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摘 要：随着科技的进步，一种新型的变步长自适应算法被提出来，其对于谐波电流的改进提供了可能。低信噪比环境下，在谐波检测中使用这种新型的变步长自适应算法，可以将误差信号作为自适应回馈量，从而避免自适应算法出现较大的稳态误差。本论文着重分析新型的自适应算法性能，并应用器检测有源滤波器谐波，以对于这种算法在应用领域的有效性进行分析。
关键词：变步长自适应算法；有源滤波器；谐波检测
各种高端的科学技术被应用到电力电子仪器的研制当中，不断地更新电力电子装置的同时，也使电网在运行当中遭到了谐波污染。为了抑制谐波的影响力，有源滤波器被广泛地应用。其作为动态抑制谐波的电力电子装置，不但能够对于谐波电流中所含有的成分以准确地检测，而且还可以对于装置的性能以判断，这主要得益于谐波检测模块的设计。目前被广泛应用的谐波检测器更为适用于三相系统，是基于瞬时无功理论而建立起来的谐波电流检测方法。为了验证该装置在实际应用领域中的可行性，采用自适应噪声对消原理，对于电网的自适应能力进行检测，并在此基础上对于变步长改进算法进行实验研究。
一、自适应滤波原理
自适应滤波是相对于经典滤波器而言的，其滤波频率可以根据输入的信号而自动调整。自适应滤波器现在已经被广泛地应用，其自动调节功能是以所获得的滤波器参数为标准的，通过适应信号或者是噪声滤波所呈现出的统计特性来实现最优滤波。由于这两项参数都是随着时间而有所变化的，因此在信号传输的过程中，可以根据这些参数对于自身的传输特性以自动调节。
自适应滤波器由滤波器结构和自适应算法两部分组成。对于具体的特征变化是以调整滤波器的系数来达到目的的。对于滤波器结构的选择主要考虑到其性能的稳定性，因此FIR滤波器得以广泛应用，自适应滤波器结构见下图。
从自适应滤波器的结构图中可见，标准信号为d（n），输入信号为X（n）经过数字滤波器的调节之后，形成了输出信号Y（n）。将这一输出信号与标准信号进行比较，就可以获得误差信号e（n）。运用自适应算法以误差信号与输入信号为标准调整滤波器的参数，以获得最小误差信号。
二、变步长自适应算法
早期的自适应滤波其算法为传统定步长LMS 算法，其是通过误差反馈来调整滤波器的权值，以使权值逐渐逼近，实现输出信号、跟踪标准信号的变化。在实施谐波检测的过程中，非线性负载的非正弦电流周期性流过。输入信号经过自适应滤波器处理之后，输出信的幅值逼近电流基波，跟踪标准信号。从总的电流中扣除此信号，以补偿指令信号。虽然传统定步长算法在滤波器谐波检测中起到了一定的作用，但是，其无法兼顾收敛性和稳定性，因此有所改进。
变步长自适应算法弥补了传统滤波器自适应算法的不足。具体而言，变步长自适应算法的权值与当权系数远离的时候，就会使步长扩大。信号的跟踪能力增强，动态的相应速度也相应地加快。当权系数与权值有所接近的时候，就会使步长变小而获得稳态误差。调节步长的衡量标准是在自适应过程中所提供的回馈值。有源滤波器中采用变步长算法，几乎不会改变谐波的检测性能，这主要是由于系统中有噪声干扰因素存在，影响到了算法的实效性。为了能够提高噪声干扰环境下的性能，需要寻找一个效果更好的算法，以适应低信噪比环境。
对于随机信号的处理，对于强噪声背景下的弱信号提取工作，可以应用相干平均法。变步长LMS 算法的提出，是通过估计相干平均值对于步长的变化加以控制，以总信号中误差信号所占有的比率作为自适应回馈量，以确保信号受到了噪声的干扰，依然可以确保动态响应的速度。使用自适应回馈量获得高检测精度，并不是简单的利用，而是基于不同电网功率通用性算法的归一化处理。
相干平均值的实现，是通过对于信号序列所形成的矩形窗内的数据求取平均值。在电网电流中，噪声信号属于是高次谐波信号。在不考虑间谐波的条件下，其运行周期是二分之一的电网基波周期。那么在信号矩形窗宽度的选择上，要选取谐波信号的T/2周期，并对处于矩形窗内动态变化的数据选取相干平均值，就可以将谐波误差信号从误差信号中滤除。当然采用这种算法也存在着不足，其中主要涉及到矩形窗的长度选择。在进行微处理器的信号处理的时候，在编程中，就会对于硬件资源形成浪费。对于矩形窗修改，以指数窗替代，就会降低权系数，以至早期的数据并不会影响到相干平均值的运算。运用指数窗，只需要将早期的输入信号进行加权处理，实现指数窗呈现出自然移动状态，就可以免去存储单元的开销。
