CN108730104B - 井下发电系统及其优化功率控制方法 - Google Patents

井下发电系统及其优化功率控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108730104B
CN108730104B CN201710271102.0A CN201710271102A CN108730104B CN 108730104 B CN108730104 B CN 108730104B CN 201710271102 A CN201710271102 A CN 201710271102A CN 108730104 B CN108730104 B CN 108730104B
Authority
CN
China
Prior art keywords
generator
voltage
turbine
optimized
load
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710271102.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108730104A (zh
Inventor
陈云铮
薛明
毛赛君
廖懿
祁雪乐
斯图尔特·布莱克·布拉泽尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Priority to CN201710271102.0A priority Critical patent/CN108730104B/zh
Priority to US16/608,009 priority patent/US11454094B2/en
Priority to EP18790795.1A priority patent/EP3615768B1/en
Priority to PCT/US2018/029057 priority patent/WO2018200463A1/en
Priority to CA3061150A priority patent/CA3061150C/en
Priority to BR112019022199-9A priority patent/BR112019022199B1/pt
Publication of CN108730104A publication Critical patent/CN108730104A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108730104B publication Critical patent/CN108730104B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B41/00—Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00
    • E21B41/0085—Adaptations of electric power generating means for use in boreholes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/02—Adaptations for drilling wells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/102—Parallel operation of dc sources being switching converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/70—Application in combination with
    • F05B2220/706—Application in combination with an electrical generator
    • F05B2220/7062—Application in combination with an electrical generator of the direct current (D.C.) type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/20—Purpose of the control system to optimise the performance of a machine
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/10—Special adaptation of control arrangements for generators for water-driven turbines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

本发明公开一种井下发电系统，其包括涡轮发电机系统。涡轮发电机系统包括涡轮机、与涡轮机连接并具有AC‑DC整流器的发电机以及优化功率控制单元。涡轮机由井下流体的流动驱动旋转。发电机将来自涡轮机的旋转能转换为电能并输出直流电压。涡轮发电机系统通过优化功率控制单元连接到负载。优化功率控制单元控制去调节发电机的输出电压，并将调节后的输出电压提供给负载，从而使得涡轮发电机系统具有优化的功率输出。本发明还公开了一种用于井下发电系统的优化功率控制方法。

Description

井下发电系统及其优化功率控制方法
技术领域
本发明大体涉及发电系统，尤其涉及一种井下发电系统及一种用于井下发电系统的优化功率控制方法。
背景技术
井下钻探或传感系统被使用在油气勘探和生产井中。一些用于压裂监控和长期生产监测的井下传感器、井下数据通讯模块以及其他井下负载经常被应用于井下钻探或传感系统中用于执行其各自的功能。这些井下负载需要功率来运转。在本领域中众所周知的是使用涡轮发电机系统。利用井下流体的流动，例如生产流体来驱动涡轮发电机系统的涡轮机旋转并产生旋转能。涡轮发电机系统使用发电机将来自涡轮机的旋转能转换为电能，因此能够将功率提供给这些井下负载。
