一種簡單實用的APF諧波電流檢測實驗系統(tǒng)

1、一種簡單實用的APF諧波電流檢測實驗系統(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方法,它們的有效性均采用仿真驗證,而缺少實驗環(huán)節(jié)。針對此問題,將UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡通過PCI口與計算機相連,以電源電壓和負(fù)載電流作為輸入信號可以構(gòu)成一種簡單實用的APF諧波電流檢測實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、程序設(shè)計較為容易等特點。使用此系統(tǒng)對一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波電流檢測方法進行了實驗,實驗證實使用此實驗系統(tǒng)可以方便驗證所提出的APF諧波電流檢測方法的正

2、確性和檢測性能。關(guān)鍵詞:有源電力濾波器;諧波電流;實驗系統(tǒng);A/D數(shù)據(jù)采集卡;程序設(shè)計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、理諧波和補償無功的電力電子裝置,而諧波電流檢測是其關(guān)鍵技術(shù)。基于三相電路瞬時無功功率理論的三相電路諧波電流檢測方法1是得到公認(rèn)的較為成熟的方法。而對于單相電路,至今還沒有一種較為成熟的方法?，F(xiàn)在,APF單相電路諧波電流檢測方法的研究已成為眾多學(xué)者關(guān)注的一個熱點。一般地,認(rèn)為諧波電流檢測屬于非線性問題,是比較復(fù)雜的。因此,他們紛紛將針對非線性系統(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,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,基于補償電流最收稿時間:2010-09-02;收到修改稿時間:2010-09-23小原理的檢測方法5,6,基于電路模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

7、的檢測方法7等。這些諧波電流檢測方法多采用仿真驗證其有效性,而缺少實驗環(huán)節(jié)3-7。造成這種結(jié)果的主要原因是傳統(tǒng)的APF諧波電流檢測的實驗具有一定的復(fù)雜性,其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在:要設(shè)計以微處理器為核心的硬件系統(tǒng)包括電路板設(shè)計、電路板的生產(chǎn)、電路板的調(diào)試等;要設(shè)計驗證檢測方案的軟件系統(tǒng)要使用匯編語言或者高級語言(帶有高級語言編譯器的微處理器開發(fā)系統(tǒng)編程,需要直接對硬件及接口編程,而且不同的微處理器,有不同的指令系統(tǒng),因此,程序設(shè)計較為困難。這些無疑具有一定的難度。而且按照這種思路設(shè)計的實驗系統(tǒng),只能驗證負(fù)載電流處于穩(wěn)定狀態(tài)時的檢測效果,對于負(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的檢測效果

8、則無法檢驗2,8。另外,在實驗中,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、諧波與無功電流之和等多個信號的波形,而按照上述思想設(shè)計的實驗系統(tǒng)通過示波器在某一時刻只能看到少量的信號波形。采用UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡通過PCI口與計算機相連,以電源電壓和負(fù)載電流作為輸入信號可以構(gòu)成一種簡單實用的APF諧波電流檢測實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)克服了上述實驗系統(tǒng)存在的問題,為APF諧波電流檢測方法提供了一種簡單有效的實驗驗證方法。2實驗系統(tǒng)APF諧波電流檢測實驗系統(tǒng)如圖1所示。圖1實驗系統(tǒng)框圖UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡通過PCI口與計算機相連,電源電壓經(jīng)過電壓互感器,負(fù)載電流經(jīng)過電流互感器

9、作為UA206的輸入信號。電源電壓和負(fù)載電流通過UA206的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,該數(shù)字量被送入計算機,通過簡單的程序設(shè)計可以方便驗證所提出的諧波電流檢測方法的正確性與檢測性能。2.1 UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡UA206 A/D卡是北京一公司開發(fā)的PCI總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品,它通過PCI口與計算機相連。該卡采用美國新型16位A/D轉(zhuǎn)換芯片,電路設(shè)計及布線講究,帶有大容量的FIFO緩沖存儲器,指標(biāo)先進,性能穩(wěn)定。該卡的顯著特點是:高速、高精度、帶有較多的數(shù)字量I/O及計數(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;模擬量輸入范圍:±10 V;輸入阻抗:大于100 M;觸發(fā)方式:定時器觸發(fā),軟件觸發(fā);FIFO存儲器: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。定時計數(shù)器:3通道可編程定時計數(shù)器;字長: 16位;卡上時鐘:4 MHz。UA206 A/D卡具有良好的性能,因而由該卡組成的APF諧波電流檢測實驗系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高。采用UA206 A/D卡,省去了實驗硬件系統(tǒng)的電路板設(shè)計,生產(chǎn)和調(diào)試等過程。

