含网电变压器保护的电动修井机超级电容储能控制*

伍文俊 王思佳 蔡嘉齐

(西安理工大学电气工程学院 西安 710054)

1 引言

随着人类科技的进步，大功率的电力驱动设备越来越多，如起重机、电梯、电动修井机等，这些设备要求供电系统具有更好的电能质量、更可靠的电能供给以及更高的峰值功率[1-4]。大部分提升系统的主电路采用的都是交直交变频方式[5-7]。图1为电动修井机供电结构。前端为不控整流，后端为三相变频驱动系统，制动电阻为能耗制动部分。传统交直交变频系统采用电阻能耗制动吸收变频器回馈的能量，造成了电能的极大浪费。而超级电容因功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优势[8-11]，非常适合应用于提升设备的电控系统中，其通过DC/DC变换器并接在中间直流母线上，作为辅助的能量补充和调节环节[12-13]，既可以实现节能，又可以稳定直流母线的电压。

目前在交直交变频系统驱动部分已有了很多相对成熟的控制。文献[14]将混合储能系统应用于城轨交通中，负载变化时母线电压发生波动，发车间隔小时超级电容优先响应，间隔大时电池优先响应，整个过程将母线电压控制在规定范围内。文献[15]中钻修机系统使用超级电容作为辅助电源。钻修机制动时，直流母线电压升高，当其超过阈值电压时启动电阻制动单元，快速吸收回馈的电能，抑制直流母线电压的升高；当其低于阈值电压时超级电容充电吸收回馈的电能，维持直流母线电压稳定。文献[16]将超级电容储能系统应用于微燃机发电系统中。当负载突然增加时，超级电容储能系统迅速放电，输出功率跟随负载瞬时变化的功率，然后微燃机输出功率逐渐增大，超级电容储能系统输出功率逐渐减小，微燃机系统逐渐进入稳定状态。通过超级电容的快速充电和放电，解决因微燃机系统调节速度慢而造成的负载突变时直流母线电压的不稳定问题。文献[17-18]提出了一种基于超级电容储能的新型铁路功率调节器及其协调控制策略，将图1的交直交变频系统的不控整流器换成了与逆变侧一样的拓扑，形成了双向的交直交变频系统。当交直交系统处于再生制动能量、削峰放电和填谷充电模式时，功率调节器两侧变换器采用功率控制，超级电容采用稳定直流母线电压和电感电流的控制，消除了功率控制误差。在交直交系统处于功率转移模式时，功率调节器两侧变换器采用功率和直流电压控制，超级电容采用恒功率控制，有效解决了超级电容放电失控问题。研究表明，超级电容储能系统的加入有效提高了再生制动能量的利用率，利用谷时电能补偿峰时电能，不但改善了峰值负荷对变压器的冲击，而且提高了变压器容量利率。

图1 含超级电容储能的电动修井机供电结构

上述文献所陈述的控制策略主要以稳定直流母线电压为主，而电动修井机的工作环境往往在沙漠和戈壁滩等偏远地方，其电力基础设施的建设并不完善[19-20]，井场中网电变压器容量有限，而电动修井机功率大小不一，功率大的修井机经常会造成网电变压器的过载和过流，严重时甚至烧毁网电变压器。因此，在稳定母线电压、节能减排的同时保证当地网电变压器安全运行更为重要。

本文结合电动修井机工况设计了含网电变压 器保护的电动修井机超级电容储能系统的控制策略。首先，介绍了电动修井机超级电容储能系统 的功能；其次，针对50 kVA/380 V的网电变压器和110 kW电动修井机，设计了超级电容储能系统的容量，完成了超级电容的选型；最后，设计了含网电变压器保护的超级电容储能系统的控制策略，并通过仿真验证了本文方法的正确性。

2 电动修井机超级电容储能系统功能

图2为电动修井机一个工作周期的典型工况，包括提升、回馈、间歇和下放四个阶段。一个工作周期约为60 s，提升约20 s，回馈和间歇约20 s，下放约20 s。pload为电动修井机的输出功率，is为网电变压器电流，udc为直流母线电压。

图2 电动修井机一个周期的典型工况

由图2可以看出当电动修井机处于提升阶段时，输出功率越大，网电变压器的电流越大。若此时电动修井机输出功率超过了所在地区的网电变压器的容量，会引起网电变压器过载和过流；直流母线电压太低也会导致给修井机供电的变频器不能正常工作。加入超级电容储能设备后，当负载输出功率超过网电变压器容量时，超级电容储能系统可处于输出补偿状态，与电网同时向电动修井机供电，保护网电变压器不过流，并提升母线电压。

