中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院、山西藍焰煤層氣集團有限責(zé)任公司的研究人員王浩、王聰、馬勇、白利軍、程紅，在2017年第14期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，針對目前煤層氣抽采現(xiàn)場用電不合理現(xiàn)狀，構(gòu)建一種新型煤層氣抽采直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)，并對該直流微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制策略進行研究。

煤層氣抽采直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)分三層結(jié)構(gòu)：第一層由光伏和蓄電池組成能量供給層；第二層由雙向Buck/Boost變換器構(gòu)成能量傳輸和分配層；第三層由煤層氣抽采機構(gòu)成負荷層。基于此架構(gòu)推導(dǎo)了第一、二層輸出阻抗Zo(s)，并建立第三層煤層氣抽采機電動機輸入阻抗Zin(s)與受控源串聯(lián)的小信號模型，在此基礎(chǔ)上得到系統(tǒng)全局小信號模型。

考慮到呈現(xiàn)負阻抗特性的煤層氣抽采機電動機周期性動態(tài)交變負荷引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，在能量傳輸和分配層分析并討論了一種基于虛擬阻抗的直流微網(wǎng)穩(wěn)定性控制策略，以及利用下垂控制實現(xiàn)負荷功率動態(tài)平衡分配的方法。

進一步利用阻抗匹配原則求解多項式1/(1+Zo(s)/Zin(s))主導(dǎo)極點，比較采取該穩(wěn)定性控制策略前后的主導(dǎo)極點位置并分析直流微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。最后基于Matlab/Simulink搭建由光伏陣列、儲能單元和煤層氣抽采機組成的煤層氣抽采直流微網(wǎng)系統(tǒng)模型，系統(tǒng)仿真證明了穩(wěn)定性控制策略的有效性。

近年來，隨著煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益擴大，煤層氣地面抽采過程中的高能耗所引起的高用電成本，已成為制約煤層氣產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要問題[1]。目前，煤層氣地面開采供電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)交流供電方式，然而煤層氣開采本身所具有的范圍廣、井分散和地理位置復(fù)雜等特點導(dǎo)致傳統(tǒng)交流電網(wǎng)建設(shè)存在供電半徑大、供電線路長、線路走廊環(huán)境條件差、線路架設(shè)難度大和一次性投資成本居高不下等問題，同時過長的配電線路還將造成大量渦流損耗和無功環(huán)流，使運行成本大大增加。

其次，傳統(tǒng)煤層氣交流供電系統(tǒng)采用35kV變電站、10kV高壓輸電和380V低壓配電三級供電模式，如圖1所示，需要大量使用變壓器，考慮到煤層氣抽采機負載數(shù)量及容量的實際情況，選用配電變壓器容量多為100～160kV·A，且配電用變壓器一般工作在非經(jīng)濟運行區(qū)，這就大大加劇了有功和無功損耗。

再者，作為煤層氣開采主力設(shè)備的煤層氣抽采機，如圖2a所示，其在一個沖次內(nèi)的有功功率變化幅度較大，而無功需求基本不變，導(dǎo)致交流配電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)變化劇烈且普遍較低，諧波污染與電能浪費情況嚴重，這些不僅會降低用電效率，產(chǎn)生高昂的用電成本，而且隨著負荷滲透率的提高還會對交流主網(wǎng)造成沖擊甚至破壞。

此外，煤層氣抽采機一個周期分上、下兩沖程運行，如圖2b所示，由于上、下沖程懸點載荷不同導(dǎo)致煤層氣抽采機電動機負荷具有周期性動態(tài)變化特點，此負荷下電動機周期性工作于電動和發(fā)電狀態(tài)，造成直流供電側(cè)母線電壓波動大，系統(tǒng)耗能問題嚴重。可見，當前煤層氣抽采領(lǐng)域存在用電嚴重不合理問題。


（a）煤層氣抽采機



（b）上、下沖程示意圖


為實現(xiàn)煤層氣開采系統(tǒng)高效生產(chǎn)，節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益，有必要改變目前煤層氣開采交流供電系統(tǒng)組網(wǎng)方式。受煤層氣資源分布特性、地理條件等客觀因素影響，煤層氣開采以區(qū)塊為單位，每一區(qū)塊一般集中有幾臺甚至幾十臺煤層氣抽采機，因此根據(jù)區(qū)塊內(nèi)煤層氣抽采機集中分布的特點，同時為了充分利用光伏和蓄電池等分布式電源，本文考慮構(gòu)建一種新型煤層氣抽采直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)。

近年來，分布式能源與儲能技術(shù)得到迅速發(fā)展，然而，為解決分布式能源大量滲透對交流主網(wǎng)造成的沖擊，微網(wǎng)作為一種高效解決方案被提出[4]。微網(wǎng)是由分布式能源、儲能裝置以及負荷等單元組成的一種高度自治的電網(wǎng)形態(tài)[5]。

