[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

CN107269454B - 适用于海洋石油平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统 - Google Patents

适用于海洋石油平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107269454B
CN107269454B CN201710432317.6A CN201710432317A CN107269454B CN 107269454 B CN107269454 B CN 107269454B CN 201710432317 A CN201710432317 A CN 201710432317A CN 107269454 B CN107269454 B CN 107269454B
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy
current transformer
power
mode
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710432317.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107269454A (zh
Inventor
沈爱弟
高迪驹
褚建新
顾伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Maritime University
Original Assignee
Shanghai Maritime University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Maritime University filed Critical Shanghai Maritime University
Priority to CN201710432317.6A priority Critical patent/CN107269454B/zh
Publication of CN107269454A publication Critical patent/CN107269454A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107269454B publication Critical patent/CN107269454B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/14—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/26—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using tide energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/11—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing electrical energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • H02J3/382—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Oceanography (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

本发明利用太阳能、风能、潮流能和波浪能多种海洋能，设计出一种适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统。不同海洋能在时间和空间上具有互补性，因而该发电系统可以为平台的钻井机提供持续稳定的电能，能够最大限度地利用海洋能降低燃油消耗。该海洋能发电系统通过并网换流器，可以与海洋平台的船舶电网长期稳定地并联运行。所以，当钻井机消耗功率小于海洋能发电功率时，系统可以通过并网换流器将剩余电能馈送至船舶电网；当钻井机消耗功率大于海洋能发电功率时，系统可以通过并网换流器将船舶电网电能注入发电系统，补充发电功率的缺额。为了限制发电系统电压波动幅值，系统配置了储能单元，利用动力电池充放电改善电压稳定性。

Description

适用于海洋石油平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统
技术领域
本发明涉及海洋可再生能源发电技术，特别是一种适用于海洋石油平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统。
背景技术
