（电力电子与电力传动专业论文）基于人工神经网络自适应谐波电流检测的研究.pdf

沈阳_ t 业大学硕士学位论文 t h e s t u d y o f a d a p t i v e h a r m o n i cc u r r e n t s d e t e c t i n g b a s e do na n n t oi m p r o v eh a r m o n i cc u r r e n t sc o m p e n s a t i o ne f f e c to f a p f ，ap r o p e rd e t e c t i o nm e t h o di s n e e d ，w h i c hr e q u i r em e a s u r i n gs y s t e m sw i t hh i g ha c c u r a c ya n dr e a l - t i m e ，a n dt r a c kn o n l i n e a r l o a d s v a r i e t ya u t o m a t i c a l l ya n d h a v ea d a p t i v ec h a r a c t e r i s t i c s t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s st h ea p p l ya n dt h ea d a p t i v ec o n t r o lo fa n ni nh a r m o n i cc u r r e n t s b yc o m b i n i n g t h ea d a p t i v en o i s ec a n c e l i n g t e c h n o l o g yi nd i g h a ls i g n a lp r o c e s s i n gw i t ha n n a n dp u tf o r w a r da na d a p t i v ed e t e c t i n gm e t h o df o rh a r m o n i cc u r r e n t sb a s e do na n n ，i n c l u d e d t w om l f n na n dt w on e u r o n a d a p t i v ed e t e c t i n gc i r c u i t sf o r h a r m o n i cc u r r e n t s f i r s t l y ，i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ed e c o m p o s i t i o no fn o n - s i n u s o i d a lp e r i o d i cc u r r e n ta n dt h e r e l a t i o nb e t w e e ni t se a c hc o m p o n e n ta r a n a l y z e df r o ml a m ed o m a i n ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e a p p l ya b o u ta d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g yi nh a r m o n i cc u r r e n t sd e t e c t i n gf o ra p fi s d i s c u s s e d , w h i c ho f f e rt h et h e o r yb a s i so f a d a p t i v ed e t e c t i n gm e t h o db a s e do na n n t h e n ，c o m b i n i n g t h ea d a p t i v en o i s ec a n c e l i n g t e c h n o l o g yw i t h a n ni se x p a t i a t e di nd e t m l ， a n d a d a p t i v eh a r m o n i c c u r r e n t s d e t e c t i n gm e t h o d b a s e do na n ni sb r o u g h tf o r w a r d , i nt h e l i g h t o ft h e m ，t w oa d a p t i v eh a r m o n i cc u r r e n t s d e t e c t i n gc i r c u i t s a l ep r o p o s e do n eo ft h e mi s m l f n n ，w h i c hm a k en e t w o r kh a v ed y r m m i et r a i tb yf e e d b a c kt h eo t h e ri sn e u r o p 。