自升式鉆井平臺(tái)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行研究

王興月，賈 濤，王永明

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自升式鉆井平臺(tái)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行研究

王興月，賈 濤，王永明

（太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心，天津 300457）

針對(duì)海洋平臺(tái)不同工況下負(fù)荷的波動(dòng)及發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的故障問題，為保證其供電的連續(xù)性，引入儲(chǔ)能裝置平抑系統(tǒng)中的電能，并采用一種儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的雙層數(shù)學(xué)模型，該模型外層優(yōu)化利用智能優(yōu)化算法PSO優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)劃問題，內(nèi)層優(yōu)化采用CPLEX規(guī)劃法，研究該平臺(tái)的運(yùn)行問題。利用日前負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度問題的同時(shí)求解。對(duì)平臺(tái)電力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提模型的有效性及可行性。最后，將仿真結(jié)果應(yīng)用于TZ-400自升式鉆井平臺(tái)。

儲(chǔ)能裝置 原油發(fā)電機(jī) 雙層優(yōu)化 機(jī)組調(diào)度

0 引言

海洋平臺(tái)不同工況下負(fù)載波動(dòng)較大，在平臺(tái)電力系統(tǒng)中，需要融入儲(chǔ)能系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)的供電可靠性要求。然而，研究發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的離網(wǎng)規(guī)劃和并網(wǎng)運(yùn)行問題相互影響，規(guī)劃過程需要考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)離網(wǎng)規(guī)劃過程的初期購置成本及并網(wǎng)后的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用[1]。因此，在儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃過程中要將其并網(wǎng)運(yùn)行使用后的運(yùn)行問題考慮在內(nèi)。為研究?jī)?chǔ)能電池對(duì)電網(wǎng)的影響，文獻(xiàn)[1]建立了儲(chǔ)能裝置的規(guī)劃及運(yùn)行不同時(shí)間維度模型，研究了其動(dòng)態(tài)特性，并深入研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)融入對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[2]分別從降低經(jīng)濟(jì)成本和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)角度，研究?jī)?chǔ)能裝置最優(yōu)配置對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行的影響，文獻(xiàn)[3]以降低經(jīng)濟(jì)成本為出發(fā)點(diǎn)，以儲(chǔ)能裝置規(guī)劃過程的裝機(jī)容量和最佳接入位置為變量，建立起混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型求解經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)問題。

文章依托太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司正在建造的TZ-400自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目，針對(duì)其不同運(yùn)行工況下的負(fù)荷波動(dòng)情況，進(jìn)行日前負(fù)荷預(yù)測(cè)，引入儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)電能的削峰填谷，采用一種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙層優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以經(jīng)濟(jì)成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，并滿足相關(guān)約束條件，優(yōu)化得到儲(chǔ)能裝置在平臺(tái)電網(wǎng)中的最佳接入位置及裝機(jī)容量，并在滿足儲(chǔ)能裝置充放電策略的基礎(chǔ)上，求取最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的并網(wǎng)運(yùn)行后儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電情況及原油發(fā)電機(jī)的出力情況。實(shí)現(xiàn)不同工況變負(fù)荷及發(fā)電機(jī)出現(xiàn)突發(fā)故障條件下海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 原油發(fā)電機(jī)組

TZ-400型鉆井平臺(tái)是用于海上石油和天然氣勘探、開采工程作業(yè)的鉆井裝置，如圖1所示，適合于400英尺水深目標(biāo)海域環(huán)境條件下的鉆井作業(yè)，具備深井/叢式井/水平井鉆井、固井和輔助試油等功能，側(cè)視圖如圖2所示。

圖1 TZ-400自升式鉆井平臺(tái)

傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)需要輸送大量的柴油，一方面燃料運(yùn)送量大導(dǎo)致運(yùn)行成本高，另一方面柴油價(jià)格要高于原油價(jià)格，海上天氣易受海浪影響，可能導(dǎo)致柴油輸送不及時(shí)等，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)海上油田斷電，對(duì)終端用戶造成損害，而且平臺(tái)上原油充足，因此本項(xiàng)目選用原油發(fā)電機(jī)作為主電，為確保原油發(fā)電機(jī)發(fā)電過程不污染附近海域，原油進(jìn)入發(fā)電機(jī)前要經(jīng)過相關(guān)工藝流程進(jìn)行處理，如圖3所示。

原油經(jīng)采油平臺(tái)生產(chǎn)分離器將原油中的水和雜質(zhì)分離、再進(jìn)入脫硫塔進(jìn)行脫硫處理，經(jīng)燃料油分離器到閃蒸塔實(shí)現(xiàn)氣液相分離，再通過沉降罐、分油機(jī)凈化后儲(chǔ)存于日用罐供發(fā)電機(jī)使用。

