一种基于人工神经元实时谐波电流数字检测方法

摘 要： 本文基于人工神经网络理论，提出了人工神经元自适应谐波和无功电流、谐波电流数字检测新方法，实验结果证明了所提出的方法的正确性及实时性。

关键字： 谐波 无功电流 数字检测方法 实时实现

　　谐波对电网和用电设备的有很大的危害^[1、2]，由谐波污染引起的问题很严重,必须进行合理地治理。装设补偿装置,进行谐波和无功功率的补偿，采用滤波器对畸变电流进行滤波和补偿是解决电网谐波和无功干扰的重要手段，也是消除谐波电流对电网影响的最终措施。有源电力滤波器原理图如图1.1所示,有源滤波器向电网注入与负载谐波电流幅值相等的反相谐波电流ic以抵消原有谐波电流，使电源电流is近似为正弦波。谐波检测电路检测的结果是控制电路的输入，从而决定控制电路的输出，而控制电路的输出又决定了有源电力滤波器的输出补偿电流ic,所以有源电力滤波器补偿电流大小、方向、相位及精度很大程度取决于谐波的检测电路。如果检测电路具有实时性好、精度高、误差小等优点，有源电力滤波器的补偿就会较好。否则，有源电力滤波器补偿电流ic要么大于谐波电流，出现过补偿，从而成为又一谐波源；要么ic小于谐波电流，出现欠补偿。谐波检测对有源电力滤波器补偿起很大的决定性作用，如果要求有源电力滤波器的补偿效果好，必须使谐波检测电路检测电路具有实时性好、精度高、误差小等优点，实时性和连续性均有赖于无功电流的检测的实时性和精度，所以有必要深入研究谐波测量电路。

　　传统的检测方法有Fryze时域分解、槽形滤波器、基于频域的FFT变换法、用于不平衡三相系统的同步检测法，这些方法主要的缺点是1)时延较大；2)难以实现，如槽形滤波器法；3)当电压畸变时将带来较大的误差。近来提出的P-Q法^[3]的缺点是在电源畸变大时，含有畸变的电压，使计算的i_af、i_bf、i_cf也含有谐波，而、由各次谐波电流成分组成，因而该法在谐波较大的情况下误差较大。

　　1 基于自适应干扰对消原理的谐波检测方法

　　自适应干扰对消理论技术是近年来得到广泛使用的信号处理技术^{［4、5、6］}。由于它能够通过不断的自我学习和自我调整使系统处于最佳状态，所以在不同的领域得到应用。

　　自适应干扰对消原理是：系统有两个输入端--原始输入和参考输入端（原理图参见图2）。系统的原始输入是信号S和加性噪声N₀，S和N₀不相关。系统的参考输入端是噪声N₁与N₀相关但与S不相关。N₁经过自适应滤波器处理后与原始输入信号相减，系统经过自适应算法的调整，使系统平均输出功率最小，也就是使N₁逼近N₀，然后减去原始输入中的N₀成分，以达到抵消干扰的目的。可以证明：此时系统的输出ε是信号S在最小均方准则下的最佳估计^［7］。

　　 谐波检测的目的为了实时地提取畸变电流中的谐波和无功电流。如果把基波电压作为参考输入，而非线性负荷电流作为原始输入。与上述情况相似，通过自适应滤波器出来后的参考输入，最终被迫在幅度和相位上逼近电压原始输入中的基波信号，然后从负载电流中减去这基波分量，结果为系统的输出-所有谐波分量和无功之和，就达到检测谐波和无功的目的了。同理，将基波及与基波的正交函数作为输入，就达到检测谐波电流的目的了。

　　2 基于人工神经元自适应的谐波检测方法

　　2.1 无时延的人工神经元谐波和无功检测方法

　　单个人工神经元有一定的处理、计算及映射能力，具有自适应和自学习能力，所以上述的自适应滤波器实现的检测系统，也可以用神经元代替，如果性能较好、学习算法简单，由于神经元结构简单，就能达到快速检测谐波的目的。

　　无时延的谐波检测方法可以检测广义无功电流i_b（也就是谐波电流i_h及无功电流i_1q之和）。无时延自适应神经元谐波及无功电流检测方法的框图见图3。

　　2.2 正交函数输入的神经元自适应谐波检测方法

　　 这种方法实际上是有时延的神经元谐波检测方法的特例，也就是将时延设定为－T/4，将m设定为1，而形成两个正交的函数作为参考输入，在实现时把这种方法的时延设定为－T/4，它的实现可以取保存在内存的现在时刻以前四分之一周期的电压采样作为余弦函数。如果在电压频率较恒定的情况下（一般电压畸变很小），可以先计算出采样数目差，然后用现时刻的采样电压和保存在内存的现在时刻以前计算出的采样电压作为参考输入，那么，参考输入向量为：

　　X(k)=[u(k),u(k+T/4)] (1)

　　 在电压频率变化不大，在这里只要根据采样的频率和基波平移90⁰相角所需要时间来计算现时刻以前的时刻：

　　T/4¸T′=1/(50´4)¸(1/2000)=10 (2)

式中T为频率固定的电压的周期，T′为采样周