鉆井直流微電網(wǎng)沖擊功率的混合儲能平衡技術(shù)

鉆井直流微電網(wǎng)沖擊功率的混合儲能平衡技術(shù)王帥;趙克;安群濤;段建東;孫力;陳哲【摘要】受限于鉆井直流微電網(wǎng)的功率動態(tài)調(diào)節(jié)緩慢,沖擊性負(fù)載對鉆井直流微電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重影響.為了解決直流微電網(wǎng)沖擊功率供需均衡問題，提出以混合儲能環(huán)節(jié)為核心的補(bǔ)償方法.基于超級電容和蓄電池儲能的互補(bǔ)特性，在傳統(tǒng)混合儲能控制策略的基礎(chǔ)上，提出一種納入蓄電池參考電流約束和電流動態(tài)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(xiàn)沖擊功率在混合儲能單元內(nèi)的優(yōu)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(tǒng)沖擊功率補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)響應(yīng)時間解決了鉆井直流微電網(wǎng)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.％ImpactloadshaveaseriouslyeffectonthedrillingDCmicro-gridpowerquality,becausedrillingDCmicro-gridislimitedbythepowerdynamicadjustmentslowly.ThepowerbalancetechnologyisrealizedbyhybridenergystoragethatisaneffectivewaytosolvethetransientimpactpowersupplyanddemandimbalanceofDCmicro-grid.Basedonthecomplementarycharacteristicsofthesupercapacitorandbatteryenergystorage,onthebasisoftraditionalhybridcontrolstrategy,itproposesahybridenergystoragecontrolstrategiesbasedonreferencecurrentconstraintsofbatteryandcurrentdynamicallocation.Itrealizedtheoptimalallocationofimpactpowerinthehybridenergystorageunit,underthepremisethatthecurrentlimitvalueofbatteryisnotexceeded.Itextendedlifecycleofbatteryandimproveddynamicresponseofinstantaneouspowercompensationbyhybridenergystoragesystem.Finally,itsolvedtheproblemofdrillingaDCmicro-gridvoltagefluctuations.Simulationandexperimentalverifythecorrectnessandfeasibilityoftheproposedideas.【期刊名稱】《電機(jī)與控制學(xué)報》【年(卷)，期】2017(021)004【總頁數(shù)】10頁(P53-61,69)【關(guān)鍵詞】直流微電網(wǎng);沖擊功率;混合儲能;蓄電池;超級電容【作者】王帥;趙克;安群濤;段建東;孫力;陳哲【作者單位】哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;大慶油田有限責(zé)任公司生產(chǎn)運(yùn)行部，黑龍江大慶163712【正文語種】中文【中圖分類】TM614石油鉆井現(xiàn)場主要由柴油發(fā)電機(jī)組或天然氣發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的微電網(wǎng)供電。微電網(wǎng)是否能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，是鉆井生產(chǎn)能否順利進(jìn)行的主要因素之一［1］。鉆井微電網(wǎng)的負(fù)荷主要是由泥漿泵、大鉤絞車和轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)三部分組成［2］，這些負(fù)荷都具有功率變化速度快，負(fù)荷升降速度快，間隔短等特點(diǎn)。在石油鉆井負(fù)荷頻繁突變的工況下，如果沒有有效抗沖擊性負(fù)荷的功率平衡技術(shù)，會造成柴油或天然氣發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速大幅度波動，嚴(yán)重的將造成發(fā)動機(jī)停車保護(hù)，無法保證鉆井生產(chǎn)安全、穩(wěn)定運(yùn)行［3］。鉆井微電網(wǎng)如何抗沖擊性負(fù)荷在石油鉆井行業(yè)一直備受廣泛的關(guān)注。由于鉆井平臺由若干臺發(fā)電機(jī)組構(gòu)成微電網(wǎng)，其總設(shè)計容量與負(fù)荷總?cè)萘勘容^接近。在鉆井微電網(wǎng)中，負(fù)荷的突變功率與發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組輸出額定功率的比值可以表示為其中:P1為負(fù)載突變后功率；P0為負(fù)載突變前功率；Pe為發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組輸出額定功率；通常突變負(fù)荷應(yīng)滿足0<nM<20%。