然而，井下具有非常恶劣的环境，例如高温、高压和泥沙堆积。而且，由于井下流体的复杂性和井下流体的流动的多变性，井下流体的流量并不是恒定的。在涡轮发电机系统由具有不同流量的井下流体驱动的条件下，涡轮发电机系统将具有不同的输出特性。
因此，有鉴于此，一种如何优化涡轮发电机系统在井下流体的任一流量下的功率输出的需求正变得越来越迫切。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种井下发电系统。所述井下发电系统包括涡轮发电机系统。所述涡轮发电机系统包括涡轮机、与所述涡轮机连接并具有AC-DC整流器的发电机以及优化功率控制单元。所述涡轮机由井下流体的流动驱动以旋转。所述发电机将来自所述涡轮机的旋转能转换为电能并输出直流电压。所述涡轮发电机系统通过所述优化功率控制单元连接到负载。所述优化功率控制单元控制以调节所述发电机的输出电压，并将调节后的输出电压提供给所述负载，从而使得所述涡轮发电机系统具有优化的功率输出。
本发明的另一个方面在于提供一种用于井下发电系统的优化功率控制方法。所述优化功率控制方法包括：经由一个或多个涡轮发电机系统中的一个或多个涡轮机收集来自井下流体的流动中的动能；通过所述一个或多个涡轮发电机系统中的具有AC-DC整流器的一个或多个发电机将来自所述一个或多个涡轮机的一个或多个旋转能转换为一个或多个电能，并输出一个或多个直流电压；控制以调节所述一个或多个发电机中的每一个的输出电压；以及将每一个发电机的调节后的输出电压提供给负载，从而使得所述一个或多个涡轮发电机系统中的每一个具有优化的功率输出。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1是使用涡轮发电机系统的井下发电系统的示意图；
图2是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的输出功率相对于转速的特性曲线；
图3是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的输出电压相对于转速的特性曲线；
图4是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的输出功率相对于输出电压的特性曲线；
图5是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的输出功率相对于输出电压与开路电压的比的特性曲线；
图6是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的系统效率相对于输出电压与开路电压的比的特性曲线；
图7是根据本发明的一个具体实施方式的井下发电系统的示意图；
图8是图7所示的井下发电系统在优化功率控制(OPC)单元断开涡轮发电机系统与负载的连接时的示意图；
图9是图7所示的井下发电系统在OPC单元重新连接涡轮发电机系统与负载时的示意图；
图10是用于解释优化功率控制过程的示意图；
图11是根据本发明的另一个具体实施方式的井下发电系统的示意图；
图12是根据本发明的一个具体实施方式的用于井下发电系统的优化功率控制方法的流程图；
图13示出在一种情况下如何控制以调节图12所述的发电机的输出电压的步骤；及
图14示出在另一种情况下如何控制以调节图12所述的发电机的输出电压的步骤。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，指示特定位置的术语，例如“顶”、“底”、“左”及“右”等，仅仅只是参考特定附图所做的描述。本发明所披露的各个具体实施方式可以是以本发明附图所示的不同方式放置。因此，在本文中所使用的位置术语并不应局限于特定具体实施方式所示的位置。
用于优化功率控制的电压比的定义
图1示出井下发电系统的示意图。如图1所示，井下发电系统使用涡轮发电机系统1为负载300提供输出功率Pload。涡轮发电机系统1可以由井下流体的流动驱动以旋转并输出DC(Direct Current，直流)电压Vload到负载300。
因为井下流体在井下的流动可能会随着时间变化，在不同时间，涡轮发电机系统1可能是由具有不同流量F的井下流体驱动以旋转，并且可能具有不同的转速N。
图2示出了涡轮发电机系统1在井下流体的不同流量F下的输出功率Pload相对于转速N的特性曲线。如图2所示，在500GPM(Gallons Per Minute，加仑/分钟)和700GPM的流量下，涡轮发电机系统1分别具有不同的输出功率-转速(Pload-N)曲线。涡轮发电机系统1在不同流量F下的最大功率输出点是不同的。
图3示出了涡轮发电机系统1在井下流体的不同流量F下的输出电压Vload相对于转速N的特性曲线。如图3所示，在500GPM和700GPM的流量下，涡轮发电机系统1分别具有不同的输出电压-转速(Vload-N)曲线。在图3中，V0表示当涡轮发电机系统1与负载300断开连接时涡轮发电机系统1的开路电压。涡轮发电机系统1的开路电压V0被定义为涡轮发电机系统1在与负载300断开连接之后的恒定的空载电压。
基于图2与图3，可以绘制出在500GPM和700GPM的流量下涡轮发电机系统1的输出功率Pload相对于输出电压Vload的特性曲线，如图4所示。从图4可以看出，在井下流体的不同流量F下，涡轮发电机系统1分别具有不同的输出功率-输出电压(Pload-V1oad)曲线。此外，从图4中可以发现，对于井下流体的给定流量F，可以通过调节涡轮发电机系统1的输出电压Vload来改变涡轮发电机系统1的输出功率Pload。
从图4中，本申请的申请人发现，对于井下流体的任何流量F，涡轮发电机系统1的输出电压Vload与涡轮发电机系统1的开路电压V0的比(简称为电压比)R是固定的。
Figure BDA0001277411140000051
因此，基于图4，可以绘制出在500GPM和700GPM的流量下涡轮发电机系统1的输出功率Pload相对于电压比R的特性曲线，如图5所示。从图5可以看出，可以通过电压比R来控制涡轮发电机系统1的输出功率Pload。此外，如图5中的虚线所示，涡轮发电机系统1在500GPM和700GPM的流量下的最大输出功率点都对应相同的电压比Ropc(例如在本例中为大约0.58)。尽管图5仅使用500GPM和700GPM的两个流量被示出，但是对于井下流体的任何流量F，对应于涡轮发电机系统1的最大输出功率点的该电压比Ropc都是恒定的。
此外，基于图4，可以绘制出在500GPM和700GPM的流量下涡轮发电机系统1的系统效率E相对于电压比R的特性曲线，如图6所示。