当电动修井机处于间歇阶段时，负载输出功率较小，此时系统稳定。加入超级电容储能设备后，为保证超级电容储能系统在下一阶段有足够能量进行稳压或输出补偿，超级电容从电网吸收能量进行存储，处于容量调节状态。

当电动修井机处于回馈以及下放阶段时，其向直流母线回馈能量，直流母线电压迅速上升，过高的母线电压会危及连在直流母线上的整流器和变频器安全，引起过电压损毁。加入超级电容储能设备后，储能系统可吸收修井机回馈能量，起到了节能减排的作用，同时可以稳定直流母线电压。

综上所述，根据电动修井机的实际工况，超级电容储能系统需要完成如下功能：① 网电变压器过流保护功能；② 容量调节功能；③ 稳定直流母线电压功能。

3 超级电容容量设计

本文井场电网变压器容量为50 kV·A，线电压380 V，频率50 Hz，电动修井机最大功率loadP为110 kW。为保证网电变压器在修井机提升阶段能够不超出其额定容量，保护其安全运行，设计超级电容储能装置的功率为

式中，Psc为超级电容最大输出功率；Pload为电动修井机最大功率；S为井场变压器容量；η为变压器效率，取0.8。

那么，超级电容储能装置需要存储的能量为

式中，tl为电动修井机最大提升时间。

超级电容处于双向DC/DC变换器的低压侧，为了保证超级电容充电功率，一般占空比不超过2/3[21]。因此，对于交流380 V的电动修井机电控系统，可得超级电容最大电压 -maxscU为360 V。

超级电容的荷电状态(State of charge，SOC)为

式中，Csc为超级电容总容量；uc为超级电容实际电压。

由式(3)可知，当超级电容电压为额定电压的一半时，SOC为25%，说明超级电容容量已经使用了75%。一般超级电容最佳荷电状态使用范围为25%～100%，由此可得超级电容最低工作电压Usc-min为180 V。最终得出超级电容电压工作范围为180～360 V。

超级电容可释放或存储的能量为

考虑到超级电容的设计裕量，结合式(2)与式(4)，超级电容的容值为

式中，α为安全裕量，取10%。

一般来说，超级电容器的单体容量大，电压低，使用时将特性相同、型号一致的超级电容单体通过串联和并联的方法组成超级电容器组。设串联的超级电容数为n，并联的组数为m，那么

式中，Um为超级电容单体电压。

式中，Cm为超级电容单体容量。

本文选用的超级电容为美国Maxwell公司生产的型号为BCAP3000的超级电容器，单体规格为2.7 V/3 000 F。根据上述设计，可以确定超级电容器组采用134串2并，共需要268个超级电容器单体。

4 含网电变压器保护的超级电容储能系统控制策略

4.1 超级电容储能系统的控制模式

本文超级电容储能系统(Super capacitor enengy storage system，SCESS)以保护网电变压器为主，其次是井场电网对超级电容充电进行容量调节，再次为直流母线电压稳定控制。

当电动修井机处于提升阶段，且井场的网电变压器处于过载或过流运行状态时，即网侧电流大于保护电流阈值时，超级电容储能系统进入网电变压器过流保护控制，对电动修井机负载进行输出补偿，此时采用网侧电流外环超级电容电流内环的双闭环控制，将网侧电流稳定在额定值，如图3a所示，称该控制方式为模式1。其中，iL为超级电容电流。

网侧保护电流阈值 -srefI设定为网侧变压器的额定电流。以本文方案为例，井场变压器的额定容量为50 kV·A，三相线电压为380 V，由此可得网电变压器保护电流阈值 -srefI为76 A。

当电动修井机处于间歇阶段时，井场变压器不过载。此时采用单环的超级电容电流控制，井场电网对超级电容进行充电储能，完成容量调节，保证超级电容储能系统在下一个提升周期有足够能量进行输出补偿或稳压控制，如图3b所示，称该控制方式为模式2。其中，Psource为电网最大输出功率，k为电流充电系数为防止井场变压器充电时电流过大，且能够控制充电快慢而加入的调节系数。

