CN106165231A - 发电机负载控制 - Google Patents

Abstract

由对负载变化反应较慢的一个或多个电源为用于具有高波动负载的电气系统的电力系统进行供电。电源连接至钻机上使用的电气设备，该电源向发电机提供有源负载。一个或多个负载箱可设置成向发电机提供无源负载，以保持大体恒定的发电机负载，同时随着有源负载增大而允许瞬时取用功率。发电机可以以100％容量、最大有效容量或足够高的水平运行，从而允许输出功率充分快速增大。可以使用钻井作业的至少一个参数来预期负载需求量改变。

Description

发电机负载控制

相关申请的交叉引用

本申请为非临时申请，要求于2014年2月4日提交的第61/935,472号美国临时申请以及于2014年6月11日提交的第62/010,652号美国临时申请的优先权。

技术领域

本公开大体涉及从电源向随时间变化的负载的电力输送，具体地涉及向具有来自对负载变化反应较慢的、一个或多个电源的高波动负载的电气系统供电。

背景技术

在现代钻机中，许多相关联的设备都是电驱动的。对于一些钻机来说，通常使用发电机来为钻机供电。一般来说，当在一定范围内的功率输出内产生功率时，发电机效率最高。在钻孔作业期间，电负载根据钻架处进行动作而会在任意给定时刻发生极大变化。电气设备，包括绞车、泥浆泵、顶部驱动器、转盘等，在使用中会消耗大量功率。由于这些电气设备中每个都是间歇地进行使用，因而钻机在不同时刻消耗的功率会有极大的变化，有时在很短的间隔内从极高变为极低。在其他时刻，钻机设备消耗的功率极小。另外，电负载的快速降低可导致功率峰值，功率峰值可导致钻架和发电机自动停止运转。

发明内容

本公开提供了用于运行电驱动设备的电力系统，其中电驱动设备在工作时使用限定有源负载的电力负载。电力系统可包括发电机，该发电机具有最小有效额定负载。电力系统还可包括负载箱，该负载箱电联接至发电机，且设置成接合时在发电机上提供限定无源负载的功率负载。电力系统还可包括控制器，该控制器设置成接合负载箱并激活无源负载。

本公开还提供了用于控制负载箱的方法。该方法可包括提供用于运行一个或多个电驱动设备的电力系统，其中该一个或多个电驱动设备使用工作时限定有源负载的功率负载。电力系统可包括一个或多个发电机。每个发电机均可具有最小有效额定负载。每个发电机均可电联接至电驱动设备。电力系统还可包括负载箱。负载箱可电联接至发电机，且设置成接合时在发电机上提供限定无源负载的功率负载。电力系统还可包括控制器，该控制器设置成接合负载箱并激活无源负载。该方法还可包括：计算一个或多个发电机的最小总负载；计算一个或多个电驱动设备的总功率需求；根据最小总负载和总功率需求计算负载箱功率需求；以及将负载箱与控制器接合以向发电机提供与负载箱功率需求大体相等的无源负载。

附图说明

当随附图阅读时，从以下详细描述中可以更好地理解本公开。应强调的是，根据本行业中的标准实践，各种特征并未按比例进行描绘。事实上，为了清楚地进行描述，可任意增大或减小各种特征的尺寸。

图1是根据本公开的实施方式的钻机电气系统的框图。

图2是图1的钻机电气系统的功率流图。

图3是根据本公开的实施方式的用于电阻箱的控制系统的框图。

图4是根据本公开的实施方式的用于钻机电气系统的典型启动操作的功率损耗图。

具体实施方式

应理解的是，下文的公开提供了多个不同的实施方式或者示例，以用于实现各种实施方式的不同特征。下面描述组件和布置的具体示例，以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，并且不旨在成为限制。另外，在各个示例中，本公开可以重复使用参考标号和/或字母。这种重复是为了简化和清晰起见，且其本身并不指示所讨论的各种实施方式和/或配置之间的关系。

