复合电源蓄能修井机能量管理策略

屈文涛， 李肖肖， 徐剑波， 童镜树

(1.西安石油大学机械工程学院，西安 710065；2.中国石油新疆油田分公司开发公司，克拉玛依 834000)

修井机是油田修井作业的主要设备，用于对发生故障或损坏的油管、抽油杆、抽油泵等井下设备和工具的起下作业。电机功率配置大的网电修井机接入井场电网后出现变压器过载或临近井抽油机停止工作，同时，在进行下放作业时，负载的势能被转化为电能，并且这部分电能被制动电阻以热能的形式消耗掉，造成了一定程度的能量浪费[1-3]。基于此，一些学者提出了以超级电容、蓄电池等储能装置为辅助动力源的电源补偿电动修井机，通过现场试验证明电源补偿能有效解决变压器过载问题[4-6]，但单一的辅助电源存在如超级电容比能量较小、蓄电池比功率低等问题[7-8]。一种新的解决方法是把蓄电池与超级电容组合作为复合电源使用，如此可充分发挥这两种电源的优点，而进行合理的功率分配则是复合电源系统的关键[9-10]。目前复合电源技术在修井机上的应用尚未见到，其相应的能量管理策略也鲜有人研究。

基于此，以蓄电池与超级电容组成的复合电源为补偿电源设计了包括电网的三种能量源供电系统结构，并结合最优化理论与逻辑门限控制策略建立了系统的能量管理策略，不仅维持电网的稳定输出，而且考虑到修井作业持续时间长、负载变化范围大的特点，采用动态规划与逻辑门限结合的管理策略，以期能充分利用超级电容在满足瞬态大功率充放电上的优势，使蓄电池的充放电电流及频率得到有效降低，从而提高蓄电池寿命。

1 复合电源系统结构

复合电源主要包括蓄电池、超级电容和直流斩波器(DC/DC)，其系统结构如图1所示。作业时，电网的输出稳定在额定功率，当作业需求功率低于电网额定功率时，剩余功率用来给复合电源充电，当需求功率高于电网额定功率时，电网缺少的功率由复合电源进行补偿，其中，蓄电池补偿基础稳态功率，超级电容在其最大放电深度范围内进行瞬态峰值功率及能量补偿。能量管理控制器输入包括总线功率信息、绞车负载和速度信息、超级电容及蓄电池状态信息，能量管理策略通过控制DC/DC的升降压从而控制复合电源的功率分配。

图1 复合电源系统结构Fig.1 Hybrid power system structure

2 控制策略设计

2.1 修井作业工况分析

进行修井作业时，需要对每根油管、杆(为方便叙述，以油管为例进行分析)进行连接或卸载，每连接或卸载一根油管可作为一个修井作业循环周期，每个循环周期又可分为多个步骤，不同的步骤电机输出功率不同。图2为修井作业简化流程。起升阶段是把下一根油管从井下提至井口，此时绞车运行，需求功率较大且随井下油管数量及提管速度的变化而变化。卸扣阶段有一段较小的功率输出为卸扣电动机运行所需。下放阶段需求功率小，且油管重力势能可利用超级电容进行回收存储。

Pmax为最大需求功率图2 修井作业流程Fig.2 Workover operation procedure

修井机在作业时由于摩擦等因素的影响使得大钩负载存在一定幅度的波动，导致绞车电机需求功率随之发生瞬态波动，超级电容以其高充放电循环次数与功率密度可以很好地满足瞬态波动功率需求。而相反，蓄电池的能量密度和续航能力要高得多，能够完成井场发生短时停电、线路故障等突发状况时一段时间的正常作业。

