0 引 言

石油钻井行业是一个工况复杂、高能耗的行业，石油钻机(以下简称钻机)打钻的过程就是钻井工具(以下简称钻具)反复上提和下放的过程。其中上提过程就是发电机传递电能到电动机，转换成势能拉动钻具；而下放过程就是钻具释放这些能量，电动机被钻具带动，进入发电工作模式，向前级反馈已转换为电能形式的再生制动能量。目前通用的做法是将这部分能量接通到制动电阻，以热能的形式散发掉，没有有效回收利用。研究表明：如果将储能控制系统接入钻井系统的供电单元，可在一定程度上提升接纳波动性电源能力并改善电能质量^[1]。如何将下放过程中产生的电能收集到储能控制系统中，使其有效地重复利用是当前的一个研究趋势。

目前主要的储能元件采用蓄电池或超级电容。前者由于功率限制，无法满足电能需求；后者由于自身能量限制，能起到的功率平滑效果也不尽人意。针对这种情况的解决办法有两者直接并联或两者通过双向DC-DC并联等，但效果都不理想。尤其针对钻井环境地况复杂，钻具不会平稳上提和下放，在工作过程中出现的跳钻和溜钻等情况会形成冲击载荷，进而对储能系统造成损害，因此对钻机的储能系统提出了更高的要求。

目前对超级电容应用于制动能量回收的研究多是设计一整套储能系统^[3-8]，由于是全套系统，所以采购成本很高而且需要预留很多第三方接口^[9-15]。笔者在实际工作中发现，钻机原有设备的部分性能只要稍加扩展就可以作为储能控制系统的组成部分，同时基于模糊控制理论设计的控制原理，可以很好地解决超级电容和蓄电池之间能源分配问题，对于这2个方面的研究还未见文献有展开论述。笔者据此提出一种基于“PLC +逆变器+复合储能单元+制动电阻”的储能控制系统，并给出系统的主电路图、控制策略和保护策略，同时介绍了该系统复合储能单元的模糊控制。最后通过在某钻机实际应用该系统的效果，证明该系统的有效性。

1 制动能量回收利用方法 1.1 交流变频钻机主电路图(含储能控制系统)

图 1为交流变频钻机供电的主电路图(含储能控制系统)。

由图 1可知，供电回路为：发电机→公共直流母线→逆变器→绞车电机→(“控制单元→复合储能单元”或制动电阻)；控制回路：逆变器2、控制单元和PLC通过PROFIBUS总线连接，PLC通过控制单元的反馈，完成对逆变器2的闭环控制。新增的逆变器1、逆变器3、控制单元和复合储能单元是为了满足储能系统，在原有钻机组成设备基础上新加入的。

1.2 储能控制系统的控制策略

控制单元的控制方式见图 2，流程见图 3。该储能系统采用频率监测控制策略，PLC通过检测逆变器2频率的高低来确定控制单元进行充、放电控制。

1.2.1 充电情况

如果再生制动电能迫使交流频率f₀大于设定值f₂时，说明负载功率减小，提供的电能(由于绞车电机负载端的需求降低而发电机输出功率未变，导致富余的电能(见图 4路径1) 或绞车电机再生制动产生的电能存储(见图 4路径2) )已经超过负载的需求，这时将富余的电能传输给复合储能单元存储起来。控制单元中的通道1(触点连接到C₀上)导通。设定值f₂为一高于正常运行时交流频率值，只有发生再生制动时，电能频率才会升高到该值。

1.2.2 放电情况

当检测到交流频率f₀小于设定值f₃时，说明负载功率较大，发电机不能提供足够的功率，需要由复合储能单元提供补偿功率，频率越低则需要补偿的功率就越大(范围300~500 kW，可根据井况需要增加至800 kW)，其功率变化的斜率可设定(1%~3%等)。这时控制单元中的通道2(触点连接到C₁上)导通，相关电能路径如图 5所示。设定值f₃为一低于正常运行时交流频率值，只有当负载功率较大，发动机不能提供足够功率时，交流频率才会降低到该值。

1.3 储能控制系统的保护策略

在石油钻机使用过程中，为保证钻机电网和设备不会受到再生制动电能的干扰，同时确保设备的使用寿命不会降低，不会造成事故，因此要采用一定的保护策略，储能控制系统依据钻机的具体工作特点采用分层控制策略。

1.3.1 控制单元+PLC+逆变器2的控制

为确保再生制动电能在该区间范围内回馈至超级电容中，且不造成复合储能单元的损坏，该系统为频率设定的输入限制条件为f₂<f < f₄。其中，f₂是控制单元最低启动频率值，f是储能控制系统充电的频率值，f₄是制动电阻启动的频率值。该保护策略就是通过“控制单元+PLC+逆变器”形成的闭环反馈，来对输入的电能进行控制。具体操作过程就是控制单元传输母线的频率值f到PLC，经过计算由PLC传输命令给逆变器2，由逆变器2控制绞车电机的制动速度。通过控制制动速度来确保输入复合储能单元的电能频率维持在一定范围内，相关电能和反馈信号的流动路径如图 6所示。