在一些实施方式中，通过一个或多个发电机为钻机电力系统供电。发电机为钻机上的电气设备以及其他电气系统供电。电气设备可包括，例如但不限于绞车、泥浆泵、顶部驱动器、转盘、动力钳、管旋转装置、用于液压系统的液压泵等。辅助电气系统可包括(不限于)照明设备、计算机系统、控制系统、HVAC单元、一个或多个LNG滑动件等。如受益于本公开的本领域普通技术人员应理解的是，与电气设备不同的是，这些辅助电气系统大体可消耗相对恒定且不随时间改变的量的电功率。

图1示出了根据本公开的实施方式的钻机电气系统100。发电机101可由发动机103进行驱动。在一些实施方式中，发动机103可由液化天然气进行驱动。发电机101可通过供给线路105供给电力，以向钻机电气系统100提供电功率。在一些实施方式中，因为辅助电气系统106的功率需求可保持相对恒定，因而辅助电气系统106可直接联接至供给线路105。在一些实施方式中，由发电机101供给的电力通过一个或多个整流器108进行整流。在图1中，整流器108被描绘成单个二极管，但是受益于本公开的本领域普通技术人员应理解的是，可以使用任意适当的整流器布置，包括但不限于半桥、全桥、单相或多相等。然后，可使用联接至DC电力母线110的输出电力为电气设备供电。电气设备电加载发电机101。在本文中，发电机上的、由电气设备形成的负载被称为“有源负载”。

在一些实施方式中，如图1、图2所示，电气设备可包括泥浆泵107、绞车109和顶部驱动器111。在一些实施方式中，可由相应的逆变器113为电气设备中的每个供电，其中相应的逆变器113能够由一个或多个可变频率驱动(variable frequency drive,VFD)控制器115a、115b进行控制。在图1中，描绘了两个VFD控制器115a、115b，在电力房117与钻机舱119之间分隔开。受益于本公开的本领域普通技术人员应理解的是，钻机无需包括电力房117或钻机舱119。另外，虽然示出了两个VFD控制器115a、115b，但是受益于本公开的本领域普通技术人员应理解的是，可以使用一个或多个VFD控制器115来控制多个逆变器113。逆变器113示出为斩波器，但受益于本公开的本领域普通技术人员应理解的是，在本公开的范围内，可以以任意其他适当的电子组件或电路进行替换。例如，对于三相AC马达来说，相应的逆变器113应是三相逆变器，且可由脉冲宽度调制(PWM)信号进行控制，由本领域所理解的是，该PWM信号由相应VFD控制器115供给。可替代地，对于DC马达来说，逆变器113可由可控硅整流器(silicon controlled rectifier,SCR)驱动器进行驱动，从而供给由SCR控制的可变电压，以向马达提供DC功率。

在一些实施方式中，可利用系统可编程序逻辑控制器(programmable logiccontroller,PLC)121来控制钻机电气系统100的一个或多个元件。如图1所示，PLC 121被设置成控制VFD控制器115a和发电机控制器123。发电机控制器123可通过例如改变发动机103的功率输出来控制发电机101的功率输出，以保持适当的转速。

如本领域中所理解的是，当工作时，诸如泥浆泵107、绞车109和顶部驱动器111的电气设备会使用大量功率。然而，在钻孔作业期间，电气设备中的每件都会间断方式使用，从而导致发电机101上的有源负载随时间变化。例如，在标准(简化的)起出作业期间，可使用绞车109来提升使用钻杆升降机的管柱，因而，消耗了大量通过其对应的逆变器113供给的电力，其中对应的逆变器113由VFD控制器115b进行控制。然后，随着从管柱移除上部管架，绞车109停止，从而消耗极少电力或不耗费电力。然后，绞车109使升降机下降，以接合管柱的顶部，并重复该过程。当下降时，如果使用再生制动或动态制动，则绞车109可将电力返回到钻机电气系统100。因而，在钻孔作业过程中，发电机101上的有源负载可能变化极大。另外，当有源负载快速变化时，发电机101可能不能够供给充足的电力，使得产生电位中断，因为当电力不足时，电气设备会关断。同样地，电压尖峰会损坏电气设备或发电机101本身。

