基于飞轮储能技术的柴油机钻机机械调峰系统研究

刘曙光，孙 艳，王 佳

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048）

飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术，是近年来出现的有很大发展前景的储能技术，具有大储能、高功率、无污染、使用广、维护简单、可连续工作等优点，特别适应于周期性的能量存贮及功率放大.飞轮储能系统由飞轮、电机／发电机和电力电子装置组成［1］，分充电和放电2部分.设计该系统时，直流无刷电机和发电机是合二为一的，即在飞轮充电时，直流无刷电机工作；在飞轮放电时，转变为发电机工作.飞轮储能技术作为一种新型高效的能量转换与存储方法，它将电机的转子与飞轮结合，电机驱动飞轮至高速旋转，电能转变为机械能储存.当需要电能时，飞轮减速并驱动电机，电机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能.机械钻机在钻井过程中负载波动大，对传动系统和柴油机形成较大的冲击负荷.由于冲击负荷的存在，机械钻机的柴油机选型受到了极大制约，同时造成钻机在运行过程中能耗高，经济运行性差.为了克服上述问题，本文提出了利用飞轮储能技术的调峰系统来平抑机械钻机在施工过程中出现的负载波动对发动机的冲击，最大限度地减少冲击负荷的强度，优化柴油机配置，进而提高钻井效率，节约能源.

1 飞轮储能系统

1.1 飞轮储能

飞轮储能系统可分为3种工作模式：飞轮充电模式，交流电源给飞轮控制器供电，飞轮控制器控制电能输入使飞轮达到额定最高工作转速；飞轮能量保持模式，飞轮系统依靠最小的交流电输入，保持飞轮在最高工作转速运行；飞轮放电模式，交流电源中断，飞轮给飞轮控制器供电，控制器提供不间断电源给负载，飞轮转速下降［2］.

为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术［3］，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内.通常发电机和电动机使用一台电机来实现，通过轴承直接和飞轮连在一起.这样，在实际常用的飞轮储能装置中，主要包括以下部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子装置.飞轮储能装置结构的示意图如图1所示.

在整个飞轮储能装置中，飞轮是其中的核心部件，它是一个作定轴转动的旋转体.飞轮高速旋转储存的能量E可表示为

图1 飞轮储能装置结构示意图

式中 J为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；ω为飞轮转动的角速度.由式（1）可以看出：飞轮储存的动能与其转速的平方成正比.所以，高速飞轮的储存的能量和能量密度都远远高于低速飞轮.

不平衡转动力矩的作用是飞轮转速改变的根本原因，这一关系可描述为

当转矩的方向与飞轮转动方向一致时，飞轮受到正向不平衡转矩的作用而加速，能量转化为动能储存起来；当飞轮减速时，动能转化为电能输出.飞轮始终在最高转速和最低转速之间循环旋转，其可吸收和释放的能量大小为

在不考虑损耗的情况下，飞轮的功率为

1.2 能量转换控制

飞轮储能系统的主电路拓扑结构如图2所示.系统由直流母线电容C、逆变器S1～S6、飞轮单元等组成.其中飞轮单元包括驱动电机、飞轮转盘和轴承支撑系统等，它们均被放置于密闭的真空套筒中，以减小飞轮转盘高速旋转时的风损.飞轮储能系统运行时，逆变器驱动飞轮单元的驱动电机，拖动飞轮转盘高速旋转，电能转化为机械能.当需要释放能量时，控制器将储存在飞轮中的机械能转换为电能输出.因此，飞轮单元的能量回馈［4］是飞轮储能系统的关键技术之一.

飞轮储能系统处于放电状态时，逆变器实现飞轮单元向直流母线侧的能量回馈.飞轮单元的能量回馈有以下特点：

（1）在稳态情况下，飞轮单元充电时，由BLDCM的电压方程，直流母线电压大于电机反电动势幅值的2倍，处于放电状态时，直流母线电压仍大于2倍的反电动势幅值，因此，单纯采用不控整流的方式无法释放能量.

（2）飞轮驱动电机在能量回馈时主要运行于高速区.随着能量的释放，飞轮转速下降，反电动势的频率和电压变化范围大，一般要求飞轮转速降至50%额定转速时，仍能实现能量回馈.

