研究報告加參考文獻

1、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測方法研究報告摘耍諧波抑制是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、自動化技術(shù)、理論電工等領(lǐng)域的 重大課題。由于電力電子裝置的應(yīng)用h益廣泛，使得諧波和無功問題引起人們越 來越大的關(guān)注。同時，也由于電力電了技術(shù)的飛速進步，在諧波抑制方面也取得 了一些突破性的進展。本文首先介紹諧波的研究歷史和現(xiàn)狀，并扼耍敘述諧波抑 制的主要手段，然后介紹編寫本書的基本指導(dǎo)思想和各章主要內(nèi)容。關(guān)鍵字：諧波抑制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1諧波問題及研究現(xiàn)狀“諧波” 一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已經(jīng)萸 定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)50年

2、代和60年代就引起了人們的注意。 當(dāng)時在徳國由于使用汞弧靜止變流器而造成了電壓電流波形的畸變。1945年j. c. read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。到了 50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器 引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。e. w. kimbark在其著作中對此進行了總結(jié)。 70年代以來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，齊種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、 工業(yè)、交通及家庭屮的應(yīng)用fi益廣泛，諧波所造成的危害也h趨嚴(yán)重世界 各國都對諧波問題予以充分的關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議, 不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制屯力系統(tǒng)諧波和

3、用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和 規(guī)定。我國對諧波問題的研究起步較晚。吳竟昌等人1988年岀版的電力系統(tǒng)諧 波一帖是我國有關(guān)諧波問題較有影響的著作。夏道止等1994年出版的高壓 直流輸電系統(tǒng)的諧波分析及濾波是近年出版的代表性著作。此外，唐統(tǒng)一等人 和容健綱等人分別獨立翻譯了 j. arrillaga等的電力系統(tǒng)諧波一書，也在 國內(nèi)有較大的影響。諧波研究的意義首先是因為諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸 和利用的效率降低，使電氣裝備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽 命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振， 使諧波含量放犬，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電

4、保護和自動裝置誤 動作，使電能計量岀現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會 產(chǎn)生嚴(yán)重干擾c諧波研究的意義還在于其對電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。電力電子技術(shù)是 未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要支柱。有人預(yù)言電力電了連同運動控制將和計算機技術(shù) 一起成為21世紀(jì)最重耍的兩大技術(shù)。然而，屯力屯子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已 成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對 諧波問題進行更為有效的研究。諧波研究的意義更可以上升到治理環(huán)境污染、維護綠色環(huán)境的角度來認識。 對電力系統(tǒng)這個環(huán)境來說，無諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志z-o在電力電了技 術(shù)領(lǐng)域，要求實施“綠色電力電子”的呼聲也日益

5、高漲。目前，對地球環(huán)境的保 護己成為全人類的共識。對電力系統(tǒng)諧波污染的治理也已成為電工科學(xué)技術(shù)界所 必須解決的問題。有關(guān)諧波問題的研究可以劃分為以下四個方面：1) 與諧波有關(guān)的功率定義和功率理論的研究；2) 諧波分析以及諧波影響和危害的分析；3) 諧波的補償和抑制；4) 與諧波有關(guān)的測量問題和限制諧波標(biāo)準(zhǔn)的研究。當(dāng)電壓或電流中含有諧波時，如何定義各種功率是一個至今尚未得到圓滿解 決的問題。如何使定義科學(xué)嚴(yán)謹，又能滿足各種工程和管理需要，還有許多問題 需要研究。諧波分析包括諧波源分析和電力系統(tǒng)諧波分析。在電力電子裝置普及以前， 變壓器是主要的諧波源。目前變壓器諧波已退居很次要的地位，各種電力電了

