神经网络与锁相环相结合的谐波检测有源滤波器设计

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 1.3MB 41 页 15积分

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摘要

在国家倡导智能电网和可靠电网的今天以及工业和生活对于电能质量要求的

提高，电网安全和可靠性越来越被人们所重视，但是，随着现代化电气设备的使

用，尤其在未来几年内，越来越多的电力电子负荷将接入电网，这些负荷往往带

有非线性和冲击性的特征，会导致电能质量问题增加。另外，光伏发电和风电等

绿色能源的开发应用在国家的倡导之下蓬勃发展，但是这类绿色能源发电常常带

有很大的波动性与间歇性，在接入电网之后也会对电能质量造成不利影响，若不

对电能质量进行治理，电能质量水平将日益下降[1]。谐波作为电能质量非常关注的

一个电能指标，它的存在会严重降低电网的可靠性，威胁电网安全，其危害不可

小视。

有源电力滤波器作为一种新型的谐波补偿装置，它能够对电力系统的谐波进行

实时补偿，同传统的谐波治理设备比较起来，有源电力滤波器在补偿谐波的实时

性和准确性方面体现出更强的优势[2]。而谐波电流的检测作为有源电力滤波器整体

系统的重要环节之一，其实时性和精确性影响着整个系统的性能。

本文首先介绍了电网中谐波的概念及其危害，之后介绍了有源电力滤波器的总

体结构，对整个有源电力滤波器系统中每个模块的功能和原理分别加进行了阐述，

并指出了各自的优缺点。之后分析了传统的基于瞬时无功理论的 ip-iq 谐波检测方

法在一定程度上会影响有源电力滤波器整体系统的实时性，且检测精度也不是很

理想。在此基础上提出了基于神经网络与锁相环相结合的谐波检测方法，从理论

上作了详细的说明，并提供了基于 TMS320F2812 DSP 芯片实现该检测的方法，在

文章的最后搭建了新方法的 Matlab 仿真模型，从仿真结果验证了结论的正确性，

本方法的提出也是该论文的新颖之处，并于《电力系统及其自动化学报》发表题

名为《神经网络与锁相环相结合的谐波检测方法》论文一篇。

研究生期间的主要工作：于《电力系统及其自动化学报》杂志发表论文《神经

网络与锁相环相结合的谐波检测方法》；负责动模实验室采购任务；负责能效测评

项目的上位机程序。

关键词：电能质量谐波有源电力滤波器神经网络锁相环 DSP

ABSTRACT

Nowadays, our country is in the tide of building smart grid and reliable power grid.

Because of our high requirement for power quality in industry and live, gird security

and reliability are payed more and more attention by people. With the development of

electrical equipment, especially in the next few years, there are more and more power

electronic equipment and green power merged into the grid which will increase the

prower quality problems. If we inspect it, Power quality level will drop to a lower level.

Harmonic as a key factor to power quality which will reduce the reliability of power

grid, the harm can not be inspected too.

Active power filter is a new harmonic compensation devices which can compensate

harmonic current in real-time. Compared with traditional harmonic treatment equipment,

active power filter have more adventages in real-time and accuracy. Harmonic current's

detection as an importment link in active power filter's system, its real time and

accuracy will affect all the system.

This paper introduced the concept of harmonic and its harm to the grid, then

described the functions of each module and principles about active power filter system

and reached a conclusion that ip-iq harmonic detection method is lack of real-time and

precision. So this paper gave a new harmonic dectection method based on neural

network and phase locked loop used by active power filter to improve its real-time

ability. Paper illustrated the theory of this new method and provided the method to

realize this algorithm by TMS320F2812 DSP, and then built the simulation at the end of

this paper to validate the conclusion.

Works during the graduate student: Published a paper named《A Method of

Harmonic Detection Based on Neural Network Combined With PLL》 in 《Proceedings

of the Chinese Society of Universities》; Responsible for dynamic model laboratory

purchasing; Responsible for the software of energy efficiency evaluation project.

