CN105514939B - 电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法 - Google Patents

电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动修井机储能超级电容充放电控制装置，装置的双向DC/DC变换器为非隔离型DC/DC变换器，双向DC/DC变换器的主电路设有双向DC/DC变换器主电路控制装置，双向DC/DC变换器主电路控制装置与双向DC/DC变换器主电路相连接，通过控制双向DC/DC变换器主电路控制装置的通断来避免双向DC/DC变换器主电路失控过流。本发明的双向DC/DC变换器主电路及主电路控制装置，在实际应用中采用n重回路并联的方式以满足电动修井机的功率需求，本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法可以规避超级电容向母线侧充电电流的不可控因素和损坏风险，确保电动修井机的电控系统安全可靠的运行。

Description

电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法。
背景技术
双向直流电压变换器，也称双向DC/DC变换器，这是一种能够根据需要调节能量双向传输的直流变换器，即指将输入端供给的直流电压转换成具有较高、较低或反向电压电平的直流电压电路。转换通过使用周期性操作的电子开关以及一个或多个能量存储元件来执行。在电力能源领域，这些变换器也被称为直流斩波控制器，在直流不间断电源系统、航空电源系统、超级电容及蓄电池储能系统、电动汽车、混合能源动力汽车、燃料电池和直流功率放大器等场合有广泛的应用。
基于专利CN102751942A提出的一种电动修井机电控系统如图1所示，它包括井场变压器、PWM整流器、控制器、双向DC/DC变换器、超级电容、液压系统、气动系统、制动单元、制动电阻、受控逆变器，其中双向DC/DC变换器用于控制储能设备超级电容的充放电功能，进行双向直流电压的稳定输出。然而，在实际应用中，现有如图2所示的双向DC/DC变换器存在的共同突出问题是：在使用双向DC/DC变换器装置时，必须保证母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，否则，当母线侧突然掉电时，超级电容侧会通过IGBT开关管VG2的二极管D2立即向母线侧“失控”放电，如果用直流接触器KM1和KM2以及KM3和KM4作保护，由于直流接触器断开速度慢或者直流拉弧现象无法断开，引起储能设备超级电容侧和直流母线侧“直通”的现象，造成超级电容向直流母线充电的电流不可控的问题，具有引起电路单元因过流损坏的风险。如果使用直流断路器代替直流接触器KM1和KM2以及KM3和KM4作保护，一方面，其成本太高，另一方面，直流断路器的反应速度较之电子开关管相比很慢，可能IGBT开关管VG2已经损坏了。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法，双向DC/DC变换器为非隔离型DC/DC变换器，双向DC/DC变换器的主电路设有双向DC/DC变换器主电路控制装置，通过控制双向DC/DC变换器主电路控制装置的通断来避免双向DC/DC变换器主电路失控过流，规避超级电容向母线侧充电电流的不可控因素和损坏风险，继而确保电动修井机的电控系统安全可靠的运行。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种电动修井机储能超级电容充放电控制装置，包括超级电容，还包括与超级电容相连接的双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器连接PWM整流器，双向DC/DC变换器为非隔离型DC/DC变换器，双向DC/DC变换器的主电路加装有双向DC/DC变换器主电路控制装置，双向DC/DC变换器主电路控制装置与双向DC/DC变换器主电路相连接，通过控制双向DC/DC变换器主电路控制装置的通断来避免双向DC/DC变换器主电路失控过流。
优选的是，所述双向DC/DC变换器主电路包括储能电感L1、滤波电容C1、滤波电容C2、IGBT开关管VG1、IGBT开关管VG2、二极管D1、二极管D2、电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1、电压传感器SV2、放电电阻RF1、放电电阻RF2、直流接触器KM1、直流接触器KM2、直流接触器KM3、直流接触器KM4、电阻R1、电阻R2，所述双向DC/DC变换器主电路接入电动修井机的电控系统。
