高 輝，朱暉宇，熊良銀

（1.上海船廠船舶有限公司，上海 202156；2.中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七〇八研究所，上海 200001）

0 引言

目前，鉆井船或鉆井平臺(tái)多數(shù)采用變頻控制的鉆井絞車作為起升系統(tǒng)主要設(shè)備，當(dāng)鉆井絞車下放時(shí)，絞車需采取制動(dòng)措施，通常采用剎車電阻來(lái)消耗掉能量，從而造成大量的能量損失。當(dāng)絞車提升時(shí),會(huì)對(duì)船舶發(fā)電機(jī)產(chǎn)生突加負(fù)載的情況。為了解決該能量損耗的問(wèn)題，本文給出了電池混動(dòng)方案，并以Tiger鉆井船設(shè)備配置為例研究制定鉆井絞車電池混動(dòng)方案。

隨著當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，將仿真與建模技術(shù)融入到能源研發(fā)當(dāng)中，成為研發(fā)過(guò)程的重要工具之一。通過(guò)對(duì)仿真技術(shù)進(jìn)行分析，設(shè)定出靈活的方案，分析智能優(yōu)化參數(shù)，預(yù)測(cè)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能及研究成本，從而實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程及測(cè)試過(guò)程。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前可用于混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真軟件有ADVISOR，PSAT等。雖然這幾種仿真軟件都可以拓展用于船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真研究，但其模型的邏輯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用較高?；诖?，本文主要研究基于Matlab軟件環(huán)境建立仿真模型，以我司設(shè)計(jì)建造的鉆井船為例，建立鉆井絞車混合動(dòng)力系統(tǒng)建模，研究鉆井絞車混動(dòng)方案[1]。

1 鉆井絞車混合動(dòng)力方案概述

以Tiger系列鉆井為例，該船為工作水深5000 ft的8點(diǎn)錨泊定位鉆井船，大鉤載荷750 sh.t，鉆井絞車配置4臺(tái)1000 kW的變頻電機(jī)。游吊系統(tǒng)配置14繩系滑輪組，最大提升載荷750 sh.t，空鉤最大鉤速為1.26 m/s。

通過(guò)增加1套電池組來(lái)吸收鉆井絞車下放時(shí)的勢(shì)能，并在絞車提升時(shí)釋放電能，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井絞車能量回收和減少鉆井絞車在負(fù)載提升或空鉤高速提升時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)瞬時(shí)功率需求，最終實(shí)現(xiàn)鉆井船起升系統(tǒng)的能力回收，并達(dá)到船舶電網(wǎng)削峰填谷的目的。

1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

鉆井絞車是大洋勘探船鉆井系統(tǒng)核心部分，由于目前柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)展?fàn)顩r的限制，考慮到制動(dòng)能量的回收，混合絞盤的大部分解決方案是柴油發(fā)電機(jī)-電池混合系統(tǒng)，即絞盤驅(qū)動(dòng)能源不僅是柴油機(jī)，也是電池中的一個(gè)來(lái)源。典型的簡(jiǎn)化混合鉆井系統(tǒng)如圖1所示，主要包括柴油發(fā)電機(jī)組、DC/DC轉(zhuǎn)換器、蓄電池、電機(jī)及其控制器、多能控制系統(tǒng)（與鉆井控制集成）系統(tǒng)）、齒輪箱和主齒輪箱等。這種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性能，直流母線電壓比較穩(wěn)定，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求低，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，電力系統(tǒng)可由電池供電。電池壽命短，純電條件和系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高；同時(shí)，電池可以吸收再生制動(dòng)能量，提高系統(tǒng)效率。

圖1 典型的鉆井絞車混合動(dòng)力系統(tǒng)

圖1中，多能控制系統(tǒng)是鉆井控制系統(tǒng)的一部分，是基于單片機(jī)或工控機(jī)的控制系統(tǒng)，組成工作狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)，基于特定的控制策略，控制混合動(dòng)力系統(tǒng)中其他部件的運(yùn)行。

混合絞車電力系統(tǒng)的仿真可分為正向仿真和反向仿真。逆向建模通常基于沒(méi)有司鉆模型的靜止模型，根據(jù)大鉤速度與時(shí)間曲線，采用迭代方法預(yù)測(cè)絞盤動(dòng)力系統(tǒng)的性能，通常用于早期設(shè)計(jì)階段。反向模擬從給定絞車吊鉤速度的時(shí)間曲線開(kāi)始，然后計(jì)算滿足性能要求所需的功率輸入或能耗，以計(jì)算每個(gè)系統(tǒng)組件的性能。逆向建模假設(shè)絞盤必須沿著給定的路徑移動(dòng)，因此無(wú)法計(jì)算出最佳性能，也無(wú)法制定控制策略。在正向仿真中，司鉆模型根據(jù)所需的大鉤速度、當(dāng)前大鉤速度以及各系統(tǒng)部件的狀態(tài)[2]。預(yù)測(cè)仿真可以集成復(fù)雜的動(dòng)態(tài)模型，用于詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)行為建模，以及準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為。主動(dòng)建模特別適用于硬件設(shè)計(jì)和控制策略建模，仿真模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 絞車混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

