鉆井絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真研究*

李建文 李云峰 呂濤 郭培軍 逄仁德 孫濤

(山東海洋工程裝備研究院有限公司)

0 引 言

絞車是提升系統(tǒng)的重要設(shè)備，是石油鉆機(jī)的三大核心工作機(jī)之一，其主要工作是起下鉆柱和下放套管。在起升鉆柱過程中，絞車電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為鉆柱的重力勢能。在下放鉆柱和套管時(shí)，鉆柱或套管的重力勢能驅(qū)動(dòng)絞車電機(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)電，產(chǎn)生很大的再生能量。目前，大多數(shù)鉆機(jī)只能通過耗能電阻將這部分能量以熱能的形式消耗掉，而且還需輔助設(shè)備對(duì)耗能電阻進(jìn)行降溫，勢必造成能量的極大浪費(fèi)[1-4]。因此，對(duì)這部分能量進(jìn)行回收并加以利用是一個(gè)極具經(jīng)濟(jì)效益的研究課題。

超級(jí)電容作為近年來發(fā)展日趨成熟的儲(chǔ)能新貴，以其功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)，從小容量特殊儲(chǔ)能到大規(guī)模電力儲(chǔ)能，展示了獨(dú)特的優(yōu)越性。該電容在電力、交通運(yùn)輸、智能儀表、動(dòng)力機(jī)械和新能源汽車等眾多領(lǐng)域，作為備用電源或再生能量存儲(chǔ)單元發(fā)揮著巨大的作用。其儲(chǔ)能特點(diǎn)完美契合了鉆井絞車反轉(zhuǎn)發(fā)電再生能量回收和利用的短時(shí)和高循環(huán)效應(yīng)[5-8]。

目前相關(guān)研究已經(jīng)提出了包括液壓儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等多種再生能量儲(chǔ)存技術(shù)來解決鉆機(jī)再生能量回收問題，且中原油田已有超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)投入應(yīng)用的成功嘗試[9-12]。筆者結(jié)合課題研究，采用雙向DC-DC變換器控制鉆井絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行再生能量回收和回饋直流母線再利用，并采用MATLAB/Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真，以驗(yàn)證其應(yīng)用優(yōu)勢。

1 鉆井絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

1.1 傳統(tǒng)絞車工作過程的能量轉(zhuǎn)換

石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)作業(yè)過程伴隨著能量的損耗和轉(zhuǎn)換利用。其工作過程示意圖如圖1所示。柴油發(fā)電機(jī)組為微電網(wǎng)公共交流母線供能，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。公共交流母線經(jīng)整流變頻后接入絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在起升鉆柱過程中，絞車電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，伴隨著直流母線電壓的降低，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為鉆柱的重力勢能。在下放鉆柱和套管時(shí)，在鉆柱或套管自身重力作用下，通過電機(jī)控制下放速度。在這個(gè)過程中，電機(jī)同步速度小于電機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度，導(dǎo)致電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，從而使得絞車三相異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電工作模式，鉆柱或套管的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，直接回饋到直流母線，使其電壓升高。為了降低再生能量對(duì)微電網(wǎng)的沖擊，通常采用耗能電阻將這部分能量以熱能的形式浪費(fèi)掉[13-16]。

圖1 傳統(tǒng)鉆井絞車工作過程示意圖

分析其整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，為了減少能量的浪費(fèi)和再生能量對(duì)直流母線的沖擊，對(duì)圖1虛線框示部分進(jìn)行電力系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。采用超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行再生能量回收和回饋直流母線再利用。在起升鉆具時(shí)，由超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)放電對(duì)直流母線進(jìn)行能量補(bǔ)給，在下放鉆柱或套管時(shí)，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，從而降低再生能量對(duì)微電網(wǎng)的沖擊。

