波 天津大学硕士学位论文第一章绪论 控制策略是有源电力滤波器的核心部分，它是对电网和负载中的谐波电压和 电流进行实时检测，得到与检测值极性相反的信号，控制p w m 逆变器产生相应的 补偿电压或电流。因此，如何快速准确地把供电系统中电压和电流中的谐波及无 功功率检测出来，进行实时的动态补偿将是有源电力滤波器的关键问题。谐波检 测的方法主要有傅里叶分析方法、瞬时无功功率理论方法，也称pq 法”1 ，随后 还衍生了适合电压发生畸变场合的f 。法”“。近年来，还出现了自适应检测方 法、小波变换检测方法、模糊逻辑检测方法以及神经网络检测方法等一些实时检 测谐波和无功功率的方法。 与国外广泛应用有源电力滤波器相比，国内在有源电力滤波器方面的研究起 步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面的文献1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实 验。近几年来，研究有源电力滤波器的国内学者和单位在逐渐增多，在结构组成、 检测方法和控制方式等一些方面有了较大的进步。国内相关研究以理论研究和实 验为主，在对国外研究成果进行消化吸收的基础上，理论研究水平进步很快，已 经接近国际先进水平，但受各种条件限翩，实际应用水平不高，范围不大，与国 外有很大差距。因此，日前的主要研究方向是加快有源电力滤波器的产品化，提 高其在实际生产中的应用水平。 1 4 论文的研究内容和结构 1 , 4 1 论文的研究内容 在有源滤波器的发展过程中，谐波检测技术有了很大的发展，出现了多种技 术，随着谐波研究的发展，谐波测量逐渐成为一个单独研究课题。本论文在总结 前人的研究成果的基础上，对目前广泛使用的几种谐波检测方法进行了总结。按 照目前谐波测量的发展趋势，谐波检测不仅要适用于有源滤波器，还要能够适用 于电力系统的其他应用，本论文按照这种思想，提出了一种基于h o p f i e l d 神经 网络的谐波检测方法。这种方法不仅适用于有源电力滤波器，而且可应用于电力 系统其他方面例如谐波标准制定。 本论文的谐波检测理论是在神经网络的基础上提出的，但与目前已有一定发 展的利用多层前馈网络的函数逼近能力而构造的谐波检测网络不同的是，本文基 于一种特殊的反馈网络蚋叩f i e l d 神经网络，通过期望电流与实际电流差之 晟小的优化目标，来构造一个目标函数，利用h o p f i e l d 能量函数构造一个 h o p f i e l d 网络结构的检测电路模型。该模型在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下， 通过仿真，证明了这种检测方法能够检钡! l 出谐波的各个参数包括基波和各次谐波 通过仿真，证明了这种检测方法能够检测出谐波的各个参数包括基波和各次谐波 天津大学硕士学位论文第一章绪论 酶旗鳢帮据角，嚣显露壤簿静安潜蠼移壤薅经。 另外，本课题采用a s i c ( 专用集成电路) 技术设计基于f p g a 的谐波电流检 测系统，实现数字控制。应用a s i c 设计技术的原因在于，随着a s i c 设计技术发 展，数字电路向s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 发震是必然趋势。在2 0 0 1 年的全匿电源 技术年会中，专家们都一致认同，应用s o c 技术设计积木式鬃成系统是我国未来 电力亳子豹一个主要磷变和开发领域。率谦题研究鞠谐波检测模袭捧为毫力电子 积水式集成系统中的熏要组成模块，在未来必将是技术发展的趋势。在目前阶段， 谴援f p g a 作为硬 牛开发工具，凝有内帮门电路规模大，开发过程投瓷小，可以 反复编程擦滁而不改变硬件电路等优点。 1 4 。2 论文趣结构 论文第一章绪论部分为课题的提出及作者将雾做的工作。第二章在简要介绍 寿潦毫力滤波器静整翻藤理豹綦秘上，阚述了嚣蘸存在熬瘦鞘予毒源恕力滤渡器 的镑种谐波检测方法以及这些方法的优点和缺点，避而讲述了目前已有的谐波检 测方法的实现技术。煞三章在籀簧奔绍了享孛经网络鲍基础上，对h o p f i e l d 神经 网络的能量薅数作了分析。第四章为谐波检测原理，通过h o p f i e l d 粹经网络的 能量函数对谐波检测中的期望值与实际值的差值进行优化，建立了h o p f i e l d 网 络缡掏的谐波检瓣电路模登，弗迸过仿真对该模型进 亍了定性和定耋瓣分耩，诞 明了浚方案的可行性。第五章采用x i l i n x 公司的撩列f p g a 中的x c 2 s 1 0 0 一p q 2 0 8 搏为系统芯片，进行了嫒孛 电路黪开发，并绘密了翘步豹雩亍为仿真结暴，证明了 方案的可行憔。 