电动储能修井机超级电容配套技术研究

摘 要：以XJ250超级电容储能修井机为例，通过调研修井作业流程，给出了起下管柱作业过程中各操作步骤的时间，确定了超级电容充放电的时间节点，并完成超级电容选型和参数匹配计算。在满足输出功率和储能容量要求的基础上，以“成本最低、利用率最高”为原则，优化超级电容阵列组合方式，为电动储能修井机超级电容匹配提供最佳阵列方案。

關键词：超级电容；储能修井机；匹配研究；阵列

中图分类号：TE935 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.073

传统修井机存在功率配置大、传动效率低、污染严重等问题，目前，国内修井作业设备正朝着电驱方向发展。为了有效避免高压接电引发的种种问题，相关人员研制了由井场变压器供电的电驱修井机，并配备了超级电容储能装置解决绞车大功率起升管柱时变压器容量不足的问题。配置超级电容容量和阵列组合时，存在容量冗余的问题。针对此问题，本文给出了超级电容选型和参数配置方案，并提出优选最佳阵列组合的方法。

1 技术分析

超级电容储能修井机电控系统的工作原理如图1所示。井场交流网电与超级电容储存的电能通过直流母线进行并网。提升管柱时，系统通过监测绞车电机功率控制DC/DC释放电能，弥补功率波动，维持变压器的稳定输出；下放管柱时，在管柱重力的作用下，绞车电机被反拖发电，与井场网电提供电能，共同为超级电容充电。调研XJ250修井机起升管柱作业，其工作循环流程为：挂吊卡—上提—安装卡瓦—卸扣—下放单根—摘吊卡，各阶段作业时长和节点如图2所示。在不同吨位下，绞车上提时间为15～38 s，卸扣等辅助作业时间为55～60 s。由此可以确定，超级电容放电时间为38 s，充电时间为55 s。

2 匹配选型

2.1 超级电容选型

根据不同的作用原理，超级电容器主要分成双电层型超级电容器、赝电容型超级电容器和锂离子超级电容器3大类。超级电容选型需要综合考虑电压、功率密度、技术成熟度和寿命等因素。以宁波中车新能源科技有限公司生产的超级电容为例，其单体参数对比情况如表1所示。结合修井作业工况，经对比，选用技术成熟、功率密度比高、循环寿命长的双电层超级电容单体。

由于超级电容器单体工作电压不高，为了满足设备的使用要求，在实际应用中，将多个超级电容器单体串联起来，并配合电压均衡和充放电稳压系统形成超级电容模组。

此处选用48 V、165 F模组，其基本参数如表2所示。

2.2 电压范围

因为直流母线侧与超级电容端电压不一致，所以，采用Buck-boost型双向DC/DC变换器，等效原理如图3所示。

为了便于将其工作状态控制在单一升压/降压模式下，通常超级电容模组串联最高电压应低于直流母线侧电压波动下限。 《电能质量 供电电压偏差》（GB/T 12325—2003）规定：三相380 V供电电压偏差为标称电压的±7%，但一般井场用电情况比较难控制，通常套用220 V供电要求，即供电电压偏差为标称电压的-10%～7%，即三相380 V电压的实际波动范围为342～406.6 V。经三相全桥不可控整流后，直流母线电压范围为461.7～548.9 V。

超级电容放电至电压下限时，为了获得相同的功率输出，电压越低，其放电电流越大，给元器件选型造成困难。因此，在满足要求的前提下，应尽量提高工作电压下限，通常取压降50%，即模组工作电压为24～48 V。

2.3 容量计算

修井作业最大功率输出为提升管柱时，由图1可知，绞车电机由井场变压器与超级电容并网供电。由储能装置提供的功率为：

储能装置需要提供的能量为：

式（1）（2）中：Pc为超级电容输出功率；P为电机最大功率；Pw为网电功率；PF为辅机功率；η为转换效率；t为提升时间；ξ为功率折算系数。

超级电容模组经串联形成串组，放电时电压变化由U1到U2，释放的能量可以表示为：

由此可以确定电容容量为：

3 模组阵列优化

为了满足设备输出功率、电压和储能容量要求，通常采用超级电容模组串并联的方式实现。由n个型号相同、特性一致的超级电容模组串联，后经并联形成m条支路，组成n×m超级电容阵列组合，其电压关系可表示为：

电容总容量可表示为：

式（5）（6）中：U为超级电容额定总电压；Um为超级电容模组额定电压；C为超级电容总容量；Cm为超级电容模组容量。

由相关内容可以确定模组串联后上限电压为461.7 V，所以，采用48 V、165 F超级电容模组串联数量可以为7串、8串或9串，其模组阵列对比情况如表3所示。由表3可知，采用8串4并阵列方式电容模组数量最少、体积最小，同时，其容量利用率为93.8%，因此，优选这种方案。

4 结论

通过调研修井作业流程，给出了XJ250修井机起下管柱作业各操作步骤的时间节点，为超级电容储能修井机电容参数匹配提供了依据。

根据双向DC/DC变换器工作原理和超级电容的放电深度，确定了超级电容工作电压上下限，给出了超级电容容量的计算方法。

以“费用最省、体积最小、利用率最高”为原则，通过优化超级电容模组阵列组合方式，优选最佳阵列方案。

参考文献

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作者简介：丁国栋（1989—），男，硕士，助理工程师，2014年毕业于中国石油大学（华东）机械工程专业，主要从事石油钻修设备开发和设计工作。

〔编辑：白洁〕