基于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的柴油機(jī)鉆機(jī)機(jī)械調(diào)峰系統(tǒng)研究

劉曙光，孫 艷，王 佳

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種新興的電能存儲(chǔ)技術(shù)，是近年來(lái)出現(xiàn)的有很大發(fā)展前景的儲(chǔ)能技術(shù)，具有大儲(chǔ)能、高功率、無(wú)污染、使用廣、維護(hù)簡(jiǎn)單、可連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)，特別適應(yīng)于周期性的能量存貯及功率放大.飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由飛輪、電機(jī)／發(fā)電機(jī)和電力電子裝置組成［1］，分充電和放電2部分.設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，直流無(wú)刷電機(jī)和發(fā)電機(jī)是合二為一的，即在飛輪充電時(shí)，直流無(wú)刷電機(jī)工作；在飛輪放電時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)工作.飛輪儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新型高效的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)方法，它將電機(jī)的轉(zhuǎn)子與飛輪結(jié)合，電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪至高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲(chǔ)存.當(dāng)需要電能時(shí)，飛輪減速并驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能.機(jī)械鉆機(jī)在鉆井過(guò)程中負(fù)載波動(dòng)大，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和柴油機(jī)形成較大的沖擊負(fù)荷.由于沖擊負(fù)荷的存在，機(jī)械鉆機(jī)的柴油機(jī)選型受到了極大制約，同時(shí)造成鉆機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中能耗高，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性差.為了克服上述問(wèn)題，本文提出了利用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的調(diào)峰系統(tǒng)來(lái)平抑機(jī)械鉆機(jī)在施工過(guò)程中出現(xiàn)的負(fù)載波動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊，最大限度地減少?zèng)_擊負(fù)荷的強(qiáng)度，優(yōu)化柴油機(jī)配置，進(jìn)而提高鉆井效率，節(jié)約能源.

1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可分為3種工作模式：飛輪充電模式，交流電源給飛輪控制器供電，飛輪控制器控制電能輸入使飛輪達(dá)到額定最高工作轉(zhuǎn)速；飛輪能量保持模式，飛輪系統(tǒng)依靠最小的交流電輸入，保持飛輪在最高工作轉(zhuǎn)速運(yùn)行；飛輪放電模式，交流電源中斷，飛輪給飛輪控制器供電，控制器提供不間斷電源給負(fù)載，飛輪轉(zhuǎn)速下降［2］.

為了減少空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲(chǔ)能裝置的效率，飛輪儲(chǔ)能裝置軸承的設(shè)計(jì)一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術(shù)［3］，而且將電機(jī)和飛輪都密封在一個(gè)真空容器內(nèi).通常發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)使用一臺(tái)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軸承直接和飛輪連在一起.這樣，在實(shí)際常用的飛輪儲(chǔ)能裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機(jī)、真空容器和電力電子裝置.飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示.

在整個(gè)飛輪儲(chǔ)能裝置中，飛輪是其中的核心部件，它是一個(gè)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)體.飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存的能量E可表示為

圖1 飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)示意圖

式中 J為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)；ω為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度.由式（1）可以看出：飛輪儲(chǔ)存的動(dòng)能與其轉(zhuǎn)速的平方成正比.所以，高速飛輪的儲(chǔ)存的能量和能量密度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低速飛輪.

不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用是飛輪轉(zhuǎn)速改變的根本原因，這一關(guān)系可描述為

當(dāng)轉(zhuǎn)矩的方向與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致時(shí)，飛輪受到正向不平衡轉(zhuǎn)矩的作用而加速，能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)飛輪減速時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸出.飛輪始終在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之間循環(huán)旋轉(zhuǎn)，其可吸收和釋放的能量大小為

在不考慮損耗的情況下，飛輪的功率為

1.2 能量轉(zhuǎn)換控制

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示.系統(tǒng)由直流母線電容C、逆變器S1～S6、飛輪單元等組成.其中飛輪單元包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、飛輪轉(zhuǎn)盤和軸承支撐系統(tǒng)等，它們均被放置于密閉的真空套筒中，以減小飛輪轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的風(fēng)損.飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，逆變器驅(qū)動(dòng)飛輪單元的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，拖動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能.當(dāng)需要釋放能量時(shí)，控制器將儲(chǔ)存在飛輪中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出.因此，飛輪單元的能量回饋［4］是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一.

