CN110350573B - 一种自愈型供电系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自愈型供电系统和控制方法，系统包括：光伏发电单元、光伏逆变器、第一储能变换器、电池储能单元、能量回馈单元、第二储能变换器、变频器、抽油机电机、集中协调控制器、外发集控装置、数据处理单元以及工作模式切换与保护单元；自愈型供电系统包括M1、M2、M3和M4四种工作模式；集中协调控制器用于按照M1‑M2‑M3‑M4的优先级顺序控制各器件进行工作，并且根据电池储能单元的剩余电量，以抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机进行调速控制，以实现降功率运行。本发明提供的自愈型供电系统和控制方法，可实现供电系统的自愈性工作，满足无人值守的要求，从而解决了偏远抽油机井的供电问题。

Description

一种自愈型供电系统和控制方法

技术领域

本发明涉及离网供电系统技术领域，具体涉及一种自愈型供电系统和控制方法。

背景技术

针对油井生产中的偏远油井，存在着输电供电难、经济效益低的问题，而太阳辐射又非常丰富，因此非常适合构建离网型供电系统。

离网供电系统是独立电源系统，不需要电网参与供电。可以通过风光储柴等多种能源配合实现。离网供电系统可省去大量的配电网建设投资，特别是在偏远地区基础设施不足的地区应用。通过自给自足的供电方式，实现生产成本的逐渐下降，是目前受到关注度比较大的模式。

然而目前没有一种离网供电系统，能够实现系统的自愈性工作，满足无人值守的要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种自愈型供电系统和控制方法，可实现供电系统的自愈性工作，满足无人值守的要求，从而解决了偏远抽油机井的供电问题。

本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种自愈型供电系统，包括：光伏发电单元、光伏逆变器、第一储能变换器、电池储能单元、能量回馈单元、第二储能变换器、变频器、抽油机电机、集中协调控制器、外发集控装置、数据处理单元以及工作模式切换与保护单元；

其中，所述光伏发电单元通过所述光伏逆变器与所述变频器的第一输入端连接，所述变频器的输出端与所述抽油机电机连接；所述光伏发电单元通过所述光伏逆变器以及所述变频器为所述抽油机电机供电；

所述光伏发电单元还通过所述第一储能变换器与所述电池储能单元的第一端连接，用于为所述电池储能单元充电；所述电池储能单元的第二端通过所述第二储能变换器与所述变频器的第二输入端连接，用于为所述抽油机电机供电；

所述抽油机电机通过能量回馈单元与所述电池储能单元连接，用于为所述电池储能单元进行充电；

所述集中协调控制器分别与所述光伏逆变器、第一储能变换器、第二储能变换器、变频器以及能量回馈单元连接，用于根据预设控制逻辑控制各器件的工作状态；

所述工作模式切换与保护单元根据所述集中协调控制器的控制逻辑实现各器件开关的切换；

所述数据处理单元与所述集中协调控制器以及所述工作模式切换与保护单元分别连接，用于将相关数据处理后由所述外发集控装置向远程服务器发出；

其中，所述自愈型供电系统包括M1、M2、M3和M4四种工作模式，M1为所述光伏发电单元对所述抽油机电机供电的模式；M2为所述光伏发电单元向所述电池储能单元充电的模式；M3为所述电池储能单元对所述抽油机电机供电的模式；M4为所述抽油机电机工作在回馈模式，向所述电池储能单元充电的模式；

所述集中协调控制器用于按照M1-M2-M3-M4的优先级顺序控制各器件进行工作，并且根据所述电池储能单元的剩余电量，以所述抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机进行调速控制，以实现降功率运行。

