CN102882232A

CN102882232A - 一种用于钻机电网的储能补偿方法及其装置

Info

Publication number: CN102882232A
Application number: CN2012103571617A
Authority: CN
Inventors: 刘永; 汪岩; 刘俊; 杜永彬
Original assignee: CHINA PETROLEUM GROUP CHANGCHENG DRILLING ENGINEERING Co Ltd ENGINEERING SERVICE Co Ltd
Current assignee: CHINA PETROLEUM GROUP CHANGCHENG DRILLING ENGINEERING Co Ltd ENGINEERING SERVICE Co Ltd
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明公开了一种用于钻机电网的储能补偿方法及其装置，尤其是用于采用电动钻机进行油气勘探开发领域、专门针对以纯燃气发电机组为钻井主动力的钻机电网在突加负载时频率和电压降低较大、从而通过超级电容提前储存能量进行瞬时补偿来支撑电网达到稳定电压和频率的方法及其装置。包括电网供电控制系统，用于检测实时检测监控燃气发电机、钻井负荷、超级电容器、并网逆变器的运行状态和参数、控制钻机电网和并网逆变器动作；并网逆变器，用于对交流电流的大小和相位进行控制而进行交流和直流电的转化储放；LCL滤波器，用于滤除输出交流电流中的谐波并能降低输出电流的THD值的LCL滤波器；超级电容器用于从电网获取电能储存或向其补充储存的电能从燃气发电网获取电能储存或向其补充储存电能。本发明按照野营房尺寸设计，总体装置安装在一栋移动式房体内，方便跟随电动钻机一起运输；配置录波设备、人机交互、移动式大容量存储卡等设备。

Description

一种用于钻机电网的储能补偿方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种用于钻机电网的储能补偿方法及其装置，尤其是用于采用电动钻机进行油气勘探开发领域、专门针对以纯燃气发电机组为钻井主动力的钻机电网在突加负载时频率和电压降低较大、从而通过超级电容提前储存能量进行瞬时补偿来支撑电网达到稳定电压和频率的方法及其装置。

背景技术

电动石油钻机是目前进行深井石油勘探开发的主要钻机类型，主要包括直流驱动电动钻机和交流变频驱动电动钻机，交流变频钻机具有低转速、恒扭矩的特点，逐渐成为电动钻机首选的驱动模式，在未来的石油勘探进程中将会长期占据重要位置，电动钻机将是未来陆地乃至海洋钻井的首选。

不论是交流变频钻机还是直流钻机，他们的动力目前依然来自柴油发电机组，全部是以柴油作为主燃料。由于钻井消耗的柴油量巨大，而目前国际上柴油价格突飞猛涨，使得钻井行业成本越来越高，利润率越来越低，同时带来了非常严重的环境污染。柴油燃烧排放出大量的有毒有害物质及气体：NO;NO2;HC;CO;SO2及碳烟等等，都会导致民众日益关注的环境污染问题。研究表明，发动机以天然气为燃料比以柴油为燃料产生的废气中，烃类发散物降低３８％，ＣＯ降低４６％，ＮＯｘ降低８％，颗粒物降低２９％。因此，使用天然气比使用柴油，其排放的废气污染物量大大降低。。

我国国民经济和社会发展“十二五”规划明确要求推进页岩气等非常规油气资源开发利用。国务院已经正式批准页岩气成为我国第172个矿种，加快推进页岩气开采步伐，加大天然气在我国国民生产生活能源消费中的比重。在钻井行业推广使用天然气做为主燃料是顺应国家的发展，也是改善能源结构的有力举措。

为了降低柴油消耗量及钻井成本，已经提出了各种针对减少柴油使用量的双燃料发电机和纯燃料发电机。例如某钻井公司实施“使用双燃料发动机组在钻井上的应用研究”，取得了一些技术上的突破，但双燃料发动机的使用存在工况差、容易爆缸、天然气替代率低等问题。

