CN109390933B - 基于滑模观测器的正交信号发生方法、正交信号发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于由两个或两个以上发电机、变换器或变压器对1个网络并联馈电的装置技术领域，公开了一种基于滑模观测器的正交信号发生方法、正交信号发生器，所述基于滑模观测器的正交信号发生方法将一个积分器用于采集到的单相电压信号，构建电压信号和它的积分量的数学模型；构建基于数学模型的滑模观测器，并得到单相电压信号及其正交信号。本发明通过所设计的滑模观测器可以得到虚拟正交信号，并能有效抑制包括谐波，噪声信号，直流量等的不同种类的电网扰动。同SOGI‑QSG相比，在频率跳变，电网含有5次、7次谐波，在加入某一确定值的直流量和包含噪声信号的条件下，SMO‑QSG有更好的响应速度和更小的稳态误差。

Description

基于滑模观测器的正交信号发生方法、正交信号发生器
技术领域
本发明属于由两个或两个以上发电机、变换器或变压器对1个网络并联馈电的装置技术领域，尤其涉及一种基于滑模观测器的正交信号发生方法、正交信号发生器。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：在单相锁相环(PLL)应用领域中，正交信号发生器(QSGs)常用于产生单相电网的虚拟正交信号。正交信号发生器能够产生两个相位差为π/2的正弦信号，并用两个产生的两个正弦信号进行正交调制和正交解调。现有技术常见的QSGs方法有：基于T/4延时QSG(TD-QSG)方法，基于反park的QSG法(IPT-QSG)，基于二阶广义积分器的QSG法(SOGI-QSG)。TD-QSG只能用于稳定的电网系统，其中T为标称基频。TD-QSG,是指直接利用延时法来构建正交信号,这种方法结构简单、计算量小、响应速度快，但在实现过程中，延时需要基于周期表。延时T/4的前提是必须精确知道周期T，而由ω＝2π/2可知周期T依赖于频率ω，锁相环的目的就是跟踪获得未知频率，所以当电网的频率发生变化时所产生的两个信号不再正交。为克服这一问题所提出的自适应TD-QSG方法，该方法得到缺陷是无法对谐波进行很好的抑制。IPT-QSG主要用于实现单相锁相环，但该方法需要使用dq轴电压信号的低通滤波器(LPF)，影响系统的动态性能，且难以滤除电网中的信号噪声。SOGI-QSG从结构上可以看输出v′是通过负反馈到输入信号来消除直流分量的，Q(s)＝qv′(s)/v′(s)是一个低通滤波器，当输入信号中含有直流分量时，输出信号qv′很容易受到直流分量的影响，从而导致输入电压信号的幅值估计受到影响，进而会影响到相角的锁定。通过D(s)＝v′(s)/v(s)，Q(s)的伯德图可知，SOGI-QSG在估计电网信号及其正交信号方面有着很好的谐波抑制能力，但当电网中有直流分量时，其估计的准确性会变差且难以提高动态响应速度。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)基于反park的QSG法当电网的频率发生变化时所产生的两个信号不再正交。
(2)基于二阶广义积分器的QSG法难以滤除电网中的信号噪声，当电网中有直流分量时，其估计的准确性会变差且难以提高动态响应速度。
解决上述技术问题的难度和意义：
通过上述的分析可知，上述方法无法同时做到抑制包括谐波，噪声信号，直流量等的不同种类的电网扰动，并产生准确的虚拟正交信号。本专利的提出方法可以同时做到抑制各种电网扰动，并实现虚拟正交信号发生器(QSG)。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于滑模观测器的正交信号发生方法、正交信号发生器。
本发明是这样实现的，一种基于滑模观测器的正交信号发生方法，所述基于滑模观测器的正交信号发生方法将一个积分器用于采集到的单相电压信号，构建电压信号和它的积分量的数学模型；构建基于数学模型的滑模观测器，进而可以由观测器得到单相电压信号及其正交信号。
所述的基于数学模型的滑模观测器表示为：
Figure BDA0001826808930000021
其中
Figure BDA0001826808930000022
且有ρ＜-δmax，δmax为电网受到扰动量δ(t)的上边界值，
Figure BDA0001826808930000023
为状态量x的估计值，
Figure BDA0001826808930000024
为观测器参数，其选取方法为：L1，L2和L3使得A+LC满足Hurwitz。
进一步，所述基于滑模观测器的正交信号发生方法具体包括：
第一步，采集包含谐波、噪声信号和直流量的电网单相电压信号；