1.2 絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鉆井絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用是當(dāng)鉆井絞車下放鉆柱或套管時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)電，產(chǎn)生的能量由儲(chǔ)能系統(tǒng)核心元件超級(jí)電容器進(jìn)行存儲(chǔ)；當(dāng)鉆機(jī)絞車提升鉆柱時(shí)，電機(jī)正常工作，將超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量以電能形式供給鉆機(jī)絞車運(yùn)行消耗。在實(shí)際工況中，超級(jí)電容也可以作為對(duì)鉆機(jī)微電網(wǎng)的保護(hù)裝置，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低或升高時(shí)，也可以使用超級(jí)電容器對(duì)其供電或回收能量，以有效降低直流母線電壓的波動(dòng)。為了防止超級(jí)電容充滿電或沒電時(shí)無法對(duì)直流母線減壓的影響，改進(jìn)設(shè)計(jì)中保留了直流母線的并聯(lián)制動(dòng)電阻，這樣可以有效避免直流母線電壓泵升，使鉆井絞車變頻器系統(tǒng)正常工作。鉆井絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 鉆井絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

雙向DC-DC變換器作為鉆井絞車超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，它可以保持超級(jí)電容器模塊端電壓和直流母線的電壓極性不變的情況下實(shí)現(xiàn)充電和放電，使電能雙向流動(dòng)。

整個(gè)絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。在雙向DC-DC變換器控制單元控制下，采用電壓閉環(huán)控制策略，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測直流母線電壓和超級(jí)電容電量，控制超級(jí)電容器的充放電邏輯，從而儲(chǔ)存或釋放直流母線上的能量，減小直流母線電壓波動(dòng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成。

(1)整流器：將電網(wǎng)傳輸過來的交流電轉(zhuǎn)換為直流電；

(2)逆變器：將制動(dòng)電阻降壓后的直流電逆變?yōu)轭l率大小可控的交流電給電機(jī)使用；

(3)雙向DC-DC變換器：保持超級(jí)電容器模塊端電壓和直流母線的電壓極性不變的情況下實(shí)現(xiàn)充電和放電，使電能雙向流動(dòng)；

(4)雙向DC-DC變換器控制單元：控制雙向DC-DC變換器對(duì)超級(jí)電容器模塊進(jìn)行充放電；

(5)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元：儲(chǔ)能系統(tǒng)核心設(shè)備，有效地完成能量儲(chǔ)存和釋放，具有充放電速度快、循環(huán)次數(shù)多、容量大等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

雙向DC-DC變換器控制超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，控制策略通過邏輯控制單元和電壓閉環(huán)PI調(diào)節(jié)控制單元實(shí)現(xiàn)。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制邏輯如圖3所示。

圖3 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制邏輯

充電過程和放電過程分開控制。邏輯判斷是根據(jù)電壓參數(shù)的大小來判斷超級(jí)電容器進(jìn)行充電還是放電。當(dāng)滿足直流母線電壓Vdc大于設(shè)定的參考值上限，且超級(jí)電容儲(chǔ)能容量，即SOC小于設(shè)定參考的最大容量時(shí)，傳輸信號(hào)通過邏輯調(diào)控環(huán)節(jié)，判斷其為充電模式，則對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電；當(dāng)滿足Vdc小于設(shè)定參考值下限，且SOC大于設(shè)定參考的最小容量時(shí)，傳輸信號(hào)通過邏輯控制環(huán)節(jié)，判斷其為放電狀態(tài)，則對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行放電。此外，為了避免直流母線電壓過高，且超級(jí)電容充滿電時(shí)制動(dòng)耗能電阻會(huì)介入工作，以確保直流母線電壓穩(wěn)定。

為減少直流母線電壓的大幅波動(dòng)和保持超級(jí)電容器模塊充放電電壓的穩(wěn)定，在控制邏輯下，對(duì)直流母線升壓和減壓模式分別采用基于電壓閉環(huán)的PI控制策略。電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)控制策略如圖4所示。

圖4 電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)控制策略

2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)Simulink仿真

2.1 系統(tǒng)仿真模型建立

三相交流電壓源作為整個(gè)系統(tǒng)主體供能微電網(wǎng)，通過整流器，把交流電壓源變?yōu)橹绷麟妷涸矗簿褪侵绷髂妇€，直流電壓通過逆變器后，成為頻率及電壓都可控的交流電壓源來驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)絞車的三相異步電動(dòng)機(jī)工作。雙向DC-DC變換器和超級(jí)電容器模塊并聯(lián)到直流母線上，并通過邏輯控制單元和PI控制單元控制雙向DC-DC變換器系統(tǒng)，從而控制超級(jí)電容器的充電和放電。根據(jù)以上原理對(duì)鉆井絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)總體仿真模型進(jìn)行搭建。