在上述任一技术方案中优选的是，所述直流接触器KM1、直流接触器KM2与电阻R1相连接并接入电动修井机电控系统的超级电容侧。
在上述任一技术方案中优选的是，所述直流接触器KM3、直流接触器KM4与电阻R2相连接并接入电动修井机电控系统的直流母线侧。
在上述任一技术方案中优选的是，所述放电电阻RF1、滤波电容C1、电压传感器SV1并联构成第一电容传感器单元，所述第一电容传感器单元的一端接入电动修井机电控系统的超级电容侧。
在上述任一技术方案中优选的是，所述放电电阻RF2、滤波电容C2、电压传感器SV2并联构成第二电容传感器单元，所述第二电容传感器单元的一端接入电动修井机电控系统的直流母线侧。
在上述任一技术方案中优选的是，所述IGBT开关管VG1的基极、IGBT开关管VG2的基极以及所述电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1、电压传感器SV与电动修井机电控系统的控制器相连接。
在上述任一技术方案中优选的是，所述双向DC/DC变换器主电路控制装置包括二极管D3、IGBT开关管VG3和IGBT开关管VG3控制回路，所述二极管D3的正负端分别连接IGBT开关管VG3的发射极和集电极。
在上述任一技术方案中优选的是，所述IGBT开关管VG3的基极与IGBT开关管VG3控制回路相连接，所述IGBT开关管VG3的集电极与第一电容传感器单元相连接，所述IGBT开关管VG3的发射极与电流传感器SC1相连接。
在上述任一技术方案中优选的是，所述IGBT开关管VG3控制回路包括比较器a、比较器b和与非门电路，所述比较器a和比较器b连接与非门电路的输入端。
在上述任一技术方案中优选的是，所述双向DC/DC变换器主电路与双向DC/DC变换器主电路控制装置以两重回路并联连接方式接入电动修井机电控系统。
在上述任一技术方案中优选的是，所述双向DC/DC变换器主电路与双向DC/DC变换器主电路控制装置以多重回路并联连接方式接入电动修井机电控系统。
本发明还公开了一种电动修井机储能超级电容充放电控制装置的控制方法，针对上面任一项所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置，其控制方法如下：电动修井机的电控系统启动，母线侧的直流电压高于超级电容侧直流电压；在提升且负载所需功率低于网侧所提供的功率或下放油管的间歇期间，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC未达到1.0时，将电网通过PWM整流器作为可控的恒压源，再通过双向DC/DC变换器为超级电容进行恒压充电；在提升油管且负载所需功率高于网侧所提供的功率的过程时，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC达到1.0时，将电网通过PWM整流器和超级电容通过双向DC/DC变换器两者并联运行为变频器提供电能，周而复始地以脉冲的形式由超级电容侧向直流母线侧放电；双向DC/DC变换器的主电路设置双向DC/DC变换器主电路控制装置，通过控制双向DC/DC变换器主电路控制装置的通断来避免双向DC/DC变换器主电路失控过流，以确保储能超级电容充放电过程中电动修井机电控系统安全可靠运行。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电动修井机电控系统启动阶段，先启动PWM整流器，使得母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，先将直流接触器KM3吸合，再将直流接触器KM2吸合，让电网通过PWM整流器、再通过双向DC/DC变换器对超级电容充电；为防止启动时电流过大对系统造成冲击，待系统正常启动后，将直流接触器KM4和直流接触器KM1依次吸合，再将直流接触器KM3和直流接触器KM2断开。
在上述任一技术方案中优选的是，所述超级电容充电阶段，电动修井机系统正常运行时，母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，在提升且负载所需功率低于网侧所提供的功率或下放油管的间歇期间，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC未达到1.0时，将电网通过PWM整流器作为可控的恒压源，再通过双向DC/DC变换器为超级电容进行恒压充电。
