(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221072726 0.3 (22)申请日 2022.06.25 (71)申请人 许晓磊 地址 071000 河北省保定市莲池区永华北 大街571号 (72)发明人 许晓磊　 (51)Int.Cl. H02J 1/02(2006.01) G06K 9/00(2022.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 直流电网自适应噪声抑制谐波追踪抵消系 统 (57)摘要 本申请设计实现了一种具有良好动态跟踪 性能的谐波追踪抵消器， 首先对谐波追踪抵消系 统的总体结构进行设计和建模,然后通过分析谐 波追踪抵消器的应用场景及有待消除谐波的特 征， 设计自适应噪声抑制算法， 包括二层弱 窗口 白噪声激励实时辨识算法和改进的协助噪声激 励实时辨识算法， 最后设计滤波追踪器的硬件系 统； 将本申请算法应用到谐波追踪抵消器的控制 模块， 基于ARMcortex ‑m4内核的NUC505芯片作为 系统控制器， 实现对电流谐波的快速追踪、 抵消。 对电网谐波的追踪效率提高32.4％， 对谐波抵消 的有效率提高39.3％， 系统硬件成本降低30％以 上， 实现了对电网谐波的高效可靠抑制， 提高电 网电能质量,保护各类电子、 通信设备正常运行。 权利要求书4页 说明书15页 附图6页 CN 115065045 A 2022.09.16 CN 115065045 A 1.直流电网自适应噪声抑制谐波追踪抵消系统， 其特征在于， 首先对谐波追踪抵消系 统的总体结构进 行设计和建模,然后通过分析谐波追踪抵消器的应用场景及有待消除谐波 的特征， 设计 自适应噪声抑制算法， 包括二层弱窗口白噪声激励实时辨识算法和改进的协 助噪声激励实时辨识算法， 最后设计滤波追踪器的硬件系统； 谐波追踪抵消系统总体结构包括模拟动态电网和 谐波交互抑制系统两模块， 模拟动态 电网是根据高压直流电网工作环境， 对实际设备 的各个参数进行测量计算， 根据测 量数据 采用模拟噪声源和模拟负载搭建的模拟动态电网模块， 谐波交互抑制系统包括直流电网谐 波采集、 转换模块和自适应噪声抑制模块； 谐波追踪抵消系统工作原理： 直流电力系统的 电流谐波通过电流互感器、 信号调制单 元转换为电压信号， 并注入自适应噪声抑制系统， 自适应噪声抑制系统根据输入噪声信号 特征,合成与其幅度相同， 相位相反的信号， 去抵消初级谐波信号， 该过程是实时谐波抵消 过程,算法对输入信号的处 理时间小于信号 通过二层弱窗口 的时间； 谐波自适应噪声抑制模块包括两个输入： 误差信号和噪声信号； 一个输出： 控制信号； 控制信号与噪声信号幅度相同、 相位相反的信号， 控制 信号抵消噪声信号， 误差信号重新注 入ANC系统， 调节滤波追踪器权系数， 直至误差满足最小均方根原则； 电流互感器基于罗氏线圈， 只用于变化电流的测量， 其输出是对电流信号对时间的微 分,信号调制模块对电流互感器输出 的电压信号进行处理， 将其从电流信号转换成电压信 号， 实现对电网中电流信号的真实还原， 最终信号注入自适应噪声抑制系统进行处 理。 2.根据权利要求1所述直流电网自适应噪声抑制谐波追踪抵消系统， 其特征在于， 谐波 追踪抵消系统建模： 初级谐波电流信号I1与控制信号I2叠加产生误差电流信号I3， I3经过 模拟负载达到电流互感器2， 误差电流信号I3经过电流互感器转换成电压信号、 信号调制单 元对电压信号进行积分、 A/D转换最终传递到自适应噪声抑制模块来调节滤波追踪器权系 数， 实现自适应控制； 其中控制信号是二层信号经过D/A、 电容、 功率放大器得到， 从二层信号产生到电流互 感器1之间的物理通道 为二层路径S'(z)， 由电流互感器2、 信号调制单元、 A/D构成的通道 为 R(z),从初级谐波电流信号产生到叠加生成误差信号I3这模块的传递函数为P(z),参考信 