在一些实施方式中，为了调节钻机电气系统100的功率水平，发电机控制器123可通过减少供给至发动机103的燃料或减少对发电机101的激励而降低发电机101的输出功率。在一些实施方式中，发电机控制器123可根据当前的钻具条件关闭一个或多个发电机101。

当产生某一范围的电功率时，发电机101可最有效地工作。同样地，当电加载时，发电机101可最有效地工作。因而，可存在发电机101能够有效产生的下限功率输出，且可存在允许发电机101有效和安全地操作的电加载的下限。另外，因为开启和关闭发电机101会需要大量时间和/或燃料，所以在标准钻孔作业期间完全关断一个或多个发电机101可能效率较低。另外，因为有源负载可能由于例如在上述启动作业的不同步骤中使用绞车109而快速增大，所以改变发动机103的功率输出以改变发电机101的功率输出所需的时间可能导致可用于绞车109的功率不足。

发动机103的功率输出可通过改变供给至发动机的燃料的量进行控制，以保持发电机101的转速。然而，随着有源负载的急剧变化，发动机103，包括由LNG或管道气提供动力的发动机103，可能不能足够快速地响应以保持发电机转速。可通过例如令移动通过燃料管路的燃料、压缩更大量的燃料以及对用于发动机的燃料进行再汽化来减慢供给至发动机的燃料量的变化。如本领域中所理解的是，如果已经以超过某一负载水平运行，则发动机103可能能够更快速地改变功率输出。在本公开的一些实施方式中，发电机101可以以相对恒定的功率输出操作，处于或接近最小有效功率输出水平。因而，在这样的实施方式中，发动机可更有能力应对有源负载的快速增大。

在一些实施方式中，发电机可以以与如由发电机的设计方案和说明书中规定的最大功率输出效率相对应的功率输出水平进行操作。在一些实施方式中，发电机可以以最大功率输出操作，以例如使钻机可用的瞬时功率达到最大。

在一些实施方式中，为了令发电机101的功率负载大体保持平均，或者为了减小负载波动，可将一个或多个负载箱125连接至发电机101。在一些实施方式中，负载箱125可通过负载箱逆变器127电联接至发电机101。在一些实施方式中，如本领域中理解的是，逆变器127可以是斩波器且可连接至DC电力母线110。在一些实施方式中，逆变器127可以是联接至AC电力母线的AC变换器。如本领域中理解的是，负载箱125可以设置成通过向发电机电源增加所谓的“无源负载”来消耗发电机101产生的电功率。虽然在钻机工作期间未如其他电气设备一样由钻机电气系统100直接使用，但是无源负载可用于平衡有源负载的变化。因而，发电机101可在大体恒定的载荷下操作，并且可以使负载波动最小化。在一些实施方式中，如图1中所示，负载箱125可包括电阻性元件，该电阻性元件被设置成通过将电能转换成热而提供无源负载。在其他的实施方式中，负载箱125可以是用于为马达/发电机组供电或用于为电池充电的任意其他负载箱，例如包括且不限于，适合于应用一个或多个以下负载的负载箱125：电阻性负载、电感性负载、液体负载(由例如泵和扼流器提供)、风阻负载、再生负载(可将电力供给至诸如公用电网的独立电网)、电容性负载，或惯性负载(诸如飞轮)。由PLC 121控制的VFD控制器115a控制负载箱逆变器127，以通过向负载箱125供给电功率而为发电机101提供无源负载，从而通过增加无源负载来允许发电机101以高效的功率输出进行操作，不论来自钻机上的其他电气设备的有源负载如何。另外，任何消极的有源负载，诸如由绞车109的动态制动产生的功率，同样可由负载箱125进行消耗。

