一种误差状态观测器的构造方法、谐波抑制方法、装置及系统与流程

1.本发明涉及谐波抑制技术领域，具体涉及一种误差状态观测器的构造方法、谐波抑制方法、装置及系统。


背景技术：

2.谐振控制器在谐振频率处可以实现无静差的跟踪，谐振控制器在补偿谐波频率处同样存在高增益，可以实现对特定次谐波的抑制。但是控制器的控制频带过窄，会降低控制系统的抗干扰性。由于电网或电机中含有大量谐波成分，数字控制系统精度有限，过窄的控制带宽将影响控制器的控制性能。同时纯积分环节在实际控制系统中容易造成系统不稳定，所以一般以常用准谐振控制器，即低通滤波器替代纯积分环节，增加控制系统的稳定性。
3.对于谐振控制器和准谐振控制器来说，它们在数据系统实现时需要进行离散化处理，将时域传递函数转化为离散域函数。目前常见的双线性变换、差分法等方式会带来谐振频率和相位双重偏移，当控制带宽超过偏差值后，将对谐波抑制不起作用，同时还会造成系统的不稳定。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供一种误差状态观测器的构造方法、谐波抑制方法、装置及系统，通过在离散域直接设计状态观测器以实时跟踪谐波电流误差，从而减少双线性变换、差分法等方式会带来谐振频率和相位双重偏移，当控制带宽超过偏差值后，将对谐波抑制不起作用，同时还会造成系统不稳定的问题。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
6.本发明实施例第一方面公开了一种误差状态观测器的构造方法，包括：
7.分别确定第k 1次输入信号矩阵、第k次输入信号矩阵、转换矩阵及控制矩阵；所述第k 1次输入信号矩阵包括：第k 1次的预设输入信号和与所述第k 1次的预设输入信号正交的信号；所述第k次输入信号矩阵包括：第k次的预设输入信号和与所述第k次的预设输入信号正交的信号；
8.基于所述第k 1次输入信号矩阵、所述第k次输入信号矩阵、所述转换矩阵及所述控制矩阵进行构造，得到所述预设输入信号的误差状态观测器，以实现对所述预设输入信号的谐波电流误差进行跟踪。
9.可选地，在上述的误差状态观测器的构造方法中，所述转换矩阵为两行两列矩阵，第一行第一列元素为：cos(wt)、第一行第二列元素为：-sin(wt)、第二行第一列元素为：sin(wt)、第二行第二列元素为：cos(wt)；其中，w表示谐振频率，t表示谐振周期。
10.可选地，在上述的误差状态观测器的构造方法中，所述控制矩阵为两行一列矩阵，第一行第一列元素为：rt、第二行第一列元素为：gt；其中，r表示增益控制参数，g表示相位控制参数、t表示谐振周期。
11.本发明实施例第二方面公开了一种谐波抑制方法，包括：
12.基于误差状态观测器对预设输入信号进行跟踪，得到目标抑制误差电流，所述误差状态观测器是利用如第一方面公开的任一项所述的误差状态观测器的构造方法构造得到；
13.基于所述目标抑制误差电流，对谐波进行抑制。
14.可选地，在上述的谐波抑制方法中，基于误差状态观测器对预设输入信号进行跟踪，得到目标抑制误差电流，包括：
15.确定所述误差状态观测器的收敛目标值；
16.依据所述收敛目标值对所述误差状态观测器中目标矩阵进行调整，得到所述目标抑制误差电流。
17.可选地，在上述的谐波抑制方法中，基于所述目标抑制误差电流，对谐波进行抑制，包括：
18.根据所述目标抑制误差电流，确定谐波电流值；
19.将所述谐波电流值进行放大，得到放大谐波电流值，并将所述放大谐波电流值作用到电流控制器中。
20.本发明实施例第三方面公开了一种谐波抑制装置，包括：
21.确定单元，用于基于误差状态观测器对预设输入信号进行跟踪，得到目标抑制误差电流，所述误差状态观测器是利用如第一方面公开的任一项所述的误差状态观测器的构造方法构造得到；
22.抑制单元，用于基于所述目标抑制误差电流，对谐波进行抑制。
23.可选地，在上述的谐波抑制装置中，所述确定单元具体用于：
24.确定所述误差状态观测器的收敛目标值；
25.依据所述收敛目标值对所述误差状态观测器中目标矩阵进行调整，得到所述目标抑制误差电流。