1.3.2 制动电阻的控制

由于钻机工作的地况复杂，在钻具下放产生再生制动电能过程中不会一直平稳进行，可能会出现除上述以外的制动功率尖峰部分，这时就通过制动电阻以热能的形式消耗掉。

2 复合储能单元的改良设计

复合储能单元是该系统的重要组成部分，如何确保超级电容和蓄电池之间能源的合理分配是本设计的关键。由于钻机的工况复杂多变，所以设计中摒弃了传统的控制方法，转而创造性地采用模糊控制对储能单元进行管理。

2.1 储能单元控制原理

储能单元控制原理如图 7所示。DC-DC转换器接收模糊控制单元的指令，根据控制单元的需求功率、蓄电池和超级电容的SOC(存储状态)，决定功率分配。模糊控制单元依据控制策略和各单元的电压、电流情况，对DC-DC转换器发出指令。该存储单元的控制是使超级电容和蓄电池工作在最佳的工作状态，保证储能单元长期有效地运行。

2.2 储能单元的模糊控制

需求的功率分配，要考虑每个储能元件的特点：超级电容可以大电流快速充放，可以处理负荷突变的情况；而蓄电池输入和输出稳定，但无法快速响应负荷阶跃性需求。根据这一特点设计的总体分配原则是：超级电容处理大负荷变化的情况，蓄电池作为有效补充。具体来说，包含以下几点： ①当钻机起下钻时，由于暂时的状况，需要较小的额外功率补充，则由蓄电池提供，超级电容不放电或少放电。 ②当钻机起下钻时，由于突发的状况，需要较大的额外功率补充，则由超级电容提供，蓄电池根据需要不提供或者后期提供小部分功率。 ③当钻机制动时，回馈制动电能较小时，如果超级电容的荷电状态较小，则全部给超级电容充电；如果超级电容荷电状态较高，则部分给蓄电池充电。 ④当钻机制动时，回馈制动电能较大时，也是优先给超级电容充电，剩余流程与③保持一致。

3 复合储能控制系统的应用

在某交流变频钻机上应用该复合储能控制系统后取得明显效果。由于是基于原有设备基础上增加部分储能系统，并借用原有PLC实现反馈控制，所以采购成本很低。同时由于引入超级电容+蓄电池的复合储能单元，通过功率分配使得电能的波动峰值得到有效抑制。图 8为交流变频钻机逆变器两端测得的频率波形。其中红色为使用超级电容储能控制系统后的效果图，蓝色为使用超级电容储能控制系统前的效果图。从图可以看到，在20 s之前，负载较为稳定，频率为60~60.5 Hz；在20~30 s之间,由于负载突然增大导致频率开始下降，这时复合储能控制系统开始放电改善电网性能。从红色和蓝色对比曲线中可以看出，增加了复合储能控制系统之后的频率峰值明显改善；在65~75 s之间，这时提供的电能超过负载的需要，为了确保富余电能不会对钻机电网造成损坏，复合储能控制系统开始吸收电能储存能量，如果达到限制值，制动电阻自动启动。在这2个阶段(20~30 s和65~75 s之间)由于是突然变化，且时间很短，所以复合储能单元主要是超级电容工作，剩余时间范围变化较小，则依靠蓄电池完成控制。

图 9为与图 8同一时间段对交流变频钻机逆变器同一端口测得的电压波形图。由图可以看出，增加了复合储能控制系统之后的电压峰值明显降低(负载增大情况下的波动范围由35 V降低到了10 V);产生富余电能时电压峰值波动由之前的波形突升突降，在复合储能控制系统加入后变成一个微幅波峰。

通过频率和电压前、后波形的对比可以看出，波形的峰值得到有效控制，整个波形曲线更加平稳，改善了电能的质量，提高了钻机电网的稳定性和可靠性，同时由于电能的有效回收再利用，所以缩短了发电机的工作时间，降低了燃料消耗；而且由于工作时间的缩短，设备维护成本也得到下降。使用该系统后能够确保发电机更加有效平稳地运行，减少了由于停机造成的燃料和维护支出;同时因为将多余的电能有效回收再利用，减少了额外的能源消耗；加上延迟发电机的折旧费和平稳运行带来的经济效益，所以采用该系统后每天累计节约资金近3 000元,1套系统每年节约成本累计在50万元以上。

4 结 束 语

在介绍复合储能控制系统的主电路图基础上，阐述了该系统的控制策略和保护策略，并对储能单元进行了改良设计。复合储能控制系统在某钻机上实际应用的效果证明：该系统可以改善电能的质量和降低生产成本，并且能够收集多余制动电能，做到节能环保，因此该系统在石油钻井行业的应用前景十分广阔。