煤层气抽采直流微网建模与稳定性分析

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院、山西蓝焰煤层气集团有限责任公司的研究人员王浩、王聪、马勇、白利军、程红，在2017年第14期《电工技术学报》上撰文，针对目前煤层气抽采现场用电不合理现状，构建一种新型煤层气抽采直流微网供电系统，并对该直流微网系统稳定性及控制策略进行研究。

煤层气抽采直流微网供电系统分三层结构：第一层由光伏和蓄电池组成能量供给层；第二层由双向Buck/Boost变换器构成能量传输和分配层；第三层由煤层气抽采机构成负荷层。基于此架构推导了第一、二层输出阻抗Zo(s)，并建立第三层煤层气抽采机电动机输入阻抗Zin(s)与受控源串联的小信号模型，在此基础上得到系统全局小信号模型。

考虑到呈现负阻抗特性的煤层气抽采机电动机周期性动态交变负荷引起的系统不稳定，在能量传输和分配层分析并讨论了一种基于虚拟阻抗的直流微网稳定性控制策略，以及利用下垂控制实现负荷功率动态平衡分配的方法。

进一步利用阻抗匹配原则求解多项式1/(1+Zo(s)/Zin(s))主导极点，比较采取该稳定性控制策略前后的主导极点位置并分析直流微网系统稳定性。最后基于Matlab/Simulink搭建由光伏阵列、储能单元和煤层气抽采机组成的煤层气抽采直流微网系统模型，系统仿真证明了稳定性控制策略的有效性。

近年来，随着煤层气产业规模日益扩大，煤层气地面抽采过程中的高能耗所引起的高用电成本，已成为制约煤层气产业可持续发展的首要问题[1]。目前，煤层气地面开采供电系统采用传统交流供电方式，然而煤层气开采本身所具有的范围广、井分散和地理位置复杂等特点导致传统交流电网建设存在供电半径大、供电线路长、线路走廊环境条件差、线路架设难度大和一次性投资成本居高不下等问题，同时过长的配电线路还将造成大量涡流损耗和无功环流，使运行成本大大增加。

其次，传统煤层气交流供电系统采用35kV变电站、10kV高压输电和380V低压配电三级供电模式，如图1所示，需要大量使用变压器，考虑到煤层气抽采机负载数量及容量的实际情况，选用配电变压器容量多为100～160kV·A，且配电用变压器一般工作在非经济运行区，这就大大加剧了有功和无功损耗。

再者，作为煤层气开采主力设备的煤层气抽采机，如图2a所示，其在一个冲次内的有功功率变化幅度较大，而无功需求基本不变，导致交流配电网侧功率因数变化剧烈且普遍较低，谐波污染与电能浪费情况严重，这些不仅会降低用电效率，产生高昂的用电成本，而且随着负荷渗透率的提高还会对交流主网造成冲击甚至破坏。

此外，煤层气抽采机一个周期分上、下两冲程运行，如图2b所示，由于上、下冲程悬点载荷不同导致煤层气抽采机电动机负荷具有周期性动态变化特点，此负荷下电动机周期性工作于电动和发电状态，造成直流供电侧母线电压波动大，系统耗能问题严重。可见，当前煤层气抽采领域存在用电严重不合理问题。


（a）煤层气抽采机



（b）上、下冲程示意图


为实现煤层气开采系统高效生产，节能降耗，提高经济效益，有必要改变目前煤层气开采交流供电系统组网方式。受煤层气资源分布特性、地理条件等客观因素影响，煤层气开采以区块为单位，每一区块一般集中有几台甚至几十台煤层气抽采机，因此根据区块内煤层气抽采机集中分布的特点，同时为了充分利用光伏和蓄电池等分布式电源，本文考虑构建一种新型煤层气抽采直流微网供电系统。

近年来，分布式能源与储能技术得到迅速发展，然而，为解决分布式能源大量渗透对交流主网造成的冲击，微网作为一种高效解决方案被提出[4]。微网是由分布式能源、储能装置以及负荷等单元组成的一种高度自治的电网形态[5]。