经过了这种加权系数处理之后，数据存储单元的需求量就会相应地减少很多，虽然对于加权和不能严格为零，但是，其已经获得了很多成都的衰减。
三、变步长自适应算法在有源滤波检测中的优势
将变步长自适应算法引入到有源滤波检测当中，可以摒弃传统滤波器检测中所存在的弊端，确保了信号检测的精度。与此同时，还在系统充分稳定的条件下，提高了算法对于信号的跟踪能力。在算法的递推过程中，参数的选取上主要是由指数创的宽度来决定的。通过单独调节参数，以使得有源滤波器在整个的变步长自适应算法性能上取得等效的作用。但是在实际操作中，只要参数发生变化，即便是微小的变动，就会严重地影响到系统的性能。因此，要在未来的检测算法分析中，就需要采用固定的检测参数，以确保系统在动态运行中仍然可以达到良好的性能。
结语：
综上所述，为了确保谐波检测的过程中，并不会由于系统噪声的干扰而影响到检测精度，就需要对于传统的定步长自适应算法进行改进。通过提高谐波检测中的动态响应速度而使得系统性能大大改善。同时采用归一化的处理方法，实现了不同等级电网的通用性。
参考文献：
[1]许赟，邹云屏，胡小磊.一种新型变步长自适应滤波算法[J].高电压技术，2009.35（06）.
[2]李輝，李亦斌， 邹云屏.一种新的变步长自适应谐波检测算法研究[J].电力系统自动化，2005.29（02）.
[3]何英杰， 邹云屏， 刘飞.一种改进自适应谐波检测算法的研究[J].电力自动化设备，2006.26（09）.
[4]李辉，吴正国，邹云屏， 刘飞，吴言凤.变步长自适应算法在有源滤波器谐波检测中的应用[J].中国电机工程学报，2006.26（09）.
第一作者：
姓名：丁宝华（出生1978年12月）、男 汉 山东临朐 工程师
学位：工学硕士
研究方向：电力系统自动化、电力电子技术、电能质量监测与控制等，从事电气设计工作
单位： 中海油山东化学工程有限责任公司
地址： 第二作者：
姓名：杨爱新（出生1881年6月）、女 汉 山东高唐 讲师 工学硕士
研究方向：电气与控制
单位： 济南工程职业技术学院机电工程系
关键词：变步长自适应算法；有源滤波器；谐波检测
各种高端的科学技术被应用到电力电子仪器的研制当中，不断地更新电力电子装置的同时，也使电网在运行当中遭到了谐波污染。为了抑制谐波的影响力，有源滤波器被广泛地应用。其作为动态抑制谐波的电力电子装置，不但能够对于谐波电流中所含有的成分以准确地检测，而且还可以对于装置的性能以判断，这主要得益于谐波检测模块的设计。目前被广泛应用的谐波检测器更为适用于三相系统，是基于瞬时无功理论而建立起来的谐波电流检测方法。为了验证该装置在实际应用领域中的可行性，采用自适应噪声对消原理，对于电网的自适应能力进行检测，并在此基础上对于变步长改进算法进行实验研究。
一、自适应滤波原理
自适应滤波是相对于经典滤波器而言的，其滤波频率可以根据输入的信号而自动调整。自适应滤波器现在已经被广泛地应用，其自动调节功能是以所获得的滤波器参数为标准的，通过适应信号或者是噪声滤波所呈现出的统计特性来实现最优滤波。由于这两项参数都是随着时间而有所变化的，因此在信号传输的过程中，可以根据这些参数对于自身的传输特性以自动调节。
自适应滤波器由滤波器结构和自适应算法两部分组成。对于具体的特征变化是以调整滤波器的系数来达到目的的。对于滤波器结构的选择主要考虑到其性能的稳定性，因此FIR滤波器得以广泛应用，自适应滤波器结构见下图。
从自适应滤波器的结构图中可见，标准信号为d（n），输入信号为X（n）经过数字滤波器的调节之后，形成了输出信号Y（n）。将这一输出信号与标准信号进行比较，就可以获得误差信号e（n）。运用自适应算法以误差信号与输入信号为标准调整滤波器的参数，以获得最小误差信号。
二、变步长自适应算法
