伍文俊 王思佳 蔡嘉齊

(西安理工大學電氣工程學院 西安 710054)

1 引言

隨著人類科技的進步，大功率的電力驅(qū)動設備越來越多，如起重機、電梯、電動修井機等，這些設備要求供電系統(tǒng)具有更好的電能質(zhì)量、更可靠的電能供給以及更高的峰值功率[1-4]。大部分提升系統(tǒng)的主電路采用的都是交直交變頻方式[5-7]。圖1為電動修井機供電結(jié)構(gòu)。前端為不控整流，后端為三相變頻驅(qū)動系統(tǒng)，制動電阻為能耗制動部分。傳統(tǒng)交直交變頻系統(tǒng)采用電阻能耗制動吸收變頻器回饋的能量，造成了電能的極大浪費。而超級電容因功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢[8-11]，非常適合應用于提升設備的電控系統(tǒng)中，其通過DC/DC變換器并接在中間直流母線上，作為輔助的能量補充和調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)[12-13]，既可以實現(xiàn)節(jié)能，又可以穩(wěn)定直流母線的電壓。

目前在交直交變頻系統(tǒng)驅(qū)動部分已有了很多相對成熟的控制。文獻[14]將混合儲能系統(tǒng)應用于城軌交通中，負載變化時母線電壓發(fā)生波動，發(fā)車間隔小時超級電容優(yōu)先響應，間隔大時電池優(yōu)先響應，整個過程將母線電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)。文獻[15]中鉆修機系統(tǒng)使用超級電容作為輔助電源。鉆修機制動時，直流母線電壓升高，當其超過閾值電壓時啟動電阻制動單元，快速吸收回饋的電能，抑制直流母線電壓的升高；當其低于閾值電壓時超級電容充電吸收回饋的電能，維持直流母線電壓穩(wěn)定。文獻[16]將超級電容儲能系統(tǒng)應用于微燃機發(fā)電系統(tǒng)中。當負載突然增加時，超級電容儲能系統(tǒng)迅速放電，輸出功率跟隨負載瞬時變化的功率，然后微燃機輸出功率逐漸增大，超級電容儲能系統(tǒng)輸出功率逐漸減小，微燃機系統(tǒng)逐漸進入穩(wěn)定狀態(tài)。通過超級電容的快速充電和放電，解決因微燃機系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度慢而造成的負載突變時直流母線電壓的不穩(wěn)定問題。文獻[17-18]提出了一種基于超級電容儲能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器及其協(xié)調(diào)控制策略，將圖1的交直交變頻系統(tǒng)的不控整流器換成了與逆變側(cè)一樣的拓撲，形成了雙向的交直交變頻系統(tǒng)。當交直交系統(tǒng)處于再生制動能量、削峰放電和填谷充電模式時，功率調(diào)節(jié)器兩側(cè)變換器采用功率控制，超級電容采用穩(wěn)定直流母線電壓和電感電流的控制，消除了功率控制誤差。在交直交系統(tǒng)處于功率轉(zhuǎn)移模式時，功率調(diào)節(jié)器兩側(cè)變換器采用功率和直流電壓控制，超級電容采用恒功率控制，有效解決了超級電容放電失控問題。研究表明，超級電容儲能系統(tǒng)的加入有效提高了再生制動能量的利用率，利用谷時電能補償峰時電能，不但改善了峰值負荷對變壓器的沖擊，而且提高了變壓器容量利率。

圖1 含超級電容儲能的電動修井機供電結(jié)構(gòu)

上述文獻所陳述的控制策略主要以穩(wěn)定直流母線電壓為主，而電動修井機的工作環(huán)境往往在沙漠和戈壁灘等偏遠地方，其電力基礎設施的建設并不完善[19-20]，井場中網(wǎng)電變壓器容量有限，而電動修井機功率大小不一，功率大的修井機經(jīng)常會造成網(wǎng)電變壓器的過載和過流，嚴重時甚至燒毀網(wǎng)電變壓器。因此，在穩(wěn)定母線電壓、節(jié)能減排的同時保證當?shù)鼐W(wǎng)電變壓器安全運行更為重要。

