我国是人口大国也是能源大国,近年来我国经济保持高速增长取得了举世瞩目的成就,而与此成就相伴随的是我国在发展过程中对能源的巨大需求和消耗,目前我国已经超过美国成为世界第一大能源消费国,CO2排放量比美国高1倍,能源与环境矛盾日益凸显,已经成为制约我国经济社会可持续发展的主要问题。目前,煤层气作为新型的清洁能源受到人们广泛关注。我国煤层气储量丰富,据国土资源部新一轮全国油气资源评价成果,我国埋深2000m以浅的煤层气资源量为36.81万亿立方米,位列世界前三,煤层气开发前景广阔。中联煤、中石化、中石油、晋煤集团等实力雄厚的优质企业纷纷投入到了煤层气开发利用工作中,2014年我国煤层气(瓦斯)抽采量已达170亿立方米。然而,随着煤层气产业规模进一步扩大,煤层气地面抽采过程的高能耗所带来的成本压力,已成为制约煤层气产业可持续发展的首要问题。2012年晋煤集团蓝焰煤层气公司电费支出高达1.1亿元,成为公司主要成本构成,大有“洁净能源换取洁净能源”之嫌。目前,煤层气地面开采供电系统采用传统交流供电方式,而传统交流电网存在的低功率因数、低负载率、低效率、高能耗、高投入、高维护等问题,已不能适应煤层气复杂开发环境和周期性波动负载要求,严重制约了煤层气产业的商业化发展,而且交流供电系统的不稳定,使得煤层气井抽采设备随机停机现象时有发生,给煤层气井带来不可逆的伤害,煤层气产能由此受到巨大影响。因此,探索研究高效、可靠、稳定、经济的煤层气地面开采供电系统是保证煤层气产业可持续发展的有效途径。本文正是在这一背景下对煤层气抽采直流微网供电系统构建所涉及的基础理论与关键技术进行了探讨和研究。本文第1章介绍了煤层气开发现状及煤层气抽采的安全意义,说明了传统交流供电系统在煤层气地面开发应用中存在问题和不足,阐述了煤层气地面开发供电系统开展的节能技术措施,介绍了目前直流微网供电系统研究现状,论述了本文的主要研究内容和意义。第2章针对目前传统交流供电模式在煤层气地面开发应用中存在的不足,结合煤层气地面开发井数多、范围广、地理位置复杂等特点,分析了直流供电模式具有的独特优势;在此基础上,讨论了煤层气地面开采直流微网供电系统的构建和设计,该系统考虑利用光伏、蓄电池等分布式能源,在节能降耗的同时最大限度的满足煤层气井连续、缓慢排采要求,实现煤层气井产能最大化;另外,在综合考虑直流微电网系统的供电半径、线路损耗、电气绝缘保护的要求、系统成本和设计难度以及煤层气直流微网与交流电网接口等因素的基础上,讨论确定了煤层气井直流微网供电系统母线电压;详细介绍了煤层气井直流微网系统光伏发电单元、蓄电池储能单元、煤层气抽水机负载及并网接口单元的工作原理、拓扑结构、等效电路、数学模型和控制模式;由于本文构建的煤层气井直流微电网供电系统引入了光伏、蓄电池等分布式能源,其中光伏发电系统易受外界环境因素的影响,输出电压、电流及功率均呈现不稳定性,而煤层气井直流微电网供电系统负载主要为煤层气抽水机,其特殊的四连杆机械运动特点决定了其负载呈现周期性波动特性,导致煤层气井直流微网供电系统无论从电源侧还是负载侧都会受到较大的扰动影响。本章通过分析目前直流微网控制策略利弊,以节能降耗为目的、系统稳定为前提,针对煤层气井直流微网系统供、用电侧功率波动特点,提出了煤层气井直流微网供电系统分层协调控制策略,将微网系统分为变流器控制层、母线功率控制层及负载功率平衡层,变流器控制层实现光伏系统的mppt和恒压控制、蓄电池储能系统的充放电控制、双向电压型pwm变换器的整流逆变稳压控制以及基于矢量控制技术的煤层气抽水机调速系统控制;母线功率平衡层根据微网系统电源及负载功率关系完成并网和孤岛两种工作状态、8种工作模式的切换控制,以实现直流母线电压稳定;负载功率平衡层针对微网系统多个周期性波动负载,以负载总功率波动最小为目标,建立负载功率波动数学模型,在不改变煤层气抽水机原有运行周期的前提下,根据各个负载功率曲线,通过交错控制,实现了负载间的协调运行。第3章重点讨论了煤层气抽水机调速系统的建模及控制;目前煤层气地面开采一般采用抽排煤层中承压水的方法来降低煤层压力,从而使煤层中吸附的甲烷释放出来。通常每一口煤层气井都需要技术人员综合考虑地质条件、工程参数、井下压力等因素制定合适的排采制度,排采制度的好坏直接决定了煤层气井的产能和寿命,而排采制度的关键在于煤层气抽水机排采速度的控制。