鉆井絞車混合動力仿真分析

高 輝，朱暉宇，熊良銀

（1.上海船廠船舶有限公司，上海 202156；2.中國船舶集團公司第七〇八研究所，上海 200001）

0 引言

目前，鉆井船或鉆井平臺多數(shù)采用變頻控制的鉆井絞車作為起升系統(tǒng)主要設(shè)備，當鉆井絞車下放時，絞車需采取制動措施，通常采用剎車電阻來消耗掉能量，從而造成大量的能量損失。當絞車提升時,會對船舶發(fā)電機產(chǎn)生突加負載的情況。為了解決該能量損耗的問題，本文給出了電池混動方案，并以Tiger鉆井船設(shè)備配置為例研究制定鉆井絞車電池混動方案。

隨著當代計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，將仿真與建模技術(shù)融入到能源研發(fā)當中，成為研發(fā)過程的重要工具之一。通過對仿真技術(shù)進行分析，設(shè)定出靈活的方案，分析智能優(yōu)化參數(shù)，預測出系統(tǒng)設(shè)計的功能及研究成本，從而實現(xiàn)制造過程及測試過程。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前可用于混合動力系統(tǒng)的仿真軟件有ADVISOR，PSAT等。雖然這幾種仿真軟件都可以拓展用于船舶混合動力系統(tǒng)的仿真研究，但其模型的邏輯結(jié)構(gòu)復雜，費用較高?；诖?，本文主要研究基于Matlab軟件環(huán)境建立仿真模型，以我司設(shè)計建造的鉆井船為例，建立鉆井絞車混合動力系統(tǒng)建模，研究鉆井絞車混動方案[1]。

1 鉆井絞車混合動力方案概述

以Tiger系列鉆井為例，該船為工作水深5000 ft的8點錨泊定位鉆井船，大鉤載荷750 sh.t，鉆井絞車配置4臺1000 kW的變頻電機。游吊系統(tǒng)配置14繩系滑輪組，最大提升載荷750 sh.t，空鉤最大鉤速為1.26 m/s。

通過增加1套電池組來吸收鉆井絞車下放時的勢能，并在絞車提升時釋放電能，以此來實現(xiàn)鉆井絞車能量回收和減少鉆井絞車在負載提升或空鉤高速提升時對發(fā)電機瞬時功率需求，最終實現(xiàn)鉆井船起升系統(tǒng)的能力回收，并達到船舶電網(wǎng)削峰填谷的目的。

1.1 混合動力系統(tǒng)仿真模型

鉆井絞車是大洋勘探船鉆井系統(tǒng)核心部分，由于目前柴油發(fā)電機組發(fā)展狀況的限制，考慮到制動能量的回收，混合絞盤的大部分解決方案是柴油發(fā)電機-電池混合系統(tǒng)，即絞盤驅(qū)動能源不僅是柴油機，也是電池中的一個來源。典型的簡化混合鉆井系統(tǒng)如圖1所示，主要包括柴油發(fā)電機組、DC/DC轉(zhuǎn)換器、蓄電池、電機及其控制器、多能控制系統(tǒng)（與鉆井控制集成）系統(tǒng)）、齒輪箱和主齒輪箱等。這種結(jié)構(gòu)的動力系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)定性能，直流母線電壓比較穩(wěn)定，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求低，當柴油發(fā)電機發(fā)生故障時，電力系統(tǒng)可由電池供電。電池壽命短，純電條件和系統(tǒng)運行可靠性高；同時，電池可以吸收再生制動能量，提高系統(tǒng)效率。

圖1 典型的鉆井絞車混合動力系統(tǒng)

圖1中，多能控制系統(tǒng)是鉆井控制系統(tǒng)的一部分，是基于單片機或工控機的控制系統(tǒng)，組成工作狀態(tài)信號，同時，基于特定的控制策略，控制混合動力系統(tǒng)中其他部件的運行。

混合絞車電力系統(tǒng)的仿真可分為正向仿真和反向仿真。逆向建模通?；跊]有司鉆模型的靜止模型，根據(jù)大鉤速度與時間曲線，采用迭代方法預測絞盤動力系統(tǒng)的性能，通常用于早期設(shè)計階段。反向模擬從給定絞車吊鉤速度的時間曲線開始，然后計算滿足性能要求所需的功率輸入或能耗，以計算每個系統(tǒng)組件的性能。逆向建模假設(shè)絞盤必須沿著給定的路徑移動，因此無法計算出最佳性能，也無法制定控制策略。在正向仿真中，司鉆模型根據(jù)所需的大鉤速度、當前大鉤速度以及各系統(tǒng)部件的狀態(tài)[2]。預測仿真可以集成復雜的動態(tài)模型，用于詳細的系統(tǒng)設(shè)計和動態(tài)行為建模，以及準確計算系統(tǒng)動態(tài)行為。主動建模特別適用于硬件設(shè)計和控制策略建模，仿真模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 絞車混合動力系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

