近年来随着煤层气产业规模的持续扩大，传统煤层气地面抽采交流供电网络所带来的用电不合理问题日益严重，已成为制约煤层气产业低成本规模化发展的瓶颈所在[1]，具体表现为:① 由于煤层气抽采机周期性上下往复运动，导致抽采设备有功功率周期性剧烈变化而无功基本不变，因此网侧功率因数一直较低[2];② 受悬点载荷和配重不平衡影响，煤层气抽采机电动机周期性工作于电动和发电状态，母线电压波动范围大[3]，系统效率低下[4];③ 以高压大功率变频器和开关电源为代表的电力电子装置在煤层气地面抽采系统中的应用越来越多，导致网侧谐波污染与电磁干扰问题严重[5];④ 传统煤层气地面抽采交流供电网络所采用的35 kV变电站/10 kV高压输电/380 V低压配电3级供电模式，不仅存在投资成本高、技术难度大、运行维护复杂等问题，变压器的增多还会导致大量涡流损耗和无功环流[6]。综上所述，煤层气地面抽采交流供电网络的进一步发展面临着严峻的挑战。相比传统交流网络，如果采用直流网络构建包含分布式电源、储能装置和负荷的煤层气地面抽采直流微电网系统可具备如下优势:① 直流母线与负载相连仅通过一级变换器即可实现，能量转换效率大幅提升，同时电力电子变换设备减少，系统可靠性提高[7];② 变压器使用数量大幅减少，同时电能传输过程中不存在涡流损耗和无功环流，线路损耗大大降低[8];③ 直流网络与交流主网通过双向PWM整流器相连，网侧单位功率因数运行，不必增加无功补偿装置[9];④ 直流微电网有利于风电和光伏等分布式电源(Distributed Energy Resources，DERs)以及蓄电池和超级电容器等储能装置的接入[10];⑤ 直流微电网既可以并网也可以孤岛方式运行，供电可靠性大幅提高[11]。

近年来国内外关于直流微电网的研究，大体上具有如下特点和趋势:① 大多关注直流微电网在未来住宅和智能楼宇中的应用[12-17]，以及网内分布式电源的灵活控制和能量管理[18-23]，对具有能源行业应用背景和自身负荷特性的煤层气地面抽采直流微电网，公开的文献很少且研究尚不深入;② 由于微源和负荷的多样性、复杂性，直流微电网多源多负荷能量管理与协调控制成为亟待解决的关键问题;③ 具有能量双向传输、网侧单位功率因数运行等诸多优点的交直流互联SST已成为直流微电网的重点研究内容之一[24];④ 母线电压稳定是保证直流微电网系统稳定性的关键[25]，探索母线电压波动抑制方法已成为当前研究热点之一;⑤ 随着直流微电网规模和复杂程度的提升，其系统建模与稳定性分析，以及稳定性判据等方面的研究仍有很大发展空间[26-28]。为此，以解决当前煤层气地面抽采交流供电网络用电严重不合理问题为目的，结合电压等级、负载特性和使用环境等特点，开展构建煤层气地面抽采直流微电网系统的研究具有重要的理论意义和实践价值。笔者提出了煤层气地面抽采直流微电网系统分层拓扑结构，并对煤层气地面抽采直流微电网系统相关关键技术和可行性进行了分析总结。

1 煤层气地面抽采直流微电网系统

1.1 直流母线电压等级

由于无需考虑无功功率、相位同步和频率稳定等问题，所以直流母线电压对直流微电网系统的稳定起到决定性作用，因此直流母线电压等级是直流微电网系统的关键参数。为了确定煤层气地面抽采直流微电网系统的母线电压等级，需从以下几个方面综合考虑。

1.1.1 直流微电网的供电半径

供电半径与直流微电网电压存在如下关系:

(1)

式中，Ubus为直流母线电压，V;Pmax为直流微电网系统最大功率，kW;S为输电导体的横截面积，mm2;κ为电导率，Ω/km;L为供电半径，km;Δμ为压降系数。

