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超级电容在电动修井机储能控制中的应用
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更新于2024-06-28
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"含网电变压器保护的电动修井机超级电容储能控制" 本文主要探讨了在电动修井机等大功率电力驱动设备中引入超级电容储能技术以提高电能质量和供电可靠性的问题。电动修井机的供电系统通常由不控整流器和三相变频驱动系统构成,配备制动电阻进行能耗制动。然而,这种传统方法在处理变频器回馈的能量时造成了电能的浪费。 超级电容因其特有的高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命,成为提升设备电控系统中理想的储能元件。它通过DC/DC变换器连接到直流母线,起到能量补充和电压调节的作用,既能实现节能,又能稳定直流母线电压。文献中的各种应用实例展示了超级电容在不同场景下的效果: 1. 文献[14]中,混合储能系统在城市轨道交通中的应用,利用超级电容快速响应负载变化,保持母线电压稳定; 2. 文献[15]的钻修机系统中,超级电容在制动时吸收回馈电能,防止直流母线电压过高或过低; 3. 文献[16]提到,微燃机发电系统借助超级电容快速充放电,应对负载突变导致的直流母线电压不稳问题; 4. 文献[17,18]提出了基于超级电容的铁路功率调节器,通过协调控制策略,消除功率控制误差,解决超级电容放电失控问题,同时提高了再生制动能量的利用率。 这些研究和实践表明,超级电容储能系统可以显著改善电力驱动设备的电能管理,提高再生制动能量的利用率,并且有助于缓解峰值负荷对变压器的影响,从而优化整个电网的运行效率和稳定性。通过智能控制策略,可以确保超级电容在不同工况下有效地工作,既节省能源,又确保系统的动态性能。在未来的电动修井机和其他类似设备中,超级电容储能技术有望成为标准配置,为电力驱动系统提供更加高效、可靠的能量管理和保护。
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Psc=Pload−S⋅ηPsc=Pload−S⋅η
(1)
式 中 ,PscPsc 为 超 级 电 容 最 大 输 出 功 率 ;PloadPload 为 电 动 修 井 机 最 大 功
率;SS 为井场变压器容量;ηη 为变压器效率,取 0.8。
那么,超级电容储能装置需要存储的能量为
W=Psc⋅tlW=Psc⋅tl
(2)
式中,tltl 为电动修井机最大提升时间。
超级电容处于双向 DC/DC 变换器的低压侧,为了保证超级电容充电功率,
一般占空比不超过 2/3
[21]
。因此,对于交流 380 V 的电动修井机电控系统,可得超
级电容最大电压 Usc−maxUsc−max 为 360 V。
超级电容的荷电状态(State of charge,SOC)为
SOC=12Cscu2c12CscU2sc−max=u2cU2scSOC=12Cscuc212CscUsc−max2=uc2Usc
2
(3)
式中,CscCsc 为超级电容总容量;ucuc 为超级电容实际电压。
由式(3)可知,当超级电容电压为额定电压的一半时,SOC 为 25%,说明超级
电 容 容 量 已 经 使 用 了 75% 。 一 般 超 级 电 容 最 佳 荷 电 状 态 使 用 范 围 为
25%~100%,由此可得超级电容最低工作电压 Usc−minUsc−min 为 180 V。最终
得出超级电容电压工作范围为 180~360 V。
超级电容可释放或存储的能量为
W=12Csc(U2sc−max−U2sc−min)W=12Csc(Usc−max2−Usc−min2)
(4)
考虑到超级电容的设计裕量,结合式(2)与式(4),超级电容的容值为
Csc=2W(1+α)U2sc−max−U2sc−minCsc=2W(1+α)Usc−max2−Usc−min2
(5)
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