锁相环(Phase-locked Loop,PLL)是电网同步的关键技术。随着电力电子设备的引入,电网结构越来越复杂,谐波扰动和直流扰动对锁相环的影响越来越严重,因此锁相环需要具有良好的抗扰动性能。正交信号生成器(Quadrature Signal Generation,QSG)是实现锁相环的重要组成部分,可以提高PLL的锁相精度。针对不同的谐波和直流分量问题,本文从现代控制的角度出发,提出了三类不同的观测器方法来生成正交信号。当它们用在相应的电网电压条件时,基于它们的锁相环方法可以有良好的动态性能与鲁棒性能,实现良好的锁相性能。1)针对特定次扰动问题,根据电网电压的内部关系建立数学模型,提出了观测器方法来生成正交信号。观测器方法是现有二阶广义积分器(Second-order Generalized Integrator,SOGI)、三阶广义积分器(Third-order Generalized Integrator,TOGI)、多阶广义积分器(Multiple Second-order Generalized Integrators,MSOGI)的一般化形式。它增加了控制维度,为正交信号生成器的设计提供了新的思路。观测器方法的参数可以由极点配置得到,简化了参数设计的步骤。基于观测器的锁相环可以实现相应条件时频率和相角的准确跟踪。仿真结果和实验结果证明了基于观测器方法的锁相环具有快速的动态性能。2)当电网电压的扰动未知时,为了提高动态性能,基于观测器方法的锁相环需要牺牲鲁棒性能。为了提高锁相环的鲁棒性能,提出了基于前置积分的观测器算法来生成正交信号。和观测器方法相比,它增加了前置积分器结构,生成的两个正交信号在高频段均至少具有-40d B/dec的衰减性能。为了方便工程实现,基于电网中的不同扰动信息,设计了相应的基于前置积分的观测器方法来生成正交信号。当电网中的高次谐波较多时,提出基于前置积分的观测器方法来生成正交信号(Luenberger Observer-QSG,LO-QSG);当电网中存在明显的直流分量时,提出了可以消除直流分量的前置积分观测器方法来生成正交信号(Luenberger Observer dc offset-QSG,LODC-QSG);当电网中存在任意次扰动信息时,提出改进的LO-DC-QSG方法来抑制谐波。基于小信号模型的分析保证了基于前置积分的观测器的锁相环系统的稳定性。仿真结果和实验结果验证了基于前置积分的观测器方法的可行性与有效性。3)针对电网中存在的未知扰动问题,基于滑模控制原理,建立了扰动未知的电网电压数学模型,设计了滑模观测器(Sling Mode Observer-QSG,SMO-QSG)来生成正交信号。李雅普诺夫稳定性判据保证滑模观测器的可行性。和线性观测器方法相比,它可以抑制任意扰动信息。给出了相应的参数设计方法和相应的锁相环结构。仿真结果和实验结果证明了基于滑模观测器的锁相环具有很强的抗扰动性能。