八开关七电平APF谐波检测优化方法研究
时间：2020-11-13 04:35:01 来源：达达文档网 本文已影响 人 
王星皓 李梦达
摘要：为解决在八开关七电平APF中网测电流THD降低不足的特点，本文从谐波检测方法以及直流侧电压控制两个方面对该拓扑APF进行优化。FFT检测的实时性较弱;瞬时无功功率的ip-iq检测方法用MAF优化;BP谐波检测通過一种新的改进样本质量的方法优化，研究表明后两种谐波检测获得的PWM调制输入信号得到了进一步精确。对改用滑模PI的直流侧控制策略并对参数进行优化，最终通过SIMULINK仿真验证APF性能的确切提高。
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.
关键词：谐波检测;神经网络;有源电力滤波器;谐波畸变率
Key words：
harmonic detection;neural network;active power filter;harmonic distortion rate
中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）30-0172-03
0 引言
为解决各类电力系统与设备中谐波含量残次不齐的问题，并设计出能补偿源测电流的电力设备，因此有了有源电力滤波器——APF的概念及其相关研究，并联型APF是改善负载产生的谐波以及无功功率对电网侧产生不良影响的重要研究方向。研究以八开关七电平APF为基础，将上述的三种谐波检测方法加以改进：对常用的ip-iq谐波检测加入MAF的低通滤波算法;对BP神经网络中训练样本进行调整;最后对整体APF进行仿真测试。
1 八开关七电平APF的理论设计
APF的整体功能结构如图1所示。为成功构建APF并实现性能改良，优化对APF的研究通常通过以下几个方面深入：APF的指令电流检测环节即APF的谐波检测部分;APF的主电路结构及其相关研究;APF的直流侧电压控制;APF的PWM电流跟踪控制方式。
图2展示了中点钳位型八开关七电平APF的拓扑结构，均采用H桥的电路拓扑，在H桥的连接桥臂设置抽头电抗，取左边三分之一抽头处作为电平输出点。
表1展示了0，1，2三点的电压关系，设点1电压为v1，点2电压为v2，根据抽头电抗的数学模型可知，v0产生电平为
2 谐波检测优化分析
2.1 ip-iq检测法的MAF优化
式（2）为MAF的数学算法，其中X（k）代表k采样时刻电流经过低通滤波的输出量，x（k）是k采样时刻对应的电流采样数据。
分别对两种低通滤波方法进行测试对比，图3为其对比效果波形图，在第一个变化时刻对应阻值突变，第二个变化时刻为电阻变为阻感负载。对比波形验证了MAF的低通滤波提高了LPF的动态性能稳态时间更短，即响应速度快。
2.2 神经网络谐波检测样本优化
文献[5]以及文献[6]在设定样本进行验证的环节不能够反映负载电流中的实际复杂情况。提出一种样本优化的策略，针对特定的负载种类设计神经网络样本集。APF补偿精度通常限制在25次谐波以内为使样本更具有现实负载电流的特征。一种优化思路是对常用的阻感容负载，换流器负载比如整流负载带阻感负载建立交流测电流谐波的数学模型。Graham-Schonholzer法[7]计及换相过程以及直流侧电流脉动，但该方法及存在误差且数学公式复杂。研究利用神经网络拟合非线性函数的特点，对所需范围内的信号，按固定的阻值步长，根据香农采样定理设定采样频率，用加窗插值FFT分析[3]可得到所需的样本。图4为两种方法检测性能对比，差异较小。
3 整体仿真分析
在MATLABR2015b中仿真八开关七电平APF的整体模型，图5为神经网络谐波检测与滑模PI控制直流侧电压下[8]的八开关七电平APF整体拓扑。文献[10]提出了一个APF主电路设计理论，提出了电网侧相电压与APF直流侧电压的合理数学关系，以满足补偿电流跟踪性能对APF交流侧输出电压的要求。
各电路参数如源侧线电压均参考文献[1]的数据以保证在同一电路参数下进行优化对比测试。根据APF主电路理論可得直流侧电压需大于1124V。采用滑模PI控制优化输出1350V。APF的整体仿真模型和补偿效果分别如图5、图6所示。
当ip-iq法在改用MAF并运用于系统中时，网测THD为5.89%，而样本优化的神经网络谐波检测可使网测THD达到4.73%，如图7所示，达到5%以下，满足GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》对网测电流THD的要求。
参考文献：
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基金项目：黑龙江省自然科学基金项目资助（59820485）。
作者简介：王星皓（1997-），男，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向为APF算法优化。