燃气发电机组由于其外特性较差的缺点，在负载突增猛减时反应较慢，容易导致载荷突然增加较大时功率输出不足被逼熄火而停机，甚至发生严重的爆缸、熄火、飞车等故障和生产事故，无法满足电动钻井生产中突变载荷对电网冲击时发电机组稳定输出的要求。

在2003年1月10日公开的申请号为03114836.0的发明专利申请中披露了一种车用动力电源超级电容器，其超级电容器芯子由烧结式氧化镍正极片、涂覆特定材料的发泡镍基负极片和折叠式连续化隔膜构成。在2007年10月25日公开的申请号为 200710165637.6 的发明专利公开了一种用于超级电容器中的集电极及其表面处理方法，采用铬酸混合液处理方法对集流体表面进行化学处理，不仅能有效去除集流体的铝箔在贮存和运输过程中表面沾了一些灰尘，而且能有效去除铝箔在加工过程中表面存在的防腐油或防粘剂，并增加活性官能团，使处理后的集流体涂布电极材料分布均匀、一致，提高电极薄膜的粘合强度，降低电极的内阻，增加比表面积，适宜规模化生产。近年来超级电容制造使用技术趋于成熟，已经广泛应用于电子类、工业用电器、光电、太阳能、航天、运输、交通能源、军工等领域。

本发明采用燃气发电机组作为钻机主动力，具备机组启动快、运行平稳、燃料成本低、节能减排的优点，同时配备能进行精确计算投切时机和投切量、自动控制、并网逆变和滤波功能的瞬时能量储存补偿装置，保证电网电压和频率瞬时趋于稳定。

该方法和装置的优点：

1、可以使电动钻机完全使用天然气，改变一直使用柴油的状况，改变钻井队的能源需求结构，增大钻井队能源适应范围，避免单一的能源需求模式。

2、由于全部使用纯燃气作为燃料进行发电，为钻井队节省了钻井成本，提高钻井队的综合竞争力。

3、由于全部使用天然气替代柴油作为燃料，有效地降低了对环境的污染，是节能减排的有效措施。

4、该发明符合国家能源开发战略，推动使用天然气的进程。

发明内容

本发明认识到有关柴油发电机和双燃料发电机供电系统的工作原理、结构组成以及该系统在钻井工作中的各种前述的和其他的限制因素和缺陷，同时认识到有关燃气发电机供电系统的工作原理、结构组成以及该系统在钻井工作中的各种前述的和其他的限制因素和缺陷。

因此，本发明要解决的技术问题是提供一种用于以纯燃气发电机为主动力的钻机电网储能补偿方法及其装置，它不仅可以根据电网参数、钻井负荷、储能及其变动情况自动储存燃气发电机电网上的冗余电能，自动选择适当的投切时机和适当的投切量向电网补充电能，支撑电网达到稳定频率的目的，完全满足燃气发电时电动钻井复杂工况的需要，而且还可以降低功耗，节省能源消耗，减少污染物的排放。

为解决上述技术问题，本发明用于燃气发电的钻机电网储能补偿方法，提供给钻机电网的主动力是由一个或数个燃气发电机组并网与供电控制系统控制的补偿电能电网并网组成，而补偿电能是先由电网逆变器整流成直流电，储存在超级电容中，再经电网逆变器逆变成交流电，然后由滤波器有效滤除掉该交流电中的谐波后反馈到电网中。其特征是上述电网逆变器和滤波器均由供电控制系统控制，逆变器经差动放大器控制正弦脉冲的输出宽度，使逆变器响应和持续工作时间都在豪秒量级，并与燃气发电机组电网瞬时电压和频率下降的持续时间相同。