无津大学碾士学位论文第二章芍滚壤力滤渡器每谱波检测 繁蔗耄鸯源电力滤波器与谐波捻测 2 1 祷源漱力滤渡糕 东淫毫力滤波嚣( a p f ) 是一拳申用予劝悫抑制谐波、於偿无功功攀的糖型电力 毫子装要。与传统聪滤波器撼比，它簿以下特点： ( 1 ) 舆有自适应功能，它对补偿对象的瞬卷响应快，能对大小和频率都变化的谐波 以及变化的觅功功率进行补偿。 ( 2 ) 既能对特定次谐波进行单独补偿，也可对多个谐波集中 催。 ( 蛰滤波特矬不受系缝疆摭的影嫡，可瀵滁舄系统隧摅发生谤掇熬煞睑。 秘) 霄深电力滤波器 媸茏功功率瓣不霰德能元牛， 偿谴波戤所震镁能元转密爨 也不犬。 基于以上优点，脊潦电力滤波器引越了许多专家学者的关注和研究，并程局、 美等国家融大量地投入工业应用。 2 1 1 有源毫匆滤波嚣的熬本源理 a p f 嚣2 一l 蒋漾电蠹滤波器霖臻蕊 图2 - 1 所示为最基举的祷源电力滤波器系统构成的藤遴图。圈中v s 表示交 滚电源，受藏趋菲线褴貔谐波源，它产生谐波势湾糍无功穗攀。毒源魄力滤波器 系统出两丈辩分组戏，邵谐波援瓣电路葶曩补栏彀漉发生嘏路( 由电流傣号鼹踩控 制电路、驱动电路和主电路三个部分构成) 。其中，谐波检测电路的核心是检测 出孙偿对象电流中的谐波和无功电流等分爨。补偿电流发生电路的箨用是校攒谐 波检测电路检测的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采 天津大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器与谐波检测 震p w m 交流嚣箴遂变嚣。 有源电力滤波器( a p f ) 的基本工作原理是：实时检测电网谐波和溉功电流， 然蜃产生与之大小相等、相位期殷豹电流进行实时补偿，傻魄网电流成为与电压 同桶位的正豫波，从而达到抑制谐波、补偿无功的目的。魏黼2 - i 所示，当需舜 补偿负载所产生的电流时，a p f 检测出补偿对象负载电流f 。的谐波分嫩，将菇 反扳往后佟受锋谣电滚驰指令信号，该僚号经蛰嫠电流发垒电路救大，褥出替 偿电流f 。，i 。与负载电流中的谐波分量i 大小相辞、方向相反，因而两者互相 羝港+ 使毫繇电漉曩孛只含基波不含谐波。这样载运到了麴制电源电溅中谐波的 目的。上述原理可用如下的一鳃公式描述： f i s 。i 。4 - f c “鲈“( 2 一1 ) fo c2 - - 1 , , b l i s = 屯+ l f 【 = i f 式( 2 - i ) 中，i ，为负载电流中的纂波分罾。 如果要求有源电力滤波器在孙偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只臻 在补偻电流豹指令信鸯串增热与受载毫流豹基波秃功分量爱辍控夔袋努帮可。这 样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功功率成份相抵消，电源电流等于负载电 流的基波商秘分量。 2 1 2 有源电力滤波器的分类 有滚墩力滤波箍 。j二。，。一 弹鼗鍪零联墼窜并联浸食墼 卜单独使用方式 卜与l c 滤波器混合使用 卜与l c 滤波器并联l 单独使用方式 统一电能质餐调节器 l 与乙c 滤波嚣串联 l f 卜注入电路方式i ii e 串联潜擐方式l 与 。滤渡器澜台捷掰 1l l c 并联谐振方式 l 一与旋转电橇并掰方式 闰2 - 2 有滁电力滤波嚣系统构成分类 天津大学硬士学髓论支第二章裔添奄力滤渡器与谐波检测 掇据有潦屯力滤波器接入电弼的方式，可将其系统梅戒大教分为两大类，鄂 并联型和串联型“8 。两者又分剐包括不同的类型，也 妊_ 现了综合二者的新型裔源 电力滤波器，援是箕鬟统基本稳戏方瑶镪然莛并联型帮串联甏骞灞电力滤波嚣。 其髂分类霹冀强2 - 2 。 另外，根据p w m 逆变器直流电源种类不闷，有源电力滤波器可分为电流源趔 ( 储鼹元件为电感) 和电压源型( 储能元件为嗽容) 两种，它计j 主要特点简述如下： 电流烈p w m 逆爱器的直流侧接有电感，在正常工作时，其电流基本保持不 变，诳着律龟漉源；惫压麓p 1 , c m 递交器鹩蠹流翻接寄夫电容，在正鬻工捧对，羹 电驻基本保持不变，番作电嚣源。 电流型p 煳逆变器豹交流侧输出电流为p w d 波，电愿型p 燃遵变器的交流 侧输如电压为p 煳波。 电流型p w m 逆爱器不会由于主电路开关器件的童通而发生短路故障，可靠 经商，但在奠电感上始终有电流流过，攒耗很大：电压登糌# 逆交器损耗低、 体积小、价格便宜，嚣适合构成大容量脊源电力滤波器。 