面向油氣采掘機械設備用能的直流微電網能量協調控制策略*

宋志剛,茹秋實,張全娥

(國網甘肅省電力公司 隴南供電公司,甘肅 隴南 746000)

0 引 言

油氣開采工程是一項傳統的能源密集系統,其供能工作中通常包含電、熱、冷、水多能流綜合調度環節。其中如何保障供電穩定性與清潔性一直是一項重要研究課題。目前電氣化采掘設備正逐漸成為石油產業的主流應用設備;并且隨著“雙碳”目標的推進,可再生清潔能源得到了長足發展,因此作為其能量載體的微電網將成為未來電力供應的主要來源之一。我國西北地區蘊含豐富的油氣資源與光照資源,開展微電網與油氣采集設備供能相關研究是具有實踐意義的重要研究方向。綜上所述,深化新能源微電網供能與油氣開采設備耦合供能是解決油氣開采過程高能耗、高碳排問題且符合我國自然資源條件的重要手段之一。

目前,直流微電網因控制簡單、能源高效利用率的特點在一定程度上實現了以光伏、風電為代表的可再生能源高效利用,并得到了廣泛研究和關注。微電網中需要配置由多個ESU構成的分布式儲能系統(Distributed Energy Storage System,DESS)以平抑風光出力波動,實現對采油設備供能穩定。但在實際應用中,儲能元件的充電狀態(State of Charge,SOC)將影響部分ESU的使用壽命,從而影響系統穩定性。因此,提出有效的DESS控制策略是含多儲能直流微電網系統的研究核心課題之一。

文獻[1]提出了一種下垂系數與SOC的成n階反比的SOC自適應下垂控制策略,提高了SOC均衡速度。文獻[2]采用模糊算法,根據儲能單元的SOC偏差、輸出電壓偏差自動調整下垂系數,實現SOC的均衡。文獻[3]實時檢測儲能單元的SOC,利用固定的下垂系數,調整分布式微源的工作模式、負載工作狀態,實現SOC均衡。文獻[4]通過改進的SOC冪指數控制策略達到快速尋找最優下垂曲線的目的,實現SOC的均衡。文獻[5]以下垂控制為基礎,提出自適應下垂控制策略。文獻[6]提出針對儲能系統SOC均衡控制的改進動態下垂控制策略。文獻[7]提出一種考慮儲能單元運行和分布式微源出力不確定性的基于深度學習的儲能單元SOC管理策略。

筆者提出一種基于油氣采掘設備用能數據改進的分層下垂控制策略:一次控制層根據采掘設備功率需求制定合理能源供給比例并反饋互供給端,調整微源與DESS工作模式以平衡輸出功率與功率需求;二次控制層實時檢測充放電過程中SOC狀態,通過冪指數下垂控制得到各SOC快速均衡下垂系數并調整加速因子數值計算補償量,實現精準快速ESU SOC均衡[8]。

1 面向采掘設備供能的微電網結構與控制

1.1 直流微電網結構與分層控制

文章研究的采掘設備供能直流微電網結構如圖1所示,微電網端主要包含光伏單元、ESU、負載單元以及相應的接口電路。中間端包含電轉熱設備、電轉冷設備等。能量末端流向采掘設備組提供綜合能流實現供能。

圖1 直流微電網結構

鑒于電氣化油氣采掘設備用能形式多樣化所導致的電壓等級多樣性現象,文章選用母線電壓分層控制[9]。并在母線電壓分層控制基礎上提出以母線電壓波動幅度為依據的分層控制策略,以對采掘設備地下供能電纜集群進行控制,基本原理如圖2所示。初級控制實現對接口電路的控制,根據分布式微源、負載需求功率的變化,調整DESS工作模式。二級控制根據設定的運行規律控制DESS的工作模式[10]。

圖2 直流微電網分層控制策略

1.2 直流微電網單元結構與控制

1.2.1 光伏單元

文章通過討論光伏單元的最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)模式實現采油機電力供能穩定。其控制原理如圖3所示。圖中UPV為光伏輸出電壓,IPV為光伏輸出電流,Is為接口電路輸出電流,Udc為直流母線電壓[11]。

圖3 光伏單元結構與控制

1.2.2 儲能單元(ESU)

ESU及其接口電路的結構如圖4所示。電感L,開關S1、S2以及和其并聯的二極管D1、D2,濾波電容C1、C2組成DC/DC雙向變換器。開關S1、S2組成互補信號。通過控制S1、S2的開關信號,可實現對雙向DC/DC電路工作模式的切換。

圖4 ESU及DC/DC變流器工作原理

1.2.3 采掘設備負載

電氣化油氣采掘設備是指在石油、天然氣等能源開采過程中使用的電力設備。隨著油氣領域的發展和技術進步,電氣化設備在油氣采掘過程中的應用越來越廣泛。電氣化設備包括電動機、變頻器、電纜、開關柜、隔離開關、接觸器、斷路器、變壓器等;文章將其簡化為電功率開展研究。以上電氣設備所需電壓往往相對較低,所以在供電環節需要轉載Buck電路。Buck電路的工作原理圖如圖5所示,Udc為直流母線電壓,iD(t)為二極管電流,iL(t)為電感電流,uL(t)為電感電壓,uR(t)為負載電壓。經過Buck的降壓之后,其輸出電壓等于負載的額定電壓。

