王帥 , 趙克, 安群濤, 段建東, 孫力, 陳哲
(1.哈爾濱工業大學 電氣工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.大慶油田有限責任公司 生產運行部,黑龍江 大慶 163712)
鉆井直流微電網沖擊功率的混合儲能平衡技術
王帥1, 趙克1, 安群濤1, 段建東1, 孫力1, 陳哲2
(1.哈爾濱工業大學 電氣工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.大慶油田有限責任公司 生產運行部,黑龍江 大慶 163712)
受限于鉆井直流微電網的功率動態調節緩慢,沖擊性負載對鉆井直流微電網電能質量造成嚴重影響。為了解決直流微電網沖擊功率供需均衡問題,提出以混合儲能環節為核心的補償方法。基于超級電容和蓄電池儲能的互補特性,在傳統混合儲能控制策略的基礎上,提出一種納入蓄電池參考電流約束和電流動態分配的混合儲能控制策略。在保證蓄電池電流限制值不被超越的前提下,實現沖擊功率在混合儲能單元內的優化分配,從而既能夠延長蓄電池生命周期,又顯著縮短了混合儲能系統沖擊功率補償的動態響應時間,解決了鉆井直流微電網電壓波動的問題。仿真與實驗驗證了所提控制策略的有效性與可行性。
直流微電網;沖擊功率;混合儲能;蓄電池;超級電容
石油鉆井現場主要由柴油發電機組或天然氣發電機組構成的微電網供電。微電網是否能夠安全、穩定運行,是鉆井生產能否順利進行的主要因素之一[1]。鉆井微電網的負荷主要是由泥漿泵、大鉤絞車和轉盤驅動電機三部分組成[2],這些負荷都具有功率變化速度快,負荷升降速度快,間隔短等特點。在石油鉆井負荷頻繁突變的工況下,如果沒有有效抗沖擊性負荷的功率平衡技術,會造成柴油或天然氣發動機的轉速大幅度波動,嚴重的將造成發動機停車保護,無法保證鉆井生產安全、穩定運行[3]。
鉆井微電網如何抗沖擊性負荷在石油鉆井行業一直備受廣泛的關注。由于鉆井平臺由若干臺發電機組構成微電網,其總設計容量與負荷總容量比較接近。在鉆井微電網中,負荷的突變功率與發動機發電機組輸出額定功率的比值可以表示為

(1)
其中:P1為負載突變后功率;P0為負載突變前功率;Pe為發動機發電機組輸出額定功率;通常突變負荷應滿足0<ηM<20%。
當突變功率與額定功率的比值ηM較大時,負荷突變會對發電機組造成很大影響。這一問題在采用天然氣發動機發電機組構成的鉆井微電網系統時更為突出,通過對ZJ32J鉆機分別采用一臺810 kW柴油機發電機組和一臺1 320 kW天然氣發動機發電機組為動力源進行現場單機突變負載對比試驗驗證。分別對提鉆工況和和提升空游車工況做突變負載測試,提鉆和上提空游車時原動機轉速恢復穩定的穩定時間如表1所示。可以看出,在突變負載工況下,天然氣發動機轉速恢復時間比柴油機慢6 s左右,原因是天然氣發動機的動態有功調節具有的慣性更大,功率調節響應特性更軟。
為了滿足在鉆井各種工況下沖擊性負載對電能的需求,可采取的方法有兩個。一種辦法是增加發動機發電機組的容量[4],即通過提高微電網的容量降低功率變化的相對值,但是這樣拉大了電網額定容量和負荷額定值的比值,使得發電機組經常處于半額或更小的運行狀態,帶來了運行效率的降低;第二種方法是在系統中加入儲能單元和對應的功率變換單元,能夠起到瞬態發電機的作用,通過這一環節在負荷突增或突降波動劇烈的時候起到功率平衡的作用。而對于功率平衡時產生的瞬間功率突變需求,要求理想儲能系統應該具有大的能量和大的功率輸出能力。