在上述任一技术方案中优选的是，所述超级电容充电阶段，双向DC/DC变换器的工作过程：当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC未达到1.0时，将电网通过PWM整流器作为可控的恒压源，再通过双向DC/DC变换器为超级电容进行恒压充电，其双向DC/DC变换器采用脉冲宽度调制；在一个脉冲工作周期内，控制器通过电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1和电压传感器SV2采集输入端和输出端的电流和电压信息，控制IGBT开关管VG2导通，IGBT开关管VG1关断，IGBT开关管VG3的控制回路通过直流母线侧电压和超级电容侧电流的反馈信息，控制IGBT开关管VG3关断，使得直流母线侧电流通过IGBT开关管VG2、储能电感L1、IGBT开关管VG3上的二极管D3经由超级电容形成闭合回路；接着控制器控制IGBT开关管VG1、IGBT开关管VG2关断，IGBT开关管VG3控制回路控制IGBT开关管VG3关断，使得电流通过IGBT开关管VG1上的二极管D1、储能电感L1、IGBT开关管VG3上的二极管D3经由超级电容形成闭合回路；周而复始地以脉冲的形式由直流母线侧向超级电容侧充电。
在上述任一技术方案中优选的是，所述超级电容放电阶段，电动修井机系统正常运行时，母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，在提升油管且负载所需功率高于网侧所提供的功率的过程时，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC达到1.0时且电动修井机处于重载电动状态时，将电网通过PWM整流器和超级电容通过双向DC/DC变换器两者并联运行为变频器提供电能。
在上述任一技术方案中优选的是，所述超级电容放电阶段，双向DC/DC变换器的工作过程：双向DC/DC变换器采用脉冲宽度调制PWM；在一个工作周期内，控制器通过电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1和电压传感器SV2采集输入端和输出端的电流和电压信息，控制IGBT开关管VG1导通和IGBT开关管VG2关断，IGBT开关管VG3的控制回路通过直流母线侧电压和超级电容侧电流的反馈信息，控制IGBT开关管VG3导通，使得超级电容侧电流通过IGBT开关管VG3、储能电感L1和IGBT开关管VG1形成闭合回路；接着控制器控制IGBT开关管VG1和IGBT开关管VG2关断，IGBT开关管VG3的控制回路控制IGBT开关管VG3导通，使得电流通过IGBT开关管VG3、储能电感L1、IGBT开关管VG2上的二极管D2经由直流母线形成闭合回路；周而复始地以脉冲的形式由超级电容侧向直流母线侧放电。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电动修井机系统运行中，当系统母线电压故障时，母线侧的直流电压低于超级电容侧的直流电压，双向DC/DC变换器的主电路设置有双向DC/DC变换器主电路控制装置，通过关断双向DC/DC变换器主电路控制装置的IGBT开关管VG3，来避免电动修井机储能超级电容充放电控制装置失控过流。
在上述任一技术方案中优选的是，所述双向DC/DC变换器主电路与双向DC/DC变换器主电路控制装置以n重回路并联连接方式接入电动修井机电控系统，n重n相双向DC/DC变换器用以满足电动修井机的功率需求。
本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置，是针对现有技术在实际应用中会产生的失控过流风险而提供一种安全可靠的超级电容双向DC/DC充放电装置及其控制方法，本发明提出的双向DC/DC变换器为非隔离型DC/DC变换器，双向DC/DC变换器的主电路设有双向DC/DC变换器主电路控制装置，双向DC/DC变换器主电路控制装置与双向DC/DC变换器主电路相连接，通过控制双向DC/DC变换器主电路控制装置的通断来避免双向DC/DC变换器主电路失控过流，规避超级电容向母线侧充电电流的不可控因素和损坏风险，继而确保电动修井机的电控系统安全可靠的运行。
本发明提出的双向DC/DC变换器及其控制方法可以应用于具有宽幅输入和输出电压的设备，诸如超级电容和蓄电池等。本发明用于控制电动修井机储能设备的超级电容的充放电功能的双向DC/DC变换器，可以进行安全可靠的双向直流电压的稳定输出，双向DC/DC装置为非隔离型DC/DC变换器，单回路的双向DC/DC主电路装置包括IGBT开关管VG3，通过控制开关管VG3的通断可避免装置失控过流，在实际应用中采用两重或多重回路并联方式以满足电动修井机的功率需求。