6、裝 置成為最主要的諧波源。在電力屯子裝置的諧波分析中，對屯容濾波整流屯路等 的研究還不充分。電力系統(tǒng)的諧波分析是以電力系統(tǒng)為對彖，當(dāng)系統(tǒng)屮有一個或多個諧波源時, 計算和分析系統(tǒng)屮各處的諧波電壓和諧波電流的分布情況。高壓直流輸電工程的 建立及靜止無功補償器(static var compensator,縮寫為svc)的應(yīng)用有力地 推動了這方面研究的進展，我國學(xué)者夏道止在這一 領(lǐng)域的研究在國際上產(chǎn)生了廣 泛的影響。其研究的主耍特點是把交宜流屯力系統(tǒng)一宜作為一個整體統(tǒng)一求 解，使得分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。目前這一領(lǐng)域還有一些問題有待進一步研究解決。 例如，當(dāng)系統(tǒng)的諧波源為時變或同時存在多個諧波源時，如何進

7、行建模和分析； 如何計算或估計負荷及系統(tǒng)的等值諧波阻抗；如何對待背景諧波等。在諧波危害及影響的分析方面有關(guān)文獻已很多。但隨著諧波源種類和分布的 變化，又有新的問題不斷出現(xiàn)。電力系統(tǒng)中諧波的實際測量結(jié)果是諧波問題研究的主要依據(jù)，也常常是研究 分析問題的出發(fā)點。由于電子技術(shù)，特別是數(shù)字電子技術(shù)的進步，已有許多儀器 能對諧波進行連續(xù)的測量，提供必要的信息。但如何合理地選擇采樣時間、測量 間隔及測量位置，如何處理波形瞬態(tài)畸變和閃變等問題還需要深入研究。在有諧波吋各種電量的測量中，以功率和電能的測量最為重要。這項工作除 與諧波標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)外，更和存在諧波時功率的分類和定義直接相關(guān)。數(shù)字采樣測量 技術(shù)的發(fā)展正

8、在突破以前存在的各種技術(shù)限制，但因為缺少統(tǒng)一的功率分解和定 義，這一問題尚未得到合理的解決。制定限制諧波的標(biāo)準(zhǔn)是解決電力系統(tǒng)諧波危害和影響的重要措施。世界上許 多國家都已制定了限制諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)或全國性規(guī)定。我國也先后于1984年和 1993年分別制定了限制諧波的規(guī)定和國家標(biāo)準(zhǔn)。在國際上，各個國際組織如國 際電氣電子工程師協(xié)會(ieee)、國際電工委員會(iec)和國際大電網(wǎng)國際會 議(c1gre)也紛紛推出了各口建議的諧波標(biāo)準(zhǔn)。其中較右影響的是ieee519-1992 和 iec555-2o近年來，國際上有關(guān)諧波的研究十分活躍，每年都有大量的論文發(fā)表。這一 方面說明了這一研究的重要性，另一方

9、面也預(yù)示著這一領(lǐng)域的研究將取得重大突 破。2諧波抑制為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條。一條 是裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的。另一條是對電力 電了裝置木身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1,這當(dāng)然只適 用于作為主耍諧波源的電力電子裝置。裝設(shè)諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用lc調(diào)諧濾波器。這種方法結(jié)構(gòu)簡單， 一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響, 易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振導(dǎo)致諧波放大，使lc濾波器過載甚至燒毀。此外，它只 能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。盡管如此，lc濾波器當(dāng)前仍是 補償諧波的最主要

10、手段。目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用電力有源濾波器(active power filter,縮寫為apf)。電力有源濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是 從補償對象屮檢測岀諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極 性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值 都變化的諧波進行跟蹤補償，冃補償特性不受屯網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的 重視，并口己在口本等國獲得廣泛應(yīng)用78o電力有源濾波器的基本思想在六、七十年代就己經(jīng)形成。80年代以來，由于 大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟,pwm (pulse width modulation)控制技術(shù) 的進步，以及基

11、于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，電力有源 濾波器才得以迅速發(fā)展。電力有源濾波器的變流電路可分為電壓型和電流型，目前實際應(yīng)用的裝置中 90%以上是電壓型。從與補償對象的連接方式來看，又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型， 口前運行的裝置幾乎都是并聯(lián)型。上述類型都可以單獨使用，也可以和lc濾波 器混合使用。對于作為主要諧波源的電力電了裝置來講，除了采用補償裝置對其諧波進行 補償外，還有一條抑制諧波的途徑，就是開發(fā)新型變流器，使其不產(chǎn)生諧波且功 率i大i數(shù)為lo這種變流器被稱為單位功率i大i數(shù)變流器(unity power factor converter)。高功率因數(shù)變流器可挖看成單位功率因數(shù)變