表1 柴油機和天然氣發動機性能對比Table 1 Performance comparison between diesel engine and natural gas engine
從儲能的特點上看,適應于功率平衡的儲能單元是超級電容組。以電荷形式儲能的超級電容,在系統充放電過程中,瞬時電流是較大的,功率密度較比蓄電池大很多;而對于蓄電池,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,通過利用超級電容和蓄電池各自的優點來設計具有高能量密度和高功率密度的混合儲能系統,使其應用在針對瞬態沖擊功率的平衡系統中,既能快速補償瞬時功率,同時也保證了系統補償功率的持續時間。
目前,在對混合儲能系統的研究中,不同儲能介質之間的功率分配策略是近年來研究的熱點[9-11],直接影響儲能系統的成本、生命周期和效率等。文獻[12]對超級電容器/蓄電池混合儲能用于平衡微電網有功功率以維持微電網安全穩定運行進行研究,研究發現混合儲能可以改善蓄電池的充放電過程,延長其使用壽命,有較強的技術經濟性。文獻[13]采用模糊控制理論將超出目標值的功率偏差在兩種儲能介質之間進行分配,當超級電容電量充足時,由其獨立補償功率偏差值,以減少蓄電池的充放電次數。
通過從設備配置上對鉆井現場系統結構進行解析和思考。首先針對鉆井直流微電網負荷特點進行了分析和描述,并對現有鉆井現場應對沖擊負荷所采用方法的優缺點進行了研究,分析了混合儲能系統的作用。然后從瞬態平衡功率角度出發,給出一個具有混合儲能瞬時功率補償的石油微電網動力系統方案。最后基于這一方案,研究分析一種改進的混合儲能補償策略,并通過仿真與實驗證明了觀點和思路的可行性。
1.1 鉆井直流微電網負載類型及特性分析
鉆井動力傳動系統如圖1所示。由三臺天然氣發電機組構成一個微電網運行發出交流電能經整流后構成直流電源系統,經變頻器等供負載電能。

圖1 鉆井動力傳動系統示意圖Fig.1 Diagram of drilling power transmission system
由圖1可知,鉆井直流微電網的主要負載分為3種,統稱為鉆井動力負載。一種為泥漿泵負載,這種負載的特性具有啟動負載大,且隨著鉆井深度的增加負載越平穩,由于是往復三缸泵,因此負載比較大并伴隨著小幅波動。一種為轉盤負載,這種負載隨著鉆壓、地層特性變化而一直處于波動狀態,負載波動比較大,但是負載值比較小。還有一種負載為絞車提升系統,這種負載隨著井深、鉆柱的增加而增大,是鉆井直流微電網系統中動載變化最大的負載,大多數負載突變的工況均是由絞車提升系統引起的,鉆井越深負載突變特性越明顯。現場鉆井實際負載工況如表2所示。

表2 鉆井現場實際負載工況Table 2 Actual loads of drilling site
鉆機提升系統在鉆井動力中是由電動機驅動絞車,每當鉆機提升的瞬間,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載。這種沖擊性負載由負載突增和負載突減兩個部分組成,一般僅持續幾十至一百多秒鐘。圖2為鉆井現場鉆井深度為850 m提鉆時直流微電網的電壓電流與發動機轉速波形圖。由圖2可以看出,突增負載時,發動機轉速下降至790 r/min,經過45秒鐘左右才恢復穩定,直流母線電壓波動在80 V左右;突減負載后,由于負載突減過大,發動機速度調節過慢,發動機轉速超過1 200 r/min,造成發動機失速保護,導致直流微電網故障。由此可見石油開采現場存在較為嚴重的沖擊性負載。

圖2 提鉆工況波形圖Fig.2 Waveform figure of lift drill
1.2 基于混合儲能的瞬態功率平衡技術
為了提升微電網的帯載能力,滿足鉆井現場沖擊性負載對電能的需求,通過對直流微電網中加入混合儲能單元和對應的功率變化單元,用來穩定由于負荷突增或突降波動劇烈時引起的直流微電網電壓波動現象。基于混合儲能的直流微電網瞬間沖擊功率平衡系統結構如圖3所示。