當(dāng)突變功率與額定功率的比值nM較大時，負(fù)荷突變會對發(fā)電機(jī)組造成很大影響。這一問題在采用天然氣發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的鉆井微電網(wǎng)系統(tǒng)時更為突出，通過對ZJ32J鉆機(jī)分別采用一臺810kW柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組和一臺1320kW天然氣發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組為動力源進(jìn)行現(xiàn)場單機(jī)突變負(fù)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(fù)載測試，提鉆和上提空游車時原動機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的穩(wěn)定時間如表1所示?？梢钥闯?，在突變負(fù)載工況下，天然氣發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間比柴油機(jī)慢6s左右，原因是天然氣發(fā)動機(jī)的動態(tài)有功調(diào)節(jié)具有的慣性更大，功率調(diào)節(jié)響應(yīng)特性更軟。為了滿足在鉆井各種工況下沖擊性負(fù)載對電能的需求，可采取的方法有兩個。一種辦法是增加發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組的容量［4］,即通過提高微電網(wǎng)的容量降低功率變化的相對值，但是這樣拉大了電網(wǎng)額定容量和負(fù)荷額定值的比值，使得發(fā)電機(jī)組經(jīng)常處于半額或更小的運(yùn)行狀態(tài)，帶來了運(yùn)行效率的降低；第二種方法是在系統(tǒng)中加入儲能單元和對應(yīng)的功率變換單元，能夠起到瞬態(tài)發(fā)電機(jī)的作用，通過這一環(huán)節(jié)在負(fù)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(chǎn)生的瞬間功率突變需求，要求理想儲能系統(tǒng)應(yīng)該具有大的能量和大的功率輸出能力。從儲能的特點(diǎn)上看，適應(yīng)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(tǒng)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(yōu)點(diǎn)來設(shè)計具有高能量密度和高功率密度的混合儲能系統(tǒng)，使其應(yīng)用在針對瞬態(tài)沖擊功率的平衡系統(tǒng)中，既能快速補(bǔ)償瞬時功率，同時也保證了系統(tǒng)補(bǔ)償功率的持續(xù)時間。目前，在對混合儲能系統(tǒng)的研究中，不同儲能介質(zhì)之間的功率分配策略是近年來研究的熱點(diǎn)［9-11］，直接影響儲能系統(tǒng)的成本、生命周期和效率等。文獻(xiàn)［12］對超級電容器/蓄電池混合儲能用于平衡微電網(wǎng)有功功率以維持微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)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(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［13］采用模糊控制理論將超出目標(biāo)值的功率偏差在兩種儲能介質(zhì)之間進(jìn)行分配，當(dāng)超級電容電量充足時，由其獨(dú)立補(bǔ)償功率偏差值，以減少蓄電池的充放電次數(shù)。通過從設(shè)備配置上對鉆井現(xiàn)場系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析和思考。首先針對鉆井直流微電網(wǎng)負(fù)荷特點(diǎn)進(jìn)行了分析和描述，并對現(xiàn)有鉆井現(xiàn)場應(yīng)對沖擊負(fù)荷所采用方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了研究，分析了混合儲能系統(tǒng)的作用。然后從瞬態(tài)平衡功率角度出發(fā)，給出一個具有混合儲能瞬時功率補(bǔ)償?shù)氖臀㈦娋W(wǎng)動力系統(tǒng)方案。最后基于這一方案，研究分析一種改進(jìn)的混合儲能補(bǔ)償策略，并通過仿真與實驗證明了觀點(diǎn)和思路的可行性。1.1鉆井直流微電網(wǎng)負(fù)載類型及特性分析鉆井動力傳動系統(tǒng)如圖1所示。由三臺天然氣發(fā)電機(jī)組構(gòu)成一個微電網(wǎng)運(yùn)行發(fā)出交流電能經(jīng)整流后構(gòu)成直流電源系統(tǒng)，經(jīng)變頻器等供負(fù)載電能。由圖1可知，鉆井直流微電網(wǎng)的主要負(fù)載分為3種，統(tǒng)稱為鉆井動力負(fù)載。一種為泥漿泵負(fù)載，這種負(fù)載的特性具有啟動負(fù)載大，且隨著鉆井深度的增加負(fù)載越平穩(wěn)，由于是往復(fù)三缸泵，因此負(fù)載比較大并伴隨著小幅波動。一種為轉(zhuǎn)盤負(fù)載，這種負(fù)載隨著鉆壓、地層特性變化而一直處于波動狀態(tài)，負(fù)載波動比較大，但是負(fù)載值比較小。還有一種負(fù)載為絞車提升系統(tǒng)，這種負(fù)載隨著井深、鉆柱的增加而增大，是鉆井直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中動載變化最大的負(fù)載，大多數(shù)負(fù)載突變的工況均是由絞車提升系統(tǒng)引起的，鉆井越深負(fù)載突變特性越明顯?