聯合控制補償系統
概述
隨著大型企業非線性及無功負載的大量增加，配電網中電流、電壓波形畸變程度及相角偏移也日益嚴重。目前電力電子器件額定功率有限，與電網所要求控制的電壓之間產生矛盾。因此，有源電力濾波器的多樣化方案成為研究的重點。補償系統能否套用於實際取決於其結構的複雜度，濾波系統的治理效果取決於其控制方法。為了套用實際並提高濾波效果，針對各類拓撲結構提出了許多新穎的控制方法，均有各自的優勢，但都局限在低壓小容量系統中使用。傳統的混合型電力濾波器無法像無源濾波器一樣補償無功功率，因此提出了用於補償諧波和無功功率的新型拓撲結構，例如改進多通道注入式 HAPF 與TCR 聯合系統，雙環解耦電壓型逆變器控制的研究。這些新的拓撲與控制方法結構複雜，補償時是分別併入電網，沒有達到聯合控制的目的，且這些方法並沒有大幅度減小有源電力濾波器容量。針對於此，本文提出一種並聯混合電力濾波器(SHPF)與TCR 的新型串聯組合。這種組合可以很好地抑制負載產生諧波電流並補償系統所需無功功率，並且減小直流側電壓。該拓撲結構適用於大容量系統的諧波抑制和無功補償的綜合系統。
SHPF-TCR 的補償原理
SHPF 和TCR 組合的新型拓撲結構。SHPF 由一個小容量的APF 和一個LC 五次無源濾波器串聯組成。其中APF 由串接注入式升壓電感( L， R)和脈衝寬度調製(PWM)三相全橋電壓型逆變器及直流母線電容器( C)組成。系統主要補償由無源部分承擔，有源部分改善濾波特性、抑制電網和SPF 間的諧振，承受非常小的電網基波電壓和電流，其額定容量被大大降低。新型拓撲結構不用經過隔離變壓器，系統複雜度被大大降低，經濟實用性強。
聯合系統提出了改善動態回響並降低TCR 穩態誤差的控制方法。由PI 控制器和提取所需的觸發角來補償負載所消耗的無功功率。非線性控制SHPF 進行電流跟蹤和電壓調節。採用解耦控制策略，將 dq 坐標系的分量解耦線性化，控制 SHPF 的注入電流。直流電壓使用輸出反饋線性控制，該 SHPF 可以保持較低的直流側電壓。這個SHPF-TCR 相結合的拓撲結構及控制方法非常適合電力系統綜合補償無功功率和消除諧波電流。
系統組成與建模
在三相靜止abc 坐標系變換到兩相旋轉 dq 坐標系，將電流 i 和 i 進行微分，得出該系統的空間狀態模型。由於狀態變數{ i , i , V } 和開關狀態函式{ d , d } 的存在，系統模型為非線性的。SHPF控制的三個狀態變數必須獨立地控制。因此通過解耦策略，充分分離它們各自的動態變數，可以避免內部電流環路和外部直流母線電壓環路之間的相互作用。
採用電流內環和直流電壓外環模型時，TCR 電容電壓的微分係數比較低，所以對所提出控制技術的性能沒有顯著的負面影響。因此，它們實際上可忽略不計，然後將電流進行解耦，得出輸入變數。在變換過程中，對解耦後的電流進行跟蹤。電流 i 和 i 可以被獨立地控制，並且通過使用比例積分補償器，實現快速動態回響和零穩態誤差。跟蹤控制器的表達式為
仿真與實驗