整個(gè)系統(tǒng)建模參數(shù)來源于試驗(yàn)樣機(jī)選型。設(shè)置三相電壓源為380 V/50 HZ、耗能電阻為10 kΩ。變頻驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)通過斷路器模塊控制正反轉(zhuǎn)，扭矩輸入通過信號(hào)輸入模塊控制，電機(jī)仿真模型參數(shù)如下：額定功率1 500 W，額定電壓380 V(頻率為50 Hz)，轉(zhuǎn)子電阻0.816 Ω，定子電阻0.435 Ω，轉(zhuǎn)子電感0.002 H，定子電感0.004 H，定轉(zhuǎn)子互感0.069 H，額定轉(zhuǎn)速1 470 r/min。

超級(jí)電容模塊直接調(diào)用Simulink自帶的動(dòng)態(tài)仿真模型，超級(jí)電容器單體電容為100 F，額定電壓為2.7 V，經(jīng)計(jì)算需要并聯(lián)4組，每組串聯(lián)個(gè)數(shù)為150個(gè)。

根據(jù)第1.3節(jié)所述控制策略，基于上述仿真參數(shù)，使用MATLAB/Simulink對(duì)雙向DC-DC變換器控制的絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行模型搭建，結(jié)果如圖5所示。其中信號(hào)顯示示波器、電壓表、電流表、電阻、電感和電容等較小元件無需名稱注釋。

圖5 絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型

在圖5中，整個(gè)仿真系統(tǒng)包括7個(gè)核心模塊，分別是AC-DC-AC模塊、斷路器控制模塊、負(fù)載扭矩信號(hào)輸入模塊、超級(jí)電容器、雙向DC-DC變換器模塊、邏輯控制單元、PI調(diào)節(jié)控制模塊。其中斷路器模塊負(fù)責(zé)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和剎車，邏輯控制單元和PI調(diào)節(jié)控制模塊用于控制雙向DC-DC變換器模塊，其他模塊在絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)已詳細(xì)描述。

對(duì)絞車啟動(dòng)、負(fù)載提升、制動(dòng)以及負(fù)載下行再生發(fā)電整個(gè)過程進(jìn)行系統(tǒng)仿真，為了減少求解時(shí)間成本，比例壓縮試驗(yàn)時(shí)間作為仿真時(shí)間參數(shù)，參數(shù)設(shè)置具體如下：

(1)0～1.0 s，絞車空載啟動(dòng)；

(2)1.0～3.0 s，絞車電機(jī)正轉(zhuǎn)，負(fù)載提升，負(fù)載扭矩為10.38 N·m；

(3)3.0～4.0 s，絞車反接及斷電，上行制動(dòng)；

(4)4.0～6.0 s，絞車電機(jī)反轉(zhuǎn)，再生發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載下行；

(5)6.0～6.4 s，絞車下行制動(dòng)，停機(jī)；

(6)整個(gè)仿真過程完成。

2.2 系統(tǒng)仿真分析

對(duì)鉆井絞車超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在PI控制策略下分別進(jìn)行仿真，電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖6所示，其中負(fù)轉(zhuǎn)速表示電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖6可以看出：整個(gè)仿真過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速符合仿真條件設(shè)定，負(fù)載提升過程電機(jī)為正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1 473 r/min，小于同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min，電機(jī)為電動(dòng)做功模式；負(fù)載下行過程電機(jī)為反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1 510 r/min，高于同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)為再生發(fā)電模式。

電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子電流變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，電機(jī)在啟動(dòng)階段，定子電流隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增加而逐漸減小至穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子電流在穩(wěn)定階段亦有規(guī)律性波動(dòng)，在反接制動(dòng)瞬時(shí)，定子、轉(zhuǎn)子電流波動(dòng)均很大。