圖3 鉆井直流微電網功率平衡系統結構Fig.3 Structure of drilling DC micro grid powerbalance system
該系統是在圖1給出的常規鉆井微電網動力系統的基礎上增加了混合儲能瞬時功率平衡系統。從鉆井微電網的發電機組到負載端的整個網絡構成看,混合儲能瞬時功率補償系統即可以連接到整流之前的發電機組輸出側,又可以連接到整流橋后的直流側。在系統結構上,選擇在直流側補償的好處是補償系統的直流能量都將作為有功能量輸送給負載,而在交流側則涉及到整流負載的電流諧波問題。在圖3中,vB和vSC分別為蓄電池,超級電容電壓,iB和iSC分別為蓄電池和超級電容電流,LB和LSC分別為蓄電池變換器和超級電容變換器的濾波電感。vo是直流母線電壓,C1為濾波電容。
當發電機組的輸出功率與負載需求功率不平衡時,將導致天然氣發動機轉速大幅波動,嚴重時甚至停車,進而使得直流電網電壓波動,甚至跳閘,因此由混合能量存儲系統通過雙向DC/DC變換器連接到直流母線上,并用來維持直流電網電壓恒定,保證天然氣發電機組正常運行。當出現沖擊性負載時,在負載突增階段,由于發電機組無法快速跟隨負載變化調節輸出功率,這時負載需求瞬時功率遠遠大于發電機組輸出功率,因此混合儲能系統會通過快速放電來補償缺少的功率,并隨著發電機組輸出功率增大而逐漸減少,最后平穩退出補償。同時,在負載突減階段,負載需求小于發電機組提供的瞬時電量,混合儲能系統將會充電來吸收剩余功率,防止能量過剩導致天然氣發動機超速停車。
2.1 傳統的混合儲能控制策略
傳統的混合儲能控制策略框圖如圖4所示[14]。

圖4 傳統的混合儲能控制策略框圖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進行比較,通過補償器輸出混合儲能系統總的參考電流iref。iref分為高頻分量和通過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參考iB_ref,高頻分量作為超級電容電流控制環參考iSC_ref。
2.2 改進的混合儲能控制策略
對于傳統的混合儲能控制策略而言,由于蓄電池對充放電電流大小要求比較嚴格,為保障蓄電池的經濟優化運行,通常還要考慮蓄電池的充放電功率限制[15]。因此,在滿足直流微電網瞬態沖擊功率需求的情況下,對低通濾波后的蓄電池參考電流進行修正,根據蓄電池充放電要求設置充放電率,超出蓄電池充放電率的電流由超級電容來補償。這個算法的目的是減少蓄電池的充放電壓力,從而延長蓄電池的使用壽命。改進的混合儲能控制策略框圖如圖5所示。

圖5 改進的混合儲能控制策略框圖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進行比較,得到的誤差通過PI控制器生成一個混合儲能系統應該提供的總電流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通過比率限幅來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與實際蓄電池電流iB比較,得到誤差iB_err,iB_err通過PI控制器生成一個占空比DB,提供給PWM生成器來產生蓄電池變換器的PWM驅動信號。
iref的高頻分量iHFC_ref可表示為
iHFC_ref=iref-iB_ref。
(4)
由于蓄電池的慢動態特性,蓄電池不能瞬間跟隨iB_ref。所以,蓄電池不能補償的功率為
PB_un=(iHFC_ref+iB_err)vB。
(5)
其中vB為蓄電池電壓。這個蓄電池不能補償的功率由超級電容來補償。所以超級電容的參考電流iSC_ref可表示為

(6)
其中vSC為超級電容電壓。參考電流iSC_ref與實際的超級電容電流iSC比較,得到的誤差信號經PI控制器生成占空比DSC提供給PWM生成器來產生超級電容變換器的PWM驅動信號。
根據文獻[16],雙向變換器的充電和放電模式可共用一個變換器的傳遞函數。這就意味著可以用一個控制器通過采用上下開關管互補的方式來進行控制[17]。因此,選擇分析boost工作模式下的控制器,考慮開關頻率為3 kHz。由于雙向變換器的開關頻率遠大于直流微電網狀態的變化速率。因此,在短時間內可以認為混合儲能單元的直流母線功率恒定,等效為一個恒功率負載[18]。
3.1 超級電容電流環設計
超級電容控制器框圖如圖6所示。超級電容參考電流(iSC_ref)由電壓控制環輸出產生。