Key word: Power Quality, Harmonic, Active filter, APF, Neural

network, PLL, DSP

摘要 .......................................................................... 1

ABSTRACT ...................................................................... 2

第一章绪论 ................................................................... 1

§1.1 引言 ................................................................ 1

§1.2 电能质量及谐波抑制的手段 ............................................ 1

§1.3 有源电力滤波器的发展 ................................................ 3

§1.4 电能质量治理产品展望 ................................................ 4

§1.5 本课题的研究内容和工作 .............................................. 6

第二章并联型有源电力滤波器的结构 ............................................. 8

§2.1 APF 谐波的检测 ....................................................... 8

§2.1.1 基于瞬时无功理论的 ip-iq 谐波检测法 .............................9

§2.1.2 基于瞬时无功理论的 p-q 谐波检测法 ..............................10

§2.2 有源电力滤波器主电路的控制方法 ..................................... 11

§2.2.1 基于滞环比较器的瞬时值比较方法 ................................12

§2.2.2 三角波比较方法的控制方式 ......................................13

§2.3 直流侧的电压补偿方法 ............................................... 13

§2.4 锁相环的实现方法 ................................................... 15

§2.4.1 TMS320F2812 DSP 介绍 ...........................................15

§2.4.2 基于 TMS320F2812 DSP 锁相环的实现方法 ..........................16

§2.5 混合型有源电力滤波器 ............................................... 17

§2.6 应用于高压的有源电力滤波器策略 ..................................... 17

§2.7 本章小结 ........................................................... 18

第三章 BP 神经网络 ............................................................ 20

§3.1 神经网络介绍 ....................................................... 20

§3.1.1 神经网络概述 ..................................................20

§3.1.2 神经网络的研究内容 ............................................20

§3.1.3 神经网络的基本结构 ............................................20

§3.1.4 传递函数 .......................................................21

§3.2 BP 神经网络结构 ..................................................... 23

§3.3 神经网络的训练 ..................................................... 24

§3.4 基于 TMS320F2812 DSP 的神经网络实现方法 ............................. 24

§3.5 本章小结 ........................................................... 25

第四章 BP 神经网络与锁相环相结合的谐波检测方法 ................................ 26

§4.1 传统 ip-iq 谐波检测算法的缺陷 ....................................... 26

§4.2 BP 神经网络与锁相环相结合的谐波检测方法介绍 ......................... 26

§4.3 Matlab 仿真结果 ..................................................... 28

§4.4 本章小结 ........................................................... 31

第五章结论与展望 ............................................................ 32

§5.1 本文总结 ........................................................... 32

§5.2 后续工作 ........................................................... 32

附录 ......................................................................... 34

第一章绪论

§1.1 引言

作为被人们广泛使用的能源——电能的应用程度代表了一个国家战略水平和

综合国力水平，在满足社会电能需求的同时，电能质量的总体水平标志着一个国

家工业生产、科技水平以及社会文明程度进步的一种体现，这也是在信息时代和

信息社会的现在社会发展的必然结果。增强用电效率、节能损耗、改善电气环境

已经成为现代化工业生产的重要保障。

谐波是众多威胁电能质量指标的重要元素之一。对谐波的抑制在电力电子技术

一级电力系统领域中已经成为一项重大课题，随着电力电子装置应用越来越广泛，

谐波的问题也越来越受到广大用户的关注。在电力电子技术的飞速发展下，对谐

波的抑制也取得了不错的进展，为了解决谐波源的污染问题，总体上可采取两条

思路：在需治理谐波处装设谐波补偿设备，以补偿谐波或对谐波源自身进行改造，

使其不产生谐波[1]。其中，谐波补偿装置的一个重要发展趋势便是有源电力滤波器，

这种补偿装置能够对变化的谐波快速地进行跟踪和补偿，且不受电网阻抗影响，

现在已经在全球各地获得广泛应用。

§1.2 电能质量及谐波抑制的手段

电能质量大体上是指优质供电，它包括电压质量、电流质量以及供电质量和用

电质量。电能质量可以这样定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、

电流或频率的偏差，在内容上包括了波形畸变（谐波）、三相不平衡、频率和电压

偏差、电压波动、电压闪变、暂时过电压、瞬态过电压、电压暂降、中断、暂升

以及供电连续性等等[2]。随着科技的发展和人们对电能使用要求的升高，电能质量

已经成为制约经济发展与生产率提高的一个关键因素。

谐波是电能质量中的一个重要指标，它是指电流中所含有的频率为基波的整数

倍的变量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解后其余大于基波

频率的电流产生的电量。谐波主要是由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流

发生了畸变从而产生了谐波[1]。

神经网络与锁相环相结合的谐波检测有源滤波器设计

图1-1 谐波电流示意图

在工业生产和日常生活中，广泛使用的各种整流功能的电力电子装置都是非线

性负载，如 UPS、开关电源、变频器、整流器、逆变器、电弧炉、中频炉、机车

直流牵引系统、可控硅调光系统、电梯、电脑、变频空调等。这些非线性负载会

产生大量的谐波电流注入电网，导致电能质量下降[3]。

谐波的危害不容小视，对于电网和配电系统的负载，谐波是一种严重的污染，

它的存在可引发一系列严重问题，如：

1）使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的

效率。

2）加大线路损失，降低系统容量。

3）加速设备老化，损坏设备。

4）引起局部并联谐振和串联谐振，导致无功补偿电容柜补偿电容、保护元器件及

母排烧毁，具有重大安全隐患。

5）损坏精密设备，缩短设备使用寿命。

6）增加电缆线路损耗，缩短电缆使用寿命。

7）降低生产率，危害生产安全稳定。

8）使电力系统各种测量仪器发生误差。

9）对通讯、电子类设备产生干扰。

我国谐波含量要求规范的标准是国标 GB/T 14549-93《电能质量、公用电网谐

波》，国际标准是 IEEE 519-1992《电力系统谐波控制的推荐规程和要求》[1]。

谐波的抑制无论对经济效益还是社会效益都是十分重要的。从经济效益来说，

减少谐波，可以减少谐波能耗，节约电能，提高生产率，并且可以保持设备正常

工作及系统连续供电，保证生产稳定，减少配电系统建设投资，延长设备的使用

寿命，减少设备采购投资；从社会效益来说，减少了谐波，则可避免谐波污染公

用电网，节约能源，保护环境。

针对谐波传统的治理装置主要为 LC 无源滤波器（Passive Filter，PF）。它采用

电感电容元件的谐振特性，将对电网危害较大的谐波成分引入大地，从而减少其

对电能的污染[1,3]。此方法成本较低且技术成熟，可是其装置性能也受到很多限制，

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摘要：

摘要在国家倡导智能电网和可靠电网的今天以及工业和生活对于电能质量要求的提高，电网安全和可靠性越来越被人们所重视，但是，随着现代化电气设备的使用，尤其在未来几年内，越来越多的电力电子负荷将接入电网，这些负荷往往带有非线性和冲击性的特征，会导致电能质量问题增加。另外，光伏发电和风电等绿色能源的开发应用在国家的倡导之下蓬勃发展，但是这类绿色能源发电常常带有很大的波动性与间歇性，在接入电网之后也会对电能质量造成不利影响，若不对电能质量进行治理，电能质量水平将日益下降[1]。谐波作为电能质量非常关注的一个电能指标，它的存在会严重降低电网的可靠性，威胁电网安全，其危害不可小视。有源电力滤波器作为一种新型的...

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