不投入無功負載，得出單相供電電流( i)，負載電流( i)，SHPF-TCR電流( i)的仿真圖形及直流側電壓( V)。 SHAP 工作時，電源電流的總諧波失真，從25.72%降低到1.52%。通過仿真驗證SHPF-TCR 補償器提供了非常良好的補償性能，並且直流側電壓穩定在50 V。在系統產生諧波和需無功功率時，通過實驗觀察SHPF-TCR 的補償規律，如圖8 所示為SHPF-TCR 補償無功功率和消除諧波的穩態回響，該圖波形是網側電壓( V)、單相電源電流( i)、負載電流( i)和混合濾波器的電流( i)。 SHPF-TCR 補償負載電流( i)的動態回響。從該實驗結果，可以觀察到SHPF-TCR 補償器能夠有效地補償諧波電流和無功功率。電源電流接近正弦，並保持與電壓同相位。系統諧波由TCR 並聯連線電容器和有源濾波器進行補償。APF 被設定為僅補償負載諧波，TCR 的諧波電流迫使流過電容器，這些諧波不會流過電源或負載。因此，保證了網側的電能質量。
結論
本文提出的HAPF 與TCR 聯合補償系統，將非線性控制解耦策略套用於SHPF-TCR 控制系統，同時把有源濾波器和SPF 進行互補，從而提高了濾波性能，減小有源濾波器的額定功率，並且使有源濾波器直流側電壓保持在穩定的低壓值處，實現了諧波與無功的動態綜合補償。仿真與試驗證明了其具有動態回響快，穩態和瞬態晶閘管能夠通過功率的變化進行切換，所提出的補償系統及控制方法有效地解決了大型企業非線性負載增加的問題。
桁架錨索聯合控制
概述
煤巷支護理論及其安全控制技術是保證煤礦安全生產的常規而重要的基礎性技術, 尤其是大跨度泥岩頂板煤巷支護技術是礦業工程學科和煤礦安全領域內的重要難題,對於平衡採掘關係和加快高產高效礦井建設將產生深遠的影響。目前, 煤巷錨桿支護技術在煤炭行業得到了全面快速的發展, 錨桿支護理論也不斷地豐富完善, 桁架錨索聯合控制技術作為一種新型的支護技術近年也被提出和套用,這種新型支護技術原理不同於傳統的錨桿(索)支護, 能夠降低工人的勞動強度, 提高勞動生產率, 為煤炭企業帶來顯著的經濟社會效益。
1現場概況及存在問題
某礦己-22020工作面主要開採己煤層, 頂板灰黑色砂質泥岩, 含植物葉片化石, 距煤層頂板0.8m左右, 有一層0.01 ～0.15m的煤線;底板為深灰色砂質泥岩與細砂岩互層, 含植物根部化石, 頂部有0.1～0.2m的炭質泥岩,遇水易膨脹。開切眼長度為170m,巷道形狀為矩形,淨寬6.4m,淨高2.8m,淨斷面為17.92m。該切眼沿己煤層頂板掘進, 破底不破頂, 傾角為15～24°。
通過現場調研和分析, 工作面切眼圍岩及其維護存在以下幾方面的問題:
①原有支護方式基本照搬順槽的支護方式, 而在迴風順槽巷道中出現了大範圍的頂板嚴重下沉和離層現象(頂板下沉量達0.5～1.0m), 需採用U型鋼和補打木點柱加強支護。迴風順槽的部分區域還出現冒頂(冒頂高度可達1.0m),而且在很多區域兩幫煤岩體向巷道中部大幅度內移並伴隨出現底鼓現象, 不得不擴幫重新支護和起底;
②原有錨桿(索)支護系統中, 錨索呈單體布置,安裝時不能實現水平方向預緊力, 而且在頂板下沉過程中單體錨索亦不能產生水平方向的支護力, 不利於頂板岩層在施加水平預應力後處於三向壓應力狀態和增加岩體強度,在支護原理上尤其不利於大斷面破碎頂板在水平方向上形成穩定的結構。原有支護中, 僅僅安設傾斜角錨桿, 長度短、水平投影長度小, 且錨桿螺紋部分很容易被剪斷, 不能有效控制巷道剪下破壞冒頂事故的發生, 而鋼絞線長度大、伸入煤幫上方頂板岩體範圍大, 且抗剪性能強、在巷道肩窩處不易被剪斷, 能夠緩解頂板支護結構的剪下破壞;