海洋平台变频驱动钻井机是平台船舶电网的重要负载之一，由泥浆泵、绞车、转盘和顶驱等众多钻井设备组成，用于完成海上石油钻采作业。船舶电网的柴油发电机组以化石燃料作为能源，在发出电能的同时排放大量的有害气体污染海洋环境。国际社会越来越认识到，有必要通过全球的努力来减缓环境恶化的趋势，这是人类文明可持续发展的必由之路，因此，可再生能源受到人们的青睐。海洋平台常年在海上作业，在它的四周存在丰富的可再生海洋能源，如风能、太阳能、潮流能以及波浪能等，这些能源都可以用于发电，为海洋平台变频驱动钻井机提供电能。由于海洋能的多变性及不稳定性，利用某一单种海洋能提供电能，无法保证供电的连续性和稳定性。
发明内容
本发明利用太阳能、风能、潮流能和波浪能多种海洋能，设计出一种适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统。不同海洋能在时间和空间上具有互补性，因而该发电系统可以为平台的钻井机提供持续稳定的电能，能够最大限度地利用海洋能降低燃油消耗。该海洋能发电系统通过并网换流器，可以与海洋平台的船舶电网长期稳定地并联运行。所以，当钻井机消耗功率小于海洋能发电功率时，系统可以通过并网换流器将剩余电能馈送至船舶电网；当钻井机消耗功率大于海洋能发电功率时，系统可以通过并网换流器将船舶电网电能注入发电系统，补充发电功率的缺额。为了限制发电系统电压波动幅值，系统配置了储能单元，利用动力电池充放电改善电压稳定性。
针对海洋平台柴油发电机组存在消耗化石燃料和排放有害气体的问题，结合海洋平台四周丰富的可再生海洋能源的现状，本发明设计了一种海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统。该发电系统由太阳能光伏发电、风力发电、潮流发电、波浪能发电以及动力电池储能装置组成，并通过并网双向逆变换流器和隔离变压器，与海洋平台的船舶电网长期稳定地并联运行。该发电系统利用多种海洋能源时空上的互补性，可以在很大程度上为钻井机负载提供连续稳定的电能。当该发电单元输出的电能大于钻井机负载需求时，可以通过并网双向逆变换流器和隔离变压器，将多余电能输送至船舶电网，减少柴油发电机组的燃油消耗；当该发电单元输出的电能小于钻井机负载需求时，可以通过并网双向逆变换流器和隔离变压器，由船舶电网向发电系统注入电能缺额，确保钻井机负载正常运行。因此，该发电系统既能充分利用多种海洋能实现节能减排，又能保障钻井机负载供电的连续性、稳定性和可靠性。
本发明的技术方案如下：一种适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统，包括发电单元、储能单元、并网单元、负载单元、直流母排和控制器。
发电单元包括太阳能光伏电池、光伏电池DC/DC变流器、风能发电机、风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机、波浪能发电机AC/DC变流器组成。这些发电设备将多种海洋能转换成电能，通过发电变流器向直流母排注入直流电能。以上4个变流器应用PWM技术，既可以工作在最大功率跟踪（MPPT）方式，也可以工作在恒压下垂（CVD）方式。
储能单元包括动力电池和动力电池双向DC/DC变流器。动力电池双向DC/DC变流器具有充电、放电和待机3种运行状态，以及恒压下垂和限流2种工作方式。在船舶电网故障扰动或其他特定运行模式下，储能单元利用双向DC/DC变流器，通过充电或放电来稳定直流母排电压，以确保发电系统的功率平衡与稳定运行。当动力电池荷电状态（SOC）超出上下限范围时，动力电池被禁止充放电，避免出现过充或过放现象。
并网单元包括并网双向AC/DC变流器和隔离变压器，将直流母排接入船舶电网，实现海洋能发电系统与船舶电网两者的并联运行。并网双向AC/DC变换器具有逆变、整流、待机3种运行状态，以及恒压下垂和限流2种工作方式。根据系统运行要求进行状态和方式切换，控制发电系统与船舶电网之间的功率交换。当发电单元故障失效时，船舶电网可独立供电钻井机负载。因此，并网变流器容量满足钻井机最大负载需求，并且远大于发电单元总容量，一般工作在恒压下垂方式，只有在过载状态处于限流方式。
负载单元包括平台钻井机逆变器和钻井机电动机。它们驱动泥浆泵、绞车、转盘和顶驱等设备。负载单元的设备数量较多，工况变化较大，功率波动范围较宽。发电系统利用发电单元、储能单元和船舶电网，为负载单元提供连续、稳定的电能。在故障状态供电功率不足时，需要根据负载优先级进行负荷减载控制，确保系统的功率平衡及重要负载的供电质量。
控制器连接直流母排，根据直流母排的电压控制动力电池双向DC/DC变流器、光伏电池DC/DC变流器、风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机AC/DC变流器的运行状态与工作方式，调节各变流器的电能流，提升海洋能发电效率，维持直流母排电压平稳。
控制器采用电压滞环控制方法，设置运行模式变量，标识发电系统当前运行模式；发电系统运行模式切换前后的直流母排电压信号差值称为回差；如果直流母排电压由低向高变化，当直流母排电压大于相邻高模式切换点阈值与回差的一半之和时，控制器的电压滞环控制模块翻转，将发电系统控制为相邻高模式，运行模式变量更新为当前高运行模式；如果直流母排电压由高向低变化，当直流母排电压小于相邻低模式切换点阈值与回差的一半之差时，控制器的电压滞环控制模块翻转，将发电系统控制为相邻低模式，运行模式变量更新为当前低运行模式。在切换点处采用电压滞环控制技术，可以避免运行模式的频繁切换，增加发电系统运行可靠性。