号x(n)与初级信号是严格关联， 将叠加时的信号看成是参 考信号经 过P'(z)得到； 对误差信号z变化即频域变换,表达式如式1所示： E(z)＝X(z)[ P′(Z)‑S′(Z)Wn(z)]R(z)                   式1 式中X(z)是参考信号的z变换， 当系统收敛后， 误差信号E(z)＝0， 此时自适应滤波追踪 器取得最佳权系数W0表示如式2所示： 基于简化的谐波追踪抵消系统框图， 得到初级路径传递函数P(z)表达式如式3所示,二 层路径的传递 函数S(z)的表达式如式4所示： P(z)＝R(z)P ′(z)                 式3 S(z)＝R(z)S ′(z)                  式4 当误差信号 为零时， 得到最佳 滤波追踪器权系数， 其表达式如式5所示：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115065045 A 2由式5得出,最佳滤波追踪器权系数的表达式与二层弱窗口传递函数成反比， 二层弱窗 口经过物理路径相对复杂， 且产生延时， P(z)也设置具有相应的延时,此外当某频点无二层 信号产生， 说明该点处的S(z)＝0,无法抵消该 频点频率。 3.根据权利要求1所述直流电网自适应噪声抑制谐波追踪抵消系统， 其特征在于， 建立 系统控制模块结构： 谐波追踪抵消系统基于前向滤波结构， 宽带前馈系统在芯片 中处理时 间小于二层通达的传播时间,才能满足对宽带随机噪声的消除， 直流电网中初级谐波信号 容易获取， 采用窄带 前馈系统结构； 窄带前馈系统需要合成参考信号， 参考信号的合成采用基于FXLMS算法的单频陷波滤 波追踪器的， 相互正交的正弦信号作为系统的输入,然后各自经过LMS算法更新滤波追踪器 权系数， 最后合成二层信号注入二层弱窗口， 针对单频点或离散频点的周期性噪声进行控 制。 4.根据权利要求1所述直流电网自适应噪声抑制谐波追踪抵消系统， 其特征在于， 二层 弱窗口实时辨识方法： 对二层弱窗口进行实时估计实现谐波追踪抵消器的自适应噪声抑 制， f(n)代表二层弱窗口辨识误差信号； v(n)代表高斯白噪声信号； us代表更新步长值； K代 表第K个滤波追踪器阶数， 范围为[0,M]， 其中M ‑1是二层弱窗口滤波追踪器阶数； 实时建模的自适应噪声抑制系统包括二层弱窗口建模和自适应噪声抑制两个模块， 二 者同时运行完成自适应噪声抑制实时辨识算法， 误差信号作为二层弱窗口的反馈值对二层 弱窗口LMS权系数进行调整， 同时也与参考信号一起调节自适应噪声抑制模块的滤波追踪 器权系数， 并且输出二层噪声 进行降噪； 初级噪声p(n)是 具有周期性的窄带噪声信号， 表示如式6所示： p(n)＝ax0(n)+bx1(n)+vp(n)                   式6 vp(n)为现实环境加的白噪声信号； a,b是傅里叶级数， 合成参考信号检测到同步信号频 率w， x0(n)、 x1(n)合成方式如式7和式8所示： x0(n)＝cos wn             式7 x1(n)＝sin wn             式8 二层源y0(n)如式9所示： y0(n)＝x0(n)w0(n)+x1(n)w0(n)            式9 w是通过传感器或FFT变换检测到的初级噪声频率， 实时辨识系统对二层弱窗口的估计 是实时的， 二层弱窗口传递 函数迭代公式如式10所示： 当二层弱窗口辨识系统达 到稳定时， 误差信号e(n)表达式如式1 1所示： e(n)＝p(n) ‑y′(n)＝p(n) ‑s(n)*[y0(n)‑v(n)]         式11 注入白噪声v(n)为二层弱窗口提供激励， f(n)表示二层弱窗口辨识误差， 其计算式如 式12所示： 权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115065045 A 3