12、流器。大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)，即將多個方波疊加以 消除次數(shù)較低的諧波，從而得到接近止弦波的階梯波。重數(shù)越多，波形越接近正 弦，當(dāng)然電路結(jié)構(gòu)也越復(fù)朵。因此這種方法一般只用于人容量場合。多重化技術(shù) 如果能與pwm技術(shù)相配合，可取得更為理想的結(jié)果。從幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數(shù)整流器主要采用pwm整流技術(shù)。迄今為止, 對pwm逆變器的研究已經(jīng)很充分，但對pwm整流器的研究則較少。對于電流型 pwm整流器，可以直接對各開關(guān)器件進行止弦pwm調(diào)制，使得輸入電流接近正弦 且和屯源屯壓同相位。這樣，輸入電流中就只含與開關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波，這 些諧波頻率很高i大i而容易濾除。同時，也

13、得到接近1的功率i大i數(shù)。對于電壓型 pw'm整流器，需要通過電抗器與電源相連。其控制方法有直接電流控制和間接電 流控制兩種。直接電流控制就是設(shè)法得到與電源電壓同相位、由負載電流大小決 定其幅值的電流指令信號，并據(jù)此信號對pwm整流器進行電流跟蹤控制。間接電 流控制就是控制整流器的入端屯壓，使其為接近正弦的pwm波形，并和電源電壓 保持合適的相位，從而使流過電抗器的輸入電流波形為與電源電壓同相位的正弦 波。pwm整流器配合pwm逆變器可構(gòu)成理想的四象限交流調(diào)速用變流器，即xz pwm 變流器。這種變流器不但輸出電壓電流均為止弦波，輸入電流也為止弦波，且功 率因數(shù)為1,還可實現(xiàn)能量的雙向

14、傳送，代表了這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向。小容量整流器為了實現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)，通常采用二極管加pwm斬波的方式。這種電路通常稱為pfc (power factor corrector)電路，已在開關(guān)電源 中獲得了廣泛的應(yīng)用。因為辦公和家用屯器中使用的開關(guān)電源數(shù)量極其龐大，因 此這種方式必將對諧波污染的治理作出巨大貢獻。3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測方法3. 1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡介人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進行信息處理的 數(shù)學(xué)模型。在工程與學(xué)術(shù)界也常直接簡稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是 一種運算模型，由大量的節(jié)點(或稱神經(jīng)元)之間相互聯(lián)接構(gòu)成。每個節(jié)點代表 一種特定的輸出函數(shù)，稱為激勵函數(shù)(

15、activation function)。每兩個節(jié)點間 的連接都代表一個對于通過該連接信號的加權(quán)值，稱之為權(quán)重，這相當(dāng)于人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶。網(wǎng)絡(luò)的輸出則依網(wǎng)絡(luò)的連接方式，權(quán)重值和激勵函數(shù)的不同而不 同。而網(wǎng)絡(luò)自身通常都是對自然界某種算法或者函數(shù)的逼近，也可能是對-種邏 輯策略的表達。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)具有許多優(yōu)點，對它的研究日益廣泛和深入。但口前 對ann的研究大多通過計算機軟件編程的方式來仿真。相對于ann的軟件仿真研 究來說，ann硬件實現(xiàn)的研究還是一個比較薄弱的環(huán)節(jié)，從而限制了 ann的應(yīng)用 范圍，沒有充分體現(xiàn)ann的特點和使用價值。人量的研究成果表明，實際生物神 經(jīng)系統(tǒng)并非離散的