圖5 負載及其接口電路工作原理

2 采掘設備DESS 的SOC均衡策略

電氣化油氣采掘設備用電能耗較大,當負載不穩定時,儲能元件需要短時大幅度放電,這將導致儲能內電壓波動。傳統DESS下垂控制會導致外部供能母線電壓或設備內部組件間電壓跌落,固定的下垂系數在多個ESU SOC均衡過程響應速度慢、部分ESU過充過放。為滿足儲能設備放電所導致的電壓驟降與控制方式所帶來的電壓降低,文章提出一種改進下垂控制策略,以滿足多SOC狀態的充放電控制[12]。

采掘設備供能DESS通常是由多個ESU組成的聯合功能組件。因此需要對SOC冪指數下垂控制策略進行改進,以保證大量ESU設備快速供能與精準充放電控制[13]。

Udci=Udcref-RbiPbati

(1)

式中:Udci、Rbi、Pbati分別為第i個DC/DC變換器的輸出電壓、下垂系數和輸出功率?？紤]到ESU通常通過變換器與母線相連,假設所有ESU的輸出電壓相等。由此可得:

RbiPbati=RbjPbatj(i≠j)

(2)

式(2)表明ESU的輸出功率與其下垂系數成反比?？梢詫SU的SOC與下垂系數相關聯,通過改變下垂系數精確分配功率輸出[14]。

(3)

β=Ks|SOCi-SOCave|+K

(4)

式中:SOCi為第i個ESU當前的SOC;KN為調整因子;β(β≤1)為與均衡速度反比的加速因子,β值與均衡速度呈反比;p、Ks、K均為常數,其中p值與均衡速度呈正比,但與穩定性呈反比,K決定均衡精度;SOCave為所有SOC平均值[15]。

所有ESU的SOC平均偏差值為ΔSOC(ΔSOC=|SOCi-SOCave|)。ΔSOC≥25%時,設置與SOCave偏差最大的ESU下垂系數為允許范圍內的最小值,并將其設置為主功率單元;當ΔSOC≤25%時,下垂系數值由式(3)決定。

(5)

式中:ΔUdcmin和ΔUdcmax分別為母線電壓允許波動范圍的最小和最大值;idcmin和idcmax分別為光伏發電系統輸出電流的最小和最大值。式(5)可以基于給定母線電壓范圍求出下垂系數的允許范圍。

母線電壓下降同時也將導致采掘設備組供能貧乏,下垂控制是導致母線電壓降低的原因之一。為解決此問題,二次電壓補償控制器被引入ESU控制環節中。其控制原理和計算由基于離散一致性算法的電壓觀測器和PI控制器構成[16]。本地電壓差的計算可表示為:

ΔU=Ubat-Udc

(6)

式中:Udc為直流母線電壓;Ubat為儲能系統輸出電壓。代入本地電壓差公式(7)設為離散一致性算法初始變量ΔUi[0],基于相鄰ESU的輸出電壓數據利用以下公式更新本地電壓差狀態變量:

(7)

式中:ΔUj為第j個ESU的本地電壓差;[aij]∈RN*N為決定收斂速度的權重矩陣。ESU本地電壓差平均值ΔUi[∞]可通過式(7)多次迭代收斂得到。進一步,將輸出電壓平均值與直流母線電壓額定值比較作為PI控制器的輸入,得到二次電壓控制的補償量Δvess-i。ESU控制原理如圖6所示。

基于以上分析可得:采掘設備出力穩定增大時DESS進入工作模式,ESU的SOC均衡以及直流母線電壓穩定通過改進冪指數下垂控制調節各ESU功率來實現;當采掘設備工況突變時導致部分DESS過充過放,其SOC均衡速率可以通過為其設置允許范圍內最小下垂系數提高;下垂控制引起的電壓跌落可通過設置電壓觀測器和PI控制器計算補償量補償[18]。

3 仿真分析

為驗證文章所提控制策略的有效性,在MATLAB/Simulink中搭建如圖7所示仿真模型。

圖7 直流微電網及其控制結構圖

直流微電網母線電壓額定值為400 V,光伏發電系統的最大輸出功率為10 kW,負載功率為5 kW(關鍵/非關鍵負載);DESS由3個容量均為2 A·h的ESU構成,最大輸出電壓為150 V,SOC限制為20%～90%。

3.1 DESS不同工況下仿真結果

3.1.1 DESS SOC未超限工況

設置3個ESU的初始SOC分別為80%、70%和60%;下垂控制的對應參數為KN=9×10-3,p=3.5,Ks=2.5,K=0.02。環境溫度T=25 ℃,不同光照強度下仿真結果如圖8所示。

