面向油气采掘机械设备用能的直流微电网能量协调控制策略*

宋志刚,茹秋实,张全娥

(国网甘肃省电力公司 陇南供电公司,甘肃 陇南 746000)

0 引 言

油气开采工程是一项传统的能源密集系统,其供能工作中通常包含电、热、冷、水多能流综合调度环节。其中如何保障供电稳定性与清洁性一直是一项重要研究课题。目前电气化采掘设备正逐渐成为石油产业的主流应用设备;并且随着“双碳”目标的推进,可再生清洁能源得到了长足发展,因此作为其能量载体的微电网将成为未来电力供应的主要来源之一。我国西北地区蕴含丰富的油气资源与光照资源,开展微电网与油气采集设备供能相关研究是具有实践意义的重要研究方向。综上所述,深化新能源微电网供能与油气开采设备耦合供能是解决油气开采过程高能耗、高碳排问题且符合我国自然资源条件的重要手段之一。

目前,直流微电网因控制简单、能源高效利用率的特点在一定程度上实现了以光伏、风电为代表的可再生能源高效利用,并得到了广泛研究和关注。微电网中需要配置由多个ESU构成的分布式储能系统(Distributed Energy Storage System,DESS)以平抑风光出力波动,实现对采油设备供能稳定。但在实际应用中,储能元件的充电状态(State of Charge,SOC)将影响部分ESU的使用寿命,从而影响系统稳定性。因此,提出有效的DESS控制策略是含多储能直流微电网系统的研究核心课题之一。

文献[1]提出了一种下垂系数与SOC的成n阶反比的SOC自适应下垂控制策略,提高了SOC均衡速度。文献[2]采用模糊算法,根据储能单元的SOC偏差、输出电压偏差自动调整下垂系数,实现SOC的均衡。文献[3]实时检测储能单元的SOC,利用固定的下垂系数,调整分布式微源的工作模式、负载工作状态,实现SOC均衡。文献[4]通过改进的SOC幂指数控制策略达到快速寻找最优下垂曲线的目的,实现SOC的均衡。文献[5]以下垂控制为基础,提出自适应下垂控制策略。文献[6]提出针对储能系统SOC均衡控制的改进动态下垂控制策略。文献[7]提出一种考虑储能单元运行和分布式微源出力不确定性的基于深度学习的储能单元SOC管理策略。

笔者提出一种基于油气采掘设备用能数据改进的分层下垂控制策略:一次控制层根据采掘设备功率需求制定合理能源供给比例并反馈互供给端,调整微源与DESS工作模式以平衡输出功率与功率需求;二次控制层实时检测充放电过程中SOC状态,通过幂指数下垂控制得到各SOC快速均衡下垂系数并调整加速因子数值计算补偿量,实现精准快速ESU SOC均衡[8]。

1 面向采掘设备供能的微电网结构与控制

1.1 直流微电网结构与分层控制

文章研究的采掘设备供能直流微电网结构如图1所示,微电网端主要包含光伏单元、ESU、负载单元以及相应的接口电路。中间端包含电转热设备、电转冷设备等。能量末端流向采掘设备组提供综合能流实现供能。

图1 直流微电网结构

鉴于电气化油气采掘设备用能形式多样化所导致的电压等级多样性现象,文章选用母线电压分层控制[9]。并在母线电压分层控制基础上提出以母线电压波动幅度为依据的分层控制策略,以对采掘设备地下供能电缆集群进行控制,基本原理如图2所示。初级控制实现对接口电路的控制,根据分布式微源、负载需求功率的变化,调整DESS工作模式。二级控制根据设定的运行规律控制DESS的工作模式[10]。

图2 直流微电网分层控制策略

1.2 直流微电网单元结构与控制

1.2.1 光伏单元

文章通过讨论光伏单元的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)模式实现采油机电力供能稳定。其控制原理如图3所示。图中UPV为光伏输出电压,IPV为光伏输出电流,Is为接口电路输出电流,Udc为直流母线电压[11]。

图3 光伏单元结构与控制

1.2.2 储能单元(ESU)

ESU及其接口电路的结构如图4所示。电感L,开关S1、S2以及和其并联的二极管D1、D2,滤波电容C1、C2组成DC/DC双向变换器。开关S1、S2组成互补信号。通过控制S1、S2的开关信号,可实现对双向DC/DC电路工作模式的切换。

图4 ESU及DC/DC变流器工作原理

1.2.3 采掘设备负载

电气化油气采掘设备是指在石油、天然气等能源开采过程中使用的电力设备。随着油气领域的发展和技术进步,电气化设备在油气采掘过程中的应用越来越广泛。电气化设备包括电动机、变频器、电缆、开关柜、隔离开关、接触器、断路器、变压器等;文章将其简化为电功率开展研究。以上电气设备所需电压往往相对较低,所以在供电环节需要转载Buck电路。Buck电路的工作原理图如图5所示,Udc为直流母线电压,iD(t)为二极管电流,iL(t)为电感电流,uL(t)为电感电压,uR(t)为负载电压。经过Buck的降压之后,其输出电压等于负载的额定电压。