进一步地，所述集中协调控制器具体用于根据当前光照条件以及所述电池储能单元的荷电状态SOC按照如下控制逻辑控制所述自愈型供电系统进行工作：

在光照满足光伏发电条件以及系统自检无故障的情况下，控制系统运行在M1模式；当所述电池储能单元的SOC<阈值1时，控制系统运行在M2模式；在光照不满足光伏发电条件的情况下，若所述电池储能单元的SOC>阈值2，则控制系统运行在M3模式，且控制所述抽油机电机按照恒转矩电流调速运行；按照负荷曲线，当所述电池储能单元的SOC<阈值3时，通过所述能量回馈单元向所述电池储能单元充电，控制系统运行在M4模式；当所述电池储能单元的SOC>阈值4时，多余能量由所述变频器的直流制动电阻消耗；在光照满足光伏发电条件后，系统自动恢复正常，完成自愈型供电，所述系统自动恢复正常是指，系统重新从M1模式开始运行。

进一步地，所述阈值1的取值为0.1，所述阈值2的取值为0.3，所述阈值3的取值为0.85，所述阈值4的取值为1。

进一步地，所述抽油机电机采用永磁电机实现。

进一步地，所述抽油机电机采用变频调速控制，低速下按照恒转矩电流控制模式运行，其电压控制方程和转矩方程如下：

式中，i_d、i_q是d、q轴电流；L_d、L_q是直轴、交轴电感；u_d、u_q是d、q轴电压；ω是角速度；P是极对数；ψ_f是转子磁链；T_m是电磁转矩。

进一步地，所述电池储能单元为液流电池储能单元。

进一步地，所述光伏发电单元的容量S_pv和所述抽油机电机所需容量S_m的关系满足：S_pv＞S_m。

第二方面，本发明还提供了一种基于如上面第一方面所述的自愈型供电系统的控制方法，该方法包括：

S1、在光照满足光伏发电条件以及系统自检无故障的情况下，控制系统运行在M1模式；

S2、在光照满足光伏发电条件的情况下，当所述电池储能单元的SOC<阈值1时，控制系统运行在M2模式；

S3、在光照不满足光伏发电条件的情况下，若所述电池储能单元的SOC>阈值2，则控制系统运行在M3模式，且根据所述电池储能单元的剩余电量，以所述抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机进行调速控制，以实现降功率运行；

S4、在光照不满足光伏发电条件的情况下，按照负荷曲线，当所述电池储能单元的SOC<阈值3时，通过所述能量回馈单元向所述电池储能单元充电，控制系统运行在M4模式；

S5、在光照满足光伏发电条件后，系统自动恢复正常，所述系统自动恢复正常是指，系统重新从M1模式开始运行。

其中，当所述电池储能单元的SOC>阈值4时，多余能量由所述变频器的直流制动电阻消耗。

进一步地，所述抽油机电机采用永磁电机实现。

进一步地，所述抽油机电机采用变频调速控制，低速下按照恒转矩电流控制模式运行，其电压控制方程和转矩方程如下：

式中，i_d、i_q是d、q轴电流；L_d、L_q是直轴、交轴电感；u_d、u_q是d、q轴电压；ω是角速度；P是极对数；ψ_f是转子磁链；T_m是电磁转矩。

由上述技术方案可知，本发明提供的自愈型供电系统，包含光伏发电单元、光伏逆变器、第一储能变换器、电池储能单元、能量回馈单元、第二储能变换器、变频器、抽油机电机、集中协调控制器、外发集控装置、数据处理单元以及工作模式切换与保护单元，其中，基于上述各器件的连接关系，本发明提供的自愈型供电系统共存在M1、M2、M3和M4四种工作模式，该自愈型供电系统用于按照预设控制逻辑控制系统以M1-M2-M3-M4的优先级顺序进行工作，并且根据所述电池储能单元的剩余电量，以所述抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机电机进行调速控制，以完成整个系统的自愈供电工作。可见，本发明提供的自愈型供电系统可实现供电系统的自愈性工作，满足无人值守的要求，适用于配电网未延伸到的抽油机供电场合，从而解决了偏远抽油机井的供电问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的自愈型供电系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的自愈型供电系统法的控制逻辑图；

