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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

 

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第1章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1石油钻机系统中的能量回收利用研究现状

1.2.2飞轮储能装置控制策略的研究现状

1.2.3飞轮储能电机启动控制的研究现状

1.3论文的主要研究内容与章节安排

第2章 石油钻机负载调峰系统与飞轮储能系统的分析

2.1引言

2.2石油钻机负载调峰系统

2.3飞轮储能装置的工作原理

2.4飞轮电机的选择

2.5永磁同步电机的数学模型

2.5.1永磁同步电机在abc坐标系与dq坐标系下的转换

2.5.2永磁同步电机在dq坐标系下的充放电数学模型

2.6飞轮储能装置控制策略的研究

2.7飞轮储能系统主电路工作原理

2.8飞轮储能系统工作模式分析

2.8.1充电工作模式

2.8.2放电工作模式

2.8.3保持模式

2.9本章小结

第3章 石油钻机负载特性分析与势能的回收

3.1引言

3.2石油钻机工作特性分析

3.2.1绞车负荷功率特性

3.2.2绞车负荷转矩/转速特性

3.3下钻工况中再生制动能量的回收

3.3.1下钻工况中电机再生制动工作原理

3.3.2制动能量的计算

3.4飞轮储能与制动电阻势能回收切换控制

3.5飞轮储能与制动电阻势能回收仿真分析

3.6本章小结

第4章 石油钻机系统中的飞轮储能充放电能量管理及协调控制策略

4.1引言

4.2石油钻机负载运行特性分析

4.3飞轮储能充放电能量管理及协调控制策略

4.3.1充放电状态转换控制

4.3.2飞轮充电控制

4.3.3基于负载电流的放电前馈控制

4.3.4过充过放保护控制

4.4飞轮储能充放电能量管理及协调控制仿真验证

4.4.1飞轮储能充放电能量管理及协调控制仿真模型与参数

4.4.2飞轮储能充放电与负载响应特性仿真分析

4.5本章小结

第5章 飞轮放电过程中转矩抖动的抑制研究

5.1引言

5.2飞轮放电过程中的转矩特性分析

5.3 转矩的电压限幅环节

5.4 转矩变限幅比例积分调节器的设计

5.5基于荷电状态的转矩变限幅比例积分控制

5.6飞轮放电过程中电机响应特性仿真分析

5.7本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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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。

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