專利名稱：一種電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油田作業(yè)設(shè)備，特別涉及一種電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
修井機是對油田井下管柱或井身進行維修的專業(yè)化機械設(shè)備，主要用于油管、抽油桿和抽油泵的提升與下放等作業(yè)。目前，柴油機是修井機作業(yè)的主要動力來源。柴油修井機因以下缺點越來越不令人滿意(I)隨著柴油價格的不斷攀升，使得修井作業(yè)的成本大幅度提高；(2)柴油燃燒會產(chǎn)生大量的有害氣體，造成環(huán)境污染，這既不符合國家節(jié)能減排的 產(chǎn)業(yè)政策，也不符合環(huán)境保護的要求；(3)柴油修井機僅將柴油燃燒所產(chǎn)生熱能的30%轉(zhuǎn)化為機械能，導(dǎo)致柴油修井機耗能聞;(4)通常柴油修井機的機械傳動路徑長，傳動效率僅為0. 6左右，造成修井機工作效率比較低。因此，需要廉價清潔能源取代柴油作為修井機的主要動力源。目前，能替代柴油修井機且最具有發(fā)展?jié)摿Φ氖请妱有蘧畽C，它的核心動力源來自于清潔的電網(wǎng)。與柴油修井機相比，電動修井機的優(yōu)點是(I)電網(wǎng)能源價格相對較低；(2)電動修井機在電能轉(zhuǎn)換的過程中，耗散能量均以熱量的形式散發(fā)到空氣中，不會對環(huán)境造成污染；(3)電動修井機中的電力電子裝備的能量利用率均非常高，均能到達90%以上，所以在能量傳遞過程中耗能少； (4)電動修井機的傳動效率提高到80 %。但是，由于井場配電系統(tǒng)容量是根據(jù)油田抽油機所需能量進行配置的，一般容量為30KW 150KW，不能滿足修井機進行油管、抽油桿和抽油泵的提升與下放作業(yè)時所需功率；如果另配置大容量井場變壓器以滿足修井使用要求，一方面，將會加大設(shè)備管理難度和投資成本；另一方面，因修井作業(yè)是臨時性的工作，配置大容量井場變壓器，在抽油機的正常運行中將會出現(xiàn)“大馬拉小車”而造成變壓器損耗過大的局面。因此，需要一種能源裝置作為輔助電源，輔助井場變壓器進行作業(yè)，為修井作業(yè)的正常運行提供能量來源。專利電動修井機作業(yè)車(專利號ZL01250405. X)給出了一種電動修井機方案，電源取自井場變壓器。該專利雖然解決了上述電動修井機問題，但是，如果井場電源容量小或者停電，電動修井機不能正常工作。專利電動修井機電力系統(tǒng)(專利號200920107125. 9)給出了一種電動儲能修井機方案，在變頻器的直流母線上直接并入儲電池。該專利雖然解決了上述電動儲能修井機問題，但是還存在很多問題(I)諧波問題。變頻器的二極管整流模塊采用的是不可控整流，在變頻器工作的過程中，對電網(wǎng)造成嚴重的諧波污染，總諧波畸變率達到24. 25%。(2)負載功率最優(yōu)協(xié)調(diào)分配問題。儲能電池直接掛接到變頻器的直流母線上，相當于兩個不可控電壓源并聯(lián)，共同為電動機變頻調(diào)速運行供電。根據(jù)電路原理，兩個不可控電壓源并聯(lián)運行會使負載功率分配不合理。當負載較大時將會導(dǎo)致某一個電壓源過載而另一電壓源欠載運行，降低整個電控系統(tǒng)的可靠性。如果井場變壓器過載，井場變壓器供電不安全；如果儲能電池不過載，就需要設(shè)計容量大的儲能電池組。因此，負載功率變化應(yīng)由控制器實現(xiàn)儲能電池和井場電源最優(yōu)協(xié)調(diào)分配。(3)能量回饋問題。儲能電池被直接掛接到變頻器的直流母線上，當修井機回放重 物工作時，將產(chǎn)生很大的回饋電能。如果直接存儲到儲能電池中，需要增加儲能電池的容量而投資過大?，F(xiàn)有技術(shù)將其用于電阻制動消耗，造成電能浪費。(4)避免回饋能量對儲能電池的沖擊問題。由于修井機需要頻繁的提升、下放重物，對直流母線造成沖擊，經(jīng)超級電容的緩沖以及單向DC/DC變換器的穩(wěn)壓作用，避免其對儲能電池造成沖擊，延長了儲能電池的循環(huán)使用壽命。(5)避免電動機啟動電流沖擊問題。由于修井機需要頻繁的啟動、停止，電動機在啟動時需要很大的啟動電流，將對交流母線造成很大的電流沖擊。