图3是永磁电机调速控制框图；

图4是本发明另一实施例提供的自愈型供电系统的控制方法流程图；

上面图1中各附图标记的含义说明如下：

1表示光伏发电单元；2表示光伏逆变器；3表示第一储能变换器；4表示电池储能单元；5表示能量回馈单元；6表示第二储能变换器；7表示变频器；8表示抽油机电机；9表示集中协调控制器；10表示外发集控装置；11表示数据处理单元；12表示工作模式切换与保护单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例提供了一种自愈型供电系统，参见图1，该系统包括：光伏发电单元1、光伏逆变器2、第一储能变换器3、电池储能单元4、能量回馈单元5、第二储能变换器6、变频器7、抽油机电机8、集中协调控制器9、外发集控装置10、数据处理单元11以及工作模式切换与保护单元12；

其中，所述光伏发电单元1通过所述光伏逆变器2与所述变频器7的第一输入端连接，所述变频器7的输出端与所述抽油机电机8连接；所述光伏发电单元1通过所述光伏逆变器2以及所述变频器7为所述抽油机电机8供电；

所述光伏发电单元1还通过所述第一储能变换器3与所述电池储能单元4的第一端连接，用于为所述电池储能单元4充电；所述电池储能单元4的第二端通过所述第二储能变换器6与所述变频器7的第二输入端连接，用于为所述抽油机电机8供电；可见，所述电池储能单元4独立设置了两个储能变换器，一个负责充电模式；一个负责放电模式；

所述抽油机电机8通过能量回馈单元5与所述电池储能单元4连接，用于为所述电池储能单元4进行充电；

所述集中协调控制器9分别与所述光伏逆变器2、第一储能变换器3、第二储能变换器6、变频器7以及能量回馈单元5连接，用于根据预设控制逻辑控制各器件的工作状态；

所述工作模式切换与保护单元12根据所述集中协调控制器9的控制逻辑实现各器件开关的切换；

所述数据处理单元11与所述集中协调控制器9以及所述工作模式切换与保护单元12分别连接，用于将相关数据处理后由所述外发集控装置10向远程服务器发出；此外，在图1中，光纤双向表示数据流的双向传输，光纤单相表示数据流的单向传输。

其中，所述自愈型供电系统包括M1、M2、M3和M4四种工作模式，M1为所述光伏发电单元1对所述抽油机电机8供电的模式；M2为所述光伏发电单元1向所述电池储能单元4充电的模式；M3为所述电池储能单元4对所述抽油机电机8供电的模式；M4为所述抽油机电机8工作在回馈模式，向所述电池储能单元4充电的模式；

所述集中协调控制器9用于按照M1-M2-M3-M4的优先级顺序控制各器件进行工作，并且根据所述电池储能单元的剩余电量，以所述抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机进行调速控制，以实现降功率运行。

由上述技术方案可知，本实施例提供的自愈型供电系统，包含光伏发电单元、光伏逆变器、第一储能变换器、电池储能单元、能量回馈单元、第二储能变换器、变频器、抽油机电机、集中协调控制器、外发集控装置、数据处理单元以及工作模式切换与保护单元，其中，基于上述各器件的连接关系，本实施例提供的自愈型供电系统共存在M1、M2、M3和M4四种工作模式，该自愈型供电系统用于按照预设控制逻辑控制系统以M1-M2-M3-M4的优先级顺序进行工作，并且根据所述电池储能单元的剩余电量，以所述抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机电机进行调速控制，以完成整个系统的自愈供电工作。可见，本实施例提供的自愈型供电系统可实现供电系统的自愈性工作，满足无人值守的要求，适用于配电网未延伸到的抽油机供电场合，从而解决了偏远抽油机井的供电问题。