第二步，构建电网电压信号的积分器，并引入变量x3：
Figure BDA0001826808930000031
其中，x3是电网电压vg的积分信号；
第三步，引入状态变量x1，x2完善系统的状态变量；
第四步，构建滑模观测器：
Figure BDA0001826808930000032
其中
Figure BDA0001826808930000033
且有ρ＜-δmax，δmax为电网受到扰动量δ(t)的上边界值，
Figure BDA0001826808930000034
为状态量x的估计值，
Figure BDA0001826808930000035
为观测器参数，选取方法为：L1，L2和L3使得A+LC满足Hurwitz；
第四步，得到单相电网电压信号及其正交信号。
进一步，所述第一步采集单相电压包括：
Figure BDA0001826808930000036
其中，vg表示单相电网电压信号，Vg、ω和
Figure BDA0001826808930000037
分别表示电网电压的幅值、频率和相角，δ(t)表示电网受到的扰动。
进一步，所述第三步x1，x2表示：
Figure BDA0001826808930000038
Figure BDA0001826808930000039
进一步，所述第四步得到电网电压信号及其正交信号：
Figure BDA00018268089300000310
Figure BDA00018268089300000311
其中
Figure BDA00018268089300000312
和
Figure BDA00018268089300000313
分别表示观测得到的单相电网电压信号及其正交信号。
本发明的另一目的在于提供一种应用权利要求1～5任意一项所述基于滑模观测器的正交信号发生方法的正交信号发生器。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：通过所设计的滑模观测器可以得到虚拟正交信号，并能有效抑制包括谐波，噪声信号，直流量等的不同种类的电网扰动。
同SOGI-QSG相比，在频率跳变，电网含有谐波，在加入某一确定值的直流量和包含噪声信号的条件下，SMO-QSG有更好的响应速度和更小的稳态误差。如图3所示在单相含有电网直流分量时，SOGI-QSG方法产生的虚拟正交量有稳态误差，而SMO-QSG产生的虚拟正交量没有稳态误差。且与SOGI-QSG相比，SMO-QSG的超调量更小。(实验图见图3-图6)
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于滑模观测器的正交信号发生方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于滑模观测器的正交信号发生方法实现流程图。
图3是本发明实施例提供的电网含有直流分量示意图，(a)为所提出的SMO-QSG方法，(b)为SOGI-QSG方法。
图4是本发明实施例提供的电网频率跳变示意图，(a)为所提出的SMO-QSG方法，(b)为SOGI-QSG方法。
图5是本发明实施例提供的电网含有谐波示意图，(a)为所提出的SMO-QSG方法，(b)为SOGI-QSG方法。
图6是本发明实施例提供的电网噪声信号示意图，(a)为所提出的SMO-QSG方法，(b)为SOGI-QSG方法。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术当电网的频率发生变化时所产生的两个信号不再正交；估计的准确性会变差且难以提高动态响应速度的问题。本发明能够在电网含有谐波，噪声，直流分量的情况下，准确估计电网电压及其正交信号的基于滑模观测器的QSG方法(SMO-QSG)。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于滑模观测器的正交信号发生方法包括以下步骤：
S101：采集含有扰动的电网单相电压，并引入电网电压信号的积分；
S102：构建电网和它积分量的状态量；
S103：构建状态观测器；
S104：得到通过观测器得到电网电压信号及其正交信号。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的基于滑模观测器的正交信号发生方法由各种扰动带来的不良影响的方法包含以下步骤：
第一步，采集包含谐波、噪声信号和直流量的电网单相电压，
Figure BDA0001826808930000051
其中，vg表示单相电网电压信号，Vg、ω和
Figure BDA0001826808930000052
分别表示电网电压的幅值、频率和相角。δ(t)表示电网受到的扰动。