圖6 超級電容控制器框圖Fig.6 Block diagram of SC controller
當運行于Boost模式時,如圖3所示,鉆井動力負載為交直流電機負載,但考慮到一般采用直流電機,因此將鉆井動力負載等效為電阻性負載R。設dSC為S2的開關函數,其小信號模型的傳遞函數為[19]

(7)

電流控制環開環傳遞函數為
Gol_SC=Gpi_SCGid_SCHSC,
(8)
其中

(9)
超級電容雙向變換器的仿真參數如表3所示。

表3 超級電容單元仿真參數Table 3 Simulation parameters of Supercapactior
圖7為這組參數開環傳遞函數的bode圖。PI參數通過Matlab的SISO工具箱來設計與調整。所計算出的參數分別為Kp_SC=0.000 454和Ki_SC=0.5。

圖7 超級電容電流環開環Bode圖Fig.7 Bode plot of current control loop of Supercapactior
3.2 蓄電池電流環設計
蓄電池電流控制器的框圖如圖8所示。當系統運行于Boost模式時,如圖3所示,設dB為S4的開關函數,其小信號模型的傳遞函數為[19]

(10)


圖8 蓄電池電流控制器框圖Fig.8 Block diagram of battery current controller
電流控制環開環傳遞函數為
Gol_B=Gpi_BGid_BHB,
(11)
其中

(12)
蓄電池單元的仿真參數如表4所示。

表4 蓄電池控制器參數Table 4 Simulation parameters of battery
圖9為表4仿真參數下開環傳遞函數的bode圖。PI控制器參數通過Matlab的SISO工具箱來設計與調整。所計算出的參數分別為Kp_B=0.000 414和Ki_B=0.34。

圖9 蓄電池電流環開環Bode圖Fig.9 Bode plot of current control loop of Battery
3.3 混合儲能電壓環設計
電感電流到輸出電壓的傳遞函數為[19]

(13)

電壓控制環開環傳遞函數如式(14)所示:
Gol_v=Gpi_vGcl_SGvi_vHv,
(14)
其中:

(15)

(16)
圖10為開環傳遞函數的bode圖。PI控制器參數計算為Kp_v=9,Ki_v=1。

圖10 混合儲能電壓環Bode圖Fig.10 Bode plot of voltage control loop of HESS
4.1 仿真
為驗證直流微電網瞬態沖擊功率的混合儲能平衡控制策略的有效性,根據圖3建立基于Matlab/SIMULINK的直流微電網功率平衡系統仿真模型,并對直流微電網的瞬態沖擊功率運行狀態進行了仿真。鉆井直流微電網仿真模型包括天然氣發電機組、PWM整流器、混合儲能單元和負荷等。仿真參數如下:天然氣發電機組容量3 MW,混合儲能總容量1.5 MW(蓄電池容量100 A·h,額定電壓480 V;超級電容器電容165 F,額定電壓600 V),負荷突變功率為1.5 MW。
圖11為鉆井直流微電網系統在無補償狀態下突增負載仿真波形。從圖中可以看出,在負載突變后直流母線電壓會在20 s左右穩定,而在此過程中母線電壓波動范圍在790 V~860 V左右。

圖11 無補償時直流微電網突增負載仿真波形Fig.11 Simulation waveform of dc micro-gridload surges without compensation
圖12為直流微電網在無補償狀態下突減負載仿真波形。從圖中可以看出,在負載突變后直流母線電壓會在15 s左右穩定,而在此過程中母線電壓升高至900 V。

