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。