基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路的制作方法

专利名称：基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种谐波和无功电流分量的精确快速检测电路，具体是一种基于低通
滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路，属于信号处理技术领域。
背景技术：
在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电力系统的环境造成污染，随着电力电子装置的广泛应用，电网中的谐波污染日趋严重；同时大多数电力电子装置的功率因素很低，也给电网带来了很大负担。伴随着信息时代对电能质量越来越高的要求，谐波抑制与无功功率补偿成为电力系统领域所面临的重大课题，受到越来越多的关注。
目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。有源电力滤波器(APF)所采用的谐波电流检测方法，决定了谐波电流的检测精度和跟踪速度，进而影响APF的谐波电流补偿效果。传统的检测方法有Fryze功率分解，槽形滤波器，基于频率FFT变换法，用于不平衡三相系统的同步检测法等。这些方法都有难于克服的问题——检测精度不高、对电源的频率漂移敏感、没有自适应性、不能较好的跟踪负载电流变化等缺点。文献《一种新的有源电力滤波器谐波电流检测方法》(电工技术学报，1997年1月，12(D)通过分析非线性负载电流的组成特点，提出一种基于神经元的自适应谐波电流检测方法，算法的数值仿真说明，它与目前采用的几种谐波电流检测方法相比，不但检测速度快，跟踪效果好，而且有较强的自适应能力，能够用于APF进行谐波电流检测。人工神经网络(ANN)已经广泛应用于模式识别、信号处理、智能控制等领域。近年来人们又将其应用于谐波检测，但目前多通过软件来实现，其硬件实现相对较薄弱。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路，在检测电路中加入低通滤波器(LPF)对电路的检测效果是有一定的改善作用，不仅可以改善其动态性能，加快收敛速度，有利于系统的稳定，而且可以改善其稳态性能。 本发明的技术方案是基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路，由加法电路、积分电路、三个反相电路、比例运算电路、两个乘法器和低通滤波电路构成，其特征在于负载电流^和第一个反相器的输出端连接加法器的输入端，加法器的输出端连接第二个反相器的输入端，第二个反相器的输出端连接比例器的输入端，比例器的输出端和输入电压Up连接第一个乘法器的输入端，第一个乘法器的输出端连接积分器的输入端，积分器的输出端连接第三个反相器的输入端，第三个反相器的输出端和输入电压Up连接第一个反相器的输入端，低通滤波电路放于比例运算电路前后、积分电路前后或乘法器之后。
如上所述的基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路，其特征在于加法电路、积分电路、比例运算电路、低通滤波电路用运算放大器、电阻、电容等器件来实现，积分电路，比例运算电路及低通滤波电路的电阻选用可调电阻。
本电路的工作原理是将电压Up作为参考输入，负载电流iJ乍为原始输入，它可以分解为两部分，一部分是与电压Up同频同相的有功电流ip，另一部分是由与Up相位正交的无功电流和高次谐波电流组成的谐波电流i。， ir为神经元的输出，通过神经元权值W的自适应调整，它最终将逼近ip，从而使检测电路的输出id逼近i。，将此输出信号从负载电流中扣除，即得到要补偿的谐波电流，在电路中的适当位置，包括比例电路前后、积分电路前后或乘法电路之后加入LPF，构成基于LPF的检测电路，加入的LPF参数设置需要相应改变，同时检测电路的学习率也要随之调整。 本发明在神经元自适应算法的基础上，提出了基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路，加入低通滤波器不仅可以改善电路动态性能，加快收敛速度，有利于系统的稳定，而且可以改善其稳态性能。本发明可实时、高精度地检测非线性负载电流中的谐波电流，并能对变化的负载电流进行跟踪检测，对电源频率的变化不敏感，可应用于电力系统的实时监测、补偿和控制。


图1是神经元自适应谐波电流检测电路实现框图。
图2是加入LPF的检测电路原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。 图2中标记说明1_加法电路，2-反相电路，3-积分电路，4-比例运算电路，5-低通滤波电路。 检测电路的实现通过加法电路1、积分电路3、比例运算电路4、乘法器、反相电路2、低通滤波电路5等环节构成。负载电流i^和第一个反相器的输出端连接加法器的输入端，加法器的输出端连接第二个反相器的输入端，第二个反相器的输出端连接比例器的输入端，比例器的输出端和输入电压Up连接第一个乘法器的输入端，第一个乘法器的输出端连接积分器的输入端，积分器的输出端连接第三个反相器的输入端，第三个反相器的输出端和输入电压Up连接第一个反相器的输入端，低通滤波电路放于比例运算电路前后、积分电路前后或乘法器之后，其中加法电路1、积分电路3、比例运算电路4、低通滤波电路5用运算放大器、电阻、电容等器件来实现。积分电路3，比例运算电路4及低通滤波电路5的电阻选用可调电阻，通过对可调电阻参数设定的不断调整，可以达到改变学习率，以及改变LPF滤波性能的目的。实际的电路中学习率的调节是通过调节积分电路3、反相电路2、比例运