本文結(jié)合電動修井機工況設計了含網(wǎng)電變壓 器保護的電動修井機超級電容儲能系統(tǒng)的控制策略。首先，介紹了電動修井機超級電容儲能系統(tǒng) 的功能；其次，針對50 kVA/380 V的網(wǎng)電變壓器和110 kW電動修井機，設計了超級電容儲能系統(tǒng)的容量，完成了超級電容的選型；最后，設計了含網(wǎng)電變壓器保護的超級電容儲能系統(tǒng)的控制策略，并通過仿真驗證了本文方法的正確性。

2 電動修井機超級電容儲能系統(tǒng)功能

圖2為電動修井機一個工作周期的典型工況，包括提升、回饋、間歇和下放四個階段。一個工作周期約為60 s，提升約20 s，回饋和間歇約20 s，下放約20 s。pload為電動修井機的輸出功率，is為網(wǎng)電變壓器電流，udc為直流母線電壓。

圖2 電動修井機一個周期的典型工況

由圖2可以看出當電動修井機處于提升階段時，輸出功率越大，網(wǎng)電變壓器的電流越大。若此時電動修井機輸出功率超過了所在地區(qū)的網(wǎng)電變壓器的容量，會引起網(wǎng)電變壓器過載和過流；直流母線電壓太低也會導致給修井機供電的變頻器不能正常工作。加入超級電容儲能設備后，當負載輸出功率超過網(wǎng)電變壓器容量時，超級電容儲能系統(tǒng)可處于輸出補償狀態(tài)，與電網(wǎng)同時向電動修井機供電，保護網(wǎng)電變壓器不過流，并提升母線電壓。

當電動修井機處于間歇階段時，負載輸出功率較小，此時系統(tǒng)穩(wěn)定。加入超級電容儲能設備后，為保證超級電容儲能系統(tǒng)在下一階段有足夠能量進行穩(wěn)壓或輸出補償，超級電容從電網(wǎng)吸收能量進行存儲，處于容量調(diào)節(jié)狀態(tài)。

當電動修井機處于回饋以及下放階段時，其向直流母線回饋能量，直流母線電壓迅速上升，過高的母線電壓會危及連在直流母線上的整流器和變頻器安全，引起過電壓損毀。加入超級電容儲能設備后，儲能系統(tǒng)可吸收修井機回饋能量，起到了節(jié)能減排的作用，同時可以穩(wěn)定直流母線電壓。

綜上所述，根據(jù)電動修井機的實際工況，超級電容儲能系統(tǒng)需要完成如下功能：① 網(wǎng)電變壓器過流保護功能；② 容量調(diào)節(jié)功能；③ 穩(wěn)定直流母線電壓功能。

3 超級電容容量設計

本文井場電網(wǎng)變壓器容量為50 kV·A，線電壓380 V，頻率50 Hz，電動修井機最大功率loadP為110 kW。為保證網(wǎng)電變壓器在修井機提升階段能夠不超出其額定容量，保護其安全運行，設計超級電容儲能裝置的功率為

式中，Psc為超級電容最大輸出功率；Pload為電動修井機最大功率；S為井場變壓器容量；η為變壓器效率，取0.8。

那么，超級電容儲能裝置需要存儲的能量為

式中，tl為電動修井機最大提升時間。

超級電容處于雙向DC/DC變換器的低壓側(cè)，為了保證超級電容充電功率，一般占空比不超過2/3[21]。因此，對于交流380 V的電動修井機電控系統(tǒng)，可得超級電容最大電壓 -maxscU為360 V。

超級電容的荷電狀態(tài)(State of charge，SOC)為

式中，Csc為超級電容總?cè)萘浚籾c為超級電容實際電壓。

由式(3)可知，當超級電容電壓為額定電壓的一半時，SOC為25%，說明超級電容容量已經(jīng)使用了75%。一般超級電容最佳荷電狀態(tài)使用范圍為25%～100%，由此可得超級電容最低工作電壓Usc-min為180 V。最終得出超級電容電壓工作范圍為180～360 V。

超級電容可釋放或存儲的能量為

考慮到超級電容的設計裕量，結(jié)合式(2)與式(4)，超級電容的容值為

式中，α為安全裕量，取10%。

一般來說，超級電容器的單體容量大，電壓低，使用時將特性相同、型號一致的超級電容單體通過串聯(lián)和并聯(lián)的方法組成超級電容器組。設串聯(lián)的超級電容數(shù)為n，并聯(lián)的組數(shù)為m，那么

