CN101187682A

CN101187682A - 一种在线自适应谐波电流检测系统

Info

Publication number: CN101187682A
Application number: CNA2007101503900A
Authority: CN
Inventors: 周雪松; 周永兵; 马幼捷; 龚娟; 何杰; 侯明; 王辉; 张智勇
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-26
Also published as: CN101187682B

Abstract

一种在线自适应谐波电流检测系统，其特征在于该系统是由信号预处理部分、参考正交信号产生部分、计算机软件的自适应滤波部分以及计算机分析和显示部分构成。本发明的优越性在于：本系统对信号中产生的无法补偿的延时和相移予以补偿，提高了检测系统的动态响应特性和精度；提出的了改进型自适应滤波算法，克服了传统的自适应检测方法存在着的固有局限性；系统可检测出基波的有功和无功分量，便于APF的无功电流补偿；采用锁相环产生参考电压的方法，可将电压信号的采样干扰降到最低，并产生正弦波形的参考电压；在积分器前串接低通滤波器的方法，提高了系统检测精度和动态响应特性；本系统同样适应于电压各分量的检测。

Description

一种在线自适应谐波电流检测系统

(一)技术领域：

本发明涉及一种谐波电流分量的快速检测系统，特别是一种在线自适应谐波电流检测系统，用于电流信号处理技术领域。

(二)背景技术：

当前，有源电力滤波器在电力系统中的应用前景日益看好。它所采用的谐波电流检测方法非常重要，决定了谐波电流的检测精度和动态响应特性，因而直接影响谐波电流的补偿效果。能否快速而准确实时地检测出系统中谐波和无功分量，是它成功应用的前提条件。

基于瞬时无功功率理论检测法就是一种十分常见的方法，它的检测补偿效果比较明显，但只能检测电流中的谐波分量，不能检测出电压中的。且控制电路相对复杂，所需计算量也是较大的。所以在实时性要求较高的系统中有明显的局限性。还有些采用人工神经元网络(ANN)的方法来检测谐波。它们采用了模拟并行谐波检测装置的基本原理，但这种方法需要大量的时间来训练样本，也难以满足实时的要求。另有已应用的传统的自适应检测方法，此类方法基于自适应噪声对消原理，系统闭环检测，故鲁棒性好；实时计算量小，简洁快速；工作特性不受硬件器件参数变化和电压波形畸变的影响，具有良好的自适应能力。但该方法存在着固有的局限性。即电压不对称畸变时检测精度不高甚至不能检测出来，而且动态响应速度和检测精度能存在相互制约关系：如果为保证谐波计算的高检测精度，则动态响应速度很慢；如果提高动态响应速度则又会明显降低检测的精度。所以该方法难以同时达到最佳的检测精度和动态响应速度。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种在线自适应谐波电流检测系统，它结合自适应滤波器的特殊性能和快速准确的监测技术，可获得高精度的监测效果，大大地提高了自适应谐波电流检测系统的大大提高了系统检测精度、动态响应特性、稳定性和可靠性，并从最大程度上减小网损、提高系统稳定性、减小事故损失，提高供电质量。

本发明的技术方案：一种在线自适应谐波电流检测系统，其特征在于该系统是由信号预处理部分、参考正交信号产生部分、包含计算机软件的自适应滤波部分以及计算机分析和显示部分构成；所说的信号预处理部分输入端接输入电流信号，输出端接自适应滤波部分的输入端；参考正交信号产生部分输入端接参考电压信号，输出端接入自适应滤波部分的输入端；自适应滤波部分输出端接入计算机分析和显示部分。

上述所说的信号预处理部分是由耦合变压器或电抗器构成，将藕合变压器或电抗器输出端的电流信号转化成适当滤波、放大的电压信号。

上述所说的参考正交信号产生部分是由包含带通滤波器和比较器的信号预处理电路、包含CD4046芯片、计数/分频器的锁相倍频电路以及正余弦计算电路构成；带通滤波器的输出端连接比较器的正向输入端，传递滤波后的电网电压信号；比较器的输出端连接CD4046芯片的信号输入端，传递同步方波信号，同时比较器的输出端为正余弦计算电路提供过零触发信号；CD4046芯片的信号输出端分别为锁相电路和正余弦计算电路提供电压同步信号，分频器输出的分频信号连接到CD4046芯片的信号输入端。

