王帅 ， 赵克， 安群涛， 段建东， 孙力， 陈哲

(1.哈尔滨工业大学 电气工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.大庆油田有限责任公司 生产运行部，黑龙江 大庆 163712)

钻井直流微电网冲击功率的混合储能平衡技术

王帅1， 赵克1， 安群涛1， 段建东1， 孙力1， 陈哲2

(1.哈尔滨工业大学 电气工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.大庆油田有限责任公司 生产运行部，黑龙江 大庆 163712)

受限于钻井直流微电网的功率动态调节缓慢，冲击性负载对钻井直流微电网电能质量造成严重影响。为了解决直流微电网冲击功率供需均衡问题，提出以混合储能环节为核心的补偿方法。基于超级电容和蓄电池储能的互补特性，在传统混合储能控制策略的基础上，提出一种纳入蓄电池参考电流约束和电流动态分配的混合储能控制策略。在保证蓄电池电流限制值不被超越的前提下，实现冲击功率在混合储能单元内的优化分配，从而既能够延长蓄电池生命周期，又显著缩短了混合储能系统冲击功率补偿的动态响应时间，解决了钻井直流微电网电压波动的问题。仿真与实验验证了所提控制策略的有效性与可行性。

直流微电网；冲击功率；混合储能；蓄电池；超级电容

0 引 言

石油钻井现场主要由柴油发电机组或天然气发电机组构成的微电网供电。微电网是否能够安全、稳定运行，是钻井生产能否顺利进行的主要因素之一[1]。钻井微电网的负荷主要是由泥浆泵、大钩绞车和转盘驱动电机三部分组成[2]，这些负荷都具有功率变化速度快，负荷升降速度快，间隔短等特点。在石油钻井负荷频繁突变的工况下，如果没有有效抗冲击性负荷的功率平衡技术，会造成柴油或天然气发动机的转速大幅度波动，严重的将造成发动机停车保护，无法保证钻井生产安全、稳定运行[3]。

钻井微电网如何抗冲击性负荷在石油钻井行业一直备受广泛的关注。由于钻井平台由若干台发电机组构成微电网，其总设计容量与负荷总容量比较接近。在钻井微电网中，负荷的突变功率与发动机发电机组输出额定功率的比值可以表示为

(1)

其中:P1为负载突变后功率；P0为负载突变前功率；Pe为发动机发电机组输出额定功率；通常突变负荷应满足0<ηM<20%。

当突变功率与额定功率的比值ηM较大时，负荷突变会对发电机组造成很大影响。这一问题在采用天然气发动机发电机组构成的钻井微电网系统时更为突出，通过对ZJ32J钻机分别采用一台810 kW柴油机发电机组和一台1 320 kW天然气发动机发电机组为动力源进行现场单机突变负载对比试验验证。分别对提钻工况和和提升空游车工况做突变负载测试，提钻和上提空游车时原动机转速恢复稳定的稳定时间如表1所示。可以看出，在突变负载工况下，天然气发动机转速恢复时间比柴油机慢6 s左右，原因是天然气发动机的动态有功调节具有的惯性更大，功率调节响应特性更软。

为了满足在钻井各种工况下冲击性负载对电能的需求，可采取的方法有两个。一种办法是增加发动机发电机组的容量[4]，即通过提高微电网的容量降低功率变化的相对值，但是这样拉大了电网额定容量和负荷额定值的比值，使得发电机组经常处于半额或更小的运行状态，带来了运行效率的降低；第二种方法是在系统中加入储能单元和对应的功率变换单元，能够起到瞬态发电机的作用，通过这一环节在负荷突增或突降波动剧烈的时候起到功率平衡的作用。而对于功率平衡时产生的瞬间功率突变需求，要求理想储能系统应该具有大的能量和大的功率输出能力。

表1 柴油机和天然气发动机性能对比Table 1 Performance comparison between diesel engine and natural gas engine

从储能的特点上看，适应于功率平衡的储能单元是超级电容组。以电荷形式储能的超级电容，在系统充放电过程中，瞬时电流是较大的，功率密度较比蓄电池大很多；而对于蓄电池，其能量密度较高，但是功率密度低，具有较低的充/放电率[5-8]。因此，通过利用超级电容和蓄电池各自的优点来设计具有高能量密度和高功率密度的混合储能系统，使其应用在针对瞬态冲击功率的平衡系统中，既能快速补偿瞬时功率，同时也保证了系统补偿功率的持续时间。