由式(1)可知，与交流供电网络类似，煤层气地面抽采直流微电网系统的供电半径与直流母线电压等级存在相互制约关系。

煤层气井间距离一般为200～300 m;以6～10口井作为一个供电单元为例，负荷总功率约为45 kW;供电半径为0.6～1.5 km;输电导线采用钢芯铝绞线，电导率约为0.6 Ω/km，导线横截面积为50 mm2;压降系数取0.05。将上述参数代入式(1)，经过计算可得直流母线电压Ubus的合理范围为400～800 V。

1.1.2 电气绝缘保护的要求

从电力系统继电保护的角度分析可知，较低的电压等级不仅可以更好地满足电网安全稳定运行，同时还能降低器件的绝缘要求，从而减少投资降低成本。表1给出了交流和直流系统电压等级标准。由表1可知，针对我国现有配电系统，Band Ⅰ等级过低，不能满足要求，因此需在Band Ⅱ的电压范围内选择直流母线电压等级。

1.1.3 煤层气抽采机电动机输入电压的要求

驱动煤层气抽采机工作的电动机为三相感应电动机，向三相感应电动机供电的三相电压型桥式逆变器当采用180°导电方式时，其输出线电压基波有效值为

表1 交流和直流系统电压标准
Table 1 AC and DC system voltage standard

UUV1=0.78Ubus

(2)

式中，UUV1为三相电压型桥式逆变器输出线电压基波有效值。

如果取Ubus=550 V并代入式(2)，得到输出线电压基波有效值UUV1=429 V。

当三相电压型桥式逆变器采用空间矢量PWM时，在欠调制区结束时最大基波幅值可达到方波输出时的90.7%，即调制参数满足下式:

m′.907

(3)

式中，m′为调制参数;为相电压峰值。

将UUV1=429 V代入式(3)，得到相电压峰值.1V，满足380 V电动机的输入电压要求。因此综合以上分析，取直流母线电压Ubus=550 V。

1.2 煤层气地面抽采直流微电网拓扑结构

结合上述分析，提出如图1所示的煤层气地面抽采直流微电网分层拓扑结构:第1层(能量供给层)由光伏电池和蓄电池并联组成，其输入和输出额定电压分别为96 V和380 V，作用是实现输出稳压和最大功率跟踪;第2层(能量传输和分配层)采用双向Buck/Boost变换器实现直流母线电压稳定与负荷功率动态平衡调节，其输出额定电压为550 V;第3层(负荷层)由逆变器-电动机系统构成，驱动煤层气抽采机运行。忽略双向Buck/Boost变换器输出端与直流母线连接的传输线上的线路阻抗，直流母线电压可近似认为等于550 V。

在实际应用中，考虑分布式电源的间歇性和储能装置容量的限制，煤层气地面抽采直流微电网系统一般情况下较难独立保证煤层气抽采机电动机负荷持续大功率运行，能量缺额需通过交直流互联接口变换器从交流电网补充。同时，为进一步提高煤层气地面抽采直流微电网系统供电可靠性，后续可考虑在微电网系统内增加低浓度瓦斯发电机，通过丰富微源种类，在满足微电网系统能量供需平衡的基础上，还能实现煤层气尤其是低浓度瓦斯的就地转化利用。

2 构建煤层气地面抽采直流微电网系统的关键技术

2.1 煤层气地面抽采直流微电网母线电压波动抑制方法

在周期性动态交变负荷作用下，煤层气抽采机电动机在电动和发电状态之间交替运行:电动状态下，电动机拖动抽采设备运行于上冲程阶段，此时直流母线向电动机供能，母线电压下降;发电状态下，势能负荷的下落导致抽采设备带动电动机超速运行于下冲程阶段，此时电动机向直流母线馈能，母线电压升高;直流母线电压随抽采设备的周期性运动而剧烈波动，从而导致系统力能指标(效率和功率因数乘积)大幅降低。

