CN108964013B - 一种基于状态观测器的upqc最优输出跟踪控制方法及装置 - Google Patents

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CN108964013B CN201710848198.2A CN201710848198A CN108964013B CN 108964013 B CN108964013 B CN 108964013B CN 201710848198 A CN201710848198 A CN 201710848198A CN 108964013 B CN108964013 B CN 108964013B
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Abstract

本发明提供了一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法及装置，以系统状态作为变量，以串并联变流器的输出电压作为控制输入及负载电压和电源电流作为系统被控输出，以电源电压和负载电流作为系统的外部干扰输入量，建立UPQC的数学模型；基于数学模型，计算负载电压和电源电流的系统被控输出参考值；建立电源电压和负载电流的状态观测器，对谐波电压和电流进行观测，补偿谐波电压和电流；以二次平均性能指标最小为目标，寻求最优控制，得到最优控制量，并将最优控制量作为数学模型的控制输入量。本发明使串并联变流器配合以提供统一、协调的电能质量调节功能，且最优输出跟踪控制在三相abc坐标下实现，无需进行dq转换，易于工程实现。

Description

一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法及装置
技术领域
本发明属于电能质量调节控制技术领域，特别涉及一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法及装置。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的发展和应用，配电网中的整流器、逆变器、电弧炉、电气化铁路等非线性负荷不断增加，引起了电网电压和电流波形发生畸变，造成电网的谐波污染。另一方面，冲击性负载和无功补偿不足会引起电网电压跌落和闪变，会影响社会的日常生活和正常生产，特别是在重要和精密的企业生产过程中，电能的中断或波动将带来巨大的经济损失。为了解决日趋严重的电能质量问题，各种电能质量控制技术应运而生，而安全可靠、清洁高效的智能电网建设步伐的加快，更对电能质量和电能利用效率提出了更高的要求。统一电能质量调节器(Unified power quality conditioner，UPQC)由串联型有源滤波器和并联型有源滤波器组合而成，首次出现于1996年日本学者Akagi在分析有源滤波器发展新趋势的一文中，能对电压和电流质量进行综合补偿，是功能最为全面的DFACTS(Distribution flexible AC transmission system)技术装置，将是未来高效治理和改善电能质量问题的首选模式。
UPQC的补偿控制策略是决定其电能质量治理效果的关键因素。对于基于电压源换流器结构的UPQC而言，期望的控制目标是通过适当的电压补偿环节，使得电网能为负载提供稳定的正序基波电压，同时为了使电网免受或少受非线性负载的影响，通过适当的电流补偿环节使网侧电流只包含正序基波成分。近年来，国内外学者针对此问题已开展了相关研究。基于傅里叶变换的频域分析方法由于存在延时和计算量复杂的问题，相关的研究和应用的偏少。在时域分析方法中，目前应用较为广泛的是瞬时功率理论和同步参考坐标法。这两种方法分别将电压电流信号转换到pq坐标系和dq坐标系下来分离基波和谐波分量，从而得到电压和电流的补偿量。除此之外，基于人工智能算法UPQC电流控制策略可以提高控制系统的计算精度并加快响应速度，但工程实现较难。实际上，UPQC中的串联和并联两部分滤波单元只有协同工作才能达到期望控制目的，因此，UPQC的控制策略中必须考虑其串并联单元的相互影响。目前已有学者在UPQC控制中加入了一定的协调策略，但未在本质上有所突破，很难保证UPQC的串并联单元能够完全发挥出各自对相关电能质量问题的解决能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法及装置，用于解决统一电能质量调节器UPQC的串并联变流器不能很好的配合以提供统一、协调的电能质量调节功能的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法，包括如下步骤：