，F(xiàn)場鉆井實際負(fù)載工況如表2所示。鉆機(jī)提升系統(tǒng)在鉆井動力中是由電動機(jī)驅(qū)動絞車，每當(dāng)鉆機(jī)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(fù)載。這種沖擊性負(fù)載由負(fù)載突增和負(fù)載突減兩個部分組成，一般僅持續(xù)幾十至一百多秒鐘。圖2為鉆井現(xiàn)場鉆井深度為850m提鉆時直流微電網(wǎng)的電壓電流與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖。由圖2可以看出，突增負(fù)載時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降至790r/min，經(jīng)過45秒鐘左右才恢復(fù)穩(wěn)定，直流母線電壓波動在80V左右；突減負(fù)載后，由于負(fù)載突減過大，發(fā)動機(jī)速度調(diào)節(jié)過慢，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過1200r/min，造成發(fā)動機(jī)失速保護(hù)，導(dǎo)致直流微電網(wǎng)故障。由此可見石油開采現(xiàn)場存在較為嚴(yán)重的沖擊性負(fù)載。1.2基于混合儲能的瞬態(tài)功率平衡技術(shù)為了提升微電網(wǎng)的帶載能力，滿足鉆井現(xiàn)場沖擊性負(fù)載對電能的需求，通過對直流微電網(wǎng)中加入混合儲能單元和對應(yīng)的功率變化單元，用來穩(wěn)定由于負(fù)荷突增或突降波動劇烈時引起的直流微電網(wǎng)電壓波動現(xiàn)象?；诨旌蟽δ艿闹绷魑㈦娋W(wǎng)瞬間沖擊功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)是在圖1給出的常規(guī)鉆井微電網(wǎng)動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了混合儲能瞬時功率平衡系統(tǒng)。從鉆井微電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組到負(fù)載端的整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成看，混合儲能瞬時功率補(bǔ)償系統(tǒng)即可以連接到整流之前的發(fā)電機(jī)組輸出側(cè)，又可以連接到整流橋后的直流側(cè)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，選擇在直流側(cè)補(bǔ)償?shù)暮锰幨茄a(bǔ)償系統(tǒng)的直流能量都將作為有功能量輸送給負(fù)載，而在交流側(cè)則涉及到整流負(fù)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(dāng)發(fā)電機(jī)組的輸出功率與負(fù)載需求功率不平衡時，將導(dǎo)致天然氣發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大幅波動，嚴(yán)重時甚至停車，進(jìn)而使得直流電網(wǎng)電壓波動，甚至跳閘，因此由混合能量存儲系統(tǒng)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(wǎng)電壓恒定，保證天然氣發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)沖擊性負(fù)載時，在負(fù)載突增階段，由于發(fā)電機(jī)組無法快速跟隨負(fù)載變化調(diào)節(jié)輸出功率，這時負(fù)載需求瞬時功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)組輸出功率，因此混合儲能系統(tǒng)會通過快速放電來補(bǔ)償缺少的功率，并隨著發(fā)電機(jī)組輸出功率增大而逐漸減少，最后平穩(wěn)退出補(bǔ)償。同時，在負(fù)載突減階段，負(fù)載需求小于發(fā)電機(jī)組提供的瞬時電量，混合儲能系統(tǒng)將會充電來吸收剩余功率，防止能量過剩導(dǎo)致天然氣發(fā)動機(jī)超速停車。2.1傳統(tǒng)的混合儲能控制策略傳統(tǒng)的混合儲能控制策略框圖如圖4所示［14］。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(jìn)行比較，通過補(bǔ)償器輸出混合儲能系統(tǒng)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(huán)參考iB_ref，高頻分量作為超級電容電流控制環(huán)參考iSC_ref。2.2改進(jìn)的混合儲能控制策略對于傳統(tǒng)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(yán)格，為保障蓄電池的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)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(wǎng)瞬態(tài)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(jìn)行修正，根據(jù)蓄電池充放電要求設(shè)置充放電率，超出蓄電池充放電率的電流由超級電容來補(bǔ)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(jìn)的混合儲能控制策略框圖如圖5所示。