Figure BDA0001277411140000052
在以上的公式(2)中，E表示涡轮发电机系统1的系统效率，Pin表示涡轮发电机系统1的输入功率。从图6可以看出，也可以用电压比R来控制涡轮发电机系统1的系统效率E。此外，如图6中的虚线所示，涡轮发电机系统1在500GPM和700GPM的流量下的最大系统效率点都对应于相同的电压比Ropc(例如在本例中为大约0.75)。尽管图6仅使用500GPM和700GPM的两个流量被示出，但是对于井下流体的任何流量F，对应于涡轮发电机系统1的最大系统效率点的该电压比Ropc都是恒定的。
尽管图2至图6仅使用井下流体的两个流量来示例，但是上述的结论对于涡轮发电机系统1的不同操作条件，即井下流体的任何流量F都是有效的。
因为涡轮发电机系统1的优化功率控制以涡轮发电机系统1的最大功率输出或涡轮发电机系统1的最大系统效率为目标，所以对应于图5中的涡轮发电机系统1的最大输出功率点的电压比或者对应于图6中的涡轮发电机系统1的最大系统效率点的电压比，可以被定义为用于涡轮发电机系统1的优化功率控制的电压比(也被称为优化电压比)Ropc。
井下发电系统的第一具体实施方式
图7示出了根据本发明的一个具体实施方式的井下发电系统100的示意图。井下发电系统100包括涡轮发电机系统1，涡轮发电机系统1可以将功率提供负载300。负载300可以例如包括诸如温度和压力传感器和流量传感器的传感器，或者数据通讯模块。涡轮发电机系统1包括涡轮机11以及与涡轮机11连接并具有AC-DC(Alternating Current-DirectCurrent，交流-直流)整流器13的发电机12。涡轮机11可由井下流体的流动驱动以旋转。发电机12可以将来自涡轮机11的旋转能转换为电能并输出DC(Direct Current，直流)电压。
本发明的井下发电系统100还包括优化功率控制(Optimized Power Control，OPC)单元2。涡轮发电机系统1通过OPC单元2连接到负载300。OPC单元2可以控制以调节发电机12的输出电压并将调节后的输出电压Vr提供给负载300，从而使得涡轮发电机系统1具有优化的功率输出。OPC单元2可以通过硬件、软件或其组合来实现。优化功率输出以涡轮发电机系统1的最大功率输出或涡轮发电机系统1的最大系统效率为目标。
以下将结合参照图8和图9来详细解释说明OPC单元2是如何控制以调节发电机12的输出电压，从而使得涡轮发电机系统1具有优化的功率输出。
参考图8和图9，OPC单元2可以包括开关21、电压测量装置22和DC-DC电压调节器23。OPC单元2可以有规律地断开发电机12与负载300的连接。如图8所示，开关21被断开，然后OPC单元2的电压测量装置22测量在断开连接之后发电机12的输出电压。接下来，OPC单元2将发电机12与负载300重新连接。如图9所示，开关21被接通，然后OPC单元2的DC-DC电压调节器23调节发电机12的输出电压等于发电机12的测量到的输出电压乘以预定义用于涡轮发电机系统1的优化功率控制的电压比(即优化电压比)Ropc。
Vr＝Vm×Ropc (3)
在以上的公式(3)中，Vm表示发电机12的测量到的输出电压，Vr表示发电机12的调节后的电压。
优化电压比Ropc等于在井下流体的任一流量下发电机12的优化功率控制(OPC)电压与发电机12的开路电压的比。发电机12的OPC电压被定义为涡轮发电机系统1在井下流体的任一流量下具有优化功率输出的电压。
Figure BDA0001277411140000071
在以上的公式(4)中，Vopc表示发电机12的OPC电压。例如，Vopc可以表示对应于在井下流体的任一流量下的最大功率输出的发电机12的电压，或者Vopc可以表示对应于在井下流体的任一流量下的最大系统效率的发电机12的电压。
用于涡轮发电机系统的优化功率控制的电压比，即优化电压比Ropc对于井下流体的不同流量都是恒定的。
以下将以涡轮发电机系统1的最大功率输出来作为涡轮发电机系统1的优化功率输出的说明性示例来描述。
因此，只要预先测量出发电机12的开路电压V0和对应于井下流体的任一流量下涡轮发电机系统1的最大功率输出的发电机12的OPC电压Vopc，便可以从公式(4)容易地预先获得优化电压比Ropc。
由于在发电机12与负载300断开连接之后，发电机12的输出电压并不能立即达到发电机12的开路电压V0，这需要一段时间，所以在断开连接之后测量发电机12的输出电压可以包括如下两种情况。
在发电机12与负载300断开连接达到足够长的时间从而使得发电机12具有恒定的空载电压的情况下，OPC单元2的电压测量装置22可以测量发电机12的开路电压V0。发电机12的开路电压V0被定义为在断开连接之后发电机12的恒定的空载电压。在这种情况下，在OPC单元2将发电机12与负载300重新连接之后，OPC单元2的DC-DC电压调节器23可以调节发电机12的输出电压等于发电机的测量到的开路电压乘以优化电压比Ropc。
Vr＝V0×Ropc (5)
因此，只要测量出在井下流体的该流量下发电机12的开路电压V0，并且预先给定优化电压比Ropc，则可以容易地根据公式(5)计算出发电机12的调节后的电压Vr。
然而，当发电机12与负载300断开连接仅有较短的时间(例如预定的断开时间Tcutoff)时，则发电机12的输出电压还不能达到开路电压V0。在这种情况下，OPC单元2的电压测量装置22可以在预定的断开时间Tcutoff之后测量发电机12的断开电压Vcutoff。预定的断开时间Tcutoff可以取决于涡轮发电机系统1的特性，并且可以预先在OPC单元2中给出。接下来，OPC单元2将发电机12与负载300重新连接，然后，OPC单元2的DC-DC电压调节器23可以调节发电机12的输出电压等于发电机12的测量到的断开电压Vcutoff乘以优化电压比Ropc。
Vr＝Vcutoff×Ropc (6)
因此，只要测量出在井下流体的该流量下发电机12的断开电压Vcutoff，并且预先给定优化电压比Ropc，则可以容易地根据公式(6)计算出发电机12的调节后的电压Vr。
由于预定的断开时间Tcutoff较短，在经过上述的一轮断开连接、测量、重新连接和调节之后，在断开连接之后发电机12的输出电压仍然不能达到开路电压V0。为了在断开连接之后发电机12的输出电压可以达到开路电压V0，OPC单元2可以重复上述断开连接、测量、重新连接和调节的步骤，直到发电机12的测量到的断开电压Vcutoff趋于恒定。因此，在重复以上几轮后，涡轮发电机系统1最终将获得最大功率输出。