设U dc 为直流母排电压， U dcn 为直流母排额定电压，U H2 、U H1 、U L1 、U L2 为不同控制模式切换点的电压阈值，U H2 =105%U dcn ，U H1 =102% U dcn ，U L1 =98% U dcn ，U L2 =95% U dcn 。根据直流母排电压的变化，控制器让本发明适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统工作在异乡5种不同的运行模式：
（1）运行模式1：U dc ≤U L2
直流母排电压低于额定值的95%，表明海洋能发电单元和储能单元的输出功率无法满足钻井机负载的功率需求，存在较大功率缺额。此时，并网双向AC/DC变流器工作在恒压下垂方式，通过整流将船舶电网功率注入直流母排，维持发电系统能量平衡，恒定直流母排电压；发电变流器工作在最大功率跟踪MPPT方式，提高海洋能发电效率；动力电池双向DC/DC变流器，根据动力电力SOC值，工作在限流放电方式或待机状态。
（2）运行模式2：U L2 ＜U dc ≤U L1
直流母排电压偏低，介于额定值的95%~98%，表明海洋能发电单元的输出功率小于钻井机负载的功率消耗，存在少量功率缺额。此时，储能单元投入运行，动力电池双向DC/DC变流器工作在恒压下垂方式，通过释放动力电池功率，补偿发电单元的功率缺额，并起到恒定直流母排电压的作用；发电变流器工作在最大功率跟踪MPPT方式，以最高效率输出电能；而并网双向AC/DC变流器处于待机状态不参与能量交换。
（3）运行模式3：U L1 ＜U dc ＜U H1
直流母排电压维持在额定值附近，介于额定值的98%~102%，表明海洋能发电单元的输出功率基本满足钻井机负载的功率消耗。此时，发电变流器工作在最大功率跟踪MPPT方式；并网双向AC/DC变流器处于待机状态不参与能量交换；动力电池双向DC/DC变流器工作在待机状态不参与能量交换，以避免负载消耗功率与发电单元输出功率的微小波动造成动力电池的频繁充放电。在此运行模式下，由于没有恒压控制环节，直流母排电压受负载和海洋能影响会在允许的小范围内出现波动。
（4）运行模式4：U H1 ≤U dc ＜U H2
直流母排电压偏高，介于额定值的102%~105%，表明海洋能发电单元的输出功率略大于钻井机负载的功率消耗，出现少量功率剩余。此时，并网双向AC/DC变流器处于待机状态不参与能量交换；动力电池双向DC/DC变流器工作在恒压下垂方式，向动力电池充电，通过吸收功率降低并稳定直流母排电压；当动力电池SOC充电至极限，动力电池双向DC/DC变流器转入待机状态，而发电变流器由最大功率跟踪MPPT工作方式转为恒压下垂方式，降低输出功率，维持功率平衡，恒定直流母排电压。
（5）运行模式5：U dc ≥U H2
直流母排电压高于额定值的105%，表明海洋能发电单元的输出功率远大于钻井机负载的功率消耗，出现大量的剩余功率。此时，并网双向AC/DC变流器工作在恒压下垂方式，通过逆变将直流母排剩余功率注入船舶电网，维持发电系统能量平衡，恒定直流母排电压；动力电池双向DC/DC变流器，根据动力电池SOC值，工作在充电状态或者待机状态；发电变流器工作在最大功率跟踪MPPT方式，提高海洋能发电效率。
附图说明
图1 是本发明适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统的结构示意图；
图2是本发明适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统的运行模式示意图。
附图标记：1：太阳能光伏电池；2：风能发电机；3：潮流能发电机；4：波浪能发电机；5：动力电池；6：隔离变压器；7：动力电池双向DC/DC变流器；8：光伏电池DC/DC变流器；9：风能发电机AC/DC变流器；10：潮流能发电机AC/DC变流器；11：波浪能发电机AC/DC变流器；12：并网双向AC/DC变流器； 13：控制器；14：直流母排；15——钻井机逆变器；16——钻井机电动机。
具体实施方式
1）发电系统结构原理
本发明适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统结构原理如图1所示，包括发电单元、储能单元、并网单元、负载单元、直流母排和控制器六个部分。
（1）发电单元
发电单元包括太阳能光伏电池1与光伏电池DC/DC变流器8、风能发电机2与风能发电机AC/DC变流器9、潮流能发电机3与潮流能发电机AC/DC变流器10、波浪能发电机4与波浪能发电机AC/DC变流器11。这些发电设备将多种海洋能转换成电能，通过发电变流器向系统直流母排14注入直流电能。以上4个变流器应用PWM技术，既可以工作在最大功率跟踪（MPPT）方式，也可以工作在恒压下垂（CVD）方式。
（2）储能单元
储能单元由动力电池5和动力电池双向DC/DC变流器7组成。动力电池双向DC/DC变流器7具有充电、放电和待机3种运行状态，以及恒压下垂和限流2种工作方式。在船舶电网故障扰动或其他特定运行模式下，储能单元利用动力电池双向DC/DC变流器7，通过充电或放电来稳定直流母排14的电压，以确保发电系统的功率平衡与稳定运行。当动力电池5的荷电状态（SOC）超出上下限范围时，动力电池5被禁止充放电，避免出现过充或过放现象。