飞轮系统利用电机的四象限运行原理，使发电机和电动机共用一台电机的方法，不但可以提高效率，还可以减少整个储能装置的尺寸，使储能密度大大提高.考虑到飞轮储能系统的运行特点，从系统结构及降低功耗出发，在实际应用中，国内外研究机构或单位多采用永磁无刷直流电机，永磁无刷直流电机具有易于调速、恒功率、调速范围宽、无励磁损耗、易于实现双向功率流动等优点，在飞轮储能应用中有很大吸引力.

图2 飞轮储能主电路拓扑

2 柴油机钻机机械调峰系统

2.1 钻机机械调峰系统组成

钻机机械调峰系统组成如图3所示.在游车处于静止或下放状态下，柴油发动机的输出功率大于需要的功率，通过补偿电动机、电动机四象限变流控制器、电动机励磁、电动机励磁控制器、测速发电机和补偿系统管理控制器的控制，使之工作在发电状态，由柴油机的机械能转换为飞轮的旋转动能储存下来；在游车处于上升状态下，柴油发动机的输出功率小于需要的功率，通过补偿电动机、电动机四象限变流控制器、电动机励磁、电动机励磁控制器、测速发电机和补偿系统管理控制器的控制，使之工作在电动状态，由飞轮的旋转动能转换为补偿电动机的输出机械能，以补偿柴油机的输出不足，保证了柴油机的工作稳定及最佳工作油耗.钻机补偿电动机的控制原理为：四象限变流控制器、励磁控制器、测速发电机通过补偿系统管理控制器检测测速发电机、绞车状态从而控制四象限变流控制器和励磁控制器的参数使之根据钻机的工作状态工作在相应的电动机或发电机的工作状态下，起到了消峰补谷的作用.

2.2 调峰电机控制原理

直流调峰电机通过调节电枢电压进行恒转矩调速，通过调节励磁电压进行恒功率调速.为保证系统运行的稳定性，也符合电机的理想运行特性，在飞轮升速过程中，可将2种控制方式结合起来：低速转矩恒定和高速功率恒定［5］.在恒转矩控制方式下，电机以最大的加速度快速起动，之后进入恒定功率控制方式，可以有效降低电机的功率容量.这样，电机和控制器的利用率和效率得到提高.在飞轮储能系统的能量转换系统设计中，控制机电双向能量变换器中的功率开关器件的通断，就可以改变永磁无刷直流电机绕组中电流的方向，从而控制能量转换系统中能量的流动.电机在电动状态运行时，控制电机绕组中电流的方向和电机反电动势的方向相反，电机电磁转矩的方向与飞轮转动方向一致，此时飞轮受到正向不平衡转矩的作用而加速储能.电机在发电状态运行时，控制电机绕组中电流的方向和电机反电动势的方向相同，此时电机处于能量回馈制动状态，向外输出电能.调峰电机控制原理如图4所示.

通过控制直流电动机的励磁电流和电枢电压来控制直流电机的转矩.根据公式［6－7］：Ia＝ （UE）／Ra，E＝Ceθn，因为调峰系统中电机的转速保持不变，即n为常数，所以通过改变励磁电流大小即可改变E的大小，从而改变Ia的大小.但由于励磁电流调节范围特别小，满足不了要求，电机效率也降低很多，因此，增加电枢电压调节来改变电机电流（扭矩）大小.

当U＞E时，Ia＞0，系统处于电动状态；

当U＜E时，Ia＜0，系统处于发电状态；

当U＝E时，Ia＝0，系统处于空载状态.

2.3 柴油机钻机机械调峰控制

机械钻机负载调峰控制系统通过采集负载检测信号并进行数据分析，综合储能装置状态参数，控制调峰电机运行［8－9］.工况一：发电运行，当发动机处于低负载运行状态时，根据储能装置状态参数，控制电机运行在发电状态，为储能装置提供充电电源；工况二：电动运行，当传动系统中检测到较大冲击负载时，控制调峰电机运行在电动状态（电机由储能装置供电），与发动机并机共同驱动负载.达到平抑发动机的加载率，保证发动机在负载变化时能够平稳运行.

2.3.1 发电控制 调峰控制系统根据负载检测系统得到滚筒离合信号，通过离合器信号、动力机组的功率冗余情况、传动系统中负载变化量及储能装置状态等参数，判断出调峰电机是否发出发电命令.

图3 钻机机械调峰系统

发电投入条件：（1）滚筒离合器状态；（2）飞轮储能器允许储能；（3）调峰系统启动.

发电切出条件：（1）飞轮储能器充满或故障；（2）电动投入；（3）调峰系统停机.