n o to n l y i t sc o n f i g u r a t i o ni ss i m p l e ，b u ta l s oi t sa l g o r i t h mi s e a s y t or e a l i z eb ya n a l o gh a r d w a r ec i r c u i t t w o a d a p t i v eh a r m o n i cc u r r e n t sd e t e c t i n gc i r c u i t sa n d t h e i ra l t e r n a t i n ga l g o r i t h ma r ep r o v i d e d i nd e t a i li nt h i st h e s i s ，a n do f f e rs i m u l m i o nr e s u l t sb ym a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et w oc i r c u i t sn o to n l ya l ep r e c i s ea n df a s lb u ta l s o h a v e g o o da n t i - j a m m i n ga n da d a p t i v ec h a r a c t e r i s t i c s , a n dt h ed e t e c t i o ne f f e c t sa l a n ta f f e c t e db y p o w e rf r e q u e n c ye x c u r s i o n e s p e c i a l l yo u t s t a n d i n gi st h en e u r o na d a p t i v eh a r m o n i cc u r r e n t s d e t e c t i n gc i r c u i t s ，i t sa d j u s t a b l ep e 哦a m e t e r s a r ef e wa n di t s d e t e c t i n ge f f e c t sa n ds p e e do f h a r m o m cc u r r e n t sa r ee x c e l l e n tf o ri t ss i m p l e c o n f i g u r a t i o n k e y w o r d s ：a c t i v e p o w e rf i l t e r , h a r m o n i cc u r r e n t s , a d a p t i v e a r t i f i e m ln e u r a ln e t w o r k 一2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：至鑫日期： 关于论文使用授权的说明 ”) ；j - 玎 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：潮- - 3 、2 2 5 华一 辫 沈阳工q k 大学硕十学位论文 引言 随着电力电子技术的，1 i 断发展，越来越多的电力电子装置被泛应用于各种领域， 然而电力电子装置和非线性负载的普遍使用，使得大量的谐波电流和无功电流注入电 网，严重威胁电网和电气设备的安全运行与正常使用，为此，对谐波及无功电流进行滤 波和补偿已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究 课题。 电力系统中常使用电力滤波器来治理谐波污染。电力滤波器分为无源和有源两种， 它们的t 作原理完全不同。有源电力滤波器是近年来研究较多的、一种很有希望的方 法，是一种主动式的谐波电流补偿装置，其性能的好坏与它所采用的谐波电流的检测方 法有很大的关系。现有的谐波电流检测方法主要有带阻选频法、有功和无功分量分解法 以及基于_ 二三相电路瞬时无功功率理论的谐波电流检测法。尽管这些方法备有特点，但都 存在难以克服的问题。例如检测精度不高，对电网频率变化比较敏感，特别是没有自适 应能力，不能更好地跟踪检测。如何改善这些不足呢，有必要借助其他理论或途径寻找 新的谐波电流检测方法。 日前人工神经网络( a n n ) 已成功地应用于信号处理、模式识别、自动控制、人 工智能和优化计算等方面，人们正在致力于扩展a n n 的应用领域。本文就是研究如何 将a n n 用于有源电力滤波器中，并通过对数字信号处理中的自适应噪声对消技术的研 究，探讨r 将自适应噪声对消技术用于有源电力滤波器谐波电流检测的可能性和理论依 据，建立r 一种新的谐波电流检测方法一基于人工神经网络的自适应谐波电流检测方 法。构成r 有源电力滤波器肘州自适应谐波电流检测电路的基本模型，同时对相应谐 波电流检测电路进行，较为详细的数值算法仿真研究。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 谐波问题的研究现状 1 1 1 国外状况 早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代电力系统的谐波问题就引起了人们的注意，当时在 德国，由于使用静l l 汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变，并提出，电力谐波干 扰问题。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典 论文i ”，假当时由于在电力系统中产生电力谐波的谐波源所占比重很少，谐波干扰并不 严重，加之科学条件的限制，谐波干扰问题并未引起人们的普遍重视。到了5 0 年代和 6 0 年代，随着科学技术的进步，尤其是电力电子技术的发展，大量的非线性负载包括 嚣种换流装置的应用，特别是近年来在电力系统中加入各种含有半导体开关器件的装置 和高压赢流输电的运行，引起电网电压、电流波形的畸变，产生了大景的高次谐波，给 电力系统带来n - z 重的谐波干扰，使系统的电能质量下降，于是有关电力系统谐波问题 的大最论文开始出现在各种期刊杂志上。