这种实现瞬时电能电压和频率补偿的装置包括：用于检测电网频率、电容状态并且控制储能补偿装置各部分动作的供电控制系统、用于电网与电容器之间直流电和交流电相互转换的并网逆变器、用于滤除反馈电网中的谐波并降低输出电流THD值的LCL滤波器、用于从电网获取电能储存及向其补充储存电能的超级电容器。

作为本发明的一种优选方案，该补偿装

置选用的超级电容器也称双电层电容器，是基于双电层原理工作的、兼具普通电容器功率密度高和蓄电池能量密度高等优点的电容器。超级电容器的充放电循环次数高达50万次以上，其寿命长。超级电容器属于物理储能器件，其充放电过程实质上就是导电离子在电极上的吸附和脱附过程，电极材料巨大的表面积使得这一过程没有任何障碍，其充放电过程不受限制，因而具有很高的功率密度和充放电效率。

作为本发明的另一种优选方案，该补偿装置选用的并网逆变器是随着全控式开关器件（例如IGBT）的实用化而发展起来的斩控式可逆变流器，采用正弦脉宽调制模式（SPWM）。它既可以作为整流器工作(给电容充电)，也可作用逆变器工作(向电网提供能量)。由于采用了自关断器件IGBT，通过恰当的SPWM模式，可对交流电流的大小和相位进行控制，并通过前端的各滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波。系统采用了先进的数字同步锁相技术，确保设备可靠运行。

作为本发明的又一种优选方案，该补偿装置选用的滤波器选用的是LCL滤波器，因为在逆变器向电网输出交流电流时，会有大量的谐波产生，该谐波对现有的设备可能带来致命的冲击，为了有效滤除掉反馈电网中的谐波，降低输出电流的THD值，特选用LCL滤波器。

作为本发明的进一步优选方案，该补偿装置选用的供电控制系统，可以实时检测电网电压的相位和频率，以控制并网逆变器，使其输出电流与电网电压相位及频率保持同步，即同步锁相。同步锁相是并网系统的一项关键技术，其控制精确度直接影响到系统的并网运行性能。倘若锁相环电路不可靠，在逆变器与电网并网工作切换中会产生逆变器与电网之间的环流，对设备造成冲击，缩短设备使用寿命，严重时还将损坏设备。

作为本发明的再一个优选方案，该补偿装置选用的供电控制系统能精密计算投切时机及投切量，按照电动钻机的负荷变化情况计算出需要的负荷性能，编制出充放电功率与频率关系表，编制自动化控制程序，精确控制该补偿装置的储能时机，放电时机及放电量，使燃气发电机组可以平稳有效运行。

本发明是一种有源能量串联补偿方案，采用超级电容进行大容量储能和补偿，效果优于无实质能量补充的无源补偿和能量补充不足的小容量储能补偿方式。

说明书附图

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的优选实施方案的系统原理图。

图2是本发明的优选实施方案的装置外形图。

图3是本发明的优选实施方案的充放电功率-频率关系图。

具体实施方式

图1是本发明钻机电网储能补偿装置的优选实施方案的系统原理图。

一台或几台燃气发电机G₁、G₂……Gn并网组成发电机组电网G，向电动钻井系统提供主动力。通过从电网上接入电网储能补偿装置。该装置由钻机电网供电控制系统K、并网逆变器N、滤波器LCL、超级电容器储能装置C_超组成。该装置主要通过以下方式进行控制和操作：

一、当钻机电网供电控制系统K检测到发电网G正常运行、超级电容储能装置C_超储能低于设定值时，将闭合信号传送给并网逆变器N，并网逆变器斩控式开关根据信号闭合，控制并网逆变器N工作，将电网中的交流电转换成直流电，在合适时间将电网中的能量储存在超级电容储能装置C_超中。

二、当钻机电网供电控制系统K检测到超级电容C_超电压达到预定值，且电网G运行平稳时，将断开信号传送给并网逆变器N，并网逆变器斩控式开关根据信号断开，超级电容储能装置C_超储能过程结束。

