中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院、山西藍焰煤層氣集團有限責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《電工技術學報》上撰文，針對目前煤層氣抽采現場用電不合理現狀，構建一種新型煤層氣抽采直流微網供電系統，并對該直流微網系統穩定性及控制策略進行研究。

煤層氣抽采直流微網供電系統分三層結構：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變換器構成能量傳輸和分配層；第三層由煤層氣抽采機構成負荷層。基于此架構推導了第一、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)與受控源串聯的小信號模型，在此基礎上得到系統全局小信號模型。

考慮到呈現負阻抗特性的煤層氣抽采機電動機周期性動態交變負荷引起的系統不穩定，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穩定性控制策略，以及利用下垂控制實現負荷功率動態平衡分配的方法。

進一步利用阻抗匹配原則求解多項式1/(1+Zo(s)/Zin(s))主導極點，比較采取該穩定性控制策略前后的主導極點位置并分析直流微網系統穩定性。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系統模型，系統仿真證明了穩定性控制策略的有效性。

近年來，隨著煤層氣產業規模日益擴大，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業可持續發展的首要問題[1]。目前，煤層氣地面開采供電系統采用傳統交流供電方式，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雜等特點導致傳統交流電網建設存在供電半徑大、供電線路長、線路走廊環境條件差、線路架設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流，使運行成本大大增加。

其次，傳統煤層氣交流供電系統采用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濟運行區，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備的煤層氣抽采機，如圖2a所示，其在一個沖次內的有功功率變化幅度較大，而無功需求基本不變，導致交流配電網側功率因數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致煤層氣抽采機電動機負荷具有周期性動態變化特點，此負荷下電動機周期性工作于電動和發電狀態，造成直流供電側母線電壓波動大，系統耗能問題嚴重。可見，當前煤層氣抽采領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


為實現煤層氣開采系統高效生產，節能降耗，提高經濟效益，有必要改變目前煤層氣開采交流供電系統組網方式。受煤層氣資源分布特性、地理條件等客觀因素影響，煤層氣開采以區塊為單位，每一區塊一般集中有幾臺甚至幾十臺煤層氣抽采機，因此根據區塊內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，本文考慮構建一種新型煤層氣抽采直流微網供電系統。

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

文獻[6-9]對交流微網進行了廣泛深入的研究。然而相對于交流微網，直流微網更適合光伏陣列、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中頻率、相位同步以及無功環流和諧波等問題[12]，因而控制更加簡單，同時系統效率和可靠性均大幅提高[13]。

然而，直流微網也存在系統穩定性問題。為此，文獻[14]在對直流微網內變換器狀態空間平均建模基礎上，加入小擾動分析了系統穩定性，指出系統穩定性受變換器參數影響，但是未給出系統穩定性控制策略，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，直流微網穩定性進一步惡化[15,16]。

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

針對永磁同步電機，文獻[19]提出在直流供電系統中加入一線性補償環節，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不穩定問題，但是只研究了單源單負荷結構，從大規模實際應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微網下垂控制，但是未對系統穩定性做進一步研究。應當注意，當前關于微網小信號建模與穩定性分析的研究，主要針對電阻性負載或恒功率負載，對于具有周期性動態交變特點的煤層氣抽采機負荷缺少相關小信號建模與穩定性分析等方面的研究。

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


結論

本文首先介紹了煤層氣抽采直流微網系統架構，然后在推導電源側輸出阻抗、煤層氣抽采機負荷側輸入阻抗與受控源串聯模型的基礎上，建立系統全局小信號模型；考慮到呈現負阻抗特性的煤層氣抽采機電動機負荷周期性動態交變引起的系統不穩定，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穩定性控制策略，以及利用電壓下垂控制實現負荷功率動態平衡分配的方法。

進一步根據多項式1/(1+Zo(s)/Zin(s))主導極點分布比較分析采用該穩定性控制策略前后直流微網系統穩定性。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系統模型，并得出如下結論：

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

2）未采取穩定性控制策略會導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定，并維持在550V左右。

3）未采取穩定性控制策略會導致系統功率分配嚴重失衡并出現環流功率，系統失穩；采取該控制策略后負荷功率分配重新回到平衡，原失穩狀態和環流功率現象消失。

4）當采取穩定性控制策略和下垂控制時，負荷功率能夠實現動態平衡分配，系統響應速度快，超調量小。