八開關(guān)七電平APF諧波檢測優(yōu)化方法研究

王星皓 李夢達(dá)

摘要：為解決在八開關(guān)七電平APF中網(wǎng)測電流THD降低不足的特點(diǎn)，本文從諧波檢測方法以及直流側(cè)電壓控制兩個方面對該拓?fù)銩PF進(jìn)行優(yōu)化。FFT檢測的實(shí)時(shí)性較弱;瞬時(shí)無功功率的ip-iq檢測方法用MAF優(yōu)化;BP諧波檢測通過一種新的改進(jìn)樣本質(zhì)量的方法優(yōu)化，研究表明后兩種諧波檢測獲得的PWM調(diào)制輸入信號得到了進(jìn)一步精確。對改用滑模PI的直流側(cè)控制策略并對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終通過SIMULINK仿真驗(yàn)證APF性能的確切提高。

Abstract： In order to solve the problem of insufficient THD reduction in the 8-switch and 7-level APF， this paper optimizes the topology APF from two aspects： harmonic detection method and DC side voltage control. The real-time performance of FFT detection is weak. The ip-iq detection method of instantaneous reactive power is optimized by MAF. BP harmonic detection is optimized by a new method to improve the sample quality. The research shows that the PWM modulation input signals obtained by the latter two harmonics detection are further accurate. The dc side control strategy using sliding mode PI is optimized， and the performance of APF is finally improved by SIMULINK simulation.

關(guān)鍵詞：諧波檢測;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);有源電力濾波器;諧波畸變率

Key words： harmonic detection;neural network;active power filter;harmonic distortion rate

中圖分類號：TM712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）30-0172-03

0 ?引言

為解決各類電力系統(tǒng)與設(shè)備中諧波含量殘次不齊的問題，并設(shè)計(jì)出能補(bǔ)償源測電流的電力設(shè)備，因此有了有源電力濾波器——APF的概念及其相關(guān)研究，并聯(lián)型APF是改善負(fù)載產(chǎn)生的諧波以及無功功率對電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生不良影響的重要研究方向。研究以八開關(guān)七電平APF為基礎(chǔ)，將上述的三種諧波檢測方法加以改進(jìn)：對常用的ip-iq諧波檢測加入MAF的低通濾波算法;對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練樣本進(jìn)行調(diào)整;最后對整體APF進(jìn)行仿真測試。

1 ?八開關(guān)七電平APF的理論設(shè)計(jì)

APF的整體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。為成功構(gòu)建APF并實(shí)現(xiàn)性能改良，優(yōu)化對APF的研究通常通過以下幾個方面深入：APF的指令電流檢測環(huán)節(jié)即APF的諧波檢測部分;APF的主電路結(jié)構(gòu)及其相關(guān)研究;APF的直流側(cè)電壓控制;APF的PWM電流跟蹤控制方式。

圖2展示了中點(diǎn)鉗位型八開關(guān)七電平APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，均采用H橋的電路拓?fù)洌贖橋的連接橋臂設(shè)置抽頭電抗，取左邊三分之一抽頭處作為電平輸出點(diǎn)。

表1展示了0，1，2三點(diǎn)的電壓關(guān)系，設(shè)點(diǎn)1電壓為v1，點(diǎn)2電壓為v2，根據(jù)抽頭電抗的數(shù)學(xué)模型可知，v0產(chǎn)生電平為

2 ?諧波檢測優(yōu)化分析

2.1 ip-iq檢測法的MAF優(yōu)化

式（2）為MAF的數(shù)學(xué)算法，其中X（k）代表k采樣時(shí)刻電流經(jīng)過低通濾波的輸出量，x（k）是k采樣時(shí)刻對應(yīng)的電流采樣數(shù)據(jù)。

分別對兩種低通濾波方法進(jìn)行測試對比，圖3為其對比效果波形圖，在第一個變化時(shí)刻對應(yīng)阻值突變，第二個變化時(shí)刻為電阻變?yōu)樽韪胸?fù)載。對比波形驗(yàn)證了MAF的低通濾波提高了LPF的動態(tài)性能穩(wěn)態(tài)時(shí)間更短，即響應(yīng)速度快。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)諧波檢測樣本優(yōu)化

