本發(fā)明涉及海洋可再生能源發(fā)電技術，特別是一種適用于海洋石油平臺變頻驅(qū)動鉆井機的海洋能發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術：

海洋平臺變頻驅(qū)動鉆井機是平臺船舶電網(wǎng)的重要負載之一，由泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)等眾多鉆井設備組成，用于完成海上石油鉆采作業(yè)。船舶電網(wǎng)的柴油發(fā)電機組以化石燃料作為能源，在發(fā)出電能的同時排放大量的有害氣體污染海洋環(huán)境。國際社會越來越認識到，有必要通過全球的努力來減緩環(huán)境惡化的趨勢，這是人類文明可持續(xù)發(fā)展的必由之路，因此，可再生能源受到人們的青睞。海洋平臺常年在海上作業(yè)，在它的四周存在豐富的可再生海洋能源，如風能、太陽能、潮流能以及波浪能等，這些能源都可以用于發(fā)電，為海洋平臺變頻驅(qū)動鉆井機提供電能。由于海洋能的多變性及不穩(wěn)定性，利用某一單種海洋能提供電能，無法保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明利用太陽能、風能、潮流能和波浪能多種海洋能，設計出一種適用于海洋平臺變頻驅(qū)動鉆井機的海洋能發(fā)電系統(tǒng)。不同海洋能在時間和空間上具有互補性，因而該發(fā)電系統(tǒng)可以為平臺的鉆井機提供持續(xù)穩(wěn)定的電能，能夠最大限度地利用海洋能降低燃油消耗。該海洋能發(fā)電系統(tǒng)通過并網(wǎng)換流器，可以與海洋平臺的船舶電網(wǎng)長期穩(wěn)定地并聯(lián)運行。所以，當鉆井機消耗功率小于海洋能發(fā)電功率時，系統(tǒng)可以通過并網(wǎng)換流器將剩余電能饋送至船舶電網(wǎng)；當鉆井機消耗功率大于海洋能發(fā)電功率時，系統(tǒng)可以通過并網(wǎng)換流器將船舶電網(wǎng)電能注入發(fā)電系統(tǒng)，補充發(fā)電功率的缺額。為了限制發(fā)電系統(tǒng)電壓波動幅值，系統(tǒng)配置了儲能單元，利用動力電池充放電改善電壓穩(wěn)定性。

針對海洋平臺柴油發(fā)電機組存在消耗化石燃料和排放有害氣體的問題，結(jié)合海洋平臺四周豐富的可再生海洋能源的現(xiàn)狀，本發(fā)明設計了一種海洋平臺變頻驅(qū)動鉆井機的海洋能發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電、潮流發(fā)電、波浪能發(fā)電以及動力電池儲能裝置組成，并通過并網(wǎng)雙向逆變換流器和隔離變壓器，與海洋平臺的船舶電網(wǎng)長期穩(wěn)定地并聯(lián)運行。該發(fā)電系統(tǒng)利用多種海洋能源時空上的互補性，可以在很大程度上為鉆井機負載提供連續(xù)穩(wěn)定的電能。當該發(fā)電單元輸出的電能大于鉆井機負載需求時，可以通過并網(wǎng)雙向逆變換流器和隔離變壓器，將多余電能輸送至船舶電網(wǎng)，減少柴油發(fā)電機組的燃油消耗；當該發(fā)電單元輸出的電能小于鉆井機負載需求時，可以通過并網(wǎng)雙向逆變換流器和隔離變壓器，由船舶電網(wǎng)向發(fā)電系統(tǒng)注入電能缺額，確保鉆井機負載正常運行。因此，該發(fā)電系統(tǒng)既能充分利用多種海洋能實現(xiàn)節(jié)能減排，又能保障鉆井機負載供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性。

本發(fā)明的技術方案如下：一種適用于海洋平臺變頻驅(qū)動鉆井機的海洋能發(fā)電系統(tǒng)，包括發(fā)電單元、儲能單元、并網(wǎng)單元、負載單元、直流母排和控制器。

