直流侧接入飞轮储能的石油钻机起下钻能量利用方法研究

发布时间：2020-03-19 17:58

【摘要】：石油钻机在提放钻具过程中会产生大量过剩的能量,而这些能量没有得到充分利用,造成了能源浪费等诸多问题。因此,研究石油钻机系统在重载与轻载情况下能量的回收利用方法,对减少能源浪费、降低机械损耗、提高系统运行的经济性有重要意义。本文首先选择永磁同步电机作为飞轮储能装置的本体电机,建立了永磁同步电机的充放电数学模型,并研究了飞轮充放电双闭环矢量控制策略。其次分析了下钻时所具有的势能,设计了飞轮储能装置与制动电阻之间切换的能量回收方案。此外在分析石油钻机起下钻负载特性的基础上,对下钻时不同工况下可回收的再生制动能量进行了计算。考虑到石油钻机起下钻时能量的变化情况,提出了一种飞轮储能装置充放电能量管理及协调控制策略。该策略包含飞轮充放电之间的切换控制,飞轮充电控制,基于负载电流的放电前馈控制,过充过放保护控制。在该能量管理及协调控制策略下,当负载发生变化时,首先进行飞轮充放电之间的能量转换,以响应负载的变化,同时,飞轮储能装置根据负载电流的大小调节放电速度,为降低充放电过程中飞轮储能装置的机械损耗,引入了过充过放保护环节,并由转速的荷电状态来控制过充与过放。通过能量管理与协调控制,飞轮储能装置能够在重载时与发电机共同为负载提供能量,轻载时储存过剩的能量,减少了能源的浪费。针对飞轮储能装置放电过程中转矩抖动问题,提出了一种基于飞轮转速荷电状态的转矩变限幅比例积分控制方法,该方法通过飞轮转速荷电状态改变电流环的比例积分调节器限幅值,减小放电过程中转矩的抖动。在Matlab/simulink中搭建了仿真模型,仿真结果验证了所提策略的可行性与有效性。
【图文】：

图 1.1 石油钻机现场图钻机在提放钻具作业中频繁的出现周期击性负荷，钻机系统的柴油机发电机组机传动系统的传动与利用率较低。可利用飞轮储能装置储释能量一体的能量储存起来，而在钻机重载时释放能了一台原动机的容量配置，保障了负载了浪费[4,5]。石油钻机的运行其实质是频能转换为钻具上升时的势能，相反钻具机，因而势能转换为电能。同时，利用突变负载引起功率波动时，储能系统可作业中产生的再生制动能量储存起来重能方式有蓄电池储能、飞轮储能、超级了几种储能方式的优缺点[8,9]

基于飞轮储能装置的运行特点，该项目将其接入到直流母线侧，完成飞轮储能装置与负载系统的互联，通过对变频器的控制，实现负载调峰的功能。调峰系统示意图如图2.1所示，其中钻机轻载或下放钻具时将会产生富余的能量，，此刻飞轮储能装置切换为充电模式，使能量以机械能的形式储存于该装置中，能量过多时还可以用于其他设备；当钻机系统在遇到重载的情况下，原动机输出不足，此时储能系统通过放电控制策略完成机械能与电能之间的转换，以此来承担部分负荷。图2.1 直流侧接入飞轮储能的负载调峰系统示意图
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE922

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本文编号：2590510