面向油氣采掘機(jī)械設(shè)備用能的直流微電網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制策略*

宋志剛,茹秋實(shí),張全娥

(國網(wǎng)甘肅省電力公司 隴南供電公司,甘肅 隴南 746000)

0 引 言

油氣開采工程是一項(xiàng)傳統(tǒng)的能源密集系統(tǒng),其供能工作中通常包含電、熱、冷、水多能流綜合調(diào)度環(huán)節(jié)。其中如何保障供電穩(wěn)定性與清潔性一直是一項(xiàng)重要研究課題。目前電氣化采掘設(shè)備正逐漸成為石油產(chǎn)業(yè)的主流應(yīng)用設(shè)備;并且隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn),可再生清潔能源得到了長足發(fā)展,因此作為其能量載體的微電網(wǎng)將成為未來電力供應(yīng)的主要來源之一。我國西北地區(qū)蘊(yùn)含豐富的油氣資源與光照資源,開展微電網(wǎng)與油氣采集設(shè)備供能相關(guān)研究是具有實(shí)踐意義的重要研究方向。綜上所述,深化新能源微電網(wǎng)供能與油氣開采設(shè)備耦合供能是解決油氣開采過程高能耗、高碳排問題且符合我國自然資源條件的重要手段之一。

目前,直流微電網(wǎng)因控制簡單、能源高效利用率的特點(diǎn)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了以光伏、風(fēng)電為代表的可再生能源高效利用,并得到了廣泛研究和關(guān)注。微電網(wǎng)中需要配置由多個ESU構(gòu)成的分布式儲能系統(tǒng)(Distributed Energy Storage System,DESS)以平抑風(fēng)光出力波動,實(shí)現(xiàn)對采油設(shè)備供能穩(wěn)定。但在實(shí)際應(yīng)用中,儲能元件的充電狀態(tài)(State of Charge,SOC)將影響部分ESU的使用壽命,從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此,提出有效的DESS控制策略是含多儲能直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究核心課題之一。

文獻(xiàn)[1]提出了一種下垂系數(shù)與SOC的成n階反比的SOC自適應(yīng)下垂控制策略,提高了SOC均衡速度。文獻(xiàn)[2]采用模糊算法,根據(jù)儲能單元的SOC偏差、輸出電壓偏差自動調(diào)整下垂系數(shù),實(shí)現(xiàn)SOC的均衡。文獻(xiàn)[3]實(shí)時檢測儲能單元的SOC,利用固定的下垂系數(shù),調(diào)整分布式微源的工作模式、負(fù)載工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)SOC均衡。文獻(xiàn)[4]通過改進(jìn)的SOC冪指數(shù)控制策略達(dá)到快速尋找最優(yōu)下垂曲線的目的,實(shí)現(xiàn)SOC的均衡。文獻(xiàn)[5]以下垂控制為基礎(chǔ),提出自適應(yīng)下垂控制策略。文獻(xiàn)[6]提出針對儲能系統(tǒng)SOC均衡控制的改進(jìn)動態(tài)下垂控制策略。文獻(xiàn)[7]提出一種考慮儲能單元運(yùn)行和分布式微源出力不確定性的基于深度學(xué)習(xí)的儲能單元SOC管理策略。

筆者提出一種基于油氣采掘設(shè)備用能數(shù)據(jù)改進(jìn)的分層下垂控制策略:一次控制層根據(jù)采掘設(shè)備功率需求制定合理能源供給比例并反饋互供給端,調(diào)整微源與DESS工作模式以平衡輸出功率與功率需求;二次控制層實(shí)時檢測充放電過程中SOC狀態(tài),通過冪指數(shù)下垂控制得到各SOC快速均衡下垂系數(shù)并調(diào)整加速因子數(shù)值計算補(bǔ)償量,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速ESU SOC均衡[8]。

1 面向采掘設(shè)備供能的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制

1.1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與分層控制

文章研究的采掘設(shè)備供能直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,微電網(wǎng)端主要包含光伏單元、ESU、負(fù)載單元以及相應(yīng)的接口電路。中間端包含電轉(zhuǎn)熱設(shè)備、電轉(zhuǎn)冷設(shè)備等。能量末端流向采掘設(shè)備組提供綜合能流實(shí)現(xiàn)供能。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

