（电机与电器专业论文）基于电路模型与神经元网络的谐波电流检测方法.pdf

山东大学硕士学位论文 波电流检测方法。 关键词：有源滤波器，谐波电流检测，电路模型，人工神经元网络，瞬时无 功功率理论 i v 些奎奎堂堡主里垡笙奎 一 a b s t r a c t t h ed e t e c t i o nm e t h o do fd i s t o r t i o nc u r r e n t sf o ra c t i v ep o w e r f i l t e ri sak e y f a c t o ra f f e e 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 f t h i sp a p e rs t u d i e si l e w d e t e c t i o na n dc o n t r o la p p r o a c h e so f d i s t o r t i o nc u r r e n t sf o ra c t i v ep o w e r f i l t e rt o s a t i s f yt h ed i v e r s er e q u i r e m e n t sf o ra p f t oa p p l yi nt h em o d e r np o w e rs y s t e m t h ec r e a t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rh a r m o n i c ，e n d a n g e ra n dm a n a g e m e n t ，a r e d i s c u s s e da n da n a l y z e d t w o h a r m o n i ca n d r e a c t i v ec u r r e n t d e t e c t i o n a p p r o a c h e sa r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r ，t h ea p p r o a c hb a s e d0 at h ea c t i v ea n d r e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n dt h ea p p r o a c hb a s e do nt h ea r t i f a c t n e u r a ln e t w o r k ( a n n ) an e wh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t sd e t e c t i n ga p p r o a c h b a s e d0 1 1t h e c i r c u i tm o d e la n da n n i s p r o p o s e d b a s eo n t h es i u d yo fc o m p e n s a t i n gd e l a y a f f e c t st ot h ec o m p e n s a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed e t e c t i n gs y s t e mo fa p f ，t h e d e t e c t i n ga p p r o a c hp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sc o m p a r e dw i t ht h ea p p r o a c hb a s e d o r lt h ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rt h e o r y t h ei n s t a n c ep e r f o r m a n c eo ft h e d e t e c t i n ga p p r o a c he m p l o y i n g t h ec i r c u i tm o d e la n da n n p r o p o s e d i nt h i sp a p e r i sg o o d ，w h i c hi sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t s f o rt h em o d e lp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，t h en o n l i n e a rc u r r e n to ft h ep o w e r s y s t e mc o u l db ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ei s f u n d a m e n t a lc u r r e n ta n dt h eo t h e r i st h e 1 n o n l i n e a rc u r r e n t s “t h e v o l t a g e c o u l db er e l a t