7 0 年代以来，由于谐波所造成的危害也日趋 严重，世界各国都对谐波问题予以充分的关注，国际上召开了多次有关谐波问题的学术 会议。不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规 定。最近：十年，对电力系统谐波问题的研究已越过了电力系统自身的研究范畴，渗透 到了各个学科和学术领域，并取得了前所未有的进展。进年来，国际上有关谐波的研究 十分活跃，每年都有大量的论文发表2 。2 6 】。这一方面说明了这一研究的重要性，另一方面 也预示着这一领域将取得重大突破。 1 1 2 国内状况 我国对谐波问题的研究起步比较晚，吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波 一稍是我国有关谐波问题较有影响的著作i ”1 。夏道止等人1 9 9 4 年出版的高压首流电 力系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作2 8 1 。王兆安等人1 9 9 8 年出版的 谐波抑制和无功功率补偿一书为我国关于谐波问题较为全面的著作1 2 9 1 。此外，唐统 一等人和容健纲等人分别独立翻译了j a r r i l l a g a 等所著的电力系统谐波一书3 0 。3 ”， 在国内也有较大的影响。而目前在我国的高校中，尤以西安交通大学，浙江大学，东南 2 沈阳工业大学硕士学位论文 大学重庆大学，海军工程学院最为突出，其科研人员为我国在这方面做r 以i 少贡献【3 2 5 州。 1 1 3 谐波产生原因及现有对策 产生电力系统谐波的重要原因是电力系统中存在各种非线性负载，例如静态换流 器、各种开关电源和电力变压器等，它们使电网电压、电流波形产生畸变，不再是止弦 波，通常这种畸变波形是周期的。从频域的观点出发，基于付立叶级数的谐波分析法把 除与电源电压频率一致的基波以外的高次正弦波分量称为( 高次) 谐波，它们的频率一 般为基波频率的整数倍。抑制谐波干扰的目的就是消除电力系统中的高次谐波或把其降 低到允许值以下，使电嘲电压、电流保持为正弦波。 f 1 前在电力系统中抑制或减小谐波主要从两个方面考虑，其一是从产生谐波源装簧 本身入手，通过合理地选择器件及器件参数，在电路设计时就考虑减小谐波的方法，增 加谐波抑制环节，尽量减小谐波的注入量。如可对一些整流装置采用如f 措施来减小谐 波干扰： ( 1 ) 增加整流相数，采取多相整流技术； ( 2 ) 采用多重化接线方式； ( 3 ) 合理设计装置，以减小谐波的产生： ( 4 ) 运用先进的控制技术，如脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n , 缩写为p w m ) 控制技术、谐波消去优化法等； ( 5 ) 限制变流装置的容量； ( 6 ) 加入滤波环节。 存谐波源本身采取一些措施虽然能在一定程度上减小高次谐波，但由于电力半导体 装置的开关工作方式和谐波源本身的t 作原理，不可能完全、有效地抑制高次谐波，所 以应从另一方面入手，这就是第二种方法一对谐波源装置产生的畸变电压、电流进行滤 波或补偿。目前在电力系统中所采用的比较实t i j 有效的方法之一就是利用交流电力滤波 器。交流电力滤波器尽管种类繁多、电路结构和所用元件各不相同，但总的来说可分为 有源和无源电力滤波器两种。使用比较多的是无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) ，在 运行中一般把它与谐波源并联。它是利用电路谐振的原理来工作的，即当电路对某次谐 一3 沈阳工业大学硕士学位论文 波发牛谐振时，对该次谐波形成低阻通路，从而达到滤除该次谐波的目的。无源电力滤 波器除_ 起滤除谐波的作用外，还可兼顾无功补偿。尽管无源电力滤波器所用元件少、 电路结构简单、造价底，运行费用也低，在吸收高次谐波方面效果显著，但由于结构原 理上的原凶，在实际运用巾它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较多，必须 i 司时加入多个滤波电路，这会使整个滤波装置的容景和体积加大，当有基波电流流 过滤波电路时还会使损耗增加，考虑到设计投资问题不可能仅靠增加滤波器的办法 束提高滤波效果； ( 2 ) 谐波电流超量时可能造成无源电力滤波器的过载，损害设备； ( 3 ) 其滤波特性受电网结构和工作状态改变影响很大，难以获得预期的效果； ( 4 ) 对特殊的谐波或系统组抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗在电源侧并联 谐振而产生“谐波放大现象”，使滤波电路无法正常工作； ( 5 ) 可能与电力系统发生串联谐振，造成电压畸变而产生附加的谐波电流流进无 源滤波器，影响其滤波效果； ( 6 ) 滤波效果与电源阻抗有很大关系； ( 7 ) 由于各个滤波器的滤波频率都足事先按要求设计好，是固定不变的，因此当 电源频率漂移时它的滤波效果变差。 由于无源滤波器的上述缺点，使它很难满足实际工作的要求，所以必须研制新型的 滤波和补偿装簧。七十年代以来，在新型电力电子器件迅速发展和功率电子学、特别是 控制技术发展的基础上，人们致力于有源电力滤波器的研究，以弥补无源电力滤波器存 在的这些问题。从日前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿 是今后的一个发展趋势。 