直流母線電壓的平均值vo與參考電壓vref進(jìn)行比較，得到的誤差通過PI控制器生成一個混合儲能系統(tǒng)應(yīng)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(chǎn)生蓄電池變換器的PWM驅(qū)動信號。iref的高頻分量iHFC_ref可表示為由于蓄電池的慢動態(tài)特性，蓄電池不能瞬間跟隨iB_ref。所以，蓄電池不能補(bǔ)償?shù)墓β蕿槠渲衯B為蓄電池電壓。這個蓄電池不能補(bǔ)償?shù)墓β视沙夒娙輥硌a(bǔ)償。所以超級電容的參考電流iSC_ref可表示為其中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(jīng)PI控制器生成占空比DSC提供給PWM生成器來產(chǎn)生超級電容變換器的PWM驅(qū)動信號。根據(jù)文獻(xiàn)［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(shù)。這就意味著可以用一個控制器通過采用上下開關(guān)管互補(bǔ)的方式來進(jìn)行控制［17］。因此，選擇分析boost工作模式下的控制器，考慮開關(guān)頻率為3kHz。由于雙向變換器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于直流微電網(wǎng)狀態(tài)的變化速率。因此，在短時間內(nèi)可以認(rèn)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(fù)載［18］。3.1超級電容電流環(huán)設(shè)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(huán)輸出產(chǎn)生。當(dāng)運(yùn)行于Boost模式時，如圖3所示，鉆井動力負(fù)載為交直流電機(jī)負(fù)載，但考慮到一般采用直流電機(jī)，因此將鉆井動力負(fù)載等效為電阻性負(fù)載R。設(shè)dSC為S2的開關(guān)函數(shù)，其小信號模型的傳遞函數(shù)為[19]其中SC為超級電容電流的小信號擾動；SC為超級電容控制器的占空比小信號擾動。電流控制環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為其中超級電容雙向變換器的仿真參數(shù)如表3所示。圖7為這組參數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖。PI參數(shù)通過Matlab的SISO工具箱來設(shè)計與調(diào)整。所計算出的參數(shù)分別為Kp_SC=0.000454和Ki_SC=0.5。3.2蓄電池電流環(huán)設(shè)計蓄電池電流控制器的框圖如圖8所示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于Boost模式時，如圖3所示，設(shè)dB為S4的開關(guān)函數(shù)，其小信號模型的傳遞函數(shù)為[19]其中B為蓄電池電流的小信號擾動；日為蓄電池控制器的占空比小信號擾動。電流控制環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為其中蓄電池單元的仿真參數(shù)如表4所示。圖9為表4仿真參數(shù)下開環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖。PI控制器參數(shù)通過Matlab的SISO工具箱來設(shè)計與調(diào)整。所計算出的參數(shù)分別為Kp_B=0.000414和Ki_B=0.34。3.3混合儲能電壓環(huán)設(shè)計電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)為[19]其中o為直流母線電壓的小信號擾動；SC為超級電容控制器的占空比小信號擾動。電壓控制環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)如式(14)所示：其中：圖10為開環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖。PI控制器參數(shù)計算為Kp_v=9，Ki_v=1。4.1仿真為驗證直流微電網(wǎng)瞬態(tài)沖擊功率的混合儲能平衡控制策略的有效性，根據(jù)圖3建立基于Matlab/SIMULINK的直流微電網(wǎng)功率平衡系統(tǒng)仿真模型，并對直流微電網(wǎng)的瞬態(tài)沖擊功率運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了仿真。鉆井直流微電網(wǎng)仿真模型包括天然氣發(fā)電機(jī)組、PWM整流器、混合儲能單元和負(fù)荷等。仿真參數(shù)如下：天然氣發(fā)電機(jī)組容量3MW,混合儲能總?cè)萘?.5MW（蓄電池容量100A?h,額定電壓480V;超級電容器電容165F，額定電壓600V），負(fù)荷突變功率為1.5MW。圖11為鉆井直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在無補(bǔ)償狀態(tài)下突增負(fù)載仿真波形。從圖中可以看出，在負(fù)載突變后直流母線電壓會在20s左右穩(wěn)定，而在此過程中母線電壓波動范圍在790V~860V左右。圖12為直流微電網(wǎng)在無補(bǔ)償狀態(tài)下突減負(fù)載仿真波形。從圖中可以看出，在負(fù)載突變后直流母線電壓會在15s左右穩(wěn)定，而在此過程中母線電壓升高至900V。當(dāng)鉆井直流微電網(wǎng)系統(tǒng)加入混合儲能系統(tǒng)后，其中超級電容按電流的高頻分量進(jìn)行充放電，蓄電池按功率的低頻分量進(jìn)行充放電。