在负载箱125中使用电阻性元件的一些实施方式中，可通过以下等式给出负载箱125消耗的总功率：

$\left(1\right)---P_d=3\·N_B\·M\·\frac{V_{dc}^2}{R},$

其中，P_d为作为无源负载消耗的功率，N_B为三相负载箱的数量，R为每一相电阻，以及M为在0至1之间变化的占空比。如本领域中所理解的是，占空比指的是PWM控制系统中负载箱连接时的时间分数。因而，PWM控制系统允许负载箱125成比例地消耗载箱125的全功率消耗能力的0％-100％之间的任何功率水平。在示例性钻机电气系统100中，每个负载箱125均可包括三个2Ω电阻，每个2Ω电阻均具有300kW的额定功率和400kW峰值。因而，每个负载箱125的连续定额为900kW，并且每个负载箱125的峰值为1200kW。因而，如果在钻机电气系统100中包括三个负载箱125，则总的持续定额消耗功率和峰值消耗功率分别为2.7MW和3.6MW。受益于本公开的本领域技术人员应理解的是，可以将类似的等式写成公式以用于任意其他类型的负载箱，并且作为无源负载消耗的功率会同样取决于占空比。

举例来说，在操作期间，DC母线110上的电压可以为例如780V。因而，根据等式(1)，负载箱125可提供零至2737kW的功率消耗。因而，对于包括三个发电机101的钻机电气系统100来说，用于每个发电机101的最小有效额定负载可以高达约900kW。

然而，还可通过负载箱125消耗掉由如前文所述的绞车109的动态制动产生的附加功率。因而，可通过以下等式计算总的发电机负载：

(2)L_G，Total＝P_d+L_aux-P_DW，

其中L_G,Total为总的发电机负载，L_AUX为辅助电气系统106的负载，以及P_DW为动态制动期间由绞车109产生的功率。等式(2)可以用来确定最大功率，其中在保持用于发电机101的最小有效额定负载，且在发电机101上保持大体恒定的负载的同时，该最大功率可以由绞车109再生。根据有源发电机101的数量，可能有必要在减速时以更低的缓变率操作绞车109，以确保不超过最大再生功率。

在一些实施方式中，PLC 121或单独的控制器可确定无源负载的量，从而用负载箱125施加。如图3中所示，总最小发电机负载201可通过以最小发电机负载203乘以发电机在线的数量205来计算。从总的最小发电机负载201中减去如由发电机控制器供给的实际发电机负载207，以产生差分功率误差信号，控制器209使用差分功率误差信号来计算最小DC链路功率211。控制器209可以是PLC 121或单独的控制器的一部分。可通过限制器213将最小DC链路功率211限制在零至总的最小发电机负载201之间。另外，如本领域中所理解的是，可将最小DC链路功率211输入控制器209中，以例如防止饱和(windup)。

与有源负载相对应的总功率需求214可计算为每件电气设备的功率需量的总和。功率需求包括泥浆泵功率需求215a-215b、顶部驱动器功率需求217和绞车功率需求219a-219b。如前文所述，绞车功率需求219a-219b在动态制动期间可以为负。

在一些实施方式中，控制器209可以是比例积分微分(proportional integralderivative,PID)控制器。受益于本公开的本领域技术人员应理解的是，控制器209可以是能够如所述进行操作的任意控制器，这样的控制器包括但不限于阶跃变化控制器、状态控制器、比例控制器(P)、比例积分控制器(PI)、PID控制器、比例微分控制器(PD)、自适应控制器或预测控制器。在某些实施方式中，除实际发电机负载外，预期负载变化可以基于过程变量，从而形成多变量控制系统。在一些实施方式中，附加的过程变量可包括操作参数，其中操作参数包括，例如但不限于井眼深度、起吊负载、泵压力、泵排量、钻柱长度和钻压，以及对这些操作参数的任意改变或要求的改变。在一些实施方式中，附加的过程变量可包括功率生成和分布参数，包括，例如但不限于电流增大或改变、功率增大或改变，和在线发动机数量，以及对这些功率生成和分布参数的任意要求的改变。作为非限制性示例，可预测的是，处于更大深度的钻头可导致更大的顶部驱动器功率需求217。如另一示例，例如在启动作业期间，较长的钻柱可导致更大的绞车功率需求219a-219b。通过将期望的负载并入到总功率需求214中，可以例如改善控制器209的响应时间。