在一种优选实施方式中，所述集中协调控制器具体用于根据当前光照条件以及所述电池储能单元的荷电状态SOC按照如下控制逻辑控制所述自愈型供电系统进行工作：

在光照满足光伏发电条件以及系统自检无故障的情况下，控制系统运行在M1模式；当所述电池储能单元的SOC<阈值1时，控制系统运行在M2模式；在光照不满足光伏发电条件的情况下，若所述电池储能单元的SOC>阈值2，则控制系统运行在M3模式，且控制所述抽油机电机按照恒转矩电流调速运行；按照负荷曲线，当所述电池储能单元的SOC<阈值3时，通过所述能量回馈单元向所述电池储能单元充电，控制系统运行在M4模式；当所述电池储能单元的SOC>阈值4时，多余能量由所述变频器的直流制动电阻消耗；在光照满足光伏发电条件后，系统自动恢复正常，完成自愈型供电，所述系统自动恢复正常是指，系统重新从M1模式开始运行，即由光伏发电单元为抽油机电机供电。

可以理解的是，电池储能单元的荷电状态SOC的取值范围为0～1。

在一种优选实施方式中，所述阈值1的取值为0.1，所述阈值2的取值为0.3，所述阈值3的取值为0.85，所述阈值4的取值为1。

具体地，可参见图2所示的控制逻辑图。①：日照充足，满足光伏发电条件，系统自检无故障下，光伏和储能系统运行；②：输入状态至模式切换状态机，系统运行在M1模式下，当储能单元SOC<阈值1，为储能单元供电，运行至M2模式；③负荷在光伏发电单元供电下，运行在M1模式；当光照条件不满足情况下，当储能单元SOC>阈值2，由储能单元按照恒转矩电流控制调速运行，运行在M3模式；④按照负荷曲线，当储能单元SOC<阈值3时，通过能量回馈单元向储能单元充电，运行在M4模式；当储能单元SOC>阈值4，多余能量则由变频器的直流制动电阻消耗；⑤状态反馈至模式切换状态机，实现M1-M2-M3-M4模式切换逻辑；⑥恢复至初始化状态，完成自愈型供电。

可以理解的是，由于永磁电机具有启动转矩大、效率高、功率因数高等优点，故在一种优选实施方式中，所述抽油机电机采用永磁电机实现。此外，采用永磁电机还考虑到其非常适合实现变频调速，故其节能效果也较为明显。

图3是永磁电机调速控制框图。图3中示出了转速调节器、电流调节器和PWM调制方式等主要部分。参见图3，在一种优选实施方式中，抽油机用永磁电机采用变频调速控制，低速下按照恒转矩电流控制模式运行，其电压控制方程和转矩方程如下：

式中，i_d、i_q是d、q轴电流；L_d、L_q是直轴、交轴电感；u_d、u_q是d、q轴电压；ω是角速度；P是极对数；ψ_f是转子磁链；T_m是电磁转矩，ψ_q是定子相电阻，ψ_d是定子磁链d轴分量，ψ_q是定子磁链q轴分量。

可以理解的是，与其它储能电池相比，液流电池具有能量效率高、在运行过程中充放电状态切换迅速的优势，因此，在一种优选实施方式中，所述电池储能单元采用液流电池储能单元实现。可以理解的是，采用液流电池储能单元可实现电池系统荷电状态的准确监控，从而有利于电网进行管理、调度。此外，液流电池储能单元也比较适用于大规模储能电站建设，以及大规模光伏、风电储能等场合。

在一种优选实施方式中，所述光伏发电单元的容量S_pv和所述抽油机电机所需容量S_m的关系满足：S_pv＞S_m。可以理解的是，在光照充足时，所述光伏发电单元除了提供抽油机井所需能量外，还要将多余能量对电池储能单元进行储能。可以理解的是，当光伏发电单元停止工作后，由电池储能单元对抽油机电机供电，同时根据电池储能单元的剩余电量进行变频降功率运行，以保证井机不停机。本实施例中，S_pv优选取100kW，S_m优选取37kW，电池储能单元取100AH。