2.3.2 电动控制 控制系统通过检测钻机系统的悬重、飞轮储能量、柴油机转矩、并车箱转速等信号，控制调峰电机的电枢电流以保证调峰电机的功率输出满足要求，从而控制调峰电机是否处于电动状态.

电动投入条件：（1）并车箱转速；（2）悬重；（3）滚筒离合器状态；（4）飞轮储能器功率满足投入要求；（5）调峰系统启动.

电动切出条件：（1）离合器状态；（2）飞轮储能器功率不足；（3）飞轮储能器故障.

图4 调峰电机控制原理

3 实验研究

单台发动机承担的突加负载≤150kW，并车箱传动系统的额定输入转速为760r／min，调峰电机的功率600kW，发电时为储能装置提供750V直流电，功率140kW，电动时储能器为电机提供直流750V，400kW，20s的持续电源输出，电机运行状态转换频率满足1次／min，转换过程平稳无冲击.

实验过程中，电机与机械并车箱传动系统并联，转速要满足原系统的技术要求；负载检测传感器符合井场防爆要求，可靠耐用，传感器检测系统中的负载变化，控制系统采集传感器信号，分析系统中的负载变化以及综合储能器的状态参数和负载变化参数，对调峰电机进行控制.调峰电机是否运行在发电状态，由动力机组的功率冗余情况和储能装置的状态参数共同控制；是否运行在电动状态，由钻井设备的运行状态及传动系统中负载变化量进行控制.调峰电机切换到电动运行状态时，扭矩控制要具有软特性，即调峰电机扭矩输出的上升和下降斜率可调，稳定输出时间可调，并能实现现场调节，达到平稳承担冲击负载，平滑的将电机承担负载转移到发动机的目的.调峰电机在电动运行状态时，要充分考虑与柴油机的负载分配比例，控制的是柴油机的负载加载速率.图5～8为电动机发电、电动电源转换结果.

实验表明，飞轮储能调峰系统能有效平抑机械钻机游车在下放和上升过程中出现的负载波动对发动机的冲击，最大限度地减少冲击负荷的强度，可以节约电能20%以上.

4 结束语

本文将飞轮储能技术用于柴油机钻机的机械调峰设计.在游车处于下放状态时，柴油发动机的输出功率，通过补偿电动机、电动机四象限变流控制器、电动机励磁，电动机励磁控制器、测速发电机和补偿系统管理控制器的控制，使之工作在发电状态，由柴油机的机械能转换为飞轮的旋转动能储存下来；在游车处于上升状态时，柴油发动机的输出功率小于需要的功率，通过补偿电动机、电动机四象限变流控制器、电动机励磁、电动机励磁控制器、测速发电机和补偿系统管理控制器的控制，使之工作在电动状态，由飞轮的旋转动能转换为补偿电动机的输出机械能，以补偿柴油机的输出不足，保证了柴油机的工作稳定及最佳工作油耗.实验研究表明，这种技术可有效地平抑钻机游车在下放和上升过程中出现的负载波动，最大限度地减少冲击负荷强度，节能效果显著.

［1］ 王冉冉，徐宁.电动汽车中飞轮储能技术的应用［J］.山东理工大学学报，2003，17（3）：100-102.

［2］ 李德海，卫海岗，戴兴建.飞轮储能技术原理、应用及研究进展［J］.机械工程师，2002（4）：5-7.

［3］ XU Yanliang，FANG Jiancheng.Development of low power loss energy storage flywheel［J］.电工技术学报，2008，23（12）：11-16.

［4］ 黄宇淇，姜新建，邱阿瑞.飞轮储能能量回馈控制方法［J］.清华大学学报，2008，48（7）：1085-1088.

［5］ R S Weissbach，G G Karady，R G Richard.A combined uninterruptible power supply and dynamic voltage compensator using a flywheel energy storage system［J］.IEEE TRANSACTION ON POWER DELIVERY，2001，16（20）：265-270.

［6］ 汤双清.飞轮储能技术及应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2007：37-39.

［7］ 靳乐冰，姜新建，张超平，等.基于飞轮储能石油钻机系统的研究［J］.微电机，2012，41（11）：27-30，81.

［8］ 张超平，戴兴建，苏安平，等.石油钻机动力系统飞轮储能调峰试验研究［J］.石油机械，2013，41（5）：3-6.

［9］ 张超平.基于飞轮储能的钻机节能减排技术应用研究［J］.石油天然气学报，2013，35（8）：156-158.