本發(fā)明將超級電容掛接到變頻器的直流母線上，利用超級電容快速充放電的特性，給變頻器提供一定的緩沖電流，減小了電動機啟動對交流母線造成的沖擊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供一種電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)電動修井機電控系統(tǒng)存在的技術(shù)問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供了一種電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)包括儲能電池、雙向DC/DC變換器、PWM并網(wǎng)變流器、超級電容、單向DC/DC變換器、變頻器、第一測量單元、第二測量單元、控制器、修井機其它負載，其中儲能電池，連接到第一直流母線上，進行能量的存儲和釋放；雙向DC/DC變換器，其一端與所述第一直流母線相連，另一端與PWM并網(wǎng)變流器連接，用于進行雙向穩(wěn)壓控制；PWM并網(wǎng)變流器，其一端與雙向DC/DC變換器連接，另一端與交流母線相連連，用于進行直流電和交流電的相互轉(zhuǎn)換；其中所述交流母線通過井場變壓器連接到IOKV電網(wǎng)母線上；變頻器，其一端與所述交流母線相連接，另一端與電動機相連，用于驅(qū)動該電動機運行，所述變頻器包括整流器和逆變器，所述整流器和逆變器之間的直流母線與第二直流母線相連；單向DC/DC變換器，連接于所述第一直流母線與所述第二直流母線之間，用于將所述第二直流母線上多余的回饋能量饋送到所述第一直流母線上，給儲能電池充電；超級電容，與所述第二直流母線相連接，用于緩沖電動機回饋到第二直流母線上的電能；修井機其它負載，連接到所述交流母線上，用于作為修井作業(yè)的輔助負載；
第一測量單元，其一端與所述第一直流母線相連接，另一端與控制器相連接，用于將測量的第一直流母線上的參數(shù)信號送入控制器，通過采樣檢測對儲能電池進行充電控制、放電控制以及保護控制；第二測量單元，其一端與第二直流母線相連接，另一端與控制器相連接，用于將測量的第二直流母線上的參數(shù)信號送入控制器，通過采樣檢測對第二直流母線上的能量進行分配，并對變頻器進行保護控制；控制器，用于分別與雙向DC/DC變換器、PWM并網(wǎng)變流器、單向DC/DC變換器、第一測量單元、第二測量單元、變頻器相連接，對各個部分參數(shù)信號進行采樣檢測，并發(fā)出指令信息控制各個部分的運行。優(yōu)選的，在本發(fā)明實施例中，所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，還包括制動單元、制動電阻，其中制動電阻，通過制動單元連接于第二直流母線上；所述控制器，還用于連接制動單元，當?shù)诙绷髂妇€過壓時，將制動電阻接入第二直流母線，通過制動電阻消耗多余能量。 優(yōu)選的，在本發(fā)明一實施例中，所述電動修井機處于輕載電動狀態(tài)，當控制器判斷變頻器輸出的負載電流小于或等于井場變壓器的最大輸出電流，即負載電流小于或等于參考電流時，所述電動修井機負載電動機只由井場變壓器供電；當控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC未達到1.0時，將停止儲能電池經(jīng)雙向DC/DC變換器和PWM并網(wǎng)變流器向所述電動修井機負載電動機供電，通過PWM并網(wǎng)變流器和雙向DC/DC變換器向儲能電池充電；或，當控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到I. 0時，將停止經(jīng)PWM并網(wǎng)變流器和雙向DC/DC變換器向儲能電池充電。優(yōu)選的，在本發(fā)明一實施例中，所述電動修井機處于重載電動狀態(tài)，當控制器判斷負載電流大于參考電流時，井場變壓器將按照恒功率模式運行，此時井場變壓器輸出功率為其最大功率當控制器判斷儲能電池電量充足時，將井場變壓器與PWM并網(wǎng)變流器和雙向DC/DC變換器并聯(lián)運行為與變頻器相連的所述電動修井機負載電動機提供電能，負載功率與井場變壓器最大功率之間差值部分由儲能電池提供；或，當控制器判斷儲能電池電量不足以提供負載功率與井場變壓器最大功率之間差值部分時，將停止所述電動修井機作業(yè)，井場變壓器經(jīng)PWM并網(wǎng)變流器和雙向DC/DC變換器為儲能電池進行充電。優(yōu)選的，在本發(fā)明一實施例中，當控制器判斷所述電動修井機處于倒發(fā)電狀態(tài)時，通過第二直流母線對超級電容充電；如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC未達到I. 0，將超級電容通過第二直流母線經(jīng)單向DC/DC變換器給儲能電池充電；或，如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到I. 0，將儲能電池經(jīng)雙向DC/DC變換器和PWM并網(wǎng)變流器將倒發(fā)電能量回饋電網(wǎng)；或，如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到1.0且雙向DC/DC變換器或PWM并網(wǎng)變流器處于故障狀態(tài)時，則應(yīng)激活制動單元將制動電阻進入耗能模式。