可从最小DC链路功率211中减去总的功率需求214，以确定负载箱功率需求221或无源负载量，以添加至系统。另外，也可以减去任意的辅助负载。然后，可根据从上述等式1推导出的以下等式使用可负载箱电力需求221来计算(在223处)负载箱占空比225：

$\left(3\right)---M=\frac{P_d\·R}{3\·N_B\·V_{dc}^2}.$

图4示出了如前所述的示例性起出周期期间的功率流。任何所示的值仅用于作为示例而示出，且并不旨在以任何方式进行限制。示出了经过一段时间的发电机功率301(点线)、负载箱功率303(实线)和绞车功率305(虚线)。假设辅助负载为常数300kW，且不会有功率到任何其他的电气设备。另外，将绞车动态制动功率限制为1.5MW。

从时刻0至时刻22，绞车将钻柱升起。绞车使用1900kW，而发电机提供2200kW。由辅助负载消耗300kW的差值，因而负载箱不消耗功率。在时刻22，绞车停止，从而在绞车减速期间产生较大的负电感性功率尖峰和负的(再生)负载。在一些实施方式中，负载箱在100％占空比有源，从而消耗功率尖峰。在一些实施方式中，发电机功率输出可以减小至最小有效功率输出，在这里为1500kW。如果负载箱未激活，则从而绞车生成的负功率会使发电机超速。该事件可触发会令发电机停止的发电机安全电路，从而导致中断。

一旦电感性尖峰被消耗掉且绞车已停止，则使用负载箱来消耗来自发电机的多余功率。计算负载箱占空比，以使得负载箱消耗掉1200kW。

在时刻70，绞车开始令升降机下降，从而使得负功率在一段时间伴随感性功率尖峰，该段时间一直持续到绞车停止为止。令负载箱无效，且增加发电机的输出，以供给充足的功率，从而吸收电感性尖峰。尖峰之后，随着绞车下降，绞车的动态制动产生了300kW的功率。改变负载箱占空比，以使负载箱消耗掉1500kW的功率。然后，绞车停止，再次导致较大的负电感性尖峰，再次由负载箱来消耗。因而，在时刻90之后，绞车不汲取功率，发电机产生1500kW，且负载箱消耗1200kW，再次为发电机输出与辅助负载之间的差值。

上文概括了多个实施方式的特征，以使得本领域普通技术人员可更好地理解本公开的各方面。这些特征可由很多等同替代选择中的任意一个取代，在本文中仅公开了其中的一些。本领域普通技术人员应理解的是，他们可以很容易地使用本公开作为设计或改变其他过程和结构的基础，以完成相同的目的和/或实现本文所介绍的实施方式的相同优势。本领域普通技术人员还应了解的是，这种等同结构未背离本公开的精神和范围，并且他们可在没有背离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变、替换以及变形。

Claims (22)

1.一种用于运行电驱动设备的电力系统，其中所述电驱动设备使用在工作时限定有源负载的电力负载，所述电力系统包括：

发电机，所述发电机具有最小有效额定负载，所述发电机电联接至所述电驱动设备；

负载箱，所述负载箱电联接至所述发电机，且设置成在接合时在所述发电机上提供限定无源负载的电力负载；以及

控制器，设置成接合所述负载箱并激活所述无源负载。

2.如权利要求1所述的电力系统，其中，所述负载箱适于提供电阻性负载、电感性负载、液体负载、风阻负载、再生性负载、惯性负载或电容性负载中的一个或多个，或者适于提供负载以为电池充电或适于运行马达/发电机组。