在电控修井机的电控系统中，采用本发明提出的双向DC/DC电路拓扑结构及相应的控制方法，可以从根本上消除由于井场变压器的缘故或者其他原因，致使母线侧的直流电压低于超级电容侧的直流电压，造成超级电容向母线侧充电电流的不可控，引起单元损坏的风险，保证此系统能够安全可靠的运行。
附图说明
图1为一种电动修井机的电控系统结构示意图；
图2为传统双向DC/DC变换器的电路拓扑图；
图3为按照本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法的一优选实施例的双向DC/DC变换器的电路拓扑图；
图4为按照本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法的一优选实施例的母线向超级电容充电Buck工作电路一示意图；
图5为按照本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法的一优选实施例的母线向超级电容充电Buck工作电路二示意图；
图6为按照本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法的一优选实施例的超级电容向母线充电Boost工作电路一示意图；
图7为按照本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法的一优选实施例的超级电容向母线充电Boost工作电路二示意图；
图8为按照本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法的一优选实施例的控制开关管VG3导通与关断原理图；
图9为按照本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置及控制方法的一优选实施例的n重n相双向DC/DC变换器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明，以下描述仅作为示范和解释，并不对本发明作任何形式上的限制。
电动修井机储能超级电容充放电控制装置具有超级电容、与超级电容相连接的双向DC/DC变换器以及与双向DC/DC变换器相连接的PWM整流器。在这里，电动修井机储能超级电容充放电控制装置的双向DC/DC变换器为非隔离型DC/DC变换器，双向DC/DC变换器的主电路加装一个双向DC/DC变换器主电路控制装置，双向DC/DC变换器主电路控制装置与双向DC/DC变换器主电路相连接，通过控制双向DC/DC变换器主电路控制装置的通断来避免双向DC/DC变换器主电路失控过流，规避超级电容向母线侧充电电流的不可控因素和损坏风险，继而确保电动修井机的电控系统安全可靠的运行。
如图3所示，电动修井机储能超级电容充放电控制装置的双向DC/DC变换器主电路包括储能电感L1、滤波电容C1、滤波电容C2、IGBT开关管VG1、IGBT开关管VG2、二极管D1、二极管D2、电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1、电压传感器SV2、放电电阻RF1、放电电阻RF2、直流接触器KM1、直流接触器KM2、直流接触器KM3、直流接触器KM4、电阻R1、电阻R2，双向DC/DC变换器主电路接入电动修井机的电控系统；其中，直流接触器KM1、直流接触器KM2与电阻R1相连接并接入电动修井机电控系统的超级电容侧，直流接触器KM3、直流接触器KM4与电阻R2相连接并接入电动修井机电控系统的直流母线侧，放电电阻RF1、滤波电容C1、电压传感器SV1并联构成第一电容传感器单元，第一电容传感器单元的一端接入电动修井机电控系统的超级电容侧，放电电阻RF2、滤波电容C2、电压传感器SV2并联构成第二电容传感器单元，第二电容传感器单元的一端接入电动修井机电控系统的直流母线侧，IGBT开关管VG1的基极、IGBT开关管VG2的基极以及电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1、电压传感器SV与电动修井机电控系统的控制器相连接。