優(yōu)選的，在本發(fā)明實施例中，當控制器判斷井場變壓器的電源系統(tǒng)沒電時，所述電動修井機處于孤島狀態(tài)，將通過儲能電池經(jīng)雙向DC/DC變換器和PWM并網(wǎng)變流器單獨為所述電動修井機其它負載供電；或，當控制器判斷修井機電機處于倒發(fā)電狀態(tài)時，通過第二直流母線對超級電容充電如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC未達到I. 0，將超級電容通過第二直流母線經(jīng)單向DC/DC變換器給儲能電池充電；或，如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到I. 0，將儲能電池經(jīng)雙向DC/DC變換器和PWM并網(wǎng)變流器將倒發(fā)電能量回饋電網(wǎng)；或，如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到1.0且雙向DC/DC變換器或PWM并網(wǎng)變流器處于故障狀態(tài)時，則應(yīng)激活制動單元將制動電阻進入耗能模式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例上述技術(shù)方案具有如下有益效果(1)解決了諧波問題。PWM并網(wǎng)變換器的應(yīng)用，既減少了諧波對電網(wǎng)的污染，又實現(xiàn)了電網(wǎng)的單位功率因數(shù)。(2)解決了負載功率最優(yōu)協(xié)調(diào)分配問題?？刂破鞯目刂埔?guī)律能實現(xiàn)儲能電池和井場電源對負載功率變化的最優(yōu)協(xié)調(diào)分配。既不會使井場變壓器過載，也不會使儲能電池過載而又設(shè)計容量合適的儲能電池組，從而保證供電安全運行。(3)電動修井機倒發(fā)電能量可以回饋至電網(wǎng)。當修井機回放重物工作時，將產(chǎn)生很大的回饋電能。如果儲電池充電充滿時，將其回饋電網(wǎng)，避免將其用于電阻制動消耗，造成電能浪費。(4)避免回饋能量對儲能電池的沖擊。由于修井機需要頻繁的提升、下放重物，對直流母線造成沖擊，經(jīng)超級電容的緩沖以及單向DC/DC變換器的穩(wěn)壓作用，避免其對儲能電池造成沖擊，延長了儲能電池的循環(huán)使用壽命。(5)避免電動機啟動電流沖擊問題。由于修井機需要頻繁的啟動、停止，電動機在啟動時需要很大的啟動電流，將對交流母線造成很大的電流沖擊。本發(fā)明將超級電容掛接 到變頻器的直流母線上，利用超級電容快速充放電的特性，給變頻器提供一定的緩沖電流，減小了電動機啟動對交流母線造成的沖擊。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明實施例一種電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)的控制方法的流程圖；圖3為本發(fā)明實施例380V交流母線上的能量分配的控制流程圖；圖4為本發(fā)明實施例回饋能量分配的控制流程圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。為了克服電動修井機現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明實施例提出使用儲能電池儲能經(jīng)雙向DC/DC變換器和PWM變流器交流并網(wǎng)與井場變壓器的電網(wǎng)電能共同為修井機供電的擴展井場變壓器容量方案，并給出雙電源交流母線電動修井機電控系統(tǒng)及其控制方法。為了充分利用井場變壓器的電網(wǎng)電能，延長儲能電池的使用壽命，本發(fā)明實施例的電動修井機交流母線電控系統(tǒng)通過檢測井場變壓器的輸出電流、變頻逆變器輸出側(cè)負載電流，然后根據(jù)參考電流(井場變壓器的最大輸出電流被稱為參考電流)與負載電流的比較，來選擇雙電源工作模式。如圖I所示，為本發(fā)明實施例一種電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)包括儲能電池2、雙向DC/DC變換器3、PWM并網(wǎng)變流器4、超級電容5、單向DC/DC變換器6、變頻器7、測量單元11、測量單元12、控制器13、修井機其它負載14，其中儲能電池2，連接到直流母線I上，進行電能的存儲和釋放；雙向DC/DC變換器3，其一端與所述直流母線I相連，另一端與PWM并網(wǎng)變流器4連接，用于進行穩(wěn)壓；PWM并網(wǎng)變流器4，其一端與雙向DC/DC變換器3連接，另一端與交流母線相連連，用于進行直流電和交流電的相互轉(zhuǎn)換；其中所述交流母線可以為380V交流母線，其通過井場變壓器I連接到三相交流電源的交流電網(wǎng)母線上，比如IOKV交流電網(wǎng)母線；
