钻井平台燃气电站冲击负荷在线辨识与补偿

韩云龙，王生春，张红艳，刘桂英，党向萍，张则亚，郝利华

（中国石油集团济柴动力有限公司，山东济南 250306）

0 引言

在油田钻井平台上，由于大功率电力系统长期运行的需要，由燃气发电机组组成的电站动力系统在钻井动力成本、环境保护、节能减排等方面具有显著优势。然而，在油田钻井过程中，由燃气发电机组组成的电站钻井动力系统，存在着对非线性冲击负荷条件适应性差、响应时间慢等问题，不能满足钻井平台的用电需求。采用超级电容器作为冲击负荷的功率补偿元件，具有响应速度快、补偿功率高等优点。通过动态冲击负荷补偿算法和电力系统补偿功率控制策略，完成暂态有功和无功电流的定量计算。研究钻井平台燃气电站冲击负荷在线辨识与补偿技术，其为冲击负荷补偿的关键技术之一[1-3]。在实际应用中，采用济柴研制的HIT-CESS 控制系统进行在线辨识和补偿控制，控制系统示意图如图1 所示。

1 动态冲击负荷补偿原理

动态冲击负荷补偿原理，是通过采集负荷电流iLOAD和补偿侧电流iUPQC，通过abc/dq 坐标变换求出负荷有功电流iqLOAD和补偿侧有功电流iqUPQC。将有功负荷电流iqLOAD通过高通滤波器得到其有功电流高频暂态分量ihp，主控制器发出补偿电流指令，令iqUPQC=ihp，使补偿侧有功电流iqUPQC根据指令值变化，实现动态有功功率补偿。高通滤波器的滤波时间常数τ 决定了补偿电流的持续时间和幅值[2-3]。动态冲击负荷补偿原理如图2 所示。

2 冲击性负荷的在线辨识

燃气电站供电网络中存在电流关系见式（1）：

式（1）中iqLOAD、iqDG、iqUPQC分别表示负荷有功电流、发电机输出有功电流与冲击性负荷动态补偿输出有功电流。因此当负荷有功变化时：

式中|iqLOAD|是负荷电流有功分量的瞬态变化量。将式（3）代入式（1）中得到：

从式（4）可以看出，当负荷的有功分量瞬态变化时，即时间为零时。

图1 HIT-CESS 控制系统示意

图2 动态冲击负荷补偿原理

图3 冲击负荷在线辨识示意

所以：

由上式可知，实时有功功率分量补偿后，当负荷有功功率元件发生暂态变化时，发电机输出电流的有功部分不会发生大的变化，也就是说，发电机组不受负荷有功功率元件暂态变化的影响[3-5]。燃气发电机组输出有功电流部分随时间的变化规律如下：

冲击负荷有功补偿系统的输出电流随时间呈负指数规律逐渐减小，发电机组有功电流分量逐渐增大。当达到新的稳定状态时，冲击负荷有源补偿系统的输出电流为零，机组输出电流的有功分量等于负荷。

因此冲击负荷有功补偿系统具有瞬时补偿的自适应机制。在实际应用中，是采用济柴HIT-CESS 控制系统进行在线辨识的，如图3 所示。

3 电站动力系统补偿功率控制策略

冲击负荷动态补偿主要进行瞬态有功和无功电流的给定量的运算，并完成瞬态功率输出的控制[3-6]。

3.1 产生冲击性负荷时

在判断出冲击负荷时，采用有功电流变化率闭环控制策略，保证燃气机组的输出功率与负荷功率一致时，有功电流的变化率为零。在这种情况下，功率调节器自动退出有功功率补偿，以避免长期输出有功功率[2-7]。

3.2 未产生冲击性负荷时

在判断出未产生冲击性负荷时，应为超级电容充电，通过直流变换器和充放电控制器来实现。直流电压闭环调节器用于直流母线电压的恒定控制，此时功率调节器吸收功率[2-7]。

3.3 负荷有功功率小于零时

在判断出负荷有功功率小于零时，即需要吸收再生能量时，功率调节器的有功电流变为负值，则由超级电容吸收能量，进而减少燃料的消耗，达到节能效果[2-7]。

对于无功功率补偿算法，直接将负荷无功电流作为功率调节器的给定，则其无功功率输出将自动实现与负荷侧相平衡。

4 结束语

钻井平台燃气电站的冲击负荷在线辨识与补偿研究是通过冲击负荷动态补偿算法得到电流指令后，通过控制变换器的动作来控制系统的输出功率，从而自适应跟踪补偿装置的输出电流。采用电流滞环控制，该方法可以实现电流的直接控制。采用PWM 控制技术对电流波形进行实时跟踪。与间接控制相比，电流直接控制具有更快的响应速度和更高的控制精度。在这种控制方法中，功率补偿单元实际上相当于一个受控电源。通过对负荷电流的检测，可以得到需要补偿的功率电流，从而实现对电力系统冲击负荷的在线辨识和补偿调整。