辛岳芃，王 征

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000； 2.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

隨著近年國家對智能礦山建設(shè)的推進，供電系統(tǒng)的安全可靠性對于煤炭企業(yè)顯得愈發(fā)重要。煤炭企業(yè)也逐漸將重心傾向于分布式電源(Distributed Generation，DG)供電系統(tǒng)的改良。2020年9月，能源開發(fā)商EDL公司在西澳大利亞州Agnew金礦部署了一個澳大利亞規(guī)模最大微電網(wǎng)，這個微電網(wǎng)以混合部署可再生能源(風(fēng)能和太陽能)為基礎(chǔ)，并配備天然氣發(fā)電設(shè)施和柴油發(fā)電機作為備用電源。該微電網(wǎng)的總裝機容量為56 MW，其中包括裝機容量為13 MW的電池儲能系統(tǒng)。我國煤礦存在不同程度的煤層氣資源。將煤層氣發(fā)電與光伏和風(fēng)能發(fā)電相結(jié)合，成為多電源互補的煤礦直流微電網(wǎng)具有充分的條件和明顯的優(yōu)勢。

1 煤礦供電現(xiàn)狀

煤礦工作環(huán)境中往往含有諸多大功率用電設(shè)備，煤礦的安全生產(chǎn)與人身安全問題往往取決于供電系統(tǒng)是否安全可靠。

在《煤礦安全規(guī)程》中第四百三十六條規(guī)定 “ 礦井應(yīng)該有兩回路電源線路。當(dāng)任一回路發(fā)生故障停止供電時，另一回路應(yīng)當(dāng)擔(dān)負(fù)礦井全部用電負(fù)荷”。 但隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，工作面不斷延伸，供電接線距離不斷加長，導(dǎo)致供電成本高，線路損耗大，而電壓跌落卻更為嚴(yán)重；各種沖擊性和非線性設(shè)備大量增加，大量變頻設(shè)備的投入使用，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染[1]；采用無功補償裝置電容器組可以提高功率因數(shù)，加大電能的利用率起到節(jié)能作用，然而電容器在節(jié)能的同時，其他設(shè)備產(chǎn)生的諧波可能會造成電容器過流，使煤礦感性機電設(shè)備與電容器造成并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，將諧波進一步放大。這都對煤礦安全供電造成了很大的影響。

煤礦直流微電網(wǎng)的提出，就是為了有效管理日益增加的分布式電源。通過對整個微電網(wǎng)的有效管理，才能使儲能電源、發(fā)電裝置、大功率轉(zhuǎn)換器件以及負(fù)載設(shè)備協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)高質(zhì)量的電能輸出目標(biāo)，從而滿足煤礦負(fù)荷的用電需求[2]。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)需要實時獲取各個子系統(tǒng)部件和關(guān)鍵組件的運行信息，為了加強直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中各個電力電子裝置協(xié)調(diào)運行，在獲取實時信息的基礎(chǔ)上，利用控制策略和協(xié)調(diào)優(yōu)化算法來降低能源發(fā)電裝置、儲能裝置、負(fù)載設(shè)備以及功率轉(zhuǎn)換器在高頻狀態(tài)下的間歇波動影響[3]。

面對這樣一個復(fù)雜的多節(jié)點控制系統(tǒng)，需要利用模型和穩(wěn)定性分析來統(tǒng)籌規(guī)劃，從而實現(xiàn)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出高質(zhì)量電能和穩(wěn)定運行。對此，國內(nèi)外對直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的研究開始得很早，國外的Rush研究員[4]提出了一種網(wǎng)絡(luò)化直流微電網(wǎng)分布式降速控制和能量存儲的新方法，利用分布式控制防止單點故障。試驗結(jié)果表明，在隨機源和快速更新速率的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)化直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以最大限度地減少能量存儲需求，實現(xiàn)直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性控制。中國礦業(yè)大學(xué)梁睿教授[5]對交直流互聯(lián)的礦山電網(wǎng)供電系統(tǒng)進行了研究，在礦山中布設(shè)電網(wǎng)時采用直流交流雙母線進線，其中交流母線A從1號主變進線，連接礦山交流負(fù)載；直流母線B從2號主變進線，經(jīng)過雙向換流器VSC1轉(zhuǎn)換成直流電，再通過DC/DC轉(zhuǎn)換器連接礦山直流負(fù)載，直流母線A和直流母線B之間通過雙向換流器VSC2和雙向換流器VSC3互聯(lián)。本文以高頻狀態(tài)下直流微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和等效數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進行靜態(tài)穩(wěn)定性分析，提出一種動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，最后通過仿真試驗驗證了控制策略的有效性和可靠性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及等效模型

