CN104849552A - 一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法，属于测量电变量技术领域，具体涉及为一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法。a.通过采样装置采集待测信号，得到输入信号 ；b.对输入信号进行谐波提取，得到各次谐波瞬时值、基波频率、直流偏移、及各次谐波幅值。本方法同时解决了原自适应陷波滤波器（ANF）方法在输入存在直流偏移时和幅值发生变化时产生的测量误差问题，即使输入信号的幅值与频率发生突变，甚至加入直流偏移时，本算法均能实时、高精度的提取出基波频率、直流偏移、各次谐波瞬时值与幅值。

Description

一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法

技术领域

本发明属于测量电变量技术领域，具体涉及为一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法。

背景技术

电力是现代社会中不可缺少的重要能源，但是随着科技的发展，大量的非线性电力电子设备出现在现代电力系统中，使电网中的高次谐波愈来愈严重。其对电力系统的影响的直接表现是电流和电压波形产生周期性畸变，在这些电流和电压的波形中出现了一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量(高次谐波分量)，高次谐波分量称为电力谐波。电力谐波对电力系统安全、稳定、经济运行构成了潜在威胁，给周围电气环境也带来了极大的影响，同时还阻碍了电力电子技术的发展。谐波作为电网的一大公害引发了人们对电力系统谐波问题的关注。谐波测量作为研究谐波问题的出发点和依据，成为人们研究谐波首要面对的课题。

目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器（APF）。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视。对于有源电力滤波器来说，检测出的谐波电流信息的质量直接影响到了补偿谐波的能力。因此，开发出一种能够实时、准确的检测出电网谐波信息的方法引起了人们的关注。

三相电路谐波及无功电流检测已有比较成熟的方法,如三相瞬时无功功率法等，然而，对单相电路来说, 这些方法则难以适用。目前，针对单相电路中的谐波及无功电流的实时检测，传统的利用自适应陷波滤波器（ANF）检测输入信号谐波分量的方法不仅在输入信号含有直流偏移时会产生较大的误差，而且在信号幅值发生变化时，由于ANF方程含有固定的参数，测量结果也会有巨大误差。

因此，有必要提供一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法，用以解决原自适应陷波滤波器（ANF）方法在输入存在直流偏移时和幅值发生变化时产生的测量误差问题。

发明内容

    本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法，能够实时、准确地检测出单相电路谐波信息。

本发明实现其目的采用的技术方案如下。

一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法，步骤如下：

a.通过采样装置采集待测信号，得到输入信号                                                ；

b.对输入信号通过以下微分方程集进行谐波提取，

其中：为含有谐波的输入信号；h为谐波次数；、、、均为方程的待求量；为一可调节的参数，可按需自行设定；为计算出的基波幅值；为一可调节的参数，用来表示算法的检测精度，可按需自行设定；，，，，均为求解过程中的中间量；

得到各次谐波瞬时值、基波频率、直流偏移、及各次谐波幅值。

步骤b中，运算得到：

其中：为计算出的h次谐波分量的瞬时值；为基波频率的计算值；为直流分量的计算值； 为h次谐波分量的正交分量；为h次谐波幅值；为h次谐波初相位；t为时间。

本方法同时解决了原自适应陷波滤波器（ANF）方法在输入存在直流偏移时和幅值发生变化时产生的测量误差问题，即使输入信号的幅值与频率发生突变，甚至加入直流偏移时，本算法均能实时、高精度的提取出基波频率、直流偏移、各次谐波瞬时值与幅值。

附图说明

图1为信号处理的总结构图；

图2为ANF子结构的内部结构图；

图3为基波幅值子结构图；

图4为直流偏移子结构图；

图5为自适应子结构图；

图6为输入电压信号波形图；

图7为提取出的输入电压信号直流偏移波形图；

图8为提取出的输入电压信号基波频率图;

图9为提取出的输入电压信号基波瞬时值波形图；

图10为提取出的输入电压信号三次谐波分量瞬时值波形图；

图11提取出的输入电压信号五次谐波分量瞬时值波形图；

图12为提取出的输入电压信号七次谐波分量瞬时值波形图；

图13为提取出的输入电压信号基波幅值图

图14为提取出的输入电压信号三次谐波幅值图；

图15为提取出的输入电压信号五次谐波幅值；

图16为提取出的输入电压信号七次谐波幅值图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法，步骤如下：

1.通过采样装置采集待测信号，得到输入信号 ；

2.对输入信号进行处理，得到各次谐波瞬时值、基波频率、直流偏移、及各次谐波幅值：

通过以下微分方程集对输入信号 进行谐波提取：

其中：为含有谐波的输入信号；h为谐波次数；、、、均为方程的待求量；为一可调节的参数，可按需自行设定；为计算出的基波幅值；为一可调节的参数，用来表示算法的检测精度，可按需自行设定；，，，，均为求解过程中的中间量。