根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算書中不同工況下所需原油發(fā)電機(jī)容量及數(shù)量（見表1），可以看出，不同工況下發(fā)電機(jī)負(fù)荷率不同，但是任何工況下發(fā)電機(jī)負(fù)荷率均低于90%，可以看到極大的棄電現(xiàn)象，嚴(yán)重浪費(fèi)電能。文章根據(jù)表1中負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)平臺(tái)負(fù)荷進(jìn)行日前預(yù)測(cè)，利用粒子群算法(particle swarm optimization，PSO) 對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃研究，內(nèi)層優(yōu)化采用CPLEX規(guī)劃法，研究該平臺(tái)的運(yùn)行問題，并利用日前負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃和運(yùn)行不同時(shí)間范疇問題的同時(shí)求解，對(duì)平臺(tái)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，調(diào)度原油發(fā)電機(jī)組出力，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

圖2 TZ-400自升式鉆井平臺(tái)側(cè)視圖

圖3 原油工藝處理流程圖

表1 自升式鉆井平臺(tái)不同工況下的負(fù)荷數(shù)據(jù)

設(shè)置4臺(tái)1200 kW正常原油發(fā)電機(jī)組，作為平臺(tái)常規(guī)作業(yè)設(shè)備用電的600 V主電源，同時(shí)可向日常用電設(shè)備供電。五臺(tái)機(jī)組能通過電站自動(dòng)管理系統(tǒng)，自動(dòng)并車并長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行；本平臺(tái)設(shè)置500 kW應(yīng)急原油發(fā)電機(jī)組一臺(tái)。作為應(yīng)急發(fā)電機(jī)組時(shí)，保證滿足平臺(tái)在主電源故障情況下，可自動(dòng)在45 s內(nèi)啟動(dòng)，并向應(yīng)急負(fù)載供電。

2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)概述

2.1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電池單體經(jīng)過系列串并聯(lián)組合后形成電池組，通過電力電子裝置接入平臺(tái)電網(wǎng)，并通過其調(diào)節(jié)功率輸出。同時(shí)，為了消納吸收系統(tǒng)中多余電能，在電力電子裝置上加入相應(yīng)的控制策略，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

平臺(tái)具有特殊的供電可靠性要求，在負(fù)荷計(jì)算書中往往會(huì)選用總發(fā)電容量大于負(fù)荷總量的原油發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致其在不同工況下會(huì)有不同程度的電能浪費(fèi)，因此可以考慮加裝儲(chǔ)能的方式來改善其電網(wǎng)特性。根據(jù)平臺(tái)日前負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，盡量合理調(diào)度原油發(fā)電機(jī)，在原油發(fā)電機(jī)發(fā)電量充足的時(shí)刻，將剩余電能儲(chǔ)存于儲(chǔ)能裝置內(nèi)，當(dāng)某臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的電能用于應(yīng)急負(fù)荷供電。這樣儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠快速吸收或釋放電能，能有效地降低平臺(tái)上的電能波動(dòng)帶來的不利影響，為平臺(tái)電網(wǎng)提供了全新的節(jié)能思路。

圖4 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 荷電狀態(tài)模型

電池荷電狀態(tài)值反映了電池的剩余容量，可為制定儲(chǔ)能裝置的最佳配置方案提供重要依據(jù)，也是儲(chǔ)能裝置區(qū)別于傳統(tǒng)電源/負(fù)荷的最主要特征。采用安時(shí)計(jì)量法[4]，計(jì)算公式為

3 雙層優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型

雙層優(yōu)化問題具有兩層遞階結(jié)構(gòu)，外層優(yōu)化問題和內(nèi)層優(yōu)化問題分別建立規(guī)劃階段及運(yùn)行階段的目標(biāo)函數(shù)和約束條件[5-7]。本研究中，外層優(yōu)化采用PSO優(yōu)化算法對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在平臺(tái)中的位置和容量進(jìn)行規(guī)劃，內(nèi)層優(yōu)化采用CPLEX（數(shù)學(xué)規(guī)劃法）針對(duì)鉆井平臺(tái)不同工況（即停泊狀態(tài)、樁腿升降狀態(tài)、鉆井狀態(tài)及應(yīng)急狀態(tài)）下的負(fù)荷波動(dòng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的中長(zhǎng)期充放電及原油發(fā)電機(jī)組出力進(jìn)行優(yōu)化，流程圖如圖5所示。