由以上内容可以看出，本实施例提供的自愈型供电系统可以解决离网型抽油机井的供电难问题。本实施例实现了在配电网未延伸到的抽油机供电场合，构建离网供电系统。值得说明的是，本实施例中所述的电池储能单元可以为液流电池储能单元，还可以更换成其他类型的储能单元；本实施例中所述抽油机电机可以为永磁电机，还可以更换为其他类型的电机，但是电机调速控制框图要做相应改动。

本发明另一实施例还提供了一种基于如上面实施例所述的自愈型供电系统的控制方法，参见图4，该方法包括如下步骤：

步骤101：在光照满足光伏发电条件以及系统自检无故障的情况下，控制系统运行在M1模式。

步骤102：在光照满足光伏发电条件的情况下，当所述电池储能单元的SOC<阈值1时，控制系统运行在M2模式。

步骤103：在光照不满足光伏发电条件的情况下，若所述电池储能单元的SOC>阈值2，则控制系统运行在M3模式，且根据所述电池储能单元的剩余电量，以所述抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机进行调速控制，以实现降功率运行。

步骤104：在光照不满足光伏发电条件的情况下，按照负荷曲线，当所述电池储能单元的SOC<阈值3时，通过所述能量回馈单元向所述电池储能单元充电，控制系统运行在M4模式。

步骤105：在光照满足光伏发电条件后，系统自动恢复正常，所述系统自动恢复正常是指，系统重新从M1模式开始运行。

其中，当所述电池储能单元的SOC>阈值4时，多余能量由所述变频器的直流制动电阻消耗。

在一种优选实施方式中，所述抽油机电机采用永磁电机实现。

图3是永磁电机调速控制框图。参见图3，在一种优选实施方式中，所述永磁电机采用变频调速控制，低速下按照恒转矩电流控制模式运行，其电压控制方程和转矩方程如下：

式中，i_d、i_q是d、q轴电流；L_d、L_q是直轴、交轴电感；u_d、u_q是d、q轴电压；ω是角速度；P是极对数；ψ_f是转子磁链；T_m是电磁转矩。

本实施例提供的控制方法基于上述实施例所述的自愈型供电系统，其原理和技术效果类似，此处不再详述。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种自愈型供电系统，其特征在于，包括：光伏发电单元、光伏逆变器、第一储能变换器、电池储能单元、能量回馈单元、第二储能变换器、变频器、抽油机电机、集中协调控制器、外发集控装置、数据处理单元以及工作模式切换与保护单元；

其中，所述光伏发电单元通过所述光伏逆变器与所述变频器的第一输入端连接，所述变频器的输出端与所述抽油机电机连接；所述光伏发电单元通过所述光伏逆变器以及所述变频器为所述抽油机电机供电；

所述光伏发电单元还通过所述第一储能变换器与所述电池储能单元的第一端连接，用于为所述电池储能单元充电；所述电池储能单元的第二端通过所述第二储能变换器与所述变频器的第二输入端连接，用于为所述抽油机电机供电；

所述抽油机电机通过能量回馈单元与所述电池储能单元连接，用于为所述电池储能单元进行充电；

所述集中协调控制器分别与所述光伏逆变器、第一储能变换器、第二储能变换器、变频器以及能量回馈单元连接，用于根据预设控制逻辑控制各器件的工作状态；

所述工作模式切换与保护单元根据所述集中协调控制器的控制逻辑实现各器件开关的切换；

所述数据处理单元与所述集中协调控制器以及所述工作模式切换与保护单元分别连接，用于将相关数据处理后由所述外发集控装置向远程服务器发出；

其中，所述自愈型供电系统包括M1、M2、M3和M4四种工作模式，M1为所述光伏发电单元对所述抽油机电机供电的模式；M2为所述光伏发电单元向所述电池储能单元充电的模式；M3为所述电池储能单元对所述抽油机电机供电的模式；M4为所述抽油机电机工作在回馈模式，向所述电池储能单元充电的模式；