煤礦供電的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)由配電網(wǎng)絡(luò)、儲能裝置、發(fā)電裝置、直流母線、功率變換器以及煤礦用電設(shè)備構(gòu)成[6]。其中，配電網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過逆變器、PCC控制設(shè)備、電路轉(zhuǎn)換保護裝置將電力輸出為直流電，直流電在直流母線上傳輸，儲能蓄電池負(fù)責(zé)在整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載功率波動以及擾動時補充部分能量，DC/DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)直流電間的電能轉(zhuǎn)換，DC/AC/DC變換器負(fù)責(zé)交直流電路間的電能轉(zhuǎn)換，PCC控制單元負(fù)責(zé)為配電網(wǎng)絡(luò)到微電網(wǎng)系統(tǒng)間實時調(diào)整功率提供耦合機制管理平臺，是微電網(wǎng)功率平衡控制以及能源管理的重要部件。本文研究的煤礦直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中蓄電池是一個重要的削峰填谷裝置，當(dāng)負(fù)載端的用電量需求較少時將直流母線上傳輸過來的直流電經(jīng)過功率變換器轉(zhuǎn)換后將直流電能存儲起來，當(dāng)負(fù)載端用電量增大時，可以釋放電能，及時的輸出電能，以滿足負(fù)載的用電功率需求，其等效電路模型采用戴維南等效電路模型，其數(shù)學(xué)描述[7]如下所示。

(1)

式中，Rd、Cd分別為電池極化內(nèi)阻和旁路電容；R0、Uoc、Ubat分別為電池內(nèi)阻、開路電壓以及電池端電壓；I1、I2、I3分別為流過內(nèi)阻電流、流過極化內(nèi)阻電流、流過旁路電容電流；SOC0、CN、P0分別為動力電池初始荷電狀態(tài)、額定容量以及電池功率。

由文獻[8]可知直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中采用的光伏發(fā)電裝置用超越方程來表征光伏電池輸出電流的能力，其輸出特性的等效數(shù)學(xué)模型如下。

(2)

式中，Idt、Um、Im分別為短路電流、最大輸出電壓以及最大輸出電流；C1、C2為傳輸系數(shù)；I、ΔI為光伏電池輸出電流和輸出電流波動值。

風(fēng)力發(fā)電是指通過風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，然后通過驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電的一種發(fā)電方式，通常風(fēng)力發(fā)電控制模型采用風(fēng)速調(diào)整風(fēng)力機漿距來控制發(fā)電機輸出功率，其數(shù)學(xué)描述[9]如下。

(3)

其中，POUT為輸出功率；CP為風(fēng)能利用系數(shù)；λ為空氣密度；V為風(fēng)速；A為風(fēng)力機漿葉掃動面積。

2 煤礦設(shè)備供電的直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

煤礦設(shè)備供電的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的控制節(jié)點容易受到外界環(huán)境和負(fù)載耗能的影響，光伏電池會由于光照的強度影響其自身輸出功率的波動，風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)機會受風(fēng)力和風(fēng)機的狀態(tài)影響輸出功率，儲能蓄電池需要實時監(jiān)控其工作狀態(tài)，避免大電流的沖擊。直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性非常重要，尤其是面對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜多變的功率需求，需要對整個系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的定義為電力系統(tǒng)受到小擾動或者大擾動之后，系統(tǒng)能夠保持或者恢復(fù)到容許的范圍內(nèi)，而不發(fā)生電壓崩潰的能力；電壓崩潰是指由于電壓不穩(wěn)定所導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)大面積、大幅度的電壓下降過程[10-11]。為了觀測系統(tǒng)電壓是否達到穩(wěn)定狀態(tài)，可與一個穩(wěn)定狀態(tài)電壓閾值相比，如公式(4)所示。

