復(fù)合電源蓄能修井機(jī)能量管理策略

屈文濤， 李肖肖， 徐劍波， 童鏡樹(shù)

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065；2.中國(guó)石油新疆油田分公司開(kāi)發(fā)公司，克拉瑪依 834000)

修井機(jī)是油田修井作業(yè)的主要設(shè)備，用于對(duì)發(fā)生故障或損壞的油管、抽油桿、抽油泵等井下設(shè)備和工具的起下作業(yè)。電機(jī)功率配置大的網(wǎng)電修井機(jī)接入井場(chǎng)電網(wǎng)后出現(xiàn)變壓器過(guò)載或臨近井抽油機(jī)停止工作，同時(shí)，在進(jìn)行下放作業(yè)時(shí)，負(fù)載的勢(shì)能被轉(zhuǎn)化為電能，并且這部分電能被制動(dòng)電阻以熱能的形式消耗掉，造成了一定程度的能量浪費(fèi)[1-3]。基于此，一些學(xué)者提出了以超級(jí)電容、蓄電池等儲(chǔ)能裝置為輔助動(dòng)力源的電源補(bǔ)償電動(dòng)修井機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明電源補(bǔ)償能有效解決變壓器過(guò)載問(wèn)題[4-6]，但單一的輔助電源存在如超級(jí)電容比能量較小、蓄電池比功率低等問(wèn)題[7-8]。一種新的解決方法是把蓄電池與超級(jí)電容組合作為復(fù)合電源使用，如此可充分發(fā)揮這兩種電源的優(yōu)點(diǎn)，而進(jìn)行合理的功率分配則是復(fù)合電源系統(tǒng)的關(guān)鍵[9-10]。目前復(fù)合電源技術(shù)在修井機(jī)上的應(yīng)用尚未見(jiàn)到，其相應(yīng)的能量管理策略也鮮有人研究。

基于此，以蓄電池與超級(jí)電容組成的復(fù)合電源為補(bǔ)償電源設(shè)計(jì)了包括電網(wǎng)的三種能量源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合最優(yōu)化理論與邏輯門(mén)限控制策略建立了系統(tǒng)的能量管理策略，不僅維持電網(wǎng)的穩(wěn)定輸出，而且考慮到修井作業(yè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)載變化范圍大的特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃與邏輯門(mén)限結(jié)合的管理策略，以期能充分利用超級(jí)電容在滿(mǎn)足瞬態(tài)大功率充放電上的優(yōu)勢(shì)，使蓄電池的充放電電流及頻率得到有效降低，從而提高蓄電池壽命。

1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復(fù)合電源主要包括蓄電池、超級(jí)電容和直流斬波器(DC/DC)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。作業(yè)時(shí)，電網(wǎng)的輸出穩(wěn)定在額定功率，當(dāng)作業(yè)需求功率低于電網(wǎng)額定功率時(shí)，剩余功率用來(lái)給復(fù)合電源充電，當(dāng)需求功率高于電網(wǎng)額定功率時(shí)，電網(wǎng)缺少的功率由復(fù)合電源進(jìn)行補(bǔ)償，其中，蓄電池補(bǔ)償基礎(chǔ)穩(wěn)態(tài)功率，超級(jí)電容在其最大放電深度范圍內(nèi)進(jìn)行瞬態(tài)峰值功率及能量補(bǔ)償。能量管理控制器輸入包括總線(xiàn)功率信息、絞車(chē)負(fù)載和速度信息、超級(jí)電容及蓄電池狀態(tài)信息，能量管理策略通過(guò)控制DC/DC的升降壓從而控制復(fù)合電源的功率分配。

圖1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hybrid power system structure

2 控制策略設(shè)計(jì)

2.1 修井作業(yè)工況分析

進(jìn)行修井作業(yè)時(shí)，需要對(duì)每根油管、桿(為方便敘述，以油管為例進(jìn)行分析)進(jìn)行連接或卸載，每連接或卸載一根油管可作為一個(gè)修井作業(yè)循環(huán)周期，每個(gè)循環(huán)周期又可分為多個(gè)步驟，不同的步驟電機(jī)輸出功率不同。圖2為修井作業(yè)簡(jiǎn)化流程。起升階段是把下一根油管從井下提至井口，此時(shí)絞車(chē)運(yùn)行，需求功率較大且隨井下油管數(shù)量及提管速度的變化而變化。卸扣階段有一段較小的功率輸出為卸扣電動(dòng)機(jī)運(yùn)行所需。下放階段需求功率小，且油管重力勢(shì)能可利用超級(jí)電容進(jìn)行回收存儲(chǔ)。

Pmax為最大需求功率圖2 修井作業(yè)流程Fig.2 Workover operation procedure

修井機(jī)在作業(yè)時(shí)由于摩擦等因素的影響使得大鉤負(fù)載存在一定幅度的波動(dòng)，導(dǎo)致絞車(chē)電機(jī)需求功率隨之發(fā)生瞬態(tài)波動(dòng)，超級(jí)電容以其高充放電循環(huán)次數(shù)與功率密度可以很好地滿(mǎn)足瞬態(tài)波動(dòng)功率需求。而相反，蓄電池的能量密度和續(xù)航能力要高得多，能夠完成井場(chǎng)發(fā)生短時(shí)停電、線(xiàn)路故障等突發(fā)狀況時(shí)一段時(shí)間的正常作業(yè)。

2.2 控制策略

修井作業(yè)是以單根管起下為周期的規(guī)律性作業(yè)，每周期內(nèi)作業(yè)步驟較為固定，適合以邏輯門(mén)限控制策略對(duì)蓄電池與超級(jí)電容進(jìn)行功率分配。邏輯門(mén)限控制策略具有魯棒性好、執(zhí)行簡(jiǎn)單且計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)[11]，但缺點(diǎn)是復(fù)合電源較多地工作在低效區(qū),為克服這種缺陷,盡可能提高復(fù)合電源性能,引入動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法在特定區(qū)域內(nèi)尋優(yōu),其余區(qū)域則由門(mén)限值確定,如此可節(jié)約大量的計(jì)算時(shí)間且對(duì)復(fù)合電源性能影響較小。故采用局部?jī)?yōu)化的邏輯門(mén)限控制策略進(jìn)行復(fù)合電源功率分配。根據(jù)對(duì)修井作業(yè)工況的分析，以總需求功率Pr和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)(state of charge,SOCu)為門(mén)限值。電網(wǎng)額定輸出功率Pd為Pr的門(mén)限閾值，SOCu的上下門(mén)限閾值分別為0.9和0.3。整個(gè)修井作業(yè)過(guò)程可分為兩個(gè)部分，分別為Pr小于電網(wǎng)額定輸出功率時(shí)，復(fù)合電源處于充電模式，Pr大于電網(wǎng)額定輸出功率時(shí)，復(fù)合電源作為補(bǔ)償電源對(duì)缺失功率進(jìn)行補(bǔ)償，具體規(guī)則如下。

(1)Pr<0時(shí)，復(fù)合電源處于回收能量狀態(tài)，此時(shí)，若SOCu

(2)0≤Pr≤Pd時(shí)，電網(wǎng)可滿(mǎn)足電機(jī)需求功率且剩余功率可為復(fù)合電源充電，此時(shí)，若SOCu

(3)Pr>Pd時(shí)，電網(wǎng)功率不足，復(fù)合電源進(jìn)行功率補(bǔ)償，此時(shí)，一般由超級(jí)電容提供高頻瞬態(tài)功率，蓄電池提供穩(wěn)態(tài)平均功率。

所制定的邏輯門(mén)限控制策略如圖3所示，其中功率分配比(power splitting ratio，PSR)定義為蓄電池輸出功率與復(fù)合電源總功率需求之比。

Pb為蓄電池所提供功率；Pu為超級(jí)電容所提供功率；k為電網(wǎng)向蓄電池充電的功率系數(shù)；圖3 邏輯門(mén)限控制策略Fig.3 Logic threshold control strategy

在Pr>Pd時(shí)，為了更加充分地發(fā)揮超級(jí)電容在循環(huán)次數(shù)及瞬時(shí)大電流放電上的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)增加超級(jí)電容的放電頻率及放電深度從而盡可能地延長(zhǎng)蓄電池的壽命。利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求解復(fù)合電源的最優(yōu)功率分配比并按照每個(gè)最優(yōu)解尋找出一條復(fù)合電源最優(yōu)功率分配比參考軌跡。

充放電次數(shù)與放電深度本質(zhì)上聯(lián)合表現(xiàn)為電池的累積能量流通，即功率絕對(duì)值的積分。因此，引入能量流通函數(shù)Et，能量流通越小，電池老化速度越慢[12]。

(1)

修井機(jī)所需功率主要由電網(wǎng)和蓄電池與超級(jí)電容聯(lián)合提供，即:

Pr=Pb+Pu+Pd

(2)

而電網(wǎng)輸出恒定，因此當(dāng)蓄電池輸出功率被確定時(shí)，超級(jí)電容功率就可唯一確定，故以蓄電池的需求功率為控制變量u，即

u={Pb(t)}

(3)

并將系統(tǒng)的狀態(tài)變量(x)設(shè)置為蓄電池SOCb和超級(jí)電容SOCu，有:

x={SOCb(t),SOCu(t)}

(4)

且受狀態(tài)方程約束：

x(t+1)=f[x(t),u(t)]

(5)

式(5)中：f為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，由蓄電池與超級(jí)電容模型得到。

以Et為優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化問(wèn)題可描述為：

J=minEt[x(t),u(t)]

(6)

該優(yōu)化問(wèn)題受動(dòng)力源性能約束:

SOCumin≤SOCu(t)≤SOCumax

(7)

SOCbmin≤SOCb(t)≤SOCbmax

(8)

Pbmin≤Pb(t)≤Pbmax

(9)

Pumin≤Pu(t)≤Pumax

(10)

Ibmin≤Ib(t)≤Ibmax

(11)

Iumin≤Ib(t)≤Iumax

(12)

式中：Ib為蓄電池放電電流；Iu為超級(jí)電容放電電流。

將整個(gè)修井作業(yè)劃分為多個(gè)階段，計(jì)算每個(gè)階段及每個(gè)狀態(tài)變量點(diǎn)的最優(yōu)控制量u(t)，根據(jù)初始狀態(tài)變量搜尋整個(gè)工況的最優(yōu)控制序列，將該最優(yōu)控制序列與邏輯門(mén)限控制策略結(jié)合建立新的控制策略模型。

3 Simulink模型

3.1 控制策略模型

根據(jù)所制定控制策略建立如圖4所示的Simulink模型。

圖4 邏輯門(mén)限控制策略模型Fig.4 Logic threshold control strategy model

3.2 復(fù)合電源蓄能修井機(jī)系統(tǒng)仿真模型

在Simulink中設(shè)計(jì)的復(fù)合電源蓄能修井機(jī)系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

圖5 復(fù)合電源蓄能修井機(jī)系統(tǒng)模型Fig.5 Workover rig system model based on hybrid power

圖5中，主要模塊構(gòu)成有：循環(huán)工況(drive cycle)模塊、絞車(chē)和驅(qū)動(dòng)(roller and final drive)模塊、電機(jī)/控制(motor/controller)模塊、電源總線(xiàn)(power bus)模塊、蓄電池(battery)模塊、DC/DC模塊、超級(jí)電容(ultracapacitor)模塊、整流器(rectifier)模塊和變壓器(transformer)模塊。由于主要研究修井機(jī)供能系統(tǒng)，因此將傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)模塊即驅(qū)動(dòng)模塊，能量管理策略嵌入在電源總線(xiàn)模塊中。

4 仿真結(jié)果與分析

以40 t級(jí)修井機(jī)動(dòng)力指標(biāo)為參考[13]，分別截取滿(mǎn)負(fù)載的90%、50%、10%三種不同情況的工況數(shù)據(jù)，制定如圖6所示的仿真工況。

圖6 修井作業(yè)仿真工況Fig.6 Workover operation simulation conditions

修井機(jī)的后功率鏈需求如圖7所示。從圖7可以看出，90%負(fù)載狀態(tài)下由于速度限制其后功率鏈功率需求與50%負(fù)載狀態(tài)下相差不大，但每周期時(shí)間較長(zhǎng)，10%負(fù)載狀態(tài)下后功率鏈功率需求較小且每周期時(shí)間較短。

圖7 修井機(jī)后功率鏈功率需求Fig.7 Rear power chain demand of the workover rig

修井機(jī)需求功率由復(fù)合電源與電網(wǎng)聯(lián)合提供，電網(wǎng)的輸出基本穩(wěn)定在額定值附近。復(fù)合電源功率分配如圖8所示。從圖8可以看出，復(fù)合電源作為補(bǔ)償電源在電網(wǎng)輸出不足時(shí)為修井機(jī)提供電能，在下放和制動(dòng)時(shí)回收能量，當(dāng)修井機(jī)所需功率較小時(shí)，電網(wǎng)剩余功率給蓄電池充電。在第一周期90%負(fù)載狀態(tài)下的起升階段，超級(jí)電容提供一部分電能且承擔(dān)了大部分功率需求中負(fù)載波動(dòng)引起的高頻瞬態(tài)功率，使蓄電池的功率輸出相對(duì)平穩(wěn)，在制動(dòng)和下放階段，超級(jí)電容完成所有的能量回收，此時(shí)修井機(jī)需求功率極小，電網(wǎng)剩余輸出功率為蓄電池充電。第二周期50%負(fù)載狀態(tài)下起升時(shí)作業(yè)需求功率與90%負(fù)載下相當(dāng)，這是由于此時(shí)起升速度增大，所以起升持續(xù)時(shí)間也明顯減小，可以看出在這一階段，超級(jí)電容輸出功率較第一周期增大，蓄電池輸出功率降低，這使得蓄電池的能量流動(dòng)降低，從而延長(zhǎng)蓄電池壽命。制動(dòng)和下放能量仍然由超級(jí)電容完全回收，電網(wǎng)剩余功率為蓄電池充電。第三周期10%負(fù)載狀態(tài)下起升階段，作業(yè)需求功率小于電網(wǎng)額定功率，電網(wǎng)在滿(mǎn)足作業(yè)需求功率后，剩余功率為超級(jí)電容充電，在158 s時(shí)蓄電池狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆娔Ｊ?，由于此時(shí)超級(jí)電容已充滿(mǎn)電，電網(wǎng)剩余功率轉(zhuǎn)而為蓄電池充電，因此這一周期內(nèi)的能量回收也由蓄電池完成。

圖8 復(fù)合電源功率分配Fig.8 Power distribution of hybrid power

圖9為該仿真工況下蓄電池與超級(jí)電容的SOC變化曲線(xiàn)，可以看出蓄電池SOC在每個(gè)周期內(nèi)波動(dòng)較小，且在50%、10%負(fù)載下SOC呈整體上升趨勢(shì)，這是由于在50%、10%負(fù)載下超級(jí)電容在一個(gè)周期內(nèi)能提供更高比例的電能，蓄電池放電量減少而充電量不變。超級(jí)電容的放電深度較大，每個(gè)周期內(nèi)超級(jí)電容SOC變化介于0.3～0.9，且波動(dòng)較為頻繁，其瞬時(shí)大電流充放電和深度充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。

圖9 蓄電池與超級(jí)電容SOC變化曲線(xiàn)Fig.9 SOC curve of battery and ultracapacitor

5 結(jié)論

以40 t級(jí)修井機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)修井作業(yè)典型工況，設(shè)計(jì)了一種基于局部?jī)?yōu)化的邏輯門(mén)限控制策略，得到以下結(jié)論。

(1)根據(jù)目前電動(dòng)修井機(jī)所面臨的問(wèn)題，提出了以復(fù)合電源作為蓄能器的方式對(duì)電動(dòng)修井機(jī)輸出功率進(jìn)行補(bǔ)償，確定了復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(2)通過(guò)MATLAB/Simulink仿真表明，基于局部?jī)?yōu)化的復(fù)合電源邏輯門(mén)限控制策略能在滿(mǎn)足修井作業(yè)功率需求的基礎(chǔ)上，在作業(yè)需求功率大于電網(wǎng)額定功率時(shí)，有效提高超級(jí)電容的利用率，降低蓄電池能量流通與功率輸出幅值，從而更大程度地保護(hù)蓄電池并延長(zhǎng)其使用壽命。