式中，Um為超級電容單體電壓。

式中，Cm為超級電容單體容量。

本文選用的超級電容為美國Maxwell公司生產(chǎn)的型號為BCAP3000的超級電容器，單體規(guī)格為2.7 V/3 000 F。根據(jù)上述設計，可以確定超級電容器組采用134串2并，共需要268個超級電容器單體。

4 含網(wǎng)電變壓器保護的超級電容儲能系統(tǒng)控制策略

4.1 超級電容儲能系統(tǒng)的控制模式

本文超級電容儲能系統(tǒng)(Super capacitor enengy storage system，SCESS)以保護網(wǎng)電變壓器為主，其次是井場電網(wǎng)對超級電容充電進行容量調(diào)節(jié)，再次為直流母線電壓穩(wěn)定控制。

當電動修井機處于提升階段，且井場的網(wǎng)電變壓器處于過載或過流運行狀態(tài)時，即網(wǎng)側(cè)電流大于保護電流閾值時，超級電容儲能系統(tǒng)進入網(wǎng)電變壓器過流保護控制，對電動修井機負載進行輸出補償，此時采用網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)超級電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，將網(wǎng)側(cè)電流穩(wěn)定在額定值，如圖3a所示，稱該控制方式為模式1。其中，iL為超級電容電流。

網(wǎng)側(cè)保護電流閾值 -srefI設定為網(wǎng)側(cè)變壓器的額定電流。以本文方案為例，井場變壓器的額定容量為50 kV·A，三相線電壓為380 V，由此可得網(wǎng)電變壓器保護電流閾值 -srefI為76 A。

當電動修井機處于間歇階段時，井場變壓器不過載。此時采用單環(huán)的超級電容電流控制，井場電網(wǎng)對超級電容進行充電儲能，完成容量調(diào)節(jié)，保證超級電容儲能系統(tǒng)在下一個提升周期有足夠能量進行輸出補償或穩(wěn)壓控制，如圖3b所示，稱該控制方式為模式2。其中，Psource為電網(wǎng)最大輸出功率，k為電流充電系數(shù)為防止井場變壓器充電時電流過大，且能夠控制充電快慢而加入的調(diào)節(jié)系數(shù)。

當電動修井機處于提升階段，但變壓器并未過載時，若直流母線電壓低于其下限值Udc-low，為保證電動修井機的供電質(zhì)量，此時超級電容儲能裝置釋放能量，采用恒定直流母線電壓外環(huán)和超級電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，將直流母線電壓提升至正常范圍內(nèi)，如圖3c所示，稱該控制方式為模 式3-1。

當電動修井機處于回饋或下放階段時，由于電動修井機向直流母線回饋電能，使得直流母線電壓高于其上限值Udc-up，為保證電動修井機交直交系統(tǒng)的工作安全，此時超級電容儲能系統(tǒng)吸收能量。當電動修井機的回饋容量未超出超級電容儲能系統(tǒng)最大容量(本文為80 kW)時，采用恒直流母線電壓外環(huán)和超級電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，將直流母線電壓穩(wěn)定至其上限值Udc-up，如圖3d所示，稱該控制方式為模式3-21。當電動修井機的回饋功率超出超級電容儲能系統(tǒng)最大功率時，采用恒超級電容最大功率的單電流環(huán)控制，超級電容以最大速度吸收回饋能量，如圖3e所示，稱該控制方式為模式3-22。

圖3 超級電容儲能系統(tǒng)的控制模式

除此之外，超級電容變換器不工作的模式稱之為模式0。

無論超級電容是否正常工作，當系統(tǒng)檢測到直流母線電壓超過最大值Udc-max時，啟動制動電阻，控制直流母線電壓處于最大值以下，保證系統(tǒng)正常工作。

