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可再生能源網(wǎng)訊：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院、山西藍(lán)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(fù)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(fù)阻抗特性的煤層氣抽采機電動機周期性動態(tài)交變負(fù)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(fù)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(fù)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(yán)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(fù)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(fù)荷具有周期性動態(tài)變化特點,，此負(fù)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(yán)重,�,？梢�,，當(dāng)前煤層氣抽采領(lǐng)域存在用電嚴(yán)重不合理問題。

圖1 煤層氣抽采交流供電系統(tǒng)

（a）煤層氣抽采機

（b）上,、下沖程示意圖

圖2 煤層氣抽采機運行示意圖

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(fù)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�,；�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(fù)荷,。隨著越來越多有源負(fù)荷特別是具有負(fù)阻抗特性的恒功率負(fù)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(fù)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(fù)荷側(cè)DC-DC變換器及其所帶電阻構(gòu)成的恒功率負(fù)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(fù)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(fù)荷所引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題，但是只研究了單源單負(fù)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(dāng)注意,，當(dāng)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(fù)載或恒功率負(fù)載,，對于具有周期性動態(tài)交變特點的煤層氣抽采機負(fù)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(fù)荷功率動態(tài)平衡分配的方法,，來抑制抽采機電動機負(fù)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。

圖3 煤層氣抽采直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)

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(fù)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(fù)阻抗特性的煤層氣抽采機電動機負(fù)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(fù)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(yán)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(fù)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(dāng)采取穩(wěn)定性控制策略和下垂控制時,，負(fù)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,。