鉆井平臺燃?xì)怆娬緵_擊負(fù)荷在線辨識與補(bǔ)償

韓云龍，王生春，張紅艷，劉桂英，黨向萍，張則亞，郝利華

（中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司，山東濟(jì)南 250306）

0 引言

在油田鉆井平臺上，由于大功率電力系統(tǒng)長期運(yùn)行的需要，由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組組成的電站動力系統(tǒng)在鉆井動力成本、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排等方面具有顯著優(yōu)勢。然而，在油田鉆井過程中，由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組組成的電站鉆井動力系統(tǒng)，存在著對非線性沖擊負(fù)荷條件適應(yīng)性差、響應(yīng)時間慢等問題，不能滿足鉆井平臺的用電需求。采用超級電容器作為沖擊負(fù)荷的功率補(bǔ)償元件，具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償功率高等優(yōu)點。通過動態(tài)沖擊負(fù)荷補(bǔ)償算法和電力系統(tǒng)補(bǔ)償功率控制策略，完成暫態(tài)有功和無功電流的定量計算。研究鉆井平臺燃?xì)怆娬緵_擊負(fù)荷在線辨識與補(bǔ)償技術(shù)，其為沖擊負(fù)荷補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。在實際應(yīng)用中，采用濟(jì)柴研制的HIT-CESS 控制系統(tǒng)進(jìn)行在線辨識和補(bǔ)償控制，控制系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

1 動態(tài)沖擊負(fù)荷補(bǔ)償原理

動態(tài)沖擊負(fù)荷補(bǔ)償原理，是通過采集負(fù)荷電流iLOAD和補(bǔ)償側(cè)電流iUPQC，通過abc/dq 坐標(biāo)變換求出負(fù)荷有功電流iqLOAD和補(bǔ)償側(cè)有功電流iqUPQC。將有功負(fù)荷電流iqLOAD通過高通濾波器得到其有功電流高頻暫態(tài)分量ihp，主控制器發(fā)出補(bǔ)償電流指令，令iqUPQC=ihp，使補(bǔ)償側(cè)有功電流iqUPQC根據(jù)指令值變化，實現(xiàn)動態(tài)有功功率補(bǔ)償。高通濾波器的濾波時間常數(shù)τ 決定了補(bǔ)償電流的持續(xù)時間和幅值[2-3]。動態(tài)沖擊負(fù)荷補(bǔ)償原理如圖2 所示。

2 沖擊性負(fù)荷的在線辨識

燃?xì)怆娬竟╇娋W(wǎng)絡(luò)中存在電流關(guān)系見式（1）：

式（1）中iqLOAD、iqDG、iqUPQC分別表示負(fù)荷有功電流、發(fā)電機(jī)輸出有功電流與沖擊性負(fù)荷動態(tài)補(bǔ)償輸出有功電流。因此當(dāng)負(fù)荷有功變化時：

式中|iqLOAD|是負(fù)荷電流有功分量的瞬態(tài)變化量。將式（3）代入式（1）中得到：

從式（4）可以看出，當(dāng)負(fù)荷的有功分量瞬態(tài)變化時，即時間為零時。

圖1 HIT-CESS 控制系統(tǒng)示意

圖2 動態(tài)沖擊負(fù)荷補(bǔ)償原理

圖3 沖擊負(fù)荷在線辨識示意

所以：

由上式可知，實時有功功率分量補(bǔ)償后，當(dāng)負(fù)荷有功功率元件發(fā)生暫態(tài)變化時，發(fā)電機(jī)輸出電流的有功部分不會發(fā)生大的變化，也就是說，發(fā)電機(jī)組不受負(fù)荷有功功率元件暫態(tài)變化的影響[3-5]。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組輸出有功電流部分隨時間的變化規(guī)律如下：

沖擊負(fù)荷有功補(bǔ)償系統(tǒng)的輸出電流隨時間呈負(fù)指數(shù)規(guī)律逐漸減小，發(fā)電機(jī)組有功電流分量逐漸增大。當(dāng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時，沖擊負(fù)荷有源補(bǔ)償系統(tǒng)的輸出電流為零，機(jī)組輸出電流的有功分量等于負(fù)荷。

因此沖擊負(fù)荷有功補(bǔ)償系統(tǒng)具有瞬時補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)機(jī)制。在實際應(yīng)用中，是采用濟(jì)柴HIT-CESS 控制系統(tǒng)進(jìn)行在線辨識的，如圖3 所示。

3 電站動力系統(tǒng)補(bǔ)償功率控制策略

沖擊負(fù)荷動態(tài)補(bǔ)償主要進(jìn)行瞬態(tài)有功和無功電流的給定量的運(yùn)算，并完成瞬態(tài)功率輸出的控制[3-6]。

3.1 產(chǎn)生沖擊性負(fù)荷時

在判斷出沖擊負(fù)荷時，采用有功電流變化率閉環(huán)控制策略，保證燃?xì)鈾C(jī)組的輸出功率與負(fù)荷功率一致時，有功電流的變化率為零。在這種情況下，功率調(diào)節(jié)器自動退出有功功率補(bǔ)償，以避免長期輸出有功功率[2-7]。

3.2 未產(chǎn)生沖擊性負(fù)荷時

在判斷出未產(chǎn)生沖擊性負(fù)荷時，應(yīng)為超級電容充電，通過直流變換器和充放電控制器來實現(xiàn)。直流電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器用于直流母線電壓的恒定控制，此時功率調(diào)節(jié)器吸收功率[2-7]。

3.3 負(fù)荷有功功率小于零時

在判斷出負(fù)荷有功功率小于零時，即需要吸收再生能量時，功率調(diào)節(jié)器的有功電流變?yōu)樨?fù)值，則由超級電容吸收能量，進(jìn)而減少燃料的消耗，達(dá)到節(jié)能效果[2-7]。

對于無功功率補(bǔ)償算法，直接將負(fù)荷無功電流作為功率調(diào)節(jié)器的給定，則其無功功率輸出將自動實現(xiàn)與負(fù)荷側(cè)相平衡。

4 結(jié)束語

鉆井平臺燃?xì)怆娬镜臎_擊負(fù)荷在線辨識與補(bǔ)償研究是通過沖擊負(fù)荷動態(tài)補(bǔ)償算法得到電流指令后，通過控制變換器的動作來控制系統(tǒng)的輸出功率，從而自適應(yīng)跟蹤補(bǔ)償裝置的輸出電流。采用電流滯環(huán)控制，該方法可以實現(xiàn)電流的直接控制。采用PWM 控制技術(shù)對電流波形進(jìn)行實時跟蹤。與間接控制相比，電流直接控制具有更快的響應(yīng)速度和更高的控制精度。在這種控制方法中，功率補(bǔ)償單元實際上相當(dāng)于一個受控電源。通過對負(fù)荷電流的檢測，可以得到需要補(bǔ)償?shù)墓β孰娏鳎瑥亩鴮崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)沖擊負(fù)荷的在線辨識和補(bǔ)償調(diào)整。