變頻器7，其一端與380V交流母線相連接，另一端與電動機M8相連，用于驅(qū)動該電動機M8運行，所述變頻器7包括整流器和逆變器，所述整流器和逆變器之間的直流母線與直流母線2相連；單向DC/DC變換器6，連接于所述直流母線I與所述直流母線2之間，用于將所述直流母線2上多余的回饋能量饋送到所述直流母線I上，給儲能電池2充電；超級電容5，與所述直流母線2相連接，用于緩沖電動機8回饋到直流母線2上的電能；修井機其它負載14，連接到380V交流母線上，用于作為負載；其可以包括液壓電動機、氣壓電動機和照明燈等負載；
測量單元11，其一端與所述直流母線I相連接，另一端與控制器13相連接，用于將測量的直流母線I上的電流、電壓等參數(shù)信號送入控制器13，通過采樣檢測對儲能電池2進行充電控制、放電控制以及保護控制；測量單元12，其一端與直流母線2相連接，另一端與控制器13相連接，用于將測量的直流母線2上的參數(shù)信號送入控制器13，通過采樣檢測對直流母線2上的能量進行分配，并對變頻器7進行保護控制；控制器13，用于分別與雙向DC/DC變換器3、PWM并網(wǎng)變流器4、單向DC/DC變換器
6、測量單元11、測量單元12、變頻器7相連接，對各個部分電流、電壓等參數(shù)信號進行采樣檢測，并發(fā)出指令信息控制各個部分的運行。優(yōu)選的，所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，還可以包括制動單元9、制動電阻10，其中制動電阻10，通過制動單元9連接于直流母線2上；所述控制器13，還用于連接制動單元9，當直流母線2過壓時，將制動電阻10接入直流母線2，通過制動電阻10消耗
多余能量。上述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)的運行模式及控制方法如下(I)所述電動修井機處于輕載電動狀態(tài)，當控制器13判斷變頻器7輸出的負載電流小于或等于井場變壓器I的最大輸出電流，即負載電流小于或等于參考電流時，所述電動修井機負載電動機8只由井場變壓器I供電I)當控制器13判斷儲能電池2荷電狀態(tài)SOC未達到1.0時，將停止儲能電池2經(jīng)雙向DC/DC變換器3和PWM并網(wǎng)變流器4向所述電動修井機負載電動機8供電，通過PWM并網(wǎng)變流器4和雙向DC/DC變換器3向儲能電池2充電，這樣可延長修井機修井作業(yè)時間，提高工作效率；或，
2)當控制器13判斷儲能電池2荷電狀態(tài)SOC達到1.0時，將停止經(jīng)PWM并網(wǎng)變流器4和雙向DC/DC變換器3向儲能電池2充電。(2)所述電動修井機處于重載電動狀態(tài)，當控制器13判斷負載電流大于參考電流時，將井場變壓器I按照恒功率模式運行，此時井場變壓器I輸出功率為其最大功率I)當控制器13判斷儲能電池2電量充足時，將井場變壓器I與PWM并網(wǎng)變流器4和雙向DC/DC變換器3并聯(lián)運行為與變頻器7相連的所述電動修井機負載電動機8提供電能，負載功率與井場變壓器I最大功率之間差值部分由儲能電池2自動提供；或，2)當控制器13判斷儲能電池2電量不足以提供負載功率與井場變壓器I最大功率之間差值部分時，將停止所述電動修井機作業(yè)，井場變壓器I經(jīng)PWM并網(wǎng)變流器4和雙向DC/DC變換器3為儲能電池2進行充電。(3)當控制器13判斷所述電動修井機處于倒發(fā)電狀態(tài)時，通過直流母線2對超級電容5充電I)如果控制器13判斷儲能電池2荷電狀態(tài)SOC未達到I. 0，將超級電容5通過直流母線2經(jīng)單向DC/DC變換器給儲能電池2充電；或，2)如果控制器13判斷儲能電池2荷電狀態(tài)SOC達到I. 0，將儲能電池2經(jīng)雙向DC/DC變換器3和PWM并網(wǎng)變流器4將倒發(fā)電能量回饋電網(wǎng)；或，3)如果控制器13判斷儲能電池2荷電狀態(tài)SOC達到I. 0且雙向DC/DC變換器3或PWM并網(wǎng)變流器4處于故障狀態(tài)時，則應(yīng)激活制動單元9將制動電阻10進入耗能模式。(4)當控制器13判斷井場變壓器I的電源系統(tǒng)沒電時，所述電動修井機處于孤島狀態(tài)I)將通過儲能電池2經(jīng)雙向DC/DC變換器3和PWM并網(wǎng)變流器4單獨為所述電動修井機其它負載供電；或，2)當控制器13判斷修井機電機處于倒發(fā)電狀態(tài)時，通過直流母線2對超級電容5充電如果控制器13判斷儲能電池2荷電狀態(tài)SOC未達到I. 