以永磁电机[29]、高转差率电机[30]、星角切换及相关驱动控制器[31]等为代表的电机本体改造方案，一定程度上降低了系统能耗，但难以适应周期性动态变化的负载工况，某些场合下母线电压波动反而更剧烈。变频-恒频分段节能控制策略[32]能够实现抽采设备的经济运行，但控制较复杂，需在特定时间内控制悬点加速度，且对母线电压波动抑制不明显。针对影响煤层气地面抽采直流微电网母线电压稳定的关键因素及相关控制策略，一种基于煤层气抽采机电动机运行最优速度曲线的电压稳定控制策略[33](图2)，初步揭示了直流母线电压波动与煤层气抽采机电动机周期性动态交变负荷之间的一维关系，较好地抑制了周期性动态交变负荷下的直流母线电压波动。

除煤层气抽采机电动机周期性动态交变负荷影响外，煤层气地面抽采直流微电网内分布式电源出力的间歇性和难预测性、交直流电网能量交换不平衡以及多变换器系统级联特性变化等源-网-荷不确定性因素均会引起直流母线电压异常。为抑制由分布式电源出力间歇性、负荷功率波动随机性及交直流电网接口功率交换不平衡等引起的母线电压低频扰动，相关学者提出在交直流接口AC/DC变换器电流内环引入前馈控制[34-35]，并设计扰动观测器[36];为抑制由多变换器系统级联特性变化引起的母线电压高频振荡，相关学者提出采用母线电压补偿装置[37]，将直流母线上的高频振荡转移到附加的储能电容或电池中，然而该方法目前多用于单变换器或级联系统。因此，如何对上述源-网-荷不确定性因素互动下母线电压稳定性水平进行整体思考和系统性研究，揭示源-网-荷多因素耦合对母线电压稳定影响的具体作用机制，提出一种基于源-网-荷协调控制的煤层气地面抽采直流微电网母线电压稳定控制策略，尚需进一步深入研究。

2.2 煤层气抽采机协调运行控制策略

网内单台煤层气抽采机运行时，直流母线电压随抽采设备的周期性运动而剧烈波动，而当多台煤层气抽采机并联在直流母线上运行时，直流母线电压波动会随多台抽采设备之间的无序运行而进一步加剧。

从能量平衡角度出发，一种基于多能互补的煤层气地面排采系统群控方案能较好地实现多电能互补及抽采设备倒发电能的互馈共享和循环利用[38]，但是未考虑抽采设备之间的协调运行。文献[39]在最优速度曲线电压稳定控制策略基础上，对直流微电网供电下多台煤层气抽采机协调运行控制策略开展了一定的前期研究(图3)，初步揭示了直流母线电压波动与煤层气抽采机电动机负荷周期性动态交变特性及负荷之间运行时序性的二维关系。深入研究直流母线电压波动与煤层气抽采机电动机负荷周期性动态交变特性及负荷之间运行时序性的二维关系，提出包含周期性动态交变特性、时序性和方向性的煤层气抽采机电动机负荷综合不确定性模型，进一步研究直流母线电压波动与负荷综合不确定性模型之间的多维关系，有助于揭示网内多台煤层气抽采机并联运行下的直流母线电压波动叠加机理，同时也是煤层气地面抽采直流微电网供电系统方案从理论到实践的关键步骤。