③原有頂錨桿長度為2.0m,而頂板砂質泥岩與煤線組成的複合破碎頂板的厚度達3.0m。錨桿長度不僅小於複合頂板的厚度, 而且未能深入到穩定的岩層中, 因此還需要充分發揮錨索系統的支護作用。鋼筋梯子梁採用鋼筋焊接而成,焊接點在受水平作用力後易發生破壞, 而桁架錨索結構全部採用鋼絞線鎖緊對拉, 不易發生破壞, 加強了支護結構的整體性, 有利於形成穩定的支護結構;④切眼服務時間較長, 貫通以後服務期將超過3個月, 變形破壞時間長。
桁架錨索聯合控制技術的原理
桁架錨索控制技術是將處於受壓狀態的巷道兩肩窩深部岩體作為錨固點和承載結構的基礎, 採用高預拉力對拉並鎖緊兩根鋼絞線, 直接作用於頂板淺部的圍岩, 提供水平預應力改善頂板的應力狀態, 強化低位岩體的力學性能和提高其抗變形性能, 控制層狀頂板的不協調變形。桁架錨索是一種能在巷道頂板的水平和鉛直方向同時提供擠壓應力的主動支護結構, 從而使得錨固區內的煤岩體處於鉛直擠壓和水平擠壓狀態, 桁架錨索系統預緊力引起的主動力可有效主動控制巷道頂板的初始下沉。 在巷道頂板的彎曲變形過程當中, 錨索受到的拉應力增加, 錨固區內的煤岩體受到的擠壓支護力也隨之增加。
預拉力桁架系統適用於頂板自身強度較低的大跨度、大斷面巷道和懸頂面積大的交叉點, 具有良好的套用價值。這種支護形式可以在頂板未出現離層時強化頂板, 減少變形;出現離層時, 也能保證巷道的安全使用, 特別是在巷道頂板鬆軟破碎的情況下, 效果更加明顯。與普通單體錨索比較, 桁架錨索有如下優點:
1)受力隨頂板岩體彎曲,兩幫錨固點內移,能形成閉鎖結構, 受力增加較慢, 支護結構不易失效;而單體錨索隨頂板變形, 載荷直線上升, 易拉斷失效。
2)巷道頂板內拉應力區與壓應力區的分界線為中性軸, 因而中性軸上方的頂板岩體處於壓應力區, 中性軸下方的頂板岩體處於拉應力區。 桁架錨索使得頂板錨固體的中性軸下移, 改善了錨固區內圍岩的應力狀態, 使錨固區內更多岩體處於壓應力狀態, 從而使得錨固區內圍岩不容易破壞。
3)由於中性軸的下移以及桁架高預應力在錨固區內岩層產生與重力力矩反方向的力矩, 大大降低了錨固區煤岩層的最大拉應力, 錨固區內岩石的穩定性得到大大加強。
4)桁架錨索斜穿過錨固岩梁最大剪應力區,錨索、岩梁和角錨桿共同承擔剪應力, 且錨索的高預應力在一定程度上抵消了岩梁承受的剪應力, 並且錨索的這種抗剪力隨著岩梁彎曲變形的增加而相應增加, 從而增加了錨固岩梁的抗剪能力。
5)桁架錨索的錨固點和支護結構是在巷道兩幫的肩窩, 該處處於三向高壓狀態, 不易受頂板離層和變形的影響, 錨固點周邊煤岩體不容易破壞, 為桁架錨索系統發揮高錨固力提供了穩固的支點。
桁架錨索聯合控制技術套用
桁架錨索支護方案設計
運用桁架錨索支護技術的原理, 結合己-22020工作面的現場實際條件, 設計了適用於工作面的桁架錨索支護方案。
現場套用與效果分析
通過將設計方案在己-22020工作面現場的套用並設定巷道圍岩變形測站進行現場礦壓觀測, 得出巷道頂板下沉量與兩幫移近量變化結果。大跨度切眼在開挖支護完成後一個月內,斷面收斂率很小, 巷道變形主要以頂板下沉為主, 兩幫移近量最大不超過100mm,頂板下沉量最大不超過150mm,巷道圍岩控制效果較好。