上述所说的参考正交信号产生部分中采用可以提高系统检测精度和动态响应特性的锁相环电路产生参考电压，并在积分器前串接低通滤波器。

上述所说的自适应滤波部分是由乘法器、加法器、积分器、前置低通滤波器以及自适应预测滤波器构成；信号预处理部分的输入端连接需检测的输入电流，输出端连接一加法器；加法器输出端连接乘法器，参考正交电路产生的两个信号分别接入此乘法器，乘法器输出端依次经过低通滤波器，自适应预测滤波器，积分器相连后分别接入乘法器；乘法器输出端回馈到加法器中作代数运算后得到需检测的谐波。

上述所说的自适应滤波部分的计算机软件组成涉及自适应滤波部分中自适应算法的改进，其步骤为：①基于动态系统平均原理，依据最小方差原理得出算法数学公式；②增加u₁，u₂环节，u₁，u₂表示自适应预测滤波器的LMS算法的学习效率，它决定算法的收敛速度；③对信号中产生的无法补偿的延时和相移予以补偿；④通过适当的调节u改善系统的动态响应。

上述所说的计算机分析和显示部分是由信号接收装置以及计算机构成；信号接收装置接收检测系统输出信号，其分析显示波形和所需数据由计算机输出。

本发明的工作原理与工作过程：u_s通过锁相环电路产生两个正交的参考输入量Rsinwt和Rcoswt。由于输出电流i₀(t)中含有基波、谐波分量，因而将其与两正交参考输入量Rsinwt和Rcoswt相乘后，通过由前置低通滤波器和自适应预测滤波器组成自适应滤波器部分，通过改进的自适应滤波LMS算法的学习和分析，对信号中产生的延时和相移提前进行预测后予以补偿。周期积分环节得到基波的有功和无功的平均电流I_p和I_q，其余频率成分信号经周期积分后为0。平均电流I_p和I_q再分别与Rsinwt和Rcoswt相乘后的得到瞬时基波有功i_p(t)和无功i_q(t)。通过加法器实现i_h＝i_s-i_p-i_q，即谐波分量。

自适应滤波部分工作过程：为了补偿低通滤波器所引起的延时，自适应滤波器必须提前进行预测。我们采用2个单位的滞后单元和无相位移FIR滤波器串联，基于自适应有限脉冲响应(FIR)的预测滤波器，能在负载发生变化时，自动调整参数，保证预测的精度。自适应预测滤波器u的中心频率为参考信号的频率w₀。参考频率同输入以f_s采样，获得离散形式。滤波器经过同步采样后采用LMS算法和自适应学习迭代过程来完成谐波检测。低通滤波器的主要工作是给自适应算法提供一个标准信号，如果低通滤波器提供的信号混有谐波成份或干扰，则自适应滤波器输出信号必然含有较大的谐波成份。因此，低通滤波器的性能直接影响整个系统检测的效果。系统要求采用动态响应速度快、静态检测误差小、阶数低的滤波器。

本发明的优越性在于：(1)此系统基于自适应干扰对消原理，采用最小方差理论和平均原理对自适应滤波算法进行分析，对信号中产生的无法补偿的延时和相移予以补偿.提高了检测系统的动态响应特性和精度；(2)提出的了改进型自适应滤波算法，克服了传统的自适应检测方法存在着的固有局限性，即动态响应速度慢，在输入不对称畸变时检测谐波的精度差的缺点。此法加快了LMS算法的收敛速度u，改善了系统的响应速度。而且经过理论上的证明系统是稳定的，具有较强的自适应性，不受检测波形变化影响。在系统电流严重畸变时能实时高精度地检测出谐波分量；(3)系统也可同时检测出基波的有功和无功分量，便于APF的无功电流补偿；(4)采用锁相环产生参考电压的方法，不但可以将电压信号的采样干扰降到最低，而且所产生的参考电压还是非常完美的正弦波形，避免了参考电压波形畸变对检测结果的影响；(5)在积分器前串接低通滤波器的方法，大大提高了系统检测精度和动态响应特性；(6)此系统同样适应于电压各分量的检测。