1)以电源电流、串联变流器补偿电压、串联变流器交流侧电流、并联变流器补偿电流及负载电压作为系统状态变量，以串联变流器和并联变流器的输出电压作为控制输入，以负载电压和电源电流作为系统被控输出，及以电源电压和负载电流作为系统的外部干扰输入量，建立UPQC的数学模型；
2)基于所述数学模型，计算负载电压和电源电流的系统被控输出参考值；
3)建立电源电压和负载电流的状态观测器，利用状态观测器对谐波电压和电流进行观测，补偿谐波电压和电流；
4)以二次平均性能指标最小为目标，寻求最优控制，得到最优控制量，从而将负载电压和电源电流补偿到正常值，并将所述最优控制量作为所述数学模型的控制输入量。
进一步地，步骤4)中所述二次平均性能指标表示为：
Figure GDA0002610618400000021
其中，
Figure GDA0002610618400000022
q1，q2，r1，r2分别为待定正参数，
Figure GDA0002610618400000023
Q和R为正定矩阵，e(t)为输出误差，y(t)为系统被控输出量，y*(t)为系统被控输出参考值，u(t)为最优控制量，λ(t)为最优控制哈密尔顿函数中的拉格朗日乘子。
进一步地，步骤1)中所述UPQC的数学模型表示为：
Figure GDA0002610618400000031
其中，
Figure GDA0002610618400000032
x为系统状态变量，表示为x＝[is i1 i2 vc vL]T，u为系统控制输入，表示为u＝[u1u2]T；y为系统被控输出y＝[is vL]T，d为系统外部干扰输入，表示为d＝[vs iL]T，is为电源电流，vc为串联变流器补偿电压，i1为串联变流器交流侧电流，i2为并联变流器补偿电流，vL为负载电压，u1为串联变流器输出电压，u2为并联变流器输出电压，vs为电源电压，iL为负载电流，Rs和Ls为线路阻抗，Li和Ci(i＝1,2)分别为串联侧和并联侧出口处LC滤波器值，Ri(i＝1,2)为电抗等效电阻。
进一步地，步骤1)中所述外部干扰输入量表示为：
Figure GDA0002610618400000033
其中，Vs和Vsk(k＝2……)为电网基波和各次谐波电压幅值，ΔVs和ΔVsk(k＝2……)为电网基波和各次谐波电压跌落幅值，θsk(k＝2……)为对应的谐波电压相角；IL和ILk(k＝2……)为负载基波和各次谐波电流幅值，θL和θLk(k＝2……)对应的功率因数角，ω为系统角频率。
进一步地，步骤2)中所述系统被控输出参考值表示为：
Figure GDA0002610618400000034
其中，
Figure GDA0002610618400000035
Figure GDA0002610618400000041
Figure GDA0002610618400000042
为期望电压，
Figure GDA0002610618400000043
为期望电流，Vs和Vsk(k＝2……)为电网基波和各次谐波电压幅值，IL和ILk(k＝2……)为负载基波和各次谐波电流幅值，ω为系统角频率，θL为电网基波时对应的功率因数角，θLk(k＝2……)为各次谐波时对应的功率因数角。
进一步地，步骤3)中所述状态观测器表示为：
Figure GDA0002610618400000044
其中，
Figure GDA0002610618400000045
Gvs＝[gvs1 gvs2 gvs3 … ]T，GiL＝[giL1 giL2 giL3 … ]T，
Figure GDA0002610618400000046
Figure GDA0002610618400000047
和
Figure GDA0002610618400000048
分别是观测值，Gvs和GiL分别是状态观测器的反馈增益矩阵，gvsn(n＝1,2,…)和giLn(n＝1,2,…)是根据需要选取的常数值，
Figure GDA0002610618400000049
为vs与vL *相减后的值，
Figure GDA00026106184000000410
为iL *与is *相减后的值。
进一步地，所述λ(t)表示为：
λ(t)＝P1x(t)+P2z(t)
其中，P1和P2为待求的对称系数矩阵，z(t)为状态观测器的观测值，P1和P2为待求的对称系数矩阵。
进一步地，所述待求的对称系数矩阵满足下述表达式：
Figure GDA0002610618400000051