当电动修井机处于提升阶段，但变压器并未过载时，若直流母线电压低于其下限值Udc-low，为保证电动修井机的供电质量，此时超级电容储能装置释放能量，采用恒定直流母线电压外环和超级电容电流内环的双闭环控制策略，将直流母线电压提升至正常范围内，如图3c所示，称该控制方式为模 式3-1。

当电动修井机处于回馈或下放阶段时，由于电动修井机向直流母线回馈电能，使得直流母线电压高于其上限值Udc-up，为保证电动修井机交直交系统的工作安全，此时超级电容储能系统吸收能量。当电动修井机的回馈容量未超出超级电容储能系统最大容量(本文为80 kW)时，采用恒直流母线电压外环和超级电容电流内环的双闭环控制，将直流母线电压稳定至其上限值Udc-up，如图3d所示，称该控制方式为模式3-21。当电动修井机的回馈功率超出超级电容储能系统最大功率时，采用恒超级电容最大功率的单电流环控制，超级电容以最大速度吸收回馈能量，如图3e所示，称该控制方式为模式3-22。

图3 超级电容储能系统的控制模式

除此之外，超级电容变换器不工作的模式称之为模式0。

无论超级电容是否正常工作，当系统检测到直流母线电压超过最大值Udc-max时，启动制动电阻，控制直流母线电压处于最大值以下，保证系统正常工作。

综上所述，根据电动修井机供电系统的状态，超级电容储能系统通过六个控制模式完成其功能。

4.2 程控模式切换的控制策略

含网电变压器保护的电动修井机超级电容储能系统控制策略框图如图4所示。

图4 含网电变压器保护的SCESS控制框图

含网电变压器保护的电动修井机储能系统程控模式切换控制流程图如图5所示。

图5 程控模式切换控制流程图

首先检测超级电容电压usc，当超级电容电压过低或过高，超出正常工作范围时，封锁超级电容储能系统DC/DC变换器控制脉冲，并给出报警提示；当超级电容电压处于正常范围时，通过判定进入以下六个工作模式。

(1) 模式1：当电流is≥Is-ref，网电变压器过电流，电动修井机处于提升阶段重载区，系统控制模式采用模式1，超级电容变换器放电，完成输出 补偿。

(2) 模式2：当网电变压器电流is

(3) 模式3-1：当网电变压器电流is

(4) 模式3-21和模式3-22：当网电变压器电流isUdc-up，电动修井机处于回馈或下放阶段，此时，若负载回馈功率未超出超级电容储能系统最大功率时，系统控制模式采用模式3-21，超级电容变换器进行上限电压的稳压控制；若负载回馈功率超过超级电容储能系统最大功率时，系统控制模式采用模式3-22，超级电容变换器以其恒最大功率控制方式快速吸收回馈能量，使直流母线电压不超过其保护阈值Udc-max；若此时还不能将其限制在Udc-max以下，则制动电阻回路被启动，过多的能量通过制动电阻消耗掉，保护直流母线电压不超上限。

(5) 模式0：当网电变压器电流is

5 仿真分析

本文基于PSIM软件平台搭建了如图6所示的电动修井机电控系统仿真模型。仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

图6 电动修井机电控系统的仿真模型

本仿真中，采用受控电流源模拟电动修井机，三相二极管整流电路为其提供直流母线电压，通过查表法模拟电动修井机一个周期的实际工况。

一个典型工作周期电动修井机的电流如图7所示。在未加入超级电容储能系统之前，电动修井机提升系统的工况如图8所示，从上到下依次为网电变压器容量、直流母线电压和网侧变压器相电流有效值。从图8中可以看出网侧变压器相电流在提升阶段重载区最高可达200 A，远超出网侧电流保护值76 A，直流母线电压也跌至448.7 V；在制动阶段由于负载侧再生回馈，直流母线电压升至19 kV。

图7 一个典型工作周期的电动修井机的电流

图8 未加超级电容储能系统的仿真

在加入本文控制策略后，系统仿真波形如图9所示。从上到下依次为工作模式、电动修井机电流和功率、网电变压器相电流有效值和容量、直流母线电压、超级电容电压、超级电容充放电电流以及超级电容功率。

(1)t1～t2和t3～t4阶段。如图9中t1和t3时刻开始，电动修井机处于提升阶段，网电变压器不过流，又非间歇阶段，而直流母线电压低于其下限值Udc-low，超级电容储能系统进入模式3-1，t1～t2和t3～t4阶段超级电容系统放电释能，直流母线电压被稳定在520 V，实现了稳下限电压控制。