圖8 ESU未超限仿真結果

由圖8(a)可知:在0～0.5 s內,采掘設備功率與光伏發電系統輸出功率持平。ESU處于待機模式,母線電壓穩定在400 V。在0.5～1.5 s內,光伏發電系統輸出功率增加,ESU由待機模式轉為充電模式,輸出功率為負值。在1.5～2.5 s內,光伏發電系統輸出功率減小,ESU轉為放電模式,輸出功率為正值。由圖8(b)可知:在ESU充電過程中,SOC越低輸入功率越大。在放電過程中,SOC越大輸出功率越大。由圖8(c)可知:儲能系統快速響應補償光伏發電波動母線電壓的波動始終處于允許范圍內。

3.1.2 DESS SOC超限工況

設置3個ESU的初始SOC分別為88%、89%和70%,其他參數不變。驗證DESS在到達滿容量狀態時控制策略的有效性,仿真結果如圖9所示。

圖9 ESU超限仿真結果

由圖9(a)可知:在0～0.4 s和2～2.5 s內,光伏發電系統輸出功率等于采掘設備消耗功率,儲能系統處于待機模式;在0.4～2 s內,光伏發電系統輸出功率大于采掘設備消耗,ESU處于充電模式。

由圖9(b)可知:在0.4～2 s內, SOC最低單元首先進入充電模式;隨著SOC的逐漸增大,所有的ESU均進入充電模式;2 s時,由于ESU容量均已達上限,光伏發電系統減小輸出功率,ESU由充電轉為待機模式。

3.1.3 ESU SOC均衡策略仿真結果

為驗證SOC均衡策略的有效性,設置三個ESU的初始SOC為82%,68%和53%。下垂控制系數分別為KN=7.5×10-3,p=2.9,Ks=2.5,K=0.01,并與傳統固定下垂系數的DESS SOC控制策略對比。在ESU充電時,光伏發電系統輸出功率設為8 kW;放電時,光伏發電系統輸出功率設為3 kW,仿真結果如圖10、11所示。

圖10 DESS充電仿真結果

由圖10(a)和圖11(a)可知,充電過程中,SOC越小的充電功率越大,反之亦然;放電過程中,SOC越大的單元,其輸出功率越大,與理論一致。由圖10(b)和圖11(b)可知,在2 s時,ESU SOC基本一致,均衡效果良好。由圖10(c)和圖11(c)可知,相較于傳統方法文中所提控制策略在均衡速度和維持母線電壓平衡方面的控制效果更佳。

圖11 DESS放電仿真結果

3.2 DESS對光伏單元的跟蹤補償仿真結果

在光照條件發生變化時,驗證DESS的動態響應特性。3個ESU的初始SOC設置為70%,80%和85%。仿真結果如圖12所示。

圖12 儲能系統的動態響應能力

分析圖12可知,ESU可以快速地跟蹤和補償光伏輸出功率的差額與冗余,以保證儲能系統能量供需平衡。

3.3 采掘工況突變時仿真結果

現實中采油機器在工作時常出現礦井油壓不足的狀況,油壓不足將影響抽油機的工作功率。文中將以上工況簡化為負載功率突變進行分析。

系統達到穩定運行時,在1 s與2 s時刻投切非關鍵負載,觀察系統在負載投切時的響應特性。ESU的初始SOC分別設置為70%,80%和85%,仿真結果如圖13所示。

圖13 設備工況突變時的仿真結果

分析圖13可知,采掘設備工況穩定時母線電壓會立即升至額定值。隨著直流母線電壓與額定值偏差的逐漸減小,ESU輸出功率隨之減小直至進入待機模式。采掘設備工況突變時,ESU迅速動作進入充電模式,吸收冗余功率穩定電壓;當負載所需功率增加時,釋放自身儲存功率,維持了母線電壓穩定。

4 結 論

為保障電氣化油氣采掘設備用能穩定,文章簡化了采掘設備負載并基于微電網母線分層控制和下垂控制原理提出了一種適用于供能直流微電網分布式儲能系統各儲能子單元SOC的快速均衡控制策略,得到如下結論。

(1) 所提控制策略在光照發生變化以及采掘工況突變時可快速平抑電壓驟降波動和解決母線電壓降低問題,保持系統中能量供需平衡。

(2) 不同初始容量ESU的直流微電網系統中,所提控制策略可以減小各ESU SOC差異,降低ESU充放電次數;在多個ESU的SOC差值較大時,可以通過調整ESU下垂系數的取值,提高SOC的均衡速率,減小了母線電壓偏差;與此同時,設計了基于離散一致性的二次電壓補償器,進一步提高了母線電壓的穩定性。

(3) 與傳統的ESU控制策略相比,所提控制方法在采掘過程突變情況下,ESU大規模充放電時具有SOC均衡精準且迅速的特點;在采油設備工況突變所導致負荷功率突變的情況下,能夠快速實現均衡,具有實用價值。