圖12 無補償時直流微電網突減負載仿真波形Fig.12 Simulation waveform of dc micro-grid load sharp decrease without compensation
當鉆井直流微電網系統加入混合儲能系統后,其中超級電容按電流的高頻分量進行充放電,蓄電池按功率的低頻分量進行充放電。突加負載波形如圖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,第三條曲線為超級電容電流波形。

圖13 補償時直流微電網突加負載仿真波形Fig.13 Simulation waveform of dc micro-grid load surges with compensation
當出現突增負載時,負載功率的高頻分量作為超級電容給定,使得超級電容輸出電流由0 A迅速提升至1 670 A,而蓄電池則緩慢上升到960 A,在超級電容與蓄電池混合作用下,超級電容提供負載突變功率,蓄電池提供持續能量來穩定天然氣發電機組由于負載突變造成的母線電壓波動,在第15 s時發電機組輸出功率逐漸與負載功率達到平衡時,蓄電池逐漸退出補償狀態,避免母線電壓再次波動。
突減負載波形如圖14所示,當出現突減負載時,超級電容輸出電流由0A迅速變為-1500A,而蓄電池則緩慢降到-750A,超級電容與蓄電池吸收由于負載突減造成的能量過剩,由圖可以看出母線電壓波動明顯變緩,說明補償作用是明顯的,吸收剩余能量存儲起來,為下一次負載突變做準備。

圖14 補償時直流微電網突減負載仿真波形Fig.14 Simulation waveforms of dc micro-grid load sharp decrease by compensation
4.2 實驗結果分析
為了驗證瞬態沖擊功率平衡系統的正確性與可行性,搭建了如圖3所示的驅動控制實驗平臺進行實驗研究。由于實驗條件有限,無法搭建鉆井現場由多臺發電機組組成的直流微電網,只能采用中國濟柴動力總廠調試車間的單臺天然氣發電機組模擬鉆井直流微電網,其負載為電阻負載用來模擬現場沖擊負載工況。天然氣發電機組為濟柴動力總廠生產的額定功率為1 320 kW,額定電壓為交流600 V輸出的天然氣發電機組。超級電容采用78個48 V,165 F超級電容組13串6并,總容值為76 F,額定電壓為624 V;蓄電池采用40個標稱12 V/33 A·h的蓄電池串聯,額定電壓為480 V。直流母線電壓為840 V,以突加400 kW電阻負載為實驗條件,由式(1)可知,ηM=30.3%。
圖15和圖16分為加入功率平衡系統的直流微電網突加400 kW負載后,傳統控制策略與改進控制策略對比實驗波形。
圖15(a) 為采用傳統控制策略下直流微電網母線電壓跌落約80 V,電壓波動明顯,母線電壓調節時間在4 s左右。圖15(b)與15(c)為傳統控制策略下超級電容電流和蓄電池電流。超級電容瞬時輸出約為200 A電流,2 s后退出;蓄電池輸出電流峰值在2 s后達到580 A,并且持續放電20 s后,緩慢退出放電。

圖15 傳統控制策略下突加負載實驗波形Fig.15 Experiment waveforms of load surges under conventional control strategy

圖16 改進控制策略下突加負載實驗波形Fig.16 Experiment waveforms of load surges under proposed control strategy
圖16(a)為所提出的改進控制策略下直流微電網母線電壓跌落約40 V,調節時間在1.5 s左右,調節時間較短。圖16(b)與16(c)為改進的控制策略下超級電容電流和蓄電池電流。與傳統控制策略相比,提出的改進控制策略超級電容瞬時輸出電流峰值達到600 A左右,放電時間延長至5 s,超級電容利用率大大增強,而蓄電池的輸出電流變得更加平滑,并且持續放電時間減少至13 s后,緩慢退出放電,有效延長了蓄電池的使用壽命。
圖17和圖18分為加入功率平衡系統的直流微電網突減400 kW負載后,傳統控制策略與改進控制策略對比實驗波形。圖17(a)為采用傳統控制策略下直流微電網母線電壓上升約40 V,母線電壓調節時間在5 s左右,電壓波動明顯。圖17(b)與17(c)為傳統控制策略下超級電容和蓄電池充電電流。超級電容瞬時充電電流約為200 A,2 s后退出;蓄電池吸收電流在2 s后達到560 A,并且持續吸收電流15 s后,緩慢退出充電。