图10示出了用于解释说明上述优化功率控制过程的示意图。如图10所示，线①表示发电机12的转矩-转速(T-N)曲线，曲线②表示发电机12的输出功率-转速(Pload-N)曲线。涡轮发电机系统1由具有一定流量的井下流体驱动以运转。起初，发电机12工作在稳定的工作点，例如A点。当开关21断开时，OPC单元2将发电机12与负载300断开连接，此时，发电机12的转速N增加。在预定的断开时间Tcutoff之后，发电机12在例如A’点处运转，测量发电机12在A’点处的断开电压Vcutoff。接下来，开关21被接通。OPC单元2将发电机12与负载300重新连接，调节发电机12的输出电压等于发电机12的测量到的断开电压Vcutoff乘以优化电压比Ropc。然后，发电机12将工作在下一个稳定的工作点，例如C’点。在经过上述一轮后，发电机的工作点从A点改变到C’点。
然后，重复上述断开连接、测量、重新连接和调节的过程。发电机12将重复上述的A->A'->C'的模式，并从稳定的工作点C'改变到另一个稳定的工作点(未标号)。在重复几轮之后，发电机12最终将趋近最大功率输出点C工作。因此，通过OPC单元2的优化功率控制，涡轮发电机系统1将获得最大功率输出。
尽管通过以最大功率输出来作为优化功率输出的一个示例来解释说明OPC单元2的OPC功能，但是OPC单元2的OPC功能能够被类似地应用于涡轮发电机系统1的最大系统效率，而不脱离本发明的实质。
第一具体实施方式的井下发电系统100可以通过OPC单元2的优化功率控制来获得最大功率输出或最大系统效率。
井下发电系统的第二具体实施方式
图11示出了根据本发明的另一个具体实施方式的井下发电系统200的示意图。如图11所示，与第一具体实施方式的井下发电系统100所不同的是，第二具体实施方式的井下发电系统200可以包括多个涡轮发电机系统1。多个涡轮发电机系统1中的多个涡轮机11在物理上被定位成使得一个或多个涡轮机11被暴露于井下流体。井下流体的流动可以驱动一个或多个涡轮机11旋转。多个涡轮发电机系统1可以向负载300提供一个或多个功率。
在第二具体实施方式的井下发电系统200中，因为涡轮机11的多重性可以确保多个涡轮机11中的一个或多个被暴露于多相环境中的井下流体的流动中，因此，这种多涡轮发电配置可以为负载300实现可靠且冗余的电力供应。
此外，由于多个涡轮机11分布在多相环境中，所以多个涡轮机11可由因为各自的不同物理位置而由具有不同流量的井下流体所驱动，并且因此可具有不同的转速。由于多个涡轮发电机系统1的各自涡轮机11的不同物理位置，多个涡轮发电机系统1可以产生不同的电量。所有这些不同的电量能够全部被提供给负载300。由多个涡轮发电机系统1所产生的电量取决于各自的涡轮机11的物理位置。第二具体实施方式的井下发电系统200允许多个涡轮机11中的每一个以不同的转速旋转，并且能够使得由多个涡轮机11中的每一个产生的功率最大化。
多个涡轮发电机系统1中的多个涡轮机11可以分布在井下流体的流动路径周围。作为一个示例，井下流体在套管内流动，并且多个涡轮机11可以间隔地分布在套管的内圆周壁上或靠近套管的中心布置。分布在多相环境中的多个涡轮机11可以确保井下流体的流动可以驱动至少一个涡轮机11运转，并且因此可以为负载300提供冗余且更可靠的电力供应。
当井下流体的流量充足时，井下流体可以充满整个套管，在这种情况下，所有涡轮机11都可以运转，但是多个涡轮机11可以由具有不同流量的井下流体所驱动。例如，因为井下流体可能包括许多杂质，所以井下流体在套管的内顶壁处的流动可以由气体支配，而井下流体在套管的内底壁处的流动可以被沉淀物所阻塞。总之，多相环境中的井下流体的流动可以是不同的。当井下流体的流量较小时，井下流体可能无法填充整个套管，在这种情况下，多个涡轮机11中仅有部分可以运转，并且也可以由具有不同流量的井下流体驱动。本发明的涡轮机11的数量及其分布可以根据井下流体及其流动状况并结合产品成本来合理选择。
第二具体实施方式的井下发电系统200不仅允许多个涡轮机中的每一个能够以不同的转速运转，并能够使得由多个涡轮发电机系统1中的每一个所产生的输出功率最大化或系统效率最大化，而且还允许为负载300实现可靠且冗余的电力供应。
用于井下发电系统的优化功率控制方法
图12示出了根据本发明的一个具体实施方式的用于井下发电系统的优化功率控制方法的流程图。该优化功率控制方法可以应用于第一具体实施方式的井下发电系统100和第二具体实施方式的井下发电系统200。该优化功率控制方法可以包括如下步骤。
如图12所示，在步骤B1中，可以通过一个或多个涡轮发电机系统1中的一个或多个涡轮机11来收集来自井下流体的流动的动能，并且因此可以产生一个或多个旋转能。在具有多个涡轮机11的具体实施方式中，多个涡轮机11可以在物理上被定位成使得一个或多个涡轮机被暴露于井下流体。由于多个涡轮机11的不同物理位置，一个或多个涡轮机11可以由具有不同流量的井下流体所驱动，因此，所产生的一个或多个旋转能可以是不同的。
在步骤B2中，可以通过一个或多个涡轮发电机系统1中的具有AC-DC整流器13的一个或多个发电机12将来自一个或多个涡轮机11的一个或多个旋转能转换为一个或多个电能，并且输出一个或多个DC电压。由于所产生的一个或多个旋转能可以不同，因此，输出的一个或多个DC电压可以具有不同的电压值。
在步骤B3中，可以控制以调节一个或多个发电机12中的每一个的输出电压。
在步骤B4中，可以将每一个发电机12的调节后的输出电压提供给负载300，从而使得一个或多个涡轮发电机系统1中的每一个具有优化的功率输出。该优化的功率输出以每一个涡轮发电机系统1的最大功率输出或最大系统效率为目标。
以下将参照图13和图14来详细描述在图12中的步骤B3中是如何控制以调节每一个发电机12的输出电压。
图13示出了在一种情况下如何控制以调节每一个发电机12的输出电压的步骤。如图13所示，在步骤B311中，将每一个发电机12与负载300断开连接，然后过程进行到步骤B312。
在步骤B312中，在将每一个发电机12与负载300断开连接达到足够长的时间之后，测量每一个发电机12的输出电压。在这种情况下，每一个发电机12的测量到的输出电压为每一个发电机12的开路电压V0。每一个发电机12的开路电压V0被定义为在断开连接之后每一个发电机12的恒定的空载电压。