电动修井机储能超级电容充放电控制装置的双向DC/DC变换器主电路控制装置包括二极管D3、IGBT开关管VG3和IGBT开关管VG3控制回路；其中，二极管D3的正负端分别连接IGBT开关管VG3的发射极和集电极，IGBT开关管VG3的基极与IGBT开关管VG3控制回路相连接，IGBT开关管VG3的集电极与第一电容传感器单元相连接，IGBT开关管VG3的发射极与电流传感器SC1相连接，IGBT开关管VG3控制回路包括比较器a、比较器b和与非门电路，比较器a和比较器b连接与非门电路的输入端。
电动修井机储能超级电容充放电控制装置的控制方法：电动修井机的电控系统启动，母线侧的直流电压高于超级电容侧直流电压；在提升且负载所需功率低于网侧所提供的功率或下放油管的间歇期间，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC未达到1.0时，将电网通过PWM整流器作为可控的恒压源，再通过双向DC/DC变换器为超级电容进行恒压充电；在提升油管且负载所需功率高于网侧所提供的功率的过程时，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC达到1.0时，将电网通过PWM整流器和超级电容通过双向DC/DC变换器两者并联运行为变频器提供电能，周而复始地以脉冲的形式由超级电容侧向直流母线侧放电；双向DC/DC变换器的主电路设置双向DC/DC变换器主电路控制装置，通过控制双向DC/DC变换器主电路控制装置的通断来避免双向DC/DC变换器主电路失控过流，以确保储能超级电容充放电过程中电动修井机电控系统安全可靠运行。
（1）启动阶段：如图1所示，电动修井机电控系统包括井场变压器、PWM整流器、控制器、双向DC/DC变换器、超级电容、液压系统、气动系统、制动单元、制动电阻、受控逆变器，电动修井机电控系统启动阶段，先启动PWM整流器，使得母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，先将直流接触器KM3吸合，再将直流接触器KM2吸合，让电网通过PWM整流器、再通过双向DC/DC变换器对超级电容充电；为防止启动时电流过大对系统造成冲击，待系统正常启动后，将直流接触器KM4和直流接触器KM1依次吸合，再将直流接触器KM3和直流接触器KM2断开。
（2）超级电容充电阶段：电动修井机系统正常运行时，母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，在提升或下放油管的间歇期间，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC未达到1.0时，将电网通过PWM整流器作为可控的恒压源，再通过双向DC/DC变换器为超级电容进行恒压充电。
超级电容充电阶段，双向DC/DC变换器的工作过程如下：
当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC未达到1.0时，将电网通过PWM整流器作为可控的恒压源，再通过双向DC/DC变换器为超级电容进行恒压充电，其双向DC/DC变换器采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)：在一个脉冲工作周期内，控制器通过电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1和电压传感器SV2采集输入端和输出端的电流和电压信息，控制IGBT开关管VG2导通，IGBT开关管VG1关断，IGBT开关管VG3的控制回路通过直流母线侧电压和超级电容侧电流的反馈信息，控制IGBT开关管VG3关断，使得直流母线侧电流通过IGBT开关管VG2、储能电感L1、IGBT开关管VG3上的二极管D3经由超级电容形成闭合回路，如图4所示；接着控制器控制IGBT开关管VG1、IGBT开关管VG2关断，IGBT开关管VG3控制回路控制IGBT开关管VG3关断，使得电流通过IGBT开关管VG1上的二极管D1、储能电感L1、IGBT开关管VG3上的二极管D3经由超级电容形成闭合回路，如图5所示；周而复始地以脉冲的形式由直流母线侧向超级电容侧充电。
（3）超级电容放电阶段：电动修井机系统正常运行时，母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，在提升油管的过程中，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC达到1.0时且电动修井机处于重载电动状态时，将电网通过PWM整流器和超级电容通过双向DC/DC变换器两者并联运行为变频器提供电能。
超级电容放电阶段，双向DC/DC变换器的工作过程如下：