然而通过分析有源电力滤波器的研究现状可以发现，它无论从理论还是从应用技术 【二都远未十分成熟，真正投入应用尚有许多问题等待解决。除r 结构复杂、设备造价 高、运行损耗大等问题外，其谐波电流检测和控制电路也满足不了要求，从而影响了谐 波补偿的效果，降低了装置的质量。现有的谐波电流检测可分为频域和时域两大类，基 于频域的电流检测法主要有带阻选频法和快速傅立叶变换法等，但由于它们固有的缺 4 沈阳工业人学硕士学位沦文 陷，滤波效果较差，1 i 能满足准确、实时性的要求；基于时域的电流检测法尽管在有源 电力滤波器中应州较广，但都存在难以克服的问题：检测精度不高，有较大的时延，缺 乏白适应能力，不能较好地跟踪检测。如何改善这些不足呢? 有必要借助其它理论或途 径寻找新的谐波电流检测方法。 1 2 人工神经网络其及应用j 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，缩写为a n n ) 是近年来研究的热点之 一，它的出现给很多研究领域注入r 新的活力。人工神经网络的研究始于2 0 世纪4 0 年 代，半个多世纪以来，它经历r 一条由兴起到萧条、又由萧条到兴盛曲折发展的道路。 人工神经网络是由多个非常简单的处理单元彼此按某种方式相互连接而成的计算系 统，该系统足靠其状态对外部输入信息的动态响应来处理信息的。它是在现代神经学研 究成果的基础上提出的，反映人脑功能的基本特性，但它并不是人脑的真实描写，而只 是它的某种抽象、简化与模拟。瞬络的信息处理由神经元之间的相互作用来实现；知识 与信息的存贮表现为网络元件互连间分布式的物理联系；网络的学习和识别决定于各神 经j i 连接权系的动态演化过程。其特点如下： ( 1 ) 它能以任意精度逼近任意连续非线性函数； ( 2 ) 对复杂不确定问题具有自适应和自学习能力； ( 3 ) 它信息处理的并行机制可以解决控制系统中大规模实时计算问题，而且并行 机制中的冗余性可以使控制系统具有很好的容错能力； ( 4 ) 它具有很强的信息综合能力，能同时处理定量和定性的信息，能很好地协调 多种输入消息关系。 由于上述特点，众多的研究和应用领域都对人工神经网络寄予厚望，人工神经网络 研究方兴未艾。8 0 年代中期以来，人丁神经网络的应用研究已取得了很大的成绩，涉 及的面非常广泛。就应用的技术领域而言有计算机视觉，语言的识别、理解与合成，优 化计算，智能控制及复杂系统分析，模式识别，神经计算的研制，知识处理，专家系统 与人工智能。涉及的学科有神经生理学，认识科学，数、理科学，心理学，信息科学， 计算机科学，微电予学，光学，生物电子学等。本课题就是研究如何将人工神经网络应 _ i j 于有源电力滤波器中，尝试把它用于有源电力滤波器的谐波电流检测中。 5 一 沈阳上业人学硕士学位论文 1 3 课题研究意义 由于电力谐波的存在对电力系统的安全可靠运行和划电设备的正常稳定工作构成了 严重的威胁，故有芙电力谐波的研究就具有重大理论价值和现实意义。 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产，传输和利 j 的效率降低，使电气设备过热，产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚 至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含最放大， 造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混 乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电予设备会产生严重干扰。 谐波的研究的意义，还在十其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未 来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成 为2 1 世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力 电子技术发展的重人障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有 效的研究。 谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染，维护绿色环境的角度来认识。对 电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。在电力电子技术领域， 要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护已成为全人类 的共识，对电力系统谐波污染的治理也成为电工科学界所必须解决的问题。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 谐波及谐波分析 2 + 1 谐波的基本概念例 在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈现正弦波形。正弦电压可表示 为 “( r ) = - 4 r 2 u s i n ( w t + a )( 2 1 ) 式r | l u 一电压有效值； 口一初相角； w 一角频率，w = 2 n f = 2 , n 孔 ，一频率； r 一周期。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容j 二，其电流和电压分别为比例、积 分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变 为非止弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也为非正弦波。