該優(yōu)化流程在滿足相關(guān)約束條件通過優(yōu)化配置平臺(tái)電網(wǎng)中原油發(fā)電機(jī)不同工況各個(gè)運(yùn)行時(shí)刻下的最優(yōu)發(fā)電比，并利用儲(chǔ)能裝置消納吸收系統(tǒng)中的電能，達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)。

3.1 外層優(yōu)化問題

文章所應(yīng)用的雙層決策模型中，外層優(yōu)化模型用于求解儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)劃問題，主要包括儲(chǔ)能的布局和容量配置。外層優(yōu)化的決策變量為儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳接入位置、配置容量，目標(biāo)函數(shù)為整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)劃成本，包括原油發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)能裝置的投資成本，約束條件為系統(tǒng)的安全約束，包括潮流方程約束、節(jié)點(diǎn)電壓和線路潮流安全約束等[8,9]。為簡(jiǎn)化優(yōu)化過程，選定電池單組容量后，可將儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化轉(zhuǎn)化為數(shù)量?jī)?yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)函為

式中：為外層規(guī)劃問題的規(guī)劃經(jīng)濟(jì)成本$，為設(shè)備初始購置成本，為設(shè)備置換成本，為設(shè)備的年運(yùn)行維護(hù)成本，為組件在整個(gè)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的置換次數(shù)，具體取值見表2；為整個(gè)系統(tǒng)的壽命周期，這里取20年，為組件的壽命周期，為實(shí)際利率，這里取8%。

3.2 內(nèi)層優(yōu)化問題

外層優(yōu)化確定了儲(chǔ)能裝置的位置和容量，而內(nèi)層優(yōu)化模型主要求解不同工況下儲(chǔ)能裝置及原油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況。一般來說，在負(fù)荷沒有較大波動(dòng)情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)周期小于或等于一小時(shí)，并且容量有限，不會(huì)影響原油發(fā)電機(jī)組的啟停計(jì)劃。因此，內(nèi)層優(yōu)化實(shí)質(zhì)是一個(gè)考慮儲(chǔ)能的只含功率分配階段的簡(jiǎn)化機(jī)組組合。文章依據(jù)平臺(tái)工作特性，每種工況選取典型的一天，優(yōu)化時(shí)段為15 min。

表2 原油發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)能裝置經(jīng)濟(jì)參數(shù)表

3.2.1目標(biāo)函數(shù)

內(nèi)層優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為原油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行總成本

3.2.2約束條件

內(nèi)層優(yōu)化過程中約束條件復(fù)雜繁多，這里只列舉時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)約束條件：

1)考慮網(wǎng)損的系統(tǒng)有功功率平衡約束

2)原油發(fā)電機(jī)組的有功出力約束

3)機(jī)組的爬坡約束

4 仿真結(jié)果說明

文章將儲(chǔ)能裝置用于海洋平臺(tái)不同工況條件下電力調(diào)峰場(chǎng)景，探討不同工況條件下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行情況，同時(shí)對(duì)原油發(fā)電機(jī)組的出力進(jìn)行調(diào)度研究。對(duì)于該研究系統(tǒng)，其優(yōu)化變量包括整數(shù)類型儲(chǔ)能裝置的數(shù)量及位置，和連續(xù)變量類型的原油發(fā)電機(jī)組不同工況不同時(shí)刻的有功出力，以及儲(chǔ)能裝置不同工況不同時(shí)刻的充放電情況。

文章研究對(duì)象是平臺(tái)微網(wǎng)的孤島測(cè)試系統(tǒng)，研究中選取每種工況條件典型的一天仿真，仿真步長(zhǎng)為15 min，仿真優(yōu)化的總時(shí)段為384。

4.1 儲(chǔ)能裝置布局和容量

通過3.1節(jié)介紹的外層優(yōu)化得到儲(chǔ)能裝置容量及位置配置表見表3，從表中可以清晰看到儲(chǔ)能裝置的最佳接入位置及裝機(jī)容量，用于消納吸收系統(tǒng)中的多余電能。

表3 儲(chǔ)能裝置容量及位置配置表

雙層優(yōu)化最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的原油發(fā)電機(jī)組及儲(chǔ)能裝置初期總投資成本為6.873*105$，當(dāng)平臺(tái)處于應(yīng)急狀態(tài)，存放于應(yīng)急發(fā)電機(jī)室、蓄電池間、主機(jī)艙中的儲(chǔ)能裝置可用于應(yīng)急發(fā)電機(jī)組配套、UPS（不間斷）電源、霧笛和障礙燈、無線電設(shè)備及原油發(fā)電機(jī)組24 V備用電源。

