[科普中国]-联合控制

联合控制补偿系统概述

随着大型企业非线性及无功负载的大量增加，配电网中电流、电压波形畸变程度及相角偏移也日益严重。目前电力电子器件额定功率有限，与电网所要求控制的电压之间产生矛盾。因此，有源电力滤波器的多样化方案成为研究的重点。补偿系统能否应用于实际取决于其结构的复杂度，滤波系统的治理效果取决于其控制方法。为了应用实际并提高滤波效果，针对各类拓扑结构提出了许多新颖的控制方法，均有各自的优势，但都局限在低压小容量系统中使用。传统的混合型电力滤波器无法像无源滤波器一样补偿无功功率，因此提出了用于补偿谐波和无功功率的新型拓扑结构，例如改进多通道注入式 HAPF 与TCR 联合系统，双环解耦电压型逆变器控制的研究。这些新的拓扑与控制方法结构复杂，补偿时是分别并入电网，没有达到联合控制的目的，且这些方法并没有大幅度减小有源电力滤波器容量。针对于此，本文提出一种并联混合电力滤波器(SHPF)与TCR 的新型串联组合。这种组合可以很好地抑制负载产生谐波电流并补偿系统所需无功功率，并且减小直流侧电压。该拓扑结构适用于大容量系统的谐波抑制和无功补偿的综合系统。

SHPF-TCR 的补偿原理SHPF 和TCR 组合的新型拓扑结构。SHPF 由一个小容量的APF 和一个LC 五次无源滤波器串联组成。其中APF 由串接注入式升压电感(Lpf，Rpf)和脉冲宽度调制(PWM)三相全桥电压型逆变器及直流母线电容器(Cdc)组成。系统主要补偿由无源部分承担，有源部分改善滤波特性、抑制电网和SPF 间的谐振，承受非常小的电网基波电压和电流，其额定容量被大大降低。新型拓扑结构不用经过隔离变压器，系统复杂度被大大降低，经济实用性强。

联合系统提出了改善动态响应并降低TCR 稳态误差的控制方法。由PI 控制器和提取所需的触发角来补偿负载所消耗的无功功率。非线性控制SHPF 进行电流跟踪和电压调节。采用解耦控制策略，将dq 坐标系的分量解耦线性化，控制SHPF的注入电流。直流电压使用输出反馈线性控制，该 SHPF 可以保持较低的直流侧电压。这个SHPF-TCR 相结合的拓扑结构及控制方法非常适合电力系统综合补偿无功功率和消除谐波电流。

系统组成与建模在三相静止abc 坐标系变换到两相旋转dq 坐标系，将电流id和iq进行微分，得出该系统的空间状态模型。由于状态变量{id,iq,Vdc}和开关状态函数{d nd,dnq}的存在，系统模型为非线性的。SHPF控制的三个状态变量必须独立地控制。因此通过解耦策略，充分分离它们各自的动态变量，可以避免内部电流环路和外部直流母线电压环路之间的相互作用。

采用电流内环和直流电压外环模型时，TCR 电容电压的微分系数比较低，所以对所提出控制技术的性能没有显著的负面影响。因此，它们实际上可忽略不计，然后将电流进行解耦，得出输入变量。在变换过程中，对解耦后的电流进行跟踪。电流id和iq可以被独立地控制，并且通过使用比例积分补偿器，实现快速动态响应和零稳态误差。跟踪控制器的表达式为

仿真与实验不投入无功负载，得出单相供电电流( is1)，负载电流( iL1)，SHPF-TCR电流( ic1)的仿真图形及直流侧电压( Vdc)。 SHAP 工作时，电源电流的总谐波失真，从25.72%降低到1.52%。通过仿真验证SHPF-TCR 补偿器提供了非常良好的补偿性能，并且直流侧电压稳定在50 V。在系统产生谐波和需无功功率时，通过实验观察SHPF-TCR 的补偿规律，如图8 所示为SHPF-TCR 补偿无功功率和消除谐波的稳态响应，该图波形是网侧电压(Vs1)、单相电源电流( is1)、负载电流( iL1)和混合滤波器的电流( ic1)。 SHPF-TCR 补偿负载电流( iL1)的动态响应。从该实验结果，可以观察到SHPF-TCR 补偿器能够有效地补偿谐波电流和无功功率。电源电流接近正弦，并保持与电压同相位。系统谐波由TCR 并联连接电容器和有源滤波器进行补偿。APF 被设置为仅补偿负载谐波，TCR 的谐波电流迫使流过电容器，这些谐波不会流过电源或负载。因此，保证了网侧的电能质量。