在步骤B313中，将每一个发电机12与负载300重新连接，然后过程进行到步骤B314。
在步骤B314中，调节每一个发电机12的输出电压等于在步骤B312中测量到的每一个发电机12的开路电压V0乘以预定义用于每一个涡轮发电机系统1的优化功率控制的优化电压比Ropc，如上述公式(5)所示。每一个涡轮发电机系统1的优化电压比Ropc等于在每一个发电机12的任一转速下每一个发电机12的优化功率控制电压Vopc与每一个发电机12的开路电压V0的比。每一个发电机12的优化功率控制电压Vopc被定义为每一个涡轮发电机系统1具有优化功率输出的电压，每一个发电机12的开路电压V0被定义为每一个发电机12的恒定的空载电压。
图14示出了在另一种情况下如何控制以调节每一个发电机12的输出电压的步骤。如图14所示，在步骤B321中，将每一个发电机12与负载300断开连接，然后过程进行到步骤B322。
在步骤B322中，在预定的断开时间Tcutoff之后测量每一个发电机12的断开电压Vcutoff。预定的断开时间Tcutoff可以取决于每一个涡轮发电机系统1的特性。
在步骤B323中，将每一个发电机12与负载300重新连接，然后过程进行到步骤B324。
在步骤B324中，调节每一个发电机12的输出电压等于在步骤B322中测量到的每一个发电机12的断开电压Vcutoff乘以每一个涡轮发电机系统1的优化电压比Ropc，如上述公式(6)所示。
为了使在断开连接之后发电机12的输出电压可以达到开路电压V0，在步骤B324之后，过程将返回到步骤B321并继续重复上述的步骤B321至B324，直到发电机12的测量到的断开电压Vcutoff趋于恒定。
本发明的优化功率控制方法不仅允许多个涡轮机11中的每一个能够以不同的转速运转，并能够使得由多个涡轮发电机系统1中的每一个所产生的输出功率最大化或系统效率最大化，而且为负载300提供可靠且冗余的电力供应。
虽然根据本发明的具体实施方式的用于井下发电系统的优化功率控制方法的步骤被示出为功能块，但是在图12至图14中所示的各个功能块的顺序和各个功能块之间的动作的分离并不意图是限制性的。例如，可以以不同的顺序来执行各个功能块，并且，与一个功能块相关联的动作可以与一个或者多个其它功能块相结合或者可以被细分成多个功能块。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (12)

1.一种井下发电系统，其包括：
涡轮发电机系统，其包括：
涡轮机，其由井下流体的流动驱动旋转；及
发电机，其与所述涡轮机连接并具有AC-DC整流器，其中，所述发电机被配置用于将来自所述涡轮机的旋转能转换为电能并输出直流电压；以及
优化功率控制单元，所述涡轮发电机系统通过所述优化功率控制单元连接到负载，其中，所述优化功率控制单元被配置用于控制去调节所述发电机的输出电压，并将调节后的输出电压提供给所述负载，从而所述涡轮发电机系统具有优化功率输出，
其中，所述优化功率控制单元被配置用于规律地断开所述发电机与所述负载的连接并在断开连接之后测量所述发电机的输出电压，并且，重新连接所述发电机与所述负载并调节所述发电机的输出电压等于所述发电机的所述测量到的输出电压乘以预定义用于优化功率控制的优化电压比；并且
所述优化电压比等于在所述井下流体的任一流量下所述发电机的优化功率控制电压与所述发电机的开路电压的比，所述发电机的所述优化功率控制电压被定义为所述涡轮发电机系统具有优化功率输出的电压，所述发电机的所述开路电压被定义为所述发电机的恒定的空载电压。
2.如权利要求1所述的井下发电系统，其中，所述优化功率控制单元被配置用于断开所述发电机与所述负载的连接并测量所述发电机的所述开路电压，并且，重新连接所述发电机与所述负载并调节所述发电机的输出电压等于所述发电机的所述测量到的开路电压乘以所述优化电压比，所述发电机的开路电压被定义为在断开连接之后所述发电机的恒定的空载电压。
3.如权利要求1所述的井下发电系统，其中，所述优化功率控制单元被配置用于断开所述发电机与所述负载的连接并在预定的断开时间之后测量所述发电机的断开电压，并且，重新连接所述发电机与所述负载并调节所述发电机的输出电压等于所述发电机的所述测量到的断开电压乘以所述优化电压比。
4.如权利要求3所述的井下发电系统，其中，所述优化功率控制单元被配置用于重复所述断开连接、测量、重新连接和调节的步骤直至所述发电机的所述测量到的断开电压趋于恒定。
5.如权利要求1所述的井下发电系统，其中，所述优化电压比对于所述井下流体的不同流量是恒定的。
6.如权利要求1所述的井下发电系统，其中，所述优化功率输出以所述涡轮发电机系统的最大功率输出或最大系统效率为目标。
7.如权利要求1至6中任一项所述的井下发电系统，其中，所述井下发电系统包括多个涡轮发电机系统，每一个涡轮发电机系统包括所述涡轮机，所述发电机和所述优化功率控制单元，所述多个涡轮发电机系统中的所述多个涡轮机在物理上被定位成使得一个或多个涡轮机被暴露于所述井下流体中。
8.如权利要求7所述的井下发电系统，其中，所述一个或多个涡轮机的转速和由所述多个涡轮发电机系统所产生的电量取决于各自的涡轮机的物理位置。
9.一种用于井下发电系统的优化功率控制方法，其中，所述井下发电系统包括一个或多个涡轮发电机系统，每一个涡轮发电机系统包括涡轮机和与所述涡轮机连接并具有AC-DC整流器的发电机，所述优化功率控制方法包括：
经由所述一个或多个涡轮发电机系统中的所述一个或多个涡轮机收集来自井下流体的流动中的动能；
通过所述一个或多个涡轮发电机系统中的一个或多个发电机将来自所述一个或多个涡轮机的一个或多个旋转能转换为一个或多个电能，并输出一个或多个直流电压；
控制去调节所述一个或多个发电机中的每一个的输出电压；以及
将每一个发电机的调节后的输出电压提供给负载，从而使得所述一个或多个涡轮发电机系统中的每一个具有优化的功率输出，
其中，控制去调节每一个发电机的输出电压包括：
规律地断开每一个发电机与所述负载的连接并在断开连接之后测量每一个发电机的输出电压；以及
重新连接每一个发电机与所述负载并调节每一个发电机的输出电压等于每一个发电机的所述测量到的输出电压乘以预定义用于每一个涡轮发电机系统的优化功率控制的优化电压比，