3.如权利要求1所述的电力系统，其中，所述负载箱经由逆变器电联接至所述发电机，所述逆变器由所述控制器控制，以增大或减小连接至所述发电机的所述无源负载的量。

4.如权利要求3所述的电力系统，其中，所述逆变器联接至变频驱动器，所述变频驱动器具有DC链路，以使所述负载箱从所述DC链路汲取功率。

5.如权利要求3所述的电力系统，其中，通过由所述控制器发送的PWM信号驱动所述逆变器，以及通过所述逆变器的占空比确定所述无源负载。

6.如权利要求5所述的电力系统，其中，所述PWM信号的所述占空比从所述负载箱的负载容量的0％至100％按比例控制所述负载箱的无源负载。

7.如权利要求5所述的电力系统，其中，所述负载箱还包括一个或多个三相电阻性负载箱，并且根据下式计算所述占空比：

$M=\frac{P_d\·R}{3\·N_B\·V_{dc}^2},$

其中P_d为消耗的功率，N_B为所述负载箱的数量，R为所述三相电阻性负载箱的每一相电阻，以及M为所述逆变器的占空比。

8.如权利要求1所述的电力系统，其中，所述电驱动设备为能够动态制动的电马达，从而通过所述负载箱消耗产生的功率。

9.如权利要求3所述的电力系统，其中，所述逆变器包括斩波器。

10.如权利要求1所述的电力系统，其中，所述控制器为阶跃变化控制器、状态控制器、比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器、比例微分控制器、自适应控制器或者预测控制器。

11.如权利要求10所述的电力系统，其中，用于所述控制器的过程变量为实际的发电机功率负载。

12.如权利要求11所述的电力系统，包括用于所述控制器的附加变量，所述附加变量从包括以下变量的组中选择：井眼深度、起吊负载、泵压力、泵速、钻柱长度、钻压、电流的增大或变化、功率的增大或变化以及在线发动机数量，或者以上变量的任意变化或要求的变化。

13.一种用于控制电阻箱的方法，所述方法包括：

提供用于运行一个或多个电驱动设备的电力系统，其中所述一个或多个电驱动设备使用操作时限定有源负载的功率负载，所述电力系统包括：

一个或多个发电机，每个发电机都具有最小有效额定负载，所述每个发电机都电联接至所述电驱动设备；

负载箱，所述负载箱电联接至所述发电机，并设置成当接合时在所述发电机上提供限定无源负载的功率负载；以及

控制器，设置成接合所述负载箱并激活所述无源负载；

计算所述一个或多个发电机的最小总负载；

计算所述一个或多个电驱动设备的总功率需求；

根据所述最小总负载和所述总功率需求计算负载箱功率需求；以及

使所述负载箱与所述控制器接合，以向所述发电机提供与所述负载箱功率需求大体相等的所述无源负载。

14.如权利要求13所述的电力系统，其中，所述负载箱适于提供电阻性负载、电感性负载、液体负载、风阻负载、再生性负载、惯性负载或电容性负载中的一个或多个，或适于提供负载以为电池充电或适于运行马达/发电机组。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述负载箱经由逆变器电联接至所述发电机，所述逆变器由所述控制器控制以选择性地使所述负载箱连接所述发电机和使所述负载箱从所述发电机断开连接。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述逆变器联接至变频驱动器，所述变频驱动器具有DC链路，以使所述负载箱从所述DC链路汲取功率。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述逆变器通过由所述控制器发送的PWM信号驱动，以及所述无源负载通过所述逆变器的占空比来确定。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述PWM信号的占空比从所述负载箱的负载容量的0％至100％按比例控制所述负载箱的无源负载。

19.如权利要求17所述的方法，其中，所述负载箱还包括一个或多个三相电阻性负载箱，并且根据下式计算所述占空比：

$M=\frac{P_d\·R}{3\·N_B\·V_{dc}^2},$

其中P_d为作为无源负载消耗的功率，N_B为所述负载箱的数量，R为所述三相阻性负载箱的每一相电阻，以及M为所述逆变器的占空比。

20.如权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个发电机的输出功率能够由所述控制器进行控制，以及所述方法还包括：

基于所述总功率需求控制所述一个或多个发电机的功率输出。

21.如权利要求13所述的方法，其中，用于所述控制器的过程变量为实际的发电机负载。

22.如权利要求21所述的方法，包括用于所述控制器的附加变量，所述附加变量从包括以下变量的组中选择：井眼深度、起吊负载、泵压力、泵速、钻柱长度、钻压、电流的增大或变化、功率的增大或变化以及在线发动机数量，或者以上变量的任意变化或要求的变化。