结论本文提出的HAPF 与TCR 联合补偿系统，将非线性控制解耦策略应用于SHPF-TCR 控制系统，同时把有源滤波器和SPF 进行互补，从而提高了滤波性能，减小有源滤波器的额定功率，并且使有源滤波器直流侧电压保持在稳定的低压值处，实现了谐波与无功的动态综合补偿。仿真与试验证明了其具有动态响应快，稳态和瞬态晶闸管能够通过功率的变化进行切换，所提出的补偿系统及控制方法有效地解决了大型企业非线性负载增加的问题。1

桁架锚索联合控制概述煤巷支护理论及其安全控制技术是保证煤矿安全生产的常规而重要的基础性技术, 尤其是大跨度泥岩顶板煤巷支护技术是矿业工程学科和煤矿安全领域内的重要难题,对于平衡采掘关系和加快高产高效矿井建设将产生深远的影响。目前, 煤巷锚杆支护技术在煤炭行业得到了全面快速的发展, 锚杆支护理论也不断地丰富完善, 桁架锚索联合控制技术作为一种新型的支护技术近年也被提出和应用,这种新型支护技术原理不同于传统的锚杆(索)支护, 能够降低工人的劳动强度, 提高劳动生产率, 为煤炭企业带来显著的经济社会效益。

1现场概况及存在问题某矿己15-22020工作面主要开采己15煤层, 顶板灰黑色砂质泥岩, 含植物叶片化石, 距煤层顶板0.8m左右, 有一层0.01 ～0.15m的煤线;底板为深灰色砂质泥岩与细砂岩互层, 含植物根部化石, 顶部有0.1～0.2m的炭质泥岩,遇水易膨胀。开切眼长度为170m,巷道形状为矩形,净宽6.4m,净高2.8m,净断面为17.92m。该切眼沿己煤层顶板掘进, 破底不破顶, 倾角为15～24°。

通过现场调研和分析, 工作面切眼围岩及其维护存在以下几方面的问题:

①原有支护方式基本照搬顺槽的支护方式, 而在回风顺槽巷道中出现了大范围的顶板严重下沉和离层现象(顶板下沉量达0.5～1.0m), 需采用U型钢和补打木点柱加强支护。回风顺槽的部分区域还出现冒顶(冒顶高度可达1.0m),而且在很多区域两帮煤岩体向巷道中部大幅度内移并伴随出现底鼓现象, 不得不扩帮重新支护和起底;

②原有锚杆(索)支护系统中, 锚索呈单体布置,安装时不能实现水平方向预紧力, 而且在顶板下沉过程中单体锚索亦不能产生水平方向的支护力, 不利于顶板岩层在施加水平预应力后处于三向压应力状态和增加岩体强度,在支护原理上尤其不利于大断面破碎顶板在水平方向上形成稳定的结构。原有支护中, 仅仅安设倾斜角锚杆, 长度短、水平投影长度小, 且锚杆螺纹部分很容易被剪断, 不能有效控制巷道剪切破坏冒顶事故的发生, 而钢绞线长度大、伸入煤帮上方顶板岩体范围大, 且抗剪性能强、在巷道肩窝处不易被剪断, 能够缓解顶板支护结构的剪切破坏;

③原有顶锚杆长度为2.0m,而顶板砂质泥岩与煤线组成的复合破碎顶板的厚度达3.0m。锚杆长度不仅小于复合顶板的厚度, 而且未能深入到稳定的岩层中, 因此还需要充分发挥锚索系统的支护作用。钢筋梯子梁采用钢筋焊接而成,焊接点在受水平作用力后易发生破坏, 而桁架锚索结构全部采用钢绞线锁紧对拉, 不易发生破坏, 加强了支护结构的整体性, 有利于形成稳定的支护结构;④切眼服务时间较长, 贯通以后服务期将超过3个月, 变形破坏时间长。

桁架锚索联合控制技术的原理桁架锚索控制技术是将处于受压状态的巷道两肩窝深部岩体作为锚固点和承载结构的基础, 采用高预拉力对拉并锁紧两根钢绞线, 直接作用于顶板浅部的围岩, 提供水平预应力改善顶板的应力状态, 强化低位岩体的力学性能和提高其抗变形性能, 控制层状顶板的不协调变形。桁架锚索是一种能在巷道顶板的水平和铅直方向同时提供挤压应力的主动支护结构, 从而使得锚固区内的煤岩体处于铅直挤压和水平挤压状态, 桁架锚索系统预紧力引起的主动力可有效主动控制巷道顶板的初始下沉。 在巷道顶板的弯曲变形过程当中, 锚索受到的拉应力增加, 锚固区内的煤岩体受到的挤压支护力也随之增加。