e dt o t h ea c t i v e f u n d a m e n t a lc u r r e n to ft h ep o w e rs y s t e mb yt h ee q u a lr e s i s t a n c eo ft h ec i r c u i t m o d e l s oi ti s p r o p o s e di nt h i sp a p e r ，t h a tt h en o n l i n e a rl o a d o ft h ep o w e r s y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot w oc o m p o n e n t s ：o n ei s ap u r er e s i s t a n c e ，a n dt h e o t h e ri st h e “n o n l i n e a rl o a d ”t h ea n ni su s e dt of i t t i n gt h er e s i s t a n c eo ft h e c i r c u i tm o d e li nt h ed e t e c t i n ga p p r o a c hp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，t h ev o l t a g eo f t h e p o w e rs y s t e m s e r v e sa st h e i n p u t v e c t o ro ft h e a n n ，a n dt h e a c t i v e f u n d a m e n t a lc u r r e n ts h o u l d b et h e o u t p u t v e c t o ro ft h ea n n t h er e s u l t d e c r e a s e dt h ea c t i v ef u n d a m e n t a lc u r r e n tf r o n lt h el o a dc u r r e n ts h o u l db et h e r e a c t i v ea n dh a r m o n jcc u r r e n t sw ed e t e c t v 山东大学硕士学位论文 t w o g i v e nl o a dc u r r e l l t sa r ee m p l o y e d t os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e d e t e c t i o nd e l a ya n dt h ec o m p e n s a t er e s u l t b o t ho ft h et w oc u r r e n ta r e5 0h z a l t e r n a t i n gc u r r e n t ，t h e yd e l e g a t et h et w os t a t u s ：t h el o a dc u r r e n to n l yc o n t a i n sa s i n g l eh a r m o n i ca n dt h el o a dc u r r e n tc o n t a i n sm u l t i c u r r e n t s t h er e s u l ti sg o t b yt h et h e o r ya n a l y s i sa n d t h es i m u l a t i o n ，t h a tt h ed e t e c t i n gd e l a ya f f e c t st ot h e c o m p e n s a t er e s u l tf o rt h ea p f t h es i m u l a t i o nm o d e li sc r e a t e d ，b o t ho ft h ed e t e c t i o na p p r o a c h e sb a s e do n t h ea c t i v ea n dr e a c t i v ea n dt h ed e t e c t i o na p p r o a c hb a s e do nt h ec i r c u i tm o d e l ，i n o r d e rt ov e r i f yt h ei n s t a n c ep e r f o r m a n c eo ft h ed e t e c t i n ga p p r o a c hp r o p o s e di n t h i s p a p e r m o r ea n a l y s i s i sc a r r i e do u t b y t h ea s s i s t a n c eo ft h es i m u l a t i o n m o d e l a t h r e e p h a s ec u r r e n ti s o b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n ta t t h ee n do ft