一种海上石油钻井平台的多能互补供电系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种海上石油钻井平台的多能互补供电系统及其控制方法。该方法通过虚拟阻抗将负载的功率波动分为三部分，用功率型储能设备调节功率的快速动态部分，能量型储能设备调节功率中频过渡部分，用燃气透平机调节功率低频动态部分，同时提供稳态时的功率支撑。本发明专利技术在充分发挥能量型与功率型储能设备的优点，同时将燃气透平机加入储能管理中，用于管理负载功率波动中的稳态部分，有效降低了蓄电池充放电次数与电池所需容量；当分布式发电系统故障或受自然环境制约无法工作，此时起主导作用的燃气透平机增大输出功率，降低了传统方法中，能量型储能设备长时间工作导致荷电状态低于下限值，进而只能切除部分负载的问题，提高了系统可靠性。

A multi energy complementary power supply system and its control method for offshore oil drilling platform

【技术实现步骤摘要】
一种海上石油钻井平台的多能互补供电系统及其控制方法
本专利技术属于能量管理领域，尤其涉及一种海上石油钻井平台的多能互补供电系统及其控制方法。
技术介绍
随着海上油田开发建设规模的不断扩大，用电负荷逐步增加，单一利用燃气透平机供电的方法将难以满足用电需求。海上钻井平台通常为孤岛系统，孤立电网接入风电可以节约燃料，降低运行成本，由此，有学者提出将风力发电接入海上油田平台。但是由于风力发电的随机性与波动性，对原有系统稳定性带来了新的挑战。海上钻井平台本身负载功率特性就具有一定的波动性，此时引入风力发电，将会给燃气透平发电机组的控制带来巨大挑战。燃气透平发电机组本身特性决定其无法调节快速的功率波动，系统通常配备相应的储能设备来维持系统供电的稳定性与可靠性。然而，不同的储能设备具有不同的能量密度、功率密度以及响应时间，单一储能一般难以调节实际应用中各种功率波动。例如，功率型储能设备(超级电容等)具有较高的功率密度，较快的响应速度，然而功率密度相对较低；与之对应的能量型储能设备(蓄电池等)则具有较高的能量密度，但是其功率密度和响应速度则相对较慢。通过将不同类型的储能设备运用在同一系统中，构成混合储能系统，从而发挥各类型储能设备的优势。混合储能系统中，实现不同类型储能设备的功率分配是最关键的问题之一。一种有效方式是：采用能量型储能设备管理功率波动中的稳态部分，能量型储能设备补偿功率失衡的暂态部分。目前，大多数混合储能系统的控制属于基于滤波器的集中控制。这些控制方式通常依赖于系统功率的精确测量与可靠的通信系统，所以研究储能设备的分散控制具有重要意义。然而，由于海上钻井平台空间的限制，通常只能采用单一储能设备调节。但是单一的能量型储能设备无法快速响应系统的动态功率波动，进而导致功率失衡，影响系统稳定运行，而单一的功率型储能设备虽然可以快速响应系统功率的动态变化，但是却受自身容量的限制，当出现系统功率提升时，容易使其处于较低的荷电状态，进而退出工作状态，负载只能处于切负载的运行状态，降低系统利用率。因此，综合分析、研究海上钻井平台接入风力发电可以利用混合储能系统提高系统稳定性与海上空间对混合储能的限制后，研究如何在有限空间内，加入混合储能系统来调节负载功率波动的方案就显得日益迫切和必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种海上石油钻井平台的多能互补供电系统及其控制方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种海上石油钻井平台的多能互补供电系统，该系统包括柴储联合控制部分和风力发电机组、负载、风力发电机侧DC-AC变换器；所述柴储联合控制部分包括燃气透平发电机组、蓄电池组、超级电容组、透平机侧AC-DC变换器、蓄电池侧DC-DC变换器和超级电容侧DC-DC变换器；其中，燃气透平发电机组的三相交流电输出端连接透平机侧AC-DC变换器的输入端，透平机侧AC-DC变换器的输出端并联到直流母线上；蓄电池组的输出端连接蓄电池侧DC-DC变换器的输入端，蓄电池侧DC-DC变换器的输出端并联到直流母线上；超级电容组连接超级电容侧DC-DC变换器的输入端，超级电容侧DC-DC变换器的输出端并联到直流母线上；风力发电机组的输出端连接风力发电机侧DC-AC变换器的输入端，风力发电机侧DC-AC变换器的输出端并联接入直流母线；负载连接直流母线。