自升式鉆井平臺電池儲能系統規劃和運行研究

王興月，賈 濤，王永明

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自升式鉆井平臺電池儲能系統規劃和運行研究

王興月，賈 濤，王永明

（太重（天津）濱海重型機械有限公司技術中心，天津 300457）

針對海洋平臺不同工況下負荷的波動及發電機可能出現的故障問題，為保證其供電的連續性，引入儲能裝置平抑系統中的電能，并采用一種儲能系統規劃和運行的雙層數學模型，該模型外層優化利用智能優化算法PSO優化儲能系統的規劃問題，內層優化采用CPLEX規劃法，研究該平臺的運行問題。利用日前負荷預測結果，實現不同時間尺度問題的同時求解。對平臺電力系統進行了仿真研究，仿真結果驗證了所提模型的有效性及可行性。最后，將仿真結果應用于TZ-400自升式鉆井平臺。

儲能裝置 原油發電機 雙層優化 機組調度

0 引言

海洋平臺不同工況下負載波動較大，在平臺電力系統中，需要融入儲能系統，以滿足系統的供電可靠性要求。然而，研究發現，儲能系統的離網規劃和并網運行問題相互影響，規劃過程需要考慮到儲能系統離網規劃過程的初期購置成本及并網后的運行維護費用[1]。因此，在儲能系統規劃過程中要將其并網運行使用后的運行問題考慮在內。為研究儲能電池對電網的影響，文獻[1]建立了儲能裝置的規劃及運行不同時間維度模型，研究了其動態特性，并深入研究儲能系統融入對電網產生的影響。文獻[2]分別從降低經濟成本和規避風險角度，研究儲能裝置最優配置對于電網運行的影響，文獻[3]以降低經濟成本為出發點，以儲能裝置規劃過程的裝機容量和最佳接入位置為變量，建立起混合整數非線性規劃模型求解經濟成本最優問題。

文章依托太重（天津）濱海重型機械有限公司正在建造的TZ-400自升式鉆井平臺項目，針對其不同運行工況下的負荷波動情況，進行日前負荷預測，引入儲能裝置實現電能的削峰填谷，采用一種電池儲能系統的雙層優化數學模型，以經濟成本最低為優化目標，并滿足相關約束條件，優化得到儲能裝置在平臺電網中的最佳接入位置及裝機容量，并在滿足儲能裝置充放電策略的基礎上，求取最優解對應的并網運行后儲能系統充放電情況及原油發電機的出力情況。實現不同工況變負荷及發電機出現突發故障條件下海洋平臺電力系統的安全穩定運行。

1 原油發電機組

TZ-400型鉆井平臺是用于海上石油和天然氣勘探、開采工程作業的鉆井裝置，如圖1所示，適合于400英尺水深目標海域環境條件下的鉆井作業，具備深井/叢式井/水平井鉆井、固井和輔助試油等功能，側視圖如圖2所示。

圖1 TZ-400自升式鉆井平臺

傳統柴油發電機需要輸送大量的柴油，一方面燃料運送量大導致運行成本高，另一方面柴油價格要高于原油價格，海上天氣易受海浪影響，可能導致柴油輸送不及時等，會導致整個海上油田斷電，對終端用戶造成損害，而且平臺上原油充足，因此本項目選用原油發電機作為主電，為確保原油發電機發電過程不污染附近海域，原油進入發電機前要經過相關工藝流程進行處理，如圖3所示。

原油經采油平臺生產分離器將原油中的水和雜質分離、再進入脫硫塔進行脫硫處理，經燃料油分離器到閃蒸塔實現氣液相分離，再通過沉降罐、分油機凈化后儲存于日用罐供發電機使用。

根據詳細設計負荷計算書中不同工況下所需原油發電機容量及數量（見表1），可以看出，不同工況下發電機負荷率不同，但是任何工況下發電機負荷率均低于90%，可以看到極大的棄電現象，嚴重浪費電能。文章根據表1中負荷數據對平臺負荷進行日前預測，利用粒子群算法(particle swarm optimization，PSO) 對儲能系統進行規劃研究，內層優化采用CPLEX規劃法，研究該平臺的運行問題，并利用日前負荷預測結果，實現規劃和運行不同時間范疇問題的同時求解，對平臺電力系統實時控制，調度原油發電機組出力，從而實現節能減排的目標。