目前，在对混合储能系统的研究中，不同储能介质之间的功率分配策略是近年来研究的热点[9-11]，直接影响储能系统的成本、生命周期和效率等。文献[12]对超级电容器/蓄电池混合储能用于平衡微电网有功功率以维持微电网安全稳定运行进行研究，研究发现混合储能可以改善蓄电池的充放电过程，延长其使用寿命，有较强的技术经济性。文献[13]采用模糊控制理论将超出目标值的功率偏差在两种储能介质之间进行分配，当超级电容电量充足时，由其独立补偿功率偏差值，以减少蓄电池的充放电次数。

通过从设备配置上对钻井现场系统结构进行解析和思考。首先针对钻井直流微电网负荷特点进行了分析和描述，并对现有钻井现场应对冲击负荷所采用方法的优缺点进行了研究，分析了混合储能系统的作用。然后从瞬态平衡功率角度出发，给出一个具有混合储能瞬时功率补偿的石油微电网动力系统方案。最后基于这一方案，研究分析一种改进的混合储能补偿策略，并通过仿真与实验证明了观点和思路的可行性。

1 微电网特性分析及应对策略

1.1 钻井直流微电网负载类型及特性分析

钻井动力传动系统如图1所示。由三台天然气发电机组构成一个微电网运行发出交流电能经整流后构成直流电源系统，经变频器等供负载电能。

图1 钻井动力传动系统示意图Fig.1 Diagram of drilling power transmission system

由图1可知，钻井直流微电网的主要负载分为3种，统称为钻井动力负载。一种为泥浆泵负载，这种负载的特性具有启动负载大，且随着钻井深度的增加负载越平稳，由于是往复三缸泵，因此负载比较大并伴随着小幅波动。一种为转盘负载，这种负载随着钻压、地层特性变化而一直处于波动状态，负载波动比较大，但是负载值比较小。还有一种负载为绞车提升系统，这种负载随着井深、钻柱的增加而增大，是钻井直流微电网系统中动载变化最大的负载，大多数负载突变的工况均是由绞车提升系统引起的，钻井越深负载突变特性越明显。现场钻井实际负载工况如表2所示。

表2 钻井现场实际负载工况Table 2 Actual loads of drilling site

钻机提升系统在钻井动力中是由电动机驱动绞车，每当钻机提升的瞬间，绞车所需的功率是阶跃性变化的，因此也可定义为冲击性负载。这种冲击性负载由负载突增和负载突减两个部分组成，一般仅持续几十至一百多秒钟。图2为钻井现场钻井深度为850 m提钻时直流微电网的电压电流与发动机转速波形图。由图2可以看出，突增负载时，发动机转速下降至790 r/min，经过45秒钟左右才恢复稳定，直流母线电压波动在80 V左右；突减负载后，由于负载突减过大，发动机速度调节过慢，发动机转速超过1 200 r/min，造成发动机失速保护，导致直流微电网故障。由此可见石油开采现场存在较为严重的冲击性负载。

图2 提钻工况波形图Fig.2 Waveform figure of lift drill

1.2 基于混合储能的瞬态功率平衡技术

为了提升微电网的帯载能力，满足钻井现场冲击性负载对电能的需求，通过对直流微电网中加入混合储能单元和对应的功率变化单元，用来稳定由于负荷突增或突降波动剧烈时引起的直流微电网电压波动现象。基于混合储能的直流微电网瞬间冲击功率平衡系统结构如图3所示。

图3 钻井直流微电网功率平衡系统结构Fig.3 Structure of drilling DC micro grid powerbalance system

该系统是在图1给出的常规钻井微电网动力系统的基础上增加了混合储能瞬时功率平衡系统。从钻井微电网的发电机组到负载端的整个网络构成看，混合储能瞬时功率补偿系统即可以连接到整流之前的发电机组输出侧，又可以连接到整流桥后的直流侧。在系统结构上，选择在直流侧补偿的好处是补偿系统的直流能量都将作为有功能量输送给负载，而在交流侧则涉及到整流负载的电流谐波问题。在图3中，vB和vSC分别为蓄电池，超级电容电压，iB和iSC分别为蓄电池和超级电容电流，LB和LSC分别为蓄电池变换器和超级电容变换器的滤波电感。vo是直流母线电压，C1为滤波电容。

当发电机组的输出功率与负载需求功率不平衡时，将导致天然气发动机转速大幅波动，严重时甚至停车，进而使得直流电网电压波动，甚至跳闸，因此由混合能量存储系统通过双向DC/DC变换器连接到直流母线上，并用来维持直流电网电压恒定，保证天然气发电机组正常运行。当出现冲击性负载时，在负载突增阶段，由于发电机组无法快速跟随负载变化调节输出功率，这时负载需求瞬时功率远远大于发电机组输出功率，因此混合储能系统会通过快速放电来补偿缺少的功率，并随着发电机组输出功率增大而逐渐减少，最后平稳退出补偿。同时，在负载突减阶段，负载需求小于发电机组提供的瞬时电量，混合储能系统将会充电来吸收剩余功率，防止能量过剩导致天然气发动机超速停车。