大跨度切眼初期收斂速度比後期收斂速度要大, 在掘進25d左右趨於穩定。
聯合控制策略
概述
光伏（PV）發電具有平均變化率小、正調峰性能的突出優勢，有可能成為最具發展前景的發電技術之一。光伏併網發電系統主要由光伏陣列模組、逆變器、交流濾波和電網組成。逆變器是連線光伏陣列模組和電網的關鍵部件，用以實現控制光伏陣列模組運行於最大功率點和向電網注入正弦電流兩大主要任務。光伏併網系統通常利用電壓源型逆變器作為和電網連線的接口，通過實時採樣電網電壓、電流數據形成控制指令，進而使逆變器輸入電流按照相應指令注入電網實現光伏發電系統的併網發電。早期的併網逆變器系統輸出端一般安裝工頻隔離變壓器，實現電壓調整和電氣隔離，然而，工頻隔離變壓器體積大、成本高、損耗大，影響系統整機效率。因此，無工頻隔離變壓器的併網逆變器系統成為目前研究熱點。光伏發電系統採用無工頻變壓器併網時，併網逆變系統整體效率可以得到一定提高，但是卻帶來了諸如漏電流和直流注入等新的問題。漏電流的本質是共模電流，其產生原因是光伏發電系統存在寄生的對地電容，當寄生電容－光伏發電系統-電網三者之間形成迴路時，共模電壓將在寄生電容上產生共模電流。當光伏發電系統採用工頻變壓器與電網連線時，因為迴路中變壓器繞組間寄生電容阻抗相對較大，則迴路中的共模電壓產生的共模電流可以得到一定程度的抑制；但是在無變壓器的光伏發電系統中，迴路阻抗相對較小，共模電壓將在光伏系統和對地電容上形成較大的共模電流。如果逆變器具有可變的共模電壓，在光伏陣列模組和地之間會產生漏電流，威脅人身安全，並產生電磁干擾。實際套用中可以通過改進系統拓撲或調製方法來減小或消除共模電流。
電力系統不允許將有較大輸出直流分量的逆變器連線到電網上，因為注入電網直流分量會使變電所變壓器工作點偏移，導致變壓器飽和；增加電網電纜的腐蝕；導致較高的初級電流峰值，可能燒毀輸入保險，引起斷電；甚至可能增加諧波分量。IEEE Std929—2000 中規定光伏系統併網電流中直流分量必須小於系統額定電流的0.5 %。因此，研究光伏併網直流注入問題具有重要的現實意義。
目前國內外關於光伏發電系統直流注入方面已有初步研究。採用半橋拓撲逆變器可以有效抑制直流分量注入到電網，但是與全橋逆變器相比，半橋結構需要更高的直流輸入電壓。提出一種基於直流分量檢測及校正方法，理論上可實現較為理想的直流抑制效果，但是其直流抑制效果非常依賴於檢測元件的精度。事實上併網電流中直流成分相對較小，低精度檢測元件不僅無法實現準確的直流檢測，其檢測誤差又將引入其他諧波成分，而高精度檢測元件或檢測電路又將導致成本的增加。此外，還提出了在併網逆變器輸出側串聯隔直電容的直流抑制方法。該方法雖然能有效抑制直流分量，但為了避免過大的基波壓降，交流電容取值一般較大，成本較高。實際套用中，理想的電容是不存在的，電容的雜散參數將影響系統整機效率，而且電容一旦損壞引起斷路，將造成電感能量無法泄放而導致過電壓現象。 提出一種基於虛擬電容的直流抑制方法，採用控制方法代替隔直電容，使併網逆變器既可實現零直流注入，又可實現隔直電容零損耗，但是當光伏併網系統採用LCL 型濾波器濾波時，電容隔直方法以及虛擬電容隔直方法將可能失效。本文基於LCL 型濾波器在光伏併網逆變系統廣泛套用的現況，分析了現有典型直流抑制技術在採用LCL 型濾波器光伏併網逆變系統中的適用性，進而提出了一種基於比例諧振（PR ）與PI 聯合控制的直流抑制技術。該方法無需增加外圍硬體電路，且只占用很少的控制晶片資源。仿真結果驗證了算法的有效性。
