[發明專利]一種非線性自抗擾飛機電網相位角度跟蹤器

有效

• 申請號: 202110149481.2
• 申請日: 2021-02-03
• 公開（公告）號: CN112964932B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 孫希明;林平
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01R25/00
• 分類號: G01R25/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

1.一種非線性自抗擾飛機電網相位角度跟蹤器，為電網同步模塊，用于估計飛機電網交流電側的電網相位角度；飛機電網中同軸發電機內置于航空燃氣渦輪發動機壓氣機中，同軸發電機直接和航空燃氣渦輪發動機進行耦合，故同軸發電機的交流電頻率隨著航空燃氣渦輪發動機的轉速變化而變化；因此，設計一種非線性自抗擾飛機電網相位角度跟蹤器，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：首先定義坐標系，將三相靜止旋轉坐標系下的交流電V_abc轉換到兩相靜止坐標系υ_αβ，最終轉換到兩相旋轉坐標系υ_qd；進而通過控制υ_d＝0，估計出電網相位角度，各個坐標系之間的轉換關系用公式(1)描述；

其中，

V_abc＝[V_a V_b V_c]^T,υ_αβ＝[υ_α υ_β]^T,υ_qd＝[υ_q υ_d]^T,為電網相位角度的估計值；

步驟2：將同軸發電機作為交流電壓源，根據多電飛機標稱電網參數，得到多電飛機標稱交流電壓源模型，其數學表達式滿足公式(2)：

其中，V_a，V_b，V_c為飛機三相交流電的電壓，θ＝ωt為電網相位角度，ω為三相交流電頻率，V_m為三相電壓幅值；將公式(2)三相靜止旋轉坐標系下的交流電V_abc轉換到兩相旋轉坐標系υ_qd，通過控制υ_d＝0，就能保證電網相位角度的估計值最終收斂到電網相位角度的真實值；

步驟3：由于電網存在電壓幅值不平衡、電網高次諧波和直流偏置的情況，使得多電飛機電網中交流電不再滿足公式(2)所示的情況；電網存在電壓幅值不平衡、電網高次諧波和直流偏置情況下分別滿足公式(3)、公式(4)和公式(5)；

其中，β，γ分別為飛機三相電網的電壓幅值不平衡系數；v₅為飛機三相電網的5次電壓諧波分量幅值，v_2n-1分別為飛機三相電網的2n-1次電壓諧波分量幅值；V_ao，V_bo，V_co分別為飛機三相電網的電壓直流偏置；

步驟4：考慮電網電壓幅值不平衡的條件，當υ_d＝0時，得到電網相位角度的估計值與電網相位角度的真實值之間存在一個靜態誤差，如公式(6)所示；

其中，為飛機電網相位角度的估計值，E_pu為電壓不平衡引起的幅值增益系數，φ_pu為電壓不平衡引起的初始相位角度；

步驟5：考慮電網存在高次諧波的情況下，當υ_d＝0時，得到電網相位角度的估計值與電網相位角度的真實值之間存在一個靜態誤差，如公式(7)所示；

其中，v₅為5次電壓諧波幅值，v₇為7次電壓諧波幅值，v₁₁為11次電壓諧波幅值，v₁₃為13次電壓諧波幅值，v_6n-1為6n-1次電壓諧波幅值，v_6n+1為6n+1次電壓諧波幅值，E_6h為5次諧波和7次諧波分量幅值合成的電壓幅值，E_12h為11次諧波和13次諧波分量幅值合成的電壓幅值，E_6nh為6n-1次諧波和6n+1次諧波分量幅值合成的電壓幅值，n為正整數；

步驟6：考慮電網直流偏置的情況下，當υ_d＝0時，得到電網相位角度的估計值與電網相位角度的真實值之間存在一個靜態誤差，如公式(8)所示；

其中，V_ao，V_bo，V_co分別為飛機三相電網的電壓直流偏置，E_do為電網直流偏置引起的幅值增益系數，φ_do為電網直流偏置引起的初始相位角度；

步驟7：步驟4、步驟5和步驟6表明電網存在電壓幅值不平衡、電網高次諧波和直流偏置的情況對電網相位角度估計造成靜態誤差，為了消除此靜態誤差，需要將電網存在電壓幅值不平衡、電網高次諧波和直流偏置的信息集成到電網同步模塊中；根據線性疊加原理，將步驟4、步驟5和步驟6的信息疊加到公式(9)中，整理得到非線性自抗擾飛機電網相位角度跟蹤器所需的標稱數學模型，公式(9)所示；

其中，

d_VO＝E_docos(θ+φ_do),

d_VH＝V_mE_6hsin6θ+V_mE_12hsin6θ+...+V_mE_6nhsin6nθ,

其中，b為控制輸入增益系數，u為控制輸入，b₀為控制輸入增益系數的估計值，ω為電網頻率，為電網頻率的估計值，d_total為總擾動，d_PU為電壓不平衡引起的擾動，d_VO為電壓直流偏置引起的擾動，d_VH為電壓高次諧波引起的擾動，d_LIN為線性化引起的擾動；

步驟8：基于公式(9)設計非線性自抗擾飛機電網相位角度跟蹤器，由公式(10)和(11)組成，公式(10)為線性狀態誤差反饋律，公式(11)為廣義積分非線性擴張狀態觀測器，公式(10)中所計算得到的u為估計的電網頻率與真實電網頻率之間的差值，真實的電網頻率ω等于u與航空燃氣渦輪發動機轉速之和，由于航空燃氣渦輪發動機轉速可以通過傳感器測得，該信息作為已知信息，特別注意，此處的航空燃氣渦輪發動機轉速的單位應以幅度每秒的形式存在，最后對ω進行積分運算，即得到了飛機電網的相位角度；

其中，

其中，為υ_d的參考值，k_p為比例系數，z₁為x₁的估計值，z₂為x₂的估計值，L₁和L₂為廣義積分非線性擴張狀態觀測器的增益系數，z₂₍₀₎為未建模動態估計值，為d₁對時間的導數，為d₂對時間的導數，為d₃對時間的導數，ω_r1＝ω為電網電壓存在直流偏置情況下的頻率補償，K_r1為其頻率補償增益系數，ω_r2＝2ω為電網電壓不平衡情況下的頻率補償，K_r2為其頻率補償增益系數，ω_r3＝6ω為電網電壓存在高次諧波情況下的頻率補償，K_r3為其頻率補償增益系數，為u₁對時間的導數；α₁，α₂均為0到1之間的實數。