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時(shí)，逆變器實(shí)現(xiàn)飛輪單元向直流母線側(cè)的能量回饋.飛輪單元的能量回饋有以下特點(diǎn)：

（1）在穩(wěn)態(tài)情況下，飛輪單元充電時(shí)，由BLDCM的電壓方程，直流母線電壓大于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)幅值的2倍，處于放電狀態(tài)時(shí)，直流母線電壓仍大于2倍的反電動(dòng)勢(shì)幅值，因此，單純采用不控整流的方式無(wú)法釋放能量.

（2）飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)在能量回饋時(shí)主要運(yùn)行于高速區(qū).隨著能量的釋放，飛輪轉(zhuǎn)速下降，反電動(dòng)勢(shì)的頻率和電壓變化范圍大，一般要求飛輪轉(zhuǎn)速降至50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)能量回饋.

飛輪系統(tǒng)利用電機(jī)的四象限運(yùn)行原理，使發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)共用一臺(tái)電機(jī)的方法，不但可以提高效率，還可以減少整個(gè)儲(chǔ)能裝置的尺寸，使儲(chǔ)能密度大大提高.考慮到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及降低功耗出發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)或單位多采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有易于調(diào)速、恒功率、調(diào)速范圍寬、無(wú)勵(lì)磁損耗、易于實(shí)現(xiàn)雙向功率流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用中有很大吸引力.

圖2 飛輪儲(chǔ)能主電路拓?fù)?/p>

2 柴油機(jī)鉆機(jī)機(jī)械調(diào)峰系統(tǒng)

2.1 鉆機(jī)機(jī)械調(diào)峰系統(tǒng)組成

鉆機(jī)機(jī)械調(diào)峰系統(tǒng)組成如圖3所示.在游車處于靜止或下放狀態(tài)下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率大于需要的功率，通過(guò)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)四象限變流控制器、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁控制器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償系統(tǒng)管理控制器的控制，使之工作在發(fā)電狀態(tài)，由柴油機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為飛輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能儲(chǔ)存下來(lái)；在游車處于上升狀態(tài)下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率小于需要的功率，通過(guò)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)四象限變流控制器、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁控制器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償系統(tǒng)管理控制器的控制，使之工作在電動(dòng)狀態(tài)，由飛輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械能，以補(bǔ)償柴油機(jī)的輸出不足，保證了柴油機(jī)的工作穩(wěn)定及最佳工作油耗.鉆機(jī)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的控制原理為：四象限變流控制器、勵(lì)磁控制器、測(cè)速發(fā)電機(jī)通過(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)管理控制器檢測(cè)測(cè)速發(fā)電機(jī)、絞車狀態(tài)從而控制四象限變流控制器和勵(lì)磁控制器的參數(shù)使之根據(jù)鉆機(jī)的工作狀態(tài)工作在相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)下，起到了消峰補(bǔ)谷的作用.