幽于电滚受p 瓣逆变器软浆明显，掰以蠲l g 毒源电力滤波嚣的p 燃递交嚣绝 大多数莱是豹是电压裂。采爆电滚型豹掇少。 2 2 谐波捻浏方法发燕 谮波检测燕谐渡闯越中的一个重要分支，是解捷其它谮渡淘器的基勰。程麓 鼠育源电力滤波嚣的工作原理赣，霄源电力滤波嚣实糯薛关键跫谐波检潺和 僖 控制。出于糍源电力滤波嚣要裳实鼹於馕，因此对谐波电溅魍检测提出了很藏鹣 要求， 誉波梭捌豹快速性、准确性壹接影响到毒源於偿电踌麴跟踪补偿特性。但 实际中电力系统的谐波由于受随机性、分布性、非平稳性等因索影响，对其进行 准确滚测并非翕事，因戴人们在不断探索受为有教的谐波检测技术。 谐波检测方法伴随莆交流电力系统发展的全过程，诞嫩了频域璞论鞠时城理 论，形成了多秘谐波捡测方法，魏摸拱滤波、薅爨盱变换、小波变按、麟对舞动 功率理论、广义d - q 凝转坐标变羧、耱缝飕络等。 2 2 1 模揪滤浚 早期的谐波检测方法都是赫于频域理论，即采用模拟滤波原理1 2 j ，郾在检测 到韵信号中提取出基波分量，谨与藤信弩之差就楚要补偿酌谐波，道常豳带遥滤 波嚣来实现。前面己有介绍，使用l c 滤波嚣的优点楚实现电路简单，造价低， 赣爨醵抗低，晶矮毽数盛于控制。惶缺点壤多包攥滤波器静中心频攀对元件参数 天津大学碛圭学能论文第二章有源宅力滤渡器与谴波捡测 十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想鲍幅频特髓和糖频特性，滤波特 性蹙电网阻抗和频率影响很大，运行损耗大等等，而髓该方法无法闻时分离无功 毫流。毽戴隧嚣泡力蓉统谐波捡铡要求豹攥毫戳藏毅瓣谐波检测方法爨盏艘熟， 谈方法已不褥忧先选熙。 2 2 2 簿受静交换 1 8 2 2 年法国数学家傅里叶( j 。f o u r i e r ) 首次提出并证明了将周期函数展开为砸 弦缀数的藤瑾，从而奠定了傅墨时级数( f o u r i e rp r o g r e s s i o n ，f p ) 与傅鼙畸变换 f f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ，f t ) 的理论基础。二者詹被统称为傅里啼分析( f o u r i e r a n a l y s i s ，f a ) 。德墨时撼出豹融为谐波分橇提供了一静理论方法。为了搜e a 应妫予工程密繇，人们掇出了凌教傅里叶交换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ， d f t ) ，但是d f t 因计算量太大而在较长时间内并束得到广泛应用，崴到1 9 6 5 年夔国c o o l y 郛t u k e y 两a 提穗快速傅燕卧变换( f a s t f o i 】r i 材t r a n s f o r m a t i o n ，f f t ) 之后，f a 才真正从理论走向实践，成为大家爱不释簪的一种数学工其。f f t 楚 当今谐波检测中应舞疆广泛豹一辩谐波提漂i 方法，该方法通避f f t 将检测 到静一个瘸期静 警波僚母进行势勰，褥至g 蚤次谐波豹旗蓬黯糟经系数，将要羝淡 豹谐波分量通过带遇滤波器或傅里时变换器，褥出需要的误差信号。 目前，基于h 呵技术已耦当成熟，艇最f e t 也肖它的岗限性： 从模拟倍号中提取全部频谱信息，需要取觅限的时间量，使用过去的和将 柬的倍号信崽只能诗舞区蠛频率翁频谱t 没有厦映出随时闯变佬韵频率，警人们需鼙在任俺希燕静频率范瀚上产生 频潦蕊患对，f f t 不定适用 虫予一个信号豹频率与其周期长壤成燕比，对于高频谱的绩患，时间渊隅 要相对的小，以给出比较好的精度，而对于低频谱的信息，时间间隔要相对地宽 猷给磁完全酌傣惠，亦郎需要一个灵活w 交的对淄频率密，靛在高“中心频率” 时自动变窜，丽在低“中心频率”时自动变宽，群t 舀鸯并没有这个特性，鞲豁 谐波豹f f t 捡溅都燕基于这榉的假设：波形是豫悫鞠弱糕豹，采撵熬髑波数是 整数鹣，针鼹f f t 遮一羼疆赣，1 9 4 6 年g a b o r 提如黝短时礁星咛变按( s h o a t i m e f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n , s t f t ) ( 又称加窗f t 或g a b o r 变换) ，对弥补f t 的不足起 到了一定的推用，但并没有镪底解决这个问题； f f t 需要一定时间的采样值，计算璧犬，计算时间长，使得检测时间较长， 捡溯结果实辩链较燕； 箨霞信孽是稔态静，姿