文獻(xiàn)[5]以及文獻(xiàn)[6]在設(shè)定樣本進(jìn)行驗(yàn)證的環(huán)節(jié)不能夠反映負(fù)載電流中的實(shí)際復(fù)雜情況。提出一種樣本優(yōu)化的策略，針對特定的負(fù)載種類設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本集。APF補(bǔ)償精度通常限制在25次諧波以內(nèi)為使樣本更具有現(xiàn)實(shí)負(fù)載電流的特征。一種優(yōu)化思路是對常用的阻感容負(fù)載，換流器負(fù)載比如整流負(fù)載帶阻感負(fù)載建立交流測電流諧波的數(shù)學(xué)模型。Graham-Schonholzer法[7]計(jì)及換相過程以及直流側(cè)電流脈動，但該方法及存在誤差且數(shù)學(xué)公式復(fù)雜。研究利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合非線性函數(shù)的特點(diǎn)，對所需范圍內(nèi)的信號，按固定的阻值步長，根據(jù)香農(nóng)采樣定理設(shè)定采樣頻率，用加窗插值FFT分析[3]可得到所需的樣本。圖4為兩種方法檢測性能對比，差異較小。

3 ?整體仿真分析

在MATLABR2015b中仿真八開關(guān)七電平APF的整體模型，圖5為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)諧波檢測與滑模PI控制直流側(cè)電壓下[8]的八開關(guān)七電平APF整體拓?fù)洹Ｎ墨I(xiàn)[10]提出了一個APF主電路設(shè)計(jì)理論，提出了電網(wǎng)側(cè)相電壓與APF直流側(cè)電壓的合理數(shù)學(xué)關(guān)系，以滿足補(bǔ)償電流跟蹤性能對APF交流側(cè)輸出電壓的要求。

各電路參數(shù)如源側(cè)線電壓均參考文獻(xiàn)[1]的數(shù)據(jù)以保證在同一電路參數(shù)下進(jìn)行優(yōu)化對比測試。根據(jù)APF主電路理論可得直流側(cè)電壓需大于1124V。采用滑模PI控制優(yōu)化輸出1350V。APF的整體仿真模型和補(bǔ)償效果分別如圖5、圖6所示。

當(dāng)ip-iq法在改用MAF并運(yùn)用于系統(tǒng)中時(shí)，網(wǎng)測THD為5.89%，而樣本優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)諧波檢測可使網(wǎng)測THD達(dá)到4.73%，如圖7所示，達(dá)到5%以下，滿足GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對網(wǎng)測電流THD的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]PENG XIAO. Seven-Level Shunt Active Power Filter For High Power Systems[C]. New techniques to improve power quality and evaluate stability in modern all-electric naval ship power systems， 2007.

[2]朱劍平，張保健，張志遠(yuǎn)，孫成，等.基于改進(jìn)FFT-BP的電力諧波檢測算法[J].水電能源科學(xué)，2019，37（10）：168-171.

[3]李振華，胡廷和，杜亞偉，等.基于窗函數(shù)和譜線插值理論的諧波檢測方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019，47（22）：78-88.

[4]劉光亞，朱曉蒙，李響，等.一種低延遲三電平APF的方案設(shè)計(jì)及仿真研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（17）：192-198.

[5]湯勝清，程小華，等.一種基于多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，41（17）：44-48.

[6]王凱亮，曾江，王克英，等.一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方案[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（17）：44-48.

[7]Graham A D，Schonholzer E T. Line harmonics of converters with DC motor loads[J]. IEEE Trans. On Ind. Appl.， 1983，19（1）： 84-92.

[8]李蘭芳，徐曉剛，吳國兵，蔡曉燕，等.并聯(lián)型APF直流側(cè)電壓的滑模PI控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45（5）：32-37.

[9]劉金琨，等.滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真基本理論與設(shè)計(jì)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[10]王兆安，劉進(jìn)軍，王躍，楊君，等.諧波抑制與無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（59820485）。

作者簡介：王星皓（1997-），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向?yàn)锳PF算法優(yōu)化。