專利名稱：基于加權一階局域理論的綜合電力濾波器諧波電流預測方法
技術領域：
本發明涉及一種電力濾波器諧波電流預測方法，特別是一種基于加權一階局域理論的綜合電力濾波器諧波電流預測方法。
背景技術：
由無源濾波器和有源濾波器組成的綜合電力濾波器具有低成本和高濾波性能的特點，因而很快成為了熱門研究課題。快速而準確地檢測出諧波，是綜合電力濾波器實現有效補償諧波的基礎和前提。在現有的諧波電流檢測方法中，基于自適應對消原理的諧波檢測方法具有良好的自適應能力，它的缺點是動態響應速度較慢，其延時超過一個周期。基于傅立葉變換的諧波檢測方法具有檢測準確度高、實現簡單、功能多和使用方便等諸多優點，但也存在計算工作量大、計算時間長等缺點，其延時亦超過一個周期。基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法，具有較好的實時性，有較快的動態響應速度，但這種方法會因被檢測對象電流中諧波構成和采用濾波器的不同而有不同的延時，其延時接近一個周期，檢測三相整流負載諧波的延時最小，也達到1/6周期。因此上述方法檢測的結果實際上是較長時間前的諧波。解決延時這一問題最好的辦法是對諧波電流進行跟蹤和預測，根據預測值對諧波電流進行補償。2001年16期的《電工技術學報》中《電力牽引系統的預測型諧波電流檢測方法研究》一文提出了電力牽引系統的諧波電流預測方法，Digital adaptive control of three phase adynamic power filter under unsymmertrical loading condition[c].Proceeding of IEEE PESC一文提出了一種在不對稱負載情況下有源電力濾波器的預測控制方法，它們雖然能夠在t時刻預測出t+1時刻的諧波電流，但由于采樣和計算都需要時間，而且這段時間常常接近一個周期，因而仍然會引起差拍產生較大的誤差。2002年22期《中國電機工程學報》中《基于灰色理論的有源濾波器的預測控制》一文提出了基于灰色理論的有源濾波器的預測控制方法，較好地實現了無時延預測控制，但計算過程比較復雜，實現起來比較困難。
傳統預測方法 以2001年16期的《電工技術學報》中《電力牽引系統的預測型諧波電流檢測方法研究》一文提出的電力牽引系統的諧波電流預測方法為例該方法在第n周期k+1點的預測值表示為in(k+1)＝i1n(k+1)+i2n(k+1) (1)式(1)中n為基波周期序列，k為一個周期內的采樣點序列，i1n(k+1)為固定分量，i2n(k+1)為擾動分量；當負荷電流漸變時，采用線性外推算法可求得固定分量i1n(k+1)＝2in-1(k+1)-in-2(k+1) (2)利用二階外推算法可求得擾動分量i2n(k+1)＝3ien(k)-3ien(k-1)+ien(k-2)(3)式(3)中的ien(k)＝in(k)-in-1(k)。
當負荷電流劇烈變化時，可通過對預測環節進行適當處理后得到；引入參數A，若
in(k)＝A·in-1(k) (4)則in*(k+1)＝A·in-1(k+1)(5)在運算過程中，當A大于某一設定值時，說明系統負荷電流發生了劇烈變化，按式(4)、(5)計算；當A小于某一設定值時，按式(1)、(2)、(3)計算；由于該方法能在t時刻預報t+1時刻的諧波電流，因而它能減少低通濾波器造成的延時和APF控制的時滯，從而達到了減少諧波檢測誤差的目的；但其存在的問題也是顯然的為了在t+1時刻消除諧波，控制策略應該在t時刻執行，但由于計算A值需要時間，對A值進行判斷后選取運算方法也需要時間，再對諧波電流進行預測更需要時間，而且這段時間常常接近一個周期，因而必然會引起時延，導致差拍，使得該諧波預測方法仍然會存在一些誤差。