發(fā)電單元包括太陽能光伏電池、光伏電池dc/dc變流器、風能發(fā)電機、風能發(fā)電機ac/dc變流器、潮流能發(fā)電機、潮流能發(fā)電機ac/dc變流器、波浪能發(fā)電機、波浪能發(fā)電機ac/dc變流器組成。這些發(fā)電設備將多種海洋能轉(zhuǎn)換成電能，通過發(fā)電變流器向直流母排注入直流電能。以上4個變流器應用pwm技術，既可以工作在最大功率跟蹤（mppt）方式，也可以工作在恒壓下垂（cvd）方式。

儲能單元包括動力電池和動力電池雙向dc/dc變流器。動力電池雙向dc/dc變流器具有充電、放電和待機3種運行狀態(tài)，以及恒壓下垂和限流2種工作方式。在船舶電網(wǎng)故障擾動或其他特定運行模式下，儲能單元利用雙向dc/dc變流器，通過充電或放電來穩(wěn)定直流母排電壓，以確保發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡與穩(wěn)定運行。當動力電池荷電狀態(tài)（soc）超出上下限范圍時，動力電池被禁止充放電，避免出現(xiàn)過充或過放現(xiàn)象。

并網(wǎng)單元包括并網(wǎng)雙向ac/dc變流器和隔離變壓器，將直流母排接入船舶電網(wǎng)，實現(xiàn)海洋能發(fā)電系統(tǒng)與船舶電網(wǎng)兩者的并聯(lián)運行。并網(wǎng)雙向ac/dc變換器具有逆變、整流、待機3種運行狀態(tài)，以及恒壓下垂和限流2種工作方式。根據(jù)系統(tǒng)運行要求進行狀態(tài)和方式切換，控制發(fā)電系統(tǒng)與船舶電網(wǎng)之間的功率交換。當發(fā)電單元故障失效時，船舶電網(wǎng)可獨立供電鉆井機負載。因此，并網(wǎng)變流器容量滿足鉆井機最大負載需求，并且遠大于發(fā)電單元總?cè)萘?，一般工作在恒壓下垂方式，只有在過載狀態(tài)處于限流方式。

負載單元包括平臺鉆井機逆變器和鉆井機電動機。它們驅(qū)動泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)等設備。負載單元的設備數(shù)量較多，工況變化較大，功率波動范圍較寬。發(fā)電系統(tǒng)利用發(fā)電單元、儲能單元和船舶電網(wǎng)，為負載單元提供連續(xù)、穩(wěn)定的電能。在故障狀態(tài)供電功率不足時，需要根據(jù)負載優(yōu)先級進行負荷減載控制，確保系統(tǒng)的功率平衡及重要負載的供電質(zhì)量。

控制器連接直流母排，根據(jù)直流母排的電壓控制動力電池雙向dc/dc變流器、光伏電池dc/dc變流器、風能發(fā)電機ac/dc變流器、潮流能發(fā)電機ac/dc變流器、波浪能發(fā)電機ac/dc變流器的運行狀態(tài)與工作方式，調(diào)節(jié)各變流器的電能流，提升海洋能發(fā)電效率，維持直流母排電壓平穩(wěn)。

控制器采用電壓滯環(huán)控制方法，設置運行模式變量，標識發(fā)電系統(tǒng)當前運行模式；發(fā)電系統(tǒng)運行模式切換前后的直流母排電壓信號差值稱為回差；如果直流母排電壓由低向高變化，當直流母排電壓大于相鄰高模式切換點閾值與回差的一半之和時，控制器的電壓滯環(huán)控制模塊翻轉(zhuǎn)，將發(fā)電系統(tǒng)控制為相鄰高模式，運行模式變量更新為當前高運行模式；如果直流母排電壓由高向低變化，當直流母排電壓小于相鄰低模式切換點閾值與回差的一半之差時，控制器的電壓滯環(huán)控制模塊翻轉(zhuǎn)，將發(fā)電系統(tǒng)控制為相鄰低模式，運行模式變量更新為當前低運行模式。在切換點處采用電壓滯環(huán)控制技術，可以避免運行模式的頻繁切換，增加發(fā)電系統(tǒng)運行可靠性。