16、工作方式，與數(shù)字邏輯電路的工作狀態(tài)有很大區(qū)別。因此用連 續(xù)工作的模擬(硬件)電路來實現(xiàn)ann,則與生物神經(jīng)系統(tǒng)更為接近，且模擬電 路結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快。目前已有多種采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波方法提出，這里介紹一種hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。反饋網(wǎng)絡(luò)，又稱子聯(lián)想記憶網(wǎng)絡(luò)，其目的是為了設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)，存儲一組平 衡點，使得當(dāng)給網(wǎng)絡(luò)一組初始值時網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通過自動運行而最終收斂到所存儲 的平衡點上。1982年，美國加州工學(xué)院物理學(xué)家hopfield提出了一種具有和互聯(lián)接的反 饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，他將“計算能量函數(shù)”的概念引入到對稱hopfield網(wǎng) 絡(luò)的研究中，給出了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性判據(jù)，并用來求解約束化問

17、題。另外，他利用 多元hnn的多吸收子及其吸引域，實現(xiàn)了信息的聯(lián)想記憶功能3。hopfield網(wǎng)絡(luò)是單層全對稱全反饋網(wǎng)絡(luò)，由于其中的每個神經(jīng)元的輸出都是 神經(jīng)元的輸入相連的。所以其輸入層神經(jīng)元數(shù)目與輸出層神經(jīng)元的數(shù)目是和等的。 另外，hopfield網(wǎng)絡(luò)其突觸連接矩陣對稱。3.2基于ilopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測通常情況下，非線性負載電路屮的負載電流可以寫nx(t)=工 xt sin(/w/ + oz)3-1式中，力和分別為第/次諧波的幅值和相角(匸1為基波)，為基波角 頻率。周期函數(shù)可以展開成一個三角級數(shù)的形式，因此，式31可以表示成：3-2nx(t)= x (4 sin iwt

18、+ cos/w/)&1,3,式中,armcos i，bt-xisin 1。則各次諧波的幅值和和角用川和何可以表示成3-3x嚴(yán)護k/ = arctan(5z / )諧波檢測裝置對負載電流進行采樣，采樣時間均勻分布，設(shè)采樣時間得到個采樣值dk(k=,2,.,n),而由諧波檢測電流相應(yīng)確定的時刻的諧波為x(tk),nx(tk)= 工(a, sin lwtk + b cos lwtk)。/=1,3,諧波測量要求準(zhǔn)確性和實時性，在這里表現(xiàn)為xs)無限接近必，而且要求諧 波檢測電路能夠迅速對采樣數(shù)據(jù)進行處理得到各次諧波參數(shù)。在木文中，就是要 利用hopfiled神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，建立目標(biāo)函數(shù)，利用

19、hopfiled能量函數(shù)對目 標(biāo)化桜樹進行優(yōu)化計算，使得x(g與dk的差值最小。基于hopfiled網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測主要采用以下步驟：(1) 建立目標(biāo)函數(shù)；(2) 利用hopfiled能量函數(shù)對目標(biāo)函數(shù)進行處理；(3) 利用hopfiled神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化運算。對于目標(biāo)函數(shù)，一般總?cè)∑谕蹬c實際值之間的差值的平方或絕對值的標(biāo)量 函數(shù)。在諧波檢測小，諧波電流的期望值為 畑,諧波電流的采樣值為加, 因此，建立目標(biāo)函數(shù)：負=0.5也)叮 23-4或?qū)懗扇呛瘮?shù)的形式：§ = 0.5 工(4 sin iwt* + b, cos lwtk) - dk3-5i3,利用hopfiled能

20、量函數(shù)對目標(biāo)函數(shù)進行處理。耍使兀(*)與力的差值最小， 即廿標(biāo)函數(shù)最小。因此，要給出能量函數(shù)：e詁。由于hopfiled能量函數(shù)e單調(diào)遞減，當(dāng)且僅當(dāng)不=0時，能量函數(shù)e達到 最小，且此吋系統(tǒng)達到穩(wěn)定點。3-63-73-8分析式35,因為co是已知的，而也是確定的，i大i此cos血*和sin/e*成 為未知量川和0的系數(shù)。定義向量：x* = 4，力3''力5 'a” 9 bn tyk = sin cotk, cos cotk. sin 3a). cos 3敗,sin ncotk. cos n(vtk 則式3-5可以表示成:生=05占yk-d因此，目標(biāo)函數(shù)燈是向量怎的函數(shù)，

