煤矿直流微电网控制与协调动态优化策略研究

辛岳芃，王 征

(1.河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000； 2.郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001)

随着近年国家对智能矿山建设的推进，供电系统的安全可靠性对于煤炭企业显得愈发重要。煤炭企业也逐渐将重心倾向于分布式电源(Distributed Generation，DG)供电系统的改良。2020年9月，能源开发商EDL公司在西澳大利亚州Agnew金矿部署了一个澳大利亚规模最大微电网，这个微电网以混合部署可再生能源(风能和太阳能)为基础，并配备天然气发电设施和柴油发电机作为备用电源。该微电网的总装机容量为56 MW，其中包括装机容量为13 MW的电池储能系统。我国煤矿存在不同程度的煤层气资源。将煤层气发电与光伏和风能发电相结合，成为多电源互补的煤矿直流微电网具有充分的条件和明显的优势。

1 煤矿供电现状

煤矿工作环境中往往含有诸多大功率用电设备，煤矿的安全生产与人身安全问题往往取决于供电系统是否安全可靠。

在《煤矿安全规程》中第四百三十六条规定 “ 矿井应该有两回路电源线路。当任一回路发生故障停止供电时，另一回路应当担负矿井全部用电负荷”。 但随着煤矿生产规模的不断扩大，工作面不断延伸，供电接线距离不断加长，导致供电成本高，线路损耗大，而电压跌落却更为严重；各种冲击性和非线性设备大量增加，大量变频设备的投入使用，对电网造成严重的谐波污染[1]；采用无功补偿装置电容器组可以提高功率因数，加大电能的利用率起到节能作用，然而电容器在节能的同时，其他设备产生的谐波可能会造成电容器过流，使煤矿感性机电设备与电容器造成并联谐振或串联谐振，将谐波进一步放大。这都对煤矿安全供电造成了很大的影响。

煤矿直流微电网的提出，就是为了有效管理日益增加的分布式电源。通过对整个微电网的有效管理，才能使储能电源、发电装置、大功率转换器件以及负载设备协调运行，实现高质量的电能输出目标，从而满足煤矿负荷的用电需求[2]。直流微电网系统需要实时获取各个子系统部件和关键组件的运行信息，为了加强直流微电网系统中各个电力电子装置协调运行，在获取实时信息的基础上，利用控制策略和协调优化算法来降低能源发电装置、储能装置、负载设备以及功率转换器在高频状态下的间歇波动影响[3]。

面对这样一个复杂的多节点控制系统，需要利用模型和稳定性分析来统筹规划，从而实现直流微电网系统输出高质量电能和稳定运行。对此，国内外对直流微电网协调控制的研究开始得很早，国外的Rush研究员[4]提出了一种网络化直流微电网分布式降速控制和能量存储的新方法，利用分布式控制防止单点故障。试验结果表明，在随机源和快速更新速率的系统中，网络化直流微电网系统结构可以最大限度地减少能量存储需求，实现直流微电网的稳定性控制。中国矿业大学梁睿教授[5]对交直流互联的矿山电网供电系统进行了研究，在矿山中布设电网时采用直流交流双母线进线，其中交流母线A从1号主变进线，连接矿山交流负载；直流母线B从2号主变进线，经过双向换流器VSC1转换成直流电，再通过DC/DC转换器连接矿山直流负载，直流母线A和直流母线B之间通过双向换流器VSC2和双向换流器VSC3互联。本文以高频状态下直流微电网系统为研究对象，在直流微电网系统结构和等效数学模型基础上，对系统进行静态稳定性分析，提出一种动态协调控制策略，最后通过仿真试验验证了控制策略的有效性和可靠性。

2 系统结构以及等效模型

煤矿供电的直流微电网系统由配电网络、储能装置、发电装置、直流母线、功率变换器以及煤矿用电设备构成[6]。其中，配电网络经过逆变器、PCC控制设备、电路转换保护装置将电力输出为直流电，直流电在直流母线上传输，储能蓄电池负责在整个网络系统负载功率波动以及扰动时补充部分能量，DC/DC转换器负责直流电间的电能转换，DC/AC/DC变换器负责交直流电路间的电能转换，PCC控制单元负责为配电网络到微电网系统间实时调整功率提供耦合机制管理平台，是微电网功率平衡控制以及能源管理的重要部件。本文研究的煤矿直流微电网系统结构如图1所示。