0，將超級電容5通過直流母線2經(jīng)單向DC/DC變換器給儲能電池2充電；或，如果控制器13判斷儲能電池2荷電狀態(tài)SOC達到I. 0，將儲能電池2經(jīng)雙向DC/ DC變換器3和PWM并網(wǎng)變流器4將倒發(fā)電能量回饋電網(wǎng)；或，如果控制器13判斷儲能電池2荷電狀態(tài)SOC達到I. 0且雙向DC/DC變換器3或PWM并網(wǎng)變流器4處于故障狀態(tài)時，則應(yīng)激活制動單元9將制動電阻10進入耗能模式。如圖2所示，為本發(fā)明實施例電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)的控制方法的流程圖。在本發(fā)明實施例電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)中，當電網(wǎng)有電且井場變壓器I正常運行時，如果井場變壓器I容量不能滿足負載要求，而儲能電池2能量充足時，儲能電池2經(jīng)雙向DC/DC變換器3、PWM并網(wǎng)變流器4向380V交流母線輸出能量，與井場變壓器I進行并聯(lián)運行，為變頻器7提供能量；如果井場變壓器I容量不能滿足負載要求且儲能電池2能量不足時，將停止修井作業(yè)，由電網(wǎng)經(jīng)PWM并網(wǎng)變流器4和雙向DC/DC變換器3為儲能電池充電；如果井場變壓器I容量能滿足負載變頻器7所需能量，且儲能電池2能量不足時，380V交流母線向變頻器7提供能量的同時通過PWM并網(wǎng)變流器4、雙向DC/DC變換器3對儲能電池2進行充電；如果井場變壓器I容量能滿足負載變頻器7所需能量，且儲能電池2能量充足時，為充分利用電網(wǎng)能量，僅由380V交流母線向變頻器7提供能量。當井場電網(wǎng)斷電或井場變壓器I不能正常運行時，如果儲能電池2能量充足，儲能電池2經(jīng)雙向DC/DC變換器3、PWM并網(wǎng)變流器4向380V交流母線提供能量，單獨給變頻器7供電，從而避免了因電網(wǎng)斷電造成修井作業(yè)停止、甚至事故的發(fā)生，實現(xiàn)修井機的可靠穩(wěn)定運行；如果儲能電池2能量不足時，就停止修井作業(yè)。如圖3所示，為本發(fā)明實施例380V交流母線上的能量分配的控制流程圖。本發(fā)明實施例電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)采用以井場變壓器I所能提供的最大電流作為參考電流，與變頻器7 的逆變輸出電流作為負載電流進行比較。當負載電流小于等于參考電流時，如果儲能電池2能量充足，僅采用電網(wǎng)通過井場變壓器I對變頻器7進行供電；如果儲能電池2能量不足，電網(wǎng)通過井場變壓器I向變頻器7提供能量的同時，通過PWM并網(wǎng)變流器4、雙向DC/DC變換器3對儲能電池2進行充電。當負載電流大于參考電流時，如果儲能電池2能量充足時，采用儲能電池2經(jīng)雙向DC/DC變換器3、PWM并網(wǎng)變流器4向380V交流母線輸出能量，與井場變壓器I進行并聯(lián)運行，為變頻器7提供能量；如果儲能電池2能量不足時，將停止修井作業(yè)，由電網(wǎng)經(jīng)PWM并網(wǎng)變流器4和雙向DC/DC變換器3為儲能電池充電。這樣不僅充分地利用了電網(wǎng)的能量，而且合理地利用了儲能電池2的能量，延長修井作業(yè)時間，提高工作效率。如圖4所示，為本發(fā)明實施例回饋能量分配的控制流程圖。其為在控制器13的控制作用下，對修井機下放作業(yè)過程中電動機8向直流母線2 (變頻器7直流母線側(cè))回饋能量進行合理利用的流程。在本發(fā)明實施例電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)上電安全運行后，當控制器13檢測到變頻器7中間直流母線側(cè)電壓(即直流母線2電壓)高于其上限值時，控制器13立刻發(fā)出指令信號，將制動單元9接通制動電阻10，及時消耗掉這部分回饋能量，防止變頻器7中間直流母線側(cè)電壓過高，導(dǎo)致事故的發(fā)生。如果變頻器7中間直流母線側(cè)電壓沒有高于其上限值，就將這部分回饋能量經(jīng)過單向DC/DC變換器6的穩(wěn)壓作用輸出到直流母線I上，通過控制器13判斷直流母線I上的電壓(即儲能電池2的端電壓)是否高于其上限值來充分利用這部分回饋能量，當直流母線I上的電壓高于其上限值，經(jīng)過雙向DC/DC變換器3和PWM并網(wǎng)變流器4將這部分回饋能量回饋到380V交流母線上，最后經(jīng)過井場變壓器I回饋到IOKV電網(wǎng)上，在此能量回饋過程中，利用雙向DC/DC變換器3的穩(wěn)壓作用以及PWM并網(wǎng)變流器4的PWM調(diào)制作用，減小了這部分能量對電網(wǎng)的沖擊以及諧波的污染；如果直流母線I上的電壓低于其上限值，直流母線I直接利用這部分能量對儲能電池2進行充電，在對儲能電池2充電的過程中，單向DC/DC變換器6的穩(wěn)壓作用減小了回饋能量對儲能電池2帶來的沖擊，實現(xiàn)對儲能電池2的恒壓恒流充電儲能，延長儲能電池2的使用壽命。