第二步，构建电网电压信号的积分器，并引入变量x3：
Figure BDA0001826808930000053
其中，x3是电网电压vg的积分信号；
第三步，完善系统的状态量，系统的状态变量可以表示如下：
Figure BDA0001826808930000061
Figure BDA0001826808930000062
第四步，构建滑模观测器：
Figure BDA0001826808930000063
其中
Figure BDA0001826808930000064
且有ρ＜-δmax，δmax为δ(t)的上边界值，
Figure BDA0001826808930000065
为状态量x的估计值，
Figure BDA0001826808930000066
为观测器参数，其选取方法为：L1，L2和L3使得A+LC满足Hurwitz；
第四步，得到单相电网电压信号及其正交信号：
Figure BDA0001826808930000067
Figure BDA0001826808930000068
其中
Figure BDA0001826808930000069
和
Figure BDA00018268089300000610
分别表示观测得到的单相电网电压信号及其正交信号。
下面结合仿真实验对本发明的应用效果做详细的描述。
在含有直流分量的情况下(图3)，本发明相比于SOGI-QSG，有更快的响应速度，更小的超调，且虚拟正交信号(qv′)有更小的稳态误差；在频率跳变(图4)的情况下，本发明测量的电网电压信号的超调量更小，调节时间更短，可以实现无差跟踪；在含有谐波(图5)的情况下，本发明检测到的电网电压信号及其正交信号有着比SOGI-QSG更小的稳态误差，且超调量更小；在(图6)的情况下，也能实现无误差跟踪电网电压信号，并获得理想的虚拟正交信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于滑模观测器的正交信号发生方法，其特征在于，所述基于滑模观测器的正交信号发生方法将一个积分器用于采集到的单相电压信号，构建电压信号和它的积分量的数学模型；构建基于数学模型的滑模观测器，并得到单相电压信号及其正交信号；
所述基于滑模观测器的正交信号发生方法具体包括：
第一步，采集包含谐波、噪声信号和直流量的电网单相电压信号；
第二步，构建电网电压信号的积分器，并引入变量x3：
Figure FDA0003272831440000011
其中，x3是电网电压vg的积分信号；
第三步，引入状态变量x1，x2完善系统的状态变量；
第四步，构建滑模观测器：
Figure FDA0003272831440000012
其中
Figure FDA0003272831440000013
且有ρ＜-δmax，δmax为δ(t)的上边界值，
Figure FDA0003272831440000014
为状态量x的估计值，
Figure FDA0003272831440000015
为观测器参数，选取方法为：L1，L2和L3使得A+LC满足Hurwitz；
第五步，得到单相电网电压信号及其正交信号。
2.如权利要求1所述的基于滑模观测器的正交信号发生方法，其特征在于，所述第一步采集单相电压包括：
Figure FDA0003272831440000016
其中，Vg、ω和
Figure FDA0003272831440000017
分别表示电网电压的幅值、频率和相角，δ(t)表示电网受到的扰动。
3.如权利要求1所述的基于滑模观测器的正交信号发生方法，其特征在于，所述第三步x1，x2表示：
Figure FDA0003272831440000021
Figure FDA0003272831440000022
其中，Vg、ω和
Figure FDA0003272831440000023
分别表示电网电压的幅值、频率和相角。
4.如权利要求1所述的基于滑模观测器的正交信号发生方法，其特征在于，所述第五步得到电网电压信号及其正交信号：
Figure FDA0003272831440000024
Figure FDA0003272831440000025
其中
Figure FDA0003272831440000026
和
Figure FDA0003272831440000027
分别表示观测得到的单相电网电压信号及其正交信号。
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述基于滑模观测器的正交信号发生方法的正交信号发生器。
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