其中，
Figure GDA0002610618400000052
Figure GDA0002610618400000053
Az＝diag(Avs,AiL)T，Cd＝[Cvs CiL]T，
Figure GDA0002610618400000054
Cvs＝[1 0 1 0 1 0 …]，CiL＝[1 0 0 1 1 0 1 0…]，
Figure GDA0002610618400000055
Rs和Ls为线路阻抗，Li和Ci(i＝1,2)分别为串联侧和并联侧出口处LC滤波器值，Ri(i＝1,2)为电抗等效电阻。
本发明还提供了一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制装置，包括如下单元：
数学模型建立单元：用于以电源电流串联变流器补偿电压、串联变流器交流侧电流、并联变流器补偿电流及负载电压作为系统状态变量，以串联变流器和并联变流器的输出电压作为控制输入，以负载电压和电源电流作为系统被控输出，及以电源电压和负载电流作为系统的外部干扰输入量，建立UPQC的数学模型；
被控输出参考值计算单元：用于基于所述数学模型，计算负载电压和电源电流的系统被控输出参考值；
状态观测器建立单元：用于建立电源电压和负载电流的状态观测器，利用状态观测器对谐波电压和电流进行观测，补偿谐波电压和电流；
最优控制量计算单元：用于以二次平均性能指标最小为目标，寻求最优控制，得到最优控制量，从而将负载电压和电源电流补偿到正常值，并将所述最优控制量作为所述数学模型的控制输入量。
进一步地，最优控制量计算单元中所述二次平均性能指标表示为：
Figure GDA0002610618400000061
其中，
Figure GDA0002610618400000062
q1，q2，r1，r2为待定正参数；
Figure GDA0002610618400000063
Q和R为正定矩阵，e(t)为输出误差，y(t)为系统被控输出量，y*(t)为系统被控输出参考值，u(t)为最优控制量，λ(t)为最优控制哈密尔顿函数中的拉格朗日乘子。
本发明的有益效果是：
本发明的状态观测器可以选择性地对谐波电压和电流进行观测，因此，可以补偿特定频次的谐波电压电流，最优输出跟踪控制方法使得系统输出跟踪参考值，从而将负载电压和电源电流补偿到正常状态，本发明的控制方法使串并联变流器很好地配合以提供统一、协调的电能质量调节功能，且基于状态观测器的最优输出跟踪控制在三相abc坐标下实现，无需进行dq转换，易于工程实现。
附图说明
图1是本发明的统一电能质量调节器示意图；
图2是本发明的三相三线制UPQC拓扑结构图；
图3是本发明的统一电能质量调节器单相等效电路图；
图4是本发明的统一电能质量调节器最优输出跟踪控制结构图；
图5是本发明的a相负载电流频谱分析图；
图6是本发明的电压补偿效果仿真结果图；
图7是本发明的电流补偿效果仿真结果图；
图8是本发明的补偿后的负载电压和电源电流示意图；
图9是本发明的负载电流和电源电流的傅里叶分析图；
图10是本发明的补偿后的电源电流频谱分析结果图。
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，以下结合附图及实施例，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。
一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法，该控制方法包括如下步骤：
1、基于UPQC的单相等效示意图(图3)建立其动态数学模型，具体步骤为：
(1-1)应用基尔霍夫定律，得到UPQC的动态数学模型：
Figure GDA0002610618400000071
(1-2)将两个变流器发出电压作为控制输入，将负载电压vL和电源电流is作为被控输出，故取系统状态变量x＝[is i1 i2 vc vL]T，其中is为电源电流、vc为串联变流器补偿电压、i1为串联变流器交流侧电流、i2为并联变流器补偿电流、vL为负载电压，控制输入u＝[u1u2]T，u1为串联变流器输出电压，u2为并联变流器输出电压，系统输出y＝[is vL]T，同时将上式中的电网电压vs和负载电流iL视为系统的外部干扰输入，即d＝[vs iL]T，则UPQC的数学模型可表示为：
Figure GDA0002610618400000072
其中，
Figure GDA0002610618400000073