26.可选地，在上述的谐波抑制装置中，所述抑制单元具体用于：
27.根据所述目标抑制误差电流，确定谐波电流值；
28.将所述谐波电流值进行放大，得到放大谐波电流值，并将所述放大谐波电流值作用到电流控制器中。
29.本发明实施例第四方面公开了一种谐波抑制系统，包括：pi控制器以及n个误差状态观测器，n为正整数，所述误差状态观测器是利用如第一方面公开的任一项所述的误差状态观测器的构造方法构造得到；
30.所述pi控制器分别与各个所述误差状态观测器并联，输出相加后共同作用于被控对象以实现自适应谐波滤波功能。
31.可选地，在上述的谐波抑制系统中，系统中各个所述误差状态观测器的可滤谐波次数不同。
32.基于上述本发明实施例提供的一种误差状态观测器的构造方法，包括：分别确定第k 1次输入信号矩阵、第k次输入信号矩阵、转换矩阵及控制矩阵；第k 1次输入信号矩阵包括：第k 1次的预设输入信号和与第k 1次的预设输入信号正交的信号；第k次输入信号矩阵包括：第k次的预设输入信号和与第k次的预设输入信号正交的信号；基于第k 1次输入信
号矩阵、第k次输入信号矩阵、转换矩阵及控制矩阵进行构造，得到预设输入信号的误差状态观测器，以实现对预设输入信号的谐波电流误差进行跟踪，能够通过在离散域直接设计状态观测器以实时跟踪谐波电流误差，从而减少双线性变换、差分法等方式会带来谐振频率和相位双重偏移，当控制带宽超过偏差值后，将对谐波抑制不起作用，同时还会造成系统不稳定的问题。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
34.图1为本技术实施例提供一种误差状态观测器的构造方法的流程图；
35.图2为本技术实施例提供一种误差状态观测器的结构框图；
36.图3为本技术实施例提供一种使用双线性变换后的准谐振调节器与drs的线性分析图；
37.图4为本技术实施例提供一种谐波抑制方法的流程图；
38.图5为本技术实施例提供一种目标抑制误差电流的确定流程图；
39.图6为本技术实施例提供一种谐波抑制的流程图；
40.图7为本技术实施例提供一种谐波抑制系统的控制原理图；
41.图8为本技术实施例提供的一种未加入观测器算法的定子电流fft分析结果示意图；
42.图9为本技术实施例提供的一种加入观测器算法的定子电流fft分析结果示意图。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.在本技术中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
45.本技术实施例提供了一种误差状态观测器的构造方法，通过在离散域直接设计状态观测器以实时跟踪谐波电流误差，从而减少双线性变换、差分法等方式会带来谐振频率和相位双重偏移，当控制带宽超过偏差值后，将对谐波抑制不起作用，同时还会造成系统不稳定的问题。
46.请参见图1，该误差状态观测器的构造方法主要包括如下步骤：
47.s101、分别确定第k 1次输入信号矩阵、第k次输入信号矩阵、转换矩阵及控制矩
阵。
48.第k 1次输入信号矩阵包括：第k 1次的预设输入信号和与第k 1次的预设输入信号正交的信号；第k次输入信号矩阵包括：第k次的预设输入信号和与第k次的预设输入信号正交的信号。
49.实际应用中，第k 1次输入信号矩阵可以表示为：其中xv(k 1)为第k 1次的预设输入信号，xq(k 1)为与第k 1次的预设输入信号正交的信号。具体的，xv＝cos(kwt)，xq＝sin(kwt)。
50.第k次输入信号矩阵可以表示为其中，xv(k)为第k次的预设输入信号，xq(k)为与第k次的预设输入信号正交的信号。
51.需要说明的是，转换矩阵可以为两行两列矩阵，第一行第一列元素为：cos(wt)、第一行第二列元素为：-sin(wt)、第二行第一列元素为：sin(wt)、第二行第二列元素为：cos(wt)；其中，w表示谐振频率，t表示谐振周期。
52.具体的，转换矩阵可以表示为：
53.还需要说明的是，控制矩阵可以为两行一列矩阵，第一行第一列元素为：rt、第二行第一列元素为：gt；其中，r表示增益控制参数，g表示相位控制参数、t表示谐振周期。