双向DC/DC变换器采用脉冲宽度调制PWM：在一个工作周期内，控制器通过电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1和电压传感器SV2采集输入端和输出端的电流和电压信息，控制IGBT开关管VG1导通和IGBT开关管VG2关断，IGBT开关管VG3的控制回路通过直流母线侧电压和超级电容侧电流的反馈信息，控制IGBT开关管VG3导通，使得超级电容侧电流通过IGBT开关管VG3、储能电感L1和IGBT开关管VG1形成闭合回路，如图6所示；接着控制器控制IGBT开关管VG1和IGBT开关管VG2关断，IGBT开关管VG3的控制回路控制IGBT开关管VG3导通，使得电流通过IGBT开关管VG3、储能电感L1、IGBT开关管VG2上的二极管D2经由直流母线形成闭合回路，如图7所示；周而复始地以脉冲的形式由超级电容侧向直流母线侧放电。
（4）电动修井机系统母线电压故障：电动修井机系统运行时，由于井场变压器的缘故或者其他原因，会出现电网侧电源突然消失的情况，致使母线侧的直流电压低于超级电容侧的直流电压，采用本发明电动修井机储能超级电容充放电控制装置的双向DC/DC电路拓扑结构，则完全可以避免“由于母线侧电压低于超级电容的侧的电压,造成超级电容向母线侧充电电流的不可控，引起单元损坏”的风险，这是因为双向DC/DC变换器的主电路设置有双向DC/DC变换器主电路控制装置，通过关断双向DC/DC变换器主电路控制装置的IGBT开关管VG3，避免电动修井机储能超级电容充放电控制装置失控过流。
双向DC/DC变换器主电路控制装置包括二极管D3、IGBT开关管VG3和IGBT开关管VG3控制回路，本发明的电动修井机储能超级电容充放电控制装置，增加了1个IGBT开关管VG3，而IGBT开关管的开关速度极快（一般为10us），因此，在出现上述危险的情况下，使IGBT开关管VG3关断，可有效避免因直流接触器开关速度慢或者直流拉弧现象无法关断，所产生的超级电容向母线侧充电的不可控电流，造成系统单元损坏的风险。其中，控制IGBT开关管VG3的IGBT开关管VG3控制回路如图8所示，由两个比较器a和b及一个与非门电路共同组成，其工作原理如下：
①当正常工作时，系统处于超级电容向直流母线充电过程中时，母线电压的检测值是大于比较器a设定的参考值Vref1的，比较器a输出低电平A，且当直流母线电压正常时，超级电容侧的电流检测值就不会超过设定的参考值Vref2，此时比较器b就会一直输出低电平信号B；信号A和信号B再共同通过一个与非门后，输出一个高电平信号C驱动控制开关管VG3，使其开通，保证系统正常工作。
② 当上述危险情况发生时，网侧电压的检测值小于比较器a设定的参考值Vref1时，比较器a输出高电平信号A，且当超级电容侧电流检测值大于比较器b设定的参考值Vref2时，比较器b输出高电平信号B；信号A和信号B再共同通过一个与非门后，输出一个低电平信号C驱动控制开关管VG3，使其关断，避免DC/DC处于失控状态，防止电路单元的损坏，保护整个电控系统。
基于上面所述单回路的双向DC/DC变换器主电路与双向DC/DC变换器主电路控制装置以及控制过程，为满足电动修井机的功率需求，在实际应用中，双向DC/DC变换器主电路与双向DC/DC变换器主电路控制装置是以两重回路或多重回路并联连接的方式接入电动修井机电控系统，即n重n相双向DC/DC变换器，如图9所示，其中每一条并联支路的工作过程如上面所述，这里不再赘述。为了使电力储能系统获得更好的电压和电流波形，并且为电网及储能设备的安全稳定运行提供保障，让每条支路的开关管交替导通且互差(360o/n)。
以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (13)

1.一种电动修井机储能超级电容充放电控制装置，包括超级电容，还包括与超级电容相连接的双向DC/DC变换器，所述双向DC/DC变换器连接PWM整流器，其特征在于：
所述双向DC/DC变换器为非隔离型DC/DC变换器；