预拉力桁架系统适用于顶板自身强度较低的大跨度、大断面巷道和悬顶面积大的交叉点, 具有良好的应用价值。这种支护形式可以在顶板未出现离层时强化顶板, 减少变形;出现离层时, 也能保证巷道的安全使用, 特别是在巷道顶板松软破碎的情况下, 效果更加明显。与普通单体锚索比较, 桁架锚索有如下优点:

1)受力随顶板岩体弯曲,两帮锚固点内移,能形成闭锁结构, 受力增加较慢, 支护结构不易失效;而单体锚索随顶板变形, 载荷直线上升, 易拉断失效。

2)巷道顶板内拉应力区与压应力区的分界线为中性轴, 因而中性轴上方的顶板岩体处于压应力区, 中性轴下方的顶板岩体处于拉应力区。 桁架锚索使得顶板锚固体的中性轴下移, 改善了锚固区内围岩的应力状态, 使锚固区内更多岩体处于压应力状态, 从而使得锚固区内围岩不容易破坏。

3)由于中性轴的下移以及桁架高预应力在锚固区内岩层产生与重力力矩反方向的力矩, 大大降低了锚固区煤岩层的最大拉应力, 锚固区内岩石的稳定性得到大大加强。

4)桁架锚索斜穿过锚固岩梁最大剪应力区,锚索、岩梁和角锚杆共同承担剪应力, 且锚索的高预应力在一定程度上抵消了岩梁承受的剪应力, 并且锚索的这种抗剪力随着岩梁弯曲变形的增加而相应增加, 从而增加了锚固岩梁的抗剪能力。

5)桁架锚索的锚固点和支护结构是在巷道两帮的肩窝, 该处处于三向高压状态, 不易受顶板离层和变形的影响, 锚固点周边煤岩体不容易破坏, 为桁架锚索系统发挥高锚固力提供了稳固的支点。

桁架锚索联合控制技术应用桁架锚索支护方案设计

运用桁架锚索支护技术的原理, 结合己15-22020工作面的现场实际条件, 设计了适用于工作面的桁架锚索支护方案。

现场应用与效果分析

通过将设计方案在己15-22020工作面现场的应用并设置巷道围岩变形测站进行现场矿压观测, 得出巷道顶板下沉量与两帮移近量变化结果。大跨度切眼在开挖支护完成后一个月内,断面收敛率很小, 巷道变形主要以顶板下沉为主, 两帮移近量最大不超过100mm,顶板下沉量最大不超过150mm,巷道围岩控制效果较好。

大跨度切眼初期收敛速度比后期收敛速度要大, 在掘进25d左右趋于稳定。2

联合控制策略概述光伏（PV）发电具有平均变化率小、正调峰性能的突出优势，有可能成为最具发展前景的发电技术之一。光伏并网发电系统主要由光伏阵列模块、逆变器、交流滤波和电网组成。逆变器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件，用以实现控制光伏阵列模块运行于最大功率点和向电网注入正弦电流两大主要任务。光伏并网系统通常利用电压源型逆变器作为和电网连接的接口，通过实时采样电网电压、电流数据形成控制指令，进而使逆变器输入电流按照相应指令注入电网实现光伏发电系统的并网发电。早期的并网逆变器系统输出端一般安装工频隔离变压器，实现电压调整和电气隔离，然而，工频隔离变压器体积大、成本高、损耗大，影响系统整机效率。因此，无工频隔离变压器的并网逆变器系统成为目前研究热点。光伏发电系统采用无工频变压器并网时，并网逆变系统整体效率可以得到一定提高，但是却带来了诸如漏电流和直流注入等新的问题。漏电流的本质是共模电流，其产生原因是光伏发电系统存在寄生的对地电容，当寄生电容－光伏发电系统-电网三者之间形成回路时，共模电压将在寄生电容上产生共模电流。当光伏发电系统采用工频变压器与电网连接时，因为回路中变压器绕组间寄生电容阻抗相对较大，则回路中的共模电压产生的共模电流可以得到一定程度的抑制；但是在无变压器的光伏发电系统中，回路阻抗相对较小，共模电压将在光伏系统和对地电容上形成较大的共模电流。如果逆变器具有可变的共模电压，在光伏阵列模块和地之间会产生漏电流，威胁人身安全，并产生电磁干扰。实际应用中可以通过改进系统拓扑或调制方法来减小或消除共模电流。

