電動(dòng)儲(chǔ)能修井機(jī)超級(jí)電容配套技術(shù)研究

摘 要：以XJ250超級(jí)電容儲(chǔ)能修井機(jī)為例，通過調(diào)研修井作業(yè)流程，給出了起下管柱作業(yè)過程中各操作步驟的時(shí)間，確定了超級(jí)電容充放電的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，并完成超級(jí)電容選型和參數(shù)匹配計(jì)算。在滿足輸出功率和儲(chǔ)能容量要求的基礎(chǔ)上，以“成本最低、利用率最高”為原則，優(yōu)化超級(jí)電容陣列組合方式，為電動(dòng)儲(chǔ)能修井機(jī)超級(jí)電容匹配提供最佳陣列方案。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；儲(chǔ)能修井機(jī)；匹配研究；陣列

中圖分類號(hào)：TE935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.073

傳統(tǒng)修井機(jī)存在功率配置大、傳動(dòng)效率低、污染嚴(yán)重等問題，目前，國內(nèi)修井作業(yè)設(shè)備正朝著電驅(qū)方向發(fā)展。為了有效避免高壓接電引發(fā)的種種問題，相關(guān)人員研制了由井場變壓器供電的電驅(qū)修井機(jī)，并配備了超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置解決絞車大功率起升管柱時(shí)變壓器容量不足的問題。配置超級(jí)電容容量和陣列組合時(shí)，存在容量冗余的問題。針對此問題，本文給出了超級(jí)電容選型和參數(shù)配置方案，并提出優(yōu)選最佳陣列組合的方法。

1 技術(shù)分析

超級(jí)電容儲(chǔ)能修井機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。井場交流網(wǎng)電與超級(jí)電容儲(chǔ)存的電能通過直流母線進(jìn)行并網(wǎng)。提升管柱時(shí)，系統(tǒng)通過監(jiān)測絞車電機(jī)功率控制DC/DC釋放電能，彌補(bǔ)功率波動(dòng)，維持變壓器的穩(wěn)定輸出；下放管柱時(shí)，在管柱重力的作用下，絞車電機(jī)被反拖發(fā)電，與井場網(wǎng)電提供電能，共同為超級(jí)電容充電。調(diào)研XJ250修井機(jī)起升管柱作業(yè)，其工作循環(huán)流程為：掛吊卡—上提—安裝卡瓦—卸扣—下放單根—摘吊卡，各階段作業(yè)時(shí)長和節(jié)點(diǎn)如圖2所示。在不同噸位下，絞車上提時(shí)間為15～38 s，卸扣等輔助作業(yè)時(shí)間為55～60 s。由此可以確定，超級(jí)電容放電時(shí)間為38 s，充電時(shí)間為55 s。

2 匹配選型

2.1 超級(jí)電容選型

根據(jù)不同的作用原理，超級(jí)電容器主要分成雙電層型超級(jí)電容器、贗電容型超級(jí)電容器和鋰離子超級(jí)電容器3大類。超級(jí)電容選型需要綜合考慮電壓、功率密度、技術(shù)成熟度和壽命等因素。以寧波中車新能源科技有限公司生產(chǎn)的超級(jí)電容為例，其單體參數(shù)對比情況如表1所示。結(jié)合修井作業(yè)工況，經(jīng)對比，選用技術(shù)成熟、功率密度比高、循環(huán)壽命長的雙電層超級(jí)電容單體。

由于超級(jí)電容器單體工作電壓不高，為了滿足設(shè)備的使用要求，在實(shí)際應(yīng)用中，將多個(gè)超級(jí)電容器單體串聯(lián)起來，并配合電壓均衡和充放電穩(wěn)壓系統(tǒng)形成超級(jí)電容模組。

此處選用48 V、165 F模組，其基本參數(shù)如表2所示。

2.2 電壓范圍

因?yàn)橹绷髂妇€側(cè)與超級(jí)電容端電壓不一致，所以，采用Buck-boost型雙向DC/DC變換器，等效原理如圖3所示。

為了便于將其工作狀態(tài)控制在單一升壓/降壓模式下，通常超級(jí)電容模組串聯(lián)最高電壓應(yīng)低于直流母線側(cè)電壓波動(dòng)下限。 《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》（GB/T 12325—2003）規(guī)定：三相380 V供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%，但一般井場用電情況比較難控制，通常套用220 V供電要求，即供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的-10%～7%，即三相380 V電壓的實(shí)際波動(dòng)范圍為342～406.6 V。經(jīng)三相全橋不可控整流后，直流母線電壓范圍為461.7～548.9 V。

超級(jí)電容放電至電壓下限時(shí)，為了獲得相同的功率輸出，電壓越低，其放電電流越大，給元器件選型造成困難。因此，在滿足要求的前提下，應(yīng)盡量提高工作電壓下限，通常取壓降50%，即模組工作電壓為24～48 V。

2.3 容量計(jì)算

修井作業(yè)最大功率輸出為提升管柱時(shí)，由圖1可知，絞車電機(jī)由井場變壓器與超級(jí)電容并網(wǎng)供電。由儲(chǔ)能裝置提供的功率為：

儲(chǔ)能裝置需要提供的能量為：

式（1）（2）中：Pc為超級(jí)電容輸出功率；P為電機(jī)最大功率；Pw為網(wǎng)電功率；PF為輔機(jī)功率；η為轉(zhuǎn)換效率；t為提升時(shí)間；ξ為功率折算系數(shù)。

超級(jí)電容模組經(jīng)串聯(lián)形成串組，放電時(shí)電壓變化由U1到U2，釋放的能量可以表示為：

由此可以確定電容容量為：

3 模組陣列優(yōu)化

為了滿足設(shè)備輸出功率、電壓和儲(chǔ)能容量要求，通常采用超級(jí)電容模組串并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。由n個(gè)型號(hào)相同、特性一致的超級(jí)電容模組串聯(lián)，后經(jīng)并聯(lián)形成m條支路，組成n×m超級(jí)電容陣列組合，其電壓關(guān)系可表示為：

電容總?cè)萘靠杀硎緸椋?/p>

式（5）（6）中：U為超級(jí)電容額定總電壓；Um為超級(jí)電容模組額定電壓；C為超級(jí)電容總?cè)萘?；Cm為超級(jí)電容模組容量。

由相關(guān)內(nèi)容可以確定模組串聯(lián)后上限電壓為461.7 V，所以，采用48 V、165 F超級(jí)電容模組串聯(lián)數(shù)量可以為7串、8串或9串，其模組陣列對比情況如表3所示。由表3可知，采用8串4并陣列方式電容模組數(shù)量最少、體積最小，同時(shí)，其容量利用率為93.8%，因此，優(yōu)選這種方案。

4 結(jié)論

通過調(diào)研修井作業(yè)流程，給出了XJ250修井機(jī)起下管柱作業(yè)各操作步驟的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，為超級(jí)電容儲(chǔ)能修井機(jī)電容參數(shù)匹配提供了依據(jù)。

根據(jù)雙向DC/DC變換器工作原理和超級(jí)電容的放電深度，確定了超級(jí)電容工作電壓上下限，給出了超級(jí)電容容量的計(jì)算方法。

以“費(fèi)用最省、體積最小、利用率最高”為原則，通過優(yōu)化超級(jí)電容模組陣列組合方式，優(yōu)選最佳陣列方案。

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作者簡介：丁國棟（1989—），男，碩士，助理工程師，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）機(jī)械工程專業(yè)，主要從事石油鉆修設(shè)備開發(fā)和設(shè)計(jì)工作。

〔編輯：白潔〕