其中，预定义每一个涡轮发电机系统的所述优化电压比等于在每一个发电机的任一转速下每一个发电机的优化功率控制电压与每一个发电机的开路电压的比，每一个发电机的所述优化功率控制电压被定义为每一个涡轮发电机系统具有优化功率输出的电压，每一个发电机的所述开路电压被定义为每一个发电机的恒定的空载电压。
10.如权利要求9所述的优化功率控制方法，其中，在断开连接之后测量每一个发电机的所述输出电压包括测量每一个发电机的所述开路电压，每一个发电机的开路电压被定义为在断开连接之后每一个发电机的恒定的空载电压，以及调节每一个发电机的所述输出电压包括调节每一个发电机的输出电压等于每一个发电机的所述测量到的开路电压乘以每一个涡轮发电机系统的所述优化电压比。
11.如权利要求9所述的优化功率控制方法，其中，在断开连接之后测量每一个发电机的所述输出电压包括在预定的断开时间之后测量每一个发电机的断开电压，调节每一个发电机的所述输出电压包括调节每一个发电机的输出电压等于每一个发电机的所述测量到的断开电压乘以每一个涡轮发电机系统的所述优化电压比。
12.如权利要求11所述的优化功率控制方法，其还包括：
重复所述断开连接、测量、重新连接和调节的步骤直到每一个发电机的所述测量到的断开电压趋于恒定。
CN201710271102.0A 2017-04-24 2017-04-24 井下发电系统及其优化功率控制方法 Active CN108730104B (zh)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710271102.0A CN108730104B (zh) 2017-04-24 2017-04-24 井下发电系统及其优化功率控制方法
US16/608,009 US11454094B2 (en) 2017-04-24 2018-04-24 Downhole power generation system and optimized power control method thereof
EP18790795.1A EP3615768B1 (en) 2017-04-24 2018-04-24 Downhole power generation system and optimized power control method thereof
PCT/US2018/029057 WO2018200463A1 (en) 2017-04-24 2018-04-24 Downhole power generation system and optimized power control method thereof
CA3061150A CA3061150C (en) 2017-04-24 2018-04-24 Downhole power generation system and optimized power control method thereof
BR112019022199-9A BR112019022199B1 (pt) 2017-04-24 2018-04-24 Sistema de geração de energia de fundo de poço e método de controle de energia otimizado do mesmo

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710271102.0A CN108730104B (zh) 2017-04-24 2017-04-24 井下发电系统及其优化功率控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108730104A CN108730104A (zh) 2018-11-02
CN108730104B true CN108730104B (zh) 2020-11-24

Family

ID=63920062

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710271102.0A Active CN108730104B (zh) 2017-04-24 2017-04-24 井下发电系统及其优化功率控制方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11454094B2 (zh)
EP (1) EP3615768B1 (zh)
CN (1) CN108730104B (zh)
BR (1) BR112019022199B1 (zh)
CA (1) CA3061150C (zh)
WO (1) WO2018200463A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2608349B (en) * 2019-05-22 2023-07-05 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Dual turbine power and wellbore communications apparatus
US11391132B2 (en) 2020-05-28 2022-07-19 Saudi Arabian Oil Company Turbine powered electrical submersible pump system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06197549A (ja) * 1992-12-25 1994-07-15 Fuji Electric Co Ltd インバータの出力電圧補償回路
CN1110027A (zh) * 1993-12-28 1995-10-11 三菱电机株式会社 用于控制车辆交流发电机输出的装置
CN102594211A (zh) * 2012-01-19 2012-07-18 北京工商大学 在部分受遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法及跟踪装置
CN102647138A (zh) * 2012-04-20 2012-08-22 中国海洋石油总公司 一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置
CN103683301A (zh) * 2012-08-31 2014-03-26 通用电气公司 用于风力发电机的电压控制系统及方法