設udc為直流母排電壓，udcn為直流母排額定電壓，uh2、uh1、ul1、ul2為不同控制模式切換點的電壓閾值，uh2=105%udcn，uh1=102%udcn，ul1=98%udcn，ul2=95%udcn。根據(jù)直流母排電壓的變化，控制器讓本發(fā)明適用于海洋平臺變頻驅(qū)動鉆井機的海洋能發(fā)電系統(tǒng)工作在異鄉(xiāng)5種不同的運行模式：

（1）運行模式1：udc≤ul2

直流母排電壓低于額定值的95%，表明海洋能發(fā)電單元和儲能單元的輸出功率無法滿足鉆井機負載的功率需求，存在較大功率缺額。此時，并網(wǎng)雙向ac/dc變流器工作在恒壓下垂方式，通過整流將船舶電網(wǎng)功率注入直流母排，維持發(fā)電系統(tǒng)能量平衡，恒定直流母排電壓；發(fā)電變流器工作在最大功率跟蹤mppt方式，提高海洋能發(fā)電效率；動力電池雙向dc/dc變流器，根據(jù)動力電力soc值，工作在限流放電方式或待機狀態(tài)。

（2）運行模式2：ul2＜udc≤ul1

直流母排電壓偏低，介于額定值的95%~98%，表明海洋能發(fā)電單元的輸出功率小于鉆井機負載的功率消耗，存在少量功率缺額。此時，儲能單元投入運行，動力電池雙向dc/dc變流器工作在恒壓下垂方式，通過釋放動力電池功率，補償發(fā)電單元的功率缺額，并起到恒定直流母排電壓的作用；發(fā)電變流器工作在最大功率跟蹤mppt方式，以最高效率輸出電能；而并網(wǎng)雙向ac/dc變流器處于待機狀態(tài)不參與能量交換。

（3）運行模式3：ul1＜udc＜uh1

直流母排電壓維持在額定值附近，介于額定值的98%~102%，表明海洋能發(fā)電單元的輸出功率基本滿足鉆井機負載的功率消耗。此時，發(fā)電變流器工作在最大功率跟蹤mppt方式；并網(wǎng)雙向ac/dc變流器處于待機狀態(tài)不參與能量交換；動力電池雙向dc/dc變流器工作在待機狀態(tài)不參與能量交換，以避免負載消耗功率與發(fā)電單元輸出功率的微小波動造成動力電池的頻繁充放電。在此運行模式下，由于沒有恒壓控制環(huán)節(jié)，直流母排電壓受負載和海洋能影響會在允許的小范圍內(nèi)出現(xiàn)波動。

（4）運行模式4：uh1≤udc＜uh2

直流母排電壓偏高，介于額定值的102%~105%，表明海洋能發(fā)電單元的輸出功率略大于鉆井機負載的功率消耗，出現(xiàn)少量功率剩余。此時，并網(wǎng)雙向ac/dc變流器處于待機狀態(tài)不參與能量交換；動力電池雙向dc/dc變流器工作在恒壓下垂方式，向動力電池充電，通過吸收功率降低并穩(wěn)定直流母排電壓；當動力電池soc充電至極限，動力電池雙向dc/dc變流器轉(zhuǎn)入待機狀態(tài)，而發(fā)電變流器由最大功率跟蹤mppt工作方式轉(zhuǎn)為恒壓下垂方式，降低輸出功率，維持功率平衡，恒定直流母排電壓。