h i s p a p e r ，w h i c hi s f o rat h r e e - p h a s er e c t i f i e ra n dar e s i s t a n c el o a d b o t ho ft w o d e t e c t i n ga p p r o a c h e s d i s c u s s e di nt h i s p a p e r a r e e m p l o y e d t od e t e c tt h e h a r m o n i cc o n t a i n e di nt h ec u r r e n tw e g e t ，a n dt h ed e t e c t i n gr e s u l ti sc o m p a r e d t h ec o m p a r e dr e s u l ts h o w st h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ft h ed e t e c t i n gm e t h o d p r o p o s e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：a c t i v ef i l t e r ，h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n g ，c i r c u i tm o d e l a r t i f a c t n e u r a ln e t w o r k ，i n s t a n t a n e o u sp o w e r t h e o r y v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丘盘：瓠日期：办嘶，聊 关于学位论文使用授权的声明 本人完全丁解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或 机构送交论文的复印件稆电子版，允许论文被套阔和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和扯编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 叠童筮一导师签名：辑日期：a 。阜 ：7 山东大学硕士学位论文 符号说明 占三相交流电源 “， 电源电压 i 。负载电流 i 。 负载电流的谐波分量 i 。基波有功电流 。基波无功电流 l谐波电流 畸变电流 e 补偿电流指令信号 t ， 补偿电流 e a 、e b 、e 。三相电路各相电压瞬时值 屯、t 三相电路各相电流瞬时值 0 、匆、0 三相电路各相基波电流瞬时值 乙、i b 、屯三相电路各相谐波电流瞬时值 l a p f 、切、z c p f 三相电路各相电流基波有功分量 乞、0 、i c d三相电路各相电流谐波分量与基波无功分量之和 e a 、e 。甜、坐标系中的瞬时电压 乞、i 。口、卢坐标系中的瞬时电流 i 、瓦、毛口、坐标系中的电压矢量 i 、己、己口、卢坐标系中的电流矢量 i 。三相电路瞬时有功电流 三相电路瞬时无功电流 q三相电路瞬时无功功率 p三相电路瞬时有功功率 c 3 ：、c ：，三相坐标系与口、坐标系坐标变换与反变换阵 c 。、c 二 口、坐标系中的功率变换与反变换阵 v i i 山东大学硕士学位论文 i 。、。、 三相电路各相的瞬时无功电流 0 、l b p 、i ， 三相电路各相的瞬时有功电流 k 、i 廊 甜、坐标系中的瞬时无功电流 l a p 、i 。 口、坐标系中的瞬时有功电流 p 、g瞬时有功与瞬时无功的恒定分量 x ( t ) 神经元网络的输入向量 w ( t )神经元网络的权值向量 a w 神经元网络的权值修正 y ( f )神经元的输出信号 d ( ，)神经元的输出信号的期望值 s ( f )误差信号 m s e 均方误差 匕 神经元的输入信号和期望输出之间的互相关向量 疋神经元输入信号豹自相关矩阵 v ( t ) 梯度向量 矿o ( ，) 最佳权值向量 v ( k ) 梯度估计 收敛因子 卵学习速率 五。氏的最大特征值 s 信号 n o 、塌噪声 g电力系统非线性电导 g ，对应于电阻的电导 g 。对应于非线性的电导 t h d 总谐波畸变率 v 1 1 1 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1电力系统的谐波及危害 电力系统中的工频电源主要为发电厂中的同步发电机。由于在其设计上 采取了一系列的削弱谐波的措施，其产生的谐波电动势极为微小，与日益增 长的系统谐波水平相比可以忽略不计。电力系统谐波产生的根本原因是近 年来日益增长的非线性负荷。当电力系统向非线性负荷供电时，这些设备或负 荷在传递、变换、吸收系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波 能量转化为谐波能量向系统倒送大量的谐波，使电力系统的正弦波形畸变， 电能质量降低，损坏系统设备。 近年来，电力系统谐波问题曰益严重，主要原因如下： ( 1 ) 电力电子设各及其新技术的大量采用，如换流器等大容量的电力晶闸 管设备的非线性负荷大量增加，以及各种家用电器的普遍使用 2 - 6 1 。 ( 2 1 为节省原材料，铁芯设备的工作点进入饱和区。如变压器、电抗器等， 其铁磁饱和特性呈非线性【7 1 。 ( 3 ) 电弧炉用户的增多及其容量的增大。各种炼钢电弧炉在熔化期间以及 交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使 电流不规则的波动。其非线性表现为电弧电压与电弧电流之间的不规则的随 机变化的伏安特性 1 0 q 4 。 这些原因分别对应了三种类型的非线性负载：( 1 ) 电子开关型：( 2 ) 铁磁 饱和型；( 3 ) 电弧型。另外对于电力系统三相供电来说，有三相平衡和三相不 平衡的非线性特性。三相不平衡同样会造成谐波，电气铁道是当前中压供电 系统中典型的三相不平衡谐波源。 由于系统施加于负荷的电压基本不变，谐波源负荷通过向电力系统取得 一定的电流做功，该电流不因系统外界条件和运行方式而改变。而谐波源固 有的非线性伏安特性决定了电流波形的畸变，使其产生的谐波电流与基波电 流呈非线性关系。因此非线性负荷一般都为谐波电流源，向系统注入一定的 谐波电流。 谐波对电力系统的设备有如下危害1 5 ，16 j ： ( i ) 谐波对旋转电机的危害。谐波对旋转电机的危害是引起附加损耗和发 1 山东大学硕士学位论文 热。谐波电流注入电机后，畸变波形电流在电机绕组中产生的总损耗等于基 波电流产生的基本损耗和各次谐波电流产生的附加损耗之和。同时，定予三 相绕组中的谐波电流产生各自转速的谐波旋转磁场在转子铁芯中产生涡流 损耗。由于涡流而导致的发热会影响绕组的绝缘强度。此外，谐波还会引起 旋转电机的振动并发出噪声，长时间的振动会造成金属疲劳和机械损坏。 f 2 1 对变压器和线路的影响。谐波电流在变压器的绕组和线路传输中都要 产生附加损耗。在发生系统谐振和谐波放大的情况下谐波网损会达到相当大 的程度。谐波电流除引起变压器绕组的附加损耗外，也引起外壳、外层硅钢 片和某些紧固件发热，并有可能造成局部过热。谐波电流还可引起变压器的 振动，使噪声增大。 ( 3 1 谐波对电容补偿装置的影响。并联电容补偿装置是连接于系统的固定 设备，其基波电流、电压、无功功率决定于系统的电压，而与系统负荷及运 行方式无关。当谐波注入后，特别是在谐振或谐波放大的情况下，会造成过 电流、过电压、过负荷及过热，导致电容器或串联电抗器的损坏。 ( 4 ) 谐波对电缆的影响。电力电缆的对地电容要比架空线路大得多，低次 数的谐波即可激励较大的谐振和放大，引起绝缘介质的谐波过电压击穿。 1 2 电力系统谐波抑制方法及存在的问题 由于高次谐波对电网和用电设备造成的危害日趋严重，世界各国都对谐 波问题十分关心和重视，不少国家己制定了电力系统和用电设备谐波和波形 畸变的国家标准或电力部门的规定。 美国海军早在7 0 年代就发现谐波影响并第一个制订谐波限制标准u s m i l s t d 4 6 1 。目前该标准仍被美国军方广泛使用。19 8 2 年国际电工委员会 ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n 简写为i e c ) 第一次制订通用电 器设备产生谐波的限制标准i e c 一5 5 ，并在其后的执行过程中多次修订完善， 目前已被世界许多国家承认和接受，在欧美等发达国家己成为强制执行的标 准。1 9 9 3 年美国电器与电子工程师协会i e e e 进一步在i e c 一5 5 标准的基础上 补充了对高压大功率用电负载产生谐波的限制标准，制订i e e e a n s i s t a n d a r d5 1 9 谐波限制标准。 在我国，1 9 8 5 年原水利电力部颁发了电力系统谐波暂行规定 些墨奎兰堡主堂篁鲨奎 一。 ( s d l 2 6 8 4 1 ，1 9 9 3 年国家技术监督局颁发了国家标准公用电网谐波。这 两个标准对公用供电系统电压畸变允许值和谐波源注入供电点的谐波电流 值做出了规定。 1 2 1 谐波抑制方法 传统的谐波抑制方法有两大类。一类是对产生谐波的谐波源装置本身进 行改造1 1 7 副】，另一类是设置滤波装置2 5 l 。 对于第一类方法，目前采取的措施主要有：增加整流相数：采用多重化 接线方式；采用先进的控制技术，如p w m 技术、谐波消去优化技术等；限 制变流装置的容量：加入滤波环节等。尽管这些措施可以有效地减少高次谐 波，但一些电力电子装置的工作机理决定了必然要产生一定量的高次谐波。 对于第二类方法。目前大量使用由交流电抗器、电容器和电阻器适当组 合而成的“l c 无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) ”。这种滤波器和谐波源并联， 在起到滤波作用的同时还兼顾了无功补偿的需要。l c 无源滤波器结构简单、 技术成熟、运行可靠、维护方便，因此得到了广泛的应用。但无源滤波器有 滤除谐波成分单一等一系列的缺点，有源滤波器日益受到人们的重视。 1 2 2 无源滤波器的特点 传统的抑制高次谐波的方法是使用l c 无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e r f i l t e r 简写为p p f ) 。p p f 一般是根据谐振原理来工作，它具有结构简单、一 次性投入低、运行费用低、吸收特定次谐波效果显著，可同时补偿无功功率 等优点。