基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有源電力濾波器應(yīng)用研究

電網(wǎng)的諧波濾波對于維護電網(wǎng)的供電質(zhì)量意義重大，特別對于關(guān)鍵供電設(shè)備受諧波影響很大，更需要高質(zhì)量的電源作保證。而要保證電網(wǎng)中濾波的效率和準確率，就必須準確的判斷諧波的次數(shù)和幅值大小。所以關(guān)鍵問題在于諧波的檢測和判斷，特別對于電網(wǎng)負荷大幅波動的情況下，諧波的快速準確檢測更有重大的價值。

　　一、電網(wǎng)諧波的傳統(tǒng)檢測方法

　　諧波檢測的傳統(tǒng)方法也有很多，其中重點在于對電流諧波的檢測。綜合來講，主要有以下幾種諧波檢測方法：

　　1） 傅立葉分析方法：主要是對檢測到的電流電壓信號進行傅立葉分析，分解出高次諧波的頻譜，最后計算出應(yīng)該加入的濾波裝置參數(shù);

　　2） 小波分析方法：本質(zhì)上是傅立葉分析方法的一個擴展，只不過在頻譜的提取上更有特點，計算方式與傅立葉方法類似;

　　3） 零序電流分析方法：通過檢測零序電流和瞬時無功功率來進行諧波分析;

　　4） PI調(diào)節(jié)濾波器法：通過PI調(diào)節(jié)技術(shù)結(jié)合濾波技術(shù)，來檢測特定次的諧波含量;

　　5） 等功率法：通過檢測直流側(cè)電容的平均電壓來判定電網(wǎng)諧波;

　　6） 其它基于先進控制理論的諧波檢測技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等。

　　二、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　BP（Back propagation）網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，是一種利用誤差反向傳播訓(xùn)練算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。解決了多層網(wǎng)絡(luò)中隱含單元連接權(quán)的學(xué)習(xí)問題。

　　對于系統(tǒng)的輸入M和輸出L，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可看成是從M維歐氏空間到L維歐氏空間的映射，這種映射的一大特點是高度的非線性，用途非常廣泛，結(jié)構(gòu)如圖2.1所示其中包括：

　　1） 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)：圖像數(shù)據(jù)的壓縮存儲和圖像特征的抽取;

　　2） 模式識別技術(shù)：用于信息的識別比如文字，語言等，特別適用于對特征的判斷;

　　3） 函數(shù)逼近：用于復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的建模和控制，特別適合于強耦合和非線性的系統(tǒng)。

圖2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　考慮用BP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來檢測諧波主要也是基于電力系統(tǒng)動態(tài)諧波的特點而定的，電網(wǎng)里面的諧波次數(shù)很多，過去的一個關(guān)鍵設(shè)備就是一種并行的濾波式檢測裝置。這種裝置的原理方框圖如圖2.2所示，它的實時性和準確性都還不錯，但由于濾波器數(shù)量太多，造成整套裝置十分復(fù)雜，故障率和可靠性比較低，且無法根據(jù)需要進行功能上的修改，適應(yīng)性較差。

圖2.2 并行濾波式諧波檢測裝置方框圖

　　比較圖2.1和圖2.2，可以考慮用BP網(wǎng)絡(luò)來代替圖2.2中的硬件電路，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法來加以代替。可以將實際電網(wǎng)的輸入信號看成是待測量信號，進行一系列的采樣和自我學(xué)習(xí)。BP網(wǎng)絡(luò)的輸出得出的是所要檢測的各次諧波電流信號的幅值，得到的這些電流信號是有源電力濾波器的補償電流發(fā)生電路所需要的指令電流信號的重要部分。基于這種思想，可以考慮用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進行的諧波電流的檢測，本文中，將做一下仿真研究。

　　三.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)諧波檢測

　　3.1 電力系統(tǒng)諧波特點

　　在電力系統(tǒng)中，判斷諧波的大小有一個量化指標，常用總諧波畸變率（THD）來度量電壓和電流的質(zhì)量。

　　（3.1）

　　上式中， Ah表示第h次諧波幅值; A1表示基波I1（t）幅值。

　　有源電力濾波器在本質(zhì)上就是通過降低電力系統(tǒng)中的總諧波畸變率，使電能質(zhì)量達到國家制定的電能質(zhì)量標準。在電力系統(tǒng)中的諧波可以歸納出以下的這些特點：