鑒于電氣化油氣采掘設(shè)備用能形式多樣化所導(dǎo)致的電壓等級多樣性現(xiàn)象,文章選用母線電壓分層控制[9]。并在母線電壓分層控制基礎(chǔ)上提出以母線電壓波動幅度為依據(jù)的分層控制策略,以對采掘設(shè)備地下供能電纜集群進(jìn)行控制,基本原理如圖2所示。初級控制實(shí)現(xiàn)對接口電路的控制,根據(jù)分布式微源、負(fù)載需求功率的變化,調(diào)整DESS工作模式。二級控制根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行規(guī)律控制DESS的工作模式[10]。

圖2 直流微電網(wǎng)分層控制策略

1.2 直流微電網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)與控制

1.2.1 光伏單元

文章通過討論光伏單元的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)模式實(shí)現(xiàn)采油機(jī)電力供能穩(wěn)定。其控制原理如圖3所示。圖中UPV為光伏輸出電壓,IPV為光伏輸出電流,Is為接口電路輸出電流,Udc為直流母線電壓[11]。

圖3 光伏單元結(jié)構(gòu)與控制

1.2.2 儲能單元(ESU)

ESU及其接口電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。電感L,開關(guān)S1、S2以及和其并聯(lián)的二極管D1、D2,濾波電容C1、C2組成DC/DC雙向變換器。開關(guān)S1、S2組成互補(bǔ)信號。通過控制S1、S2的開關(guān)信號,可實(shí)現(xiàn)對雙向DC/DC電路工作模式的切換。

圖4 ESU及DC/DC變流器工作原理

1.2.3 采掘設(shè)備負(fù)載

電氣化油氣采掘設(shè)備是指在石油、天然氣等能源開采過程中使用的電力設(shè)備。隨著油氣領(lǐng)域的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步,電氣化設(shè)備在油氣采掘過程中的應(yīng)用越來越廣泛。電氣化設(shè)備包括電動機(jī)、變頻器、電纜、開關(guān)柜、隔離開關(guān)、接觸器、斷路器、變壓器等;文章將其簡化為電功率開展研究。以上電氣設(shè)備所需電壓往往相對較低,所以在供電環(huán)節(jié)需要轉(zhuǎn)載Buck電路。Buck電路的工作原理圖如圖5所示,Udc為直流母線電壓,iD(t)為二極管電流,iL(t)為電感電流,uL(t)為電感電壓,uR(t)為負(fù)載電壓。經(jīng)過Buck的降壓之后,其輸出電壓等于負(fù)載的額定電壓。

圖5 負(fù)載及其接口電路工作原理

2 采掘設(shè)備DESS 的SOC均衡策略

電氣化油氣采掘設(shè)備用電能耗較大,當(dāng)負(fù)載不穩(wěn)定時,儲能元件需要短時大幅度放電,這將導(dǎo)致儲能內(nèi)電壓波動。傳統(tǒng)DESS下垂控制會導(dǎo)致外部供能母線電壓或設(shè)備內(nèi)部組件間電壓跌落,固定的下垂系數(shù)在多個ESU SOC均衡過程響應(yīng)速度慢、部分ESU過充過放。為滿足儲能設(shè)備放電所導(dǎo)致的電壓驟降與控制方式所帶來的電壓降低,文章提出一種改進(jìn)下垂控制策略,以滿足多SOC狀態(tài)的充放電控制[12]。

采掘設(shè)備供能DESS通常是由多個ESU組成的聯(lián)合功能組件。因此需要對SOC冪指數(shù)下垂控制策略進(jìn)行改進(jìn),以保證大量ESU設(shè)備快速供能與精準(zhǔn)充放電控制[13]。

Udci=Udcref-RbiPbati

(1)

式中:Udci、Rbi、Pbati分別為第i個DC/DC變換器的輸出電壓、下垂系數(shù)和輸出功率?？紤]到ESU通常通過變換器與母線相連,假設(shè)所有ESU的輸出電壓相等。由此可得:

RbiPbati=RbjPbatj(i≠j)

(2)

式(2)表明ESU的輸出功率與其下垂系數(shù)成反比?？梢詫SU的SOC與下垂系數(shù)相關(guān)聯(lián),通過改變下垂系數(shù)精確分配功率輸出[14]。

(3)

β=Ks|SOCi-SOCave|+K

(4)

式中:SOCi為第i個ESU當(dāng)前的SOC;KN為調(diào)整因子;β(β≤1)為與均衡速度反比的加速因子,β值與均衡速度呈反比;p、Ks、K均為常數(shù),其中p值與均衡速度呈正比,但與穩(wěn)定性呈反比,K決定均衡精度;SOCave為所有SOC平均值[15]。

