一種簡(jiǎn)單實(shí)用的APF諧波電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1、一種簡(jiǎn)單實(shí)用的APF諧波電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)李自成,任明煒,李彥旭(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013摘 要:現(xiàn)有的多種有源電力濾波器(Active Power Filter, APF單相電路諧波電流檢測(cè)方法,它們的有效性均采用仿真驗(yàn)證,而缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。針對(duì)此問(wèn)題,將UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)PCI口與計(jì)算機(jī)相連,以電源電壓和負(fù)載電流作為輸入信號(hào)可以構(gòu)成一種簡(jiǎn)單實(shí)用的APF諧波電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高、程序設(shè)計(jì)較為容易等特點(diǎn)。使用此系統(tǒng)對(duì)一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)證實(shí)使用此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以方便驗(yàn)證所提出的APF諧波電流檢測(cè)方法的正

2、確性和檢測(cè)性能。關(guān)鍵詞:有源電力濾波器;諧波電流;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);A/D數(shù)據(jù)采集卡;程序設(shè)計(jì)Simple Practical Experimental Detecting System for Harmonic Current of APFLI Zi-Cheng, REN Ming-Wei, LI Yan-Xu(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, ChinaAbstract: At present, the validities of many detectin

3、g methods for harmonic current of single-phase active power filter (APF are verified by simulation but without experiments. To solve this problem, a simple practical experimental detecting system for harmonic current of APF is obtained by UA206 A/D data collecting block being joined with computer by

4、 PCI port and supply power voltage and load current being regarded as input signals. The system has the characteristics of simple configuration, nice stability, high reliability and easy programmer. Using this system, the experiment of a detecting method for harmonic current based on neural networks

5、 is done, and it validates that adopting the system can expediently verify the correctness and detecting performance of the proposed detecting method for harmonic current of APF.Keywords: active power filter (APF; harmonic current; experimental system; A/D data collecting block; programmer1引言APF是一種治

6、理諧波和補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置,而諧波電流檢測(cè)是其關(guān)鍵技術(shù)?；谌嚯娐匪矔r(shí)無(wú)功功率理論的三相電路諧波電流檢測(cè)方法1是得到公認(rèn)的較為成熟的方法。而對(duì)于單相電路,至今還沒(méi)有一種較為成熟的方法?，F(xiàn)在,APF單相電路諧波電流檢測(cè)方法的研究已成為眾多學(xué)者關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。一般地,認(rèn)為諧波電流檢測(cè)屬于非線性問(wèn)題,是比較復(fù)雜的。因此,他們紛紛將針對(duì)非線性系統(tǒng)的現(xiàn)代控制的最新理論如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制等用于單相電路諧波電流檢測(cè),為此提出了許多新方法,如基于神經(jīng)元的自適應(yīng)法2-4,基于補(bǔ)償電流最收稿時(shí)間:2010-09-02;收到修改稿時(shí)間:2010-09-23小原理的檢測(cè)方法5,6,基于電路模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

7、的檢測(cè)方法7等。這些諧波電流檢測(cè)方法多采用仿真驗(yàn)證其有效性,而缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)3-7。造成這種結(jié)果的主要原因是傳統(tǒng)的APF諧波電流檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)具有一定的復(fù)雜性,其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在:要設(shè)計(jì)以微處理器為核心的硬件系統(tǒng)包括電路板設(shè)計(jì)、電路板的生產(chǎn)、電路板的調(diào)試等;要設(shè)計(jì)驗(yàn)證檢測(cè)方案的軟件系統(tǒng)要使用匯編語(yǔ)言或者高級(jí)語(yǔ)言(帶有高級(jí)語(yǔ)言編譯器的微處理器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編程,需要直接對(duì)硬件及接口編程,而且不同的微處理器,有不同的指令系統(tǒng),因此,程序設(shè)計(jì)較為困難。這些無(wú)疑具有一定的難度。而且按照這種思路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),只能驗(yàn)證負(fù)載電流處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的檢測(cè)效果,對(duì)于負(fù)載電流處于突然變化、負(fù)載電流處于緩慢變化等情況時(shí)的檢測(cè)效果

8、則無(wú)法檢驗(yàn)2,8。另外,在實(shí)驗(yàn)中,需要觀察電源電壓、負(fù)載電流、基波有功電流幅值、基波有功電流、諧波與無(wú)功電流之和等多個(gè)信號(hào)的波形,而按照上述思想設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)示波器在某一時(shí)刻只能看到少量的信號(hào)波形。采用UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)PCI口與計(jì)算機(jī)相連,以電源電壓和負(fù)載電流作為輸入信號(hào)可以構(gòu)成一種簡(jiǎn)單實(shí)用的APF諧波電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)克服了上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在的問(wèn)題,為APF諧波電流檢測(cè)方法提供了一種簡(jiǎn)單有效的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)APF諧波電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)PCI口與計(jì)算機(jī)相連,電源電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器,負(fù)載電流經(jīng)過(guò)電流互感器

9、作為UA206的輸入信號(hào)。電源電壓和負(fù)載電流通過(guò)UA206的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,該數(shù)字量被送入計(jì)算機(jī),通過(guò)簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)可以方便驗(yàn)證所提出的諧波電流檢測(cè)方法的正確性與檢測(cè)性能。2.1 UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡UA206 A/D卡是北京一公司開(kāi)發(fā)的PCI總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品,它通過(guò)PCI口與計(jì)算機(jī)相連。該卡采用美國(guó)新型16位A/D轉(zhuǎn)換芯片,電路設(shè)計(jì)及布線講究,帶有大容量的FIFO緩沖存儲(chǔ)器,指標(biāo)先進(jìn),性能穩(wěn)定。該卡的顯著特點(diǎn)是:高速、高精度、帶有較多的數(shù)字量I/O及計(jì)數(shù)功能。主要功能和技術(shù)指標(biāo):A/D部分:分辨率:16位;精度:0.015%(滿量程;最高實(shí)用采樣頻率:500 KHz;模擬輸

10、入通道: 16或者32單端,可選16差動(dòng);模擬量輸入范圍:±10 V;輸入阻抗:大于100 M;觸發(fā)方式:定時(shí)器觸發(fā),軟件觸發(fā);FIFO存儲(chǔ)器:32 KB。D/A部分:分辨率:12位;通道數(shù):2路;模出范圍:±5 V,±10 V可選;輸出電流:10 mA。數(shù)字量I/O:通道數(shù):24路;可編程輸入或輸出; TTL電平兼容。定時(shí)計(jì)數(shù)器:3通道可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器;字長(zhǎng): 16位;卡上時(shí)鐘:4 MHz。UA206 A/D卡具有良好的性能,因而由該卡組成的APF諧波電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高。采用UA206 A/D卡,省去了實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)的電路板設(shè)計(jì),生產(chǎn)和調(diào)試等過(guò)程。

11、2.2 程序設(shè)計(jì)UA206 A/D卡提供了豐富的編程支持,帶有使用VC+6.0和VB 6.0編寫(xiě)的演示原程序,適用于Windows98/2000/Me/XP及DOS等操作系統(tǒng)。連接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),接上電源電壓和負(fù)載電流,按照使用說(shuō)明安裝好驅(qū)動(dòng)程序。編譯、連接、運(yùn)行演示原程序可以在顯示器上看到輸入的電源電壓和負(fù)載電流的數(shù)值和曲線波形。在演示原程序的基礎(chǔ)上,根據(jù)諧波電流檢測(cè)方案,可以比較容易地編寫(xiě)出諧波電流檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)程序。此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)編程容易,原因在于使用通用的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言VC+ 6.0或VB 6.0編程,而且演示原程序已經(jīng)提供了程序框架,因此,只要具有一定的高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ),就能在演示原程序提

12、供的程序框架的基礎(chǔ)上適當(dāng)修改并增加根據(jù)檢測(cè)方案需要的程序就可得到所需的實(shí)驗(yàn)程序。還有一個(gè)原因是UA206 A/D卡附有專(zhuān)用的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)UA204.DLL,此動(dòng)態(tài)連接庫(kù)提供了許多簡(jiǎn)潔高效的采集和控制函數(shù)。在編寫(xiě)程序時(shí),可以方便地調(diào)用這些函數(shù)完成數(shù)據(jù)采集工作。這些函數(shù)有:OpenUA206:打開(kāi)UA206設(shè)備CloseUA206:關(guān)閉UA206設(shè)備ss204 :單通道單點(diǎn)采集mm204:單或多通道多點(diǎn)一次性采集start-204:單或多通道多點(diǎn)采集初始化read-204:單或多通道多點(diǎn)采集讀數(shù)據(jù)get-statu:讀采集狀態(tài)outb:I/O輸出一字節(jié)inb:I/O讀字節(jié)da-set:設(shè)置D/A值d

13、a-out:D/A輸出命令其中,mm204為多點(diǎn)一次性采集函數(shù),采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)組,函數(shù)返回時(shí)采集終止,適用于一次性采集數(shù)據(jù)。start-204、read-204為連續(xù)采集函數(shù),適用于邊采集邊存盤(pán)或者邊采集邊處理的應(yīng)用,在執(zhí)行start-204初始化后,卡上采集開(kāi)始并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于緩沖存儲(chǔ)器,此后可以通過(guò)get-statu讀狀態(tài)函數(shù)獲得采樣緩沖區(qū)狀態(tài),用read-204函數(shù)多次讀取數(shù)據(jù),在讀取數(shù)據(jù)間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存盤(pán),只要保證在緩沖區(qū)未滿時(shí)將數(shù)據(jù)讀出,間隔讀取的數(shù)據(jù)將是連續(xù)的。使用此系統(tǒng)通過(guò)程序設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)取數(shù)即時(shí)處理也可以連續(xù)采集一定的數(shù)據(jù)后再處理,而且在顯示器上可以顯示多個(gè)量的數(shù)值或曲線波

14、形,可以方便地研究當(dāng)負(fù)載電流處于穩(wěn)定狀態(tài)、緩慢變化、突變等各種情況時(shí)的檢測(cè)效果。3實(shí)驗(yàn)示例以文獻(xiàn)5提出的諧波電流檢測(cè)方法為例,使用此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證該方法的正確性和檢測(cè)性能。該方法以“當(dāng)負(fù)載電流為周期電流時(shí),負(fù)載電流與基波有功電流差的絕對(duì)值在一個(gè)周期內(nèi)的積分值最小”為檢測(cè)原理,采用三層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)即:采用三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出某個(gè)采樣時(shí)刻的基波有功電流幅值,則可計(jì)算出此采樣時(shí)刻的基波有功電流,由此采樣時(shí)刻的負(fù)載電流減去計(jì)算出的此采樣時(shí)刻的基波有功電流就得到此采樣時(shí)刻的諧波與無(wú)功電流之和。在實(shí)驗(yàn)時(shí),采樣頻率取5 KHz即一個(gè)周期內(nèi)的采樣個(gè)數(shù)N為100、輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)n取100、隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)m取1

15、0、輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1、誤差取0.001。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2圖4所示,圖2為負(fù)載電流處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、圖3為負(fù)載電流突然增大時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、圖4為負(fù)載電流突變?yōu)? A時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中, us為電源電壓、iL為負(fù)載電流;A、i1p、ia分別為檢測(cè)出的基波有功電流幅值、基波有功電流、諧波與無(wú)功電流之和。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法穩(wěn)定、可靠、電源頻率變化等對(duì)其檢測(cè)結(jié)果影響很小。當(dāng)負(fù)載電流處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),該方法能夠比較準(zhǔn)確地檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)闹C波與無(wú)功電流之和;當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生突變時(shí),該方法跟蹤速度快,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.5個(gè)周期。實(shí)驗(yàn)證實(shí):該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、在計(jì)算機(jī)顯示器上可同時(shí)看到多條實(shí)驗(yàn)波形,它

16、確能方便驗(yàn)證APF諧波電流檢測(cè)方法的正確性和檢測(cè)性能。圖2負(fù)載電流穩(wěn)定時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3負(fù)載電流突然增大時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖4負(fù)載電流從10 A突變?yōu)? A時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果4結(jié)論使用UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)PCI口與計(jì)算機(jī)相連,以電源電壓和負(fù)載電流作為輸入信號(hào)可以構(gòu)成一種簡(jiǎn)單實(shí)用的APF諧波電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的諧波電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在的問(wèn)題,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高、程序設(shè)計(jì)比較容易等特點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅適用于APF單相電路的諧波電流檢測(cè),而且適用于APF三相電路的諧波電流(上接第104頁(yè)參考文獻(xiàn)1 李劍慧,馬湘寧,朱傳琪.動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯與優(yōu)化技術(shù)研究.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展

17、,2007,44(1:161168.2 Mihocka D, Shwartsman S. Virtualization without Direct Execution or Jitting: Designing a Portable Virtual Machine Infrastructure. ISCA08: Proc. of the 35th International Symposium on Computer Architecture. Beijing, China, 2008:5570.3 Bellard F. QEMU, a Fast and Portable Dynamic T

18、ranslator. 檢測(cè)(具有16或者32單端模擬輸入通道。由于UA206A/D卡具有豐富的輸入輸出接口,該系統(tǒng)還可用于信號(hào)的分析與處理、智能實(shí)時(shí)控制等。參考文獻(xiàn)1 Akagi H, Kanazawa Y, Nabae A. Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components. IEEE Trans. Ind. Appl., 1984,20(3: 625630.2 Wang Q, Wu N, Wang ZA. A neuron adaptive detecting approach of harmonic current for APF