基于飛輪儲能技術(shù)的柴油機鉆機機械調(diào)峰系統(tǒng)研究

劉曙光，孫 艷，王 佳

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

飛輪儲能技術(shù)是一種新興的電能存儲技術(shù)，是近年來出現(xiàn)的有很大發(fā)展前景的儲能技術(shù)，具有大儲能、高功率、無污染、使用廣、維護簡單、可連續(xù)工作等優(yōu)點，特別適應(yīng)于周期性的能量存貯及功率放大.飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪、電機／發(fā)電機和電力電子裝置組成［1］，分充電和放電2部分.設(shè)計該系統(tǒng)時，直流無刷電機和發(fā)電機是合二為一的，即在飛輪充電時，直流無刷電機工作；在飛輪放電時，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機工作.飛輪儲能技術(shù)作為一種新型高效的能量轉(zhuǎn)換與存儲方法，它將電機的轉(zhuǎn)子與飛輪結(jié)合，電機驅(qū)動飛輪至高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能儲存.當(dāng)需要電能時，飛輪減速并驅(qū)動電機，電機作發(fā)電機運行，將飛輪動能轉(zhuǎn)換成電能.機械鉆機在鉆井過程中負載波動大，對傳動系統(tǒng)和柴油機形成較大的沖擊負荷.由于沖擊負荷的存在，機械鉆機的柴油機選型受到了極大制約，同時造成鉆機在運行過程中能耗高，經(jīng)濟運行性差.為了克服上述問題，本文提出了利用飛輪儲能技術(shù)的調(diào)峰系統(tǒng)來平抑機械鉆機在施工過程中出現(xiàn)的負載波動對發(fā)動機的沖擊，最大限度地減少沖擊負荷的強度，優(yōu)化柴油機配置，進而提高鉆井效率，節(jié)約能源.

1 飛輪儲能系統(tǒng)

1.1 飛輪儲能

飛輪儲能系統(tǒng)可分為3種工作模式：飛輪充電模式，交流電源給飛輪控制器供電，飛輪控制器控制電能輸入使飛輪達到額定最高工作轉(zhuǎn)速；飛輪能量保持模式，飛輪系統(tǒng)依靠最小的交流電輸入，保持飛輪在最高工作轉(zhuǎn)速運行；飛輪放電模式，交流電源中斷，飛輪給飛輪控制器供電，控制器提供不間斷電源給負載，飛輪轉(zhuǎn)速下降［2］.

為了減少空閑運轉(zhuǎn)時的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲能裝置的效率，飛輪儲能裝置軸承的設(shè)計一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術(shù)［3］，而且將電機和飛輪都密封在一個真空容器內(nèi).通常發(fā)電機和電動機使用一臺電機來實現(xiàn)，通過軸承直接和飛輪連在一起.這樣，在實際常用的飛輪儲能裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子裝置.飛輪儲能裝置結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示.

在整個飛輪儲能裝置中，飛輪是其中的核心部件，它是一個作定軸轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)體.飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲存的能量E可表示為

圖1 飛輪儲能裝置結(jié)構(gòu)示意圖

式中 J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)；ω為飛輪轉(zhuǎn)動的角速度.由式（1）可以看出：飛輪儲存的動能與其轉(zhuǎn)速的平方成正比.所以，高速飛輪的儲存的能量和能量密度都遠遠高于低速飛輪.

不平衡轉(zhuǎn)動力矩的作用是飛輪轉(zhuǎn)速改變的根本原因，這一關(guān)系可描述為

當(dāng)轉(zhuǎn)矩的方向與飛輪轉(zhuǎn)動方向一致時，飛輪受到正向不平衡轉(zhuǎn)矩的作用而加速，能量轉(zhuǎn)化為動能儲存起來；當(dāng)飛輪減速時，動能轉(zhuǎn)化為電能輸出.飛輪始終在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之間循環(huán)旋轉(zhuǎn)，其可吸收和釋放的能量大小為

在不考慮損耗的情況下，飛輪的功率為

1.2 能量轉(zhuǎn)換控制

飛輪儲能系統(tǒng)的主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示.系統(tǒng)由直流母線電容C、逆變器S1～S6、飛輪單元等組成.其中飛輪單元包括驅(qū)動電機、飛輪轉(zhuǎn)盤和軸承支撐系統(tǒng)等，它們均被放置于密閉的真空套筒中，以減小飛輪轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)時的風(fēng)損.飛輪儲能系統(tǒng)運行時，逆變器驅(qū)動飛輪單元的驅(qū)動電機，拖動飛輪轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)化為機械能.當(dāng)需要釋放能量時，控制器將儲存在飛輪中的機械能轉(zhuǎn)換為電能輸出.因此，飛輪單元的能量回饋［4］是飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一.

飛輪儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，逆變器實現(xiàn)飛輪單元向直流母線側(cè)的能量回饋.飛輪單元的能量回饋有以下特點：

（1）在穩(wěn)態(tài)情況下，飛輪單元充電時，由BLDCM的電壓方程，直流母線電壓大于電機反電動勢幅值的2倍，處于放電狀態(tài)時，直流母線電壓仍大于2倍的反電動勢幅值，因此，單純采用不控整流的方式無法釋放能量.

（2）飛輪驅(qū)動電機在能量回饋時主要運行于高速區(qū).隨著能量的釋放，飛輪轉(zhuǎn)速下降，反電動勢的頻率和電壓變化范圍大，一般要求飛輪轉(zhuǎn)速降至50%額定轉(zhuǎn)速時，仍能實現(xiàn)能量回饋.

飛輪系統(tǒng)利用電機的四象限運行原理，使發(fā)電機和電動機共用一臺電機的方法，不但可以提高效率，還可以減少整個儲能裝置的尺寸，使儲能密度大大提高.考慮到飛輪儲能系統(tǒng)的運行特點，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及降低功耗出發(fā)，在實際應(yīng)用中，國內(nèi)外研究機構(gòu)或單位多采用永磁無刷直流電機，永磁無刷直流電機具有易于調(diào)速、恒功率、調(diào)速范圍寬、無勵磁損耗、易于實現(xiàn)雙向功率流動等優(yōu)點，在飛輪儲能應(yīng)用中有很大吸引力.

圖2 飛輪儲能主電路拓撲

2 柴油機鉆機機械調(diào)峰系統(tǒng)

2.1 鉆機機械調(diào)峰系統(tǒng)組成

鉆機機械調(diào)峰系統(tǒng)組成如圖3所示.在游車處于靜止或下放狀態(tài)下，柴油發(fā)動機的輸出功率大于需要的功率，通過補償電動機、電動機四象限變流控制器、電動機勵磁、電動機勵磁控制器、測速發(fā)電機和補償系統(tǒng)管理控制器的控制，使之工作在發(fā)電狀態(tài)，由柴油機的機械能轉(zhuǎn)換為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能儲存下來；在游車處于上升狀態(tài)下，柴油發(fā)動機的輸出功率小于需要的功率，通過補償電動機、電動機四象限變流控制器、電動機勵磁、電動機勵磁控制器、測速發(fā)電機和補償系統(tǒng)管理控制器的控制，使之工作在電動狀態(tài)，由飛輪的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為補償電動機的輸出機械能，以補償柴油機的輸出不足，保證了柴油機的工作穩(wěn)定及最佳工作油耗.鉆機補償電動機的控制原理為：四象限變流控制器、勵磁控制器、測速發(fā)電機通過補償系統(tǒng)管理控制器檢測測速發(fā)電機、絞車狀態(tài)從而控制四象限變流控制器和勵磁控制器的參數(shù)使之根據(jù)鉆機的工作狀態(tài)工作在相應(yīng)的電動機或發(fā)電機的工作狀態(tài)下，起到了消峰補谷的作用.

2.2 調(diào)峰電機控制原理

直流調(diào)峰電機通過調(diào)節(jié)電樞電壓進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，通過調(diào)節(jié)勵磁電壓進行恒功率調(diào)速.為保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，也符合電機的理想運行特性，在飛輪升速過程中，可將2種控制方式結(jié)合起來：低速轉(zhuǎn)矩恒定和高速功率恒定［5］.在恒轉(zhuǎn)矩控制方式下，電機以最大的加速度快速起動，之后進入恒定功率控制方式，可以有效降低電機的功率容量.這樣，電機和控制器的利用率和效率得到提高.在飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計中，控制機電雙向能量變換器中的功率開關(guān)器件的通斷，就可以改變永磁無刷直流電機繞組中電流的方向，從而控制能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中能量的流動.電機在電動狀態(tài)運行時，控制電機繞組中電流的方向和電機反電動勢的方向相反，電機電磁轉(zhuǎn)矩的方向與飛輪轉(zhuǎn)動方向一致，此時飛輪受到正向不平衡轉(zhuǎn)矩的作用而加速儲能.電機在發(fā)電狀態(tài)運行時，控制電機繞組中電流的方向和電機反電動勢的方向相同，此時電機處于能量回饋制動狀態(tài)，向外輸出電能.調(diào)峰電機控制原理如圖4所示.

通過控制直流電動機的勵磁電流和電樞電壓來控制直流電機的轉(zhuǎn)矩.根據(jù)公式［6－7］：Ia＝ （UE）／Ra，E＝Ceθn，因為調(diào)峰系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)速保持不變，即n為常數(shù)，所以通過改變勵磁電流大小即可改變E的大小，從而改變Ia的大小.但由于勵磁電流調(diào)節(jié)范圍特別小，滿足不了要求，電機效率也降低很多，因此，增加電樞電壓調(diào)節(jié)來改變電機電流（扭矩）大小.

當(dāng)U＞E時，Ia＞0，系統(tǒng)處于電動狀態(tài)；

當(dāng)U＜E時，Ia＜0，系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)；

當(dāng)U＝E時，Ia＝0，系統(tǒng)處于空載狀態(tài).

2.3 柴油機鉆機機械調(diào)峰控制

機械鉆機負載調(diào)峰控制系統(tǒng)通過采集負載檢測信號并進行數(shù)據(jù)分析，綜合儲能裝置狀態(tài)參數(shù)，控制調(diào)峰電機運行［8－9］.工況一：發(fā)電運行，當(dāng)發(fā)動機處于低負載運行狀態(tài)時，根據(jù)儲能裝置狀態(tài)參數(shù)，控制電機運行在發(fā)電狀態(tài)，為儲能裝置提供充電電源；工況二：電動運行，當(dāng)傳動系統(tǒng)中檢測到較大沖擊負載時，控制調(diào)峰電機運行在電動狀態(tài)（電機由儲能裝置供電），與發(fā)動機并機共同驅(qū)動負載.達到平抑發(fā)動機的加載率，保證發(fā)動機在負載變化時能夠平穩(wěn)運行.

2.3.1 發(fā)電控制 調(diào)峰控制系統(tǒng)根據(jù)負載檢測系統(tǒng)得到滾筒離合信號，通過離合器信號、動力機組的功率冗余情況、傳動系統(tǒng)中負載變化量及儲能裝置狀態(tài)等參數(shù)，判斷出調(diào)峰電機是否發(fā)出發(fā)電命令.

圖3 鉆機機械調(diào)峰系統(tǒng)

發(fā)電投入條件：（1）滾筒離合器狀態(tài)；（2）飛輪儲能器允許儲能；（3）調(diào)峰系統(tǒng)啟動.

發(fā)電切出條件：（1）飛輪儲能器充滿或故障；（2）電動投入；（3）調(diào)峰系統(tǒng)停機.

2.3.2 電動控制 控制系統(tǒng)通過檢測鉆機系統(tǒng)的懸重、飛輪儲能量、柴油機轉(zhuǎn)矩、并車箱轉(zhuǎn)速等信號，控制調(diào)峰電機的電樞電流以保證調(diào)峰電機的功率輸出滿足要求，從而控制調(diào)峰電機是否處于電動狀態(tài).