电力系统不允许将有较大输出直流分量的逆变器连接到电网上，因为注入电网直流分量会使变电所变压器工作点偏移，导致变压器饱和；增加电网电缆的腐蚀；导致较高的初级电流峰值，可能烧毁输入保险，引起断电；甚至可能增加谐波分量。IEEE Std929—2000 中规定光伏系统并网电流中直流分量必须小于系统额定电流的0.5 %。因此，研究光伏并网直流注入问题具有重要的现实意义。

目前国内外关于光伏发电系统直流注入方面已有初步研究。采用半桥拓扑逆变器可以有效抑制直流分量注入到电网，但是与全桥逆变器相比，半桥结构需要更高的直流输入电压。提出一种基于直流分量检测及校正方法，理论上可实现较为理想的直流抑制效果，但是其直流抑制效果非常依赖于检测元件的精度。事实上并网电流中直流成分相对较小，低精度检测元件不仅无法实现准确的直流检测，其检测误差又将引入其他谐波成分，而高精度检测元件或检测电路又将导致成本的增加。此外，还提出了在并网逆变器输出侧串联隔直电容的直流抑制方法。该方法虽然能有效抑制直流分量，但为了避免过大的基波压降，交流电容取值一般较大，成本较高。实际应用中，理想的电容是不存在的，电容的杂散参数将影响系统整机效率，而且电容一旦损坏引起断路，将造成电感能量无法泄放而导致过电压现象。 提出一种基于虚拟电容的直流抑制方法，采用控制方法代替隔直电容，使并网逆变器既可实现零直流注入，又可实现隔直电容零损耗，但是当光伏并网系统采用LCL 型滤波器滤波时，电容隔直方法以及虚拟电容隔直方法将可能失效。本文基于LCL 型滤波器在光伏并网逆变系统广泛应用的现况，分析了现有典型直流抑制技术在采用LCL 型滤波器光伏并网逆变系统中的适用性，进而提出了一种基于比例谐振（PR ）与PI 联合控制的直流抑制技术。该方法无需增加外围硬件电路，且只占用很少的控制芯片资源。仿真结果验证了算法的有效性。

滤波器的并网逆变器控制原理分析基于 LCL型滤波器的单相光伏并网逆变器原理

采用LCL 结构的滤波器比L、LC 结构有更好的衰减特性，对高频分量呈高阻态，可以抑制谐波电流，且同电网串联的电感L 还可起到抑制冲击电流的作用。要达到相同的滤波效果，LCL 滤波器的总电感量比L 和LC 滤波器小得多，有利于提高电流动态性能，同时还可降低成本，减小装置的体积重量。在中大功率应用场合，LCL 滤波器的性能更为明显。光伏阵列将太阳能转换为直流电能，DC /DC 环节实现最大功率点跟踪（MPPT）控制和直流升压功能。DC /AC 逆变器输出经过LCL 型滤波器连接到电网上，通过适当控制使并网电流为与电网电压同频同相的正弦波。

电流控制器设计

LCL 型滤波器存在谐振问题，即当输入电压的频率到达某一频率值时，其阻抗为0，这将不利于系统稳定和控制器设计。因此有必要在LCL 型滤波器中增加阻尼设计，常见的阻尼方法有无源阻尼法和有源阻尼法。电容支路串联电阻是目前广泛应用的一种无源阻尼法，它在电容支路串联一个较小的电阻即可有效抑制LCL 型滤波器的谐振幅值，且使得增加的阻尼损耗较小，因此本文选取电容支路串联电阻法作为LCL 型滤波器的阻尼设计方案。传统并网电流调节一般采用PI 控制，然而PI 控制存在交流量静差。为了解决该问题，可采用PR 控制，它可以实现对交流量的无静差跟踪。

2几种典型直流抑制技术电容隔直方法的适用性当基于 LCL 型滤波器的单相并网光伏发电系统采用电容隔直方案时，即在 L2 和电网之间增加一个隔直电容 Cg（R1、R2 分别为电感 L1、L2的等效串联电阻，RC 为限制 LCL 滤波器谐振的阻尼电阻 ）， 由此 LCL 型滤波器将变成 4 阶的 LCLC 系统 。对于LCLC 系统其输出电流ig（jω）在ω= 0直流频率处为零，能够有效抑制直流分量注入到电网。然而从图4 所示的LCL 系统与LCLC 系统的波特图可以看出，隔直电容Cg的加入使得LCL 系统的频率特性发生了明显改变：LCLC 系统具有2 个谐振频率（在L1、L2、Cg、Cd参数取值为相近数量级时），这将使得LCLC 系统的阻尼方案设计更加困难；更为重要的是，Cg的加入使得LCL 系统的低频特性发生了剧烈变化，其对基波的衰减程度明显增加，而对2 个谐振频率之间的低次谐波的增益却明显增加。仿真结果表明，L1、L2、Cd、Cg参数取值的增加可以减轻LCLC 系统对基波的衰减程度，但同时导致2 个谐振频率之间的低次谐波（主要为2 ~ 6 次谐波）含量的增加，使得谐波含量无法达到相应电能质量标准。隔直电容Cg增加使得光伏并网系统更为复杂，不利于控制器的设计。虚拟电容隔直方案同样存在上述问题。