(四)附图说明：

附图1为本发明所涉一种在线自适应谐波电流检测系统总体结构框图。

附图2为本发明所涉一种在线自适应谐波电流检测系统的参考正交信号产生部分电路结构示意图。

附图3为本发明所涉一种在线自适应谐波电流检测系统的自适应滤波部分的电路结构示意图。

附图4为本发明所涉一种在线自适应谐波电流检测系统的自适应滤波部分自适应改进算法的结构示意图。

附图5为本发明所涉一种在线自适应谐波电流检测系统的传统自适应谐波电流检测示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种在线自适应谐波电流检测系统(见图1)，其特征在于该系统是由信号预处理部分、参考正交信号产生部分、计算机软件的自适应滤波部分以及计算机分析和显示部分构成；所说的信号预处理部分输入端接输入电流信号，输出端接自适应滤波部分的输入端；参考正交信号产生部分输入端接参考电压信号，输出端接入自适应滤波部分的输入端；自适应滤波部分输出端接入计算机分析和显示部分。如图1所示，参考电压信号u_s通过锁相环电路产生两个正交的参考输入量Rsinwt和Rcoswt，计算主程序是图中对电流信号，电压信号的乘法、积分运算和自适应算法收敛学习运算。I_p和I_q为基波的有功和无功的平均电流，i_q(t)和i_q(t)为基波电流的瞬时有功和无功量。i_h为检测的谐波分量。

上述所说的信号预处理部分是由耦合变压器或电抗器构成，将藕合变压器或电抗器输出端的电流信号转化成电压信号，适当滤波、放大。

上述所说的参考正交信号产生部分(图2)是由包含带通滤波器和比较器的信号预处理电路、包含CD4046芯片、计数/分频器的锁相倍频电路以及正余弦计算电路构成；带通滤波器带宽可以根据电网频率变化的范围设计，滤波后的电网电压信号仍然可能含有谐波成分，经过比较器整形后输出的就是标准方波了，良好设计的比较器上升沿和下降沿均可达到数十纳秒级的锐度，对参考电压相位的影响可以忽略不计，比较器的输出为电压同步信号，分别供给锁相电路和正余弦计算电路使用.锁相倍频电路由1片CD4046和一片计数/分频器组成，二者共同完成同步信号的倍频功能.分频器的分频比就是倍频的次数n，电网频率为50Hz，则CIM046的中心频率设定在f＝50n，便可以在一定的频率范围内达到频率锁定。CD4046的2个输入信号分别是同步信号和分频器输出的分频信号，二者频率相同。CD4046的输出是倍频后的高频同步信号。正余弦计算电路由比较器产生过零触发信号，不论电网频率如何变化，每周期都有n次触发信号，每次触发信号的时间和相位间隔是相等的。

上述所说的参考正交信号产生部分中采用可以提高系统检测精度和动态响应特性的锁相环电路产生参考电压及在积分器前串接低通滤波器的方法。

上述所说的自适应滤波部分(图3)是由乘法器、加法器、积分器、前置低通滤波器以及自适应预测滤波器构成；信号预处理部分的输入端连接需检测的输入电流，输出端连接一加法器；加法器输出端连接乘法器，参考正交电路产生的两个信号分别接入此乘法器，乘法器输出端依次经过低通滤波器，自适应预测滤波器，积分器相连后分别接入乘法器；乘法器输出端回馈到加法器中作代数运算后得到需检测的谐波。

上述所说的计算机分析和显示部分是由信号接收装置以及计算机构成；信号接收装置接收检测系统输出信号，经过计算机分析显示波形和所需数据。

上述所说的自适应部分的计算机软件(图4)组成主要涉及到自适应滤波部分中自适应算法的改进：①基于动态系统平均原理，依据最小方差原理得出算法数学公式②增加u₁，u₂环节，u₁，u₂表示自适应预测滤波器的LMS算法的学习效率，它决定算法的收敛速度；③对信号中产生的无法补偿的延时和相移予以补偿；④通过适当的调节u改善系统的动态响应。

上述所说的计算机软件组成主要涉及到自适应滤波部分中自适应算法是基于传统的自适应谐波电流检测方法(图5)。

现以电流谐波状况严重的方波为例，其电流波形的畸变率THD(Total Harmonics Distortion)高达48.33％。对于没有采用改进方法的传统的自适应谐波电流检测方法，调整积分器增益，尽管可是的检测精度很高，滤除计算出的谐波分量后THD降为1.58％，但这需要将近15个周期的动态响应才能达到这样的效果；而如果尽量使动态响应速度快，半个周期就能收敛，但检测精度差，滤除计算出的谐波分量后THD高为6.58％。而采用本案的自适应谐波电流检测改进方法，只要10ms即半个工频周期的动态响应就能达到滤除计算出的谐波分量后THD降为1.58％的效果。可见改进的方法不仅动态响应特快，而且检测精度也相当的高。

Claims

1.一种在线自适应谐波电流检测系统，其特征在于该系统是由信号预处理部分、参考正交信号产生部分、包含计算机软件的自适应滤波部分以及计算机分析和显示部分构成；所说的信号预处理部分输入端接输入电流信号，输出端接自适应滤波部分的输入端；参考正交信号产生部分输入端接参考电压信号，输出端接入自适应滤波部分的输入端；自适应滤波部分输出端接入计算机分析和显示部分。

2.根据权利要求1所说的一种在线自适应谐波电流检测系统，其特征在于所说的信号预处理部分是由耦合变压器或电抗器构成，将藕合变压器或电抗器输出端的电流信号转化成适当滤波、放大的电压信号。

3.根据权利要求1所说的一种在线自适应谐波电流检测系统，其特征在于所说的参考正交信号产生部分是由包含带通滤波器和比较器的信号预处理电路、包含CD4046芯片、计数/分频器的锁相倍频电路以及正余弦计算电路构成；带通滤波器的输出端连接比较器的正向输入端，传递滤波后的电网电压信号；比较器的输出端连接CD4046芯片的信号输入端，传递同步方波信号，同时比较器的输出端为正余弦计算电路提供过零触发信号；CD4046芯片的信号输出端分别为锁相电路和正余弦计算电路提供电压同步信号，分频器输出的分频信号连接到CD4046芯片的信号输入端。

4.根据权利要求3所说的一种在线自适应谐波电流检测系统，其特征在于所说的参考正交信号产生部分中采用可以提高系统检测精度和动态响应特性的锁相环电路产生参考电压，并在积分器前串接低通滤波器。

5.根据权利要求1所说的一种在线自适应谐波电流检测系统，其特征在于所说的自适应滤波部分是由乘法器、加法器、积分器、前置低通滤波器以及自适应预测滤波器构成；信号预处理部分的输入端连接需检测的输入电流，输出端连接一加法器；加法器输出端连接乘法器，参考正交电路产生的两个信号分别接入此乘法器，乘法器输出端依次经过低通滤波器，自适应预测滤波器，积分器相连后分别接入乘法器；乘法器输出端回馈到加法器中作代数运算后得到需检测的谐波。

6.根据权利要求5所说的一种在线自适应谐波电流检测系统，其特征在于所说的自适应滤波部分的计算机软件组成涉及自适应滤波部分中自适应算法，其步骤为：①基于动态系统平均原理，依据最小方差原理得出算法数学公式；②增加u₁，u₂环节，u₁，u₂表示自适应预测滤波器的LMS算法的学习效率，它决定算法的收敛速度；③对信号中产生的无法补偿的延时和相移予以补偿；④通过适当的调节u改善系统的动态响应。

7.根据权利要求1所说的一种在线自适应谐波电流检测系统，其特征在于所说的计算机分析和显示部分是由信号接收装置以及计算机构成；信号接收装置接收检测系统输出信号，其分析显示波形和所需数据由计算机输出。