当然， 非l f 弦电压施加在线性电路| = 时，电流也是非正弦波。对于周期为t = 2 石w 的非正弦 电i 晤, u ( w t l ，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的付立叶级数： u ( w o = 。+ ( 口。c o s n w t + 6 。s i n n w t ) ( 2 2 ) 式中 口0 - 去和w 州( w r ) 旷咖咖。s n w t d ( w f ) 驴# 咖小i n n w t d ( w f ) ( 玎= 1 , 2 ，3 ，) 或 u ( w o = + q s i n ( n w t + 1 9 0 。) ( 2 3 ) 7 沈阿j 工业大学硕士学位论文 式中，c 。、吼和日矿6 。的关系为 c n = 厢 妒。= a r c t g ( a 。丸) a 。= c 。s i n 吼 b n = c 。c o s q | 在式( 2 2 ) 或( 2 3 ) 的付立叶级数中，频率为l 厂r 的分量称为基波，频率为大于1 的 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式 及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适应，把式中u ( w t ) 转换成 i ( w t l 即可。 以 ：介绍了谐波及其有关的基波概念。可以看出，谐波是一个周期电流分量中频率 大于1 整数倍基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率，有人把谐波称为高 次谐波。实际上，“谐波”这一术语已经包含了频率高于基波频率的意思，因此再加上 “高次”两子是多余的。 2 2 非正弦周期电流的分解 由上节可知，非正弦周期电流用付立叶级数可展开为 i ( w t ) = + ( c o s n w t + b n s i n n w t ) = 1 可把它进一步分为两项，即 i ( w t ) = 西is i n ( w t + 竹) + 扬。s i n ( n w t + t p , ) = f l ( w f ) + ( w ，) ，卢2 ( v e t ) = 扫ls i n ( w t + 仍) f 2 4 ) ( 2 5 ) ( w f ) = 西。s i n ( n w t + 。) ( 2 6 ) n = 2 式中，、i n 分别是基波和谐波电流的有效值，i ，( w t ) l l q 基波电流，i h ( w f ) 代表各高 次谐波电流之和。根据线性代数中的有关知识可知，内积 ( 1 l ( w 咄k ( w f ) ) = 亭r 、t r 2 1 ts i n ( w t + g t ) 妻。、f t 2 1 , s i n ( n w t + q 。) 西= o ( 2 7 ) 8 婆塑三! ! 奎兰竺堂垡笙塞 一 从而说明基波电流“w f ) 与谐波电流“( w f ) 是彼此止交的a 结合( 2 4 ) 式和( 2 7 ) 式，可得非正弦周期电流有效值的平方足 ，2 - 古n w 渺= 亍l ”t - t 2 ( + 2 t ( 毗( 们+ ( 删mf 28 ) ：专r 柱w ，) 加+ 参r2 “w 州。( w r ) 击+ 专r z ：( w t ) 西= j ? + j * 2 进一步可以把( 2 5 ) 式所表示的基波电流l 。( w f ) 分解为与电源电压同频率同相位的有 功电流i 。( w f ) 和与其正交的无功电流，t 。( w ，) ，即 i l ( w f ) = 4 i f i c o s ( p l s i n w t + 4 2 1 1s i n o t0 0 8 w f 2 9 ) = 丑t 。s i n w t + 2 ， ：o s w t = l i p ( w f ) + ( w f ) f 。( w ，) 和，。( w r ) 的有效值分别为 k ：，lc o s t p l ，1 9 ( w ，) = ，ls i n p l ( 2 1 0 ) i 司样，根据线性代数中的有关知识可知，内积( i l p ( w ，) ，i 。( w f ) ) = 0 ，因此 有功电流f ，。( w f ) 和无功电流f ，。( w ，) 是彼此正交的。显然有关系 牡 托州出= 专托( 折+ 亭r 磊( w ，坤= ，o + 圮 ( 2 1 1 现在，根据( 2 9 ) 式，( 2 4 ) 式可以改写为 j ( w f ) = f l ，( w f ) + f l q ( w f ) + ( w f ) ( 2 1 2 ) 综合前面所述，可知内积( ，( w f ) ，i 。( w f ) ) = o 、内积( h ，( w f ) ，i 一( w ) ) 5 0 和内积( i l q ( w r ) ，。( w f ) ) = 0 。所以有功电流i ，( w r ) 、无功电流f 。( w f ) 和谐波电流h ( ”) 是两两正交的。并且有 2 = 0 + j + j ： ( 2 1 3 ) 9 沈阳工业大学硕十学位论文 3 有源电力滤波器 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 ) 也是一种电力电子装置，它 是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无 功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种 理想的补偿谐波装置。 