（3）并网单元
并网单元由并网双向AC/DC变流器12和隔离变压器6组成，将直流母排14接入船舶电网，实现海洋能发电系统与船舶电网两者的并联运行。并网双向AC/DC变换器12具有逆变、整流、待机3种运行状态，以及恒压下垂和限流2种工作方式。根据系统运行要求进行状态和方式切换，控制发电系统与船舶电网之间的功率交换。当发电单元故障失效时，船舶电网可独立供电钻井机负载。因此，并网双向AC/DC变流器12的容量满足钻井机最大负载需求，并且远大于发电单元总容量，一般工作在恒压下垂方式，只有在过载状态处于限流方式。
（4）负载单元
负载单元由平台钻井机逆变器15和钻井机电动机16（为简单起见，图中只画出6套逆变器与电动机）组成，它们驱动泥浆泵、绞车、转盘和顶驱等设备。负载单元的设备数量较多，工况变化较大，功率波动范围较宽。发电系统利用发电单元、储能单元和船舶电网，为负载单元提供连续、稳定的电能。在故障状态供电功率不足时，需要根据负载优先级进行负荷减载控制，确保系统的功率平衡及重要负载的供电质量。
（5）控制器
控制器13根据直流母排14的电压控制动力电池双向DC/DC变流器7、光伏电池DC/DC变流器8、风能发电机AC/DC变流器9、潮流能发电机AC/DC变流器10、波浪能发电机AC/DC变流器11、并网双向AC/DC变流器12的运行状态与工作方式，调节各变流器的电能流，提升海洋能发电效率，维持直流母排14的电压平稳。
控制器采用电压滞环控制方法，设置运行模式变量，标识发电系统当前运行模式；发电系统运行模式切换前后的直流母排电压信号差值称为回差；如果直流母排电压由低向高变化，当直流母排电压大于相邻高模式切换点阈值与回差的一半之和时，控制器的电压滞环控制模块翻转，将发电系统控制为相邻高模式，运行模式变量更新为当前高运行模式；如果直流母排电压由高向低变化，当直流母排电压小于相邻低模式切换点阈值与回差的一半之差时，控制器的电压滞环控制模块翻转，将发电系统控制为相邻低模式，运行模式变量更新为当前低运行模式。在切换点处采用电压滞环控制技术，可以避免运行模式的频繁切换，增加发电系统运行可靠性。
2）发电系统控制方法
海洋能发电系统控制目标是充分利用海洋能发电并且稳定直流母排电压，但海洋能发电的随机性、平台钻井机负载变化以及与船舶电网功率交换的波动都会影响电压稳定性。本发明根据直流母排电压的变化，将控制策略分为5种不同的运行模式，如图2所示。
在图2中，纵坐标U dc 为直流母排14的电压，横坐标Mode为运行模式，U dcn 为直流母排14的额定电压，U H2 、U H1 、U L1 、U L2 为不同控制模式切换点的电压阈值，U H2 =105%U dcn ，U H1 =102% U dcn ，U L1 =98% U dcn ，U L2 =95% U dcn 。为避免运行模式的频繁切换，在切换点处采用电压滞环控制，电压阈值存在一定量的回差。
（1）运行模式1：U dc ≤U L2
直流母排14电压低于额定值的95%，表明海洋能发电单元和储能单元的输出功率无法满足钻井机负载的功率需求，存在较大功率缺额。此时，并网双向AC/DC变流器12工作在恒压下垂方式，通过整流将船舶电网功率注入直流母排14，维持发电系统能量平衡，恒定直流母排14的电压；风能发电机AC/DC变流器9、潮流能发电机AC/DC变流器10、波浪能发电机AC/DC变流器11工作在最大功率跟踪MPPT方式，提高海洋能发电效率；动力电池双向DC/DC变流器7，根据动力电池5的SOC值，工作在限流放电方式或待机状态。
（2）运行模式2：U L2 ＜U dc ≤U L1
直流母排14的电压偏低，介于额定值的95%~98%，表明海洋能发电单元的输出功率小于钻井机负载的功率消耗，存在少量功率缺额。此时，储能单元投入运行，动力电池双向DC/DC变流器7工作在恒压下垂方式，通过释放动力电池5的功率，补偿发电单元的功率缺额，并起到恒定直流母排14的电压的作用；风能发电机AC/DC变流器9、潮流能发电机AC/DC变流器10、波浪能发电机AC/DC变流器11工作在最大功率跟踪MPPT方式，以最高效率输出电能；而并网双向AC/DC变流器12处于待机状态不参与能量交换。
（3）运行模式3：U L1 ＜U dc ＜U H1
直流母排14的电压维持在额定值附近，介于额定值的98%~102%，表明海洋能发电单元的输出功率基本满足钻井机负载的功率消耗。此时，风能发电机AC/DC变流器9、潮流能发电机AC/DC变流器10、波浪能发电机AC/DC变流器11工作在最大功率跟踪MPPT方式；并网双向AC/DC变流器12处于待机状态不参与能量交换；动力电池双向DC/DC变流器7工作在待机状态不参与能量交换，以避免负载消耗功率与发电单元输出功率的微小波动造成动力电池的频繁充放电。在此运行模式下，由于没有恒压控制环节，直流母排14的电压受负载和海洋能影响会在允许的小范围内出现波动。
（4）运行模式4：U H1 ≤U dc ＜U H2