图1 直流微电网系统结构

煤矿直流微电网系统中蓄电池是一个重要的削峰填谷装置，当负载端的用电量需求较少时将直流母线上传输过来的直流电经过功率变换器转换后将直流电能存储起来，当负载端用电量增大时，可以释放电能，及时的输出电能，以满足负载的用电功率需求，其等效电路模型采用戴维南等效电路模型，其数学描述[7]如下所示。

(1)

式中，Rd、Cd分别为电池极化内阻和旁路电容；R0、Uoc、Ubat分别为电池内阻、开路电压以及电池端电压；I1、I2、I3分别为流过内阻电流、流过极化内阻电流、流过旁路电容电流；SOC0、CN、P0分别为动力电池初始荷电状态、额定容量以及电池功率。

由文献[8]可知直流微电网系统中采用的光伏发电装置用超越方程来表征光伏电池输出电流的能力，其输出特性的等效数学模型如下。

(2)

式中，Idt、Um、Im分别为短路电流、最大输出电压以及最大输出电流；C1、C2为传输系数；I、ΔI为光伏电池输出电流和输出电流波动值。

风力发电是指通过风力机将风能转化为机械能，然后通过驱动发电机进行发电的一种发电方式，通常风力发电控制模型采用风速调整风力机浆距来控制发电机输出功率，其数学描述[9]如下。

(3)

其中，POUT为输出功率；CP为风能利用系数；λ为空气密度；V为风速；A为风力机浆叶扫动面积。

2 煤矿设备供电的直流微电网稳定性分析

煤矿设备供电的直流微电网系统中的控制节点容易受到外界环境和负载耗能的影响，光伏电池会由于光照的强度影响其自身输出功率的波动，风力发电的风机会受风力和风机的状态影响输出功率，储能蓄电池需要实时监控其工作状态，避免大电流的冲击。直流微电网的稳定性非常重要，尤其是面对整个微电网系统复杂多变的功率需求，需要对整个系统进行稳定性分析。直流微电网系统电压稳定的定义为电力系统受到小扰动或者大扰动之后，系统能够保持或者恢复到容许的范围内，而不发生电压崩溃的能力；电压崩溃是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电压下降过程[10-11]。为了观测系统电压是否达到稳定状态，可与一个稳定状态电压阈值相比，如公式(4)所示。

ΔU=U(1-δ%)

(4)

其中，U、ΔU分别为系统电压以及系统达到电压稳态的电压差；δ为稳定状态电压阈值，该值可以实时更新标定。

对于直流微电网系统电压的稳定性可以通过构建状态观测器来进行分析，状态观测器可以观测到在状态空间边界区域内稳定状态电压阈值的分布，将其值映射到直流微电网系统稳定性影响表面层。所设计的全局多维状态观测器[12-14]如图2所示。

图2 全局多维状态观测器

由图2可以构建全局多维状态观测器的观测误差以及观测误差的动态方程如下。

(5)

在整个稳定性分析系统边界初始状态和系统初始状态相异时，可以通过实时调整A和C的配置，强化边界的观测稳定性，获取最优的状态观测器，弱化状态观测器稳定性分析时依靠输入信号的弊端。

3 动态优化策略设计

煤矿直流微电网系统在多节点控制模块中采用闭环控制，以形成控制系统的稳定性控制。在此基础上，加入电流控制环节，对系统的电流进行反馈控制形成整个系统的下垂控制，在考虑下垂控制源时，利用变换器在储能装置、发电装置以及光伏装置额定工作点考虑输出功率，将功率影响因子纳入下垂控制的范畴[15-17]。引入母线电压和输出功率双因子下垂控制策略可以实时获取直流母线电压的稳定状态偏差值，还可以对直流微电网系统各个节点的功率进行最优分配。

