含網電變壓器保護的電動修井機超級電容儲能控制*

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具有更好的電能質量、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構。前端為不控整流，后端為三相變頻驅動系統，制動電阻為能耗制動部分。傳統交直交變頻系統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、循環壽命長等優勢[8-11]，非常適合應用于提升設備的電控系統中，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節環節[12-13]，既可以實現節能，又可以穩定直流母線的電壓。

目前在交直交變頻系統驅動部分已有了很多相對成熟的控制。文獻[14]將混合儲能系統應用于城軌交通中，負載變化時母線電壓發生波動，發車間隔小時超級電容優先響應，間隔大時電池優先響應，整個過程將母線電壓控制在規定范圍內。文獻[15]中鉆修機系統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定。文獻[16]將超級電容儲能系統應用于微燃機發電系統中。當負載突然增加時，超級電容儲能系統迅速放電，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，超級電容儲能系統輸出功率逐漸減小，微燃機系統逐漸進入穩定狀態。通過超級電容的快速充電和放電，解決因微燃機系統調節速度慢而造成的負載突變時直流母線電壓的不穩定問題。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節器及其協調控制策略，將圖1的交直交變頻系統的不控整流器換成了與逆變側一樣的拓撲，形成了雙向的交直交變頻系統。當交直交系統處于再生制動能量、削峰放電和填谷充電模式時，功率調節器兩側變換器采用功率控制，超級電容采用穩定直流母線電壓和電感電流的控制，消除了功率控制誤差。在交直交系統處于功率轉移模式時，功率調節器兩側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構

上述文獻所陳述的控制策略主要以穩定直流母線電壓為主，而電動修井機的工作環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，功率大的修井機經常會造成網電變壓器的過載和過流，嚴重時甚至燒毀網電變壓器。因此，在穩定母線電壓、節能減排的同時保證當地網電變壓器安全運行更為重要。

本文結合電動修井機工況設計了含網電變壓 器保護的電動修井機超級電容儲能系統的控制策略。首先，介紹了電動修井機超級電容儲能系統 的功能；其次，針對50 kVA/380 V的網電變壓器和110 kW電動修井機，設計了超級電容儲能系統的容量，完成了超級電容的選型；最后，設計了含網電變壓器保護的超級電容儲能系統的控制策略，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的網電變壓器的容量，會引起網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電變壓器容量時，超級電容儲能系統可處于輸出補償狀態，與電網同時向電動修井機供電，保護網電變壓器不過流，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，此時系統穩定。加入超級電容儲能設備后，為保證超級電容儲能系統在下一階段有足夠能量進行穩壓或輸出補償，超級電容從電網吸收能量進行存儲，處于容量調節狀態。

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，儲能系統可吸收修井機回饋能量，起到了節能減排的作用，同時可以穩定直流母線電壓。

綜上所述，根據電動修井機的實際工況，超級電容儲能系統需要完成如下功能：① 網電變壓器過流保護功能；② 容量調節功能；③ 穩定直流母線電壓功能。

3 超級電容容量設計

本文井場電網變壓器容量為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，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，可得超級電容最大電壓 -maxscU為360 V。

超級電容的荷電狀態(State of charge，SOC)為

式中，Csc為超級電容總容量；uc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使用了75%。一般超級電容最佳荷電狀態使用范圍為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和并聯的方法組成超級電容器組。設串聯的超級電容數為n，并聯的組數為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公司生產的型號為BCAP3000的超級電容器，單體規格為2.7 V/3 000 F。根據上述設計，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 含網電變壓器保護的超級電容儲能系統控制策略

4.1 超級電容儲能系統的控制模式

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

當電動修井機處于提升階段，且井場的網電變壓器處于過載或過流運行狀態時，即網側電流大于保護電流閾值時，超級電容儲能系統進入網電變壓器過流保護控制，對電動修井機負載進行輸出補償，此時采用網側電流外環超級電容電流內環的雙閉環控制，將網側電流穩定在額定值，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。

