一种基于并网lcl滤波器系统降维观测器的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新能源发电及并网技术、数字控制技术、电力电子技术以及运动控制
技术领域，尤其涉及一种基于并网LCL滤波器系统降维观测器的设计方法。
【背景技术】
[0002] 间歇性发电系统，补充传统发电方式以解决电力市场需求，其作为清洁能源发电 也日趋推广成熟。接入电网的电力电子设备增多，此类系统的发电机容量、发电厂(场)规模 逐年增加。
[0003]为了提高新能源发电系统并入电网电能的质量、降低变流器型并网系统的开关次 谐波含量，大容量并网LCL滤波器多用于并网侧变流器中。LCL滤波器不仅适用于间歇性发 电系统的并网，也适用于其他非旋转设备的变流器型并网系统。LCL滤波器在减少并网处电 流开关次谐波的同时，更是降低了滤波器的电抗总容量。但LCL滤波器也存在自身的缺点， 该LCL滤波器的电气结构使得系统具有谐振频率点，对整个发电系统的稳定运行造成影响。 为此产生了提高LCL滤波器稳定性的方法，S卩LCL滤波器的阻尼控制策略。
[0004] LCL并网逆变器多为三相系统，包括逆变器与LCL滤波器。LCL滤波器为系统被控对 象，不考虑电网电压故障及各元件寄生参数。若电网为强电网且开环系统输入为逆变器电 压、输出为，被控对象LCL滤波器本身具有谐振点。若采用基于电网电压定向的矢量控制方 式，其控制原理是在dq轴上实现的，得出LCL滤波器的谐振极点在虚轴上，属于临界稳定的 情况。而由于坐标变换的原因在dq轴系统中谐振频率则为。在并网变流器的控制策略中，带 dq轴电流内环、直流母线电压外环的双闭环构成并网LCL逆变器的矢量控制系统。
[0005]目前，在满足单位功率因数控制前提下，如何提高系统稳定性以消除谐振极点引 入的系统不稳定成为关键。结合dq轴控制策略，对于LCL并网结构加入阻尼项以改变系统的 谐振极点位置，提高系统的稳定性。根据阻尼因子引入方式的不同，业界普遍将其分为无源 阻尼控制与有源阻尼控制。从被控对象并网LCL滤波器本身的电路结构考虑，将LCL滤波器 中加入阻尼电阻，改变系统硬件电路的构成以改变闭环控制系统的特性。一般在额定状态 下，电容上的电流为额定并网电流的10%以下，为降低加入电阻后额外的电能损耗，在电容 支路串联加入阻尼电阻R，有学者也给出结论:电容支路串联电阻是损耗最低的无源阻尼控 制方式。
[0006]加入无源电阻R可以提高系统的稳定性，系统在谐振频率附近的阻尼变大，系统谐 振模态被激发以致系统崩溃的可能性减小。但引入电阻R不仅会增加系统运行时的损耗，更 会降低系统的可靠性（电阻熔断将造成三相不对称，或失去电容作用而向电网注入谐波增 加，甚至会发生停机故障），故不使用无源电阻而通过变流器控制系统谐振频率附近阻尼的 方法值得研究与讨论，这种提高阻尼的方法称为有源阻尼。
[0007]目前，有源阻尼方法为增加I型闭合回路，引入电容电流前馈至输入电压处，人为 制造阻尼环节以产生系统阻尼因子消除谐振。通过调节前馈比例系数KCP以校正系统特征 根，达到有源阻尼的目的。电容电流可以通过增加电容电流传感器采样得到，也可以增加电 网侧电流传感器再与原有变流器侧电流传感器采样相减得到。两种电容电流前馈的方式， 分别在ABC坐标系下实现与dq坐标系下实现。由于两种方法等价，故仅给出在dq轴下电容电 流前馈，则在并网变流器的控制策略中，带dq轴电流内环、直流母线电压外环的双闭环构成 并网LCL逆变器的矢量控制。电流环控制器与并网LCL滤波器合成的系统状态空间表达形 式，这便是有源阻尼控制策略。其中，dq轴电流指令4与'为系统输入，dq轴电容电压ucd与 ucq、dq轴电网侧电流iid与iiq、dq轴变流器侧电流i2d与i2q、dq轴电流环PI调节器状态X2d与X2q 为状态变量。
【发明内容】
[0008]本发明实施例的目的在于提供一种基于并网LCL滤波器系统降维观测器的设计方 法，旨在解决现有技术因采用电容电压或电容电流采样的传感器，无法避免地引入采样通 道的高次谐波，对控制过程带来干扰并导致系统不稳定等问题。
[0009]本发明实施例是这样实现的，一种该基于并网LCL滤波器系统降维观测器的设计 方法包括:进行3s/2r变换后，在dq轴上给出基于并网LCL滤波器系统的降维观测器状态方 程与输出方程，通过估计出的电网侧电流与采样得到的变流器侧电流求出电容电流，求出 电流闭环控制中变流器电压，进而，得到电流环控制器系统与并网LCL滤波器被控对象合成 的闭环系统。
[0010]进一步，并网LCL滤波器系统状态空间dq轴电容电压uCd与uCq、dq轴电网侧电流ild 与ilq以及dq轴变流器侧电流i2d与i2q为系统状态变量，而其中变流器侧电流i2d与i2q可由变 流器侧电流传感器直接获得；
[0011]在dq轴上的状态观测器，首先分析单相系统的情况，并网LCL滤波器的单相系统微 分方程式整理为：
[0013]并网LCL滤波器的输出方程式整理为：
[0014]?2=[1 0 0][i2iiuc]T (2)
[0015]由于rank{[l0 0]} = 1，故需要重构的状态变量为[huc]T，即将原系统分解为两 个子系统，分别为不需要重构的子系统与需要重构的子系统，其中不需要重构的子系统称 为非重构子系统，为式（1)第一行；需要重构的子系统称为重构子系统，非重构子系统的表 达式为：
[0017]其中，等号后第二项为重构子系统到非重构子系统的耦合矩阵，故定义该矩阵为 重构子系统的输出，又由于其为1阶，故表示为η如下所示：
[0019]则重构子系统的表达式为：
[0023]极点实部为0在虚轴上，故需要将观测器的期望极点设计在左半平面，即具有负实 部，期望观测器的极点Spil-Pr+Pi·j、p2 = -pr-Pl ·j，观测误差反馈矩阵为A%表示为：
[0025] 为了估计[hue]T，需要对重构子系统设计基本观测器如下：
[0026]
[0027]将其4项移至等号左侧，并对式(8)作变换写作：
[0029]定义降维观测器的状态为：
[0031] 根据降维观测理论，该观测器的状态空间方程：
[0033]那么观测的状态变量表达式为：
[0035]由此得到降维观测器的特征方程：
[0037]则配置观测误差反馈矩阵与降维观测器极点实部与虚部的关系有：
[0039]进一步，所述基于并网LCL滤波器系统降维观测器的设计方法在具体参数设计前 应判断系统可观测性，由LCL滤波器系统状态空间描述分析可知，系统状态矩阵为：
[0041]由于采用基于变流器侧电流闭环的矢量控制策略，故该系统输出向量为：
[0042]C〇=[0 0 0 0 1 0] (16)
[0043] 根据定常系统可观性的代数判据，并根据式(18)、式(19)求出系统可观性矩阵为：
[0045] 经过计算，系统可观性矩阵Q〇的秩为：
[0046]rankQo= 6 (18)
[0047]故并网LCL滤波器系统是完全可观的。
[0048]进一步，所述基于并网LCL滤波器系统降维观测器的设计方法带dq轴电流内环、直 流母线电压外环的双闭环并网LCL逆变器的矢量控制系统如下得出；
[0049] 被控对象并网LCL滤波器的输入量U2d、U2q的表达式为：
[0051]电流环控制器系统的状态空间变量为X2d与x2q，其状态空间方程为：
[0055]将电容电流由状态变量电网侧电流与变流器侧电流推导得出，将输出方程转化为：
[00