圖7 電機(jī)電流變化曲線

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制的一個(gè)核心要素就是避免直流母線電壓過高，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)和單純進(jìn)行邏輯控制的直流母線電壓變化曲線對(duì)比如圖8所示。

圖8 直流母線電壓變化曲線

由圖8可知：0～1 s電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，直流母線電壓較低，低于控制邏輯要求的350 V，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)控制邏輯進(jìn)行放電，對(duì)直流母線電壓進(jìn)行補(bǔ)充；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，直流母線電壓逐漸趨于穩(wěn)定值385 V左右，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)不再進(jìn)行放電。

對(duì)比分析可知，單純用邏輯控制和增加PI調(diào)節(jié)控制均能在一定程度上避免直流母線電壓過高問題，但相比于邏輯控制具有一定滯后性。在電機(jī)再生發(fā)電初期，邏輯控制下直流母線電壓最高達(dá)到940 V時(shí)才開始進(jìn)行控制，即對(duì)超級(jí)電容充電，且電壓波動(dòng)較大。而PI調(diào)節(jié)加邏輯控制下，直流母線的電壓變化，相比于僅邏輯控制而言更加平穩(wěn)，最高電壓為600 V，即控制邏輯要求的直流母線上限電壓。該過程超級(jí)電容處于充電狀態(tài)。

為了模擬超級(jí)電容的放電過程，將超級(jí)電容器初始電壓設(shè)置為2.0 V，對(duì)應(yīng)初始電容量為46%。整個(gè)仿真過程，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電電流如圖9所示，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)電容量變化曲線如圖10所示。

圖9 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)電流變化曲線

圖10 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)電容量變化曲線

由圖9和圖10可以看出：在0～1.40 s時(shí)，超級(jí)電容器電流為正，處于放電狀態(tài)，放電電流為9.6 A，其電容量從46%下降到41%，為直流母線補(bǔ)充電能；1.40～4.15 s時(shí)，結(jié)合PI調(diào)節(jié)加邏輯控制下直流母線電壓變化可知，超級(jí)電容器除了在3.05 s左右有0.10 s瞬時(shí)放電外，直流母線電壓較為平穩(wěn)，處于350～600 V區(qū)間內(nèi)，超級(jí)電容器處于非工作狀態(tài)，即不充電也不放電；4.15～4.50 s，電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，直流母線電壓下降，超級(jí)電容器繼續(xù)放電為直流母線補(bǔ)充電能，其電容量下降1.5%；4.50～4.90 s時(shí)，因電機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速逐漸增大，開始再生發(fā)電，對(duì)直流母線電壓進(jìn)行了有效的補(bǔ)充，使得直流母線電壓從350 V很快達(dá)到600 V；4.90～6.00 s時(shí)，電機(jī)完全處于再生發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)電流為負(fù)，超級(jí)電容處于充電狀態(tài)，充電電壓在80 V左右波動(dòng)，其電容量從40%直線增加到85%。

分析結(jié)果表明，電機(jī)負(fù)載下行，負(fù)載重力勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中，且有效避免了直流母線電壓的波動(dòng)。結(jié)合整個(gè)過程，超級(jí)電容儲(chǔ)能增加39%，避免了大量再生能量通過制動(dòng)電阻而浪費(fèi)。

3 結(jié) 論

基于傳統(tǒng)鉆機(jī)電路結(jié)構(gòu)，對(duì)其中的耗能電路部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，接入超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，闡述了該儲(chǔ)能系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)和控制策略。通過Simulink建立了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過系統(tǒng)仿真，得出如下結(jié)論：

(1)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效回收鉆具或套管下放時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量，而且通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制，使直流母線電壓波動(dòng)范圍變小，電壓更加穩(wěn)定。

(2)相比于單純的邏輯控制，PI調(diào)節(jié)的控制策略雖然控制具有一定滯后性，但起到了抑制波峰的作用，更能滿足鉆井絞車的儲(chǔ)能要求。

(3)基于試驗(yàn)參數(shù)，仿真一次完整的作業(yè)過程，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能增加了39%，結(jié)合鉆機(jī)起下鉆作業(yè)的大負(fù)載、高周期性，該回收能量相當(dāng)可觀，經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)表明該超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在石油鉆機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。