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例上述技術(shù)方案具有如下有益效果(I)解決了諧波問題。PWM并網(wǎng)變換器的應(yīng)用，既減少了諧波對電網(wǎng)的污染，又實現(xiàn)了電網(wǎng)的單位功率因數(shù)。(2)解決了負載功率最優(yōu)協(xié)調(diào)分配問題?？刂破鞯目刂埔?guī)律能實現(xiàn)儲能電池和井場電源對負載功率變化的最優(yōu)協(xié)調(diào)分配。既不會使井場變壓器過載，也不會使儲能電池過載而又設(shè)計容量合適的儲能電池組，從而保證供電安全運行。不僅充分地利用了電網(wǎng)的能量，而且合理地利用了儲能電池的能量。
(3)電動修井機倒發(fā)電能量可以回饋至電網(wǎng)。當修井機回放重物工作時，將產(chǎn)生很大的回饋電能。如果儲電池充電充滿時，將其回饋電網(wǎng)，避免將其用于電阻制動消耗，造成電能浪費。(4)避免回饋能量對儲能電池的沖擊。由于修井機需要頻繁的提升、下放重物，對直流母線造成沖擊，經(jīng)超級電容的緩沖以及單向DC/DC變換器的穩(wěn)壓作用，避免其對儲能電池造成沖擊，延長了儲能電池的循環(huán)使用壽命。(5)避免電動機 啟動電流沖擊問題。由于修井機需要頻繁的啟動、停止，電動機在啟動時需要很大的啟動電流，將對交流母線造成很大的電流沖擊。本發(fā)明將超級電容掛接到變頻器的直流母線上，利用超級電容快速充放電的特性，給變頻器提供一定的緩沖電流，減小了電動機啟動對交流母線造成的沖擊。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以了解到本發(fā)明實施例列出的各種說明性邏輯塊(illustrative logical block),單元,和步驟可以通過電子硬件、電腦軟件,或兩者的結(jié)合進行實現(xiàn)。為清楚展示硬件和軟件的可替換性(interchangeability),上述的各種說明性部件(illustrative components),單元和步驟已經(jīng)通用地描述了它們的功能。這樣的功能是通過硬件還是軟件來實現(xiàn)取決于特定的應(yīng)用和整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對于每種特定的應(yīng)用，可以使用各種方法實現(xiàn)所述的功能，但這種實現(xiàn)不應(yīng)被理解為超出本發(fā)明實施例保護的范圍。本發(fā)明實施例中所描述的各種說明性的邏輯塊，或單元都可以通過通用處理器，數(shù)字信號處理器，專用集成電路(ASIC)，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或其它可編程邏輯裝置，離散門或晶體管邏輯，離散硬件部件，或上述任何組合的設(shè)計來實現(xiàn)或操作所描述的功能。通用處理器可以為微處理器，可選地，該通用處理器也可以為任何傳統(tǒng)的處理器、控制器、微控制器或狀態(tài)機。處理器也可以通過計算裝置的組合來實現(xiàn)，例如數(shù)字信號處理器和微處理器，多個微處理器，一個或多個微處理器聯(lián)合一個數(shù)字信號處理器核，或任何其它類似的配置來實現(xiàn)。本發(fā)明實施例中所描述的方法或算法的步驟可以直接嵌入硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊、或者這兩者的結(jié)合。軟件模塊可以存儲于RAM存儲器、閃存、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM存儲器、寄存器、硬盤、可移動磁盤、⑶-ROM或本領(lǐng)域中其它任意形式的存儲媒介中。示例性地，存儲媒介可以與處理器連接，以使得處理器可以從存儲媒介中讀取信息，并可以向存儲媒介存寫信息。可選地，存儲媒介還可以集成到處理器中。處理器和存儲媒介可以設(shè)置于ASIC中，ASIC可以設(shè)置于用戶終端中?？蛇x地，處理器和存儲媒介也可以設(shè)置于用戶終端中的不同的部件中。在一個或多個示例性的設(shè)計中，本發(fā)明實施例所描述的上述功能可以在硬件、軟件、固件或這三者的任意組合來實現(xiàn)。