文献[6-9]对交流微网进行了广泛深入的研究。然而相对于交流微网，直流微网更适合光伏阵列、燃料电池等直流电源以及蓄电池和超级电容等储能装置的接入[10,11]，且在运行过程中不存在交流微网中频率、相位同步以及无功环流和谐波等问题[12]，因而控制更加简单，同时系统效率和可靠性均大幅提高[13]。

然而，直流微网也存在系统稳定性问题。为此，文献[14]在对直流微网内变换器状态空间平均建模基础上，加入小扰动分析了系统稳定性，指出系统稳定性受变换器参数影响，但是未给出系统稳定性控制策略，并且只考虑电阻等无源负荷。随着越来越多有源负荷特别是具有负阻抗特性的恒功率负荷的接入，直流微网稳定性进一步恶化[15,16]。

为此，文献[17]提出在源侧和负荷侧之间增加一无源阻尼电路来提高系统稳定性，但是无源电路中的电感和电容会不可避免地增加系统体积和成本。因此，文献[18]针对负荷侧DC-DC变换器及其所带电阻构成的恒功率负荷，通过在输出电压控制环引入电流反馈实现有源阻尼，可有效解决恒功率负荷带来的不稳定问题。

针对永磁同步电机，文献[19]提出在直流供电系统中加入一线性补偿环节，以改善由逆变器和永磁同步电机组成的恒功率负荷所引起的系统不稳定问题，但是只研究了单源单负荷结构，从大规模实际应用角度考虑具有一定局限性。

文献[20]提出利用虚拟阻抗实现微网下垂控制，但是未对系统稳定性做进一步研究。应当注意，当前关于微网小信号建模与稳定性分析的研究，主要针对电阻性负载或恒功率负载，对于具有周期性动态交变特点的煤层气抽采机负荷缺少相关小信号建模与稳定性分析等方面的研究。

基于以上研究现状，本文对一种应用于煤层气抽采系统供电的直流微网的稳定性进行了分析和讨论。首先基于煤层气抽采直流微网供电系统分层结构建立系统全局小信号模型；其次采取一种基于虚拟阻抗的直流微网稳定性控制策略，以及利用下垂控制实现负荷功率动态平衡分配的方法，来抑制抽采机电动机负荷周期性动态交变引起的系统不稳定；最后通过基于Matlab/Simulink的系统仿真验证了所提控制策略的有效性。


结论

本文首先介绍了煤层气抽采直流微网系统架构，然后在推导电源侧输出阻抗、煤层气抽采机负荷侧输入阻抗与受控源串联模型的基础上，建立系统全局小信号模型；考虑到呈现负阻抗特性的煤层气抽采机电动机负荷周期性动态交变引起的系统不稳定，在能量传输和分配层分析并讨论了一种基于虚拟阻抗的直流微网稳定性控制策略，以及利用电压下垂控制实现负荷功率动态平衡分配的方法。

进一步根据多项式1/(1+Zo(s)/Zin(s))主导极点分布比较分析采用该稳定性控制策略前后直流微网系统稳定性。最后基于Matlab/Simulink搭建了由光伏阵列、储能单元和煤层气抽采机组成的煤层气抽采直流微网系统模型，并得出如下结论：

1）基于Middlebrook阻抗匹配原则得到系统主导极点z域分布，未采取稳定性控制策略时主导极点位于不稳定区域，采取后主导极点进入稳定区域，并且随着虚拟阻抗取值不同系统主导极点在稳定区域内按一定趋势变化。

2）未采取稳定性控制策略会导致直流母线电压波动剧烈，最大波动幅度达到10%左右，采取该控制策略后直流母线电压保持稳定，并维持在550V左右。

3）未采取稳定性控制策略会导致系统功率分配严重失衡并出现环流功率，系统失稳；采取该控制策略后负荷功率分配重新回到平衡，原失稳状态和环流功率现象消失。

4）当采取稳定性控制策略和下垂控制时，负荷功率能够实现动态平衡分配，系统响应速度快，超调量小。