2.2 調(diào)峰電機(jī)控制原理

直流調(diào)峰電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓進(jìn)行恒功率調(diào)速.為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，也符合電機(jī)的理想運(yùn)行特性，在飛輪升速過(guò)程中，可將2種控制方式結(jié)合起來(lái)：低速轉(zhuǎn)矩恒定和高速功率恒定［5］.在恒轉(zhuǎn)矩控制方式下，電機(jī)以最大的加速度快速起動(dòng)，之后進(jìn)入恒定功率控制方式，可以有效降低電機(jī)的功率容量.這樣，電機(jī)和控制器的利用率和效率得到提高.在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制機(jī)電雙向能量變換器中的功率開關(guān)器件的通斷，就可以改變永磁無(wú)刷直流電機(jī)繞組中電流的方向，從而控制能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中能量的流動(dòng).電機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，控制電機(jī)繞組中電流的方向和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的方向相反，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，此時(shí)飛輪受到正向不平衡轉(zhuǎn)矩的作用而加速儲(chǔ)能.電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，控制電機(jī)繞組中電流的方向和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的方向相同，此時(shí)電機(jī)處于能量回饋制動(dòng)狀態(tài)，向外輸出電能.調(diào)峰電機(jī)控制原理如圖4所示.

通過(guò)控制直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和電樞電壓來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩.根據(jù)公式［6－7］：Ia＝ （UE）／Ra，E＝Ceθn，因?yàn)檎{(diào)峰系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，即n為常數(shù)，所以通過(guò)改變勵(lì)磁電流大小即可改變E的大小，從而改變Ia的大小.但由于勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)范圍特別小，滿足不了要求，電機(jī)效率也降低很多，因此，增加電樞電壓調(diào)節(jié)來(lái)改變電機(jī)電流（扭矩）大小.

當(dāng)U＞E時(shí)，Ia＞0，系統(tǒng)處于電動(dòng)狀態(tài)；

當(dāng)U＜E時(shí)，Ia＜0，系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)；

當(dāng)U＝E時(shí)，Ia＝0，系統(tǒng)處于空載狀態(tài).

2.3 柴油機(jī)鉆機(jī)機(jī)械調(diào)峰控制

機(jī)械鉆機(jī)負(fù)載調(diào)峰控制系統(tǒng)通過(guò)采集負(fù)載檢測(cè)信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，綜合儲(chǔ)能裝置狀態(tài)參數(shù)，控制調(diào)峰電機(jī)運(yùn)行［8－9］.工況一：發(fā)電運(yùn)行，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，根據(jù)儲(chǔ)能裝置狀態(tài)參數(shù)，控制電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，為儲(chǔ)能裝置提供充電電源；工況二：電動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)中檢測(cè)到較大沖擊負(fù)載時(shí)，控制調(diào)峰電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)（電機(jī)由儲(chǔ)能裝置供電），與發(fā)動(dòng)機(jī)并機(jī)共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載.達(dá)到平抑發(fā)動(dòng)機(jī)的加載率，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí)能夠平穩(wěn)運(yùn)行.

2.3.1 發(fā)電控制 調(diào)峰控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載檢測(cè)系統(tǒng)得到滾筒離合信號(hào)，通過(guò)離合器信號(hào)、動(dòng)力機(jī)組的功率冗余情況、傳動(dòng)系統(tǒng)中負(fù)載變化量及儲(chǔ)能裝置狀態(tài)等參數(shù)，判斷出調(diào)峰電機(jī)是否發(fā)出發(fā)電命令.

圖3 鉆機(jī)機(jī)械調(diào)峰系統(tǒng)

發(fā)電投入條件：（1）滾筒離合器狀態(tài)；（2）飛輪儲(chǔ)能器允許儲(chǔ)能；（3）調(diào)峰系統(tǒng)啟動(dòng).

發(fā)電切出條件：（1）飛輪儲(chǔ)能器充滿或故障；（2）電動(dòng)投入；（3）調(diào)峰系統(tǒng)停機(jī).

2.3.2 電動(dòng)控制 控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)鉆機(jī)系統(tǒng)的懸重、飛輪儲(chǔ)能量、柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩、并車箱轉(zhuǎn)速等信號(hào)，控制調(diào)峰電機(jī)的電樞電流以保證調(diào)峰電機(jī)的功率輸出滿足要求，從而控制調(diào)峰電機(jī)是否處于電動(dòng)狀態(tài).

電動(dòng)投入條件：（1）并車箱轉(zhuǎn)速；（2）懸重；（3）滾筒離合器狀態(tài)；（4）飛輪儲(chǔ)能器功率滿足投入要求；（5）調(diào)峰系統(tǒng)啟動(dòng).