該方法是針對電力牽引負荷提出來的，對于電力牽引負荷的諧波檢測比較準確，但對于一般的非線性負載誤差會大些，因而要把該方法推廣到一般的非線性負載，仍然還有一些問題需要作進一步探討。

發明內容
本發明的目的是提供一種基于加權一階局域理論的綜合電力濾波器諧波電流預測方法，它可以實現兩步預測的無時延控制，大大提高了預測精度和消噪能力，同時具有原理簡單和實時性好等特點。
有必要先研究以下綜合電力濾波器工作原理
綜合電力濾波器系統由無源濾波器和有源濾波器兩部分組成的。無源濾波器由5次、7次和高通濾波器組成，其中5次、7次濾波器均由單調諧濾波器組成，主要起濾除諧波和實現無功功率補償的作用；高通濾波器主要起濾除開關頻率附近諧波的作用，通常采用二階高通濾波器。有源濾波器由諧波預測、控制電路和補償電路等組成，主要起提高、改善無源濾波器濾波效果目的，并能有效地抑制電力系統阻抗和無源濾波器之間可能產生的串、并聯諧振，使得無源和有源濾波器總的串聯諧波阻抗對各次諧波都為零，從而使所有的負載諧波電流流入無源濾波器支路。由于有源濾波器不是直接抑制和補償諧波，由它所產生的補償電壓中不含基波電壓，只含諧波電壓，故其功率容量較小，因而濾波器的成本得以下降。
基于加權一階局域理論的諧波電流預測方法由D.J.Farmer和Takans等提出的時間延遲相空間重構方法，為時間序列預測提供了一條嶄新的途徑。該方法根據擬合相空間中吸引子的方式可分為全域法和局域法。所謂全域法是將軌跡中的全部點作為擬合對象，找出其規律，由此預測軌跡的走向。由于實際數據總是有限的，以及相空間比較復雜，從而難以求出映射函數。局域法是將相空間軌跡的最后一點作為中心點，把離中心點最近的若干點作為相關點，然后對這些相關點作出擬合，再估計軌跡下一點的走向，最后從預測出的軌跡過程中分離出所需要的預測值。由于實際中相空間領域中各點與中心點之間的距離是一個非常重要的參數，預測的準確性往往處決于與中心點距離最近的那幾個點，因此將中心點的空間距離作為一個擬合參數引入預測過程，在一定程度上可以提高預測精度，并有一定的消噪能力。加權一階局域法就是在一階局域算法的基礎上考慮相空間領域中各點與中心點之間的距離后得到的，其原理與基本步驟為第一步，預處理設Ih(t)為t時刻諧波的中心點，其參考向量集為Ihi(t)，則t+1時刻諧波參考向量集滿足下列一階局域線性擬合Ihi(t+1)＝aE+bIhi(t)，其中i＝1，2，…，n，a、b為擬合參數，E=11···1m,]]>其中m≥1；由于諧波問題屬于低維空間，因而這里只討論m＝1的情況；由此可得一階加權局域線性擬合的矩陣形式Ih1(t+1)Ih2(t+1)···Ihn(t+1)=a+bIh1(t)a+bIh2(t)···a+bIhn(t);]]>第二步，根據G-P算法計算出時間序列的關聯維數關聯函數為Cn(r)=1/N2Σi,j=1Nθ(r-|Ihi-Ihj|);]]>其中N為鄰域中點的數目，r為給定的小正數，|Ihi-Ihj|表示兩相點之間的距離，θ為Heaviside函數，且 當r→0時可得limr→0Cn(r)∝rH;]]>H稱為關聯維數，選取適當的r值使得H=lnCn(r)lnr;]]>第三步，尋找鄰近點在相空間中求出Ih(t)的參考向量集Ihi(t)，計算出各點到中心點Ih(t)之間的距離di，其中的最小距離為dmin，由此計算出Ihi(t)的權值