3 1 有源电力滤波器的发展史 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到上世纪6 0 年代末。1 9 6 9 年b m b i r d 和 j f m a r s h 发表的论文i 吲中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流和减少电源电 流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。该文中虽未出现有源电力滤波器一 词，f 日其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a e h i d a 发表的论文 1 9 1 中，首次完整地描述了有源电力滤 波器的基本原理，但南于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本 商，凶而仅在实验室中研究，未能在工业中应用。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出r 采用p w m 控制变流器构成的有源电力滤波器，确 市了有源电力滤波器( a p f ) 的概念，确立丫有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控 制方法。从原理上看，p w m 变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电 力电子的发展水平还不高，全控型器件功率少，频率低，因而有源电力滤波器仪限于实 验研究。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展，对有源电力滤波器 的研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的研究热点之一。这一时期的一个重大突破 是1 9 8 3 年赤术泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论“驯，以该理论为基础的谐 波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进r 有源电力 滤波器的发展。f i 前，三相电路瞬时无功功率理论被认为是有源电力滤波器的主要理论 基础之一。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 有源电力滤波器的基本原趔剁 图3 1 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中e 。表示交流电源， 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大部分组成，即指令 电流运算电路和补偿电流发生电路( 由电流跟踪控制电路，驱动电路和主电路三部分构 成) 。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流的谐波和无功等电流分 量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令 电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，主电路目前均采用 p w m 变流器。 图3 1 并联型有源电力滤波器系统构成 作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，因此，有 的文献中将其称为逆变器。但它并不仅仪是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力 滤波器直流侧贮能元件充电时，它就作为整流器而工作。也就是说，它既t 作于逆变 状态也_ 【作于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。 图3 1 所示有源电力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 令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出 补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电 源电流。 沈阳上业大学硕十学位论文 例如，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z ，的谐波分量“，将其反极性后作为补偿电流的指令信号i ：，由补偿电流发生电路 产生的补偿电流i 。即与负载电流中的谐波分最大小相等、方向相反，凼而两者相互抵 消，使得电源电流i 。中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目 的。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿 电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流 与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分最。 