在复杂的电网运行环境中，加上外界的干扰以及用电量负荷越来越大，需要对直流微电网系统的工况进行具体的划分，在不同工况采用不同的调整相关的控制参数。本文以光伏风电蓄电池耦合的直流微电网系统结构为研究对象，将负载需求功率为导向，结合各个控制节点的工作状态，将直流微电网系统下垂控制变工况划分为4个不同的控制区域，通过在线实时调节下垂控制系数来优化不同工况下直流微电网系统的电压稳定性和提升输出电能的质量。具体的划分方法如图3所示。

图3 直流微电网工况划分

4 仿真试验分析

针对煤矿直流微电网系统的结构和稳定性状态观测器特征，在MATLAB/Simulink仿真建模平台构建了基于直流母线电压和输出功率的动态下垂控制策略，将仿真时间设置为10 ms，仿真试验结果如图4—图6所示。

图4 煤矿供电的电网电流

图5 优化后电压

图6 电网功率

图4是煤矿直流微电网系统的电流仿真实验结果，从图4中可以看出在高频状态下，电流仍然具有很大的扰动和震荡。

图5是优化后的直流微电网系统电压试验结果，在初始电压经历了10 ms的激励和电压下垂控制，加上系统各个节点的协调控制下，整个电压稳定性提升很大，电压质量提高了13.78%，进一步提升了整个直流微电网系统的电压质量。

图6是电网功率的实验结果，从图6中可以看出，在初始状态下微电网蓄电池存储了大量的电能，在经过下垂控制中调节功率因子参数，得到了优化后功率，在微电网进入高频状态后，可以更加有效地分配功率，实现各个节点的协调运行。

5 煤矿直流微电网应用前景分析

(1)目前，清华大学在进行煤矿采空区巷道安装压缩空气储能发电装置的研究，国轩高科在安徽开展储能电源在煤矿供电的论证，直流微电网利用储能蓄电池克服了交流电网电能不能储存的缺点。通过直流微电网的投入使用，适当调整电力负荷错峰运行，可以大大提高新能源发电的消纳能力，从而实现新能源的有效利用。

(2)分布式电源和储能装置可以依照输出电压形式选择接入交直流母线，简化了系统控制方式，降低了系统能耗，并减小了系统谐波，提高了系统的电能质量。

(3)煤矿生活、办公用电、网络与通讯等直流供电设备，直接接入直流母线，省去交直流变换装置的投入，降低设备成本。

(4)在新的矿井建设规划和现有煤矿智能化改造中引入交直流双母线供电电源，可以大大提高煤矿供电可靠性，减少谐波治理的投入。

本文将提出的煤矿直流微电网控制与协调动态优化策略研究在实验平台上进行应用，结果表明，本策略能够提高整个直流微电网系统的电压质量，在系统处于高频状态下，存储在微电网蓄电池中的电能进行有效分配，实现煤矿生产设备的高效运行。此次实验平台的应用，证明了此优化控制策略可以有效改善直流微电网的电能质量，同时能够高效可靠接纳分布式电源，是一个重要且具有一定难度的课题，具有广泛的应用前景。相关优化策略可以为煤矿供电的网络直流化提供一定的理论指导，同时对于丰富直流微电网理论体系推进能源供给侧改革具有现实意义。

6 总结

煤矿直流微电网系统的电压稳定性关乎到整个电网系统和煤矿生产设备的稳定运行，在高频状态下，微电网系统的多个控制节点都极易产生波动，从而影响直流微电网系统的电压质量。本文针对煤矿直流微电网系统的稳定性，在其系统结构和关键节点等效数学模型基础上，通过设计全局观测器来判定电压稳定性，进而提出一种直流母线电压和输出功率的动态下垂控制策略。通过仿真试验证明，采用稳定性分析方法和下垂控制策略能够有效保证直流微电网系统各个节点协调运行，整个系统未出现超调现象，具有强鲁棒性和可靠性，所提策略能够促进煤层气井排采设备供电的直流微电网在煤层气勘探领域的进一步发展，为后续的研究发展提供借鉴。