八開關七電平APF諧波檢測優(yōu)化方法研究

王星皓 李夢達

摘要：為解決在八開關七電平APF中網(wǎng)測電流THD降低不足的特點，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撲APF進行優(yōu)化。FFT檢測的實時性較弱;瞬時無功功率的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)進行優(yōu)化，最終通過SIMULINK仿真驗證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.

關鍵詞：諧波檢測;神經(jīng)網(wǎng)絡;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 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）30-0172-03

0 ?引言

為解決各類電力系統(tǒng)與設備中諧波含量殘次不齊的問題，并設計出能補償源測電流的電力設備，因此有了有源電力濾波器——APF的概念及其相關研究，并聯(lián)型APF是改善負載產(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。研究以八開關七電平APF為基礎，將上述的三種諧波檢測方法加以改進：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)絡中訓練樣本進行調(diào)整;最后對整體APF進行仿真測試。

1 ?八開關七電平APF的理論設計

APF的整體功能結(jié)構如圖1所示。為成功構建APF并實現(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)構及其相關研究;APF的直流側(cè)電壓控制;APF的PWM電流跟蹤控制方式。

圖2展示了中點鉗位型八開關七電平APF的拓撲結(jié)構，均采用H橋的電路拓撲，在H橋的連接橋臂設置抽頭電抗，取左邊三分之一抽頭處作為電平輸出點。

表1展示了0，1，2三點的電壓關系，設點1電壓為v1，點2電壓為v2，根據(jù)抽頭電抗的數(shù)學模型可知，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)學算法，其中X（k）代表k采樣時刻電流經(jīng)過低通濾波的輸出量，x（k）是k采樣時刻對應的電流采樣數(shù)據(jù)。

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

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡諧波檢測樣本優(yōu)化

文獻[5]以及文獻[6]在設定樣本進行驗證的環(huán)節(jié)不能夠反映負載電流中的實際復雜情況。提出一種樣本優(yōu)化的策略，針對特定的負載種類設計神經(jīng)網(wǎng)絡樣本集。APF補償精度通常限制在25次諧波以內(nèi)為使樣本更具有現(xiàn)實負載電流的特征。一種優(yōu)化思路是對常用的阻感容負載，換流器負載比如整流負載帶阻感負載建立交流測電流諧波的數(shù)學模型。Graham-Schonholzer法[7]計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)學公式復雜。研究利用神經(jīng)網(wǎng)絡擬合非線性函數(shù)的特點，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中仿真八開關七電平APF的整體模型，圖5為神經(jīng)網(wǎng)絡諧波檢測與滑模PI控制直流側(cè)電壓下[8]的八開關七電平APF整體拓撲。文獻[10]提出了一個APF主電路設計理論，提出了電網(wǎng)側(cè)相電壓與APF直流側(cè)電壓的合理數(shù)學關系，以滿足補償電流跟蹤性能對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[1]的數(shù)據(jù)以保證在同一電路參數(shù)下進行優(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償效果分別如圖5、圖6所示。

當ip-iq法在改用MAF并運用于系統(tǒng)中時，網(wǎng)測THD為5.89%，而樣本優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡諧波檢測可使網(wǎng)測THD達到4.73%，如圖7所示，達到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。

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基金項目：黑龍江省自然科學基金項目資助（59820485）。

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