但由于结构原理上的原因，在应用中存在以下难以克服的缺点： ( 1 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分，有时由于高次谐波的成分复 杂，必须同时加入多个滤波电路，这会使整个无源滤波装置的容量和体积增 大，损耗增加。同时考虑到成本问题，不可能仅靠增加无源滤波器数量的办 法来提高滤波效果； ( 2 ) 谐波电流过大时可能造成无源滤波器的过载，损害设备； ( 3 ) 无源滤波器的滤波效果将随系统的运行情况而变化，特别是对电网阻 抗和频率的变化十分敏感，在这种情况下难以保证滤波效果。在一个复杂的 电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知，因此一个实际的无源滤 3 山东大学硕士学位论文 一。一 波器要达到理想的滤波效果是很难的； ( 4 ) 无源滤波器对特殊的谐波或在系统阻抗和频率变化时，有可能因与电 源阻抗在电源侧发生并联谐振而产生“谐波电流放大”现象，从而使无源滤 波装置无法正常工作，严重时会损害无源滤波器； f 5 ) 可能与电力系统发生串联谐振，造成电压波形畸变而产生附加的谐波 电流流进无源滤波器，影响滤波效果。 由于无源电力滤波器的上述缺点使它很难满足现代电力系统的要求，二 十世纪七十年代以来人们开始致力于有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r 缩写为a p f ) 的研究以弥补无源电力滤波器存在的问题。1 9 6 9 年b m b i r d 在他的论文”6 】中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以改善电源电流 波形的方法，文中所述的方法可以被认为是有源电力滤波器思想的诞生。 1 2 3 有源滤波器的特点 不论是谐波、无功还是负序电流，从物理本质上看，都可以归结为波形 的问题。谐波是工频正弦波畸变，无功是电压电流波形相位不一致，负序是 三相电流波形不对称。正是由于这种物理本质的统一性，可以对电力系统中 的谐波、无功和负序电流进行综合补偿。有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r l 就是一种新型的谐波、无功和负序电流综合补偿系统。和前面论述的无源滤 波器相比，有源电力滤波器具有以下一些特点： ( 1 ) 实现了动态补偿。有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波以及 变化的无功和负序电流进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； ( 2 ) 可同时对谐波、无功和负序电流进行补偿，也可单独补偿谐波、无功 或负序电流，且补偿无功的程度可连续调节； ( 3 ) 在实际应用中，有源电力滤波器的贮能元件容量很小： ( 4 ) 即使需要补偿的电流超过其额定值，也不会发生过载情况，并能在其 额定容量内继续正常工作； ( 5 ) 受电网阻抗的影响较小，不易与电网阻抗发生谐振： ( 6 ) 能跟踪谐波频率的变化，补偿性能不受谐波频率的影响； ( 7 ) 既可对特定的谐波源和需要无功及产生负序电流的负载进行补偿，也 可对多个谐波源和需要无功及产生负序电流的负载进行补偿。 4 山东大学硕士学位论文 可见，采用有源电力滤波器可以获得比以往谐波、无功电流抑制方法优 越的补偿性能。随着电力电子技术的发展，电力电子器件容量的增加，成本 的f 降，有源电力滤波器将会成为一种具有良好应用前景的谐波、无功电流 综合补偿装置。 1 2 4 有源电力滤波器存在的问题 目前有源电力滤波器的发展面临以下问题： ( 1 ) 受电流检测的延时与逆变输出电路工作的滞后等因素的影响，有源电 力滤波器很难对谐波电流、无功电流做到实时补偿。在实际应月中，如何确 定有源电力滤波器延时特性对补偿效果的影响； ( 2 ) 从畸变电流检测上，针对目前检测存在的问题，如何从非线性负载电 流中准确、实时地分离出谐波电流、无功电流，使有源电力滤波器的性能得 到充分地发挥； ( 3 1 从电流控制方法上，如何更好地根据畸变电流的检测结果，通过合理 的控制手段产生需要的补偿电流； ( 4 ) 从主电路结构上，如何将大容量电力电子器件及其外围电路进行合理 配置，以使有源电力滤波器能够安全可靠长期运行，并使之在我国早日步入 工业化应用阶段。 1 3 谐坡电流检测方法的研究现状 补偿电流的检测的目的是保证有源滤波器能输出给定信号，以使有源滤 波器产生所需的补偿电流。检测方式可分为基于时域和基于频域两类。基于 时域分析的控制策略实时性好，对系统的变化响应快，如瞬时无功功率理论。 但该方法忽视了被补偿量的周期特性，无法从过去的经验中去学习。基于频 域分析的控制策略依赖于电压电流的周期特性，对于恒定负载具有较高的精 度，如快速傅立叶变换( f f t ) 。但该方法计算复杂，需要时间长，一般都限 制在补偿2 0 次以内的谐波，比较适合于整个电网的谐波最小化抑制1 37 f 。现 有的补偿电流检测方法主要有以下几种： ( 1 ) f r y z e 有功电流分离法 早在3 0 年代f r y z e 在给出功率定义的基础上，提出了一种基于时域分析 5 山东大学硕士学位论文 的有功电流分离法。这种方法的缺陷在于计算存在严重的延时，分解出的谐 波电流实际上是几个周期前的瞬时值，所以不适用于负载频繁变化的应用场 合，同时也无法将基波无功电流和谐波电流分开。 ( 2 1 采样保持检测法 j w d i x o n 等人提出了一种应用采样保持电路来实现谐波、无功电流 和不平衡负载的检测方法【3 8 】。该方法对负载变化具有半个周期的延时，而且 存在检测精度低的问题。 ( 3 ) 快速傅氏变换( f f t ) 检测法 该方法应用f f t 对电流、电压进行频域分析，分离出所需的补偿量。该 方法计算时间较长，实时性得不到保证，而且电压畸变将带来非同步采样误 差，影响了检测精度。 ( 4 1 基于瞬时无功功率理论的检测方法 该方法是目前应用最广泛的一种检测方法，由日本学者h a k a g i 等人于 上世纪8 0 年代初提出1 3 9 1 ，该方法在坐标变换的基础上，通过计算瞬时无功 功率和瞬时有功功率的交流分量，计算出所需的补偿电流。 由于坐标变换计算繁琐并存在一定的局限性，因此许多学者提出了基于 瞬时无功功率理论的改进方法。如e d e s t o b b e l e e r 等人在分析坐标变换中电 压畸变对检测结果影响的基础上，提出了一种不受电压畸变影响的改进方案 1 4 0 1 。西安交大的杨君等人在文 4 1 】中提到了一种不需要测量电压值的电流检 测法，避开了电压畸变的影响。a n a b a e 等人为了避开坐标变换和高通( 或 低通) 滤波，分别提出了不需要坐标变换的检测方法 4 2 , 4 3 1 和不需要滤波环节 的基于极坐标定义的检测方法4 4 1 。m a i e d e s 等人根据三相四线制电路的特 点，提出了包括零序电流在内的谐波和无功分量检测方案，扩展了瞬时无功 功率理论的应用范围4 5 ，4 6 1 。杨君等人又将瞬时无功功率理论由三相供电系统 扩展到单相供电系统【47 1 。 ( 5 ) 自适应检测方法 a s h t o n 、罗世国等人提出了一种亭卜偿电流的自适应检测方法1 4 8 , 49 1 。该方 法是一闭环自适应调节系统，其运行特性与元件参数几乎无关，但在电压波 形有畸变时，检测精度无法保证。 ( 6 ) 基于人工神经元网络的检测方法 6 山东大学硕士学位论文 一一 王群等人利用人工神经元网络( a n n ) 的自适应和自学习能力，结合自适 应噪声对消技术，提出一种基于神经元的自适应谐波电流检测方法，具有良 好的在线学习跟踪性能”l 。a k u m a m o t o 等人提出应用a n n 来辨识系统阻 抗的变化，从而提高补偿电压谐波的精度和适应能力p ”。 ( 7 )基于小波变换的检测方法 杨桦等人提出了一种基于小波变换进行谐波检测与滤波的方法【5 引，这种 方法克服了传统的f f t 方法无时域局部性的缺点，根据多分辨率思想，利用 高尺度的变换值，实现了谐波的实时检测，但检测精度有待提高。 上述的几种方法都可以用于电力系统的谐波电流检测，但在检测精度和 实时性上都或多或少的有一定的局限性。其中基于瞬时无功理论的检测方法 和基于神经元网络的检测方法的实时性和检测精度相对较好。近年来这两种 检测方法引起了人们的广泛关注。 基于瞬时无功理论的检测方法是目前广泛应用的方法。这种方法基于坐 标变换，通过瞬时有功与瞬时无功计算出补偿电流。目前已有多种改进的检 测方法使其在实时性和检测精度上得到了进一步的提高。但这种检测方法中 要用到低通滤波器，其实时性无法得到进一步的提高。而且，这种检测方法 没有自适应能力，其检测精度有很大的局限性。 基于神经元网络的检测方法采用神经元网络对谐波电流进行检测。由于 神经元网络的自适应和自学习能力，使得这种检测方法有很强的自适应能力 和检测精度。采用在线学习方法神经元网络可以在极短的时间内跟踪电网中 的谐波变化，具有很强的实时性。这种检测方法弥补了基于瞬时无功功率理 论的多种缺陷，是一种很好的检测方法。 1 4 本课题的主要工作 ( 1 ) 对电力谐波的产生、危害及目前最新的治理措施进行必要的论述和 分析，并介绍了目前较为流行的两种用于a p f 的谐波电流检测方法：基于瞬 时无功理论的检测方法与基于神经元网络的检测方法。 ( 2 ) 结合电力系统非线性电流的分析提出非线性负载的等效电路模型， 并提出一种基于电路模型和神经元网络的谐波电流检测方法。 本文所提出的电路模型将电力系统的非线性负载电流分成基波有功电 7 山东大学硕士学位论文 一一 流和谐波电流两部分研究，并以一个等效电阻将无畸变的电网电压与基波有 功电流联系起来，提出将电力系统非线性负载等效成电阻负载与“非线性” 负载两部分。在本文所提出的检测方法中，基于所提出的电路模型使用a n n 对电路模型中的等效电阻进行拟合，以电弼电压作为a n n 的输入矢量，则 a n n 的输出矢量为基波有功电流，基波有功电流与负载电流的比较结果即为 待检测的谐波电流。 ( 3 ) 在研究谐波电流检测系统的检测延时对a p f 补偿性能的影响的基 础上，将本文所提出的检测方法与基于瞬时无功理论的检测方法进行了比 较。 本文用两个特殊的负载电流对a p f 的检测延时与补偿效果的关系进行 了尝试性的研究。这两个负载电流都是5 0 h z 的周期性交流量，它们分别代 表了负载电流中仅含单次谐波与含有多种谐波两种情况。通过理论分析与仿 真结果得出了这两种情况下a p f 的检溅延时对补偿效果的影哟。 ( 4 )以仿真与实验结果证明本文所提出的基于电路模型与神经元网络 的检测方法有很好的实时性。 