2.2 控制策略

修井作业是以单根管起下为周期的规律性作业，每周期内作业步骤较为固定，适合以逻辑门限控制策略对蓄电池与超级电容进行功率分配。逻辑门限控制策略具有鲁棒性好、执行简单且计算效率高的优点[11]，但缺点是复合电源较多地工作在低效区,为克服这种缺陷,尽可能提高复合电源性能,引入动态规划算法在特定区域内寻优,其余区域则由门限值确定,如此可节约大量的计算时间且对复合电源性能影响较小。故采用局部优化的逻辑门限控制策略进行复合电源功率分配。根据对修井作业工况的分析，以总需求功率Pr和超级电容的荷电状态(state of charge,SOCu)为门限值。电网额定输出功率Pd为Pr的门限阈值，SOCu的上下门限阈值分别为0.9和0.3。整个修井作业过程可分为两个部分，分别为Pr小于电网额定输出功率时，复合电源处于充电模式，Pr大于电网额定输出功率时，复合电源作为补偿电源对缺失功率进行补偿，具体规则如下。

(1)Pr<0时，复合电源处于回收能量状态，此时，若SOCu

(2)0≤Pr≤Pd时，电网可满足电机需求功率且剩余功率可为复合电源充电，此时，若SOCu

(3)Pr>Pd时，电网功率不足，复合电源进行功率补偿，此时，一般由超级电容提供高频瞬态功率，蓄电池提供稳态平均功率。

所制定的逻辑门限控制策略如图3所示，其中功率分配比(power splitting ratio，PSR)定义为蓄电池输出功率与复合电源总功率需求之比。

Pb为蓄电池所提供功率；Pu为超级电容所提供功率；k为电网向蓄电池充电的功率系数；图3 逻辑门限控制策略Fig.3 Logic threshold control strategy

在Pr>Pd时，为了更加充分地发挥超级电容在循环次数及瞬时大电流放电上的优势，通过增加超级电容的放电频率及放电深度从而尽可能地延长蓄电池的寿命。利用动态规划算法求解复合电源的最优功率分配比并按照每个最优解寻找出一条复合电源最优功率分配比参考轨迹。

充放电次数与放电深度本质上联合表现为电池的累积能量流通，即功率绝对值的积分。因此，引入能量流通函数Et，能量流通越小，电池老化速度越慢[12]。

(1)

修井机所需功率主要由电网和蓄电池与超级电容联合提供，即:

Pr=Pb+Pu+Pd

(2)

而电网输出恒定，因此当蓄电池输出功率被确定时，超级电容功率就可唯一确定，故以蓄电池的需求功率为控制变量u，即

u={Pb(t)}

(3)

并将系统的状态变量(x)设置为蓄电池SOCb和超级电容SOCu，有:

x={SOCb(t),SOCu(t)}

(4)

且受状态方程约束：

x(t+1)=f[x(t),u(t)]

(5)

式(5)中：f为状态转移函数，由蓄电池与超级电容模型得到。

以Et为优化问题的目标函数，优化问题可描述为：

J=minEt[x(t),u(t)]

(6)

该优化问题受动力源性能约束:

SOCumin≤SOCu(t)≤SOCumax

(7)

SOCbmin≤SOCb(t)≤SOCbmax

(8)

Pbmin≤Pb(t)≤Pbmax

(9)

Pumin≤Pu(t)≤Pumax

(10)

Ibmin≤Ib(t)≤Ibmax

(11)

Iumin≤Ib(t)≤Iumax

(12)

式中：Ib为蓄电池放电电流；Iu为超级电容放电电流。

将整个修井作业划分为多个阶段，计算每个阶段及每个状态变量点的最优控制量u(t)，根据初始状态变量搜寻整个工况的最优控制序列，将该最优控制序列与逻辑门限控制策略结合建立新的控制策略模型。