(2)t2～t3阶段。图9的t2时刻开始，电动修井机进入提升阶段并重载，网电变压器过载，超级电容储能系统进入模式1，处于输出补偿状态，在t2～t3阶段将网电变压器电流限制在76 A，电网输出功率被限制在49 kVA。实现了网电变压器过电流保护的目的。

(3)t4～t5、t6～t7和t8～t9阶段。图9的t4、t6和t8时刻开始，电动修井机处于提升阶段又非间歇，网电变压器不过流，直流母线电压也处于下限Udc-low和上限Udc-up之间，超级电容储能系统进入模式0，处于不工作状态。超级电容电流为0，其电压基本不变。

(4)t5～t6和t9～t10阶段。图9的t5和t9时刻开始，电动修井机处于回馈和下放阶段，网电变压器无电流，直流母线电压超过了其上限Udc-up，并且回馈的功率小于超级电容的最大功率，超级电容储能系统进入模式3-21，t5～t6和t9～t10阶段超级电容系统充电吸收能量，直流母线电压被稳定在585 V，实现了稳上限电压控制。

(5)t7～t8阶段。图9的t7时刻开始，电动修井机处于间歇阶段，网电变压器不过流，超级电容储能进入模式2的容量调节，t7～t8阶段超级电容进行充电储能。充电系数k为0.8，显然，此时超级电容电压逐渐上升。

(6)t10～t11阶段。图9的t10时刻开始，电动修井机处于下放阶段，网电变压器无电流，直流母线电压超过Udc-up，并且回馈的功率大于超级电容的最大功率，超级电容储能系统进入模式3-22的恒最大功率控制(结合图10)，t10～t11阶段以最快的速度回收电动修井机回馈的电能。由于回馈的能量比较大，此时制动电阻回路被启动，辅助吸收回馈电能，限制母线电压的升高。

图9 加入超级电容储能系统的仿真

显然，模式0的加入缓冲了其他模式之间的切换冲击，使模式切换比较平滑，但会增加各模式稳定运行期间与模式0之间的频繁切换，影响各模式的不稳定。实际运行时本文在图5的逻辑判断中将各模式的判定值增加一个滞环，即比其上限值略低，或者比其下限值略高。根据本文的工况，模式1 的电流判定值为70 A，模式3-1的电压判定值为 525 V，模式3-21和模式3-22的电压判定值为580 V。这样各模式与模式0的切换仅限出现在两模式切换的开始，提高了系统的稳定性，切换的频率最高为系统的控制频率，持续的时间与滞环的环宽和负载的工况等有关。

(7)t11以后。图9的t11时刻以后，电动修井机处于下放阶段，网电变压器无电流，超级电容的电压也超过了350 V，接近其最大电压，为了充分利用超级电容的容量，本文在各模式的超级电容充电部分增加了浮充功能(超级电容电压大于350 V)，该部分不是本文的主体功能，文中未加说明。即稳定超级电容电压外环和电感电流内环，将超级电容的电压稳定在355 V，此时只要直流母线电压低于580 V系统就会进入模式0，高于580 V就进入浮充，浮充与模式0来回切换，稳定后进入浮充。由于图5未区分模式3-21和浮充此两种模式，故显示均为mode=4。

图10是能耗制动电阻消耗的功率、网电变压器的功率、超级电容的功率以及三者之和与负载功率的仿真。从图10中可以看出负载功率基本等于网电变压器功率、超级电容储能功率和能耗制动电阻的功率之和，说明超级电容储能装置很好地辅助网电变压器对电动修井机进行功率补偿。

图10 功率波形

上述仿真结果证明了本文算法是正确和有 效的。

6 结论

本文充分考虑电动修井机的运行工况，结合超级电容自身特性，提出了一种基于电动修井机运行状态的超级电容储能系统控制策略。仿真结果表明，当网电变压器过载时，超级电容储能系统能够实时进行输出补偿，保护网电变压器不过流，安全稳定运行；当直流母线电压波动时，超级电容储能系统能进行稳压调节，将直流母线电压稳定在规定范围内，同时可以吸收回馈电能，根据回馈能量的大小和超级电容容量采取不同的吸收方案，既快速又安全，还能达到节能降耗的目的。