一种基于上述海上石油钻井平台的多能互补供电系统的控制方法，包括以下步骤：(1)采集如下信号：直流母线电压UDC、燃气透平发电机组输出端的三相交流电压Uabc和电流Iabc、蓄电池侧DC-DC变换器和超级电容侧DC-DC变换器流经储能电感的电流IBL和ISL、蓄电池组和超级电容组流向直流母线的实际输出电流Im、IB和IS；(2)根据步骤(1)采集的信号，对透平机侧AC-DC变换器进行控制，包括对燃气透平发电机组三相可控整流器的控制、对蓄电池侧DC-DC变换器的控制方法和对超级电容侧DC-DC变换器的控制。所述对燃气透平发电机组三相可控整流器的控制包括以下子步骤：(2.1.1)燃气透平发电机组输出端的三相交流电压Uabc首先送入传统的数字锁相环进行锁相，获得三相交流电压Uabc的位置角θ和角频率ω；(2.1.2)通过获得的位置角θ对三相交流电压Uabc、电流Iabc进行坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电压Udq、电流Idq；(2.1.3)无功功率电流指令Iqref取0；直流母线电压指令Uref与直流母线电压UDC做差，再减去虚拟阻抗sLV引起的压降sImLV，其差值ΔUDC＝Uref-UDC-sImLV送入电压外环比例积分控制器得到有功电流指令Idref：其中，kvp、kvi分别为电压外环比例积分控制器的比例系数、积分系数，LV为选取的虚拟电感，s为拉式变换的复频率；(2.1.4)步骤(2.1.3)得到的有功电流指令Idref、无功电流指令Iqref与步骤(2.1.2)得到的电流Idq分别做差，将差值Idref-Id、Iqref-Iq分别送入电流内环比例积分控制器，得到三相可控整流器的有功电压指令Vd和无功电压指令Vq：其中，kip、kii分别为电流内环比例积分控制器的比例系数、积分系数；(2.1.5)步骤(2.1.4)得到的有功电压指令Vd、无功电压指令Vq分别加上前馈补偿项Ud、Uq以及耦合补偿项±ωLgIq，得到三相可控整流器的有功控制电压Ucd、无功控制电压Ucq：其中，Id、Iq分别为电流Idq的d、q轴分量，Lg为透平机侧AC-DC变换器滤波电感；(2.1.6)利用步骤(2.1.1)得到的位置角θ对步骤(2.1.5)得到的有功控制电压Ucd、无功控制电压Ucq进行帕克反变换，得到两相静止坐标系下的有功调节电压Uα、无功调节电压Uβ：(2.1.7)将步骤(2.1.6)得到的有功调节电压Uα、无功调节电压Uβ进行空间矢量脉宽调制，得到三相可控整流器的开关信号，实现对三相可控整流器的控制。所述对蓄电池侧DC-DC变换器的控制包括以下子步骤：(2.2.1)步骤(2.1.3)得到的差值ΔUDC减去电流IB在虚拟阻抗RV上产生的压降IBRV，送入电压外环比例积分控制器，得到电流内环的给定IBref：其中，kBvp、kBvi分别为蓄电池双闭环控制中电压外环比例积分控制器的比例系数、积分系数，RV表示虚拟电阻的阻值；(2.2.2)将步骤(2.2.1)得到的电流内环的给定IBref与步骤(1)得到的电流IBL做差，送入电流内环比例积分控制器得到调制电压UB，将调制电压UB送入脉宽调制模块，产生调制信号Sd1，对调制信号Sd1取反得到调制信号Sd2，分别将Sd1、Sd2送入蓄电池侧DC-DC变换器的下、上功率管T2、T1，实现对蓄电池侧DC-DC变换器的控制；所述对超级电容侧DC-DC变换器的控制包括以下子步骤：(2.3.1)步骤(2.1.3)得到的差值ΔUDC减去流入电流IS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海上石油钻井平台的多能互补供电系统，其特征在于，该系统包括柴储联合控制部分和风力发电机组、负载、风力发电机侧DC-AC变换器；所述柴储联合控制部分包括燃气透平发电机组、蓄电池组、超级电容组、透平机侧AC-DC变换器、蓄电池侧DC-DC变换器和超级电容侧DC-DC变换器；其中，燃气透平发电机组的三相交流电输出端连接透平机侧AC-DC变换器的输入端，透平机侧AC-DC变换器的输出端并联到直流母线上；蓄电池组的输出端连接蓄电池侧DC-DC变换器的输入端，蓄电池侧DC-DC变换器的输出端并联到直流母线上；超级电容组连接超级电容侧DC-DC变换器的输入端，超级电容侧DC-DC变换器的输出端并联到直流母线上；风力发电机组的输出端连接风力发电机侧DC-AC变换器的输入端，风力发电机侧DC-AC变换器的输出端并联接入直流母线；负载连接直流母线。/n