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算电路4部分可调电阻阻值实现的。学习率//=, 二~~^ ，其中，Avf是低通滤波电路
增益，K" K2分别是反相电路2和比例运算电路4增益，R" Q是积分环节电阻、电容值。二阶有源RC低通滤波电路截止频率的调节通过调节其两个可调电阻R4、 R5实现。
如图1所示，本发明是这样实现的将电压Up作为参考输入，负载电流作为原始输入，它可以分解为两部分， 一部分是与电压Up同频同相的有功电流ip，另一部分是由与Up相位正交的无功电流和高次谐波电流组成的谐波电流i。。 ir为神经元的输出，通过神经元权值w的自适应调整，它最终将逼近ip，从而使检测电路的输出id逼近i。，将此输出信号从负载电流中扣除，即得到要补偿的谐波电流。id同时用作调节神经元权值w的误差信号。 在电路中适当的位置加入LPF构成基于LPF的检测电路，仿真和实验证明，LPF有利于神经 元权值的稳定。在比例电路前后、积分电路前后、乘法电路之后等位置均可加入LPF，加入的 LPF参数设置需要相应改变，同时检测电路的学习率也要随之调整。加入的LPF类型、参数 设置、加入位置等因素都会对电路的检测效果产生影响，影响检测电路的动态响应过程、检 测精度等。 实施例如图1，2所示，输入为电流信号i^和电压信号Up， id为检测电路输出的谐 波分量。可在比例运算电路4前后、积分电路3前后、乘法器之后加入低通滤波电路5。实 验时，各个元件参数的设定如下，反相比例器部分的Rf采用最大值为1K的可调电阻，1^选 用IOK的定值电阻，同时在其之前加接一级增益为1的反相电路。反相电路部分Rf采用最 大值为100K的可调电阻，&选用50K的定值电阻，学习率的调整是通过调节可变电阻&、 R2、 R3实现的。二阶有源RC低通滤波器截止频率的调节通过调节其两个可调电阻R4、 R5实 现，设比例运算电路4、反相电路2、积分电路3部分可调电阻参数分别设为&、&、&，则有 A = ~^-=-5-^ 可见，只要调节这三个参数，S卩能调整学习率。 现以电流谐波状况严重的方波为例分析本检测电路的谐波检测效果。LPF部分的 电容选用相等的电容C = luf ，积分电路3部分选用C = 10uf ， LPF放于比例运算电路4前， 选取Xi = 0. 5， X2 = 0. 5， X3 = 0. Ol，则学习率为1000。在开始检测后大约不到1个周期， 随着权值的自适应调整，检测波形就能跟上实际波形的变化，而在第一个周期内，谐波电流 的检测波形与实际波形变化同步。对比没有加入低通滤波器5的一般神经元自适应检测电 路，当学习率几乎取得一样时，波形得到了明显的改善。而且，由于LPF本身的电压放大作 用，如果&、&、&的参数取得一样，其学习率也是原来的两倍，虽然LPF会引入相位畸变，但 总体看，对波形有明显的改善作用。 可以验证，如果负载电流在第三个周期后发生突变，负载电流突变后相位的跟踪 效果不受影响，大约经过0. 5个周期，在幅度上谐波电流检测波形也能跟踪上实际波形的 变化，检测速度是很快的。假设在时刻0. 075s和0. 118s分别出现幅度为1A和-1A的非周 期脉冲干扰，仿真结果表明，脉冲干扰对有功电流并无影响，检测电路能把脉冲干扰与谐波 电流一同检测出来。在工作过程中，电源频率发生微小偏移，比如在第三个周期后由原来的 50Hz变为55Hz，此时负载电流相当于非周期畸变电流，仿真结果表明，电源频率漂移在权 值的自适应调节下，检测波形能跟踪实际波形的变化，检测结果不受电源频率漂移的影响。 可见，加入了低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路不仅收敛速度很快，而且检测 精度也比较高。
权利要求
基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路，由加法电路、积分电路、三个反相电路、比例运算电路、两个乘法器和低通滤波电路构成，其特征在于负载电流iL和第一个反相器的输出端连接加法器的输入端，加法器的输出端连接第二个反相器的输入端，第二个反相器的输出端连接比例器的输入端，比例器的输出端和输入电压Up连接第一个乘法器的输入端，第一个乘法器的输出端连接积分器的输入端，积分器的输出端连接第三个反相器的输入端，第三个反相器的输出端和输入电压Up连接第一个反相器的输入端，低通滤波电路放于比例运算电路前后、积分电路前后或乘法器之后。
2. 如权利要求1所述的基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路，其特征在 于加法电路、积分电路、比例运算电路、低通滤波电路用运算放大器、电阻和电容器件来实 现，积分电路，比例运算电路及低通滤波电路的电阻选用可调电阻。
全文摘要
基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路，由加法电路、积分电路、三个反相电路、比例运算电路、两个乘法器和低通滤波电路构成。本发明在神经元自适应算法的基础上，提出了基于低通滤波器的神经元自适应谐波电流检测电路，加入低通滤波器不仅可以改善电路动态性能，加快收敛速度，有利于系统的稳定，而且可以改善其稳态性能。本发明可实时、高精度地检测非线性负载电流中的谐波电流，并能对变化的负载电流进行跟踪检测，对电源频率的变化不敏感，可应用于电力系统的实时监测、补偿和控制。
文档编号G01R19/00GK101726648SQ200910273299
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者刘开培, 左文霞, 李澍森, 石延辉, 程军照, 陈晓燕 申请人:国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司