如果在軟件中實現(xiàn)，這些功能可以存儲與電腦可讀的媒介上，或以一個或多個指令或代碼形式傳輸于電腦可讀的媒介上。電腦可讀媒介包括電腦存儲媒介和便于使得讓電腦程序從一個地方轉(zhuǎn)移到其它地方的通信媒介。存儲媒介可以是任何通用或特殊電腦可以接入訪問的可用媒體。例如，這樣的電腦可讀媒體可以包括但不限于RAM、ROM、EEPR0M、CD-ROM或其它光盤存儲、磁盤存儲或其它磁性存儲裝置，或其它任何可以用于承載或存儲以指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其它可被通用或特殊電腦、或通用或特殊處理器讀取形式的程序代碼的媒介。此外，任何連接都可以被適當?shù)囟x為電腦可讀媒介，例如，如果軟件是從一個網(wǎng)站站點、服務(wù)器或其它遠程資源通過一個同軸電纜、光纖電腦、雙絞線、數(shù)字用戶線(DSL)或以例如紅外、無線和微波等無線方式傳輸?shù)囊脖话谒x的電腦可讀媒介中。所述 的碟片(disk)和磁盤(disc)包括壓縮磁盤、鐳射盤、光盤、DVD、軟盤和藍光光盤，磁盤通常以磁性復(fù)制數(shù)據(jù)，而碟片通常以激光進行光學復(fù)制數(shù)據(jù)。上述的組合也可以包含在電腦可讀媒介中。以上所述的具體實施方式
，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式
而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，其特征在于，所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)包括儲能電池、雙向DC/DC變換器、PWM并網(wǎng)變流器、超級電容、單向DC/DC變換器、變頻器、第一測量單元、第二測量單元、控制器、修井機其它負載，其中 儲能電池，連接到第一直流母線上，進行電能的存儲和釋放； 雙向DC/DC變換器，其一端與所述第一直流母線相連，另一端與PWM并網(wǎng)變流器連接，用于進行雙向穩(wěn)壓控制； PWM并網(wǎng)變流器，其一端與雙向DC/DC變換器連接，另一端與交流母線相連接，用于進行直流電和交流電的相互轉(zhuǎn)換；其中所述交流母線通過井場變壓器連接到IOKV電網(wǎng)母線上； 變頻器，其一端與所述交流母線相連接，另一端與電動機相連，用于驅(qū)動該電動機運行，所述變頻器包括整流器和逆變器，所述整流器和逆變器之間的直流母線與第二直流母線相連； 單向DC/DC變換器，連接于所述第一直流母線與所述第二直流母線之間，用于將所述第二直流母線上多余的回饋能量饋送到所述第一直流母線上，給儲能電池充電； 超級電容，與所述第二直流母線相連接，用于緩沖電動機回饋到第二直流母線上的電倉泛; 修井機其它負載，連接到所述交流母線上，用于作為修井作業(yè)的輔助負載； 第一測量單元，其一端與所述第一直流母線相連接，另一端與控制器相連接，用于將測量的第一直流母線上的參數(shù)信號送入控制器，通過采樣檢測對儲能電池進行充電控制、放電控制以及保護控制； 第二測量單元，其一端與第二直流母線相連接，另一端與控制器相連接，用于將測量的第二直流母線上的參數(shù)信號送入控制器，通過采樣檢測對第二直流母線上的能量進行分配，并對變頻器進行保護控制； 控制器，用于分別與雙向DC/DC變換器、PWM并網(wǎng)變流器、單向DC/DC變換器、第一測量單元、第二測量單元、變頻器相連接，對各個部分參數(shù)信號進行采樣檢測，并發(fā)出指令信息控制各個部分的運行。
2.如權(quán)利要求I所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，其特征在于，所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，還包括制動單元、制動電阻，其中 制動電阻，通過制動單元連接于第二直流母線上； 所述控制器，還用于連接制動單元，當?shù)诙绷髂妇€過壓時，將制動電阻接入第二直流母線上，通過制動電阻消耗多余能量。
3.如權(quán)利要求2所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，其特征在于，所述電動修井機處于輕載電動狀態(tài)時，即當控制器判斷變頻器輸出的負載電流小于或等于井場變壓器的最大輸出電流時，所述電動修井機負載電動機只由井場變壓器供電，同時 當控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC未達到I. 0時，將停止儲能電池經(jīng)雙向DC/DC變換器和PWM并網(wǎng)變流器向所述電動修井機負載電動機供電，通過PWM并網(wǎng)變流器和雙向DC/DC變換器向儲能電池充電； 或，當控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到I. 0時，將停止經(jīng)PWM并網(wǎng)變流器和雙向DC/DC變換器向儲能電池充電。