2 混合储能系统的控制策略

2.1 传统的混合储能控制策略

传统的混合储能控制策略框图如图4所示[14]。

图4 传统的混合储能控制策略框图Fig.4 Conventional control scheme of hybrid energy storage system

这种控制策略的基本原理是蓄电池提供有功功率的低频分量，超级电容提供有功功率的高频分量。直流母线电压vo与参考给定电压vref进行比较，通过补偿器输出混合储能系统总的参考电流iref。iref分为高频分量和通过低通滤波器的低频分量，fLPF为低通滤波器。低频分量作为蓄电池电流环参考iB_ref，高频分量作为超级电容电流控制环参考iSC_ref。

2.2 改进的混合储能控制策略

对于传统的混合储能控制策略而言，由于蓄电池对充放电电流大小要求比较严格，为保障蓄电池的经济优化运行，通常还要考虑蓄电池的充放电功率限制[15]。因此，在满足直流微电网瞬态冲击功率需求的情况下，对低通滤波后的蓄电池参考电流进行修正，根据蓄电池充放电要求设置充放电率，超出蓄电池充放电率的电流由超级电容来补偿。这个算法的目的是减少蓄电池的充放电压力，从而延长蓄电池的使用寿命。改进的混合储能控制策略框图如图5所示。

图5 改进的混合储能控制策略框图Fig.5 Control scheme of proposed hybrid energy storage system

直流母线电压的平均值vo与参考电压vref进行比较，得到的误差通过PI控制器生成一个混合储能系统应该提供的总电流iref。将iref分成低频分量iLFC_ref和高频分量iHFC_ref。低频分量iLFC_ref可由下式表示

iLFC_ref=fLPF(iref)。

(2)

其中fLPF为低通滤波器。iLFC_ref通过比率限幅来控制蓄电池电流的充放电率，也就是蓄电池的参考电流，如下式所示

iB_ref=fRL(iLFC_ref)。

(3)

其中fRL为比率限幅器。iB_ref与实际蓄电池电流iB比较，得到误差iB_err，iB_err通过PI控制器生成一个占空比DB，提供给PWM生成器来产生蓄电池变换器的PWM驱动信号。

iref的高频分量iHFC_ref可表示为

iHFC_ref=iref-iB_ref。

(4)

由于蓄电池的慢动态特性，蓄电池不能瞬间跟随iB_ref。所以，蓄电池不能补偿的功率为

PB_un=(iHFC_ref+iB_err)vB。

(5)

其中vB为蓄电池电压。这个蓄电池不能补偿的功率由超级电容来补偿。所以超级电容的参考电流iSC_ref可表示为

(6)

其中vSC为超级电容电压。参考电流iSC_ref与实际的超级电容电流iSC比较，得到的误差信号经PI控制器生成占空比DSC提供给PWM生成器来产生超级电容变换器的PWM驱动信号。

3 混合储能系统控制器的设计

根据文献[16]，双向变换器的充电和放电模式可共用一个变换器的传递函数。这就意味着可以用一个控制器通过采用上下开关管互补的方式来进行控制[17]。因此，选择分析boost工作模式下的控制器，考虑开关频率为3 kHz。由于双向变换器的开关频率远大于直流微电网状态的变化速率。因此,在短时间内可以认为混合储能单元的直流母线功率恒定,等效为一个恒功率负载[18]。

3.1 超级电容电流环设计

超级电容控制器框图如图6所示。超级电容参考电流(iSC_ref)由电压控制环输出产生。

图6 超级电容控制器框图Fig.6 Block diagram of SC controller

当运行于Boost模式时，如图3所示，钻井动力负载为交直流电机负载，但考虑到一般采用直流电机，因此将钻井动力负载等效为电阻性负载R。设dSC为S2的开关函数，其小信号模型的传递函数为[19]

(7)

电流控制环开环传递函数为

Gol_SC=Gpi_SCGid_SCHSC,

(8)

其中

(9)

超级电容双向变换器的仿真参数如表3所示。

表3 超级电容单元仿真参数Table 3 Simulation parameters of Supercapactior

图7为这组参数开环传递函数的bode图。PI参数通过Matlab的SISO工具箱来设计与调整。所计算出的参数分别为Kp_SC=0.000 454和Ki_SC=0.5。