直流母排14的电压偏高，介于额定值的102%~105%，表明海洋能发电单元的输出功率略大于钻井机负载的功率消耗，出现少量功率剩余。此时，并网双向AC/DC变流器12处于待机状态不参与能量交换；动力电池双向DC/DC变流器7工作在恒压下垂方式，向动力电池5充电，通过吸收功率降低并稳定直流母排14的电压；当动力电池5的SOC充电至极限，动力电池双向DC/DC变流器7转入待机状态，而风能发电机AC/DC变流器9、潮流能发电机AC/DC变流器10、波浪能发电机AC/DC变流器11由最大功率跟踪MPPT工作方式转为恒压下垂方式，降低输出功率，维持功率平衡，恒定直流母排14的电压。
（5）运行模式5：U dc ≥U H2
直流母排14的电压高于额定值的105%，表明海洋能发电单元的输出功率远大于钻井机负载的功率消耗，出现大量的剩余功率。此时，并网双向AC/DC变流器工作在恒压下垂方式，通过逆变将直流母排14的剩余功率注入船舶电网，维持发电系统能量平衡，恒定直流母排14的电压；动力电池双向DC/DC变流器7，根据动力电池5的SOC值，工作在充电状态或者待机状态；风能发电机AC/DC变流器9、潮流能发电机AC/DC变流器10、波浪能发电机AC/DC变流器11工作在最大功率跟踪MPPT方式，提高海洋能发电效率。
应用上述控制策略，海洋能发电系统中各变流器独立工作，相互之间无需数据交换，从而简化了控制系统的复杂程度，提高了控制的实时性。在不同的运行模式中，协调控制各变流器的运行状态和工作方式，以使系统在不同模式下都能稳定直流母排电压，确保系统内的功率平衡，为平台钻井机负载提供高质量电能。

Claims (2)

1.一种适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统，包括发电单元、储能单元、并网单元、负载单元、直流母排和控制器；其特征在于：
发电单元包括太阳能光伏电池、光伏电池DC/DC变流器、风能发电机、风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机、波浪能发电机AC/DC变流器；太阳能光伏电池、风能发电机、潮流能发电机、波浪能发电机、波浪能发电机AC/DC变流器将海洋能转换成电能，通过相应的光伏电池DC/DC变流器、风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机AC/DC变流器向直流母排注入直流电能；光伏电池DC/DC变流器、风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机AC/DC变流器为PWM变流器，既可以工作在最大功率跟踪方式，也可以工作在恒压下垂方式；
储能单元包括动力电池和动力电池双向DC/DC变流器；动力电池双向DC/DC变流器具有充电、放电和待机3种运行状态，以及恒压下垂和限流2种工作方式；在船舶电网故障扰动运行模式下，储能单元利用双向DC/DC变流器，通过充电或放电来稳定直流母排电压；当动力电池荷电状态超出上下限范围时，动力电池被禁止充放电，避免出现过充或过放现象；
并网单元包括并网双向AC/DC变流器和隔离变压器，将直流母排接入船舶电网，实现所述适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统与船舶电网两者的并联运行；并网双向AC/DC变换器具有逆变、整流、待机3种运行状态，以及恒压下垂和限流2种工作方式；控制器对并网单元进行运行状态和工作方式切换，控制所述适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统与船舶电网之间的功率交换；当发电单元故障失效时，船舶电网独立供电钻井机负载；并网双向AC/DC变流器在过载状态下处于限流方式，否则工作在恒压下垂方式；
负载单元包括平台钻井机逆变器和钻井机电动机；钻井机电动机连接平台钻井机逆变器，平台钻井机逆变器连接直流母排；
控制器连接直流母排以及动力电池双向DC/DC变流器、光伏电池DC/DC变流器、风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机AC/DC变流器，根据直流母排的电压控制动力电池双向DC/DC变流器、光伏电池DC/DC变流器、风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机AC/DC变流器的运行状态与工作方式，调节各变流器的电能流；
控制器采用电压滞环控制方法，设置运行模式变量，标识发电系统当前运行模式；发电系统运行模式切换前后的直流母排电压信号差值称为回差；如果直流母排电压由低向高变化，当直流母排电压大于相邻高模式切换点阈值与回差的一半之和时，控制器的电压滞环控制模块翻转，将发电系统控制为相邻高模式，运行模式变量更新为当前高运行模式；如果直流母排电压由高向低变化，当直流母排电压小于相邻低模式切换点阈值与回差的一半之差时，控制器的电压滞环控制模块翻转，将发电系统控制为相邻低模式，运行模式变量更新为当前低运行模式。
2.如权利要求1所述的适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统，其特征在于：根据直流母排电压的变化，控制器让所述适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统工作在以下5种不同的运行模式：
运行模式1：Udc≤UL2