圖17 傳統控制策略下突減負載實驗波形Fig.17 Experiment waveforms of load sharp decrease under conventional strategy
圖18(a)為提出的改進控制策略下直流微電網母線電壓上升約20 V,調節時間在2 s左右,調節時間較短。圖18(b)與16(c)為改進的控制策略下超級電容和蓄電池充電電流。與傳統控制策略相比,所提出的改進控制策略超級電容瞬時充電電流峰值達到610 A左右,充電時間延長至5 s;而蓄電池的充電電流經過5 s后充電電流達到峰值,蓄電池充電電流達到參考電流的時間更長,減少了對蓄電池的沖擊,并且持續吸收電流時間減少至8 s后,緩慢退出充電,有效延長了蓄電池的使用壽命。

圖18 改進控制策略下突減負載實驗波形Fig.18 Experiment waveforms of load sharp decrease under proposed control strategy
本文通過分析鉆井直流微電網負載類型及其特性,針對鉆井直流微電網系統存在的沖擊性負載導致直流微電網電壓波動的問題,提出一種基于混合儲能的沖擊功率平衡技術來穩定直流微電網電壓。鑒于傳統混合儲能控制策略沒有考慮蓄電池的充放電功率限制,仿真與實驗結果表明,在改進型的混合儲能控制策略下能夠合理、有效的實現功率分配,明顯提高超級電容的利用率,通過限制蓄電池充放電率,大大減小充放電時電流過大對蓄電池的沖擊,從而延長了蓄電池的使用壽命,并具有較好的抑制直流微電網電壓波動的效果。
[1] 陳明.淺析鉆井施工現場的電能質量問題[J].科技促進發展,2011,S1:226. CHEN Ming.The analysis on the power quality problems of drilling construction site [J].Science & Technology for Development,2011,S1:226.
[2] 王柏和,郭艷欣,劉政,等.卡特3516CHD柴油發電機組在JU2000E鉆井平臺上的應用[J].中國海洋平臺, 2014, 29(6):48-52 WANG Bohe,GUO Yanxin,LIU Zheng, et al.Application of CAT3516CHD diesel generating set on JU2000E drilling platform[J].China Offshore Platform,2014, 29(6):48-52.
[3] 李強,邱銀鋒,林楊,等.海上平臺電網電能質量改善技術[J].建筑電氣,2015, 34(03):54-58. LI Qiang, QIU Yinfeng, LIN Yang, et al.Power quality improvement technology for power grid of offshore platform[J].Building Electricity, 2015, 34(3):54-58.
[4] 方永春,曾志偉,許山明,等.柴油與天然氣發動機動力性能對比分析[J].石油和化工設備,2015,09:43-46. FANG Yongchun, ZENG Zhiwei, XU Shanming,et al.The dynamic performance contrastive analysis of Diesel and gas engine[J].Petro & Chemical Equipment, 2015,09:43-46.
[5] 張純江,董杰,劉君,等.蓄電池與超級電容混合儲能系統的控制策略[J].電工技術學報.2014, 29(4): 334-340. ZHANG Chunjiang, DONG Jie, LIU Jun, et al.A control strategy for battery-ultracapacitor hybrid energy storage system[J].Transactions of China Electro- technical Society, 2014, 29(4): 334-340.
[6] PATRICK,MOSELEY.Energy storage in remote area power supply (RAPS) systems[J].Journal of Power Sources, 2006, 155(1):83-87.
[7] 周封,楊玉萍,王晨光,等.電動車IVT功能設計及電池管理系統的優化[J].哈爾濱理工大學學報,2012,04: 22-26+33. ZHOU Feng, YANG Yuping, WANG Chenguang,et al.Design of intelligent vehicle terminal ( IVT) for electric cars and optimization of battery management system[J].Jouranl of Harbin University of Science and Technology, 2012,04:22-26+33.
[8] 周林, 黃勇, 郭珂, 等.微電網儲能技術研究綜述[J].電力系統保護與控制, 2011, 39(7): 147-152. ZHOU Lin, HUANG Yong, GUO Ke, et al.A survey of energy storage technology for micro grid[J].Power System Protection and Control, 2011, 39(7): 147-152.