3 Simulink模型

3.1 控制策略模型

根据所制定控制策略建立如图4所示的Simulink模型。

图4 逻辑门限控制策略模型Fig.4 Logic threshold control strategy model

3.2 复合电源蓄能修井机系统仿真模型

在Simulink中设计的复合电源蓄能修井机系统仿真模型如图5所示。

图5 复合电源蓄能修井机系统模型Fig.5 Workover rig system model based on hybrid power

图5中，主要模块构成有：循环工况(drive cycle)模块、绞车和驱动(roller and final drive)模块、电机/控制(motor/controller)模块、电源总线(power bus)模块、蓄电池(battery)模块、DC/DC模块、超级电容(ultracapacitor)模块、整流器(rectifier)模块和变压器(transformer)模块。由于主要研究修井机供能系统，因此将传动系统简化为一个模块即驱动模块，能量管理策略嵌入在电源总线模块中。

4 仿真结果与分析

以40 t级修井机动力指标为参考[13]，分别截取满负载的90%、50%、10%三种不同情况的工况数据，制定如图6所示的仿真工况。

图6 修井作业仿真工况Fig.6 Workover operation simulation conditions

修井机的后功率链需求如图7所示。从图7可以看出，90%负载状态下由于速度限制其后功率链功率需求与50%负载状态下相差不大，但每周期时间较长，10%负载状态下后功率链功率需求较小且每周期时间较短。

图7 修井机后功率链功率需求Fig.7 Rear power chain demand of the workover rig

修井机需求功率由复合电源与电网联合提供，电网的输出基本稳定在额定值附近。复合电源功率分配如图8所示。从图8可以看出，复合电源作为补偿电源在电网输出不足时为修井机提供电能，在下放和制动时回收能量，当修井机所需功率较小时，电网剩余功率给蓄电池充电。在第一周期90%负载状态下的起升阶段，超级电容提供一部分电能且承担了大部分功率需求中负载波动引起的高频瞬态功率，使蓄电池的功率输出相对平稳，在制动和下放阶段，超级电容完成所有的能量回收，此时修井机需求功率极小，电网剩余输出功率为蓄电池充电。第二周期50%负载状态下起升时作业需求功率与90%负载下相当，这是由于此时起升速度增大，所以起升持续时间也明显减小，可以看出在这一阶段，超级电容输出功率较第一周期增大，蓄电池输出功率降低，这使得蓄电池的能量流动降低，从而延长蓄电池寿命。制动和下放能量仍然由超级电容完全回收，电网剩余功率为蓄电池充电。第三周期10%负载状态下起升阶段，作业需求功率小于电网额定功率，电网在满足作业需求功率后，剩余功率为超级电容充电，在158 s时蓄电池状态转变为充电模式，由于此时超级电容已充满电，电网剩余功率转而为蓄电池充电，因此这一周期内的能量回收也由蓄电池完成。

图8 复合电源功率分配Fig.8 Power distribution of hybrid power

图9为该仿真工况下蓄电池与超级电容的SOC变化曲线，可以看出蓄电池SOC在每个周期内波动较小，且在50%、10%负载下SOC呈整体上升趋势，这是由于在50%、10%负载下超级电容在一个周期内能提供更高比例的电能，蓄电池放电量减少而充电量不变。超级电容的放电深度较大，每个周期内超级电容SOC变化介于0.3～0.9，且波动较为频繁，其瞬时大电流充放电和深度充放电循环寿命长的优势得到充分发挥。

图9 蓄电池与超级电容SOC变化曲线Fig.9 SOC curve of battery and ultracapacitor

5 结论

以40 t级修井机为研究对象，针对修井作业典型工况，设计了一种基于局部优化的逻辑门限控制策略，得到以下结论。

(1)根据目前电动修井机所面临的问题，提出了以复合电源作为蓄能器的方式对电动修井机输出功率进行补偿，确定了复合电源系统结构。

(2)通过MATLAB/Simulink仿真表明，基于局部优化的复合电源逻辑门限控制策略能在满足修井作业功率需求的基础上，在作业需求功率大于电网额定功率时，有效提高超级电容的利用率，降低蓄电池能量流通与功率输出幅值，从而更大程度地保护蓄电池并延长其使用寿命。