（5）運行模式5：udc≥uh2

直流母排電壓高于額定值的105%，表明海洋能發(fā)電單元的輸出功率遠大于鉆井機負載的功率消耗，出現(xiàn)大量的剩余功率。此時，并網(wǎng)雙向ac/dc變流器工作在恒壓下垂方式，通過逆變將直流母排剩余功率注入船舶電網(wǎng)，維持發(fā)電系統(tǒng)能量平衡，恒定直流母排電壓；動力電池雙向dc/dc變流器，根據(jù)動力電池soc值，工作在充電狀態(tài)或者待機狀態(tài)；發(fā)電變流器工作在最大功率跟蹤mppt方式，提高海洋能發(fā)電效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明適用于海洋平臺變頻驅(qū)動鉆井機的海洋能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構示意圖；

圖2是本發(fā)明適用于海洋平臺變頻驅(qū)動鉆井機的海洋能發(fā)電系統(tǒng)的運行模式示意圖。

附圖標記：1：太陽能光伏電池；2：風能發(fā)電機；3：潮流能發(fā)電機；4：波浪能發(fā)電機；5：動力電池；6：隔離變壓器；7：動力電池雙向dc/dc變流器；8：光伏電池dc/dc變流器；9：風能發(fā)電機ac/dc變流器；10：潮流能發(fā)電機ac/dc變流器；11：波浪能發(fā)電機ac/dc變流器；12：并網(wǎng)雙向ac/dc變流器；13：控制器；14：直流母排；15——鉆井機逆變器；16——鉆井機電動機。

具體實施方式

1）發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構原理

本發(fā)明適用于海洋平臺變頻驅(qū)動鉆井機的海洋能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構原理如圖1所示，包括發(fā)電單元、儲能單元、并網(wǎng)單元、負載單元、直流母排和控制器六個部分。

（1）發(fā)電單元

發(fā)電單元包括太陽能光伏電池1與光伏電池dc/dc變流器8、風能發(fā)電機2與風能發(fā)電機ac/dc變流器9、潮流能發(fā)電機3與潮流能發(fā)電機ac/dc變流器10、波浪能發(fā)電機4與波浪能發(fā)電機ac/dc變流器11。這些發(fā)電設備將多種海洋能轉(zhuǎn)換成電能，通過發(fā)電變流器向系統(tǒng)直流母排14注入直流電能。以上4個變流器應用pwm技術，既可以工作在最大功率跟蹤（mppt）方式，也可以工作在恒壓下垂（cvd）方式。

（2）儲能單元

儲能單元由動力電池5和動力電池雙向dc/dc變流器7組成。動力電池雙向dc/dc變流器7具有充電、放電和待機3種運行狀態(tài)，以及恒壓下垂和限流2種工作方式。在船舶電網(wǎng)故障擾動或其他特定運行模式下，儲能單元利用動力電池雙向dc/dc變流器7，通過充電或放電來穩(wěn)定直流母排14的電壓，以確保發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡與穩(wěn)定運行。當動力電池5的荷電狀態(tài)（soc）超出上下限范圍時，動力電池5被禁止充放電，避免出現(xiàn)過充或過放現(xiàn)象。

（3）并網(wǎng)單元

并網(wǎng)單元由并網(wǎng)雙向ac/dc變流器12和隔離變壓器6組成，將直流母排14接入船舶電網(wǎng)，實現(xiàn)海洋能發(fā)電系統(tǒng)與船舶電網(wǎng)兩者的并聯(lián)運行。并網(wǎng)雙向ac/dc變換器12具有逆變、整流、待機3種運行狀態(tài)，以及恒壓下垂和限流2種工作方式。根據(jù)系統(tǒng)運行要求進行狀態(tài)和方式切換，控制發(fā)電系統(tǒng)與船舶電網(wǎng)之間的功率交換。當發(fā)電單元故障失效時，船舶電網(wǎng)可獨立供電鉆井機負載。因此，并網(wǎng)雙向ac/dc變流器12的容量滿足鉆井機最大負載需求，并且遠大于發(fā)電單元總?cè)萘浚话愎ぷ髟诤銐合麓狗绞?，只有在過載狀態(tài)處于限流方式。