所述集中协调控制器用于按照M1-M2-M3-M4的优先级顺序控制各器件进行工作，并且根据所述电池储能单元的剩余电量，以所述抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机进行调速控制，以实现降功率运行；

其中，所述集中协调控制器具体用于根据当前光照条件以及所述电池储能单元的荷电状态SOC按照如下控制逻辑控制所述自愈型供电系统进行工作：

在光照满足光伏发电条件以及系统自检无故障的情况下，控制系统运行在M1模式；

在光照满足光伏发电条件的情况下，当所述电池储能单元的SOC<阈值1时，控制系统运行在M2模式；

在光照不满足光伏发电条件的情况下，若所述电池储能单元的SOC>阈值2，则控制系统运行在M3模式，且根据所述电池储能单元的剩余电量，以所述抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机进行调速控制，以实现降功率运行；

在光照不满足光伏发电条件的情况下，按照负荷曲线，当所述电池储能单元的SOC<阈值3时，通过所述能量回馈单元向所述电池储能单元充电，控制系统运行在M4模式；

在光照满足光伏发电条件后，系统自动恢复正常，所述系统自动恢复正常是指，系统重新从M1模式开始运行；

其中，所述阈值1的取值为0.1，所述阈值2的取值为0.3，所述阈值3的取值为0.85，所述阈值4的取值为1。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述抽油机电机采用永磁电机实现。

3.据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述抽油机电机采用变频调速控制，低速下按照恒转矩电流控制模式运行，其电压控制方程和转矩方程如下：

式中，i_d、i_q是d、q轴电流；L_d、L_q是直轴、交轴电感；u_d、u_q是d、q轴电压；ω是角速度；P是极对数；ψ_f是转子磁链；T_m是电磁转矩，ψ_q是定子相电阻，ψ_d是定子磁链d轴分量，ψ_q是定子磁链q轴分量。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池储能单元为液流电池储能单元。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光伏发电单元的容量S_pv和所述抽油机电机所需容量S_m的关系满足：S_pv＞S_m。

6.一种基于权利要求1～5任一项所述的自愈型供电系统的控制方法，其特征在于，包括：

S1、在光照满足光伏发电条件以及系统自检无故障的情况下，控制系统运行在M1模式；

S2、在光照满足光伏发电条件的情况下，当所述电池储能单元的SOC<阈值1时，控制系统运行在M2模式；

S3、在光照不满足光伏发电条件的情况下，若所述电池储能单元的SOC>阈值2，则控制系统运行在M3模式，且根据所述电池储能单元的剩余电量，以所述抽油机电机不停机为控制目标，对抽油机进行调速控制，以实现降功率运行；

S4、在光照不满足光伏发电条件的情况下，按照负荷曲线，当所述电池储能单元的SOC<阈值3时，通过所述能量回馈单元向所述电池储能单元充电，控制系统运行在M4模式；

S5、在光照满足光伏发电条件后，系统自动恢复正常，所述系统自动恢复正常是指，系统重新从M1模式开始运行；

其中，当所述电池储能单元的SOC>阈值4时，多余能量由所述变频器的直流制动电阻消耗；

其中，所述阈值1的取值为0.1，所述阈值2的取值为0.3，所述阈值3的取值为0.85，所述阈值4的取值为1。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述抽油机电机采用永磁电机实现。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述抽油机电机采用变频调速控制，低速下按照恒转矩电流控制模式运行，其电压控制方程和转矩方程如下：

式中，i_d、i_q是d、q轴电流；L_d、L_q是直轴、交轴电感；u_d、u_q是d、q轴电压；ω是角速度；P是极对数；ψ_f是转子磁链；T_m是电磁转矩，ψ_q是定子相电阻，ψ_d是定子磁链d轴分量，ψ_q是定子磁链q轴分量。

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