Rs和Ls为线路阻抗；Li，Ci(i＝1,2)分别为串联侧和并联侧出口处LC滤波器值，Ri为电抗等效电阻。
2、确定控制目标参考值。由于UPQC的目的是为了将负载电压和电源电流补偿到正常值，同时补偿功率因数，使负载电流与电源电压同相，故系统被控输出参考值
Figure GDA0002610618400000081
表示为：
Figure GDA0002610618400000082
其中，
Figure GDA0002610618400000083
Figure GDA0002610618400000084
Figure GDA0002610618400000085
为期望电压，
Figure GDA0002610618400000086
为期望电流，Vs和Vsk(k＝2……)为电网基波和各次谐波电压幅值，IL和ILk(k＝2……)为负载基波和各次谐波电流幅值，ω为系统角频率，θL为电网基波时对应的功率因数角，θLk(k＝2……)为各次谐波时对应的功率因数角；而期望电压
Figure GDA0002610618400000087
可以直接根据三相正弦电源电压得到，而期望电流
Figure GDA0002610618400000088
可以根据瞬时功率理论得到。
3、将UPQC的谐波电网电压和负载电流表示为状态空间模型，具体步骤为：
(3-1)将系统的谐波电网电压和负载电流表示为：
Figure GDA0002610618400000089
其中，Vs和Vsk(k＝2……)为电网基波和各次谐波电压幅值，ΔVs和ΔVsk(k＝2……)为电网基波和各次谐波电压跌落幅值，θsk(k＝2……)为对应的谐波电压相角；IL和ILk(k＝2……)为负载基波和各次谐波电流幅值，θL和θLk(k＝2……)各次谐波时对应的功率因数角。
(3-2)由于vs和iL均是周期信号，因而可将其表示为状态空间模型，即将上式中各正弦项展开，同时补以余弦项，可得：
Figure GDA0002610618400000091
式中，
Figure GDA0002610618400000092
Figure GDA0002610618400000093
Cvs＝[1 0 1 0 1 0 …]，CiL＝[1 0 0 1 1 0 …]
其中，状态变量zvs和ziL和对应的系数矩阵Avs和AiL包含了电网电压和负载电流的基波和需要补偿的各次谐波，可根据实际情况进行确定。
4、建立针对干扰量电源电压和负载电流的状态观测器，构造状态观测器：
Figure GDA0002610618400000094
式中，
Figure GDA0002610618400000095
Figure GDA0002610618400000096
Gvs＝[gvs1 gvs2 gvs3 … ]T，GiL＝[giL1 giL2 giL3 … ]T，
Figure GDA0002610618400000097
Figure GDA0002610618400000098
和
Figure GDA0002610618400000099
分别是观测值，Gvs和GiL分别是状态观测器的反馈增益矩阵，gvsn(n＝1,2,…)和giLn(n＝1,2,…)是根据需要选取的常数值，
Figure GDA0002610618400000101
为vs与vL *相减后的值，
Figure GDA0002610618400000102
为iL *与is *相减后的值。通过选取合适的反馈增益Gvs和GiL，使得
Figure GDA0002610618400000103
和
Figure GDA0002610618400000104
的特征值均具有负实部，则观测器的状态观测值将渐近地逼近其实际状态，逼近的速度取决于反馈增益的选择和特征值的配置。以上通过对UPQC外干扰输入信号进行状态估计，实现了对电源电压和负载电流各频次分量(包括正弦和余弦分量)的获取，为以下说明中最优输出跟踪控制策略的实现奠定基础。
5、设计基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪调节策略。具体步骤如下：
(5-1)选取如下二次平均性能指标：
Figure GDA0002610618400000105
式中，
Figure GDA0002610618400000106
q1，q2，r1，r2分别为待定正参数，该参数可直接选取，e(t)＝y*(t)-y(t)，
Figure GDA0002610618400000107
Q和R为正定矩阵，e(t)为输出误差，表示为e(t)＝y*(t)-y(t)，u(t)为最优控制量，λ(t)为最优控制哈密尔顿函数中的拉格朗日乘子。