突加負(fù)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。當(dāng)出現(xiàn)突增負(fù)載時，負(fù)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0A迅速提升至1670A,而蓄電池則緩慢上升到960A，在超級電容與蓄電池混合作用下，超級電容提供負(fù)載突變功率，蓄電池提供持續(xù)能量來穩(wěn)定天然氣發(fā)電機(jī)組由于負(fù)載突變造成的母線電壓波動，在第15s時發(fā)電機(jī)組輸出功率逐漸與負(fù)載功率達(dá)到平衡時，蓄電池逐漸退出補(bǔ)償狀態(tài)，避免母線電壓再次波動。突減負(fù)載波形如圖14所示，當(dāng)出現(xiàn)突減負(fù)載時，超級電容輸出電流由0A迅速變?yōu)?1500A，而蓄電池則緩慢降到-750A，超級電容與蓄電池吸收由于負(fù)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(bǔ)償作用是明顯的，吸收剩余能量存儲起來，為下一次負(fù)載突變做準(zhǔn)備。4.2實驗結(jié)果分析為了驗證瞬態(tài)沖擊功率平衡系統(tǒng)的正確性與可行性，搭建了如圖3所示的驅(qū)動控制實驗平臺進(jìn)行實驗研究。由于實驗條件有限，無法搭建鉆井現(xiàn)場由多臺發(fā)電機(jī)組組成的直流微電網(wǎng)，只能采用中國濟(jì)柴動力總廠調(diào)試車間的單臺天然氣發(fā)電機(jī)組模擬鉆井直流微電網(wǎng)，其負(fù)載為電阻負(fù)載用來模擬現(xiàn)場沖擊負(fù)載工況。天然氣發(fā)電機(jī)組為濟(jì)柴動力總廠生產(chǎn)的額定功率為1320kW，額定電壓為交流600V輸出的天然氣發(fā)電機(jī)組。超級電容采用78個48V,165F超級電容組13串6并，總?cè)葜禐?6F，額定電壓為624V;蓄電池采用40個標(biāo)稱12V/33A-h的蓄電池串聯(lián)，額定電壓為480V。直流母線電壓為840V，以突加400kW電阻負(fù)載為實驗條件，由式(1)可知，nM=30.3%。圖15和圖16分為加入功率平衡系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)突加400kW負(fù)載后，傳統(tǒng)控制策略與改進(jìn)控制策略對比實驗波形。圖15(a)為采用傳統(tǒng)控制策略下直流微電網(wǎng)母線電壓跌落約80V，電壓波動明顯，母線電壓調(diào)節(jié)時間在4s左右。圖15(b)與15(c)為傳統(tǒng)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200A電流，2s后退出；蓄電池輸出電流峰值在2s后達(dá)到580A，并且持續(xù)放電20s后，緩慢退出放電。圖16(a)為所提出的改進(jìn)控制策略下直流微電網(wǎng)母線電壓跌落約40V，調(diào)節(jié)時間在1.5s左右，調(diào)節(jié)時間較短。圖16(b)與16(c)為改進(jìn)的控制策略下超級電容電流和蓄電池電流。與傳統(tǒng)控制策略相比，提出的改進(jìn)控制策略超級電容瞬時輸出電流峰值達(dá)到600A左右，放電時間延長至5s，超級電容利用率大大增強(qiáng)，而蓄電池的輸出電流變得更加平滑，并且持續(xù)放電時間減少至13s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(tǒng)的直流微電網(wǎng)突減400kW負(fù)載后，傳統(tǒng)控制策略與改進(jìn)控制策略對比實驗波形。圖17(a)為采用傳統(tǒng)控制策略下直流微電網(wǎng)母線電壓上升約40V，母線電壓調(diào)節(jié)時間在5s左右，電壓波動明顯。圖17(b)與17(c)為傳統(tǒng)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200A,2s后退出；蓄電池吸收電流在2s后達(dá)到560A，并且持續(xù)吸收電流15s后，緩慢退出充電。圖18(a)為提出的改進(jìn)控制策略下直流微電網(wǎng)母線電壓上升約20V，調(diào)節(jié)時間在2s左右，調(diào)節(jié)時間較短。圖18(b)與16(c)為改進(jìn)的控制策略下超級電容和蓄電池充電電流。與傳統(tǒng)控制策略相比，所提出的改進(jìn)控制策略超級電容瞬時充電電流峰值達(dá)到610A左右，充電時間延長至5s；而蓄電池的充電電流經(jīng)過5s后充電電流達(dá)到峰值，蓄電池充電電流達(dá)到參考電流的時間更長，減少了對蓄電池的沖擊，并且持續(xù)吸收電流時間減少至8s后，緩慢退出充電，有效延長了蓄電池的使用壽命。本文通過分析鉆井直流微電網(wǎng)負(fù)載類型及其特性，針對鉆井直流微電網(wǎng)系統(tǒng)存在的沖擊性負(fù)載導(dǎo)致直流微電網(wǎng)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(shù)來穩(wěn)定直流微電網(wǎng)電壓。鑒于傳統(tǒng)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(jié)果表明，在改進(jìn)型的混合儲能控制策略下能夠合理、有效的實現(xiàn)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(wǎng)電壓波動的效果?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]陳明.淺析鉆井施工現(xiàn)場的電能質(zhì)量問題[J].