图5 负载及其接口电路工作原理

2 采掘设备DESS 的SOC均衡策略

电气化油气采掘设备用电能耗较大,当负载不稳定时,储能元件需要短时大幅度放电,这将导致储能内电压波动。传统DESS下垂控制会导致外部供能母线电压或设备内部组件间电压跌落,固定的下垂系数在多个ESU SOC均衡过程响应速度慢、部分ESU过充过放。为满足储能设备放电所导致的电压骤降与控制方式所带来的电压降低,文章提出一种改进下垂控制策略,以满足多SOC状态的充放电控制[12]。

采掘设备供能DESS通常是由多个ESU组成的联合功能组件。因此需要对SOC幂指数下垂控制策略进行改进,以保证大量ESU设备快速供能与精准充放电控制[13]。

Udci=Udcref-RbiPbati

(1)

式中:Udci、Rbi、Pbati分别为第i个DC/DC变换器的输出电压、下垂系数和输出功率。考虑到ESU通常通过变换器与母线相连,假设所有ESU的输出电压相等。由此可得:

RbiPbati=RbjPbatj(i≠j)

(2)

式(2)表明ESU的输出功率与其下垂系数成反比。可以将ESU的SOC与下垂系数相关联,通过改变下垂系数精确分配功率输出[14]。

(3)

β=Ks|SOCi-SOCave|+K

(4)

式中:SOCi为第i个ESU当前的SOC;KN为调整因子;β(β≤1)为与均衡速度反比的加速因子,β值与均衡速度呈反比;p、Ks、K均为常数,其中p值与均衡速度呈正比,但与稳定性呈反比,K决定均衡精度;SOCave为所有SOC平均值[15]。

所有ESU的SOC平均偏差值为ΔSOC(ΔSOC=|SOCi-SOCave|)。ΔSOC≥25%时,设置与SOCave偏差最大的ESU下垂系数为允许范围内的最小值,并将其设置为主功率单元;当ΔSOC≤25%时,下垂系数值由式(3)决定。

(5)

式中:ΔUdcmin和ΔUdcmax分别为母线电压允许波动范围的最小和最大值;idcmin和idcmax分别为光伏发电系统输出电流的最小和最大值。式(5)可以基于给定母线电压范围求出下垂系数的允许范围。

母线电压下降同时也将导致采掘设备组供能贫乏,下垂控制是导致母线电压降低的原因之一。为解决此问题,二次电压补偿控制器被引入ESU控制环节中。其控制原理和计算由基于离散一致性算法的电压观测器和PI控制器构成[16]。本地电压差的计算可表示为:

ΔU=Ubat-Udc

(6)

式中:Udc为直流母线电压;Ubat为储能系统输出电压。代入本地电压差公式(7)设为离散一致性算法初始变量ΔUi[0],基于相邻ESU的输出电压数据利用以下公式更新本地电压差状态变量:

(7)

式中:ΔUj为第j个ESU的本地电压差;[aij]∈RN*N为决定收敛速度的权重矩阵。ESU本地电压差平均值ΔUi[∞]可通过式(7)多次迭代收敛得到。进一步,将输出电压平均值与直流母线电压额定值比较作为PI控制器的输入,得到二次电压控制的补偿量Δvess-i。ESU控制原理如图6所示。

基于以上分析可得:采掘设备出力稳定增大时DESS进入工作模式,ESU的SOC均衡以及直流母线电压稳定通过改进幂指数下垂控制调节各ESU功率来实现;当采掘设备工况突变时导致部分DESS过充过放,其SOC均衡速率可以通过为其设置允许范围内最小下垂系数提高;下垂控制引起的电压跌落可通过设置电压观测器和PI控制器计算补偿量补偿[18]。

3 仿真分析

为验证文章所提控制策略的有效性,在MATLAB/Simulink中搭建如图7所示仿真模型。

图7 直流微电网及其控制结构图

直流微电网母线电压额定值为400 V,光伏发电系统的最大输出功率为10 kW,负载功率为5 kW(关键/非关键负载);DESS由3个容量均为2 A·h的ESU构成,最大输出电压为150 V,SOC限制为20%～90%。

3.1 DESS不同工况下仿真结果

3.1.1 DESS SOC未超限工况

设置3个ESU的初始SOC分别为80%、70%和60%;下垂控制的对应参数为KN=9×10-3,p=3.5,Ks=2.5,K=0.02。环境温度T=25 ℃,不同光照强度下仿真结果如图8所示。

