国家统计局2014年公布的数据显示:我国一次能源消费结构中,煤炭占66.0%,石油占17.1%,天然气占5.7%,水电、风电、核电占11.2%,天然气在能源结构中的比重较23.8%的全球平均水平还有较大差距。“十二五”期间,我国天然气缺口达到1600亿立方米,对外依存度达45%。虽然液化石油气和进口天然气在一定程度上弥补了我国天然气缺口,但仍然存在许多安全和成本问题。煤层气是一种蕴藏于煤层中,在煤化作用过程中形成的以甲烷为主的混合气体,其成分与天然气相似。我国煤层气资源赋存丰富,埋深小于2000米的煤层气地质资源量约为38万亿立方米,开采潜力巨大,因此相对于页岩气、天然气水合物等其他非常规气,煤层气将是今后一段时期内最为理想的气源。综上所述,实施煤层气开发可在一定程度上安全可靠地缓解我国天然气短缺压力,改善能源生产消费结构和煤矿安全生产条件,减轻传统化石能源过度消耗所带来的环境压力。截止到2011年,随着煤层气产量首次突破百亿立方米大关,我国煤层气产业进入了高速发展的初级阶段。然而,随着煤层气产业规模持续扩大,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。煤层气地面抽采用电不合理主要体现在:1)煤层气抽采机作为煤层气排采系统的重要组成部分,其在一个冲次内的有功功率相较于无功需求变化幅度较大,导致交流网侧功率因数普遍较低且波动剧烈,谐波污染与电能浪费情况严重,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;2)受悬点载荷影响,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;3)受煤层气资源分布等客观因素影响,传统煤层气地面抽采交流供电系统存在供电半径大、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,过长的配电线路造成大量涡流损耗和无功环流,使运行成本大大增加;4)煤层气地面抽采供电系统采用传统交流供电方式,35kV变电站/10kV高压输电/380V低压配电三级供电模式需要使用大量变压器,考虑到煤层气抽采机负载数量及容量等实际情况,选用配电变压器容量大且多工作于非经济运行区,这就大大加剧了有功和无功损耗。为应对煤层气抽采高昂电费支出,避免“洁净能源换取洁净能源”,实现煤层气抽采系统节能降耗与高效生产,提高经济效益,迫切需要改变传统煤层气地面抽采交流电网组网形式。为此,本人所在研究团队提出了一种新型煤层气地面抽采直流微网供电系统,最大限度利用光伏和蓄电池等分布式电源(Distributed Energy Resource,DER)对负载供电,降低煤层气抽采机对交流主网的依赖,同时由于网内不存在谐波损耗和无功环流,系统用电效率和用电成本将明显好转。本课题在研究过程中受到了国家自然科学基金“新一代高频隔离级联式中高压变频器关键技术研究”(51577187)、中央高校基本科研业务费专项资金“无工频变压器级联式多电平整流器关键技术”(2010YJ03)、国家科技重大专项“山西晋城矿区采气采煤一体化煤层气开发示范工程”(2011ZX05063)等基金的资助。煤层气地面抽采系统直流微网是一种根据区块内煤层气抽采机集中分布的特点,利用光伏和蓄电池等DER向区块内煤层气抽采机供电,并与交流主网通过双向PWM整流器相连的自治电网形态。和交流微网相比,直流微网由于无需追踪电压频率和相位,更易接纳负载与DER,因此具有更高的可靠性和可控性;其次,直流微网与负载和DER相连仅需通过一级变换器即可实现,转化效率大大提升;此外,在传输过程中直流配电线路不存在涡流损耗和无功交换,因此线损大大降低。作为煤层气地面抽采系统直流微网主要用电负荷的煤层气抽采机由电动机、四连杆机构、抽水杆和井下抽水泵等部分组成。