圖2 TZ-400自升式鉆井平臺側視圖

圖3 原油工藝處理流程圖

表1 自升式鉆井平臺不同工況下的負荷數據

設置4臺1200 kW正常原油發電機組，作為平臺常規作業設備用電的600 V主電源，同時可向日常用電設備供電。五臺機組能通過電站自動管理系統，自動并車并長期并聯運行；本平臺設置500 kW應急原油發電機組一臺。作為應急發電機組時，保證滿足平臺在主電源故障情況下，可自動在45 s內啟動，并向應急負載供電。

2 電池儲能系統概述

2.1 電池儲能系統結構

電池單體經過系列串并聯組合后形成電池組，通過電力電子裝置接入平臺電網，并通過其調節功率輸出。同時，為了消納吸收系統中多余電能，在電力電子裝置上加入相應的控制策略，其結構如圖4所示。

平臺具有特殊的供電可靠性要求，在負荷計算書中往往會選用總發電容量大于負荷總量的原油發電機，導致其在不同工況下會有不同程度的電能浪費，因此可以考慮加裝儲能的方式來改善其電網特性。根據平臺日前負荷預測數據，盡量合理調度原油發電機，在原油發電機發電量充足的時刻，將剩余電能儲存于儲能裝置內，當某臺發電機發生故障時，儲能裝置儲存的電能用于應急負荷供電。這樣儲能系統能夠快速吸收或釋放電能，能有效地降低平臺上的電能波動帶來的不利影響，為平臺電網提供了全新的節能思路。

圖4 電池儲能系統結構圖

2.2 荷電狀態模型

電池荷電狀態值反映了電池的剩余容量，可為制定儲能裝置的最佳配置方案提供重要依據，也是儲能裝置區別于傳統電源/負荷的最主要特征。采用安時計量法[4]，計算公式為

3 雙層優化問題數學模型

雙層優化問題具有兩層遞階結構，外層優化問題和內層優化問題分別建立規劃階段及運行階段的目標函數和約束條件[5-7]。本研究中，外層優化采用PSO優化算法對儲能系統在平臺中的位置和容量進行規劃，內層優化采用CPLEX（數學規劃法）針對鉆井平臺不同工況（即停泊狀態、樁腿升降狀態、鉆井狀態及應急狀態）下的負荷波動對儲能系統的中長期充放電及原油發電機組出力進行優化，流程圖如圖5所示。

該優化流程在滿足相關約束條件通過優化配置平臺電網中原油發電機不同工況各個運行時刻下的最優發電比，并利用儲能裝置消納吸收系統中的電能，達到最優的經濟運行目標。

3.1 外層優化問題

文章所應用的雙層決策模型中，外層優化模型用于求解儲能系統的規劃問題，主要包括儲能的布局和容量配置。外層優化的決策變量為儲能系統的最佳接入位置、配置容量，目標函數為整個系統的規劃成本，包括原油發電機及儲能裝置的投資成本，約束條件為系統的安全約束，包括潮流方程約束、節點電壓和線路潮流安全約束等[8,9]。為簡化優化過程，選定電池單組容量后，可將儲能系統的容量優化轉化為數量優化，優化的目標函為

式中：為外層規劃問題的規劃經濟成本$，為設備初始購置成本，為設備置換成本，為設備的年運行維護成本，為組件在整個系統壽命周期內的置換次數，具體取值見表2；為整個系統的壽命周期，這里取20年，為組件的壽命周期，為實際利率，這里取8%。

3.2 內層優化問題

外層優化確定了儲能裝置的位置和容量，而內層優化模型主要求解不同工況下儲能裝置及原油發電機組的運行情況。一般來說，在負荷沒有較大波動情況下，儲能系統的調節周期小于或等于一小時，并且容量有限，不會影響原油發電機組的啟停計劃。因此，內層優化實質是一個考慮儲能的只含功率分配階段的簡化機組組合。文章依據平臺工作特性，每種工況選取典型的一天，優化時段為15 min。

表2 原油發電機及儲能裝置經濟參數表

3.2.1目標函數

內層優化的目標函數為原油發電機的運行總成本

3.2.2約束條件

內層優化過程中約束條件復雜繁多，這里只列舉時段內系統約束條件：

1)考慮網損的系統有功功率平衡約束

2)原油發電機組的有功出力約束

3)機組的爬坡約束

4 仿真結果說明

文章將儲能裝置用于海洋平臺不同工況條件下電力調峰場景，探討不同工況條件下，儲能系統的規劃和運行情況，同時對原油發電機組的出力進行調度研究。對于該研究系統，其優化變量包括整數類型儲能裝置的數量及位置，和連續變量類型的原油發電機組不同工況不同時刻的有功出力，以及儲能裝置不同工況不同時刻的充放電情況。

