鉆井直流微電網(wǎng)沖擊功率的混合儲(chǔ)能平衡技術(shù)

王帥 ， 趙克， 安群濤， 段建東， 孫力， 陳哲

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.大慶油田有限責(zé)任公司 生產(chǎn)運(yùn)行部，黑龍江 大慶 163712)

鉆井直流微電網(wǎng)沖擊功率的混合儲(chǔ)能平衡技術(shù)

王帥1， 趙克1， 安群濤1， 段建東1， 孫力1， 陳哲2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.大慶油田有限責(zé)任公司 生產(chǎn)運(yùn)行部，黑龍江 大慶 163712)

受限于鉆井直流微電網(wǎng)的功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)緩慢，沖擊性負(fù)載對(duì)鉆井直流微電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。為了解決直流微電網(wǎng)沖擊功率供需均衡問(wèn)題，提出以混合儲(chǔ)能環(huán)節(jié)為核心的補(bǔ)償方法?；诔?jí)電容和蓄電池儲(chǔ)能的互補(bǔ)特性，在傳統(tǒng)混合儲(chǔ)能控制策略的基礎(chǔ)上，提出一種納入蓄電池參考電流約束和電流動(dòng)態(tài)分配的混合儲(chǔ)能控制策略。在保證蓄電池電流限制值不被超越的前提下，實(shí)現(xiàn)沖擊功率在混合儲(chǔ)能單元內(nèi)的優(yōu)化分配，從而既能夠延長(zhǎng)蓄電池生命周期，又顯著縮短了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)沖擊功率補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，解決了鉆井直流微電網(wǎng)電壓波動(dòng)的問(wèn)題。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的有效性與可行性。

直流微電網(wǎng)；沖擊功率；混合儲(chǔ)能；蓄電池；超級(jí)電容

0 引 言

石油鉆井現(xiàn)場(chǎng)主要由柴油發(fā)電機(jī)組或天然氣發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的微電網(wǎng)供電。微電網(wǎng)是否能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，是鉆井生產(chǎn)能否順利進(jìn)行的主要因素之一[1]。鉆井微電網(wǎng)的負(fù)荷主要是由泥漿泵、大鉤絞車和轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)三部分組成[2]，這些負(fù)荷都具有功率變化速度快，負(fù)荷升降速度快，間隔短等特點(diǎn)。在石油鉆井負(fù)荷頻繁突變的工況下，如果沒(méi)有有效抗沖擊性負(fù)荷的功率平衡技術(shù)，會(huì)造成柴油或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大幅度波動(dòng)，嚴(yán)重的將造成發(fā)動(dòng)機(jī)停車保護(hù)，無(wú)法保證鉆井生產(chǎn)安全、穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

鉆井微電網(wǎng)如何抗沖擊性負(fù)荷在石油鉆井行業(yè)一直備受廣泛的關(guān)注。由于鉆井平臺(tái)由若干臺(tái)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成微電網(wǎng)，其總設(shè)計(jì)容量與負(fù)荷總?cè)萘勘容^接近。在鉆井微電網(wǎng)中，負(fù)荷的突變功率與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組輸出額定功率的比值可以表示為

(1)

其中:P1為負(fù)載突變后功率；P0為負(fù)載突變前功率；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組輸出額定功率；通常突變負(fù)荷應(yīng)滿足0<ηM<20%。

當(dāng)突變功率與額定功率的比值ηM較大時(shí)，負(fù)荷突變會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組造成很大影響。這一問(wèn)題在采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的鉆井微電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)更為突出，通過(guò)對(duì)ZJ32J鉆機(jī)分別采用一臺(tái)810 kW柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組和一臺(tái)1 320 kW天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組為動(dòng)力源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)突變負(fù)載對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。分別對(duì)提鉆工況和和提升空游車工況做突變負(fù)載測(cè)試，提鉆和上提空游車時(shí)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的穩(wěn)定時(shí)間如表1所示?？梢钥闯?，在突變負(fù)載工況下，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間比柴油機(jī)慢6 s左右，原因是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)有功調(diào)節(jié)具有的慣性更大，功率調(diào)節(jié)響應(yīng)特性更軟。

為了滿足在鉆井各種工況下沖擊性負(fù)載對(duì)電能的需求，可采取的方法有兩個(gè)。一種辦法是增加發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的容量[4]，即通過(guò)提高微電網(wǎng)的容量降低功率變化的相對(duì)值，但是這樣拉大了電網(wǎng)額定容量和負(fù)荷額定值的比值，使得發(fā)電機(jī)組經(jīng)常處于半額或更小的運(yùn)行狀態(tài)，帶來(lái)了運(yùn)行效率的降低；第二種方法是在系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能單元和對(duì)應(yīng)的功率變換單元，能夠起到瞬態(tài)發(fā)電機(jī)的作用，通過(guò)這一環(huán)節(jié)在負(fù)荷突增或突降波動(dòng)劇烈的時(shí)候起到功率平衡的作用。而對(duì)于功率平衡時(shí)產(chǎn)生的瞬間功率突變需求，要求理想儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)該具有大的能量和大的功率輸出能力。

表1 柴油機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比Table 1 Performance comparison between diesel engine and natural gas engine

從儲(chǔ)能的特點(diǎn)上看，適應(yīng)于功率平衡的儲(chǔ)能單元是超級(jí)電容組。以電荷形式儲(chǔ)能的超級(jí)電容，在系統(tǒng)充放電過(guò)程中，瞬時(shí)電流是較大的，功率密度較比蓄電池大很多；而對(duì)于蓄電池，其能量密度較高，但是功率密度低，具有較低的充/放電率[5-8]。因此，通過(guò)利用超級(jí)電容和蓄電池各自的優(yōu)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)具有高能量密度和高功率密度的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，使其應(yīng)用在針對(duì)瞬態(tài)沖擊功率的平衡系統(tǒng)中，既能快速補(bǔ)償瞬時(shí)功率，同時(shí)也保證了系統(tǒng)補(bǔ)償功率的持續(xù)時(shí)間。

目前，在對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究中，不同儲(chǔ)能介質(zhì)之間的功率分配策略是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[9-11]，直接影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本、生命周期和效率等。文獻(xiàn)[12]對(duì)超級(jí)電容器/蓄電池混合儲(chǔ)能用于平衡微電網(wǎng)有功功率以維持微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)混合儲(chǔ)能可以改善蓄電池的充放電過(guò)程，延長(zhǎng)其使用壽命，有較強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[13]采用模糊控制理論將超出目標(biāo)值的功率偏差在兩種儲(chǔ)能介質(zhì)之間進(jìn)行分配，當(dāng)超級(jí)電容電量充足時(shí)，由其獨(dú)立補(bǔ)償功率偏差值，以減少蓄電池的充放電次數(shù)。

通過(guò)從設(shè)備配置上對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析和思考。首先針對(duì)鉆井直流微電網(wǎng)負(fù)荷特點(diǎn)進(jìn)行了分析和描述，并對(duì)現(xiàn)有鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)沖擊負(fù)荷所采用方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了研究，分析了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用。然后從瞬態(tài)平衡功率角度出發(fā)，給出一個(gè)具有混合儲(chǔ)能瞬時(shí)功率補(bǔ)償?shù)氖臀㈦娋W(wǎng)動(dòng)力系統(tǒng)方案。最后基于這一方案，研究分析一種改進(jìn)的混合儲(chǔ)能補(bǔ)償策略，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)證明了觀點(diǎn)和思路的可行性。

1 微電網(wǎng)特性分析及應(yīng)對(duì)策略

1.1 鉆井直流微電網(wǎng)負(fù)載類型及特性分析

鉆井動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。由三臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)組構(gòu)成一個(gè)微電網(wǎng)運(yùn)行發(fā)出交流電能經(jīng)整流后構(gòu)成直流電源系統(tǒng)，經(jīng)變頻器等供負(fù)載電能。

圖1 鉆井動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of drilling power transmission system

由圖1可知，鉆井直流微電網(wǎng)的主要負(fù)載分為3種，統(tǒng)稱為鉆井動(dòng)力負(fù)載。一種為泥漿泵負(fù)載，這種負(fù)載的特性具有啟動(dòng)負(fù)載大，且隨著鉆井深度的增加負(fù)載越平穩(wěn)，由于是往復(fù)三缸泵，因此負(fù)載比較大并伴隨著小幅波動(dòng)。一種為轉(zhuǎn)盤負(fù)載，這種負(fù)載隨著鉆壓、地層特性變化而一直處于波動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載波動(dòng)比較大，但是負(fù)載值比較小。還有一種負(fù)載為絞車提升系統(tǒng)，這種負(fù)載隨著井深、鉆柱的增加而增大，是鉆井直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中動(dòng)載變化最大的負(fù)載，大多數(shù)負(fù)載突變的工況均是由絞車提升系統(tǒng)引起的，鉆井越深負(fù)載突變特性越明顯。現(xiàn)場(chǎng)鉆井實(shí)際負(fù)載工況如表2所示。

表2 鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際負(fù)載工況Table 2 Actual loads of drilling site

鉆機(jī)提升系統(tǒng)在鉆井動(dòng)力中是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車，每當(dāng)鉆機(jī)提升的瞬間，絞車所需的功率是階躍性變化的，因此也可定義為沖擊性負(fù)載。這種沖擊性負(fù)載由負(fù)載突增和負(fù)載突減兩個(gè)部分組成，一般僅持續(xù)幾十至一百多秒鐘。圖2為鉆井現(xiàn)場(chǎng)鉆井深度為850 m提鉆時(shí)直流微電網(wǎng)的電壓電流與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖。由圖2可以看出，突增負(fù)載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降至790 r/min，經(jīng)過(guò)45秒鐘左右才恢復(fù)穩(wěn)定，直流母線電壓波動(dòng)在80 V左右；突減負(fù)載后，由于負(fù)載突減過(guò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)過(guò)慢，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)1 200 r/min，造成發(fā)動(dòng)機(jī)失速保護(hù)，導(dǎo)致直流微電網(wǎng)故障。由此可見(jiàn)石油開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)存在較為嚴(yán)重的沖擊性負(fù)載。

圖2 提鉆工況波形圖Fig.2 Waveform figure of lift drill

1.2 基于混合儲(chǔ)能的瞬態(tài)功率平衡技術(shù)

為了提升微電網(wǎng)的帯載能力，滿足鉆井現(xiàn)場(chǎng)沖擊性負(fù)載對(duì)電能的需求，通過(guò)對(duì)直流微電網(wǎng)中加入混合儲(chǔ)能單元和對(duì)應(yīng)的功率變化單元，用來(lái)穩(wěn)定由于負(fù)荷突增或突降波動(dòng)劇烈時(shí)引起的直流微電網(wǎng)電壓波動(dòng)現(xiàn)象。基于混合儲(chǔ)能的直流微電網(wǎng)瞬間沖擊功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆井直流微電網(wǎng)功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of drilling DC micro grid powerbalance system

該系統(tǒng)是在圖1給出的常規(guī)鉆井微電網(wǎng)動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了混合儲(chǔ)能瞬時(shí)功率平衡系統(tǒng)。從鉆井微電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組到負(fù)載端的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成看，混合儲(chǔ)能瞬時(shí)功率補(bǔ)償系統(tǒng)即可以連接到整流之前的發(fā)電機(jī)組輸出側(cè)，又可以連接到整流橋后的直流側(cè)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，選擇在直流側(cè)補(bǔ)償?shù)暮锰幨茄a(bǔ)償系統(tǒng)的直流能量都將作為有功能量輸送給負(fù)載，而在交流側(cè)則涉及到整流負(fù)載的電流諧波問(wèn)題。在圖3中，vB和vSC分別為蓄電池，超級(jí)電容電壓，iB和iSC分別為蓄電池和超級(jí)電容電流，LB和LSC分別為蓄電池變換器和超級(jí)電容變換器的濾波電感。vo是直流母線電壓，C1為濾波電容。

當(dāng)發(fā)電機(jī)組的輸出功率與負(fù)載需求功率不平衡時(shí)，將導(dǎo)致天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至停車，進(jìn)而使得直流電網(wǎng)電壓波動(dòng)，甚至跳閘，因此由混合能量存儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)雙向DC/DC變換器連接到直流母線上，并用來(lái)維持直流電網(wǎng)電壓恒定，保證天然氣發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)沖擊性負(fù)載時(shí)，在負(fù)載突增階段，由于發(fā)電機(jī)組無(wú)法快速跟隨負(fù)載變化調(diào)節(jié)輸出功率，這時(shí)負(fù)載需求瞬時(shí)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)組輸出功率，因此混合儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)通過(guò)快速放電來(lái)補(bǔ)償缺少的功率，并隨著發(fā)電機(jī)組輸出功率增大而逐漸減少，最后平穩(wěn)退出補(bǔ)償。同時(shí)，在負(fù)載突減階段，負(fù)載需求小于發(fā)電機(jī)組提供的瞬時(shí)電量，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)將會(huì)充電來(lái)吸收剩余功率，防止能量過(guò)剩導(dǎo)致天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)超速停車。

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略

2.1 傳統(tǒng)的混合儲(chǔ)能控制策略

傳統(tǒng)的混合儲(chǔ)能控制策略框圖如圖4所示[14]。

圖4 傳統(tǒng)的混合儲(chǔ)能控制策略框圖Fig.4 Conventional control scheme of hybrid energy storage system

這種控制策略的基本原理是蓄電池提供有功功率的低頻分量，超級(jí)電容提供有功功率的高頻分量。直流母線電壓vo與參考給定電壓vref進(jìn)行比較，通過(guò)補(bǔ)償器輸出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)總的參考電流iref。iref分為高頻分量和通過(guò)低通濾波器的低頻分量，fLPF為低通濾波器。低頻分量作為蓄電池電流環(huán)參考iB_ref，高頻分量作為超級(jí)電容電流控制環(huán)參考iSC_ref。

2.2 改進(jìn)的混合儲(chǔ)能控制策略

對(duì)于傳統(tǒng)的混合儲(chǔ)能控制策略而言，由于蓄電池對(duì)充放電電流大小要求比較嚴(yán)格，為保障蓄電池的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行，通常還要考慮蓄電池的充放電功率限制[15]。因此，在滿足直流微電網(wǎng)瞬態(tài)沖擊功率需求的情況下，對(duì)低通濾波后的蓄電池參考電流進(jìn)行修正，根據(jù)蓄電池充放電要求設(shè)置充放電率，超出蓄電池充放電率的電流由超級(jí)電容來(lái)補(bǔ)償。這個(gè)算法的目的是減少蓄電池的充放電壓力，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。改進(jìn)的混合儲(chǔ)能控制策略框圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的混合儲(chǔ)能控制策略框圖Fig.5 Control scheme of proposed hybrid energy storage system

直流母線電壓的平均值vo與參考電壓vref進(jìn)行比較，得到的誤差通過(guò)PI控制器生成一個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)該提供的總電流iref。將iref分成低頻分量iLFC_ref和高頻分量iHFC_ref。低頻分量iLFC_ref可由下式表示

iLFC_ref=fLPF(iref)。

(2)

其中fLPF為低通濾波器。iLFC_ref通過(guò)比率限幅來(lái)控制蓄電池電流的充放電率，也就是蓄電池的參考電流，如下式所示

iB_ref=fRL(iLFC_ref)。

(3)

其中fRL為比率限幅器。iB_ref與實(shí)際蓄電池電流iB比較，得到誤差iB_err，iB_err通過(guò)PI控制器生成一個(gè)占空比DB，提供給PWM生成器來(lái)產(chǎn)生蓄電池變換器的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

iref的高頻分量iHFC_ref可表示為

iHFC_ref=iref-iB_ref。

(4)

由于蓄電池的慢動(dòng)態(tài)特性，蓄電池不能瞬間跟隨iB_ref。所以，蓄電池不能補(bǔ)償?shù)墓β蕿?/p>

PB_un=(iHFC_ref+iB_err)vB。

(5)

其中vB為蓄電池電壓。這個(gè)蓄電池不能補(bǔ)償?shù)墓β视沙?jí)電容來(lái)補(bǔ)償。所以超級(jí)電容的參考電流iSC_ref可表示為

(6)

其中vSC為超級(jí)電容電壓。參考電流iSC_ref與實(shí)際的超級(jí)電容電流iSC比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)PI控制器生成占空比DSC提供給PWM生成器來(lái)產(chǎn)生超級(jí)電容變換器的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，雙向變換器的充電和放電模式可共用一個(gè)變換器的傳遞函數(shù)。這就意味著可以用一個(gè)控制器通過(guò)采用上下開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)的方式來(lái)進(jìn)行控制[17]。因此，選擇分析boost工作模式下的控制器，考慮開(kāi)關(guān)頻率為3 kHz。由于雙向變換器的開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于直流微電網(wǎng)狀態(tài)的變化速率。因此,在短時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為混合儲(chǔ)能單元的直流母線功率恒定,等效為一個(gè)恒功率負(fù)載[18]。

3.1 超級(jí)電容電流環(huán)設(shè)計(jì)

超級(jí)電容控制器框圖如圖6所示。超級(jí)電容參考電流(iSC_ref)由電壓控制環(huán)輸出產(chǎn)生。

圖6 超級(jí)電容控制器框圖Fig.6 Block diagram of SC controller

當(dāng)運(yùn)行于Boost模式時(shí)，如圖3所示，鉆井動(dòng)力負(fù)載為交直流電機(jī)負(fù)載，但考慮到一般采用直流電機(jī)，因此將鉆井動(dòng)力負(fù)載等效為電阻性負(fù)載R。設(shè)dSC為S2的開(kāi)關(guān)函數(shù)，其小信號(hào)模型的傳遞函數(shù)為[19]

(7)

電流控制環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

Gol_SC=Gpi_SCGid_SCHSC,

(8)

其中

(9)

超級(jí)電容雙向變換器的仿真參數(shù)如表3所示。

表3 超級(jí)電容單元仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters of Supercapactior

圖7為這組參數(shù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖。PI參數(shù)通過(guò)Matlab的SISO工具箱來(lái)設(shè)計(jì)與調(diào)整。所計(jì)算出的參數(shù)分別為Kp_SC=0.000 454和Ki_SC=0.5。

圖7 超級(jí)電容電流環(huán)開(kāi)環(huán)Bode圖Fig.7 Bode plot of current control loop of Supercapactior

3.2 蓄電池電流環(huán)設(shè)計(jì)

蓄電池電流控制器的框圖如圖8所示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于Boost模式時(shí)，如圖3所示，設(shè)dB為S4的開(kāi)關(guān)函數(shù)，其小信號(hào)模型的傳遞函數(shù)為[19]

(10)

圖8 蓄電池電流控制器框圖Fig.8 Block diagram of battery current controller

電流控制環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

Gol_B=Gpi_BGid_BHB,

(11)

其中

(12)

蓄電池單元的仿真參數(shù)如表4所示。

表4 蓄電池控制器參數(shù)Table 4 Simulation parameters of battery

圖9為表4仿真參數(shù)下開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖。PI控制器參數(shù)通過(guò)Matlab的SISO工具箱來(lái)設(shè)計(jì)與調(diào)整。所計(jì)算出的參數(shù)分別為Kp_B=0.000 414和Ki_B=0.34。

圖9 蓄電池電流環(huán)開(kāi)環(huán)Bode圖Fig.9 Bode plot of current control loop of Battery

3.3 混合儲(chǔ)能電壓環(huán)設(shè)計(jì)

電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)為[19]

(13)

電壓控制環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如式(14)所示：

Gol_v=Gpi_vGcl_SGvi_vHv,

(14)

其中：

(15)

(16)

圖10為開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖。PI控制器參數(shù)計(jì)算為Kp_v=9，Ki_v=1。

圖10 混合儲(chǔ)能電壓環(huán)Bode圖Fig.10 Bode plot of voltage control loop of HESS

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真

為驗(yàn)證直流微電網(wǎng)瞬態(tài)沖擊功率的混合儲(chǔ)能平衡控制策略的有效性，根據(jù)圖3建立基于Matlab/SIMULINK的直流微電網(wǎng)功率平衡系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)直流微電網(wǎng)的瞬態(tài)沖擊功率運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了仿真。鉆井直流微電網(wǎng)仿真模型包括天然氣發(fā)電機(jī)組、PWM整流器、混合儲(chǔ)能單元和負(fù)荷等。仿真參數(shù)如下：天然氣發(fā)電機(jī)組容量3 MW，混合儲(chǔ)能總?cè)萘?.5 MW(蓄電池容量100 A·h，額定電壓480 V；超級(jí)電容器電容165 F，額定電壓600 V)，負(fù)荷突變功率為1.5 MW。

圖11為鉆井直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在無(wú)補(bǔ)償狀態(tài)下突增負(fù)載仿真波形。從圖中可以看出，在負(fù)載突變后直流母線電壓會(huì)在20 s左右穩(wěn)定，而在此過(guò)程中母線電壓波動(dòng)范圍在790 V～860 V左右。

圖11 無(wú)補(bǔ)償時(shí)直流微電網(wǎng)突增負(fù)載仿真波形Fig.11 Simulation waveform of dc micro-gridload surges without compensation

圖12為直流微電網(wǎng)在無(wú)補(bǔ)償狀態(tài)下突減負(fù)載仿真波形。從圖中可以看出，在負(fù)載突變后直流母線電壓會(huì)在15 s左右穩(wěn)定，而在此過(guò)程中母線電壓升高至900 V。

圖12 無(wú)補(bǔ)償時(shí)直流微電網(wǎng)突減負(fù)載仿真波形Fig.12 Simulation waveform of dc micro-grid load sharp decrease without compensation

當(dāng)鉆井直流微電網(wǎng)系統(tǒng)加入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，其中超級(jí)電容按電流的高頻分量進(jìn)行充放電，蓄電池按功率的低頻分量進(jìn)行充放電。突加負(fù)載波形如圖13所示。圖中第一條曲線為直流母線電壓波形，第二條曲線為蓄電池電流波形，第三條曲線為超級(jí)電容電流波形。

圖13 補(bǔ)償時(shí)直流微電網(wǎng)突加負(fù)載仿真波形Fig.13 Simulation waveform of dc micro-grid load surges with compensation

當(dāng)出現(xiàn)突增負(fù)載時(shí)，負(fù)載功率的高頻分量作為超級(jí)電容給定，使得超級(jí)電容輸出電流由0 A迅速提升至1 670 A，而蓄電池則緩慢上升到960 A，在超級(jí)電容與蓄電池混合作用下，超級(jí)電容提供負(fù)載突變功率，蓄電池提供持續(xù)能量來(lái)穩(wěn)定天然氣發(fā)電機(jī)組由于負(fù)載突變?cè)斐傻哪妇€電壓波動(dòng)，在第15 s時(shí)發(fā)電機(jī)組輸出功率逐漸與負(fù)載功率達(dá)到平衡時(shí)，蓄電池逐漸退出補(bǔ)償狀態(tài)，避免母線電壓再次波動(dòng)。

突減負(fù)載波形如圖14所示，當(dāng)出現(xiàn)突減負(fù)載時(shí)，超級(jí)電容輸出電流由0A迅速變?yōu)?1500A，而蓄電池則緩慢降到-750A，超級(jí)電容與蓄電池吸收由于負(fù)載突減造成的能量過(guò)剩，由圖可以看出母線電壓波動(dòng)明顯變緩，說(shuō)明補(bǔ)償作用是明顯的，吸收剩余能量存儲(chǔ)起來(lái)，為下一次負(fù)載突變做準(zhǔn)備。

圖14 補(bǔ)償時(shí)直流微電網(wǎng)突減負(fù)載仿真波形Fig.14 Simulation waveforms of dc micro-grid load sharp decrease by compensation

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證瞬態(tài)沖擊功率平衡系統(tǒng)的正確性與可行性，搭建了如圖3所示的驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，無(wú)法搭建鉆井現(xiàn)場(chǎng)由多臺(tái)發(fā)電機(jī)組組成的直流微電網(wǎng)，只能采用中國(guó)濟(jì)柴動(dòng)力總廠調(diào)試車間的單臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)組模擬鉆井直流微電網(wǎng)，其負(fù)載為電阻負(fù)載用來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)沖擊負(fù)載工況。天然氣發(fā)電機(jī)組為濟(jì)柴動(dòng)力總廠生產(chǎn)的額定功率為1 320 kW，額定電壓為交流600 V輸出的天然氣發(fā)電機(jī)組。超級(jí)電容采用78個(gè)48 V，165 F超級(jí)電容組13串6并，總?cè)葜禐?6 F，額定電壓為624 V；蓄電池采用40個(gè)標(biāo)稱12 V/33 A·h的蓄電池串聯(lián)，額定電壓為480 V。直流母線電壓為840 V，以突加400 kW電阻負(fù)載為實(shí)驗(yàn)條件，由式(1)可知，ηM=30.3%。

圖15和圖16分為加入功率平衡系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)突加400 kW負(fù)載后，傳統(tǒng)控制策略與改進(jìn)控制策略對(duì)比實(shí)驗(yàn)波形。

圖15(a) 為采用傳統(tǒng)控制策略下直流微電網(wǎng)母線電壓跌落約80 V，電壓波動(dòng)明顯，母線電壓調(diào)節(jié)時(shí)間在4 s左右。圖15(b)與15(c)為傳統(tǒng)控制策略下超級(jí)電容電流和蓄電池電流。超級(jí)電容瞬時(shí)輸出約為200 A電流，2 s后退出；蓄電池輸出電流峰值在2 s后達(dá)到580 A，并且持續(xù)放電20 s后，緩慢退出放電。

圖15 傳統(tǒng)控制策略下突加負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形Fig.15 Experiment waveforms of load surges under conventional control strategy

圖16 改進(jìn)控制策略下突加負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形Fig.16 Experiment waveforms of load surges under proposed control strategy

圖16(a)為所提出的改進(jìn)控制策略下直流微電網(wǎng)母線電壓跌落約40 V，調(diào)節(jié)時(shí)間在1.5 s左右，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。圖16(b)與16(c)為改進(jìn)的控制策略下超級(jí)電容電流和蓄電池電流。與傳統(tǒng)控制策略相比，提出的改進(jìn)控制策略超級(jí)電容瞬時(shí)輸出電流峰值達(dá)到600 A左右，放電時(shí)間延長(zhǎng)至5 s，超級(jí)電容利用率大大增強(qiáng)，而蓄電池的輸出電流變得更加平滑，并且持續(xù)放電時(shí)間減少至13 s后，緩慢退出放電，有效延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

圖17和圖18分為加入功率平衡系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)突減400 kW負(fù)載后，傳統(tǒng)控制策略與改進(jìn)控制策略對(duì)比實(shí)驗(yàn)波形。圖17(a)為采用傳統(tǒng)控制策略下直流微電網(wǎng)母線電壓上升約40 V，母線電壓調(diào)節(jié)時(shí)間在5 s左右，電壓波動(dòng)明顯。圖17(b)與17(c)為傳統(tǒng)控制策略下超級(jí)電容和蓄電池充電電流。超級(jí)電容瞬時(shí)充電電流約為200 A，2 s后退出；蓄電池吸收電流在2 s后達(dá)到560 A，并且持續(xù)吸收電流15 s后，緩慢退出充電。