WO2015039682A1 (en) * 2013-09-18 2015-03-26 Statoil Petroleum As Voltage regulation for a subsea control system

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3036645A (en) * 1958-12-15 1962-05-29 Jersey Prod Res Co Bottom-hole turbogenerator drilling unit
DE3029523C2 (de) * 1980-08-04 1984-11-22 Christensen, Inc., Salt Lake City, Utah Generator zur Energieversorgung von innerhalb eines Bohrloches angeordneten Verbrauchern
US4740711A (en) * 1985-11-29 1988-04-26 Fuji Electric Co., Ltd. Pipeline built-in electric power generating set
US5517464A (en) * 1994-05-04 1996-05-14 Schlumberger Technology Corporation Integrated modulator and turbine-generator for a measurement while drilling tool
US5839508A (en) * 1995-02-09 1998-11-24 Baker Hughes Incorporated Downhole apparatus for generating electrical power in a well
US5793625A (en) * 1997-01-24 1998-08-11 Baker Hughes Incorporated Boost converter regulated alternator
US6011346A (en) * 1998-07-10 2000-01-04 Halliburton Energy Services, Inc. Apparatus and method for generating electricity from energy in a flowing stream of fluid
US6912142B2 (en) * 2000-01-24 2005-06-28 Massachusetts Institute Of Technology Alternator control circuit and related techniques
US20020089866A1 (en) * 2000-01-24 2002-07-11 Keim Thomas A. Alternator control circuit and related techniques
US6456514B1 (en) * 2000-01-24 2002-09-24 Massachusetts Institute Of Technology Alternator jump charging system
US6672409B1 (en) * 2000-10-24 2004-01-06 The Charles Machine Works, Inc. Downhole generator for horizontal directional drilling
US6717283B2 (en) * 2001-12-20 2004-04-06 Halliburton Energy Services, Inc. Annulus pressure operated electric power generator
US7002261B2 (en) * 2003-07-15 2006-02-21 Conocophillips Company Downhole electrical submersible power generator
GB2405725B (en) * 2003-09-05 2006-11-01 Schlumberger Holdings Borehole telemetry system
US7133325B2 (en) * 2004-03-09 2006-11-07 Schlumberger Technology Corporation Apparatus and method for generating electrical power in a borehole
JP4211715B2 (ja) * 2004-08-23 2009-01-21 株式会社デンソー 車載電源システム
US7687950B2 (en) * 2007-11-27 2010-03-30 Vector Magnetics Llc Drillstring alternator
US7814993B2 (en) * 2008-07-02 2010-10-19 Robbins & Myers Energy Systems L.P. Downhole power generator and method
GB2480588B (en) * 2009-08-18 2014-04-16 Halliburton Energy Serv Inc Apparatus for downhole power generation
US8853879B2 (en) * 2010-02-15 2014-10-07 Schlumberger Technology Corporation System and method for downhole power generation and selective interruption of a magnetic field
MX2015003601A (es) * 2012-09-26 2015-06-05 Halliburton Energy Services Inc Generador impulsado por tuberia de perforacion.