ΔU=U(1-δ%)

(4)

其中，U、ΔU分別為系統(tǒng)電壓以及系統(tǒng)達到電壓穩(wěn)態(tài)的電壓差；δ為穩(wěn)定狀態(tài)電壓閾值，該值可以實時更新標(biāo)定。

對于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性可以通過構(gòu)建狀態(tài)觀測器來進行分析，狀態(tài)觀測器可以觀測到在狀態(tài)空間邊界區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)電壓閾值的分布，將其值映射到直流微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響表面層。所設(shè)計的全局多維狀態(tài)觀測器[12-14]如圖2所示。

圖2 全局多維狀態(tài)觀測器

由圖2可以構(gòu)建全局多維狀態(tài)觀測器的觀測誤差以及觀測誤差的動態(tài)方程如下。

(5)

在整個穩(wěn)定性分析系統(tǒng)邊界初始狀態(tài)和系統(tǒng)初始狀態(tài)相異時，可以通過實時調(diào)整A和C的配置，強化邊界的觀測穩(wěn)定性，獲取最優(yōu)的狀態(tài)觀測器，弱化狀態(tài)觀測器穩(wěn)定性分析時依靠輸入信號的弊端。

3 動態(tài)優(yōu)化策略設(shè)計

煤礦直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在多節(jié)點控制模塊中采用閉環(huán)控制，以形成控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制。在此基礎(chǔ)上，加入電流控制環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)的電流進行反饋控制形成整個系統(tǒng)的下垂控制，在考慮下垂控制源時，利用變換器在儲能裝置、發(fā)電裝置以及光伏裝置額定工作點考慮輸出功率，將功率影響因子納入下垂控制的范疇[15-17]。引入母線電壓和輸出功率雙因子下垂控制策略可以實時獲取直流母線電壓的穩(wěn)定狀態(tài)偏差值，還可以對直流微電網(wǎng)系統(tǒng)各個節(jié)點的功率進行最優(yōu)分配。

在復(fù)雜的電網(wǎng)運行環(huán)境中，加上外界的干擾以及用電量負(fù)荷越來越大，需要對直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的工況進行具體的劃分，在不同工況采用不同的調(diào)整相關(guān)的控制參數(shù)。本文以光伏風(fēng)電蓄電池耦合的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為研究對象，將負(fù)載需求功率為導(dǎo)向，結(jié)合各個控制節(jié)點的工作狀態(tài)，將直流微電網(wǎng)系統(tǒng)下垂控制變工況劃分為4個不同的控制區(qū)域，通過在線實時調(diào)節(jié)下垂控制系數(shù)來優(yōu)化不同工況下直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和提升輸出電能的質(zhì)量。具體的劃分方法如圖3所示。

圖3 直流微電網(wǎng)工況劃分

4 仿真試驗分析

針對煤礦直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性狀態(tài)觀測器特征，在MATLAB/Simulink仿真建模平臺構(gòu)建了基于直流母線電壓和輸出功率的動態(tài)下垂控制策略，將仿真時間設(shè)置為10 ms，仿真試驗結(jié)果如圖4—圖6所示。

圖4 煤礦供電的電網(wǎng)電流

圖5 優(yōu)化后電壓

圖6 電網(wǎng)功率

圖4是煤礦直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的電流仿真實驗結(jié)果，從圖4中可以看出在高頻狀態(tài)下，電流仍然具有很大的擾動和震蕩。