4.2 原油發(fā)電機(jī)組調(diào)度計(jì)劃及儲(chǔ)能裝置的充放電

根據(jù)傳統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算書得到原油發(fā)電機(jī)組的容量配置方案，并根據(jù)PSO算法外層優(yōu)化得到儲(chǔ)能的位置和容量，最后依據(jù)平臺(tái)日前負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)平臺(tái)電力系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行研究，利用CPLEX數(shù)學(xué)規(guī)劃法，得到機(jī)組日前調(diào)度計(jì)劃如圖6所示，最后利用平臺(tái)電站電源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟停和實(shí)時(shí)調(diào)度。

從圖6中可以看出，每臺(tái)原油發(fā)電機(jī)組的出力都在其功率限制范圍內(nèi)，且各臺(tái)機(jī)組出力近乎平穩(wěn)，雖然平臺(tái)負(fù)荷具一定的波動(dòng)性，但是加入儲(chǔ)能裝置后可以很好地平抑系統(tǒng)中的功率波動(dòng)情況。即使負(fù)荷在不斷波動(dòng)，加入儲(chǔ)能裝置后，原油發(fā)電機(jī)機(jī)組的總出力波動(dòng)并不大。

圖6 機(jī)組日前調(diào)度計(jì)劃

同時(shí)可以看出，停泊狀態(tài)和應(yīng)急狀態(tài)只啟動(dòng)一臺(tái)應(yīng)急原油發(fā)電機(jī)組，其他四臺(tái)機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，樁腿升降狀態(tài)及鉆井狀態(tài)根據(jù)負(fù)荷波動(dòng)及儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)合理調(diào)度5臺(tái)原油發(fā)電機(jī)組，減少平臺(tái)上常見的棄電現(xiàn)象，從機(jī)組調(diào)度的角度實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

圖7為內(nèi)層優(yōu)化得到的儲(chǔ)能裝置的充放電功率圖，可以清晰地看到儲(chǔ)能裝置每個(gè)時(shí)段的充放電情況(正值放電，負(fù)值充電)，可以看出儲(chǔ)能裝置充放電基本平衡，用于消納原油發(fā)電機(jī)組輸出功率和負(fù)載間的能量差。從圖7中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)中的能量有剩余時(shí)，儲(chǔ)能裝置持續(xù)充電，直到充滿為止；當(dāng)系統(tǒng)中的能量有不足時(shí)，儲(chǔ)能裝置持續(xù)放電，直到放完為止，儲(chǔ)能裝置充放電基本均衡，用于消納原油發(fā)電機(jī)組和負(fù)載間的能量差。

圖7 儲(chǔ)能裝置的充放電功率圖

5 結(jié)論

文章根據(jù)負(fù)荷計(jì)算書中負(fù)荷數(shù)據(jù)，利用PSO法對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃研究，然后對(duì)自升式鉆井平臺(tái)不同工況進(jìn)行日前負(fù)荷預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。考慮平臺(tái)負(fù)荷的波動(dòng)性，提出基于CPLEX的雙層PSO算法，確定儲(chǔ)能裝置在平臺(tái)電網(wǎng)中的最佳接入位置及裝機(jī)容量，并結(jié)合“經(jīng)濟(jì)調(diào)度思想”優(yōu)化出各個(gè)時(shí)段原油發(fā)電機(jī)機(jī)組的最佳出力，利用平臺(tái)電站電源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟停和實(shí)時(shí)調(diào)度。并且考慮了儲(chǔ)能裝置的充放電策略，給出各個(gè)時(shí)段的充放電情況，所應(yīng)用的算法繼承了群智能優(yōu)化算法的優(yōu)點(diǎn)，并且傳承了CPLEX工具包的快速收斂性，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，仿真結(jié)果表明該配置方案可以促進(jìn)能源供應(yīng)的有機(jī)融合、智能化運(yùn)營(yíng)，仿真結(jié)果已應(yīng)用于TZ-400自升式鉆井平臺(tái)，現(xiàn)在已處于舾裝階段。

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Planning and Operation Research on of Energy-storing System on Offshore Platform

Wang Xingyue, Jia Tao, Wang Yongming

(Technology Center, TZ(Tianjin) Binhai Heavy Machinery Co., LTD. Tianjin 300457, China).

1003-4862（2018）08-0031-05

TK821 TP391.9

B

2018-04-09

王興月(1987-)，女，工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及控制、分布式發(fā)電技術(shù)等。E-mail: wangxingyuecindy@163.com