（4）負載單元

負載單元由平臺鉆井機逆變器15和鉆井機電動機16（為簡單起見，圖中只畫出6套逆變器與電動機）組成，它們驅(qū)動泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)等設備。負載單元的設備數(shù)量較多，工況變化較大，功率波動范圍較寬。發(fā)電系統(tǒng)利用發(fā)電單元、儲能單元和船舶電網(wǎng)，為負載單元提供連續(xù)、穩(wěn)定的電能。在故障狀態(tài)供電功率不足時，需要根據(jù)負載優(yōu)先級進行負荷減載控制，確保系統(tǒng)的功率平衡及重要負載的供電質(zhì)量。

（5）控制器

控制器13根據(jù)直流母排14的電壓控制動力電池雙向dc/dc變流器7、光伏電池dc/dc變流器8、風能發(fā)電機ac/dc變流器9、潮流能發(fā)電機ac/dc變流器10、波浪能發(fā)電機ac/dc變流器11、并網(wǎng)雙向ac/dc變流器12的運行狀態(tài)與工作方式，調(diào)節(jié)各變流器的電能流，提升海洋能發(fā)電效率，維持直流母排14的電壓平穩(wěn)。

控制器采用電壓滯環(huán)控制方法，設置運行模式變量，標識發(fā)電系統(tǒng)當前運行模式；發(fā)電系統(tǒng)運行模式切換前后的直流母排電壓信號差值稱為回差；如果直流母排電壓由低向高變化，當直流母排電壓大于相鄰高模式切換點閾值與回差的一半之和時，控制器的電壓滯環(huán)控制模塊翻轉(zhuǎn)，將發(fā)電系統(tǒng)控制為相鄰高模式，運行模式變量更新為當前高運行模式；如果直流母排電壓由高向低變化，當直流母排電壓小于相鄰低模式切換點閾值與回差的一半之差時，控制器的電壓滯環(huán)控制模塊翻轉(zhuǎn)，將發(fā)電系統(tǒng)控制為相鄰低模式，運行模式變量更新為當前低運行模式。在切換點處采用電壓滯環(huán)控制技術，可以避免運行模式的頻繁切換，增加發(fā)電系統(tǒng)運行可靠性。

2）發(fā)電系統(tǒng)控制方法

海洋能發(fā)電系統(tǒng)控制目標是充分利用海洋能發(fā)電并且穩(wěn)定直流母排電壓，但海洋能發(fā)電的隨機性、平臺鉆井機負載變化以及與船舶電網(wǎng)功率交換的波動都會影響電壓穩(wěn)定性。本發(fā)明根據(jù)直流母排電壓的變化，將控制策略分為5種不同的運行模式，如圖2所示。

在圖2中，縱坐標udc為直流母排14的電壓，橫坐標mode為運行模式，udcn為直流母排14的額定電壓，uh2、uh1、ul1、ul2為不同控制模式切換點的電壓閾值，uh2=105%udcn，uh1=102%udcn，ul1=98%udcn，ul2=95%udcn。為避免運行模式的頻繁切換，在切換點處采用電壓滯環(huán)控制，電壓閾值存在一定量的回差。

（1）運行模式1：udc≤ul2

直流母排14電壓低于額定值的95%，表明海洋能發(fā)電單元和儲能單元的輸出功率無法滿足鉆井機負載的功率需求，存在較大功率缺額。此時，并網(wǎng)雙向ac/dc變流器12工作在恒壓下垂方式，通過整流將船舶電網(wǎng)功率注入直流母排14，維持發(fā)電系統(tǒng)能量平衡，恒定直流母排14的電壓；風能發(fā)電機ac/dc變流器9、潮流能發(fā)電機ac/dc變流器10、波浪能發(fā)電機ac/dc變流器11工作在最大功率跟蹤mppt方式，提高海洋能發(fā)電效率；動力電池雙向dc/dc變流器7，根據(jù)動力電池5的soc值，工作在限流放電方式或待機狀態(tài)。