CN104919126B (zh) * 2012-12-28 2017-05-17 哈利伯顿能源服务公司 井下无叶发电机
US9461469B2 (en) 2013-05-31 2016-10-04 Schlumberger Technology Corporation Electrical power grid for a downhole BHA
US9863238B2 (en) * 2013-07-30 2018-01-09 Schlumberger Technology Corporation Submersible electrical machine and method
WO2015041635A1 (en) * 2013-09-17 2015-03-26 Halliburton Energy Services, Inc. Constant velocity device for downhole power generation
US20150091306A1 (en) * 2013-09-30 2015-04-02 National Oilwell Varco, L.P. System and method for downhole power generation using a direct drive permanent magnet machine
BR112016017911A2 (pt) * 2014-03-04 2017-08-08 Halliburton Energy Services Inc Sistema e método para fornecer energia elétrica a uma carga de fundo de poço em um furo de poço, e, estrutura para perfurar uma formação de subsuperfície
CA2957512C (en) * 2014-09-11 2019-04-23 Halliburton Energy Services, Inc. Electricity generation within a downhole drilling motor
US9879506B2 (en) 2014-09-19 2018-01-30 Halliburton Energy Services, Inc. Transverse flow downhole power generator
US9896912B2 (en) * 2015-05-13 2018-02-20 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Active rectifier for downhole applications
US10196921B2 (en) * 2016-06-20 2019-02-05 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Modular downhole generator
CN108736463A (zh) * 2017-04-24 2018-11-02 通用电气公司 井下发电系统及方法
US11414987B2 (en) * 2019-02-21 2022-08-16 Widril As Method and apparatus for wireless communication in wells using fluid flow perturbations

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06197549A (ja) * 1992-12-25 1994-07-15 Fuji Electric Co Ltd インバータの出力電圧補償回路
CN1110027A (zh) * 1993-12-28 1995-10-11 三菱电机株式会社 用于控制车辆交流发电机输出的装置
CN102594211A (zh) * 2012-01-19 2012-07-18 北京工商大学 在部分受遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法及跟踪装置
CN102647138A (zh) * 2012-04-20 2012-08-22 中国海洋石油总公司 一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置
CN103683301A (zh) * 2012-08-31 2014-03-26 通用电气公司 用于风力发电机的电压控制系统及方法
WO2015039682A1 (en) * 2013-09-18 2015-03-26 Statoil Petroleum As Voltage regulation for a subsea control system

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018200463A1 (en) 2018-11-01
EP3615768A1 (en) 2020-03-04
EP3615768B1 (en) 2022-11-16
US20210102444A1 (en) 2021-04-08
US11454094B2 (en) 2022-09-27
BR112019022199A2 (pt) 2020-05-12
CA3061150A1 (en) 2018-11-01
EP3615768A4 (en) 2020-11-18
CN108730104A (zh) 2018-11-02
CA3061150C (en) 2022-04-26
BR112019022199B1 (pt) 2023-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1780860B1 (en) System and method for controlling power flow of electric power generation system
CN104521090A (zh) 用于控制风电场的方法
EP3616313B1 (en) Downhole power generation system and method
CN101630922B (zh) 风能设备逆变器的控制电路与控制方法
CN103718414A (zh) 光伏电压调节
CN104704701A (zh) 线路阻抗补偿系统
CN108730104B (zh) 井下发电系统及其优化功率控制方法
KR100860284B1 (ko) 엔진에 의해 구동되는 발전기를 갖는 전력 시스템
JP2015516790A (ja) 揚水発電所用電気ユニット
Zhou et al. Grid-connected and islanded operation of a hybrid power system
EP2768105A1 (en) Direct current power delivery system and method
EP3457417B1 (en) Control method for protecting transformers
US9407157B2 (en) High voltage DC power conversion system and method of operating the same
US10355629B2 (en) Control method for protecting generators
Blanchard et al. Developing an open access monitoring device for off-grid renewables
Mora-Vazquez et al. Photovoltaic and Wind Turbine Generation System for Constant Power Supply with IoT-Based
WO2018200456A1 (en) Downhole power generation system and method
US8643204B2 (en) Efficient energy conversion devices and methods
EP4398434A1 (en) Method for controlling a power input of a hydrogen production device of a renewable hydrogen power plant, computer program product and renewable hydrogen power plant
Ayala et al. Robust Control Design Solution for a Permanent Magnet Synchronous Generator of a Wind Turbine Model
JP6507382B2 (ja) 太陽光発電システム
Castaldi et al. Artificial Intelligence Tools for Actuator Fault Diagnosis of an Unmanned Underwater Vehicle
Barata Carrelo et al. A 360 kWp PV irrigation system to a water pool in Spain
Hill et al. Continuous, non-linear, optimal speed control of a Distributed Generation Power Pack using Artificial Neural Networks
EP2889516A1 (en) A hydraulic transmission, an operation method thereof and a power generating apparatus of a renewable energy type

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant