含網(wǎng)電變壓器保護(hù)的電動(dòng)修井機(jī)超級(jí)電容儲(chǔ)能控制*

伍文俊 王思佳 蔡嘉齊

(西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710054)

1 引言

隨著人類科技的進(jìn)步，大功率的電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備越來越多，如起重機(jī)、電梯、電動(dòng)修井機(jī)等，這些設(shè)備要求供電系統(tǒng)具有更好的電能質(zhì)量、更可靠的電能供給以及更高的峰值功率[1-4]。大部分提升系統(tǒng)的主電路采用的都是交直交變頻方式[5-7]。圖1為電動(dòng)修井機(jī)供電結(jié)構(gòu)。前端為不控整流，后端為三相變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)電阻為能耗制動(dòng)部分。傳統(tǒng)交直交變頻系統(tǒng)采用電阻能耗制動(dòng)吸收變頻器回饋的能量，造成了電能的極大浪費(fèi)。而超級(jí)電容因功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[8-11]，非常適合應(yīng)用于提升設(shè)備的電控系統(tǒng)中，其通過DC/DC變換器并接在中間直流母線上，作為輔助的能量補(bǔ)充和調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)[12-13]，既可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，又可以穩(wěn)定直流母線的電壓。

目前在交直交變頻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分已有了很多相對(duì)成熟的控制。文獻(xiàn)[14]將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于城軌交通中，負(fù)載變化時(shí)母線電壓發(fā)生波動(dòng)，發(fā)車間隔小時(shí)超級(jí)電容優(yōu)先響應(yīng)，間隔大時(shí)電池優(yōu)先響應(yīng)，整個(gè)過程將母線電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[15]中鉆修機(jī)系統(tǒng)使用超級(jí)電容作為輔助電源。鉆修機(jī)制動(dòng)時(shí)，直流母線電壓升高，當(dāng)其超過閾值電壓時(shí)啟動(dòng)電阻制動(dòng)單元，快速吸收回饋的電能，抑制直流母線電壓的升高；當(dāng)其低于閾值電壓時(shí)超級(jí)電容充電吸收回饋的電能，維持直流母線電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)[16]將超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于微燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中。當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)迅速放電，輸出功率跟隨負(fù)載瞬時(shí)變化的功率，然后微燃機(jī)輸出功率逐漸增大，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率逐漸減小，微燃機(jī)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。通過超級(jí)電容的快速充電和放電，解決因微燃機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度慢而造成的負(fù)載突變時(shí)直流母線電壓的不穩(wěn)定問題。文獻(xiàn)[17-18]提出了一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器及其協(xié)調(diào)控制策略，將圖1的交直交變頻系統(tǒng)的不控整流器換成了與逆變側(cè)一樣的拓?fù)?，形成了雙向的交直交變頻系統(tǒng)。當(dāng)交直交系統(tǒng)處于再生制動(dòng)能量、削峰放電和填谷充電模式時(shí)，功率調(diào)節(jié)器兩側(cè)變換器采用功率控制，超級(jí)電容采用穩(wěn)定直流母線電壓和電感電流的控制，消除了功率控制誤差。在交直交系統(tǒng)處于功率轉(zhuǎn)移模式時(shí)，功率調(diào)節(jié)器兩側(cè)變換器采用功率和直流電壓控制，超級(jí)電容采用恒功率控制，有效解決了超級(jí)電容放電失控問題。研究表明，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入有效提高了再生制動(dòng)能量的利用率，利用谷時(shí)電能補(bǔ)償峰時(shí)電能，不但改善了峰值負(fù)荷對(duì)變壓器的沖擊，而且提高了變壓器容量利率。

圖1 含超級(jí)電容儲(chǔ)能的電動(dòng)修井機(jī)供電結(jié)構(gòu)

上述文獻(xiàn)所陳述的控制策略主要以穩(wěn)定直流母線電壓為主，而電動(dòng)修井機(jī)的工作環(huán)境往往在沙漠和戈壁灘等偏遠(yuǎn)地方，其電力基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)并不完善[19-20]，井場(chǎng)中網(wǎng)電變壓器容量有限，而電動(dòng)修井機(jī)功率大小不一，功率大的修井機(jī)經(jīng)常會(huì)造成網(wǎng)電變壓器的過載和過流，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀網(wǎng)電變壓器。因此，在穩(wěn)定母線電壓、節(jié)能減排的同時(shí)保證當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)電變壓器安全運(yùn)行更為重要。

本文結(jié)合電動(dòng)修井機(jī)工況設(shè)計(jì)了含網(wǎng)電變壓 器保護(hù)的電動(dòng)修井機(jī)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略。首先，介紹了電動(dòng)修井機(jī)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng) 的功能；其次，針對(duì)50 kVA/380 V的網(wǎng)電變壓器和110 kW電動(dòng)修井機(jī)，設(shè)計(jì)了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，完成了超級(jí)電容的選型；最后，設(shè)計(jì)了含網(wǎng)電變壓器保護(hù)的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，并通過仿真驗(yàn)證了本文方法的正確性。

2 電動(dòng)修井機(jī)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)功能

圖2為電動(dòng)修井機(jī)一個(gè)工作周期的典型工況，包括提升、回饋、間歇和下放四個(gè)階段。一個(gè)工作周期約為60 s，提升約20 s，回饋和間歇約20 s，下放約20 s。pload為電動(dòng)修井機(jī)的輸出功率，is為網(wǎng)電變壓器電流，udc為直流母線電壓。

圖2 電動(dòng)修井機(jī)一個(gè)周期的典型工況

由圖2可以看出當(dāng)電動(dòng)修井機(jī)處于提升階段時(shí)，輸出功率越大，網(wǎng)電變壓器的電流越大。若此時(shí)電動(dòng)修井機(jī)輸出功率超過了所在地區(qū)的網(wǎng)電變壓器的容量，會(huì)引起網(wǎng)電變壓器過載和過流；直流母線電壓太低也會(huì)導(dǎo)致給修井機(jī)供電的變頻器不能正常工作。加入超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備后，當(dāng)負(fù)載輸出功率超過網(wǎng)電變壓器容量時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可處于輸出補(bǔ)償狀態(tài)，與電網(wǎng)同時(shí)向電動(dòng)修井機(jī)供電，保護(hù)網(wǎng)電變壓器不過流，并提升母線電壓。

當(dāng)電動(dòng)修井機(jī)處于間歇階段時(shí)，負(fù)載輸出功率較小，此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。加入超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備后，為保證超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在下一階段有足夠能量進(jìn)行穩(wěn)壓或輸出補(bǔ)償，超級(jí)電容從電網(wǎng)吸收能量進(jìn)行存儲(chǔ)，處于容量調(diào)節(jié)狀態(tài)。

當(dāng)電動(dòng)修井機(jī)處于回饋以及下放階段時(shí)，其向直流母線回饋能量，直流母線電壓迅速上升，過高的母線電壓會(huì)危及連在直流母線上的整流器和變頻器安全，引起過電壓損毀。加入超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備后，儲(chǔ)能系統(tǒng)可吸收修井機(jī)回饋能量，起到了節(jié)能減排的作用，同時(shí)可以穩(wěn)定直流母線電壓。

綜上所述，根據(jù)電動(dòng)修井機(jī)的實(shí)際工況，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)需要完成如下功能：① 網(wǎng)電變壓器過流保護(hù)功能；② 容量調(diào)節(jié)功能；③ 穩(wěn)定直流母線電壓功能。

3 超級(jí)電容容量設(shè)計(jì)

本文井場(chǎng)電網(wǎng)變壓器容量為50 kV·A，線電壓380 V，頻率50 Hz，電動(dòng)修井機(jī)最大功率loadP為110 kW。為保證網(wǎng)電變壓器在修井機(jī)提升階段能夠不超出其額定容量，保護(hù)其安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的功率為

式中，Psc為超級(jí)電容最大輸出功率；Pload為電動(dòng)修井機(jī)最大功率；S為井場(chǎng)變壓器容量；η為變壓器效率，取0.8。

那么，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置需要存儲(chǔ)的能量為

式中，tl為電動(dòng)修井機(jī)最大提升時(shí)間。

超級(jí)電容處于雙向DC/DC變換器的低壓側(cè)，為了保證超級(jí)電容充電功率，一般占空比不超過2/3[21]。因此，對(duì)于交流380 V的電動(dòng)修井機(jī)電控系統(tǒng)，可得超級(jí)電容最大電壓 -maxscU為360 V。

超級(jí)電容的荷電狀態(tài)(State of charge，SOC)為

式中，Csc為超級(jí)電容總?cè)萘浚籾c為超級(jí)電容實(shí)際電壓。

由式(3)可知，當(dāng)超級(jí)電容電壓為額定電壓的一半時(shí)，SOC為25%，說明超級(jí)電容容量已經(jīng)使用了75%。一般超級(jí)電容最佳荷電狀態(tài)使用范圍為25%～100%，由此可得超級(jí)電容最低工作電壓Usc-min為180 V。最終得出超級(jí)電容電壓工作范圍為180～360 V。

超級(jí)電容可釋放或存儲(chǔ)的能量為

考慮到超級(jí)電容的設(shè)計(jì)裕量，結(jié)合式(2)與式(4)，超級(jí)電容的容值為

式中，α為安全裕量，取10%。

一般來說，超級(jí)電容器的單體容量大，電壓低，使用時(shí)將特性相同、型號(hào)一致的超級(jí)電容單體通過串聯(lián)和并聯(lián)的方法組成超級(jí)電容器組。設(shè)串聯(lián)的超級(jí)電容數(shù)為n，并聯(lián)的組數(shù)為m，那么

式中，Um為超級(jí)電容單體電壓。

式中，Cm為超級(jí)電容單體容量。

本文選用的超級(jí)電容為美國(guó)Maxwell公司生產(chǎn)的型號(hào)為BCAP3000的超級(jí)電容器，單體規(guī)格為2.7 V/3 000 F。根據(jù)上述設(shè)計(jì)，可以確定超級(jí)電容器組采用134串2并，共需要268個(gè)超級(jí)電容器單體。

4 含網(wǎng)電變壓器保護(hù)的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

4.1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制模式

本文超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)(Super capacitor enengy storage system，SCESS)以保護(hù)網(wǎng)電變壓器為主，其次是井場(chǎng)電網(wǎng)對(duì)超級(jí)電容充電進(jìn)行容量調(diào)節(jié)，再次為直流母線電壓穩(wěn)定控制。

當(dāng)電動(dòng)修井機(jī)處于提升階段，且井場(chǎng)的網(wǎng)電變壓器處于過載或過流運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，即網(wǎng)側(cè)電流大于保護(hù)電流閾值時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)電變壓器過流保護(hù)控制，對(duì)電動(dòng)修井機(jī)負(fù)載進(jìn)行輸出補(bǔ)償，此時(shí)采用網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)超級(jí)電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，將網(wǎng)側(cè)電流穩(wěn)定在額定值，如圖3a所示，稱該控制方式為模式1。其中，iL為超級(jí)電容電流。

網(wǎng)側(cè)保護(hù)電流閾值 -srefI設(shè)定為網(wǎng)側(cè)變壓器的額定電流。以本文方案為例，井場(chǎng)變壓器的額定容量為50 kV·A，三相線電壓為380 V，由此可得網(wǎng)電變壓器保護(hù)電流閾值 -srefI為76 A。

當(dāng)電動(dòng)修井機(jī)處于間歇階段時(shí)，井場(chǎng)變壓器不過載。此時(shí)采用單環(huán)的超級(jí)電容電流控制，井場(chǎng)電網(wǎng)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電儲(chǔ)能，完成容量調(diào)節(jié)，保證超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在下一個(gè)提升周期有足夠能量進(jìn)行輸出補(bǔ)償或穩(wěn)壓控制，如圖3b所示，稱該控制方式為模式2。其中，Psource為電網(wǎng)最大輸出功率，k為電流充電系數(shù)為防止井場(chǎng)變壓器充電時(shí)電流過大，且能夠控制充電快慢而加入的調(diào)節(jié)系數(shù)。

當(dāng)電動(dòng)修井機(jī)處于提升階段，但變壓器并未過載時(shí)，若直流母線電壓低于其下限值Udc-low，為保證電動(dòng)修井機(jī)的供電質(zhì)量，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置釋放能量，采用恒定直流母線電壓外環(huán)和超級(jí)電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，將直流母線電壓提升至正常范圍內(nèi)，如圖3c所示，稱該控制方式為模 式3-1。

當(dāng)電動(dòng)修井機(jī)處于回饋或下放階段時(shí)，由于電動(dòng)修井機(jī)向直流母線回饋電能，使得直流母線電壓高于其上限值Udc-up，為保證電動(dòng)修井機(jī)交直交系統(tǒng)的工作安全，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收能量。當(dāng)電動(dòng)修井機(jī)的回饋容量未超出超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)最大容量(本文為80 kW)時(shí)，采用恒直流母線電壓外環(huán)和超級(jí)電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，將直流母線電壓穩(wěn)定至其上限值Udc-up，如圖3d所示，稱該控制方式為模式3-21。當(dāng)電動(dòng)修井機(jī)的回饋功率超出超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)最大功率時(shí)，采用恒超級(jí)電容最大功率的單電流環(huán)控制，超級(jí)電容以最大速度吸收回饋能量，如圖3e所示，稱該控制方式為模式3-22。

圖3 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制模式

除此之外，超級(jí)電容變換器不工作的模式稱之為模式0。

無論超級(jí)電容是否正常工作，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到直流母線電壓超過最大值Udc-max時(shí)，啟動(dòng)制動(dòng)電阻，控制直流母線電壓處于最大值以下，保證系統(tǒng)正常工作。

綜上所述，根據(jù)電動(dòng)修井機(jī)供電系統(tǒng)的狀態(tài)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)通過六個(gè)控制模式完成其功能。

4.2 程控模式切換的控制策略

含網(wǎng)電變壓器保護(hù)的電動(dòng)修井機(jī)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略框圖如圖4所示。

圖4 含網(wǎng)電變壓器保護(hù)的SCESS控制框圖

含網(wǎng)電變壓器保護(hù)的電動(dòng)修井機(jī)儲(chǔ)能系統(tǒng)程控模式切換控制流程圖如圖5所示。

圖5 程控模式切換控制流程圖

首先檢測(cè)超級(jí)電容電壓usc，當(dāng)超級(jí)電容電壓過低或過高，超出正常工作范圍時(shí)，封鎖超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)DC/DC變換器控制脈沖，并給出報(bào)警提示；當(dāng)超級(jí)電容電壓處于正常范圍時(shí)，通過判定進(jìn)入以下六個(gè)工作模式。

(1) 模式1：當(dāng)電流is≥Is-ref，網(wǎng)電變壓器過電流，電動(dòng)修井機(jī)處于提升階段重載區(qū)，系統(tǒng)控制模式采用模式1，超級(jí)電容變換器放電，完成輸出 補(bǔ)償。

(2) 模式2：當(dāng)網(wǎng)電變壓器電流is

(3) 模式3-1：當(dāng)網(wǎng)電變壓器電流is

(4) 模式3-21和模式3-22：當(dāng)網(wǎng)電變壓器電流isUdc-up，電動(dòng)修井機(jī)處于回饋或下放階段，此時(shí)，若負(fù)載回饋功率未超出超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)最大功率時(shí)，系統(tǒng)控制模式采用模式3-21，超級(jí)電容變換器進(jìn)行上限電壓的穩(wěn)壓控制；若負(fù)載回饋功率超過超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)最大功率時(shí)，系統(tǒng)控制模式采用模式3-22，超級(jí)電容變換器以其恒最大功率控制方式快速吸收回饋能量，使直流母線電壓不超過其保護(hù)閾值Udc-max；若此時(shí)還不能將其限制在Udc-max以下，則制動(dòng)電阻回路被啟動(dòng)，過多的能量通過制動(dòng)電阻消耗掉，保護(hù)直流母線電壓不超上限。