[9] 蔣瑋,周贛,王曉東,等.一種適用于微電網混合儲能系統的功率分配策略[J].電力自動化設備,2015,04:38-43+52. JIANG Wei, ZHOU Gan,WANG Xiaodong, et al.Power allocation strategy of hybrid energy storage system for micro grid[J].Electric Power Automation Equipment,2015,04:38-43+52.
[10] DOUGAL R A,LIU Shengyi, WHITE R E.Power and life extension of battery-ultracapacitor hybrids[J].IEEE Trans on Components and Packaging Technologies, 2002, 25(1):120-131.
[11] ZHANG Y,JIANG Z.Dynamic power sharing strategy for active hybrid energy storage systems[C]// Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009.VPPC '09.IEEE.2009:558-563.
[12] 張國駒,唐西勝,齊智平.超級電容器與蓄電池混合儲能系統在微網中的應用[J].電力系統自動化,2010,12:85-89. ZHANG Guoju, TANG Xisheng, QI Zhiping.Application of hybrid energy storage system of super-capacitors and batteries in a micro grid[J].Electric Power Automation Equipment, 2010, 12: 85-89 .
[13] 丁明, 林根德, 陳自年,等.一種適用于混合儲能系統的控制策略[J].中國電機工程學報, 2012,32(7),1-6. DING Ming,LIN Gende,CHEN Zinian,et al.A control strategy for hybrid energy storage systems[J].Proceedings of the CSEE, 2012,32(7):1-6.
[14] SATHISHKUMAR R,KOLLIMALLA S K,MISHRA M K.Dynamic energy management of micro grids using battery super capacitor combined storage[C]// India Conference.IEEE, 2012:1078-1083.
[15] 韓曉娟,程成,籍天明,等.計及電池使用壽命的混合儲能系統容量優化模型[J].中國電機工程學報,2013,34:91-97+16. HAN Xiaojuan, CHEN Cheng, JI Tianming, et al.Capacity optimal modeling of hybrid energy storage systems considering battery life[J].Proceedings of the CSEE, 2013, 34:91-97+16.
[16] ZHANG J,LAI J S,YU W.Bidirectional DC-DC converter modeling and unified controller with digital implementation[J].IEEE, 2008:1747-1753.
[17] LAHYANI A,VENET P,GUERMAZI A,et al.Battery/ super capacitor combination in uninterruptible power supply (UPS) [J], IEEE Trans.Power Electron.2013, 28(4):1509-1522.
[18] JIN C,LU N,LU S,et al.Coordinated control algorithm for hybrid energy storage systems[C]// Power and Energy Society General Meeting.IEEE, 2011:1-7.
[19] JIN Y,XU J,ZHOU G,et al.Small-signal modeling and analysis of improved digital peak current control of boost converter[C]// Power Electronics and Motion Control Conference, 2009.IPEMC '09.IEEE 6th International.2009:326-330.
(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
國家自然科學基金(51507039);中國博士后科學基金(2016M591529);中央高校基本科研業務費專項資金(HIT.NSRIF.2017013)
王 帥(1984—),男,博士研究生,研究方向為電機驅動、混合儲能技術; 趙 克(1973—),男,副教授,研究方向為電力電子、并網逆變器; 安群濤(1984—),男,副教授,研究方向為電機控制、儲能技術; 段建東(1985—),男,博士,講師,研究方向為分布式發電技術、超級電容儲能技術; 孫 力(1960—),男,教授,博士生導師,研究方向為電機驅動及其控制、微電網技術; 陳 哲(1983—),男,碩士,工程師,研究方向為石油開采、電力系統。
段建東
10.15938/j.emc.2017.04.008
TM 614
A
1007-449X(2017)04-0053-09