綜上所述，根據(jù)電動修井機供電系統(tǒng)的狀態(tài)，超級電容儲能系統(tǒng)通過六個控制模式完成其功能。

4.2 程控模式切換的控制策略

含網(wǎng)電變壓器保護的電動修井機超級電容儲能系統(tǒng)控制策略框圖如圖4所示。

圖4 含網(wǎng)電變壓器保護的SCESS控制框圖

含網(wǎng)電變壓器保護的電動修井機儲能系統(tǒng)程控模式切換控制流程圖如圖5所示。

圖5 程控模式切換控制流程圖

首先檢測超級電容電壓usc，當超級電容電壓過低或過高，超出正常工作范圍時，封鎖超級電容儲能系統(tǒng)DC/DC變換器控制脈沖，并給出報警提示；當超級電容電壓處于正常范圍時，通過判定進入以下六個工作模式。

(1) 模式1：當電流is≥Is-ref，網(wǎng)電變壓器過電流，電動修井機處于提升階段重載區(qū)，系統(tǒng)控制模式采用模式1，超級電容變換器放電，完成輸出 補償。

(2) 模式2：當網(wǎng)電變壓器電流is

(3) 模式3-1：當網(wǎng)電變壓器電流is

(4) 模式3-21和模式3-22：當網(wǎng)電變壓器電流isUdc-up，電動修井機處于回饋或下放階段，此時，若負載回饋功率未超出超級電容儲能系統(tǒng)最大功率時，系統(tǒng)控制模式采用模式3-21，超級電容變換器進行上限電壓的穩(wěn)壓控制；若負載回饋功率超過超級電容儲能系統(tǒng)最大功率時，系統(tǒng)控制模式采用模式3-22，超級電容變換器以其恒最大功率控制方式快速吸收回饋能量，使直流母線電壓不超過其保護閾值Udc-max；若此時還不能將其限制在Udc-max以下，則制動電阻回路被啟動，過多的能量通過制動電阻消耗掉，保護直流母線電壓不超上限。

(5) 模式0：當網(wǎng)電變壓器電流is

5 仿真分析

本文基于PSIM軟件平臺搭建了如圖6所示的電動修井機電控系統(tǒng)仿真模型。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖6 電動修井機電控系統(tǒng)的仿真模型

本仿真中，采用受控電流源模擬電動修井機，三相二極管整流電路為其提供直流母線電壓，通過查表法模擬電動修井機一個周期的實際工況。

一個典型工作周期電動修井機的電流如圖7所示。在未加入超級電容儲能系統(tǒng)之前，電動修井機提升系統(tǒng)的工況如圖8所示，從上到下依次為網(wǎng)電變壓器容量、直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)變壓器相電流有效值。從圖8中可以看出網(wǎng)側(cè)變壓器相電流在提升階段重載區(qū)最高可達200 A，遠超出網(wǎng)側(cè)電流保護值76 A，直流母線電壓也跌至448.7 V；在制動階段由于負載側(cè)再生回饋，直流母線電壓升至19 kV。

圖7 一個典型工作周期的電動修井機的電流

圖8 未加超級電容儲能系統(tǒng)的仿真

在加入本文控制策略后，系統(tǒng)仿真波形如圖9所示。從上到下依次為工作模式、電動修井機電流和功率、網(wǎng)電變壓器相電流有效值和容量、直流母線電壓、超級電容電壓、超級電容充放電電流以及超級電容功率。

(1)t1～t2和t3～t4階段。如圖9中t1和t3時刻開始，電動修井機處于提升階段，網(wǎng)電變壓器不過流，又非間歇階段，而直流母線電壓低于其下限值Udc-low，超級電容儲能系統(tǒng)進入模式3-1，t1～t2和t3～t4階段超級電容系統(tǒng)放電釋能，直流母線電壓被穩(wěn)定在520 V，實現(xiàn)了穩(wěn)下限電壓控制。

(2)t2～t3階段。圖9的t2時刻開始，電動修井機進入提升階段并重載，網(wǎng)電變壓器過載，超級電容儲能系統(tǒng)進入模式1，處于輸出補償狀態(tài)，在t2～t3階段將網(wǎng)電變壓器電流限制在76 A，電網(wǎng)輸出功率被限制在49 kVA。實現(xiàn)了網(wǎng)電變壓器過電流保護的目的。

(3)t4～t5、t6～t7和t8～t9階段。圖9的t4、t6和t8時刻開始，電動修井機處于提升階段又非間歇，網(wǎng)電變壓器不過流，直流母線電壓也處于下限Udc-low和上限Udc-up之間，超級電容儲能系統(tǒng)進入模式0，處于不工作狀態(tài)。超級電容電流為0，其電壓基本不變。