4.如權(quán)利要求2所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，其特征在于，所述電動修井機處于重載電動狀態(tài)，當控制器判斷負載電流大于參考電流時，井場變壓器將按照恒功率模式運行，此時井場變壓器輸出功率為其最大功率 當控制器判斷儲能電池電量充足時，將井場變壓器與PWM并網(wǎng)變流器和雙向DC/DC變換器并聯(lián)運行為與變頻器相連的所述電動修井機負載電動機提供電能，負載功率與井場變壓器最大功率之間差值部分由儲能電池提供； 或，當控制器判斷儲能電池電量不足以提供負載功率與井場變壓器最大功率之間差值部分時，將停止所述電動修井機作業(yè)，井場變壓器經(jīng)PWM并網(wǎng)變流器和雙向DC/DC變換器為儲能電池進行充電。
5.如權(quán)利要求2所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，其特征在于，當控制器判斷所述電動修井機處于倒發(fā)電狀態(tài)時，通過第二直流母線對超級電容充電 如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC未達到I. 0，將超級電容通過第二直流母線經(jīng)單向DC/DC變換器給儲能電池充電； 或，如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到I. 0，將儲能電池經(jīng)雙向DC/DC變換器和PWM并網(wǎng)變流器將倒發(fā)電能量回饋電網(wǎng)； 或，如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到I. 0且雙向DC/DC變換器或PWM并網(wǎng)變流器處于故障狀態(tài)時，則應(yīng)激活制動單元將制動電阻進入耗能模式。
6.如權(quán)利要求2所述電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，其特征在于，當控制器判斷井場變壓器的電源系統(tǒng)沒電時，所述電動修井機處于孤島狀態(tài) 將通過儲能電池經(jīng)雙向DC/DC變換器和PWM并網(wǎng)變流器單獨為所述電動修井機其它負載供電； 或，當控制器判斷修井機電機處于倒發(fā)電狀態(tài)時，通過第二直流母線對超級電容充電如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC未達到I. 0，將超級電容通過第二直流母線經(jīng)單向DC/DC變換器給儲能電池充電；或，如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到I. 0，將儲能電池經(jīng)雙向DC/DC變換器和PWM并網(wǎng)變流器將倒發(fā)電能量回饋電網(wǎng)；或，如果控制器判斷儲能電池荷電狀態(tài)SOC達到I. 0且雙向DC/DC變換器或PWM并網(wǎng)變流器處于故障狀態(tài)時，則應(yīng)激活制動單元將制動電阻進入耗能模式。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電動修井機的交流母線電控系統(tǒng)，包括儲能電池、雙向DC/DC變換器、PWM并網(wǎng)變流器、超級電容、單向DC/DC變換器、變頻器、測量單元、控制器、修井機其它負載，其中第一測量單元將測量的第一直流母線上的參數(shù)信號送入控制器，通過采樣檢測對儲能電池進行充電控制、放電控制以及保護控制；第二測量單元將測量的第二直流母線上的參數(shù)信號送入控制器，通過采樣檢測對第二直流母線上的能量進行分配，并對變頻器進行保護控制；控制器分別與雙向DC/DC變換器、PWM并網(wǎng)變流器、單向DC/DC變換器、測量單元、變頻器相連接，控制各部分的運行。本發(fā)明可以解決已存在的諧波，負載功率最優(yōu)協(xié)調(diào)分配、能量回饋、儲能電池沖擊、電動機啟動電流沖擊等問題。
文檔編號H02J3/38GK102751751SQ20121012386
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者萬光芬, 徐剛, 李興侯, 楊姍, 楊海明, 柳耀勇, 梁志珊, 王強 申請人:中國石油大學(北京), 中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司