(5) 模式0：當(dāng)網(wǎng)電變壓器電流is

5 仿真分析

本文基于PSIM軟件平臺(tái)搭建了如圖6所示的電動(dòng)修井機(jī)電控系統(tǒng)仿真模型。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖6 電動(dòng)修井機(jī)電控系統(tǒng)的仿真模型

本仿真中，采用受控電流源模擬電動(dòng)修井機(jī)，三相二極管整流電路為其提供直流母線電壓，通過查表法模擬電動(dòng)修井機(jī)一個(gè)周期的實(shí)際工況。

一個(gè)典型工作周期電動(dòng)修井機(jī)的電流如圖7所示。在未加入超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)之前，電動(dòng)修井機(jī)提升系統(tǒng)的工況如圖8所示，從上到下依次為網(wǎng)電變壓器容量、直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)變壓器相電流有效值。從圖8中可以看出網(wǎng)側(cè)變壓器相電流在提升階段重載區(qū)最高可達(dá)200 A，遠(yuǎn)超出網(wǎng)側(cè)電流保護(hù)值76 A，直流母線電壓也跌至448.7 V；在制動(dòng)階段由于負(fù)載側(cè)再生回饋，直流母線電壓升至19 kV。

圖7 一個(gè)典型工作周期的電動(dòng)修井機(jī)的電流

圖8 未加超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真

在加入本文控制策略后，系統(tǒng)仿真波形如圖9所示。從上到下依次為工作模式、電動(dòng)修井機(jī)電流和功率、網(wǎng)電變壓器相電流有效值和容量、直流母線電壓、超級(jí)電容電壓、超級(jí)電容充放電電流以及超級(jí)電容功率。

(1)t1～t2和t3～t4階段。如圖9中t1和t3時(shí)刻開始，電動(dòng)修井機(jī)處于提升階段，網(wǎng)電變壓器不過流，又非間歇階段，而直流母線電壓低于其下限值Udc-low，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入模式3-1，t1～t2和t3～t4階段超級(jí)電容系統(tǒng)放電釋能，直流母線電壓被穩(wěn)定在520 V，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)下限電壓控制。

(2)t2～t3階段。圖9的t2時(shí)刻開始，電動(dòng)修井機(jī)進(jìn)入提升階段并重載，網(wǎng)電變壓器過載，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入模式1，處于輸出補(bǔ)償狀態(tài)，在t2～t3階段將網(wǎng)電變壓器電流限制在76 A，電網(wǎng)輸出功率被限制在49 kVA。實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)電變壓器過電流保護(hù)的目的。

(3)t4～t5、t6～t7和t8～t9階段。圖9的t4、t6和t8時(shí)刻開始，電動(dòng)修井機(jī)處于提升階段又非間歇，網(wǎng)電變壓器不過流，直流母線電壓也處于下限Udc-low和上限Udc-up之間，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入模式0，處于不工作狀態(tài)。超級(jí)電容電流為0，其電壓基本不變。

(4)t5～t6和t9～t10階段。圖9的t5和t9時(shí)刻開始，電動(dòng)修井機(jī)處于回饋和下放階段，網(wǎng)電變壓器無電流，直流母線電壓超過了其上限Udc-up，并且回饋的功率小于超級(jí)電容的最大功率，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入模式3-21，t5～t6和t9～t10階段超級(jí)電容系統(tǒng)充電吸收能量，直流母線電壓被穩(wěn)定在585 V，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)上限電壓控制。

(5)t7～t8階段。圖9的t7時(shí)刻開始，電動(dòng)修井機(jī)處于間歇階段，網(wǎng)電變壓器不過流，超級(jí)電容儲(chǔ)能進(jìn)入模式2的容量調(diào)節(jié)，t7～t8階段超級(jí)電容進(jìn)行充電儲(chǔ)能。充電系數(shù)k為0.8，顯然，此時(shí)超級(jí)電容電壓逐漸上升。

(6)t10～t11階段。圖9的t10時(shí)刻開始，電動(dòng)修井機(jī)處于下放階段，網(wǎng)電變壓器無電流，直流母線電壓超過Udc-up，并且回饋的功率大于超級(jí)電容的最大功率，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入模式3-22的恒最大功率控制(結(jié)合圖10)，t10～t11階段以最快的速度回收電動(dòng)修井機(jī)回饋的電能。由于回饋的能量比較大，此時(shí)制動(dòng)電阻回路被啟動(dòng)，輔助吸收回饋電能，限制母線電壓的升高。

圖9 加入超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真

顯然，模式0的加入緩沖了其他模式之間的切換沖擊，使模式切換比較平滑，但會(huì)增加各模式穩(wěn)定運(yùn)行期間與模式0之間的頻繁切換，影響各模式的不穩(wěn)定。實(shí)際運(yùn)行時(shí)本文在圖5的邏輯判斷中將各模式的判定值增加一個(gè)滯環(huán)，即比其上限值略低，或者比其下限值略高。根據(jù)本文的工況，模式1 的電流判定值為70 A，模式3-1的電壓判定值為 525 V，模式3-21和模式3-22的電壓判定值為580 V。這樣各模式與模式0的切換僅限出現(xiàn)在兩模式切換的開始，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，切換的頻率最高為系統(tǒng)的控制頻率，持續(xù)的時(shí)間與滯環(huán)的環(huán)寬和負(fù)載的工況等有關(guān)。

(7)t11以后。圖9的t11時(shí)刻以后，電動(dòng)修井機(jī)處于下放階段，網(wǎng)電變壓器無電流，超級(jí)電容的電壓也超過了350 V，接近其最大電壓，為了充分利用超級(jí)電容的容量，本文在各模式的超級(jí)電容充電部分增加了浮充功能(超級(jí)電容電壓大于350 V)，該部分不是本文的主體功能，文中未加說明。即穩(wěn)定超級(jí)電容電壓外環(huán)和電感電流內(nèi)環(huán)，將超級(jí)電容的電壓穩(wěn)定在355 V，此時(shí)只要直流母線電壓低于580 V系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入模式0，高于580 V就進(jìn)入浮充，浮充與模式0來回切換，穩(wěn)定后進(jìn)入浮充。由于圖5未區(qū)分模式3-21和浮充此兩種模式，故顯示均為mode=4。

圖10是能耗制動(dòng)電阻消耗的功率、網(wǎng)電變壓器的功率、超級(jí)電容的功率以及三者之和與負(fù)載功率的仿真。從圖10中可以看出負(fù)載功率基本等于網(wǎng)電變壓器功率、超級(jí)電容儲(chǔ)能功率和能耗制動(dòng)電阻的功率之和，說明超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置很好地輔助網(wǎng)電變壓器對(duì)電動(dòng)修井機(jī)進(jìn)行功率補(bǔ)償。

圖10 功率波形

上述仿真結(jié)果證明了本文算法是正確和有 效的。

6 結(jié)論

本文充分考慮電動(dòng)修井機(jī)的運(yùn)行工況，結(jié)合超級(jí)電容自身特性，提出了一種基于電動(dòng)修井機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。仿真結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)電變壓器過載時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行輸出補(bǔ)償，保護(hù)網(wǎng)電變壓器不過流，安全穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)直流母線電壓波動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，將直流母線電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)可以吸收回饋電能，根據(jù)回饋能量的大小和超級(jí)電容容量采取不同的吸收方案，既快速又安全，還能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。