基于Matlab 軟件對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了前向式建模仿真，仿真模型如圖3 所示。將動(dòng)力系統(tǒng)的各個(gè)模型進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將所得的模塊進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)進(jìn)行了圖標(biāo)封裝。

圖3 基于MATLAB的鉆井絞車混合動(dòng)力模型

圖3中，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)各部分采用物理分析和數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方法，建立數(shù)學(xué)模型，一方面能反映系統(tǒng)的物理特性和動(dòng)態(tài)特性，另一方面利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提高模型計(jì)算速度。同時(shí)，為了提高建模的準(zhǔn)確性，模型的每個(gè)部分都必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 鉆井絞車混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真技術(shù)研究

鉆井絞車混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真技術(shù)，實(shí)際上就是在模型建立好后，選取合適的系統(tǒng)控制策略。從1.1節(jié)的系統(tǒng)框圖可以看出，控制系統(tǒng)所采用的控制策略是根據(jù)司鉆模型的輸出指令和當(dāng)前的運(yùn)行情況來(lái)確定電機(jī)的輸出功率或轉(zhuǎn)矩參數(shù)。柴油發(fā)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器和電池的狀態(tài)，以及確定發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率或扭矩，將目標(biāo)扭矩發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制器，使發(fā)動(dòng)機(jī)以該扭矩工作。在整個(gè)控制過(guò)程中，控制算法遵循如下原則：

1）DC/DC轉(zhuǎn)換器采用恒壓控制，其目標(biāo)電壓可以從電池初始SOC和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)在線檢查。

2）保證每起下鉆循環(huán)蓄電池SOC 起始值和終止值變化量△SOC 不大于0.0005，并使其保持在0.2～0.8的范圍之間。

3）船舶發(fā)電機(jī)輸出功率優(yōu)先，在船舶發(fā)電機(jī)輸出恒定功率后，動(dòng)力系統(tǒng)功率需求不足的部分由蓄電池輸出。

1.3 鉆井船船混合動(dòng)力仿真

本次仿真基于Tiger號(hào)鉆井船的鉆井絞車開(kāi)展。

根據(jù)該船750 sh.t絞車功率特性曲線，設(shè)定運(yùn)行工況，如圖4所示鉤載均為750 sh.t（理論曲線）；各工況下30～40次/時(shí)循環(huán)，每周運(yùn)行20小時(shí)一次/兩次。

圖4 鉆井絞車功率特性曲線

按照時(shí)間擬合的曲線如圖5所示。

圖5 鉆井絞車功率時(shí)間曲線

在前節(jié)所述的系統(tǒng)模型上增加相關(guān)的電池組、斬波器和逆變器，其作用是吸收鉆井絞車制動(dòng)產(chǎn)生的能量，同時(shí)對(duì)大功率設(shè)備啟動(dòng)或加載時(shí)進(jìn)行能量補(bǔ)償，有效改善柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性，同時(shí)存儲(chǔ)的能量還可以反饋到電網(wǎng)用于系統(tǒng)供電，即鉆絞車相當(dāng)于柴油發(fā)電機(jī)組的突載，鉆絞車相當(dāng)于柴油發(fā)電機(jī)組的突卸。

2 仿真計(jì)算

運(yùn)行仿真計(jì)算后，得到結(jié)果如下：1）絞車起鉆工況（見(jiàn)圖6）。

圖6 絞車起鉆工況

可以看出，儲(chǔ)能元件補(bǔ)償了絞車上的動(dòng)態(tài)負(fù)載，保持發(fā)電機(jī)功率恒定，下降時(shí)絞車的操作可以利用儲(chǔ)能的能量制動(dòng)循環(huán)，從而使絞車對(duì)發(fā)電機(jī)的最大需求峰值功率從5.8 MW大幅下降到2.2 MW附近。

2）絞車下鉆工況（見(jiàn)圖7）。

圖7 絞車下鉆工況

可以看出，儲(chǔ)能元件補(bǔ)償了絞車上的動(dòng)態(tài)負(fù)載，保持發(fā)電機(jī)功率恒定，下降時(shí)絞車的操作可以利用儲(chǔ)能的能量制動(dòng)循環(huán)，從而使絞車對(duì)發(fā)電機(jī)的最大需求峰值功率從5 MW大幅下降到0附近。

3 結(jié)語(yǔ)

在配置鉆井絞車作為起升系統(tǒng)的鉆井船在集成了混合動(dòng)力模塊后，可實(shí)現(xiàn)船舶電網(wǎng)削峰填谷的功能，大大節(jié)約發(fā)電機(jī)的能源消耗，進(jìn)而節(jié)約鉆井船的運(yùn)營(yíng)成本。通過(guò)增加混合動(dòng)力模塊的方式也可降低發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量，提高船舶電網(wǎng)的效率。同時(shí)配置了混合動(dòng)力模塊后可取消剎車電阻的配置，以及配套的冷卻系統(tǒng)等，減少了能量的浪費(fèi)。本方案可以為類似船型設(shè)計(jì)提供節(jié)能設(shè)計(jì)新思路，也可用于現(xiàn)有類似船舶的改造。