圖5是優(yōu)化后的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓試驗結(jié)果，在初始電壓經(jīng)歷了10 ms的激勵和電壓下垂控制，加上系統(tǒng)各個節(jié)點的協(xié)調(diào)控制下，整個電壓穩(wěn)定性提升很大，電壓質(zhì)量提高了13.78%，進一步提升了整個直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。

圖6是電網(wǎng)功率的實驗結(jié)果，從圖6中可以看出，在初始狀態(tài)下微電網(wǎng)蓄電池存儲了大量的電能，在經(jīng)過下垂控制中調(diào)節(jié)功率因子參數(shù)，得到了優(yōu)化后功率，在微電網(wǎng)進入高頻狀態(tài)后，可以更加有效地分配功率，實現(xiàn)各個節(jié)點的協(xié)調(diào)運行。

5 煤礦直流微電網(wǎng)應(yīng)用前景分析

(1)目前，清華大學(xué)在進行煤礦采空區(qū)巷道安裝壓縮空氣儲能發(fā)電裝置的研究，國軒高科在安徽開展儲能電源在煤礦供電的論證，直流微電網(wǎng)利用儲能蓄電池克服了交流電網(wǎng)電能不能儲存的缺點。通過直流微電網(wǎng)的投入使用，適當(dāng)調(diào)整電力負(fù)荷錯峰運行，可以大大提高新能源發(fā)電的消納能力，從而實現(xiàn)新能源的有效利用。

(2)分布式電源和儲能裝置可以依照輸出電壓形式選擇接入交直流母線，簡化了系統(tǒng)控制方式，降低了系統(tǒng)能耗，并減小了系統(tǒng)諧波，提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

(3)煤礦生活、辦公用電、網(wǎng)絡(luò)與通訊等直流供電設(shè)備，直接接入直流母線，省去交直流變換裝置的投入，降低設(shè)備成本。

(4)在新的礦井建設(shè)規(guī)劃和現(xiàn)有煤礦智能化改造中引入交直流雙母線供電電源，可以大大提高煤礦供電可靠性，減少諧波治理的投入。

本文將提出的煤礦直流微電網(wǎng)控制與協(xié)調(diào)動態(tài)優(yōu)化策略研究在實驗平臺上進行應(yīng)用，結(jié)果表明，本策略能夠提高整個直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，在系統(tǒng)處于高頻狀態(tài)下，存儲在微電網(wǎng)蓄電池中的電能進行有效分配，實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)設(shè)備的高效運行。此次實驗平臺的應(yīng)用，證明了此優(yōu)化控制策略可以有效改善直流微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，同時能夠高效可靠接納分布式電源，是一個重要且具有一定難度的課題，具有廣泛的應(yīng)用前景。相關(guān)優(yōu)化策略可以為煤礦供電的網(wǎng)絡(luò)直流化提供一定的理論指導(dǎo)，同時對于豐富直流微電網(wǎng)理論體系推進能源供給側(cè)改革具有現(xiàn)實意義。

6 總結(jié)

煤礦直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性關(guān)乎到整個電網(wǎng)系統(tǒng)和煤礦生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運行，在高頻狀態(tài)下，微電網(wǎng)系統(tǒng)的多個控制節(jié)點都極易產(chǎn)生波動，從而影響直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。本文針對煤礦直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵節(jié)點等效數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過設(shè)計全局觀測器來判定電壓穩(wěn)定性，進而提出一種直流母線電壓和輸出功率的動態(tài)下垂控制策略。通過仿真試驗證明，采用穩(wěn)定性分析方法和下垂控制策略能夠有效保證直流微電網(wǎng)系統(tǒng)各個節(jié)點協(xié)調(diào)運行，整個系統(tǒng)未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，具有強魯棒性和可靠性，所提策略能夠促進煤層氣井排采設(shè)備供電的直流微電網(wǎng)在煤層氣勘探領(lǐng)域的進一步發(fā)展，為后續(xù)的研究發(fā)展提供借鑒。