濾波器的併網逆變器控制原理分析
基於 LCL型濾波器的單相光伏併網逆變器原理
採用LCL 結構的濾波器比L、LC 結構有更好的衰減特性，對高頻分量呈高阻態，可以抑制諧波電流，且同電網串聯的電感L 還可起到抑制衝擊電流的作用。要達到相同的濾波效果，LCL 濾波器的總電感量比L 和LC 濾波器小得多，有利於提高電流動態性能，同時還可降低成本，減小裝置的體積重量。在中大功率套用場合，LCL 濾波器的性能更為明顯。光伏陣列將太陽能轉換為直流電能，DC /DC 環節實現最大功率點跟蹤（MPPT）控制和直流升壓功能。DC /AC 逆變器輸出經過LCL 型濾波器連線到電網上，通過適當控制使併網電流為與電網電壓同頻同相的正弦波。
電流控制器設計
LCL 型濾波器存在諧振問題，即當輸入電壓的頻率到達某一頻率值時，其阻抗為0，這將不利於系統穩定和控制器設計。因此有必要在LCL 型濾波器中增加阻尼設計，常見的阻尼方法有無源阻尼法和有源阻尼法。電容支路串聯電阻是目前廣泛套用的一種無源阻尼法，它在電容支路串聯一個較小的電阻即可有效抑制LCL 型濾波器的諧振幅值，且使得增加的阻尼損耗較小，因此本文選取電容支路串聯電阻法作為LCL 型濾波器的阻尼設計方案。傳統併網電流調節一般採用PI 控制，然而PI 控制存在交流量靜差。為了解決該問題，可採用PR 控制，它可以實現對交流量的無靜差跟蹤。
2幾種典型直流抑制技術
電容隔直方法的適用性當基於 LCL 型濾波器的單相併網光伏發電系統採用電容隔直方案時，即在 L2 和電網之間增加一個隔直電容 Cg（R1、R2 分別為電感 L1、L2的等效串聯電阻，RC 為限制 LCL 濾波器諧振的阻尼電阻 ）， 由此 LCL 型濾波器將變成 4 階的 LCLC 系統 。對於LCLC 系統其輸出電流i（jω）在ω= 0直流頻率處為零，能夠有效抑制直流分量注入到電網。然而從圖4 所示的LCL 系統與LCLC 系統的波特圖可以看出，隔直電容C的加入使得LCL 系統的頻率特性發生了明顯改變：LCLC 系統具有2 個諧振頻率（在L、L、C、C參數取值為相近數量級時），這將使得LCLC 系統的阻尼方案設計更加困難；更為重要的是，C的加入使得LCL 系統的低頻特性發生了劇烈變化，其對基波的衰減程度明顯增加，而對2 個諧振頻率之間的低次諧波的增益卻明顯增加。仿真結果表明，L、L、C、C參數取值的增加可以減輕LCLC 系統對基波的衰減程度，但同時導致2 個諧振頻率之間的低次諧波（主要為2 ~ 6 次諧波）含量的增加，使得諧波含量無法達到相應電能質量標準。隔直電容C增加使得光伏併網系統更為複雜，不利於控制器的設計。虛擬電容隔直方案同樣存在上述問題。
半橋拓撲逆變隔直方法的適用性
半橋拓撲併網系統中，半橋逆變器在任何開關狀態，電流通路中總存在一個電容，於是阻斷了輸出電流的直流分量。但與全橋逆變器相比，半橋結構需要更高的直流輸入電壓。仿真結果表明，當採用SPWM 方法，若逆變器連線到220 V 電壓等級的配電網，半橋逆變器的輸入電壓應為650 V左右，這就需要DC /DC 環節輸出更高的直流電壓，使用更高耐壓等級的開關管，影響了開關頻率，增加了開關損耗。
