煤礦直流微電網(wǎng)控制與協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略研究

辛岳芃，王 征

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)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(guó)家對(duì)智能礦山建設(shè)的推進(jìn)，供電系統(tǒng)的安全可靠性對(duì)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(kāi)發(fā)商EDL公司在西澳大利亞州Agnew金礦部署了一個(gè)澳大利亞規(guī)模最大微電網(wǎng)，這個(gè)微電網(wǎng)以混合部署可再生能源(風(fēng)能和太陽(yáng)能)為基礎(chǔ)，并配備天然氣發(fā)電設(shè)施和柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。該微電網(wǎng)的總裝機(jī)容量為56 MW，其中包括裝機(jī)容量為13 MW的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。我國(guó)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(bǔ)的煤礦直流微電網(wǎng)具有充分的條件和明顯的優(yōu)勢(shì)。

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(wèn)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(xiàn)路。當(dāng)任一回路發(fā)生故障停止供電時(shí)，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(kuò)大，工作面不斷延伸，供電接線(xiàn)距離不斷加長(zhǎng)，導(dǎo)致供電成本高，線(xiàn)路損耗大，而電壓跌落卻更為嚴(yán)重；各種沖擊性和非線(xiàn)性設(shè)備大量增加，大量變頻設(shè)備的投入使用，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染[1]；采用無(wú)功補(bǔ)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(shí)，其他設(shè)備產(chǎn)生的諧波可能會(huì)造成電容器過(guò)流，使煤礦感性機(jī)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(jìn)一步放大。這都對(duì)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(guò)對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)的有效管理，才能使儲(chǔ)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(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電能輸出目標(biāo)，從而滿(mǎn)足煤礦負(fù)荷的用電需求[2]。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取各個(gè)子系統(tǒng)部件和關(guān)鍵組件的運(yùn)行信息，為了加強(qiáng)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)電力電子裝置協(xié)調(diào)運(yùn)行，在獲取實(shí)時(shí)信息的基礎(chǔ)上，利用控制策略和協(xié)調(diào)優(yōu)化算法來(lái)降低能源發(fā)電裝置、儲(chǔ)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(dòng)影響[3]。

面對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)，需要利用模型和穩(wěn)定性分析來(lái)統(tǒng)籌規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出高質(zhì)量電能和穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外對(duì)直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的研究開(kāi)始得很早，國(guó)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(chǔ)的新方法，利用分布式控制防止單點(diǎn)故障。試驗(yàn)結(jié)果表明，在隨機(jī)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(chǔ)需求，實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性控制。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)梁睿教授[5]對(duì)交直流互聯(lián)的礦山電網(wǎng)供電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在礦山中布設(shè)電網(wǎng)時(shí)采用直流交流雙母線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)，其中交流母線(xiàn)A從1號(hào)主變進(jìn)線(xiàn)，連接礦山交流負(fù)載；直流母線(xiàn)B從2號(hào)主變進(jìn)線(xiàn)，經(jīng)過(guò)雙向換流器VSC1轉(zhuǎn)換成直流電，再通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器連接礦山直流負(fù)載，直流母線(xiàn)A和直流母線(xiàn)B之間通過(guò)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(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)定性分析，提出一種動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，最后通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)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(chǔ)能裝置、發(fā)電裝置、直流母線(xiàn)、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(guò)逆變器、PCC控制設(shè)備、電路轉(zhuǎn)換保護(hù)裝置將電力輸出為直流電，直流電在直流母線(xiàn)上傳輸，儲(chǔ)能蓄電池負(fù)責(zé)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載功率波動(dòng)以及擾動(dòng)時(shí)補(bǔ)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(shí)時(shí)調(diào)整功率提供耦合機(jī)制管理平臺(tái)，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(gè)重要的削峰填谷裝置，當(dāng)負(fù)載端的用電量需求較少時(shí)將直流母線(xiàn)上傳輸過(guò)來(lái)的直流電經(jīng)過(guò)功率變換器轉(zhuǎn)換后將直流電能存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)負(fù)載端用電量增大時(shí)，可以釋放電能，及時(shí)的輸出電能，以滿(mǎn)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(kāi)路電壓以及電池端電壓；I1、I2、I3分別為流過(guò)內(nèi)阻電流、流過(guò)極化內(nèi)阻電流、流過(guò)旁路電容電流；SOC0、CN、P0分別為動(dòng)力電池初始荷電狀態(tài)、額定容量以及電池功率。

由文獻(xiàn)[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(lái)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(dòng)值。