圖17 傳統(tǒng)控制策略下突減負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形Fig.17 Experiment waveforms of load sharp decrease under conventional strategy

圖18(a)為提出的改進(jìn)控制策略下直流微電網(wǎng)母線電壓上升約20 V，調(diào)節(jié)時(shí)間在2 s左右，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。圖18(b)與16(c)為改進(jìn)的控制策略下超級(jí)電容和蓄電池充電電流。與傳統(tǒng)控制策略相比，所提出的改進(jìn)控制策略超級(jí)電容瞬時(shí)充電電流峰值達(dá)到610 A左右，充電時(shí)間延長(zhǎng)至5 s；而蓄電池的充電電流經(jīng)過(guò)5 s后充電電流達(dá)到峰值，蓄電池充電電流達(dá)到參考電流的時(shí)間更長(zhǎng)，減少了對(duì)蓄電池的沖擊，并且持續(xù)吸收電流時(shí)間減少至8 s后，緩慢退出充電，有效延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

圖18 改進(jìn)控制策略下突減負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形Fig.18 Experiment waveforms of load sharp decrease under proposed control strategy

5 結(jié) 論

本文通過(guò)分析鉆井直流微電網(wǎng)負(fù)載類型及其特性，針對(duì)鉆井直流微電網(wǎng)系統(tǒng)存在的沖擊性負(fù)載導(dǎo)致直流微電網(wǎng)電壓波動(dòng)的問(wèn)題，提出一種基于混合儲(chǔ)能的沖擊功率平衡技術(shù)來(lái)穩(wěn)定直流微電網(wǎng)電壓。鑒于傳統(tǒng)混合儲(chǔ)能控制策略沒(méi)有考慮蓄電池的充放電功率限制，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在改進(jìn)型的混合儲(chǔ)能控制策略下能夠合理、有效的實(shí)現(xiàn)功率分配，明顯提高超級(jí)電容的利用率，通過(guò)限制蓄電池充放電率，大大減小充放電時(shí)電流過(guò)大對(duì)蓄電池的沖擊，從而延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，并具有較好的抑制直流微電網(wǎng)電壓波動(dòng)的效果。

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(編輯：賈志超)

Hybrid energy storage balancing technology for the impact power of drilling DC micro grid

WANG Shuai1， ZHAO Ke1， AN Qun-tao1， DUAN Jian-dong1， SUN Li1， CHEN Zhe2

(1．School of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2.Production Operation Department, Daqing Oilfield Company, Daqing 163712, China)

Impact loads have a seriously effect on the drilling DC micro-grid power quality, because drilling DC micro-grid is limited by the power dynamic adjustment slowly.The power balance technology is realized by hybrid energy storage that is an effective way to solve the transient impact power supply and demand imbalance of DC micro-grid.Based on the complementary characteristics of the super capacitor and battery energy storage, on the basis of traditional hybrid control strategy, it proposes a hybrid energy storage control strategies based on reference current constraints of battery and current dynamic allocation.It realized the optimal allocation of impact power in the hybrid energy storage unit, under the premise that the current limit value of battery is not exceeded.It extended life cycle of battery and improved dynamic response of instantaneous power compensation by hybrid energy storage system.Finally, it solved the problem of drilling a DC micro-grid voltage fluctuations.Simulation and experimental verify the correctness and feasibility of the proposed ideas.

DC micro-grid; impact power ; hybrid energy storage; battery; super capacitor

2015-11-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(51507039)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2016M591529)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(HIT.NSRIF.2017013)

王 帥(1984—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)、混合儲(chǔ)能技術(shù)； 趙 克(1973—)，男，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮?、并網(wǎng)逆變器； 安群濤(1984—)，男，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制、儲(chǔ)能技術(shù)； 段建東(1985—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電技術(shù)、超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)； 孫 力(1960—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制、微電網(wǎng)技術(shù)； 陳 哲(1983—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槭烷_(kāi)采、電力系統(tǒng)。

段建東

10.15938/j.emc.2017.04.008

TM 614

A

1007-449X(2017)04-0053-09