为验证本文所提出的检测方法在实时性上的性能，本文建立了基于瞬时 无功功率理论的谐波电流检测方法的仿真模型和本文所提出的方法的仿真 模型。通过仿真对两种检测方法的实时性进行了进一步的分析。在本文的最 后，通过实验得到一个实际三相整流桥负载电流，并以此作为检测对象，对 本文所提出的检测方法与基于瞬时无功理论的谐波电流检测方法的检测结 果在实时性上进行了比较。仿真与实验结果都证明本文所提出的检测方法的 实时性要好于基于瞬时无功理论的谐波电流检涎方法。 8 山东大学硕士学位论文 第二章基于瞬时无功理论的检测方法与基于神经元网络的 检测方法 2 0 1有源电力滤波器介绍 根据与补偿埘象连接方式的不同，有源电力滤波器( a p f ) 分为并联型和 串联型两种，实际应用中多为并联型，下面以并联型有源滤波器为例，来介 绍其t 作原理。图2 一l 为最基本的有源电力滤波器系统的原理图。图中占代 表t 相交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器 系统由两部分组成。即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令 电流运算电路的核心功能足检测出被补偿三相电流中的睹波和无功电流分 量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令 信号，产生实际的补偿电流。主电路采用p w m 变流器。 图2 - 1有源电力滤波器谐波补偿原理 图2 1 所示有源滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流， 经指令电流运算单元计算出补偿电流的指令电流信号，浚信号经补偿电流发 生电路锝出补偿电流，枣卜偿电流与负载电流中要李卜偿的谐波及无功等电流抵 消，最终得到期望的电源电流。 当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象 负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流信号。由补偿电流 发生电路产生的补偿电流i 与负载电流巾的谐波成分。大小相等方向相反， 因而相互抵消，从而使电源获得期望的基波电流。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时补偿无功功率，则只需要在 补偿电流的指令信号中增加与负载电流的无功分量反极性成分即可。这样补 偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相互抵消，电源电流等于负载电流的 q 山东大学硕士学位论文 基波有功分量。 2 2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 三相电路瞬时无功功率理沦首先丁19 8 3 年山赤术泰文t 5 3 i 提出，此后该 理论经小断研究逐渐完善。赤木最新提出的理沦办称p q 理论，足以瞬时实功 率和瞬时虚功率的定义为基础的。奉节将介绍以瞬时有功电流，和瞬时无功 电流为基础的理论体系，以及它与传统功率定义之问的关系。 2 2 1 瞬时无功功率理论 设三相电路各桶电压和电流的瞬时值分别为e 。、和i 。、i b 、f ，肖 把它们变换到口一两相正交坐标系时，经变换可以得到口、口两相瞬时电压 e 。、8 口和口、两相瞬时电流、i 口。 髀豳 式：= 历 ：肌- 1 2 幽- i 2 ： 8 么 。a ： 图2 - 2 口一坐标系中的电压、电流矢量 在图2 2 所示的口一卢平面上 转) 电压矢量f 和电流矢量i ： ；2 ；。+ i 8 = e z 铁 1 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 矢量瓦、易和t o 、己分别一叮以合成为( 旋 ( 2 3 ) 1，j 巳气 l 2巴 1 1 _l1 l 山东大学硕士学位论文 i = 己+ 己= i l q ( 2 - 4 ) 式中，e 、i 为矢量i 、i 的模，移、记分别为矢量i 、i 的幅角。 三相电路瞬时有功电流i 。和瞬时无功电流i 。分别为矢量i 在矢量i 方向 及其法线上的投影。即i ，= i c o s p ，屯= i s i n 9 式中，妒= 纯一铱。盘一芦平面叶【 的i 。和i 。如图2 - 2 所示。 二相电路瞬时尤功功率q ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量i 的模和三相 电路瞬时无功电流( 三相瞬时有功电流i 。) 的乘积。即 口p：=-eip=：eptfco。s口oels i n ( 2 5 ) l q =。= p z妒 、。7 将式( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 代入式( 2 5 ) ，并参考p = 纯纪写成矩阵町得： 盼降- 巾e 。j l p j = 2 ( 2 _ s ) 式中2 e e f tj - - * h 电路各相的瞬时无功电流k 、0 ( 瞬时有功电流0 、k 、0 ) 是口、芦两相瞬时无功电流、2 脚( 瞬时有功电流0 、i 印) 通过两捎到三相 变换所得到的结果。即 ( 2 7 a ) 肾煳 协，e ， 式中q ，= 传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或向量的意义上 定义的t 它们只适应于电压、电流均为正弦波的情况。