半桥拓扑逆变隔直方法的适用性

半桥拓扑并网系统中，半桥逆变器在任何开关状态，电流通路中总存在一个电容，于是阻断了输出电流的直流分量。但与全桥逆变器相比，半桥结构需要更高的直流输入电压。仿真结果表明，当采用SPWM 方法，若逆变器连接到220 V 电压等级的配电网，半桥逆变器的输入电压应为650 V左右，这就需要DC /DC 环节输出更高的直流电压，使用更高耐压等级的开关管，影响了开关频率，增加了开关损耗。

联合控制策略的直流抑制方法PR 与PI 联合控制原理分析

PR 控制器因其可以无静差地跟踪特定频率的交流量而广泛应用于光伏并网系统。采用PR 控制KPWM为逆变器的等效放大增益，即其输出电压基波与输入调制波的幅值比，分析其闭环传递函数Ф（s）=G（s）×GLCL（s）/[1 + G（s）GLCL（s）]可以发现，该系统的闭环传递函数在ω = 0直流频率处的增益为1，不具备隔离直流分量的功能。PI 控制器可以无静差跟踪直流量，如果能够检测出并网电流的直流成分，则可以通过 PI 控制将其消除。同时也会增加系统损耗，在对系统损耗要求很严格的场合中，可以使用虚拟电阻法降低系统的损耗；PI 环节的比例系数Kp1取值过大会导致系统不稳定，而取值过小又影响抑制直流分量的响应时间；PI 环节的积分系数Ki1取值过小时将影响系统抑制直流分量的响应时间，而取值过大会导致整个系统出现明显的欠阻尼振荡；因此必须合理整定控制器的响应参数，使系统同时具有较好的稳定性和动态性能。分析其闭环传递函数得：其在ω = 0直流频率处的增益为0，可以有效隔离直流分量注入到电网。通过分析各个参数对系统零极点分布从而对系统稳定性的影响发现：RC取值过小时，系统将具有右半平面的极点，使得系统失去稳定性，RC取1 ~ 2 Ω时即有效抑制LCL 的谐振峰值；RC取值越大，其抑制LCL 谐振峰值的效果将越明显，系统稳定性也随之增加，但是同时会使LCL 滤波器对高频谐波的衰减程度变

仿真实验与分析

本文采用MATLAB /Simulink 对基于PR 与PI联合控制的直流注入控制策略进行仿真研究，系统参数如下：电网电压220 V /50 Hz，直流母线电压400 V，并网电流额定峰值50 A，倍频SPWM 方式，开关频率10kHz；LCL 滤波器中，L1=2 mH，L2=1 mH，C=400 μF，RC= 1 Ω；PI 控制器参数，Kp1= 0.05，Ki1= 5；PR 控制器参数，kp2= 0.05，ki2= 20。设并网参考电流为ig= 50 sin（ωt）+ 2。 无虚拟电容时的仿真结果，可以看出，并网逆变器输出电流实现零稳态误差，基波分量为50 A，但并网电流中含有直流偏置成分约为2 A。与3.1 节分析一致，零频率处增益K = 1 使得2 A 直流成分通过闭环系统后输出为输入直流的K 倍，即输出直流分量为2 A。采用PR 与PI 联合控制时的仿真结果，可以看出，并网逆变器输出电流中不含直流成分。与分析一致，采用PR 与PI 联合控制后，零频率处增益K = 0 使得2 A 的直流成分通过闭环系统后输出为输入直流的K 倍，即输出直流分量为0 A。

结论随着光伏发电的快速发展，单个并网光伏发电的容量以及整个电网接纳的光伏发电容量也随之增加，因此直流注入抑制是光伏并网发电系统中需要解决的关键问题之一。本文结合了在光伏并网系统中广泛使用的LCL 型滤波器，分析了现有几种典型直流抑制方法的适用性，将PR 控制器对交流量无静差跟踪和PI 控制器对直流量无静差跟踪的特性相结合，通过检测并网电流平均值并通过PI 控制器前馈至调制信号，实现了对并网电流直流分量的有效抑制。仿真实验结果验证了PR 与PI 联合控制方法可以实现并网逆变器零直流注入，具有原理简单、易于实现等特点，有一定工程应用价值。3