早期的自适应滤波其算法为传统定步长LMS 算法，其是通过误差反馈来调整滤波器的权值，以使权值逐渐逼近，实现输出信号、跟踪标准信号的变化。在实施谐波检测的过程中，非线性负载的非正弦电流周期性流过。输入信号经过自适应滤波器处理之后，输出信的幅值逼近电流基波，跟踪标准信号。从总的电流中扣除此信号，以补偿指令信号。虽然传统定步长算法在滤波器谐波检测中起到了一定的作用，但是，其无法兼顾收敛性和稳定性，因此有所改进。
变步长自适应算法弥补了传统滤波器自适应算法的不足。具体而言，变步长自适应算法的权值与当权系数远离的时候，就会使步长扩大。信号的跟踪能力增强，动态的相应速度也相应地加快。当权系数与权值有所接近的时候，就会使步长变小而获得稳态误差。调节步长的衡量标准是在自适应过程中所提供的回馈值。有源滤波器中采用变步长算法，几乎不会改变谐波的检测性能，这主要是由于系统中有噪声干扰因素存在，影响到了算法的实效性。为了能够提高噪声干扰环境下的性能，需要寻找一个效果更好的算法，以适应低信噪比环境。
对于随机信号的处理，对于强噪声背景下的弱信号提取工作，可以应用相干平均法。变步长LMS 算法的提出，是通过估计相干平均值对于步长的变化加以控制，以总信号中误差信号所占有的比率作为自适应回馈量，以确保信号受到了噪声的干扰，依然可以确保动态响应的速度。使用自适应回馈量获得高检测精度，并不是简单的利用，而是基于不同电网功率通用性算法的归一化处理。
相干平均值的实现，是通过对于信号序列所形成的矩形窗内的数据求取平均值。在电网电流中，噪声信号属于是高次谐波信号。在不考虑间谐波的条件下，其运行周期是二分之一的电网基波周期。那么在信号矩形窗宽度的选择上，要选取谐波信号的T/2周期，并对处于矩形窗内动态变化的数据选取相干平均值，就可以将谐波误差信号从误差信号中滤除。当然采用这种算法也存在着不足，其中主要涉及到矩形窗的长度选择。在进行微处理器的信号处理的时候，在编程中，就会对于硬件资源形成浪费。对于矩形窗修改，以指数窗替代，就会降低权系数，以至早期的数据并不会影响到相干平均值的运算。运用指数窗，只需要将早期的输入信号进行加权处理，实现指数窗呈现出自然移动状态，就可以免去存储单元的开销。
经过了这种加权系数处理之后，数据存储单元的需求量就会相应地减少很多，虽然对于加权和不能严格为零，但是，其已经获得了很多成都的衰减。
三、变步长自适应算法在有源滤波检测中的优势
将变步长自适应算法引入到有源滤波检测当中，可以摒弃传统滤波器检测中所存在的弊端，确保了信号检测的精度。与此同时，还在系统充分稳定的条件下，提高了算法对于信号的跟踪能力。在算法的递推过程中，参数的选取上主要是由指数创的宽度来决定的。通过单独调节参数，以使得有源滤波器在整个的变步长自适应算法性能上取得等效的作用。但是在实际操作中，只要参数发生变化，即便是微小的变动，就会严重地影响到系统的性能。因此，要在未来的检测算法分析中，就需要采用固定的检测参数，以确保系统在动态运行中仍然可以达到良好的性能。
结语：
综上所述，为了确保谐波检测的过程中，并不会由于系统噪声的干扰而影响到检测精度，就需要对于传统的定步长自适应算法进行改进。通过提高谐波检测中的动态响应速度而使得系统性能大大改善。同时采用归一化的处理方法，实现了不同等级电网的通用性。
参考文献：
[1]许赟，邹云屏，胡小磊.一种新型变步长自适应滤波算法[J].高电压技术，2009.35（06）.
[2]李輝，李亦斌， 邹云屏.一种新的变步长自适应谐波检测算法研究[J].电力系统自动化，2005.29（02）.
[3]何英杰， 邹云屏， 刘飞.一种改进自适应谐波检测算法的研究[J].电力自动化设备，2006.26（09）.
[4]李辉，吴正国，邹云屏， 刘飞，吴言凤.变步长自适应算法在有源滤波器谐波检测中的应用[J].中国电机工程学报，2006.26（09）.
第一作者：
姓名：丁宝华（出生1978年12月）、男 汉 山东临朐 工程师
学位：工学硕士
研究方向：电力系统自动化、电力电子技术、电能质量监测与控制等，从事电气设计工作
单位： 中海油山东化学工程有限责任公司
地址： 第二作者：
姓名：杨爱新（出生1881年6月）、女 汉 山东高唐 讲师 工学硕士
研究方向：电气与控制
单位： 济南工程职业技术学院机电工程系