并网双向AC/DC变流器工作在恒压下垂方式，通过整流将船舶电网功率注入直流母排，维持所述适用于海洋平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统能量平衡，恒定直流母排电压；风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机AC/DC变流器工作在最大功率跟踪MPPT方式，提高海洋能发电效率；动力电池双向DC/DC变流器，根据动力电池的SOC值，工作在限流放电方式或待机状态；
运行模式2：UL2＜Udc≤UL1
储能单元投入运行，动力电池双向DC/DC变流器工作在恒压下垂方式，通过释放动力电池功率，补偿发电单元的功率缺额，并起到恒定直流母排电压的作用；风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机AC/DC变流器工作在最大功率跟踪MPPT方式，以最高效率输出电能；而并网双向AC/DC变流器处于待机状态不参与能量交换；
运行模式3：UL1＜Udc＜UH1
发电变流器工作在最大功率跟踪MPPT方式；并网双向AC/DC变流器处于待机状态不参与能量交换；动力电池双向DC/DC变流器工作在待机状态不参与能量交换；
运行模式4：UH1≤Udc＜UH2
并网双向AC/DC变流器处于待机状态不参与能量交换；动力电池双向DC/DC变流器工作在恒压下垂方式，向动力电池充电，通过吸收功率降低并稳定直流母排电压；当动力电池SOC充电至极限，动力电池双向DC/DC变流器转入待机状态，而风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机AC/DC变流器由最大功率跟踪MPPT工作方式转为恒压下垂方式，降低输出功率，维持功率平衡，恒定直流母排电压；
运行模式5：Udc≥UH2
并网双向AC/DC变流器工作在恒压下垂方式，通过逆变将直流母排剩余功率注入船舶电网，维持发电系统能量平衡，恒定直流母排电压；动力电池双向DC/DC变流器，根据动力电池SOC值，工作在充电状态或者待机状态；风能发电机AC/DC变流器、潮流能发电机AC/DC变流器、波浪能发电机AC/DC变流器工作在最大功率跟踪MPPT方式，提高海洋能发电效率；
其中，Udc为直流母排电压，Udcn为直流母排额定电压，UH2、UH1、UL1、UL2为不同控制模式切换点的电压阈值，UH2＝105％Udcn，UH1＝102％Udcn，UL1＝98％Udcn，UL2＝95％Udcn。
CN201710432317.6A 2017-06-09 2017-06-09 适用于海洋石油平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统 Active CN107269454B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710432317.6A CN107269454B (zh) 2017-06-09 2017-06-09 适用于海洋石油平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710432317.6A CN107269454B (zh) 2017-06-09 2017-06-09 适用于海洋石油平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107269454A CN107269454A (zh) 2017-10-20
CN107269454B true CN107269454B (zh) 2019-01-29

Family

ID=60065998

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710432317.6A Active CN107269454B (zh) 2017-06-09 2017-06-09 适用于海洋石油平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107269454B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110970923A (zh) * 2019-11-28 2020-04-07 江苏大学 一种最大功率跟踪控制器和船舶并网温差发电系统
CN112366982B (zh) * 2020-03-30 2022-09-16 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种用于水下绞车缓启动的供电装置及其控制方法
EP3907843A1 (en) * 2020-05-06 2021-11-10 ABB Schweiz AG Marine power system
CN112572711A (zh) * 2021-02-26 2021-03-30 中船动力有限公司 一种海上多能互补充电平台
CN112994157B (zh) * 2021-03-01 2023-05-23 株洲中车时代电气股份有限公司 一种自适应双向dcdc充放电控制方法及装置
