CN112350355A - 基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，包括智能微电网能源管理系统、钻机微电网系统、飞轮储能装置、电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心，智能微电网能源管理系统通过信息流向飞轮储能装置、电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心发送信息，钻机微电网系统通过能源流与电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心进行能量传递，飞轮储能装置与电能变换装置进行能量传递。改善微电网(动力机组)输出特性，将每台机组输出功率的变化率由原90％额定功率限制至25％以内，延长发电机组寿命，减低维修、保养成本，使用飞轮储能或超级电容储能装置能够解决钻机负载与动力电站不匹配的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微电网系统技术领域，特别涉及基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统。
背景技术
自1998年石油电动钻机引进国内以来，使用国产大功率或小功率柴油(燃气)发电机组替代美国卡特系列柴油发电机组一直是石油钻井工程技术人员的追求，为此目的，中石油济南柴油机厂曾成立专题小组，以卡特机组质量性能为目标，进行攻关，但至今未有突破。济柴厂研制的Z12V190型机组，与卡特3512B型机组相比，除国内部分用户勉强接收，大部分用户和国外钻机市场用户并不认可。究其原因，主要在于国产机组在功率突变较大(0％-90％的突加或90％-0％突减)的运行环境下，频繁出现跑、冒、滴、露现象，维修频繁、运行费用增大甚至影响钻进作业，导致用户宁愿使用340万/台的卡特机组、也不愿使用130万/台的济柴机组其它40-50万/台更为便宜型号的机组。另外，由于小型机组功率较小，需要更多台发电机组并网运行，其并网控制、设备安装、频繁搬运等现实要求，前期对小型机组并网建站没有进行更多的研究。
目前电动钻机动力电站配置存在问题如下：
(1)电动钻机动力电站的配置容量大于作业过程中钻机负载需求的最大功率值
(2)组成钻机动力电站的大功率柴油发电机组动态响应时间与钻机负载变化率相比，反应较慢及存在滞后现象。如果用小型柴油发电机组组成动力电站，同样存在动态响应时间与钻机负载变化率相比，反应较慢及存在滞后现象，但整体效果好于大型机组。
(3)钻机动力电站与钻机负载匹配
①功率难匹配：在钻机钻进作业过程中，由于工况不断变化，电站负载功率及瞬态变化率大或者小是无法分离的、是相互交织在一起的。依靠人为的操作电站容量去匹配负载需求，难以实现准确控制。
②动态特性难匹配：
在钻机生产运行过程中，钻机负载变化是随着钻井过程中钻井深度不断增加、提钻滑眼等工况随机变化的、无规律可寻的；柴油发电机组的输出特性在出厂时是已确定的，按照一定的曲线进行的；虽然电站容量大，但响应负载的时间慢和控制滞后，两者的自然匹配是以牺牲电站电网动态特性、缩短机组运行寿命，增加机组运行成本为代价的。
(4)用户使用习惯和电站配置存在问题造成的必然后果。
钻机正常作业中，钻井作业队为降低燃油消耗成本，节省钻井费用，一般动力电站容量根据钻井工况，使用最少数量的柴油发电机组在网运行，使发电机机组经常运行在突加90％或突减90％的机组额定功率，对机组的动态性能提出严苛的要求，严重超过GB2820-90工频柴油发电机组通用技术条件7.10试验方法中的加载方法的条件，既降低了电网动态特性，为钻井作业造成隐患，又易损坏发电机组器件，减低机组运行寿命。鉴于此种情况，只能选择质量性能好的柴油发电机组。
发明内容
本发明的目的在于提供基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，改善微电网(动力机组)输出特性，将每台机组输出功率的变化率由原90％额定功率限制至25％以内，延长发电机组寿命，减低维修、保养成本，使用飞轮储能或超级电容储能装置能够解决钻机负载与动力电站不匹配的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，包括智能微电网能源管理系统、钻机微电网系统、飞轮储能装置、电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心，智能微电网能源管理系统通过信息流向飞轮储能装置、电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心发送信息，钻机微电网系统通过能源流与电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心进行能量传递，飞轮储能装置与电能变换装置进行能量传递。
优选的，智能微电网系统系统还包括发电机组，多个发电机组连接于交流600V母排，交流600V母排引出动力电缆一部分到飞轮储能装置，另一部分到驱动变流器和变压器，变压器经过600/400的变压比将交流600V转化为交流400V通过交流400V母排供给电机控制中心。