所述双向DC/DC变换器主电路包括储能电感L1、滤波电容C1、滤波电容C2、IGBT开关管VG1、IGBT开关管VG2、二极管D1、二极管D2、电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1、电压传感器SV2、放电电阻RF1、放电电阻RF2、直流接触器KM1、直流接触器KM2、直流接触器KM3、直流接触器KM4、电阻R1、电阻R2，所述直流接触器KM1、直流接触器KM2与电阻R1相连接并接入电动修井机电控系统的超级电容侧，所述直流接触器KM3、直流接触器KM4与电阻R2相连接并接入电动修井机电控系统的直流母线侧，所述放电电阻RF1、滤波电容C1、电压传感器SV1并联构成第一电容传感器单元，所述第一电容传感器单元的一端接入电动修井机电控系统的超级电容侧，所述放电电阻RF2、滤波电容C2、电压传感器SV2并联构成第二电容传感器单元，所述第二电容传感器单元的一端接入电动修井机电控系统的直流母线侧，所述IGBT开关管VG1的基极、IGBT开关管VG2的基极以及所述电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1、电压传感器SV2与电动修井机电控系统的控制器相连接，所述双向DC/DC变换器主电路接入电动修井机的电控系统；
所述双向DC/DC变换器的主电路加装有双向DC/DC变换器主电路控制装置，所述双向DC/DC变换器主电路控制装置与双向DC/DC变换器主电路相连接，通过控制双向DC/DC变换器主电路控制装置的通断来避免双向DC/DC变换器主电路失控过流。
2.如权利要求1所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置，其特征在于：所述双向DC/DC变换器主电路控制装置包括二极管D3、IGBT开关管VG3和IGBT开关管VG3控制回路，所述二极管D3的正负端分别连接IGBT开关管VG3的发射极和集电极。
3.如权利要求2所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置，其特征在于：所述IGBT开关管VG3的基极与IGBT开关管VG3控制回路相连接，所述IGBT开关管VG3的集电极与第一电容传感器单元相连接，所述IGBT开关管VG3的发射极与电流传感器SC1相连接。
4.如权利要求2所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置，其特征在于：所述IGBT开关管VG3控制回路包括比较器a、比较器b和与非门电路，所述比较器a和比较器b连接与非门电路的输入端。
5.如权利要求1所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置，其特征在于：所述双向DC/DC变换器主电路与双向DC/DC变换器主电路控制装置以两重回路并联连接方式接入电动修井机电控系统。
6.如权利要求1所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置，其特征在于：所述双向DC/DC变换器主电路与双向DC/DC变换器主电路控制装置以多重回路并联连接方式接入电动修井机电控系统。
7.一种电动修井机储能超级电容充放电控制装置的控制方法，采用如权利要求1至6中任一项所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置，其特征在于：所述电动修井机电控系统启动阶段，先启动PWM整流器，使得母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，先将直流接触器KM3吸合，再将直流接触器KM2吸合，让电网通过PWM整流器、再通过双向DC/DC变换器对超级电容充电；为防止启动时电流过大对系统造成冲击，待系统正常启动后，将直流接触器KM4和直流接触器KM1依次吸合，再将直流接触器KM3和直流接触器KM2断开；在提升且负载所需功率低于网侧所提供的功率或下放油管的间歇期间，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC未达到1.0时，将电网通过PWM整流器作为可控的恒压源，再通过双向DC/DC变换器为超级电容进行恒压充电；在提升油管且负载所需功率高于网侧所提供的功率的过程时，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC达到1.0时，将电网通过PWM整流器和超级电容通过双向DC/DC变换器两者并联运行为变频器提供电能，周而复始地以脉冲的形式由超级电容侧向直流母线侧放电；双向DC/DC变换器的主电路设置双向DC/DC变换器主电路控制装置，通过控制双向DC/DC变换器主电路控制装置的通断来避免双向DC/DC变换器主电路失控过流，以确保储能超级电容充放电过程中电动修井机电控系统安全可靠运行。