三、当钻机电网供电控制系统K检测到电网G压力下降和钻井负荷F增加超过设定值、且超级电容储能装置C_超电压高于最低值时，将闭合信号送给并网逆变器ND的斩控式开关，其根据闭合信号闭合控制并网逆变器N工作，超级电容储能装置C_超通过并网逆变器N将超级电容中的电能从直流电转化成交流电，再通过LCL滤波器滤除掉反馈电网中的谐波，在合适的时间内向电网释放合适的电能，对电动钻井主电网进行能量补偿，保证燃气发电机组电压不被拖垮保持正常平稳运行，保证钻井工作安全顺利进行。当钻机电网供电控制系统检测到电网G压力恢复到正常，将断开信号传送给并并网逆变器N的斩控式开关，其根据信号断开，向电网G补偿能量的过程结束。

四、当钻机电网供电控制系统K检测到电网G压力下降和钻井负荷增加超过设定值、且超级电容储能装置C_超电压低于最低值时，钻机电网供电控制系统发出声光警报信号，向岗位操作者提示钻井突变载荷△F超过超级电容储能装置C_超补偿极限，岗位操作者可根据钻井工作情况采取停止增加负载、减小负载、卸载等操作措施。如人工操作不能及时完成降低足够载荷并使电网电压稳定时，钻机电网供电控制系统K也可根据情况发出信号，控制系统自动断开与各载荷的联接，停止向其输送电能，保证电网G压力恢复正常。当钻机电网供电控制系统K检测到电网G压力恢复正常一定时间后，发出声光信号，提示电网G电压恢复正常，平稳运行，可以满足电动钻井工作需要。

图2是本发明用于燃气发电机组的钻机电网储能补偿装置的优选实施方案的装置外形图。

在本实施方式中，该装置按照野营房尺寸设计，总体装置安装在一栋移动式房体内，方便跟随电动钻机一起运输。房内所有控制单元按照柜体设计，采用双面排列方式，尽量利用房体内空间，减少房体占用面积，配备空调设备，保持房内装置在20℃-25℃环境温度中运行。

钻机电网储能补偿装置满足钻井现场场地的要求，安装在燃气发电机组房与钻井现场的VFD控制房或者SCR控制房之间，能够有效地形成一个操作维护空间，方便操作工人的操作，结构紧凑。

钻机电网储能补偿功能房体按以下流程布置：进线口（J₁、J₂、J₃）前端与燃气发电机组输出端连接，后端与发电机并网柜（F₁、F₂、F₃）相连，接入燃气发电机组发出的交流电，通过并网柜的一组输出端直接接至钻井负荷控制柜（K₁、K₂、K₃）；通过并联，并网柜的另一组输出端顺次连接LCL滤波柜（L₁、L₂）、逆变控制柜（N₁、N₂、N₃）和超级电容柜（C₁、C₂），输出端接至钻井负荷控制柜（K₁、K₂、K₃）；还设有钻机电网供电控制系统柜（M₁、M₂），通过电气线路连接以检测控制发电机电网、钻井负荷、超级电容器等系统各部件工作状态。

该补偿装置可以为单个燃气发电机组配备，那么就可以单一地补偿燃气发电机组的功率损失，以满足单台燃气发电机组的补偿要求；也可以为两台甚至两台以上相同型号的燃气发电机组配备，这样可以集中进行功率补偿，以满足电网总体的要求。

该补偿装置的优点在于配置钻机电网供电控制系统，监控燃气发电机组的运行状况；配备进线柜及出线柜，使燃气发电机组与VFD/SCR控制系统有效衔接。

图3是本发明用于燃气发电机组的钻机电网储能补偿装置的优选实施方案的充放电功率-频率关系图。

该装置在正常状态下与电动钻机电网并联，通过控制使电网给装置的储能电容充电；当电网负载突加（绞车带载提升、泥浆泵加压）时，由装置检测电网频率并按功率—频率曲线、功率—直流母线电压曲线控制装置将电容的储能按预先设定的时间补偿给电网，以尽量保持电网频率（机组转速）运行在允许的范围内，突加负载结束后，继续由电网给电容储能以备下一次补偿；当所需功率超过最大储能时，由装置发出警告，延时后停机。