文獻[6-9]對交流微網(wǎng)進行了廣泛深入的研究。然而相對于交流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)更適合光伏陣列、燃料電池等直流電源以及蓄電池和超級電容等儲能裝置的接入[10,11]，且在運行過程中不存在交流微網(wǎng)中頻率、相位同步以及無功環(huán)流和諧波等問題[12]，因而控制更加簡單，同時系統(tǒng)效率和可靠性均大幅提高[13]。

然而，直流微網(wǎng)也存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。為此，文獻[14]在對直流微網(wǎng)內(nèi)變換器狀態(tài)空間平均建模基礎(chǔ)上，加入小擾動分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性，指出系統(tǒng)穩(wěn)定性受變換器參數(shù)影響，但是未給出系統(tǒng)穩(wěn)定性控制策略，并且只考慮電阻等無源負荷。隨著越來越多有源負荷特別是具有負阻抗特性的恒功率負荷的接入，直流微網(wǎng)穩(wěn)定性進一步惡化[15,16]。

為此，文獻[17]提出在源側(cè)和負荷側(cè)之間增加一無源阻尼電路來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但是無源電路中的電感和電容會不可避免地增加系統(tǒng)體積和成本。因此，文獻[18]針對負荷側(cè)DC-DC變換器及其所帶電阻構(gòu)成的恒功率負荷，通過在輸出電壓控制環(huán)引入電流反饋實現(xiàn)有源阻尼，可有效解決恒功率負荷帶來的不穩(wěn)定問題。

針對永磁同步電機，文獻[19]提出在直流供電系統(tǒng)中加入一線性補償環(huán)節(jié)，以改善由逆變器和永磁同步電機組成的恒功率負荷所引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題，但是只研究了單源單負荷結(jié)構(gòu)，從大規(guī)模實際應(yīng)用角度考慮具有一定局限性。

文獻[20]提出利用虛擬阻抗實現(xiàn)微網(wǎng)下垂控制，但是未對系統(tǒng)穩(wěn)定性做進一步研究。應(yīng)當注意，當前關(guān)于微網(wǎng)小信號建模與穩(wěn)定性分析的研究，主要針對電阻性負載或恒功率負載，對于具有周期性動態(tài)交變特點的煤層氣抽采機負荷缺少相關(guān)小信號建模與穩(wěn)定性分析等方面的研究。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文對一種應(yīng)用于煤層氣抽采系統(tǒng)供電的直流微網(wǎng)的穩(wěn)定性進行了分析和討論。首先基于煤層氣抽采直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)全局小信號模型；其次采取一種基于虛擬阻抗的直流微網(wǎng)穩(wěn)定性控制策略，以及利用下垂控制實現(xiàn)負荷功率動態(tài)平衡分配的方法，來抑制抽采機電動機負荷周期性動態(tài)交變引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定；最后通過基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真驗證了所提控制策略的有效性。


結(jié)論

本文首先介紹了煤層氣抽采直流微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，然后在推導(dǎo)電源側(cè)輸出阻抗、煤層氣抽采機負荷側(cè)輸入阻抗與受控源串聯(lián)模型的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)全局小信號模型；考慮到呈現(xiàn)負阻抗特性的煤層氣抽采機電動機負荷周期性動態(tài)交變引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，在能量傳輸和分配層分析并討論了一種基于虛擬阻抗的直流微網(wǎng)穩(wěn)定性控制策略，以及利用電壓下垂控制實現(xiàn)負荷功率動態(tài)平衡分配的方法。

進一步根據(jù)多項式1/(1+Zo(s)/Zin(s))主導(dǎo)極點分布比較分析采用該穩(wěn)定性控制策略前后直流微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。最后基于Matlab/Simulink搭建了由光伏陣列、儲能單元和煤層氣抽采機組成的煤層氣抽采直流微網(wǎng)系統(tǒng)模型，并得出如下結(jié)論：

1）基于Middlebrook阻抗匹配原則得到系統(tǒng)主導(dǎo)極點z域分布，未采取穩(wěn)定性控制策略時主導(dǎo)極點位于不穩(wěn)定區(qū)域，采取后主導(dǎo)極點進入穩(wěn)定區(qū)域，并且隨著虛擬阻抗取值不同系統(tǒng)主導(dǎo)極點在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)按一定趨勢變化。

2）未采取穩(wěn)定性控制策略會導(dǎo)致直流母線電壓波動劇烈，最大波動幅度達到10%左右，采取該控制策略后直流母線電壓保持穩(wěn)定，并維持在550V左右。

3）未采取穩(wěn)定性控制策略會導(dǎo)致系統(tǒng)功率分配嚴重失衡并出現(xiàn)環(huán)流功率，系統(tǒng)失穩(wěn)；采取該控制策略后負荷功率分配重新回到平衡，原失穩(wěn)狀態(tài)和環(huán)流功率現(xiàn)象消失。

4）當采取穩(wěn)定性控制策略和下垂控制時，負荷功率能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)平衡分配，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)量小。