2.3 煤层气地面抽采直流微电网系统建模与稳定性分析

在直流微电网系统建模与稳定性分析研究方面，目前主要采用小信号分析法[40]，文献[41]通过建立煤层气地面抽采直流微电网系统全局小信号模型，提出一种基于虚拟阻抗的煤层气地面抽采直流微电网系统稳定性控制策略，较好地解决了煤层气抽采机电动机周期性动态交变负荷与DERs接入变换器级联所产生的系统振荡。然而，小信号分析法是一种线性化方法，适用于分析直流微电网平衡状态附近的特性，当微源采用下垂控制时，其允许电压在偏离线性化点的有限范围内运行，此时阻抗比判据无法保证整个下垂范围的小信号稳定。另一种建模方法是大信号分析法[42]，其适用于非线性系统的稳定性分析，通过构建不同控制目标下微源的简化模型，利用Lyapunov直接法分析线路参数、滤波参数、控制参数及负荷之间的复杂关系，设计参数取值范围，目前国内外这方面的相关研究较少。而切换系统(Switched systems)作为一类混杂系统，由一系列连续(或离散)的子系统组成，通过特定切换规则实现不同子系统之间的切换。切换系统以其模型精确、物理概念清晰已应用于DC/DC[43]，DC/AC[44]和AC/DC[45]等电力电子变换器的建模与控制中，它以一组微分和差分方程为基础，是一种通过分段常值函数近似模拟时域模型的建模方法。为了更好地分析煤层气地面抽采直流微电网系统的电压稳定与控制，综合考虑模型的准确性和分析简洁性，建立基于母线电压变化的直流微电网连续时间切换系统模型不失为一种有效建模与稳定性分析手段。

3 构建煤层气地面抽采直流微电网系统的可行性分析

随着分布式电源的不断发展，以及直流网络具有的一系列优点，配电直流化逐渐成为学者们的研究热点，尤其是直流微电网已成为构建智能配电网的关键组成部分。针对目前煤层气地面抽采交流网络存在的诸多用电不合理现象，考虑到煤层气地面抽采供电网络既是相对独立的用电单元，又是交流电网的一部分，因此有必要对煤层气地面抽采直流微电网系统及其关键技术进行深入研究。

尽管目前煤层气地面抽采直流微电网系统关键技术和工程应用仍处于起步阶段，但是诸如煤层气地面抽采直流微电网拓扑结构、系统建模、稳定性分析、母线电压波动抑制及抽采机协调运行等已逐步深入展开。同时，基于切换系统理论在电力电子变换器建模和控制中的应用，以及前馈控制和母线电压补偿控制对母线电压波动的有效抑制，进一步将这些成果应用拓展到煤层气地面抽采直流微电网系统，具有一定的可行性。此外，机车牵引[46]、航空航天[47]、通信数据中心[48]、舰船推进[49]以及电动汽车[50]等领域的直流化正在全面展开，相关研究工作的开展也使得煤层气地面抽采直流微电网供电系统的可行性具有一定的依据和基础。

综上所述，构建煤层气地面抽采直流微电网系统有助于从根本上扭转当前煤层气地面抽采交流供电网络用电严重不合理局面。直流微电网相关技术及其在其他领域中的应用可为构建煤层气地面抽采直流微电网系统提供借鉴，当前分布式电源和储能装置、交直流接口变换器无论在电压等级还是功率容量上已能满足煤层气抽采机负荷的实际功率需求。构建煤层气地面抽采直流微电网系统符合电力系统电力电子化的发展趋势，将促进煤层气资源的高效开发和利用，具有未来可实现的可行性。

4 结 论

提出了煤层气地面抽采直流微电网系统拓扑结构，对其中涉及的关键技术和可行性进行了总结和分析。应当指出的是，即使煤层气地面抽采直流微电网系统的关键技术和理论日趋成熟，但是受成本因素和电气设备生产厂家限制，煤层气地面抽采直流微电网系统近期内仍难以实现或大规模展开。然而，随着智能电网与电力电子的深度融合，煤层气地面抽采供电网络可从部分直流化逐渐过渡为全面直流化。不同于目前国内外广泛开展的直流微电网民用领域应用研究，煤层气地面抽采直流微电网系统具有能源行业应用背景和自身负荷特性，对其中涉及的关键技术进行研究具有重要理论意义和工程应用价值。

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