風(fēng)力發(fā)電是指通過(guò)風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)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(jī)漿距來(lái)控制發(fā)電機(jī)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(jī)漿葉掃動(dòng)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(diǎn)容易受到外界環(huán)境和負(fù)載耗能的影響，光伏電池會(huì)由于光照的強(qiáng)度影響其自身輸出功率的波動(dòng)，風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)機(jī)會(huì)受風(fēng)力和風(fēng)機(jī)的狀態(tài)影響輸出功率，儲(chǔ)能蓄電池需要實(shí)時(shí)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(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜多變的功率需求，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)或者大擾動(dòng)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(guò)程[10-11]。為了觀測(cè)系統(tǒng)電壓是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可與一個(gè)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(dá)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(shí)時(shí)更新標(biāo)定。

對(duì)于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性可以通過(guò)構(gòu)建狀態(tài)觀測(cè)器來(lái)進(jìn)行分析，狀態(tài)觀測(cè)器可以觀測(cè)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(jì)的全局多維狀態(tài)觀測(cè)器[12-14]如圖2所示。

圖2 全局多維狀態(tài)觀測(cè)器

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

(5)

在整個(gè)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(shí)，可以通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整A和C的配置，強(qiáng)化邊界的觀測(cè)穩(wěn)定性，獲取最優(yōu)的狀態(tài)觀測(cè)器，弱化狀態(tài)觀測(cè)器穩(wěn)定性分析時(shí)依靠輸入信號(hào)的弊端。

3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略設(shè)計(jì)

煤礦直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在多節(jié)點(diǎn)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(duì)系統(tǒng)的電流進(jìn)行反饋控制形成整個(gè)系統(tǒng)的下垂控制，在考慮下垂控制源時(shí)，利用變換器在儲(chǔ)能裝置、發(fā)電裝置以及光伏裝置額定工作點(diǎn)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(xiàn)電壓和輸出功率雙因子下垂控制策略可以實(shí)時(shí)獲取直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定狀態(tài)偏差值，還可以對(duì)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率進(jìn)行最優(yōu)分配。

在復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境中，加上外界的干擾以及用電量負(fù)荷越來(lái)越大，需要對(duì)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的工況進(jìn)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(duì)象，將負(fù)載需求功率為導(dǎo)向，結(jié)合各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)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(gè)不同的控制區(qū)域，通過(guò)在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)下垂控制系數(shù)來(lái)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(yàn)分析

針對(duì)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(cè)器特征，在MATLAB/Simulink仿真建模平臺(tái)構(gòu)建了基于直流母線(xiàn)電壓和輸出功率的動(dòng)態(tài)下垂控制策略，將仿真時(shí)間設(shè)置為10 ms，仿真試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)和震蕩。

圖5是優(yōu)化后的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓試驗(yàn)結(jié)果，在初始電壓經(jīng)歷了10 ms的激勵(lì)和電壓下垂控制，加上系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)控制下，整個(gè)電壓穩(wěn)定性提升很大，電壓質(zhì)量提高了13.78%，進(jìn)一步提升了整個(gè)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(shí)驗(yàn)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(chǔ)了大量的電能，在經(jīng)過(guò)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(jìn)入高頻狀態(tài)后，可以更加有效地分配功率，實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)運(yùn)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(jìn)行煤礦采空區(qū)巷道安裝壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電裝置的研究，國(guó)軒高科在安徽開(kāi)展儲(chǔ)能電源在煤礦供電的論證，直流微電網(wǎng)利用儲(chǔ)能蓄電池克服了交流電網(wǎng)電能不能儲(chǔ)存的缺點(diǎn)。通過(guò)直流微電網(wǎng)的投入使用，適當(dāng)調(diào)整電力負(fù)荷錯(cuò)峰運(yùn)行，可以大大提高新能源發(fā)電的消納能力，從而實(shí)現(xiàn)新能源的有效利用。

(2)分布式電源和儲(chǔ)能裝置可以依照輸出電壓形式選擇接入交直流母線(xiàn)，簡(jiǎn)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(xiàn)，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(xiàn)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(dòng)態(tài)優(yōu)化策略研究在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果表明，本策略能夠提高整個(gè)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(chǔ)在微電網(wǎng)蓄電池中的電能進(jìn)行有效分配，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)設(shè)備的高效運(yùn)行。此次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)能夠高效可靠接納分布式電源，是一個(gè)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(shí)對(duì)于豐富直流微電網(wǎng)理論體系推進(jìn)能源供給側(cè)改革具有現(xiàn)實(shí)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(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)和煤礦生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，在高頻狀態(tài)下，微電網(wǎng)系統(tǒng)的多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)都極易產(chǎn)生波動(dòng)，從而影響直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。本文針對(duì)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(diǎn)等效數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)全局觀測(cè)器來(lái)判定電壓穩(wěn)定性，進(jìn)而提出一種直流母線(xiàn)電壓和輸出功率的動(dòng)態(tài)下垂控制策略。通過(guò)仿真試驗(yàn)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(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，具有強(qiáng)魯棒性和可靠性，所提策略能夠促進(jìn)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(jìn)一步發(fā)展，為后續(xù)的研究發(fā)展提供借鑒。