文章研究對象是平臺微網的孤島測試系統，研究中選取每種工況條件典型的一天仿真，仿真步長為15 min，仿真優化的總時段為384。

4.1 儲能裝置布局和容量

通過3.1節介紹的外層優化得到儲能裝置容量及位置配置表見表3，從表中可以清晰看到儲能裝置的最佳接入位置及裝機容量，用于消納吸收系統中的多余電能。

表3 儲能裝置容量及位置配置表

雙層優化最優解對應的原油發電機組及儲能裝置初期總投資成本為6.873*105$，當平臺處于應急狀態，存放于應急發電機室、蓄電池間、主機艙中的儲能裝置可用于應急發電機組配套、UPS（不間斷）電源、霧笛和障礙燈、無線電設備及原油發電機組24 V備用電源。

4.2 原油發電機組調度計劃及儲能裝置的充放電

根據傳統的負荷計算書得到原油發電機組的容量配置方案，并根據PSO算法外層優化得到儲能的位置和容量，最后依據平臺日前負荷預測數據對平臺電力系統進行運行研究，利用CPLEX數學規劃法，得到機組日前調度計劃如圖6所示，最后利用平臺電站電源管理系統實現發電機自動啟停和實時調度。

從圖6中可以看出，每臺原油發電機組的出力都在其功率限制范圍內，且各臺機組出力近乎平穩，雖然平臺負荷具一定的波動性，但是加入儲能裝置后可以很好地平抑系統中的功率波動情況。即使負荷在不斷波動，加入儲能裝置后，原油發電機機組的總出力波動并不大。

圖6 機組日前調度計劃

同時可以看出，停泊狀態和應急狀態只啟動一臺應急原油發電機組，其他四臺機組處于停機狀態，樁腿升降狀態及鉆井狀態根據負荷波動及儲能裝置荷電狀態合理調度5臺原油發電機組，減少平臺上常見的棄電現象，從機組調度的角度實現節能減排的目標。

圖7為內層優化得到的儲能裝置的充放電功率圖，可以清晰地看到儲能裝置每個時段的充放電情況(正值放電，負值充電)，可以看出儲能裝置充放電基本平衡，用于消納原油發電機組輸出功率和負載間的能量差。從圖7中可以看出，當系統中的能量有剩余時，儲能裝置持續充電，直到充滿為止；當系統中的能量有不足時，儲能裝置持續放電，直到放完為止，儲能裝置充放電基本均衡，用于消納原油發電機組和負載間的能量差。

圖7 儲能裝置的充放電功率圖

5 結論

文章根據負荷計算書中負荷數據，利用PSO法對儲能系統進行規劃研究，然后對自升式鉆井平臺不同工況進行日前負荷預測，實時控制儲能系統，從而實現節能減排的目標。考慮平臺負荷的波動性，提出基于CPLEX的雙層PSO算法，確定儲能裝置在平臺電網中的最佳接入位置及裝機容量，并結合“經濟調度思想”優化出各個時段原油發電機機組的最佳出力，利用平臺電站電源管理系統實現發電機自動啟停和實時調度。并且考慮了儲能裝置的充放電策略，給出各個時段的充放電情況，所應用的算法繼承了群智能優化算法的優點，并且傳承了CPLEX工具包的快速收斂性，具有很強的應用性，仿真結果表明該配置方案可以促進能源供應的有機融合、智能化運營，仿真結果已應用于TZ-400自升式鉆井平臺，現在已處于舾裝階段。

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Planning and Operation Research on of Energy-storing System on Offshore Platform

Wang Xingyue, Jia Tao, Wang Yongming

(Technology Center, TZ(Tianjin) Binhai Heavy Machinery Co., LTD. Tianjin 300457, China).

1003-4862（2018）08-0031-05

TK821 TP391.9

B

2018-04-09

王興月(1987-)，女，工程師。研究方向：船舶電力系統的設計、運行及控制、分布式發電技術等。E-mail: wangxingyuecindy@163.com