8.如权利要求7所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置的控制方法，其特征在于：所述超级电容充电阶段，电动修井机系统正常运行时，母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，在提升且负载所需功率低于网侧所提供的功率或下放油管的间歇期间，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC未达到1.0时，将电网通过PWM整流器作为可控的恒压源，再通过双向DC/DC变换器为超级电容进行恒压充电。
9.如权利要求7或8所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置的控制方法，其特征在于：所述超级电容充电阶段，双向DC/DC变换器的工作过程：当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC未达到1.0时，将电网通过PWM整流器作为可控的恒压源，再通过双向DC/DC变换器为超级电容进行恒压充电，其双向DC/DC变换器采用脉冲宽度调制；在一个脉冲工作周期内，控制器通过电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1和电压传感器SV2采集输入端和输出端的电流和电压信息，控制IGBT开关管VG2导通，IGBT开关管VG1关断，IGBT开关管VG3的控制回路通过直流母线侧电压和超级电容侧电流的反馈信息，控制IGBT开关管VG3关断，使得直流母线侧电流通过IGBT开关管VG2、储能电感L1、IGBT开关管VG3上的二极管D3经由超级电容形成闭合回路；接着控制器控制IGBT开关管VG1、IGBT开关管VG2关断，IGBT开关管VG3控制回路控制IGBT开关管VG3关断，使得电流通过IGBT开关管VG1上的二极管D1、储能电感L1、IGBT开关管VG3上的二极管D3经由超级电容形成闭合回路；周而复始地以脉冲的形式由直流母线侧向超级电容侧充电。
10.如权利要求7所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置的控制方法，其特征在于：所述超级电容放电阶段，电动修井机系统正常运行时，母线侧的直流电压高于超级电容侧的直流电压，在提升油管且负载所需功率高于网侧所提供的功率的过程时，当控制器判断储能设备超级电容的荷电状态SOC达到1.0时，将电网通过PWM整流器和超级电容通过双向DC/DC变换器两者并联运行为变频器提供电能。
11.如权利要求7或10所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置的控制方法，其特征在于：所述超级电容放电阶段，双向DC/DC变换器的工作过程：双向DC/DC变换器采用脉冲宽度调制PWM；在一个工作周期内，控制器通过电流传感器SC1、电流传感器SC2、电压传感器SV1和电压传感器SV2采集输入端和输出端的电流和电压信息，控制IGBT开关管VG1导通和IGBT开关管VG2关断，IGBT开关管VG3的控制回路通过直流母线侧电压和超级电容侧电流的反馈信息，控制IGBT开关管VG3导通，使得超级电容侧电流通过IGBT开关管VG3、储能电感L1和IGBT开关管VG1形成闭合回路；接着控制器控制IGBT开关管VG1和IGBT开关管VG2关断，IGBT开关管VG3的控制回路控制IGBT开关管VG3导通，使得电流通过IGBT开关管VG3、储能电感L1、IGBT开关管VG2上的二极管D2经由直流母线形成闭合回路；周而复始地以脉冲的形式由超级电容侧向直流母线侧放电。
12.如权利要求7所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置的控制方法，其特征在于：所述电动修井机系统运行中，当系统母线电压故障时，母线侧的直流电压低于超级电容侧的直流电压，双向DC/DC变换器的主电路设置有双向DC/DC变换器主电路控制装置，通过关断双向DC/DC变换器主电路控制装置的IGBT开关管VG3，来避免电动修井机储能超级电容充放电控制装置失控过流。
13.如权利要求7所述的电动修井机储能超级电容充放电控制装置的控制方法，其特征在于：所述双向DC/DC变换器主电路与双向DC/DC变换器主电路控制装置以n重回路并联连接方式接入电动修井机电控系统，n重n相双向DC/DC变换器用以满足电动修井机的功率需求。
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