電動投入條件：（1）并車箱轉(zhuǎn)速；（2）懸重；（3）滾筒離合器狀態(tài)；（4）飛輪儲能器功率滿足投入要求；（5）調(diào)峰系統(tǒng)啟動.

電動切出條件：（1）離合器狀態(tài)；（2）飛輪儲能器功率不足；（3）飛輪儲能器故障.

圖4 調(diào)峰電機控制原理

3 實驗研究

單臺發(fā)動機承擔(dān)的突加負載≤150kW，并車箱傳動系統(tǒng)的額定輸入轉(zhuǎn)速為760r／min，調(diào)峰電機的功率600kW，發(fā)電時為儲能裝置提供750V直流電，功率140kW，電動時儲能器為電機提供直流750V，400kW，20s的持續(xù)電源輸出，電機運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率滿足1次／min，轉(zhuǎn)換過程平穩(wěn)無沖擊.

實驗過程中，電機與機械并車箱傳動系統(tǒng)并聯(lián)，轉(zhuǎn)速要滿足原系統(tǒng)的技術(shù)要求；負載檢測傳感器符合井場防爆要求，可靠耐用，傳感器檢測系統(tǒng)中的負載變化，控制系統(tǒng)采集傳感器信號，分析系統(tǒng)中的負載變化以及綜合儲能器的狀態(tài)參數(shù)和負載變化參數(shù)，對調(diào)峰電機進行控制.調(diào)峰電機是否運行在發(fā)電狀態(tài)，由動力機組的功率冗余情況和儲能裝置的狀態(tài)參數(shù)共同控制；是否運行在電動狀態(tài)，由鉆井設(shè)備的運行狀態(tài)及傳動系統(tǒng)中負載變化量進行控制.調(diào)峰電機切換到電動運行狀態(tài)時，扭矩控制要具有軟特性，即調(diào)峰電機扭矩輸出的上升和下降斜率可調(diào)，穩(wěn)定輸出時間可調(diào)，并能實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)節(jié)，達到平穩(wěn)承擔(dān)沖擊負載，平滑的將電機承擔(dān)負載轉(zhuǎn)移到發(fā)動機的目的.調(diào)峰電機在電動運行狀態(tài)時，要充分考慮與柴油機的負載分配比例，控制的是柴油機的負載加載速率.圖5～8為電動機發(fā)電、電動電源轉(zhuǎn)換結(jié)果.

實驗表明，飛輪儲能調(diào)峰系統(tǒng)能有效平抑機械鉆機游車在下放和上升過程中出現(xiàn)的負載波動對發(fā)動機的沖擊，最大限度地減少沖擊負荷的強度，可以節(jié)約電能20%以上.

4 結(jié)束語

本文將飛輪儲能技術(shù)用于柴油機鉆機的機械調(diào)峰設(shè)計.在游車處于下放狀態(tài)時，柴油發(fā)動機的輸出功率，通過補償電動機、電動機四象限變流控制器、電動機勵磁，電動機勵磁控制器、測速發(fā)電機和補償系統(tǒng)管理控制器的控制，使之工作在發(fā)電狀態(tài)，由柴油機的機械能轉(zhuǎn)換為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能儲存下來；在游車處于上升狀態(tài)時，柴油發(fā)動機的輸出功率小于需要的功率，通過補償電動機、電動機四象限變流控制器、電動機勵磁、電動機勵磁控制器、測速發(fā)電機和補償系統(tǒng)管理控制器的控制，使之工作在電動狀態(tài)，由飛輪的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為補償電動機的輸出機械能，以補償柴油機的輸出不足，保證了柴油機的工作穩(wěn)定及最佳工作油耗.實驗研究表明，這種技術(shù)可有效地平抑鉆機游車在下放和上升過程中出現(xiàn)的負載波動，最大限度地減少沖擊負荷強度，節(jié)能效果顯著.

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