Claims

1.一种用于钻机电网的储能补偿方法，其特征在于：提供给钻机电网的主动力是由一个或数个燃气发电机组并网与供电控制系统控制的补偿电能电网并网组成，而补偿电能是先由电网逆变器整流成直流电，储存在超级电容中，再经电网逆变器逆变成交流电，然后由滤波器有效滤除掉该交流电中的谐波后反馈到电网中。

2.一种用于钻机电网的储能补偿装置，其包括：电网供电控制系统（1），用于检测控制电网与储能补偿装置之间的断开/连通状态；还包括并网逆变器（2）：对交流电流的大小和相位进行控制而进行交流和直流电的转化储放；还包括滤波器（3）：输出交流电流中的谐波滤除掉，降低输出电流的THD值；还包括超级电容器（4），也称双电层电容器，用于从电网获取电能储存或向其补充储存的电能。

3.一种如权利要求1所属的用于钻机电网的储能补偿方法，其特征在于：电网逆变器和滤波器均由供电控制系统控制，逆变器经差动放大器控制正弦脉冲的输出宽度，使逆变器响应和持续工作时间都在豪秒量级，并与燃气发电机组电网瞬时电压和频率下降的持续时间相同。

4.一种如权利要求2所述的钻机电网的储能补偿装置，其特征在于：该装置按照野营房尺寸设计，总体装置安装在一栋移动式房体内，方便跟随电动钻机一起运输，房内所有控制单元按照柜体设计，采用双面排列方式，尽量利用房体内空间，减少房体占用面积，配备空调设备，保持房内装置在20℃-25℃环境温度中运行。

5.根据权利要求书2所述的钻机电网的储能补偿其装置，其特征在于，所述的超级电容器也称双电层电容器，是基于双电层原理工作的、兼具普通电容器功率密度高和蓄电池能量密度高等优点的电容器，其采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联。

6.根据权利要求书2所述的钻机电网的储能补偿装置，其特征在于，并网逆变器采用正弦脉宽调制模式（SPWM），它既可以作为整流器工作(给电容充电)，也可作用逆变器工作(向电网提供能量)，由于采用了自关断器件IGBT，通过恰当的SPWM模式，可对交流电流的大小和相位进行控制，并通过前端的各滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波。

7.根据权利要求书2所述的钻井电网储能缓冲装置，其特征在于：所述的电网供电控制系统能实时检测监控燃气发电机、钻井负荷、超级电容器、并网逆变器的运行状态和参数，经过精确计算和精密分析后控制燃气发电机、超级电容器、并网逆变器动作，进行储能和补偿，还能在检测到电网压力下降和钻井负荷增加超过设定值、且储能装置电压低于最低值时发出声光警报信号，岗位操作者可综合判断后采取停止增加负载、减小负载、卸载等操作措施，如人工操作不能及时采取有效措施保证电网电压稳定时，钻机电网供电控制系统可自动断开与各载荷的联接，停止向其输送电能，保证电网压力恢复正常。

8.根据权利要求2所述的电网供电控制系统，其特征在于：所述的电网供电控制系统、人机接口和站控设备等共享所述电网供电控制系统产生的事件信息、保护信息和录波数据。

9.如上述权利要求1~8所述的用于钻机电网的储能补偿方法及其装置，其特征在于：用于采用电动钻机进行油气勘探开发领域、专门针对以纯燃气发电机组为钻井主动力的钻机电网在突加负载时频率和电压降低较大、从而通过超级电容提前储存能量进行瞬时补偿来支撑电网达到稳定电压和频率的方法及其装置。