而瞬时无功功率理论 中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用十 非f f 弦波和任何过渡过程的情况。从以上各定义可以看出，瞬时无功理沦中 的概念在形式上和传统理论非常相似，可以看为传统理论的推广和延伸。它 包g - 了传统的无功理论，比传统的无功理论有更广的适用范b 1 。 山东大学硕士学位论文 2 2 2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 三相电压和电流经过坐标变换后，在筇坐标系中运算出瞬时有功与无 功，该瞬时功率中包含的恒定分量与“v w 坐标系中的基波电流分量相对应。 用低通滤波器滤除浚功率中的交流量，即可得到与甜v w 坐标系中的基波电流 分量相对应的恒定功率分量，该功率量坐标反变换即可得出, v w 坐标系中的 基波电流，并进而求得各次谐波电流之和。 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算p 、q 或i 。、i 。为出发点即 可得出t 相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称之为p 、q 运算方 式和i 。、j 。运算方式。 2 2 3 p 、q 运算方式 该检测方法的框图如图2 - 3 所示： 图2 - 3 p 、q 运算方式原理图 该方法根据定义算出p 、q 经低通滤波器( l p f ) 得p ，q 的恒定分量；、 q 。电网电压波形无畸变时，j 为基波有功电流与电压作用所产生，石为基 波无功电流与电压作用所产生。于是由一p 、一q 即可计算出被检测电流t 、 f 。的基波分量t a t - 、磅、0 。 c 2 3 c 二圈 ( 2 8 ) 将芬、匆、芬与屯、f 6 、t 相减，即可得出、乇、的谐波分量l a 、 z 拍、f 柏。 当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿 对象中的谐波和无功电流。在这种情况下，只需断开上图中计算审的通道即 1 2 ，llllljr h = 兰b 山东大学硕士学位论文 可。这时，由万即可计算出被检测电流屯、i b 、t 的基波有功分量锄、l b p f 、 i c 呵。 阱z 垌 b 。， 将g p f 、l b p f 、l c p f 与i 。、i b 、i 。相减，即可得出i a 、i 6 、i 。的谐波分量和 基波无功分量之和i o d 、“、l c d 。下标中的d 表示由检测电路得出的检测结 山丁- 采用了低通滤波器( l p f ) 求墩；、；，故当被检测电流发，卜变化 时，需经一定的延迟时间才能得到准确的i 、石，从而使检测结果有一一定的 延时。但当只检测无功电流时，则不需低通滤波器，而只需直接将q 反变换 2 2 4 一i q 运算方式 该方法的原理如图2 - 4 所示。图中c ：l s 1 “c o l c 0 8 耐i l c o s c a t s i nc o ti 图2 - 4 一i g 运算方式原理图 该方法中，需用到与口相电网电压同相位的正弦信号s i n 0 9 1 和对应的余 弦信号一c o s ( 2 ) l ，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个正、余弦信号发生电路得 到。根据定义可以计算得出i ，、，经l p f 滤波得出f ，、的直流分量i 、无。 这罩，、是由0 、知、- 产生的。由i p 、可计算出0 、屯，、0 ，进 而训算出乇 、i b 、l c h 。 弓p ，g 运算方式相似，当要检测谐波和无功电流之和时，只需断丌图 中的的通道即可。而如果只需检测无功电流，则只要对0 进行反变换即可。 基于瞬时无功理论的方法，在只检测无功电流时，可以完全无延时地得 1 3 山东大学硕士学位论文 出检测结果5 4 i 。检测谐波电流时，凶被检测对象电流中的谐波的构成和采用 滤波器的不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。刈于电 嘲中最典型的一个谐波源一一i 相桥式整流器，其检测的延时约为l 6 电源 周期。可见该检测方法具有很好的实时性。上述的两种方法既可用模拟电路 实现，也可用数字电路实玑。当用模拟电路实现时，p 、q 运算方式需要1 0 个乘法器和2 个除法器。f 。、t ，运算方式只需要8 个乘法器。为保证检测的 精度，最好选用高性能的四象限模拟乘法器芯片。 2 3 基于神经元网络的谐波电流检测方法 有源电力滤波器的工作性能在很大程度上取决于对负载电流中谐波电 流的准确、实时检测。这种检测一般不需要分解出各次谐波分量，而只需检 测出除基波电流之外总的畸变电流。对有源电力滤波器的畸变电流检测除了 要求较高的准确度和较好的实时性外，当负载发生变化时要有良好的自适应 跟踪检测能力。随着人工神经元网络( a n n ) 研究的进展，神经元网络越来越 多地应用于各种领域。而且获得了相当好的效果。由于a n n 的固有优点， 它在自适应滤波、系统的辨识、建模、自适应控制中特别受到重视，尤其足 它较好地解决了具有不确定性、严重非线性、时变和滞后的复杂系统的建模 和控制问题。 神经元网络的研究已有多年的历