基于Matlab 軟件對混合動力系統(tǒng)進行了前向式建模仿真，仿真模型如圖3 所示。將動力系統(tǒng)的各個模型進行模塊化設(shè)計，將所得的模塊進行應用，同時進行了圖標封裝。

圖3 基于MATLAB的鉆井絞車混合動力模型

圖3中，動態(tài)系統(tǒng)各部分采用物理分析和數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方法，建立數(shù)學模型，一方面能反映系統(tǒng)的物理特性和動態(tài)特性，另一方面利用實驗數(shù)據(jù)提高模型計算速度。同時，為了提高建模的準確性，模型的每個部分都必須通過實驗數(shù)據(jù)進行驗證。

1.2 鉆井絞車混合動力系統(tǒng)仿真技術(shù)研究

鉆井絞車混合動力系統(tǒng)的仿真技術(shù)，實際上就是在模型建立好后，選取合適的系統(tǒng)控制策略。從1.1節(jié)的系統(tǒng)框圖可以看出，控制系統(tǒng)所采用的控制策略是根據(jù)司鉆模型的輸出指令和當前的運行情況來確定電機的輸出功率或轉(zhuǎn)矩參數(shù)。柴油發(fā)電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器和電池的狀態(tài)，以及確定發(fā)動機的輸出功率或扭矩，將目標扭矩發(fā)送給發(fā)動機及其控制器，使發(fā)動機以該扭矩工作。在整個控制過程中，控制算法遵循如下原則：

1）DC/DC轉(zhuǎn)換器采用恒壓控制，其目標電壓可以從電池初始SOC和燃料電池發(fā)動機的運行狀態(tài)在線檢查。

2）保證每起下鉆循環(huán)蓄電池SOC 起始值和終止值變化量△SOC 不大于0.0005，并使其保持在0.2～0.8的范圍之間。

3）船舶發(fā)電機輸出功率優(yōu)先，在船舶發(fā)電機輸出恒定功率后，動力系統(tǒng)功率需求不足的部分由蓄電池輸出。

1.3 鉆井船船混合動力仿真

本次仿真基于Tiger號鉆井船的鉆井絞車開展。

根據(jù)該船750 sh.t絞車功率特性曲線，設(shè)定運行工況，如圖4所示鉤載均為750 sh.t（理論曲線）；各工況下30～40次/時循環(huán)，每周運行20小時一次/兩次。

圖4 鉆井絞車功率特性曲線

按照時間擬合的曲線如圖5所示。

圖5 鉆井絞車功率時間曲線

在前節(jié)所述的系統(tǒng)模型上增加相關(guān)的電池組、斬波器和逆變器，其作用是吸收鉆井絞車制動產(chǎn)生的能量，同時對大功率設(shè)備啟動或加載時進行能量補償，有效改善柴油發(fā)電機組運行特性，同時存儲的能量還可以反饋到電網(wǎng)用于系統(tǒng)供電，即鉆絞車相當于柴油發(fā)電機組的突載，鉆絞車相當于柴油發(fā)電機組的突卸。

2 仿真計算

運行仿真計算后，得到結(jié)果如下：1）絞車起鉆工況（見圖6）。

圖6 絞車起鉆工況

可以看出，儲能元件補償了絞車上的動態(tài)負載，保持發(fā)電機功率恒定，下降時絞車的操作可以利用儲能的能量制動循環(huán)，從而使絞車對發(fā)電機的最大需求峰值功率從5.8 MW大幅下降到2.2 MW附近。

2）絞車下鉆工況（見圖7）。

圖7 絞車下鉆工況

可以看出，儲能元件補償了絞車上的動態(tài)負載，保持發(fā)電機功率恒定，下降時絞車的操作可以利用儲能的能量制動循環(huán)，從而使絞車對發(fā)電機的最大需求峰值功率從5 MW大幅下降到0附近。

3 結(jié)語

在配置鉆井絞車作為起升系統(tǒng)的鉆井船在集成了混合動力模塊后，可實現(xiàn)船舶電網(wǎng)削峰填谷的功能，大大節(jié)約發(fā)電機的能源消耗，進而節(jié)約鉆井船的運營成本。通過增加混合動力模塊的方式也可降低發(fā)電機的裝機容量，提高船舶電網(wǎng)的效率。同時配置了混合動力模塊后可取消剎車電阻的配置，以及配套的冷卻系統(tǒng)等，減少了能量的浪費。本方案可以為類似船型設(shè)計提供節(jié)能設(shè)計新思路，也可用于現(xiàn)有類似船舶的改造。