Pi=exp[-α(di-dmin)]Σi=1nexp[-α(di-dmin)];]]>其α為參數，一般取α＝1；第四步，進行預測對第一步中的Ihi(t+1)＝aE+bIhi(t)和第三步中的Pi=exp[-α(di-dmin)]Σi=1nexp[-α(di-dmin)]]]>利用加權最小二乘法可得minΣi=1npi[Ihi(t+1)-a-bIhi(t)]2;]]>將其分別對a、b求偏導可得Σi=1n-2pi[Ihi(t+1)-a-bIhi(t)]=0]]>和Σi=1n-pi[Ihi(t+1)-a-bIhi(t)]Ihi(t)=0;]]>聯立求解可得a=Σi=1npiIhi(t+1)-Σi=1npiIhi(t)Ihi(t+1)-Σi=1npiIhi(t+1)Σi=1npiIhi(t)Σi=1npi[Ihi(t)]2-[Σi=1npiIhi(t)]2Σi=1npiIhi(t);]]>b=Σi=1npiIhi(t)Ihi(t+1)-Σi=1npiIhi(t+1)Σi=1npiIhi(t)Σi=1npi[Ihi(t)]2-[Σi=1npiIhi(t)]2;]]>將所得a、b之值代入第一步中的Ihi(t+1)＝aE+bIhi(t)，便可求出Ih(t)的一步預測值Ih(t+1)，然后根據一步預測值Ih(t+1)求得兩步預測值Ih(t+2)。


圖1為綜合電力濾波器原理圖；圖2為加權一階局域預測原理圖；
圖3為預測控制系統框圖；圖4為采用傳統預測方法補償后的電流波形；圖5為采用局域預測方法補償后的電流波形；圖6為負載突變時的電流波形；圖7為負載突變時的電流輸出響應；圖8為兩種檢測方法得出的諧波含量比較圖。
具體實施例方式
諧波電流的預報諧波電流的預報原理如圖2所示，其原理與基本步驟為第一步，預處理設Ih(t)為t時刻諧波的中心點，其參考向量集為Ihi(t)，則t+1時刻諧波參考向量集滿足下列一階局域線性擬合Ihi(t+1)＝aE+bIhi(t)，其中i＝1，2，…，n，a、b為擬合參數，E=11···1m,]]>其中m≥1；由于諧波問題屬于低維空間，因而這里只討論m＝1的情況；由此可得一階加權局域線性擬合的矩陣形式Ih1(t+1)Ih2(t+1)···Ihn(t+1)=a+bIh1(t)a+bIh2(t)···a+bIhn(t);]]>第二步，根據G-P算法計算出時間序列的關聯維數關聯函數為Cn(r)=1/N2Σi,j=1Nθ(r-|Ihi-Ihj|);]]>其中N為鄰域中點的數目，r為給定的小正數，|Ihi-Ihj|表示兩相點之間的距離，θ為Heaviside函數，且 當r→0時可得limr→0Cn(r)∝rH;]]>H稱為關聯維數，選取適當的r值使得H=lnCn(r)lnr;]]>第三步，尋找鄰近點在相空間中求出Ih(t)的參考向量集Ihi(t)，計算出各點到中心點Ih(t)之間的距離di，其中的最小距離為dmin，由此計算出Ihi(t)的權值Pi=exp[-α(di-dmin)]Σi=1nexp[-α(di-dmin)];]]>其α為參數，一般取α＝1；第四步，進行預測對第一步中的Ihi(t+1)＝aE+bIhi(t)和第三步中的Pi=exp[-α(di-dmin)]Σi=1nexp[-α(di-dmin)]]]>利用加權最小二乘法可得minΣi=1npi[Ihi(t+1)-a-bIhi(t)]2;]]>將其分別對a、b求偏導可得Σi=1n-2pi[Ihi(t+1)-a-bIhi(t)]=0]]>和Σi=1n-pi[Ihi(t+1)-a-bIhi(t)]Ihi(t)=0;]]>聯立求解可得a=Σi=1npiIhi(t+1)-Σi=1npiIhi(t)Ihi(t+1)-Σi=1npiIhi(t+1)Σi=1npiIhi(t)Σi=1npi[Ihi(t)]2-[Σi=1npiIhi(t)]2Σi=1npiIhi(t);]]>b=Σi=1npiIhi(t)Ihi(t+1)-Σi=1npiIhi(t+1)Σi=1npiIhi(t)Σi=1npi[Ihi(t)]2-[Σi=1npiIhi(t)]2;]]>將所得a、b之值代入第一步中的Ihi(t+1)＝aE+bIhi(t)，便可求出Ih(t)的一步預測值Ih(t+1)，然后根據一步預測值Ih(t+1)求得兩步預測值Ih(t+2)。
輸出電流的預報綜合電力濾波器輸出電流的預報原理見圖3所示。將補償模塊的部分輸出電流ip(t)反饋到預測模塊，由于t時刻各個開關的狀態已知，電源電壓在一個周期內保持恒定，因而可以根據t時刻的輸出電流計算出t+1時刻的輸出電流ip(t+1)=ip(t)+13vd-vs(t)L·ω]]>進而預測出t+2時刻的輸出電流ip(t+2)=ip(t+1)+13va-vs(t)L·ω]]>式中的vd為有源濾波器中直流測電容兩端的電壓，vs為電源電壓，L為與逆變橋串聯線圈的電感，ω為采樣電流角頻率。
預測控制預測控制是一種優化控制，但它與通常的離散最優控制不同，不是采用一個不變的全局最優化目標，而是采用滾動式的有限時域優化策略，始終把優化過程建立在從實際過程中獲得最新信息的基礎上，因此可以獲得魯棒性較滿意的結果。基于加權一階局域理論的預測控制原理如圖3所示。它由預測模塊、控制模塊和補償模塊等組成。局域預測模塊根據t時刻諧波檢測電路輸出的諧波電流ih(t)預測出t+2時刻的諧波電流ih(t+2)，并求出其與理想值的偏差，從而選擇第t+1步的控制策略，利用最小二乘法使得t+2時刻偏差值達到最小值。由于實際系統存在著非線性、時變、模型失配和干擾等不確定因素，使得預測過程中產生較大誤差。為了解決這一問題，將局域預測模型輸出的部分諧波值與諧波設定值相比較，得出模型的預測誤差，再利用該誤差來校正預測值，從而得到更為準確的諧波電流預測值。正是由模型預測加反饋校正的過程使得局域預測控制具有很強的抗干擾和克服系統不穩定性的能力。
仿真與實驗結果分析將本發明提出的諧波電流預測方法應用到補償功率為3KVA的綜合型電力濾波器中，三相電源線電壓為380V，基波頻率為50Hz，負載為典型諧波源——三相整流負載。該濾波器中的無源濾波器參數如下濾波器L/mHC/μF5次濾波器 13.420.67次濾波器 11.011.3高通濾波器0.35176.0有源濾波器由逆變器(IGBT)、直流電容器和檢測控制電路等組成，容量為0.5KVA，開關頻率為20KHz，直流電容器容量為1100μF，直流電壓為800V。
利用Pspice軟件對本文提出的預測控制方法進行了仿真研究，仿真結果如圖4至圖8所示。圖4給出了采用傳統濾波方法補償后的電流波形，圖5給出了采用局域預測濾波方法補償后的電流波形。從圖中看出，采用本文提出的方法比傳統濾波方法補償電流的波形要好，更接近于正弦波。
圖6給出了負載突變時的電流波形，在第一個周期后電流幅值發生了突變，由6安培下降到3安培。圖7是上述負載突變時兩種諧波電流檢測電路的電流輸出響應，由此可見，采用傳統檢測方法大約要經過一個周期后，檢測電路的輸出響應才能逼近真實值，采用本文提出的方法幾乎可以無差拍地逼近真實值，負載電流的相位和大小幾乎不受影響，體現了良好的跟蹤和預測效果。
對基于以上結構和原理的3KVA實驗裝置做了實驗，結果如圖8所示。圖8中給出了兩種預測方法補償后的效果，其中傳統預測方法得出的3次、5次、7次和9次諧波的含量分別為8％、5.2％、3.8％和1.5％，本文所提方法得出的諧波含量較低，僅為1.9％、1.8％、2.0％和0.5％。
本發明對傳統諧波電流預測方法進行了分析，指出了其優、缺點。將局域預測理論應用于綜合電力濾波器的諧波電流預測之中，提出了基于加權一階局域理論的綜合電力濾波器諧波電流預測方法。該方法只需要預測諧波電流和綜合電力濾波器輸出電流兩個參數，能夠在t時刻預報出t+2時刻的諧波電流與其理想值的偏差值，通過選擇t+1時刻的控制策略，使得在t+2時刻諧波電流與其理想值的偏差為最小，從而實現了諧波電流兩步預測的無時延控制。將中心點的空間距離作為一個擬合參數引入預測過程，達到了提高預測精度和消澡能力的目的。計算機仿真和實驗結果均表明了該方法不僅原理簡單，而且預測效果好，具有良好的理論和應用價值。