網側保護電流閾值 -srefI設定為網側變壓器的額定電流。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。此時采用單環的超級電容電流控制，井場電網對超級電容進行充電儲能，完成容量調節，保證超級電容儲能系統在下一個提升周期有足夠能量進行輸出補償或穩壓控制，如圖3b所示，稱該控制方式為模式2。其中，Psource為電網最大輸出功率，k為電流充電系數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節系數。

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和超級電容電流內環的雙閉環控制策略，將直流母線電壓提升至正常范圍內，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的工作安全，此時超級電容儲能系統吸收能量。當電動修井機的回饋容量未超出超級電容儲能系統最大容量(本文為80 kW)時，采用恒直流母線電壓外環和超級電容電流內環的雙閉環控制，將直流母線電壓穩定至其上限值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最大功率時，采用恒超級電容最大功率的單電流環控制，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，保證系統正常工作。

綜上所述，根據電動修井機供電系統的狀態，超級電容儲能系統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

含網電變壓器保護的電動修井機超級電容儲能系統控制策略框圖如圖4所示。

圖4 含網電變壓器保護的SCESS控制框圖

含網電變壓器保護的電動修井機儲能系統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，網電變壓器過電流，電動修井機處于提升階段重載區，系統控制模式采用模式1，超級電容變換器放電，完成輸出 補償。

(2) 模式2：當網電變壓器電流is

(3) 模式3-1：當網電變壓器電流is

(4) 模式3-21和模式3-22：當網電變壓器電流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最大功率時，系統控制模式采用模式3-21，超級電容變換器進行上限電壓的穩壓控制；若負載回饋功率超過超級電容儲能系統最大功率時，系統控制模式采用模式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仿真模型。仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

圖6 電動修井機電控系統的仿真模型

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之前，電動修井機提升系統的工況如圖8所示，從上到下依次為網電變壓器容量、直流母線電壓和網側變壓器相電流有效值。從圖8中可以看出網側變壓器相電流在提升階段重載區最高可達200 A，遠超出網側電流保護值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的仿真

在加入本文控制策略后，系統仿真波形如圖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，超級電容儲能系統進入模式3-1，t1～t2和t3～t4階段超級電容系統放電釋能，直流母線電壓被穩定在520 V，實現了穩下限電壓控制。

(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，網電變壓器過載，超級電容儲能系統進入模式1，處于輸出補償狀態，在t2～t3階段將網電變壓器電流限制在76 A，電網輸出功率被限制在49 kVA。實現了網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，超級電容儲能系統進入模式0，處于不工作狀態。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，超級電容儲能系統進入模式3-21，t5～t6和t9～t10階段超級電容系統充電吸收能量，直流母線電壓被穩定在585 V，實現了穩上限電壓控制。

(5)t7～t8階段。圖9的t7時刻開始，電動修井機處于間歇階段，網電變壓器不過流，超級電容儲能進入模式2的容量調節，t7～t8階段超級電容進行充電儲能。充電系數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，超級電容儲能系統進入模式3-22的恒最大功率控制(結合圖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，但會增加各模式穩定運行期間與模式0之間的頻繁切換，影響各模式的不穩定。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，即比其上限值略低，或者比其下限值略高。根據本文的工況，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的切換僅限出現在兩模式切換的開始，提高了系統的穩定性，切換的頻率最高為系統的控制頻率，持續的時間與滯環的環寬和負載的工況等有關。

(7)t11以后。圖9的t11時刻以后，電動修井機處于下放階段，網電變壓器無電流，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。即穩定超級電容電壓外環和電感電流內環，將超級電容的電壓穩定在355 V，此時只要直流母線電壓低于580 V系統就會進入模式0，高于580 V就進入浮充，浮充與模式0來回切換，穩定后進入浮充。由于圖5未區分模式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

上述仿真結果證明了本文算法是正確和有 效的。

6 結論

本文充分考慮電動修井機的運行工況，結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的超級電容儲能系統控制策略。仿真結果表明，當網電變壓器過載時，超級電容儲能系統能夠實時進行輸出補償，保護網電變壓器不過流，安全穩定運行；當直流母線電壓波動時，超級電容儲能系統能進行穩壓調節，將直流母線電壓穩定在規定范圍內，同時可以吸收回饋電能，根據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，還能達到節能降耗的目的。