则最优输出跟踪问题的目标就是寻求最优控制u(t)，使得受控系统的输出y(t)跟踪y*(t)，并使得性能指标取得最小值。
(5-2)根据最优跟踪控制理论可知，利用极值原理的必要条件可得该问题的最优输出跟踪控制律为
Figure GDA0002610618400000108
式中，λ(t)为最优控制哈密尔顿函数中的拉格朗日乘子，满足
Figure GDA0002610618400000109
式中H(t)为哈密尔顿函数，取为：
Figure GDA0002610618400000111
(5-3)将哈密尔顿函数H(t)代入到式(9)，可得λ(t)应满足的条件为：
Figure GDA0002610618400000112
(5-4)为了使最优输出跟踪控制u(t)实现状态反馈，给出控制律中λ(t)与状态量x(t)的转换关系，令
λ(t)＝P1x(t)+P2z(t) (12)
其中，P1和P2为待求的对称系数矩阵，z(t)为式(6)状态观测器的观测值。将式(12)代入到式(8)中可得：
Figure GDA0002610618400000113
式中，K1和K2分别是针对状态量x(t)和扩展状态量z(t)的增益反馈矩阵。利用式(11)的状态反馈控制律，可以将系统的状态变量和干扰输入量乘以相应的反馈系数，然后反馈到输入端形成系统的控制输入，使得性能指标表达式(7)取得最小值，实现受控系统(2)的输出y(t)跟踪其参考值。
(5-5)为得到反馈矩阵，通过对式(12)两边求导，并结合式(11)中的第一个等式可得
Figure GDA0002610618400000114
式中，
Figure GDA0002610618400000115
(5-6)将λ(t)的表达式(12)代入到式(11)中的第二个等式可以得到
Figure GDA0002610618400000116
(5-7)故为了得到最优解，对比式(14)和(15)可得待求对称系数矩阵P1和P2应满足
Figure GDA0002610618400000121
式中，
Figure GDA0002610618400000122
Figure GDA0002610618400000123
Az＝diag(Avs,AiL)T，Cd＝[Cvs CiL]T，
Figure GDA0002610618400000124
Cvs＝[1 0 1 0 1 0 …]，CiL＝[1 0 0 1 1 0 1 0…]，
Figure GDA0002610618400000125
Rs和Ls为线路阻抗，Li和Ci(i＝1,2)分别为串联侧和并联侧出口处LC滤波器值，Ri(i＝1,2)为电抗等效电阻。
上式(16)中第一个方程实际上是关于P1的黎卡提方程，可利用MATLAB的LQR(linear quadratic regulator)函数求得，而第二个方程是关于P2的线性方程。由上述两个代数方程解出P1和P2之后代入到式(13)，即可求得最优输出跟踪控制u(t)。统一电能质量调节器最优输出跟踪控制示意图见图4。
为了验证所提控制策略在补偿电能质量方面的有效性，在PSCAD/EMTDC软件中搭建了如图1所示的仿真电路进行验证，电路参数为：电源电压在0-0.2s时三相峰值327V，频率为50Hz；0.2-0.3s发生20％跌落；0.3-0.4s时存在5次谐波。直流母线滤波电容为5000μF，直流母线额定电压800V，串联侧输入滤波电感电容分别为0.6mH和13μF，串联侧输入等效电阻值2Ω；并联侧输入滤波电感电容分别为3mH和0.1μF，并联侧输入等效电阻值2Ω。具体实施流程如下：
将电源电压设置为：0-0.2s期间处于正常状态，0.2s-0.3s间电压幅值有20％的跌落，0.3s-0.4s间电压存在5倍频谐波。系统负载为非线性负载，包含多次谐波，因此首先对系统负载电流进行频谱分析，结果如图5所示。
图5显示除了基波电流外，负载电流还存在较大幅值的整数次谐波电流，其中5次、7次、11次、13次谐波电流为主要谐波量，因此本仿真以补偿该四次谐波电流为主。本发明实施例所提的控制策略补偿作用下系统电压电流仿真结果如图6-图10所示。由仿真结果可知，本发明实施例提出的控制策略可以使UPQC有效将电源电流补偿为理想的正弦形，且不管电源电压发生跌落或者畸变，都不影响电流的补偿效果。补偿后的负载电压和电源电流已经实现了同相位，验证了本发明实施例提出的控制策略可以有效实现功率因数的矫正。对比图9可知，在补偿环节的作用下，除了基波电流，各次谐波的幅值已经得到了有效减小，其中电流a相畸变率由28.3％降为了1.3％。因此，该仿真测试验证了最优输出跟踪控制策略下，UPQC较好的补偿了电源欠压和谐波，并可以有效补偿非线性负载带来的谐波问题，避免了电源电流发生畸变，实现了电压和电流的补偿功能。