图7 超级电容电流环开环Bode图Fig.7 Bode plot of current control loop of Supercapactior

3.2 蓄电池电流环设计

蓄电池电流控制器的框图如图8所示。当系统运行于Boost模式时，如图3所示，设dB为S4的开关函数，其小信号模型的传递函数为[19]

(10)

图8 蓄电池电流控制器框图Fig.8 Block diagram of battery current controller

电流控制环开环传递函数为

Gol_B=Gpi_BGid_BHB,

(11)

其中

(12)

蓄电池单元的仿真参数如表4所示。

表4 蓄电池控制器参数Table 4 Simulation parameters of battery

图9为表4仿真参数下开环传递函数的bode图。PI控制器参数通过Matlab的SISO工具箱来设计与调整。所计算出的参数分别为Kp_B=0.000 414和Ki_B=0.34。

图9 蓄电池电流环开环Bode图Fig.9 Bode plot of current control loop of Battery

3.3 混合储能电压环设计

电感电流到输出电压的传递函数为[19]

(13)

电压控制环开环传递函数如式(14)所示：

Gol_v=Gpi_vGcl_SGvi_vHv,

(14)

其中：

(15)

(16)

图10为开环传递函数的bode图。PI控制器参数计算为Kp_v=9，Ki_v=1。

图10 混合储能电压环Bode图Fig.10 Bode plot of voltage control loop of HESS

4 仿真与实验验证

4.1 仿真

为验证直流微电网瞬态冲击功率的混合储能平衡控制策略的有效性，根据图3建立基于Matlab/SIMULINK的直流微电网功率平衡系统仿真模型，并对直流微电网的瞬态冲击功率运行状态进行了仿真。钻井直流微电网仿真模型包括天然气发电机组、PWM整流器、混合储能单元和负荷等。仿真参数如下：天然气发电机组容量3 MW，混合储能总容量1.5 MW(蓄电池容量100 A·h，额定电压480 V；超级电容器电容165 F，额定电压600 V)，负荷突变功率为1.5 MW。

图11为钻井直流微电网系统在无补偿状态下突增负载仿真波形。从图中可以看出，在负载突变后直流母线电压会在20 s左右稳定，而在此过程中母线电压波动范围在790 V～860 V左右。

图11 无补偿时直流微电网突增负载仿真波形Fig.11 Simulation waveform of dc micro-gridload surges without compensation

图12为直流微电网在无补偿状态下突减负载仿真波形。从图中可以看出，在负载突变后直流母线电压会在15 s左右稳定，而在此过程中母线电压升高至900 V。

图12 无补偿时直流微电网突减负载仿真波形Fig.12 Simulation waveform of dc micro-grid load sharp decrease without compensation

当钻井直流微电网系统加入混合储能系统后，其中超级电容按电流的高频分量进行充放电，蓄电池按功率的低频分量进行充放电。突加负载波形如图13所示。图中第一条曲线为直流母线电压波形，第二条曲线为蓄电池电流波形，第三条曲线为超级电容电流波形。

图13 补偿时直流微电网突加负载仿真波形Fig.13 Simulation waveform of dc micro-grid load surges with compensation

当出现突增负载时，负载功率的高频分量作为超级电容给定，使得超级电容输出电流由0 A迅速提升至1 670 A，而蓄电池则缓慢上升到960 A，在超级电容与蓄电池混合作用下，超级电容提供负载突变功率，蓄电池提供持续能量来稳定天然气发电机组由于负载突变造成的母线电压波动，在第15 s时发电机组输出功率逐渐与负载功率达到平衡时，蓄电池逐渐退出补偿状态，避免母线电压再次波动。

突减负载波形如图14所示，当出现突减负载时，超级电容输出电流由0A迅速变为-1500A，而蓄电池则缓慢降到-750A，超级电容与蓄电池吸收由于负载突减造成的能量过剩，由图可以看出母线电压波动明显变缓，说明补偿作用是明显的，吸收剩余能量存储起来，为下一次负载突变做准备。

图14 补偿时直流微电网突减负载仿真波形Fig.14 Simulation waveforms of dc micro-grid load sharp decrease by compensation

4.2 实验结果分析

为了验证瞬态冲击功率平衡系统的正确性与可行性，搭建了如图3所示的驱动控制实验平台进行实验研究。由于实验条件有限，无法搭建钻井现场由多台发电机组组成的直流微电网，只能采用中国济柴动力总厂调试车间的单台天然气发电机组模拟钻井直流微电网，其负载为电阻负载用来模拟现场冲击负载工况。天然气发电机组为济柴动力总厂生产的额定功率为1 320 kW，额定电压为交流600 V输出的天然气发电机组。超级电容采用78个48 V，165 F超级电容组13串6并，总容值为76 F，额定电压为624 V；蓄电池采用40个标称12 V/33 A·h的蓄电池串联，额定电压为480 V。直流母线电压为840 V，以突加400 kW电阻负载为实验条件，由式(1)可知，ηM=30.3%。