3 3 有源电力滤波器的分类 有 源 电 力 滤 波 器 交流a p f 直流a p f 串联型a p f 并联型a p f 节器 单独使用方式 串联混台方式 单独使用方式 并联混合方式 注入回路方式 图3 2 有源电力滤波器的分类 与l c 并联 与l 上串联 串联谐振方式 并联谐振方式 图3 2 给出了有源电力滤波器的分类，图中a p f 为有源电力滤波器的英文缩写。 用，、使用的电源类型包括直流电源和交流电源两类，故有源电力滤波器按供电的类型可 分为交流有源电力滤波器和直流有源电力滤波器。从与负载联接形式的角度可分为并联 1 2 沈阳上业火学硕士学位论文 型有源电力滤波器和串联犁有源电力滤波器两大类。目前，有源电力滤波器的研究主要 集中存交流有源电力滤波器，直流有源电力滤波器的研究也存逐步开展，典型的研究之 一是在直流输电系统中的应用。 ( a ) 串联型有源电力滤波器( b ) 并联型有源电力滤波器 ( c ) 串联混合型有源电力滤波器( d ) 并联混合型有源电力滤波器 ( e ) 统一电能质景调节器( f ) 直流输电用有源电力滤波器 图3 3 不同形式有源电力滤波器与负载之间的连接原理图 图3 3 给出了有源电力滤波器与供电系统和负载之间连接的原理示意图。 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 3 4 有源电力滤波器的应用情况 有源电力滤波器技术在日本已经成熟，其产品开始进入实用化阶段 1 7 1 从1 9 8 3 年到1 9 9 5 年，共有4 5 5 套有源电力滤波器投入实际使用。下面就几个方面给出一些基 本情况。 1 、生产台数和容量 从1 9 9 1 年到1 9 9 5 年累计生产3 5 5 台，与1 9 8 3 年到1 9 9 1 年约7 年间共生产了近 1 0 0 台相比，产量有了大幅度上升，图4 给出了生产台数与容量的基本情况图示。从图 中可以看出，2 0 0 k v a 以卜i 的占7 0 左右，超过1 0 0 0 k v a 的约为7 。实际上，近l 2 年5 0 k v a 以下的台数增加显著，也反映r 对谐波抑制重要性的认识在提高。 图3 41 9 9 1 1 9 9 5 年出厂的台数和容量的比率 2 、j 丑途 图3 5 给出了有源电力滤波器在实际中不i 司行业的使用情况，使用在供水和污水处 理设备中的约占4 0 ，建筑约占1 7 。 1 4 沈阳丁业大学硕士学位论文 图3 s1 9 9 1 1 9 9 5 年不同行业使用的台数比率 3 、使用的类型 从实际投入的殴备来看，有源电力滤波器与负载连接的大多将并联型作为一种标准 方式，主电路多为电压趔，在生产出的3 5 5 台设备中，仅有4 台与负载的连接为串联型 或串联混合型。在有源电力滤波器实用化初期所选用的电流型主回路基本上未再采用。 4 、谐波的检测方法 谐波的检测方法可以有负载电流检测、电源电流检测、电源电压检测等检测方法， 在这些方法中，用负载电流的检测方法与用电源电流的检测方法之比为1 0 ：1 。从这5 年的情况变化可以看出，今后，负载电流的检测方法为主要使用方法，同时，应用电压 检测方法的比例也有所增加，设置检测电压的目的在于补偿闪变。 5 、其它控制功能 有源电力滤波器除补偿谐波电流外，还可补偿基波无功功率、平衡三相电压、抑制 电压闪变等功能，在这3 5 5 台设备中有7 6 台( 2 1 ) 附有补偿基波无功功率的功能。 6 、与l c 无源滤波器混合使用情况 从有源电力滤波器的本身工作原理来看，它完全可以补偿低次谐波，但由于使刚 l c 滤波器可以使有源部分的容量大大减小。所以，采用混合使用方式的实例逐步增 加。 7 、使用器件 一1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 人部分中小容量的有源电力滤波器中，主回路采用的器件基本为i g b t ，只有当容 量达到m w 级的大容量装置才使用g t o 。 3 5 有源电力滤波器的特点 基于电力电子技术发展而出现的有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波，补偿 无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率及变化的无功进行补偿，其应用可克服l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，其特点如卜_ ： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补 偿，对补偿对象的变化有极快的响应。 ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调 节。 ( 3 ) 补偿无功功率时不需贮能元件，补偿谐波时所需贮能元件容量也不大。 ( 4 ) 即使补偿对象的负载电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常 发挥补偿作用。 ( 5 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 7 ) 即可对某一谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 4 人工神经网络 4 1 人工神经元模型 神经网络是对人脑神经系统的数学模拟，其日的是学习和模仿人脑的信号处理方 式。人们对神经系统的研究已有了很长时间，早在1 9 世纪末，人们就开始认识到，人 脑包含着数鼍大约在l o m 1 0 坦之间的神经元，这些神经元存在着复杂的联接，并形成一 个牾体，使得人脑具有各种智能行为。