21、將手0的條件轉(zhuǎn)化為對狀態(tài)或輸入 向量求導(dǎo)的條件：dt dxk式中，k為積分常數(shù)。由式36，ob、' 処db.，由式35如8bna上- = 0.5 工(a. sin jwtk + b. cos jwtk)一dk sin(/w/) oaf螢= 0.5 db,將式36、310、311代入式39中，得:daf _dtyi (£ sin jwtk + bj cos jwtk) 一 dk cos(/w)7=1,3, n工(a/ sin jwtk + bj cos jwtk) 一 dk sin(/iv/a )7=1,3-則 4=_kj 為(笛 sin jwtk + b. cos jwtk)

22、 - dk sin(/w/) dt戶13,同理可以得到b嚴(yán)_k| 工(& sin jwtk + b. cos jwtk) 一 dk cos(/vv/a,) dt丿t3.由式315、316就可以建立諧波電流檢測模型了，如圖31所示。3-93-103-113-123-133-143-154圖3-1基于hnn的諧波檢測電路模型由hopfield能量函數(shù)理論可以知道，當(dāng)圖3-1所示的諧波電流檢測模型達 到穩(wěn)定吋，所對應(yīng)的能量函數(shù)，即式3-6達到最小。由式3-5可知，此時兀©) 無限接近加，達到了諧波檢測的目的。同吋將該模型此吋的輸出矢量 xk=a!j3,535,5, - /in,nt

23、代入式33中，就可以得到基波和各次諧波的幅 值和相角。因此，該諧波檢測電路模型工作流程為：力/和§的估值過程為取定一個積分 常數(shù)k,給川和bi (/=1,3,n)取初始值。取時刻的采樣值/進行迭代計算。 重復(fù)上述過程，到外/和崗得到穩(wěn)定值。rtl/1/和傷 式33就可以確定基波和各次 諧波的幅值和相角。本文搭建的仿真如下：圖3-2基于hnn的諧波檢測仿真e 十h 巧 cm(mourhu-hzihm 田f crrxttesaveram -jp=®i7h -asl>_iibb|i |x5匸奎匸毎i «=m>rwgr»n：«3_j-4u亠

24、圖3-3 hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真為了便于驗證諧波電流檢測效果，我們特地添加了基于瞬時無功功率理論的諧波 電流檢測仿真模塊進行對比，二者仿真得到的波形如下：iqoe基于hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測方法得到的a相諧波電流一。t/vywaa/yvvvvaa/vvvaa/v基于瞬時無功功率理論檢測方法得到的a相諧波電流。/j'八zyvx/vvy/xa/vy/aa/yva/vaaa/圖3-4基于兩種諧波電流檢測方法得到的a相諧波電流iv ;tl-o-4thn-jhnhntu. ri lt < jfi/fr ijitut圖35基于兩種諧波電流檢測方法得到的a相諧波電流（細節(jié)圖）102d

25、基于hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測30基于瞬時無功功率理論 的諧波檢測liliildiiuiihhihl1圖3-6基于兩種諧波電流檢測方法得到的a相諧波電流（有負載突變）圖37基于兩種諧波電流檢測方法得到的a相諧波電流（有負載突變細節(jié)圖） 為了對比以上兩種諧波電流檢測方法的諧波電流檢測實時性，我們在r=5s時突 加負載，兩種諧波檢測方法得到的諧波電流波形如圖3-6和圖3-7所示。由以上四個圖可以看出用基于hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波屯流檢測方法得到的諧 波電流和用傳統(tǒng)的基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法得到的諧波電流 波形是基本一致的，說明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于諧波檢測領(lǐng)域的有效性。并且在遇到 負載突變的情況時，基于hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法穩(wěn)定的速度比基于瞬 時無功功率理論的諧波檢測方法要