(4)t5～t6和t9～t10階段。圖9的t5和t9時刻開始，電動修井機處于回饋和下放階段，網(wǎng)電變壓器無電流，直流母線電壓超過了其上限Udc-up，并且回饋的功率小于超級電容的最大功率，超級電容儲能系統(tǒng)進入模式3-21，t5～t6和t9～t10階段超級電容系統(tǒng)充電吸收能量，直流母線電壓被穩(wěn)定在585 V，實現(xiàn)了穩(wěn)上限電壓控制。

(5)t7～t8階段。圖9的t7時刻開始，電動修井機處于間歇階段，網(wǎng)電變壓器不過流，超級電容儲能進入模式2的容量調(diào)節(jié)，t7～t8階段超級電容進行充電儲能。充電系數(shù)k為0.8，顯然，此時超級電容電壓逐漸上升。

(6)t10～t11階段。圖9的t10時刻開始，電動修井機處于下放階段，網(wǎng)電變壓器無電流，直流母線電壓超過Udc-up，并且回饋的功率大于超級電容的最大功率，超級電容儲能系統(tǒng)進入模式3-22的恒最大功率控制(結(jié)合圖10)，t10～t11階段以最快的速度回收電動修井機回饋的電能。由于回饋的能量比較大，此時制動電阻回路被啟動，輔助吸收回饋電能，限制母線電壓的升高。

圖9 加入超級電容儲能系統(tǒng)的仿真

顯然，模式0的加入緩沖了其他模式之間的切換沖擊，使模式切換比較平滑，但會增加各模式穩(wěn)定運行期間與模式0之間的頻繁切換，影響各模式的不穩(wěn)定。實際運行時本文在圖5的邏輯判斷中將各模式的判定值增加一個滯環(huán)，即比其上限值略低，或者比其下限值略高。根據(jù)本文的工況，模式1 的電流判定值為70 A，模式3-1的電壓判定值為 525 V，模式3-21和模式3-22的電壓判定值為580 V。這樣各模式與模式0的切換僅限出現(xiàn)在兩模式切換的開始，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，切換的頻率最高為系統(tǒng)的控制頻率，持續(xù)的時間與滯環(huán)的環(huán)寬和負載的工況等有關(guān)。

(7)t11以后。圖9的t11時刻以后，電動修井機處于下放階段，網(wǎng)電變壓器無電流，超級電容的電壓也超過了350 V，接近其最大電壓，為了充分利用超級電容的容量，本文在各模式的超級電容充電部分增加了浮充功能(超級電容電壓大于350 V)，該部分不是本文的主體功能，文中未加說明。即穩(wěn)定超級電容電壓外環(huán)和電感電流內(nèi)環(huán)，將超級電容的電壓穩(wěn)定在355 V，此時只要直流母線電壓低于580 V系統(tǒng)就會進入模式0，高于580 V就進入浮充，浮充與模式0來回切換，穩(wěn)定后進入浮充。由于圖5未區(qū)分模式3-21和浮充此兩種模式，故顯示均為mode=4。

圖10是能耗制動電阻消耗的功率、網(wǎng)電變壓器的功率、超級電容的功率以及三者之和與負載功率的仿真。從圖10中可以看出負載功率基本等于網(wǎng)電變壓器功率、超級電容儲能功率和能耗制動電阻的功率之和，說明超級電容儲能裝置很好地輔助網(wǎng)電變壓器對電動修井機進行功率補償。

圖10 功率波形

上述仿真結(jié)果證明了本文算法是正確和有 效的。

6 結(jié)論

本文充分考慮電動修井機的運行工況，結(jié)合超級電容自身特性，提出了一種基于電動修井機運行狀態(tài)的超級電容儲能系統(tǒng)控制策略。仿真結(jié)果表明，當網(wǎng)電變壓器過載時，超級電容儲能系統(tǒng)能夠?qū)崟r進行輸出補償，保護網(wǎng)電變壓器不過流，安全穩(wěn)定運行；當直流母線電壓波動時，超級電容儲能系統(tǒng)能進行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，將直流母線電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，同時可以吸收回饋電能，根據(jù)回饋能量的大小和超級電容容量采取不同的吸收方案，既快速又安全，還能達到節(jié)能降耗的目的。