图8 ESU未超限仿真结果

由图8(a)可知:在0～0.5 s内,采掘设备功率与光伏发电系统输出功率持平。ESU处于待机模式,母线电压稳定在400 V。在0.5～1.5 s内,光伏发电系统输出功率增加,ESU由待机模式转为充电模式,输出功率为负值。在1.5～2.5 s内,光伏发电系统输出功率减小,ESU转为放电模式,输出功率为正值。由图8(b)可知:在ESU充电过程中,SOC越低输入功率越大。在放电过程中,SOC越大输出功率越大。由图8(c)可知:储能系统快速响应补偿光伏发电波动母线电压的波动始终处于允许范围内。

3.1.2 DESS SOC超限工况

设置3个ESU的初始SOC分别为88%、89%和70%,其他参数不变。验证DESS在到达满容量状态时控制策略的有效性,仿真结果如图9所示。

图9 ESU超限仿真结果

由图9(a)可知:在0～0.4 s和2～2.5 s内,光伏发电系统输出功率等于采掘设备消耗功率,储能系统处于待机模式;在0.4～2 s内,光伏发电系统输出功率大于采掘设备消耗,ESU处于充电模式。

由图9(b)可知:在0.4～2 s内, SOC最低单元首先进入充电模式;随着SOC的逐渐增大,所有的ESU均进入充电模式;2 s时,由于ESU容量均已达上限,光伏发电系统减小输出功率,ESU由充电转为待机模式。

3.1.3 ESU SOC均衡策略仿真结果

为验证SOC均衡策略的有效性,设置三个ESU的初始SOC为82%,68%和53%。下垂控制系数分别为KN=7.5×10-3,p=2.9,Ks=2.5,K=0.01,并与传统固定下垂系数的DESS SOC控制策略对比。在ESU充电时,光伏发电系统输出功率设为8 kW;放电时,光伏发电系统输出功率设为3 kW,仿真结果如图10、11所示。

图10 DESS充电仿真结果

由图10(a)和图11(a)可知,充电过程中,SOC越小的充电功率越大,反之亦然;放电过程中,SOC越大的单元,其输出功率越大,与理论一致。由图10(b)和图11(b)可知,在2 s时,ESU SOC基本一致,均衡效果良好。由图10(c)和图11(c)可知,相较于传统方法文中所提控制策略在均衡速度和维持母线电压平衡方面的控制效果更佳。

图11 DESS放电仿真结果

3.2 DESS对光伏单元的跟踪补偿仿真结果

在光照条件发生变化时,验证DESS的动态响应特性。3个ESU的初始SOC设置为70%,80%和85%。仿真结果如图12所示。

图12 储能系统的动态响应能力

分析图12可知,ESU可以快速地跟踪和补偿光伏输出功率的差额与冗余,以保证储能系统能量供需平衡。

3.3 采掘工况突变时仿真结果

现实中采油机器在工作时常出现矿井油压不足的状况,油压不足将影响抽油机的工作功率。文中将以上工况简化为负载功率突变进行分析。

系统达到稳定运行时,在1 s与2 s时刻投切非关键负载,观察系统在负载投切时的响应特性。ESU的初始SOC分别设置为70%,80%和85%,仿真结果如图13所示。

图13 设备工况突变时的仿真结果

分析图13可知,采掘设备工况稳定时母线电压会立即升至额定值。随着直流母线电压与额定值偏差的逐渐减小,ESU输出功率随之减小直至进入待机模式。采掘设备工况突变时,ESU迅速动作进入充电模式,吸收冗余功率稳定电压;当负载所需功率增加时,释放自身储存功率,维持了母线电压稳定。

4 结 论

为保障电气化油气采掘设备用能稳定,文章简化了采掘设备负载并基于微电网母线分层控制和下垂控制原理提出了一种适用于供能直流微电网分布式储能系统各储能子单元SOC的快速均衡控制策略,得到如下结论。

(1) 所提控制策略在光照发生变化以及采掘工况突变时可快速平抑电压骤降波动和解决母线电压降低问题,保持系统中能量供需平衡。

(2) 不同初始容量ESU的直流微电网系统中,所提控制策略可以减小各ESU SOC差异,降低ESU充放电次数;在多个ESU的SOC差值较大时,可以通过调整ESU下垂系数的取值,提高SOC的均衡速率,减小了母线电压偏差;与此同时,设计了基于离散一致性的二次电压补偿器,进一步提高了母线电压的稳定性。

(3) 与传统的ESU控制策略相比,所提控制方法在采掘过程突变情况下,ESU大规模充放电时具有SOC均衡精准且迅速的特点;在采油设备工况突变所导致负荷功率突变的情况下,能够快速实现均衡,具有实用价值。