图15和图16分为加入功率平衡系统的直流微电网突加400 kW负载后，传统控制策略与改进控制策略对比实验波形。

图15(a) 为采用传统控制策略下直流微电网母线电压跌落约80 V，电压波动明显，母线电压调节时间在4 s左右。图15(b)与15(c)为传统控制策略下超级电容电流和蓄电池电流。超级电容瞬时输出约为200 A电流，2 s后退出；蓄电池输出电流峰值在2 s后达到580 A，并且持续放电20 s后，缓慢退出放电。

图15 传统控制策略下突加负载实验波形Fig.15 Experiment waveforms of load surges under conventional control strategy

图16 改进控制策略下突加负载实验波形Fig.16 Experiment waveforms of load surges under proposed control strategy

图16(a)为所提出的改进控制策略下直流微电网母线电压跌落约40 V，调节时间在1.5 s左右，调节时间较短。图16(b)与16(c)为改进的控制策略下超级电容电流和蓄电池电流。与传统控制策略相比，提出的改进控制策略超级电容瞬时输出电流峰值达到600 A左右，放电时间延长至5 s，超级电容利用率大大增强，而蓄电池的输出电流变得更加平滑，并且持续放电时间减少至13 s后，缓慢退出放电，有效延长了蓄电池的使用寿命。

图17和图18分为加入功率平衡系统的直流微电网突减400 kW负载后，传统控制策略与改进控制策略对比实验波形。图17(a)为采用传统控制策略下直流微电网母线电压上升约40 V，母线电压调节时间在5 s左右，电压波动明显。图17(b)与17(c)为传统控制策略下超级电容和蓄电池充电电流。超级电容瞬时充电电流约为200 A，2 s后退出；蓄电池吸收电流在2 s后达到560 A，并且持续吸收电流15 s后，缓慢退出充电。

图17 传统控制策略下突减负载实验波形Fig.17 Experiment waveforms of load sharp decrease under conventional strategy

图18(a)为提出的改进控制策略下直流微电网母线电压上升约20 V，调节时间在2 s左右，调节时间较短。图18(b)与16(c)为改进的控制策略下超级电容和蓄电池充电电流。与传统控制策略相比，所提出的改进控制策略超级电容瞬时充电电流峰值达到610 A左右，充电时间延长至5 s；而蓄电池的充电电流经过5 s后充电电流达到峰值，蓄电池充电电流达到参考电流的时间更长，减少了对蓄电池的冲击，并且持续吸收电流时间减少至8 s后，缓慢退出充电，有效延长了蓄电池的使用寿命。

图18 改进控制策略下突减负载实验波形Fig.18 Experiment waveforms of load sharp decrease under proposed control strategy

5 结 论

本文通过分析钻井直流微电网负载类型及其特性，针对钻井直流微电网系统存在的冲击性负载导致直流微电网电压波动的问题，提出一种基于混合储能的冲击功率平衡技术来稳定直流微电网电压。鉴于传统混合储能控制策略没有考虑蓄电池的充放电功率限制，仿真与实验结果表明，在改进型的混合储能控制策略下能够合理、有效的实现功率分配，明显提高超级电容的利用率，通过限制蓄电池充放电率，大大减小充放电时电流过大对蓄电池的冲击，从而延长了蓄电池的使用寿命，并具有较好的抑制直流微电网电压波动的效果。

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(编辑：贾志超)

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

国家自然科学基金(51507039)；中国博士后科学基金(2016M591529)；中央高校基本科研业务费专项资金(HIT.NSRIF.2017013)

王 帅(1984—)，男，博士研究生，研究方向为电机驱动、混合储能技术； 赵 克(1973—)，男，副教授，研究方向为电力电子、并网逆变器； 安群涛(1984—)，男，副教授，研究方向为电机控制、储能技术； 段建东(1985—)，男，博士，讲师，研究方向为分布式发电技术、超级电容储能技术； 孙 力(1960—)，男，教授，博士生导师，研究方向为电机驱动及其控制、微电网技术； 陈 哲(1983—)，男，硕士，工程师，研究方向为石油开采、电力系统。

段建东

10.15938/j.emc.2017.04.008

TM 614

A

1007-449X(2017)04-0053-09