本发明还提供了一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制装置，包括数学模型建立单元、被控输出参考值计算单元、状态观测器建立单元及最优控制量计算单元。其中，数学模型建立单元：用于以电源电流、串联变流器补偿电压、串联变流器交流侧电流、并联变流器补偿电流负载电压作为系统状态变量，以串联变流器和并联变流器的输出电压作为控制输入、以负载电压和电源电流作为系统被控输出，及以电源电压和负载电流作为系统的外部干扰输入量，建立UPQC的数学模型；被控输出参考值计算单元用于基于所述数学模型，计算负载电压和电源电流的系统被控输出参考值；状态观测器建立单元用于建立电源电压和负载电流的状态观测器，利用状态观测器对谐波电压和电流进行观测，补偿谐波电压和电流；最优控制量计算单元用于以二次平均性能指标最小为目标，寻求最优控制，得到最优控制量，从而将负载电压和电源电流补偿到正常值，并将所述最优控制量作为所述数学模型的控制输入量。
上述控制装置，实际上是一种软件构架，其中的各单元是与上述控制方法的步骤1-5相对应的进程或程序。由于基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法的具体实施方式已经在上述实施例中进行了详细的说明，因此，不再赘述该控制装置的具体实施方式。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以电源电流、串联变流器补偿电压、串联变流器交流侧电流、并联变流器补偿电流及负载电压作为系统状态变量，以串联变流器和并联变流器的输出电压作为控制输入，以负载电压和电源电流作为系统被控输出，及以电源电压和负载电流作为系统的外部干扰输入量，建立UPQC的数学模型；
2)基于所述数学模型，计算负载电压和电源电流的系统被控输出参考值；
3)建立电源电压和负载电流的状态观测器，利用状态观测器对谐波电压和电流进行观测，补偿谐波电压和电流；
4)以二次平均性能指标最小为目标，寻求最优控制，得到最优控制量，从而将负载电压和电源电流补偿到正常值，并将所述最优控制量作为所述数学模型的控制输入量；
步骤4)中所述二次平均性能指标表示为：
Figure FDA0002627708170000011
其中，
Figure FDA0002627708170000012
q1，q2，r1，r2分别为待定正参数；
Figure FDA0002627708170000013
Q和R为正定矩阵，e(t)为输出误差，y(t)为系统被控输出量，y*(t)为系统被控输出参考值，u(t)为最优控制量，λ(t)为最优控制哈密尔顿函数中的拉格朗日乘子。
2.根据权利要求1所述的基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法，其特征在于，步骤1)中所述UPQC的数学模型表示为：
Figure FDA0002627708170000014
其中，
Figure FDA0002627708170000021
x为系统状态变量，表示为x＝[is i1 i2 vc vL]T，u为系统控制输入，表示为u＝[u1u2]T；y为系统被控输出y＝[is vL]T，d为系统外部干扰输入，表示为d＝[vs iL]T；is为电源电流，vc为串联变流器补偿电压，i1为串联变流器交流侧电流，i2为并联变流器补偿电流，vL为负载电压，vs为电源电压，iL为负载电流，u1为串联变流器输出电压，u2为并联变流器输出电压，Rs和Ls为线路阻抗，Li和Ci分别为串联侧和并联侧出口处LC滤波器值，Ri为电抗等效电阻，i＝1,2。
3.根据权利要求1所述的基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法，其特征在于，步骤1)中所述外部干扰输入量表示为：
Figure FDA0002627708170000022
其中，Vs和Vsk为电网基波和各次谐波电压幅值，ΔVs和ΔVsk为电网基波和各次谐波电压跌落幅值，θsk为对应的谐波电压相角；IL和ILk为负载基波和各次谐波电流幅值，θL和θLk为各次谐波时对应的功率因数角，ω为系统角频率，k＝2……。
4.根据权利要求1所述的基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法，其特征在于，步骤2)中所述系统被控输出参考值表示为：
Figure FDA0002627708170000023
其中，
Figure FDA0002627708170000024
Figure FDA0002627708170000025
Figure FDA0002627708170000031
为期望电压，
Figure FDA0002627708170000032
为期望电流，Vs和Vsk为电网基波和各次谐波电压幅值，IL和ILk为负载基波和各次谐波电流幅值，ω为系统角频率，θL为电网基波时对应的功率因数角，θLk为各次谐波时对应的功率因数角，k＝2……。
5.根据权利要求1所述的基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法，其特征在于，步骤3)中所述状态观测器表示为：
Figure FDA0002627708170000033
其中，
Figure FDA0002627708170000034
Gvs＝[gvs1 gvs2 gvs3 … ]T，GiL＝[giL1 giL2 giL3 … ]T，
Figure FDA0002627708170000035
Figure FDA0002627708170000036
和
Figure FDA0002627708170000037
分别是观测值，Gvs和GiL分别是状态观测器的反馈增益矩阵，gvsn和giLn是根据需要选取的常数值，n＝1,2,…，
Figure FDA0002627708170000038
为vs与vL *相减后的值，
Figure FDA0002627708170000039
为iL *与is *相减后的值。
6.根据权利要求1所述的基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法，其特征在于，所述λ(t)表示为：
λ(t)＝P1x(t)+P2z(t)
其中，P1和P2为待求的对称系数矩阵，z(t)为状态观测器的观测值。
7.根据权利要求6所述的基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制方法，其特征在于，所述待求的对称系数矩阵满足下述表达式：
Figure FDA00026277081700000310
其中，
Figure FDA00026277081700000311
Figure FDA0002627708170000041
Az＝diag(Avs,AiL)T，Cd＝[Cvs CiL]T，
Figure FDA0002627708170000042
Cvs＝[1 0 1 0 1 0 …]，CiL＝[1 0 0 1 1 0 1 0…]，
Figure FDA0002627708170000043
Rs和Ls为线路阻抗，Li和Ci分别为串联侧和并联侧出口处LC滤波器值，Ri为电抗等效电阻，i＝1,2。
8.一种基于状态观测器的UPQC最优输出跟踪控制装置，其特征在于，包括如下单元：
数学模型建立单元：用于以电源电流串联变流器补偿电压、串联变流器交流侧电流、并联变流器补偿电流及负载电压作为系统状态变量，以串联变流器和并联变流器的输出电压作为控制输入，以负载电压和电源电流作为系统被控输出，及以电源电压和负载电流作为系统的外部干扰输入量，建立UPQC的数学模型；
被控输出参考值计算单元：用于基于所述数学模型，计算负载电压和电源电流的系统被控输出参考值；
状态观测器建立单元：用于建立电源电压和负载电流的状态观测器，利用状态观测器对谐波电压和电流进行观测，补偿谐波电压和电流；
最优控制量计算单元：用于以二次平均性能指标最小为目标，寻求最优控制，得到最优控制量，从而将负载电压和电源电流补偿到正常值，并将所述最优控制量作为所述数学模型的控制输入量；
最优控制量计算单元中所述二次平均性能指标表示为：
Figure FDA0002627708170000044
其中，
Figure FDA0002627708170000045
q1，q2，r1，r2为待定正参数e(t)＝y*(t)-y(t)，
Figure FDA0002627708170000051
Q和R为正定矩阵，e(t)为输出误差，y(t)为系统被控输出量，y*(t)为系统被控输出参考值，u(t)为最优控制量，λ(t)为最优控制哈密尔顿函数中的拉格朗日乘子。
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