【技术特征摘要】
1.一种海上石油钻井平台的多能互补供电系统，其特征在于，该系统包括柴储联合控制部分和风力发电机组、负载、风力发电机侧DC-AC变换器；所述柴储联合控制部分包括燃气透平发电机组、蓄电池组、超级电容组、透平机侧AC-DC变换器、蓄电池侧DC-DC变换器和超级电容侧DC-DC变换器；其中，燃气透平发电机组的三相交流电输出端连接透平机侧AC-DC变换器的输入端，透平机侧AC-DC变换器的输出端并联到直流母线上；蓄电池组的输出端连接蓄电池侧DC-DC变换器的输入端，蓄电池侧DC-DC变换器的输出端并联到直流母线上；超级电容组连接超级电容侧DC-DC变换器的输入端，超级电容侧DC-DC变换器的输出端并联到直流母线上；风力发电机组的输出端连接风力发电机侧DC-AC变换器的输入端，风力发电机侧DC-AC变换器的输出端并联接入直流母线；负载连接直流母线。


2.一种基于权利要求1所述海上石油钻井平台的多能互补供电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集如下信号：直流母线电压UDC、燃气透平发电机组输出端的三相交流电压Uabc和电流Iabc、蓄电池侧DC-DC变换器和超级电容侧DC-DC变换器流经储能电感的电流IBL和ISL、蓄电池组和超级电容组流向直流母线的实际输出电流Im、IB和IS等。
(2)根据步骤(1)采集的信号，对透平机侧AC-DC变换器进行控制，包括对燃气透平发电机组三相可控整流器的控制、对蓄电池侧DC-DC变换器的控制方法和对超级电容侧DC-DC变换器的控制。
所述对燃气透平发电机组三相可控整流器的控制包括以下子步骤：
(2.1.1)燃气透平发电机组输出端的三相交流电压Uabc首先送入传统的数字锁相环进行锁相，获得三相交流电压Uabc的位置角θ和角频率ω。
(2.1.2)通过获得的位置角θ对三相交流电压Uabc、电流Iabc进行坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电压Udq、电流Idq。
(2.1.3)无功功率电流指令Iqref取0；直流母线电压指令Uref与直流母线电压UDC做差，再减去虚拟阻抗sLV引起的压降sImLV，其差值ΔUDC＝Uref-UDC-sImLV送入电压外环比例积分控制器得到有功电流指令Idref：



其中，kvp、kvi分别为电压外环比例积分控制器的比例系数、积分系数，LV为选取的虚拟电感，s为拉式变换的复频率。
(2.1.4)步骤(2.1.3)得到的有功电流指令Idref、无功电流指令Iqref与步骤(2.1.2)得到的电流Idq分别做差，将差值Idref-Id、Iqref-Iq分别送入电流内环比例积分控制器，得到三相可控整流器的有功电压指令Vd和无功电压指令Vq：



其中，kip、kii分别为电流内环比例积分控制器的比例系数、积分系数；
(2.1.5)步骤(2.1.4)得到的有功电压指...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐海亮，刘壮壮，王诗楠，王艳松，赵仁德，严庆增，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37