（2）運行模式2：ul2＜udc≤ul1

直流母排14的電壓偏低，介于額定值的95%~98%，表明海洋能發(fā)電單元的輸出功率小于鉆井機負載的功率消耗，存在少量功率缺額。此時，儲能單元投入運行，動力電池雙向dc/dc變流器7工作在恒壓下垂方式，通過釋放動力電池5的功率，補償發(fā)電單元的功率缺額，并起到恒定直流母排14的電壓的作用；風能發(fā)電機ac/dc變流器9、潮流能發(fā)電機ac/dc變流器10、波浪能發(fā)電機ac/dc變流器11工作在最大功率跟蹤mppt方式，以最高效率輸出電能；而并網(wǎng)雙向ac/dc變流器12處于待機狀態(tài)不參與能量交換。

（3）運行模式3：ul1＜udc＜uh1

直流母排14的電壓維持在額定值附近，介于額定值的98%~102%，表明海洋能發(fā)電單元的輸出功率基本滿足鉆井機負載的功率消耗。此時，風能發(fā)電機ac/dc變流器9、潮流能發(fā)電機ac/dc變流器10、波浪能發(fā)電機ac/dc變流器11工作在最大功率跟蹤mppt方式；并網(wǎng)雙向ac/dc變流器12處于待機狀態(tài)不參與能量交換；動力電池雙向dc/dc變流器7工作在待機狀態(tài)不參與能量交換，以避免負載消耗功率與發(fā)電單元輸出功率的微小波動造成動力電池的頻繁充放電。在此運行模式下，由于沒有恒壓控制環(huán)節(jié)，直流母排14的電壓受負載和海洋能影響會在允許的小范圍內(nèi)出現(xiàn)波動。

（4）運行模式4：uh1≤udc＜uh2

直流母排14的電壓偏高，介于額定值的102%~105%，表明海洋能發(fā)電單元的輸出功率略大于鉆井機負載的功率消耗，出現(xiàn)少量功率剩余。此時，并網(wǎng)雙向ac/dc變流器12處于待機狀態(tài)不參與能量交換；動力電池雙向dc/dc變流器7工作在恒壓下垂方式，向動力電池5充電，通過吸收功率降低并穩(wěn)定直流母排14的電壓；當動力電池5的soc充電至極限，動力電池雙向dc/dc變流器7轉(zhuǎn)入待機狀態(tài)，而風能發(fā)電機ac/dc變流器9、潮流能發(fā)電機ac/dc變流器10、波浪能發(fā)電機ac/dc變流器11由最大功率跟蹤mppt工作方式轉(zhuǎn)為恒壓下垂方式，降低輸出功率，維持功率平衡，恒定直流母排14的電壓。

（5）運行模式5：udc≥uh2

直流母排14的電壓高于額定值的105%，表明海洋能發(fā)電單元的輸出功率遠大于鉆井機負載的功率消耗，出現(xiàn)大量的剩余功率。此時，并網(wǎng)雙向ac/dc變流器工作在恒壓下垂方式，通過逆變將直流母排14的剩余功率注入船舶電網(wǎng)，維持發(fā)電系統(tǒng)能量平衡，恒定直流母排14的電壓；動力電池雙向dc/dc變流器7，根據(jù)動力電池5的soc值，工作在充電狀態(tài)或者待機狀態(tài)；風能發(fā)電機ac/dc變流器9、潮流能發(fā)電機ac/dc變流器10、波浪能發(fā)電機ac/dc變流器11工作在最大功率跟蹤mppt方式，提高海洋能發(fā)電效率。

應用上述控制策略，海洋能發(fā)電系統(tǒng)中各變流器獨立工作，相互之間無需數(shù)據(jù)交換，從而簡化了控制系統(tǒng)的復雜程度，提高了控制的實時性。在不同的運行模式中，協(xié)調(diào)控制各變流器的運行狀態(tài)和工作方式，以使系統(tǒng)在不同模式下都能穩(wěn)定直流母排電壓，確保系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡，為平臺鉆井機負載提供高質(zhì)量電能。