11、2.2 程序設(shè)計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)。連接好實驗系統(tǒng),接上電源電壓和負(fù)載電流,按照使用說明安裝好驅(qū)動程序。編譯、連接、運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)諧波電流檢測方案,可以比較容易地編寫出諧波電流檢測的實驗程序。此實驗系統(tǒng)編程容易,原因在于使用通用的高級程序設(shè)計語言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語言程序設(shè)計基礎(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)檢測方案需要的程序就可得到所需的實驗程序。還有一個原因是UA206 A/D卡附有專用的動態(tài)連接庫UA204.DLL,此動態(tài)連接庫提供了許多簡潔高效的采集和控制函數(shù)。在編寫程序時,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UA206設(shè)備CloseUA206:關(guān)閉UA206設(shè)備ss204 :單通道單點采集mm204:單或多通道多點一次性采集start-204:單或多通道多點采集初始化read-204:單或多通道多點采集讀數(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為多點一次性采集函數(shù),采集數(shù)據(jù)存儲于數(shù)組,函數(shù)返回時采集終止,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,卡上采集開始并將數(shù)據(jù)存儲于緩沖存儲器,此后可以通過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)間隔進行數(shù)據(jù)處理或存盤,只要保證在緩沖區(qū)未滿時將數(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)通過程序設(shè)計可以實時取數(shù)即時處理也可以連續(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、突變等各種情況時的檢測效果。3實驗示例以文獻5提出的諧波電流檢測方法為例,使用此實驗系統(tǒng)驗證該方法的正確性和檢測性能。該方法以“當(dāng)負(fù)載電流為周期電流時,負(fù)載電流與基波有功電流差的絕對值在一個周期內(nèi)的積分值最小”為檢測原理,采用三層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)即:采用三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出某個采樣時刻的基波有功電流幅值,則可計算出此采樣時刻的基波有功電流,由此采樣時刻的負(fù)載電流減去計算出的此采樣時刻的基波有功電流就得到此采樣時刻的諧波與無功電流之和。在實驗時,采樣頻率取5 KHz即一個周期內(nèi)的采樣個數(shù)N為100、輸入層節(jié)點數(shù)n取100、隱層節(jié)點數(shù)m取1

15、0、輸出層節(jié)點數(shù)為1、誤差取0.001。實驗結(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)時的實驗結(jié)果、圖3為負(fù)載電流突然增大時的實驗結(jié)果、圖4為負(fù)載電流突變?yōu)? A時的實驗結(jié)果。其中, us為電源電壓、iL為負(fù)載電流;A、i1p、ia分別為檢測出的基波有功電流幅值、基波有功電流、諧波與無功電流之和。實驗結(jié)果表明:該方法穩(wěn)定、可靠、電源頻率變化等對其檢測結(jié)果影響很小。當(dāng)負(fù)載電流處于穩(wěn)定狀態(tài)時,該方法能夠比較準(zhǔn)確地檢測出需要補償?shù)闹C波與無功電流之和;當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生突變時,該方法跟蹤速度快,其動態(tài)響應(yīng)時間為0.5個周期。實驗證實:該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、在計算機顯示器上可同時看到多條實驗波形,它

16、確能方便驗證APF諧波電流檢測方法的正確性和檢測性能。圖2負(fù)載電流穩(wěn)定時的實驗結(jié)果圖3負(fù)載電流突然增大時的實驗結(jié)果 圖4負(fù)載電流從10 A突變?yōu)? A時的實驗結(jié)果4結(jié)論使用UA206 A/D數(shù)據(jù)采集卡通過PCI口與計算機相連,以電源電壓和負(fù)載電流作為輸入信號可以構(gòu)成一種簡單實用的APF諧波電流檢測實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的諧波電流檢測實驗系統(tǒng)存在的問題,它具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、程序設(shè)計比較容易等特點。該實驗系統(tǒng)不僅適用于APF單相電路的諧波電流檢測,而且適用于APF三相電路的諧波電流(上接第104頁參考文獻1 李劍慧,馬湘寧,朱傳琪.動態(tài)二進制翻譯與優(yōu)化技術(shù)研究.計算機研究與發(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(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)還可用于信號的分析與處理、智能實時控制等。參考文獻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