CN114876372B (zh) * 2022-03-31 2023-09-29 中国农业大学 一种基于半潜式钻井平台的绿色能源激光钻井装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101714770B (zh) * 2009-12-16 2013-10-02 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 野外高效风光发电系统及方法
CN102384039B (zh) * 2011-09-28 2013-02-13 东北大学 一种混合风光互补抽水蓄能系统及其控制方法
CN102437602B (zh) * 2011-10-21 2013-08-14 东北大学 一种风光水互补发电装置及控制方法
CN103312006A (zh) * 2013-06-27 2013-09-18 国家海洋技术中心 多能互补独立发电系统
US9983241B2 (en) * 2014-09-22 2018-05-29 Siemens Aktiengesellschaft Method and a control unit for validating an electric power plant
CN104505867B (zh) * 2015-01-04 2017-02-01 南京国臣信息自动化技术有限公司 一种交直流混合微电网系统及其控制策略
CN105673329B (zh) * 2015-09-02 2018-07-10 张桂臣 船舶风光储波浪能综合利用发电装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN107269454A (zh) 2017-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107269454B (zh) 适用于海洋石油平台变频驱动钻井机的海洋能发电系统
Abu-Rub et al. Power electronics for renewable energy systems, transportation and industrial applications
Ge et al. Energy storage system-based power control for grid-connected wind power farm
Wang et al. Energy management system for stand-alone diesel-wind-biomass microgrid with energy storage system
CN102377192B (zh) 一种直驱型海浪发电储能装置及控制方法
Zhang et al. Research on battery supercapacitor hybrid storage and its application in microgrid
CN102290828A (zh) 一种级联型光伏并网逆变器及其控制方法
CN101702610A (zh) 基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统
CN204992608U (zh) 一种分布式智能微网结构
CN103606942B (zh) 一种具有无功补偿功能的混合液流储能系统
CN105932716A (zh) 一种分布式电源供电系统
CN108347063A (zh) 一种基于超级电容储能的船舶光伏并网发电系统
CN105576685A (zh) 新能源微电网储能系统
CN112260260A (zh) 一种新能源发电直流并网系统及其控制方法
CN106410932A (zh) 适用于中压直流配电网的链式电池储能变流器及控制方法
CN102157962A (zh) 一种基于风力发电机组的互补发电系统及并网调试方法
CN109755956A (zh) 一种离网海岛光储微电网系统的控制方法及控制系统
Srithorn et al. A STATCOM with supercapacitors for enhanced power system stability
CN202206326U (zh) 一种级联型光伏并网逆变器
CN108599255A (zh) 一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法
CN207677451U (zh) 一种适用于大功率风电消纳的微网组网系统
Qiu et al. Techno-economic assessment of a PV/SC hybrid power system integrated into 2240 PCTC Ro-Ro ship
Hassan et al. Stability Assessment of Renewable Energy-based DC Microgrids for Offshore Applications
CN104682427A (zh) 一种交直流混合的清洁能源系统及方法
CN204441903U (zh) 一种交直流混合的清洁能源系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant