一种改进的自适应原理谐波检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种改进的自适应原理谐波检测方法，属于电力电子技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，非线性用电设备在电网中大量投运，电力系统中谐波含量 越来越严重，甚至威胁到电网的安全运行。现如今治理电网谐波主要采用无源电力滤波器 化C)和有源电力滤波器（AP巧。有源电力滤波器因为能补偿各次谐波，并且能够对频率和 幅值都变化的谐波实现动态补偿W及能够克服LC滤波器固有的谐振问题得到了广泛的应 用。有源电力滤波器的基本性能取决于提取谐波指令电流的方法，产生补偿谐波电流的控 制方法，W及整个系统的动态特性运Ξ个方面。
[0003] 基于自适应噪声抵消技术的自适应谐波检测方法由于能够准确实时的提取谐波， 并且具有零点深，误差小等优点，得到了越来越广泛的重视。自适应谐波检测方法的参考输 入是两个正交信号，目前的文献一般都是W电网电压同相位的标准正弦信号，W及经过900 移相后得到的余弦信号作为参考输入。但是运种方法需使用一个锁相环模块，不仅会降低 谐波检测的实时性，也会延长自适应算法收敛的时间。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了一种改进的自适 应原理谐波检测方法。
[0005] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0006] -种改进的自适应原理谐波检测方法，具体包括如下步骤：
[0007] 步骤1，将Ξ相负载电流ib、i…经Clark坐标变换得到的正交信号U。、;
[0008]步骤2, 、iw经数字低通滤波器滤波后作为自适应谐波检测方法的输入X1(η)、 又2(。）；
[000引步骤3，(η)、Χ2(η)经自适应算法得到y(η);
[0010] 步骤4,负载电流1^11)减去y(n)得到谐波指令电流e(n);
[0011] 所述步骤1中的Clark坐标变换为：
[0012]
(1)
[0013] 所述步骤2中的数字低通滤波器为Ξ阶数字低通滤波器。
[0014] 本发明采用上述技术方案，具有W下有益效果：省略锁相环环节，提高动态响应速 度，改善滤波精度，增强抗干扰能力。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明自适应谐波检测方法原理图。
[0016] 图2为本发明二阶自适应谐波检测原理图。
[0017] 图3为本发明ButterworthΞ阶LPF频率响应图。
[001引图4为本发明LMS自适应算法的流程图。
[0019] 图5为本发明补偿前A相电网电流波形。
[0020] 图6为本发明补偿后A相电网电流波形。
[0021] 图7为本发明改进算法检测到的基波电流波形。
[0022] 图8为本发明改进算法检测到的谐波电流波形。
[0023] 图9为本发明改进算法输入信号(η)。
[0024] 图10为本发明改进前检测到的基波电流波形。
[0025] 图11为本发明改进前检测到的谐波电流波形。
[0026] 图12为本发明基于LMS算法的改进谐波检测法控制框图。
[0027] 图13为本发明实验中APF投入前电网电压与电流波形。
[0028] 图14为本发明实验中改进算法后检测的谐波波形。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
[0030] 如图1所示，η(η)是负载电流的基波成分，S(n)是负载电流的谐波成分。χ(η)是 与电网电压同相位的标准正弦信号，e(n)是期望的谐波指令电流。其基本原理如下：
[0031] e2 (η) =s2 (η) +[η(η)-y(η) ] 2
[003引 +2s(η)[η(η)-y(η)] 似
[0033]
[0034] e(n) =s(η) +[η(η)-y(η)] 做输出误差的平方为：
[0035] e2 (η) =s2 (η) +[η(η)-y(η) ] 2
[003引 +2s(η)[η(η)-y(η) ] (4)
[0037]
[003引运里S(η)和y(η)，η(η)不相关，所W有：
[0039] Ε[e2 (η) ] =Ε[s2 (η) ]+Ε{[η(η)-y(η) ] 2}
[0040] +Ε{2s(η)[η(η)-y(η) ]}
[0041] =E[s2(n)]W{[n(n)-y(n)]2}
[0042] 采用最小均方法化eastMeanSquare,LM巧，调节自适应滤波器的参数使 E[e2(n)] =Emm[e2(n)]时，有：
[0043] E{[η(η) -;y(n) ] 2 =Emin{[η(η)-y(η) ] 2 (5)
[0044] 此时，y(η)与η(η)差值最小，即自适应滤波器实现了对基波电流很好的估计和跟 踪。
[0045] W应用最为广泛的自适应算法之一，最小均方法为例，最小均方LMS法基于最睹 下降法，在迭代过程中根据期望信号和输出信号之间误差的均方值的梯度向量不断更新权 值系数，W满足均方误差最小。自适应滤波器中，根据最小均方差准则，最佳的权值W应该 使得自适应滤波器性能函数：
[0046] f(w) =ξ=Ε{e^ (η)}巧）
[0047] 为最小。上式称为均方误差性能函数，其图像是一个开口向上的抛物面。应用最睹 下降法寻找超抛物面上最优权向量时，首先要确定函数图像上某点作为起点，假设是w(0)， 然后减去一个沿其梯度方向的向量得到第二个点W(1)。W后依次按此方法进行迭代，逐步 捜寻到均方误差性能函数图像上的最低点，该处对应的W就是最优解，此时自适应滤波器 工作在最佳状态。
[0048] LMS自适应算法的迭代公式如下：
[0049] e(η) =d(η)-y(η) =d(η)-χτ(η)W(η) (7)
[0050] W(n+1) =W(n) +μe(η)Χ(η) (8)
[005。 运里，Χ(η)表示输入信号矢量，W(n)表示权值系数向量，μ代表步长因子μ对LMS算法的收敛过程影响很大，μ必须足够小，W保证收敛。在保证收敛的情况下，μ越大 收敛越快，但μ太大时，过渡的过程将会振动。一般的，μ需要满足的条件如下：
[0052] (9)
[005引其中，Am。洁Χ(η)自相关矩阵的最大特征值。
[0054] 适应谐波检测方法要求，输入参考信号要与基波相关，与谐波不相关。为了得到满 足条件的输入信号，传统算法一般都是通过锁相环获得电网电压相位，构造一组与电网电 压同相位的正余弦信号。但是锁相环内部结构复杂，运算量大，并且要用到积分控制器，运 样就会增加谐波检测时间，降低APF的动态响应。如图2所示的二阶自适应滤波器的输入 信号是两个正交信号Χι(η)和Χ2(η)，Χι(η)是与锁相环得到的与电网电压同相位的标准正 弦信号，传统算法中X2(n)是Χι(η)经过90°相移后得到的标准余弦信号。和W2分别代 表参考输入信号Χι(η)和X2(η)的权值。
[0055] 本发明直接将Ξ相负载电流ik经Clark坐标变换得到的正交信号U。、 如式（10)所示，正交信号U。、iw经数字低通滤波器滤波后作为自适应谐波检测方法 的输入，如图2所示。
[0056]
(10)
[0057] Ξ相对称电路中，负载电流中只含有化±1次谐波，本文选择Ξ阶Butterworth 低通滤波器，截止频率为lOOHz，从而保证谐波检测方法的输出信号中只含有基波。 ButterworthΞ阶低通滤波器频率响应图如图3所示。
[0058] 为了验证改进的自适应谐波检测方法有效性，本文搭建了MTLAB/Simulink模型 并进行离散化仿真，其程序实现如图5所示。仿真参数设置及结果如下：
[0059] 表1基于LMS算法的改进谐波检测法仿真参数
[0060]
[0061] 补偿前后A相电网电流的波形分别如图6和图7所示，0. 2秒时负载突变，经过有 源电力滤波器补偿，电网电流在不到一个周期的时间已经接近正弦，0. 2s之前电流崎变率 为1.92%，负载突变后电流崎变率为3. 85%。
[0062] 图8是改进的自适应谐波检测方法对应的输出基波电流波形，图9是改进的自适 应谐波检测方法对应的输出谐波电流波形。图10是改进算法对应的输入信号之一Χι(η)。 从图中可W看出，0. 2s时负载突变，此时自适应滤波器检测到的在一个周期左右的时间就 开始趋于稳定。
[0063] 为了比较改进算法前后谐波检测的瞬态响应速度，在保证其他参数不变的情况 下，参考信号x(n)和xg。。（η)由电网电压经过锁相环得到。从结果可W看出，没有改进谐 波检测方法之前，输出的基波电流在两个基波周期W上才趋于稳定如图11和12所示。
[0064] 本发明利用现有的实验平台对改进算法的有效性进行了实验验证。
[00财表2实验参数
[0066]
[0067] 本发明W基于LMS算法的自适应谐波检测方法为例，分别阐述了其基本原理W及 编程实现过程。对自适应谐波检测方法进行了改进，通过仿真结果可W看出经过改进W后 的方法明显提高了谐波检测的动态响应速度，最后的实验结果也验证了运种改进算法的有 效性。
[0068] 最后，还需注意的是，W上实施方式仅用于说明本发明，并非对本发明的限制。本 发明说明书中未作详细说明描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种改进的自适应原理谐波检测方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1，将Ξ相负载电流i^、in、ik经Clark坐标变换得到的正交信号U。、iw; 步骤2,i^、经数字低通滤波器滤波后作为自适应谐波检测方法的输入xi(η)、 又2(。）； 步骤3,Xi(η)、Χ2(η)经自适应算法得到y(η); 步骤4,负载电流i^n)减去y(η)得到谐波指令电流e(η)。2. 根据权利要求1所述的一种改进的自适应原理谐波检测方法，其特征在于，所述的 步骤1中的Clark坐标变换为：(1)。3. 根据权利要求1所述的一种改进的自适应原理谐波检测方法，其特征在于，所述的 步骤2中的数字低通滤波器为Ξ阶数字低通滤波器。
【专利摘要】本发明公开了一种改进的自适应原理谐波检测方法，采用此发明的有源电力滤波器由采样电路、谐波电流检测、控制算法实现、触发脉冲形成与保护、IGBT驱动电路以及主电路组成。本发明将三相负载电流ia、ib、ic经Clark坐标变换得到的正交信号iα、iβ；正交信号iα、iβ经低通滤波器滤波后作为自适应谐波检测方法的输入x1(n)、x2(n)；x1(n)、x2(n)经自适应算法得到y(n)；负载电流iL(n)减去y(n)得到谐波指令电流e(n)；将e(n)反馈到输入端，与输入信号经自适应算法得到新的y(n)。而传统的自适应谐波检测方法都是通过，锁相环锁出电网相位来构造两个输入x1(n)、x2(n)，本发明可获得较好的谐波检测的动态响应速度，同时改善了滤波的精度，增强系统的抗干扰能力。
【IPC分类】G01R23/167
【公开号】CN105403771
【申请号】CN201510587588
【发明人】张晓 , 张辉, 呼小亮, 张传金
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年9月15日