　　1） 奇次諧波是電網(wǎng)中諧波的主要成分，而且奇次諧波的幅值也不會超過基波幅值的70%,高次諧波的幅值都比較小，所以要重點考慮奇次諧波的濾波;

　　2） 電力系統(tǒng)畸變電流中所含有的奇次諧波分量很多，但有幾種是嚴重影響電能質(zhì)量的，包括5次、7次、11次和13次諧波;

　　3） 實際操作中，有源電力濾波器的檢測環(huán)節(jié)先檢測出這幾種諧波，然后控制補償和濾波電路進行動作，濾掉這幾種影響較大的諧波，從而顯著降低 中的諧波含量，也就大幅度降低了電力系統(tǒng)的總諧波畸變率。

　　基于以上分析，本文提出了下面的檢測方案，如圖3.1所示。即用一個輸入節(jié)點為128,輸出節(jié)點為3的BP網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)有源電力濾波器對諧波電流的檢測;輸出層的期望輸出分別是5次、7次、11次和13次諧波的幅值;輸入層的輸入為畸變波在一個基波周期的128個采樣值（當基波的頻率為50Hz時，采樣周期取0.02/127s）。

圖3.1 基于BP網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測方案

　3.2 BP諧波檢測網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

　　BP網(wǎng)絡(luò)中的一個關(guān)鍵步驟是關(guān)于隱含層的設(shè)計，包括隱含層的數(shù)量和對應(yīng)關(guān)系等問題。若BP網(wǎng)絡(luò)中的每個輸出諧波都與同一個隱層相連接，輸出層和隱層之間的連接權(quán)對對諧波濾波值可以給出最佳值，但是整個系統(tǒng)的記憶負擔(dān)太重，而降低系統(tǒng)的效能，并有可能相互影響。但是如果使每次諧波分別對應(yīng)于一個隱層，即都有自己的隱層，每個隱層只負責(zé)記憶自己所對應(yīng)的那個諧波的隱含映射關(guān)系，將會更好地克服由于一個隱層帶有的諧波之間相互影響的問題。

　　在本文中我們對圖3.1所示的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練采用的是一種啟發(fā)式學(xué)習(xí)算法即動量BP算法（MOBP），該算法采用動量法調(diào)整策略，可顯著降低網(wǎng)絡(luò)對于誤差曲面局部細節(jié)的敏感性，有效的抑制網(wǎng)絡(luò)陷入局部極小，在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中MOBP采用式（3.1）和式（3.2）修正權(quán)值和閾值。

　　在式（3.1）和（3.2）中： 是學(xué)習(xí)速率，γ是動量系數(shù)。m是指網(wǎng)絡(luò)的第m層， 是近似均方誤差對m層輸入的敏感性，b是網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，w是網(wǎng)絡(luò)閾值，Y是網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸出，T是矩陣轉(zhuǎn)置。

　　四.仿真研究

　　用上述構(gòu)成的組合控制進行仿真，將電流檢測應(yīng)用到有源電力濾波器中觀察波形，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層采用非線性激活函數(shù)logsig和線性激活函數(shù)pureline進行檢測結(jié)果對比，根據(jù)仿真值計算所得的THD平均值如表1所示：

表1 測試樣本補償前后的平均THD值

　　采用訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)檢測實驗仿真濾波器電路的電流波形，其中電源電流波形和濾波器注入電流波形分別如圖4.1至圖4.5所示。

圖4.1 電源電流波形

圖4.2 濾波器注入電流波形

圖4.3 沒有濾波裝置時的系統(tǒng)電流

圖4.4 投入混合型有源濾波器后的系統(tǒng)電流

圖4.5 不同情況下系統(tǒng)電流頻譜比較

　　表1和圖4.1、圖4.2表明總諧波畸變率經(jīng)諧波補償后得到了明顯的下降，說明該諧波電流檢測方法能較好的進行諧波電流檢測并比較好的進行補償。

　　結(jié)束語

　　本文從瞬時無功功率入手，通過對BP網(wǎng)絡(luò)模型、檢測方法等方面的改進進行組合控制, 在負載突變時引進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高準確實時性，得到了準確實時性好的諧波檢測方法，結(jié)合有源濾波器將檢測方法應(yīng)用到檢測環(huán)節(jié)通過仿真結(jié)果可以看出該方法為分析和設(shè)計諧波動態(tài)檢測提供了有效的手段和工具。