科技促進(jìn)發(fā)展,2011,S1:226.CHENMing.Theanalysisonthepowerqualityproblemsofdrillingconstructionsite[J].Science&TechnologyforDevelopment,2011,S1:226.王柏和，郭艷欣，劉政，等.卡特3516CHD柴油發(fā)電機(jī)組在JU2000E鉆井平臺上的應(yīng)用[J].中國海洋平臺,2014,29(6):48-52WANGBohe,GUOYanxin,LIUZheng,etal.ApplicationofCAT3516CHDdieselgeneratingsetonJU2000Edrillingplatform[J].ChinaOffshorePlatform,2014,29(6):48-52.李強(qiáng),邱銀鋒，林楊，等.海上平臺電網(wǎng)電能質(zhì)量改善技術(shù)[J].建筑電氣,2015,34(03):54-58.LIQiang,QIUYinfeng,LINYang,etal.Powerqualityimprovementtechnologyforpowergridofoffshoreplatform[J].BuildingElectricity,2015,34(3):54-58.方永春，曾志偉,許山明，等.柴油與天然氣發(fā)動機(jī)動力性能對比分析切.石油和化工設(shè)備,2015,09:43-46.FANGYongchun,ZENGZhiwei,XUShanming,etal.ThedynamicperformancecontrastiveanalysisofDieselandgasengine[J].Petro&ChemicalEquipment,2015,09:43-46.張純江，董杰，劉君，等.蓄電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)的控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報.2014,29(4):334-340.ZHANGChunjiang,DONGJie,LIUJun,etal.Acontrolstrategyforbatteryultracapacitorhybridenergystoragesystem[J].TransactionsofChinaElectro-technicalSociety,2014,29(4):334-340.PATRICK,MOSELEY.Energystorageinremoteareapowersupply(RAPS)systems[J].JournalofPowerSources,2006,155(1):83-87.周封，楊玉萍,王晨光，等.電動車IVT功能設(shè)計及電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2012,04:22-26+33.ZHOUFeng,YANGYuping,WANGChenguang,etal.Designofintelligentvehicleterminal(IVT)forelectriccarsandoptimizationofbatterymanagementsystem[J].JouranlofHarbinUniversityofScienceandTechnology,2012,04:22-26+33.周林,黃勇,郭珂，等.微電網(wǎng)儲能技術(shù)研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(7):147-152.ZHOULin,HUANGYong,GUOKe,etal.Asurveyofenergystoragetechnologyformicrogrid[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(7):147-152.蔣瑋,周贛,王曉東，等.一種適用于微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)的功率分配策略[J].電力自動化設(shè)備,2015,04:38-43+52.JIANGWei,ZHOUGan,WANGXiaodong,etal.Powerallocationstrategyofhybridenergystoragesystemformicrogrid[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2015,04:38-43+52.DOUGALRA,LIUShengyi,WHITERE.Powerandlifeextensionofbatteryultracapacitorhybrids[J].IEEETransonComponentsandPackagingTechnologies,2002,25(1):120-131.ZHANGY,JIANG乙Dynamicpowersharingstrategyforactivehybridenergystoragesystems[C]//VehiclePowerandPropulsionConference,2009.VPPC'09.IEEE.2009:558-563.張國駒，唐西勝,齊智平.超級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)中的應(yīng)用切.電力系統(tǒng)自動化2010,12:85-89.ZHANGGuoju,TANGXisheng,QIZhiping.Applicationofhybridenergystoragesystemofsuper-capacitorsandbatteriesinamicrogrid[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2010,12:85-89.丁明,林根德，陳自年，等.一種適用于混合儲能系統(tǒng)的控制策略[J]