54.具体的，控制矩阵可以表示为：
55.s102、基于第k 1次输入信号矩阵、第k次输入信号矩阵、转换矩阵及控制矩阵进行构造，得到预设输入信号的误差状态观测器，以实现对预设输入信号的谐波电流误差进行跟踪。
56.实际应用中，当确定出第k 1次输入信号矩阵、第k次输入信号矩阵、转换矩阵及控制矩阵之后，可以利用三角变换原理，构造出预设输入信号的误差状态观测器。
57.基于上述，构造出误差状态观测器的具体过程可以如下：
58.设定一个预设输入信号xv＝cos(kwt)，再假定一个与之正交的信号为xq＝sin(kwt)；将两者合成一个状态方程为：
59.在离散域内，对于k 1次方程有：
60.写成状态方程形式为：
[0061][0062]
根据上述状态方程，构造出一个基于预设输入信号xv的误差状态观测器：
[0063]
其中，和为信号估计值，其他参数为实际值。
[0064]
根据状态方程可知，对于谐振频率w信号，通过此误差状态观测器后可以实时跟踪谐波电流误差，上述的误差状态观测器以框图形式可表示为图2。其中，图中虚线内可以看成一个单元，也即误差状态观测器(离散谐振状态观测器，简称drs)。由图可知drs实现要比双线性变换的谐振控制器更简单，计算量少。对比使用双线性变换后的准谐振调节器与drs，通过线性化分析，如图3所示，可以看出在drs算法可以更精准锁定在谐振频率点，无明显的频率偏移。
[0065]
本实施例提供的误差状态观测器，包括：分别确定第k 1次输入信号矩阵、第k次输入信号矩阵、转换矩阵及控制矩阵；第k 1次输入信号矩阵包括：第k 1次的预设输入信号和与第k 1次的预设输入信号正交的信号；第k次输入信号矩阵包括：第k次的预设输入信号和与第k次的预设输入信号正交的信号；基于第k 1次输入信号矩阵、第k次输入信号矩阵、转换矩阵及控制矩阵进行构造，得到预设输入信号的误差状态观测器，以实现对预设输入信号的谐波电流误差进行跟踪，能够通过在离散域直接设计状态观测器以实时跟踪谐波电流误差，从而减少双线性变换、差分法等方式会带来谐振频率和相位双重偏移，当控制带宽超过偏差值后，将对谐波抑制不起作用，同时还会造成系统不稳定的问题。
[0066]
此外，本实施例提供的误差状态观测器还可以应用于变流器谐波控制中，对于电网背景有谐波或发电机谐波情况下，电流的谐波抑制都有效果。
[0067]
在上述实施例提供的误差状态观测器的基础之上，可选地，本技术另一实施例还提供了一种谐波抑制方法，请参见图4，该方法主要包括如下步骤：
[0068]
s201、基于误差状态观测器对预设输入信号进行跟踪，得到目标抑制误差电流。
[0069]
其中，误差状态观测器是利用如上述任一实施例提供的所述的误差状态观测器的构造方法构造得到。
[0070]
实际应用中，步骤s201、基于误差状态观测器对预设输入信号进行跟踪，得到目标抑制误差电流的具体执行过程可如图5所示，主要包括步骤s301和s302：
[0071]
s301、确定误差状态观测器的收敛目标值。
[0072]
其中，收敛目标值的具体取值可视具体应用环境和用户需求确定，收敛目标值越趋近于0，通过误差状态观测器得到的目标抑制误差电流精度越高。
[0073]
s302、依据收敛目标值对误差状态观测器中目标矩阵进行调整，得到目标抑制误差电流。
[0074]
实际应用中，目标矩阵可以是误差状态观测器中的控制矩阵；可以通过对误差状态观测器中的控制矩阵中的增益控制参数r，相位控制参数g进行调整，使得误差状态观测器的估计误差收敛到收敛目标值，得到目标抑制误差电流。
[0075]
s202、基于目标抑制误差电流，对谐波进行抑制。
[0076]
实际应用中，执行步骤s202、基于目标抑制误差电流，对谐波进行抑制的具体过程可如图6所示，主要包括步骤s401和s402：
[0077]
s401、根据目标抑制误差电流，确定谐波电流值。
[0078]
需要说明的是，实时跟踪谐波电流误差，就可以正确估计出谐波电流值。具体的，
估计方法可以参见现有技术，本技术不再赘述。
[0079]