電動(dòng)切出條件：（1）離合器狀態(tài)；（2）飛輪儲(chǔ)能器功率不足；（3）飛輪儲(chǔ)能器故障.

圖4 調(diào)峰電機(jī)控制原理

3 實(shí)驗(yàn)研究

單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)承擔(dān)的突加負(fù)載≤150kW，并車箱傳動(dòng)系統(tǒng)的額定輸入轉(zhuǎn)速為760r／min，調(diào)峰電機(jī)的功率600kW，發(fā)電時(shí)為儲(chǔ)能裝置提供750V直流電，功率140kW，電動(dòng)時(shí)儲(chǔ)能器為電機(jī)提供直流750V，400kW，20s的持續(xù)電源輸出，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率滿足1次／min，轉(zhuǎn)換過(guò)程平穩(wěn)無(wú)沖擊.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電機(jī)與機(jī)械并車箱傳動(dòng)系統(tǒng)并聯(lián)，轉(zhuǎn)速要滿足原系統(tǒng)的技術(shù)要求；負(fù)載檢測(cè)傳感器符合井場(chǎng)防爆要求，可靠耐用，傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中的負(fù)載變化，控制系統(tǒng)采集傳感器信號(hào)，分析系統(tǒng)中的負(fù)載變化以及綜合儲(chǔ)能器的狀態(tài)參數(shù)和負(fù)載變化參數(shù)，對(duì)調(diào)峰電機(jī)進(jìn)行控制.調(diào)峰電機(jī)是否運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，由動(dòng)力機(jī)組的功率冗余情況和儲(chǔ)能裝置的狀態(tài)參數(shù)共同控制；是否運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，由鉆井設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及傳動(dòng)系統(tǒng)中負(fù)載變化量進(jìn)行控制.調(diào)峰電機(jī)切換到電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，扭矩控制要具有軟特性，即調(diào)峰電機(jī)扭矩輸出的上升和下降斜率可調(diào)，穩(wěn)定輸出時(shí)間可調(diào)，并能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，達(dá)到平穩(wěn)承擔(dān)沖擊負(fù)載，平滑的將電機(jī)承擔(dān)負(fù)載轉(zhuǎn)移到發(fā)動(dòng)機(jī)的目的.調(diào)峰電機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，要充分考慮與柴油機(jī)的負(fù)載分配比例，控制的是柴油機(jī)的負(fù)載加載速率.圖5～8為電動(dòng)機(jī)發(fā)電、電動(dòng)電源轉(zhuǎn)換結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)表明，飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)能有效平抑機(jī)械鉆機(jī)游車在下放和上升過(guò)程中出現(xiàn)的負(fù)載波動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊，最大限度地減少?zèng)_擊負(fù)荷的強(qiáng)度，可以節(jié)約電能20%以上.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)用于柴油機(jī)鉆機(jī)的機(jī)械調(diào)峰設(shè)計(jì).在游車處于下放狀態(tài)時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，通過(guò)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)四象限變流控制器、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁控制器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償系統(tǒng)管理控制器的控制，使之工作在發(fā)電狀態(tài)，由柴油機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為飛輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能儲(chǔ)存下來(lái)；在游車處于上升狀態(tài)時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率小于需要的功率，通過(guò)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)四象限變流控制器、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁控制器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償系統(tǒng)管理控制器的控制，使之工作在電動(dòng)狀態(tài)，由飛輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械能，以補(bǔ)償柴油機(jī)的輸出不足，保證了柴油機(jī)的工作穩(wěn)定及最佳工作油耗.實(shí)驗(yàn)研究表明，這種技術(shù)可有效地平抑鉆機(jī)游車在下放和上升過(guò)程中出現(xiàn)的負(fù)載波動(dòng)，最大限度地減少?zèng)_擊負(fù)荷強(qiáng)度，節(jié)能效果顯著.

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