所有ESU的SOC平均偏差值為ΔSOC(ΔSOC=|SOCi-SOCave|)。ΔSOC≥25%時,設(shè)置與SOCave偏差最大的ESU下垂系數(shù)為允許范圍內(nèi)的最小值,并將其設(shè)置為主功率單元;當(dāng)ΔSOC≤25%時,下垂系數(shù)值由式(3)決定。

(5)

式中:ΔUdcmin和ΔUdcmax分別為母線電壓允許波動范圍的最小和最大值;idcmin和idcmax分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流的最小和最大值。式(5)可以基于給定母線電壓范圍求出下垂系數(shù)的允許范圍。

母線電壓下降同時也將導(dǎo)致采掘設(shè)備組供能貧乏,下垂控制是導(dǎo)致母線電壓降低的原因之一。為解決此問題,二次電壓補(bǔ)償控制器被引入ESU控制環(huán)節(jié)中。其控制原理和計算由基于離散一致性算法的電壓觀測器和PI控制器構(gòu)成[16]。本地電壓差的計算可表示為:

ΔU=Ubat-Udc

(6)

式中:Udc為直流母線電壓;Ubat為儲能系統(tǒng)輸出電壓。代入本地電壓差公式(7)設(shè)為離散一致性算法初始變量ΔUi[0],基于相鄰ESU的輸出電壓數(shù)據(jù)利用以下公式更新本地電壓差狀態(tài)變量:

(7)

式中:ΔUj為第j個ESU的本地電壓差;[aij]∈RN*N為決定收斂速度的權(quán)重矩陣。ESU本地電壓差平均值ΔUi[∞]可通過式(7)多次迭代收斂得到。進(jìn)一步,將輸出電壓平均值與直流母線電壓額定值比較作為PI控制器的輸入,得到二次電壓控制的補(bǔ)償量Δvess-i。ESU控制原理如圖6所示。

基于以上分析可得:采掘設(shè)備出力穩(wěn)定增大時DESS進(jìn)入工作模式,ESU的SOC均衡以及直流母線電壓穩(wěn)定通過改進(jìn)冪指數(shù)下垂控制調(diào)節(jié)各ESU功率來實(shí)現(xiàn);當(dāng)采掘設(shè)備工況突變時導(dǎo)致部分DESS過充過放,其SOC均衡速率可以通過為其設(shè)置允許范圍內(nèi)最小下垂系數(shù)提高;下垂控制引起的電壓跌落可通過設(shè)置電壓觀測器和PI控制器計算補(bǔ)償量補(bǔ)償[18]。

3 仿真分析

為驗(yàn)證文章所提控制策略的有效性,在MATLAB/Simulink中搭建如圖7所示仿真模型。

圖7 直流微電網(wǎng)及其控制結(jié)構(gòu)圖

直流微電網(wǎng)母線電壓額定值為400 V,光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率為10 kW,負(fù)載功率為5 kW(關(guān)鍵/非關(guān)鍵負(fù)載);DESS由3個容量均為2 A·h的ESU構(gòu)成,最大輸出電壓為150 V,SOC限制為20%～90%。

3.1 DESS不同工況下仿真結(jié)果

3.1.1 DESS SOC未超限工況

設(shè)置3個ESU的初始SOC分別為80%、70%和60%;下垂控制的對應(yīng)參數(shù)為KN=9×10-3,p=3.5,Ks=2.5,K=0.02。環(huán)境溫度T=25 ℃,不同光照強(qiáng)度下仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 ESU未超限仿真結(jié)果

由圖8(a)可知:在0～0.5 s內(nèi),采掘設(shè)備功率與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率持平。ESU處于待機(jī)模式,母線電壓穩(wěn)定在400 V。在0.5～1.5 s內(nèi),光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率增加,ESU由待機(jī)模式轉(zhuǎn)為充電模式,輸出功率為負(fù)值。在1.5～2.5 s內(nèi),光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率減小,ESU轉(zhuǎn)為放電模式,輸出功率為正值。由圖8(b)可知:在ESU充電過程中,SOC越低輸入功率越大。在放電過程中,SOC越大輸出功率越大。由圖8(c)可知:儲能系統(tǒng)快速響應(yīng)補(bǔ)償光伏發(fā)電波動母線電壓的波動始終處于允許范圍內(nèi)。

3.1.2 DESS SOC超限工況

設(shè)置3個ESU的初始SOC分別為88%、89%和70%,其他參數(shù)不變。驗(yàn)證DESS在到達(dá)滿容量狀態(tài)時控制策略的有效性,仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 ESU超限仿真結(jié)果