s402、将谐波电流值进行放大，得到放大谐波电流值，并将放大谐波电流值作用到电流控制器中。
[0080]
实际应用中，可以利用谐振控制器提取出固定频带的谐波，然后将电流谐波进行放大后作用到电流控制器中，从而实现谐波抑制。其中，电流谐波也即上述的谐波电流值。
[0081]
本实施例提供的谐波抑制方法，包括：基于误差状态观测器对预设输入信号进行跟踪，得到目标抑制误差电流；基于目标抑制误差电流，对谐波进行抑制，通过在离散域直接设计状态观测器以实时跟踪谐波电流误差，从而减少双线性变换、差分法等方式会带来谐振频率和相位双重偏移，当控制带宽超过偏差值后，将对谐波抑制不起作用，同时还会造成系统不稳定的问题。
[0082]
与上述实施例提供的谐波抑制方法相对应，本技术另一实施例还提供了一种谐波抑制装置，该装置主要包括：
[0083]
确定单元，用于基于误差状态观测器对预设输入信号进行跟踪，得到目标抑制误差电流，误差状态观测器是利用如上述任一实施例所述的误差状态观测器的构造方法构造得到；
[0084]
抑制单元，用于基于目标抑制误差电流，对谐波进行抑制。
[0085]
在一些实施例中，确定单元具体用于：
[0086]
确定误差状态观测器的收敛目标值；
[0087]
依据收敛目标值对所述误差状态观测器中各个矩阵进行调整，得到目标抑制误差电流。
[0088]
在一些实施例中，抑制单元具体用于：
[0089]
根据目标抑制误差电流，确定谐波电流值；
[0090]
将谐波电流值进行放大，得到放大谐波电流值，并将放大谐波电流值作用到电流控制器中。
[0091]
在本实施例中，通过确定单元用于基于误差状态观测器对预设输入信号进行跟踪，得到目标抑制误差电流；抑制单元用于基于目标抑制误差电流，对谐波进行抑制，由于误差状态观测器是利用如上述任一实施例所述的误差状态观测器的构造方法构造得到的，也即在离散域直接设计状态观测器以实时跟踪谐波电流误差，能够减少双线性变换、差分法等方式会带来谐振频率和相位双重偏移，当控制带宽超过偏差值后，将对谐波抑制不起作用，同时还会造成系统不稳定的问题。
[0092]
在上述实施例提供的误差状态观测器的基础之上，可选地，本技术另一实施例还提供了一种谐波抑制系统，请参见图7，主要包括：pi控制器(图中的pi)以及n个误差状态观测器(图中的3-drs、6-drs、
……
、n-drs)，n为正整数，所述误差状态观测器是利用如上述任一实施例所述的误差状态观测器的构造方法构造得到；
[0093]
其中，pi控制器分别与各个误差状态观测器并联，输出相加后共同作用于被控对象以实现自适应谐波滤波功能。
[0094]
实际应用中，系统中各个误差状态观测器的可滤谐波次数不同。其中，可滤谐波次数为误差状态观测器可以抑制谐波电流的次数。
[0095]
需要说明的是，由于电流闭环控制通常使用正负序解耦控制，可根据dq轴反馈电
流，快速fft分析出dq轴电流中的谐波次数，再对谐波抑制系统中各个误差状态观测器的可滤谐波次数进行配置。
[0096]
此外，还可以对误差状态观测器的增益控制参数r，相位控制参数g甚至是输出限值进行配置，从而达到实现自适应谐波滤波功能。
[0097]
能够理解的是，对于谐波频谱丰富工况下，在基波pi控制的基础上，再增加多个drs，drs并联输出和pi输出相加后，可共同作用于被控对象，可以有效补偿不同频次相位上的延时，从而达到抑制多重离散谐波的效果。
[0098]
通过在电机注入2、4、5、7、9次谐波值(基波96hz)，在开关频率2k情况下，对定子电流进行fft分析，发现增加多重离散谐波观测器后，可以明显降低谐波值。其中，未加入观测器算法的定子电流fft分析结果如图8所示，加入观测器算法的定子电流fft分析结果如图9所示。
[0099]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0100]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0101]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。