尽管在外观形状上这些神经元各不相同，然而它 们都是由i 个区组成：细胞体、树突、轴突。一般的神经7 亡有多个树突，它们起感受作 j 玑即接受外部来的信息。轴突只有一条，与树突相比显得长而细，用于传递和输出信 息。神经元之间通过突触联系，突触是一个神经元轴突的末梢与另一个神经元的细胞体 或树突相接触的地方，每个神经元大约有1 0 3 1 0 4 个突触，换句话说每个神经元大约与 1 0 3 1 0 4 个其它神经元有连接，正是因为这些突触才使得全部大脑的神经元形成一个复杂 的网络结构，依据这种理论，我们可以画出神经元的等效模型。 输 入 圈4 1 人脑神经系统工作原理图 输 出 从图4 1 可以看出人脑神经系统的工作原理：外部刺激信号或上级神经元信号合成 后有树突传给神经元细胞体处理，最后由突触输出给下级神经元或作输出响应。 每个神经细胞用细胞膜和外部隔开，细胞内部和外部具有不同的电位，通常内部的 电位比外部低，把外部电位为零时的内部电位叫膜电位。把没有输入信号的膜电位叫做 静i l 膜电位，大约7 0 m v 。输入信号一达到神经细胞，将影响膜电位的变化，当膜电位 比静1 卜膜电位高山1 5 m v 左右时，这个神经细胞的活性就被激发，此时，神经细胞内部 的电位自发地急剧变高。其后膜电位急剧下降返回原值，这个过程称为神经细胞的兴 奋。兴奋的结果产生高度为l o o m v ，宽为l m s 的电脉冲，这个脉冲通过轴突传给其他 一1 7 一 沈阳工业大学硕士学位论文 神经细胞，实现信息的传递过程。然而，当膜电位上升只要不超过1 5 m v 高的闽值，神 经细胞就不会兴奋，轴突也不会输出任何信号。 基于神经细胞的这种理论知识，自1 9 4 3 年m c c u l l o e h 和p i t t s 提出的第一个神经元 模犁以来，人们相继提出了多种人工神经元模型，其中被人们广泛接受并普遍应用的是 图4 2 所示的模型。 图中的，一，j 。为连续变量，是神经元的输入，曰称为阈值，w 。，w l ，w 。 是本神经元与上级神经元的连接权值。 图4 2 人工神经元模型。 神经元对输入信号的处理包括两个过程：第一个过程中对输入信号求加权和，然后 减去阈值变量0 ，得到神经元的净输入s ，即 s = w 。 一口 似1 ) 从e 式可以看出，连接权大于0 的输入对求和起着增强作用，因而这种连接又称为 兴奋连接，相反，连接权小于0 的连接称为抑制连接。 第二个过程是对净输入s 进行函数运算，求出神经元的输出y ，即y = ，( s ) 。厂( ) 通常被称为变换函数( 或特征函数) ，简单的变换函数有以下几种。 1 、阈值型 f 为阶跃函数 2 、线性犁 邝，= e 谶 一1 8 ( 4 2 ) 沈阳t 业大学硕士学位论文 f ( s 1 = s f ( s ) = 口占+ b 1l - t s 2 2 fs 【0s l 4 、s i g m o i d 函数( s 函数) ( 4 3 ) f 4 4 ) ，( s ) = i 百而f 1 万了丽 其中：c 为常数 ( 4 5 ) 存实际的神经网络中，a 常取值为1 。这类曲线反映r 神经元的饱和特性。由于 其函数连续可导，调节曲线的参数可以得到类似阈值函数的功能，因而被广泛应用于神 经元的输出特性中。 4 2 工神经网络的连接形式 人脑中大最的神经细胞都不是孤立的而是通过突触形式相互联系着构成结构与功能 十分复杂的神经网络系统。神经网络的结构主要是指它的连接方式，神经网络按照拓扑 结构属于以神经兀为节点，以及节点问有向连接为边的一种图，其结构大体上可分为层 状和网状两大类。层状结构的神经网络是由若干层组成，每层中有一定数量的神经元， 相邻层中神经元单向连接，同层内的神经元不能联结；网状结构的神经网络中任何两个 神经元之问都可能双向连接，神经元之间的连接有如下几种形式： 1 、前向网络 如图4 3 所示，神经元分层排列，分别组成输入层、中间层( 也称为隐含层，可以 有若干层) 和输出层。每一层的神经元只接受来自前一层神经元的输出，后面的层对前 面的层没有信号反馈，输入模式经过各层次的顺序传输最后在输出层得到输出，感知器 和误差反向传播所采用的网络均属于前向网络类型。 1 9 沈阳工h k 大学硕士学位论文 圈4 3 前向网络 2 、有反馈的前向网络 如图4 4 所示，从输出层到输入层有信息反馈，这种网络可以用来存储某些模式序 列，如神经认知机即属此类。 3 、相互结合型网络 图4 4 反馈前向网络图4 5 结合型网络 如图4 5 所示，这种网络是在任意两个神经元之间都可能有连接。h o p f i e l d 网络和 b o l t z m a n n 机均属十这种类型。在无反馈的前向网络中，消耗一e l 通过某个神经元，过 程就结束r 。而在相互结合网络中，信号要在神经元之间反复传递，网络处于一种小断 改变状态的动态之中。从某初始状态开始，经过若下次的变化，才会达到某种平衡状 态。根据网络的结构和神经元的特性，网络的运行还有可能进入周期振荡或混沌等平衡 状态。 2 0 一 沈阳t 业大学硕士学位沦文 4 3 神经网络的学习和训练 1 人脑一个神经元收到兴奋输入，而兴奋输入又比神经元的抑制输入足够大时，神 经元把电活性脉冲向f 传到它的轴突，改变轴突的有效性，从而使一个神经元对另一个 神经元的影响改变，便发生了学习的行为。因此，神经网络学习的本质特征在于神经细 胞特殊的突触结构所具有的可塑性连接，而如何调整连接权值就构成了不吲的学习算 法。神经网络按学习方式分为有教师学习和无教师学习。 1 、教师学习 有教师学习就是从应用环境中选出一些样本数据，通过不断地调整权值矩阵，直到 得到合适的输入输出关系为止，这个过程就是对神经元网络的训练过程，这种训练的过 程需