聯合控制策略的直流抑制方法
PR 與PI 聯合控制原理分析
PR 控制器因其可以無靜差地跟蹤特定頻率的交流量而廣泛套用於光伏併網系統。採用PR 控制K為逆變器的等效放大增益，即其輸出電壓基波與輸入調製波的幅值比，分析其閉環傳遞函式Ф（s）=G（s）×G（s）/[1 + G（s）G（s）]可以發現，該系統的閉環傳遞函式在ω = 0直流頻率處的增益為1，不具備隔離直流分量的功能。PI 控制器可以無靜差跟蹤直流量，如果能夠檢測出併網電流的直流成分，則可以通過 PI 控制將其消除。同時也會增加系統損耗，在對系統損耗要求很嚴格的場合中，可以使用虛擬電阻法降低系統的損耗；PI 環節的比例係數K取值過大會導致系統不穩定，而取值過小又影響抑制直流分量的回響時間；PI 環節的積分係數K取值過小時將影響系統抑制直流分量的回響時間，而取值過大會導致整個系統出現明顯的欠阻尼振盪；因此必須合理整定控制器的回響參數，使系統同時具有較好的穩定性和動態性能。分析其閉環傳遞函式得：其在ω = 0直流頻率處的增益為0，可以有效隔離直流分量注入到電網。通過分析各個參數對系統零極點分布從而對系統穩定性的影響發現：R取值過小時，系統將具有右半平面的極點，使得系統失去穩定性，R取1 ~ 2 Ω時即有效抑制LCL 的諧振峰值；R取值越大，其抑制LCL 諧振峰值的效果將越明顯，系統穩定性也隨之增加，但是同時會使LCL 濾波器對高頻諧波的衰減程度變
仿真實驗與分析
本文採用MATLAB /Simulink 對基於PR 與PI聯合控制的直流注入控制策略進行仿真研究，系統參數如下：電網電壓220 V /50 Hz，直流母線電壓400 V，併網電流額定峰值50 A，倍頻SPWM 方式，開關頻率10kHz；LCL 濾波器中，L=2 mH，L=1 mH，C=400 μF，R= 1 Ω；PI 控制器參數，K= 0.05，K= 5；PR 控制器參數，k= 0.05，k= 20。設併網參考電流為i= 50 sin（ωt）+ 2。 無虛擬電容時的仿真結果，可以看出，併網逆變器輸出電流實現零穩態誤差，基波分量為50 A，但併網電流中含有直流偏置成分約為2 A。與3.1 節分析一致，零頻率處增益K = 1 使得2 A 直流成分通過閉環系統後輸出為輸入直流的K 倍，即輸出直流分量為2 A。採用PR 與PI 聯合控制時的仿真結果，可以看出，併網逆變器輸出電流中不含直流成分。與分析一致，採用PR 與PI 聯合控制後，零頻率處增益K = 0 使得2 A 的直流成分通過閉環系統後輸出為輸入直流的K 倍，即輸出直流分量為0 A。
結論
隨著光伏發電的快速發展，單個併網光伏發電的容量以及整個電網接納的光伏發電容量也隨之增加，因此直流注入抑制是光伏併網發電系統中需要解決的關鍵問題之一。本文結合了在光伏併網系統中廣泛使用的LCL 型濾波器，分析了現有幾種典型直流抑制方法的適用性，將PR 控制器對交流量無靜差跟蹤和PI 控制器對直流量無靜差跟蹤的特性相結合，通過檢測併網電流平均值並通過PI 控制器前饋至調製信號，實現了對併網電流直流分量的有效抑制。仿真實驗結果驗證了PR 與PI 聯合控制方法可以實現併網逆變器零直流注入，具有原理簡單、易於實現等特點，有一定工程套用價值。