电动机作为驱动煤层气抽采机运行的动力来源,除存在电动状态,受煤层气抽采机负荷周期性动态交变特性和配重不平衡影响,还存在下冲程阶段势能负荷下落引起煤层气抽采机拖动电动机超速运行而产生的发电状态,发电状态下电动机向直流母线馈能致使直流母线电压升高,而电动状态下直流母线又向电动机供能使得直流母线电压降低,从而导致直流母线电压波动剧烈;直流母线电压波动越剧烈,直流供电侧电容所需处理的无功功率就越大,因此有功功率一定时系统的力能指标(效率和功率因数乘积)就会越低。此外,交变负荷下电动机在相当一部分时间内工作于空载和发电工况,其效率仅有30%左右,处于低力能指标运行状态;同时由于煤层气抽采机负荷起动困难,所安装电动机额定功率明显大于其实际运行功率,造成电动机存在严重的“大马拉小车”问题。由此可见,煤层气抽采机周期性动态交变负荷是导致系统直流母线电压波动剧烈与系统能耗居高不下的主要原因。为此,本文提出一种煤层气抽采机电动机运行最优速度曲线节能控制策略。首先分析煤层气抽采机四连杆机构,建立煤层气抽采机悬点载荷数学模型,推导出煤层气抽采机电动机等效负载转矩表达式;然后基于矢量控制技术,建立煤层气抽采机电动机矢量控制数学模型,推导出直流供电侧母线电压波动与抽采机电动机加速度之间一一映射关系;进一步构造直流母线电压波动差绝对值函数与最大电压波动函数,通过对绝对值函数求极值和对最大电压波动函数进行单调性分析,最后找到满足直流母线电压波动最小的最优加速度,从而得到煤层气抽采机周期性动态交变负荷下的电动机运行最优速度曲线。煤层气地面抽采系统直流微网内多台抽采机之间的无序运行会进一步加剧直流母线电压波动,为了保证网内多台抽采机之间能够协调运行,从负荷侧最大程度抑制直流母线电压波动,同时降低系统损耗,本文以直流微网供电下两台煤层气抽采机协调运行作为研究对象,提出一种煤层气抽采机互补运行协调控制策略。首先分析煤层气抽采机运行特性及其等效负荷组成;然后,通过进一步分析直流母线电压波动与抽采机电动机电磁转矩和加速度之间相互关系,求解得到满足直流母线电压波动最小的电动机运行最优加速度,从而得到煤层气抽采机协调运行最优速度曲线,从负荷侧最大程度抑制直流母线电压波动。结合目前国内外关于直流微网结网方式的分析与讨论,可以看出在实际应用过程中,直流微网结构的合理选择对于整个系统尤为关键。为满足系统结构简单、易于控制以及在多控制目标下的系统表现性能满足实际应用等要求,本文提出了一种煤层气地面抽采系统直流微网分层结构:第一层是能量供给层,由光伏电池和蓄电池并联组成,光伏电池采用最大功率点跟踪模式(Maximum Power Point Tracking,MPPT)实现最大功率捕捉,蓄电池作为受控电压源进行恒压控制,以实现稳压输出;第二层是能量传输和分配层,由双向Buck/Boost变换器构成,其输入与第一层输出串联,输出与直流母线相连,该层在满足能量双向传输的同时,维持直流母线电压稳定,并实现负荷功率动态平衡分配;第三层由煤层气抽采机构成负荷层,煤层气抽采机由逆变器?电动机系统驱动。对于煤层气地面抽采系统直流微网而言,呈现负阻抗特性的煤层气抽采机周期性动态交变负荷与分布式电源接入变换器级联容易导致系统出现振荡,造成直流母线电压剧烈波动,破坏直流微网的稳定运行。为此,本文对煤层气地面抽采系统直流微网的稳定性进行了分析和讨论。首先基于煤层气地面抽采系统直流微网的分层结构,推导得到第一、二层输出阻抗Zo(s),并建立了第三层煤层气抽采机电动机输入阻抗Zin(s)与受控源Ym?串联的小信号模型,在此基础上得到直流微网全局小信号模型;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;最后根据阻抗匹配原则,求解多项式1/(1(10)Zo(s)/Zin(s))主导极点,比较了采用本文所提稳定性控制策略前后的主导极点位置并分析了直流微网系统稳定性。最后,本文通过Matlab/Simulink系统仿真、现场实测以及基于先进半实物仿真技术的煤层气地面抽采系统直流微网试验平台,对前文所述理论推导进行了分析与验证。系统仿真与试验结果表明,针对煤层气地面抽采系统直流微网所提出的煤层气抽采机电动机优化运行控制策略,可有效抑制直流母线电压的波动,降低系统能耗,所提出的煤层气地面抽采系统直流微网稳定性控制策略正确可行,所得系统仿真与试验结果为后续研究奠定了一定的基础。