權利要求
1.一種基于加權一階局域理論的綜合電力濾波器諧波電流預測方法，其特征在于它包括以下步驟第一步，預處理設Ih(t)為t時刻諧波的中心點，其參考向量集為Ihi(t)，則t+1時刻諧波參考向量集滿足下列一階局域線性擬合為Ihi(t+1)＝aE+bIhi(t)；其中i＝1，2，…，n，a、b為擬合參數，E=11···1m,]]>其中m≥1；由于諧波問題屬于低維空間，因而這里只討論m＝1的情況；由此可得一階加權局域線性擬合的矩陣形式Ih1(t+1)Ih2(t+1)···Ihn(t+1)=a+bIh1(t)a+bIh2(t)···a+bIhn(t);]]>第二步，根據G-P算法計算出時間序列的關聯維數關聯函數為Cn(r)=1/N2Σi,j=1Nθ(r-|Ihi-Ihj|);]]>其中N為鄰域中點的數目，r為給定的小正數，|Ihi-Ihj|表示兩相點之間的距離，θ為Heaviside函數，且 當r→0時可得下limr→0Cn(r)∝rH;]]>H稱為關聯維數，選取適當的r值使得H=lnCn(r)lnr;]]>第三步，尋找鄰近點在相空間中求出Ih(t)的參考向量集Ihi(t)，計算出各點到中心點Ih(t)之間的距離di，其中的最小距離為dmin，由此計算出Ihi(t)的權值Pi=exp[-α(di-dmin)]Σi=1nexp[-α(di-dmin)];]]>其α為參數，一般取α＝1；第四步，進行諧波電流預測對第一步中的Ihi(t+1)＝aE+bIhi(t)和第三步中的Pi=exp[-α(di-dmin)]Σi=1nexp[-α(di-dmin)]]]>利用加權最小二乘法可得minΣi=1npi[Ihi(t+1)-a-bIhi(t)]2;]]>將其分別對a、b求偏導可得Σi=1n-2pi[Ihi(t+1)-a-bIhi(t)]=0]]>和Σi=1n-pi[Ihi(t+1)-a-bIhi(t)]Ihi(t)=0;]]>聯立求解可得a=Σi=1npiIhi(t+1)-Σi=1npiIhi(t)Ihi(t+1)-Σi=1npiIhi(t+1)Σi=1npiIhi(t)Σi=1npi[Ihi(t)]2-[Σi=1npiIhi(t)]2Σi=1npiIhi(t);]]>b=Σi=1npiIhi(t)Ihi(t+1)-Σi=1npiIhi(t+1)Σi=1npiIhi(t)Σi=1npi[Ihi(t)]2-[Σi=1npiIhi(t)]2;]]>將所得a、b之值代入第一步中的Ihi(t+1)＝aE+bIhi(t)，便可求出Ih(t)的一步預測值Ih(t+1)，然后根據一步預測值Ih(t+1)求得兩步預測值Ih(t+2)。
全文摘要
本發明提出了基于加權一階局域理論的諧波電流預測方法第一步，進行預處理，可得加權一階局域線性擬合的矩陣形式；第二步，根據G－P算法計算出時間序列的關聯維數；第三步，尋找鄰近點；第四步，進行諧波電流預測；該方法能在t時刻預測出t+2時刻的諧波電流與其理想值的偏差值，通過選擇t+1時刻的控制策略，利用加權最小二乘法使得在t+2時刻該偏差值為最小，從而實現了兩步預測的無差拍控制。將中心點的空間距離作為一個擬合參數引入預測過程，提高了預測精度和消噪能力。仿真和實驗結果表明了該方法能對諧波電流進行準確的跟蹤和預測，很好地解決了諧波檢測中的延時問題，不僅原理簡單，而且預測效果好，實時性好，具有良好的理論和應用價值。
文檔編號G01R23/16GK1581629SQ200410023210
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月19日 優先權日2004年5月19日
發明者李圣清 申請人:株洲工學院