由圖9(a)可知:在0～0.4 s和2～2.5 s內(nèi),光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率等于采掘設(shè)備消耗功率,儲能系統(tǒng)處于待機(jī)模式;在0.4～2 s內(nèi),光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率大于采掘設(shè)備消耗,ESU處于充電模式。

由圖9(b)可知:在0.4～2 s內(nèi), SOC最低單元首先進(jìn)入充電模式;隨著SOC的逐漸增大,所有的ESU均進(jìn)入充電模式;2 s時,由于ESU容量均已達(dá)上限,光伏發(fā)電系統(tǒng)減小輸出功率,ESU由充電轉(zhuǎn)為待機(jī)模式。

3.1.3 ESU SOC均衡策略仿真結(jié)果

為驗(yàn)證SOC均衡策略的有效性,設(shè)置三個ESU的初始SOC為82%,68%和53%。下垂控制系數(shù)分別為KN=7.5×10-3,p=2.9,Ks=2.5,K=0.01,并與傳統(tǒng)固定下垂系數(shù)的DESS SOC控制策略對比。在ESU充電時,光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率設(shè)為8 kW;放電時,光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率設(shè)為3 kW,仿真結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 DESS充電仿真結(jié)果

由圖10(a)和圖11(a)可知,充電過程中,SOC越小的充電功率越大,反之亦然;放電過程中,SOC越大的單元,其輸出功率越大,與理論一致。由圖10(b)和圖11(b)可知,在2 s時,ESU SOC基本一致,均衡效果良好。由圖10(c)和圖11(c)可知,相較于傳統(tǒng)方法文中所提控制策略在均衡速度和維持母線電壓平衡方面的控制效果更佳。

圖11 DESS放電仿真結(jié)果

3.2 DESS對光伏單元的跟蹤補(bǔ)償仿真結(jié)果

在光照條件發(fā)生變化時,驗(yàn)證DESS的動態(tài)響應(yīng)特性。3個ESU的初始SOC設(shè)置為70%,80%和85%。仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 儲能系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力

分析圖12可知,ESU可以快速地跟蹤和補(bǔ)償光伏輸出功率的差額與冗余,以保證儲能系統(tǒng)能量供需平衡。

3.3 采掘工況突變時仿真結(jié)果

現(xiàn)實(shí)中采油機(jī)器在工作時常出現(xiàn)礦井油壓不足的狀況,油壓不足將影響抽油機(jī)的工作功率。文中將以上工況簡化為負(fù)載功率突變進(jìn)行分析。

系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時,在1 s與2 s時刻投切非關(guān)鍵負(fù)載,觀察系統(tǒng)在負(fù)載投切時的響應(yīng)特性。ESU的初始SOC分別設(shè)置為70%,80%和85%,仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 設(shè)備工況突變時的仿真結(jié)果

分析圖13可知,采掘設(shè)備工況穩(wěn)定時母線電壓會立即升至額定值。隨著直流母線電壓與額定值偏差的逐漸減小,ESU輸出功率隨之減小直至進(jìn)入待機(jī)模式。采掘設(shè)備工況突變時,ESU迅速動作進(jìn)入充電模式,吸收冗余功率穩(wěn)定電壓;當(dāng)負(fù)載所需功率增加時,釋放自身儲存功率,維持了母線電壓穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

為保障電氣化油氣采掘設(shè)備用能穩(wěn)定,文章簡化了采掘設(shè)備負(fù)載并基于微電網(wǎng)母線分層控制和下垂控制原理提出了一種適用于供能直流微電網(wǎng)分布式儲能系統(tǒng)各儲能子單元SOC的快速均衡控制策略,得到如下結(jié)論。

(1) 所提控制策略在光照發(fā)生變化以及采掘工況突變時可快速平抑電壓驟降波動和解決母線電壓降低問題,保持系統(tǒng)中能量供需平衡。

(2) 不同初始容量ESU的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中,所提控制策略可以減小各ESU SOC差異,降低ESU充放電次數(shù);在多個ESU的SOC差值較大時,可以通過調(diào)整ESU下垂系數(shù)的取值,提高SOC的均衡速率,減小了母線電壓偏差;與此同時,設(shè)計了基于離散一致性的二次電壓補(bǔ)償器,進(jìn)一步提高了母線電壓的穩(wěn)定性。

(3) 與傳統(tǒng)的ESU控制策略相比,所提控制方法在采掘過程突變情況下,ESU大規(guī)模充放電時具有SOC均衡精準(zhǔn)且迅速的特點(diǎn);在采油設(shè)備工況突變所導(dǎo)致負(fù)荷功率突變的情況下,能夠快速實(shí)現(xiàn)均衡,具有實(shí)用價值。