因此,为了更有效的实现对煤层气井抽水机的调速控制,本章首先重点讨论了煤层气井抽水机的动态建模,通过分析煤层气抽水机运动学、动力学及负载特性,建立了煤层气抽水机负载扭矩数学模型;在此基础上,进一步讨论了基于svpwm算法的矢量控制技术在煤层气抽水机调速系统中的应用和实现过程,将煤层气抽水机负载转矩作为异步电机的输入转矩,建立了基于同步旋转坐标系(d-q坐标系)的煤层气抽水机矢量控制系统模型,为进一步对煤层气井抽水机调速系统优化控制策略研究奠定了坚实的基础。第4章研究了煤层气抽水机调速系统的优化控制策略。现有煤层气抽水机的运动特性、动力特性以及负载扭矩分析、建模大多是建立在煤层气抽水机曲柄轴匀速运动的基础上,而实际运行工况却并非如此,煤层气抽水机波动的负载往往会使其运行转速发生变化,而速度的变化又直接关系到负载扭矩大小,因此,如何通过控制煤层气抽水机运行速度进一步降低负载扭矩波动程度及系统能耗已经成为一个新的研究方向。因此,本章在控制策略上针对煤层气抽水机电动机周期性运行于电动和发电状态下导致的能耗水平过高问题,通过煤层气抽水机悬点载荷数学模型进一步分析了煤层气抽水机四连杆机构运行特点及负载特性,提出了一种基于变频器变频-恒频分段协调工作的抽水机电动机节能控制新策略,取消了传统抽水机按上下冲程划分运行区间的做法,将运行区间重新划分为变频段和恒频段,根据能量守恒定律建立了煤层气抽水机变频-恒频分段控制策略数学模型,确定了煤层气抽水机变频-恒频运行分界点,并用龙格库塔法求解出了煤层气抽水机曲柄角速度值,得到煤层气抽水机速度优化控制曲线。该控制策略在变频段改变抽水机电动机工作频率,将抽水机负荷端势能转化为动能,抽水机依靠自身能量转化运行,电动机不做功;在恒频段电动机工作于电动状态,驱动抽水机工作,此时电能转化为机械能。有效避免煤层气抽水机频繁在电动和发电状态间转换,减少能量损耗,同时降低负载扭矩峰值,减少对电网冲击程度,为煤层气抽采系统稳定运行和节能降耗提供了新的研究思路。第5章在matlab/simulink环境下搭建了煤层气抽采直流微网供电系统的仿真平台,包括:10kw光伏发电系统仿真模型、蓄电池储能系统仿真模型、三相电压型pwm变换器仿真模型、煤层气抽水机调速控制系统仿真模型,并对本文所提出的煤层气井直流微网分层协调控制策略进行了仿真分析。变流器控制层实现了光伏系统mppt、蓄电池充放电、三相pwm变换器整流逆变工作过程,母线功率控制层根据负载与分布式电源的功率关系完成了了各工作模式切换,直流母线电压始终稳定在600v,负载功率平衡层实现了负载间协调控制,负载总功率波动明显减少。另外,本章对煤层气抽水机变频-恒频控制策略进行了仿真分析,结果表明该控制策略实现了煤层气抽水机自身动能、势能和负荷侧能量的有效转化,避免了煤层气抽水机能量回馈过程中产生的能量损耗,降低了煤层气抽水机负载扭矩峰值及波动程度,减小了系统对电网冲击影响,提高了系统的稳定性,为煤层气高效低耗抽采提供重要理论和技术支撑。第6章依托晋煤集团蓝焰煤层气公司老气井搭建了煤层气井直流微网实验平台,利用fluke-435多功能电能质量分析仪,进行了直流微网系统各单元性能、直流微网系统及负载功率平衡效果测试;对比分析了电磁滑差调速、普通变频调速、矢量控制调速以及煤层气抽水机变频-恒频分段调速控制策略节能效果;评估了直流微网系统与交流微网系统各项电能指标;结果表明本文所构建的煤层气井直流微网供电系统运行稳定,矢量控制调速系统更加适合煤层气抽水机周期性波动载荷,煤层气抽水机变频-恒频分段调速控制策略有效杜绝了电动机负发电过程中的能量损耗,降低了负载峰值扭矩对煤层气井直流微网系统冲击影响,在提高直流微网供电系统稳定性的同时,取得了较好的节能效果。第7章总结了本文的主要研究工作,展望了未来煤层气井直流微网供电系统的研究方向。本文的主要创新性工作为:(1)提出了一种基于变频器变频-恒频分段协调工作的煤层气抽水机节能控制新策略,通过对煤层气抽水机一个运行区间按变频段和恒频段重新划分,建立煤层气抽水机变频-恒频分段控制数学模型。该控制策略可有效避免煤层气抽水机频繁在电动和发电状态间转换,减少由此产生的能量损耗,同时降低负载扭矩峰值,减少对电网冲击程度,为煤层气抽采系统稳定运行和节能降耗提供了新的研究思路。(2)结合煤层气地面开发实际环境,利用直流供电模式优势,提出了煤层气地面开发直流微网供电系统架构,该系统不仅解决了传统交流供电系统在煤层气地面开发应用中存在的低功率因数、低负载率、低效率、高能耗、高投入、高维护等问题,而且充分满足了煤层气地面开发连续性和稳定性要求。(3)提出了煤层气井直流微网分层协调控制策略,将微网系统分为变流器控制层、母线功率控制层及负载功率平衡层,分别实现微网系统各单元模块控制、母线电压稳定及负载功率优化目标,该控制策略有效提高了微网系统稳定性,减少了微网系统功率损耗。