运算得到：

其中：为计算出的h次谐波分量的瞬时值；为基波频率的计算值；为直流分量的计算值； 为h次谐波分量的正交分量；为h次谐波幅值；为h次谐波初相位；t为时间。。

运算提取过程如下：

图1为信号处理的总结构图。如图1所示，信号处理总结构由主电路、并联的ANF子结构、处理直流偏移子结构、产生自适应子结构与计算基波幅值子结构构成。

输入信号通过并联的ANF子结构、计算基波幅值的子结构后，通过处理直流偏移子结构对输入信号进行负反馈调节，通过产生自适应子结构对的大小进行调节。

图2为ANF子结构的内部结构图。如图2所示，ANF子结构以、作为输入，用于产生基波与各次谐波的瞬时值及其正交分量。和表示如下：

=

图3为基波幅值子结构图。如图3所示，运算基波幅值子结构以、作为输入，用于产生基波幅值。

表示为：

图4为直流偏移子结构图。如图4所示，直流偏移子结构以、作为输入，运算直流偏移，并产生对输入信号进行负反馈调节的信号。和表示如下：

图5为自适应子结构图。如图5所示，产生自适应子结构以、作为输入，用于产生自适应调节的值。

表示为：

本方法对于直流偏移，通过增加积分环节将直流偏移提取出来，使得测量得到的基波频率和各次谐波幅值准确。而改进后的能够自动对基波幅值的变化进行调节，克服了因为幅值变化导致的测量误差问题。

为了验证本发明的基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法，能够实时、高精度的提取出基波频率、直流分量、各次谐波瞬时值与幅值。使用Matlab的电力系统工具箱构建单相电路的电力系统模型，以产生含有谐波的输入信号。

令输入电压信号为：

。

在0.3秒时幅值和频率同时发生突变，输入电压信号变为：

。

在0.6秒时加入直流偏移，输入电压信号变为。

图6为输入电压信号波形图。在0.3秒时，输入电压信号幅值和频率突变；在0.6秒时，加入直流偏移。

图7为提取出的输入电压信号直流偏移的波形图。在输入信号幅值与频率突变时或者加入直流偏移时，均能高精度、实时检测直流偏移。

图8为提取出的输入电压信号基波频率图。

在幅值与频率突变时或者加入直流偏移时，均能高精度、实时检测基波频率。

图9为提取出的输入电压信号基波瞬时值波形图。在幅值与频率突变时或者加入直流偏移时，均能高精度、实时检测基波瞬时值。

图10为提取出的输入电压信号三次谐波分量瞬时值波形图。在幅值与频率突变时或者加入直流偏移时，均能高精度、实时检测三次谐波瞬时值。

图11为提取出的输入电压信号五次谐波分量瞬时值波形图。在幅值与频率突变时或者加入直流偏移时，均能高精度、实时检测五次谐波瞬时值。

图12为提取出的输入电压信号七次谐波分量瞬时值波形图。在幅值与频率突变时或者加入直流偏移时，均能高精度、实时检测七次谐波瞬时值。

图13为提取出的输入电压信号基波幅值图。

图14为提取出的输入电压信号三次谐波幅值图。

图15为提取出的输入电压信号五次谐波幅值图。

图16为提取出的输入电压信号七次谐波幅值图。

在幅值与频率突变时或者加入直流偏移时，均能高精度、实时检测各次谐波幅值。

稳态时的精度分析如下，取0.9秒时算法的结果数据进行精度分析：

（1）基波频率计算结果精度分析：

由分析可知，相对误差非常小，几乎可以忽略，可见本方法的精度非常高。

（2）各次谐波幅值计算结果精度分析：

由分析可知，相对误差非常小，几乎可以忽略，可见本方法的精度非常高。

（3）直流偏移计算结果精度分析：

直流偏移理论值（V）	算法计算值（V）	相对误差（%）
			5.00	4.999999999991550	-1.69003E-10

由分析可知，相对误差非常小，几乎可以忽略，可见本方法的精度非常高。

结果显示，本方法同时解决了原自适应陷波滤波器（ANF）方法在输入存在直流偏移时和幅值发生变化时产生的测量误差问题，即使输入信号的幅值与频率发生突变，甚至加入直流偏移时，本算法均能实时、高精度的提取出基波频率、直流偏移、各次谐波瞬时值与幅值。

本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法，步骤如下：

a.通过采样装置采集待测信号，得到输入信号                                                ；

b.对输入信号通过以下微分方程集进行谐波提取，

其中：为含有谐波的输入信号；h为谐波次数；、、、均为方程的待求量；为一可调节的参数，可按需自行设定；为计算出的基波幅值；为一可调节的参数，用来表示算法的检测精度，可按需自行设定；，，，，均为求解过程中的中间量；

得到各次谐波瞬时值、基波频率、直流偏移、及各次谐波幅值。

2.如权利要求1所述的一种基于自适应陷波滤波器的谐波提取方法，其特征在于，步骤b中，运算得到：

其中：为计算出的h次谐波分量的瞬时值；为基波频率的计算值；为直流分量的计算值； 为h次谐波分量的正交分量；为h次谐波幅值；为h次谐波初相位；t为时间。