优选的，驱动变流器设置三个，每个分部连接DW电机、RT电机、MP电机。
优选的，还包括控制系统，控制系统包括操作显示终端、智能微电网PLC、钻机PLC和交换机，操作显示终端与智能微电网PLC连接，智能微电网PLC通过现场总线与钻机PLC连接，智能微电网PLC还与交换机连接。
优选的，所述交换机通过自动化总线与磁轴承控制器、电机侧变流器、网侧变流器连接。
优选的，还包括控制算法，钻机智能微电网控制系统采用基于绞车功率追踪差值补偿法，调节飞轮储能装置、平滑钻机电网功率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.把多台国产大/小型柴油(燃气)发电机组空载或低载时的剩余动力和下放游车的势能通过双向变流器储存在飞轮储能器内，在需要时(起下钻工况)大功率释放能量，从而平抑负载冲击，改善微电网(动力机组)输出特性，将每台机组输出功率的变化率由原90％额定功率限制至25％以内，延长发电机组寿命，减低维修、保养成本。
2.引入储能装置后，可以利用其可存储能量的功能，对钻机作业过程中的钻具势能和设备惯性势能进行回收利用，降低作业费用，减少了环境污染。
附图说明
图1为本发明智能微电网系统的构成图；
图2为本发明电动钻机动力电缆连接图；
图3为本发明的能量流动图；
图4为本发明的控制系统拓扑图；
图5为本发明的电动钻机应用示例图；
图6为本发明的钻机突加负载功率变化曲线图；
图7为本发明的各种储能技术方案优缺点比较图；
图8为本发明的柴油发电机组25％加载动态特性图；
图9为本发明的放电过程Iq(红色)和Id(绿色)的实时波形图；
图10为本发明的控制流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，包括智能微电网能源管理系统、钻机微电网系统、飞轮储能装置、电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心，智能微电网能源管理系统通过信息流向飞轮储能装置、电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心发送信息，钻机微电网系统通过能源流与电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心进行能量传递，飞轮储能装置与电能变换装置进行能量传递，通过对钻机全部载荷实时管理，利用储能装置可快速放电特性(20MS)，对能量进行调控，弥补发电机组动态性能差的弱点，遇载荷突变时释放存储能量，调节平顺机组运行状态，实现能源有效合理地调度管理。
参阅图2和图3，智能微电网系统系统还包括发电机组，多个发电机组连接于交流600V母排，交流600V母排引出动力电缆一部分到飞轮储能装置，另一部分到驱动变流器和变压器，变压器经过600/400的变压比将交流600V转化为交流400V通过交流400V母排供给电机控制中心。针对石油钻机大功率冲击负载特点，把多台国产大/小型柴油(燃气)发电机组空载或低载时的剩余动力和下放游车的势能通过双向变流器储存在飞轮储能器内，在需要时(起下钻工况)大功率释放能量，从而平抑负载冲击，改善微电网(动力机组)输出特性，将每台机组输出功率的变化率由原90％额定功率限制至25％以内，延长发电机组寿命，减低维修、保养成本。
驱动变流器设置三个，每个分部连接DW电机、RT电机、MP电机。发电机输出的电能驱动DW电机、RT电机、MP电机运转，当钻机负荷需求突然增大时，储能装置释放能量，通过双向变流器将能量输出到600VAC母排，与多台小功率发电机共同供电，以应对钻机负荷的变化。
参阅图4，智能微电网系统系统还包括控制系统，控制系统包括操作显示终端、智能微电网PLC、钻机PLC和交换机，操作显示终端与智能微电网PLC连接，智能微电网PLC通过现场总线与钻机PLC连接，智能微电网PLC还与交换机连接。交换机通过自动化总线与磁轴承控制器、电机侧变流器、网侧变流器连接。实时采集电动钻机负载，钻机电网和飞轮储能装置的参数与状态变化，进行标准化匹配处理后送入PLC输入模块端口进行计算，微电网控制系统由西门子S7-1500系统构成，将信号采集系统采集的各种数据，进行快速计算，并发出指令，协调各部件按预设方案执行，达到对微电网系统的实时控制、动态调节，提高钻机微电网电源质量，确保微电网可靠运行的同时兼顾经济性。操作显示界面使用22寸西门子触摸屏。
智能微电网系统还包括控制算法，钻机智能微电网控制系统采用基于绞车功率追踪差值补偿法，调节飞轮储能装置、平滑钻机电网功率。
参阅图5，利用钻机智能微电网系统的数据监测进行原钻机电网数据采集、处理、在线监测各负载能耗及设备运行状态。I/O采集与计量仪表相联，获取实时数据，通过Profinet通讯方式传送给钻机能源管理系统(EMS)按照控制策略进行钻机电网能量调度。
飞轮储能装置、钻机能源管理系统(EMS)与国产大/小型柴油(燃气)发电机组结合形成钻机智能微电网系统，适用于全系列交、直流电动钻机。与原钻机动力电站的能量交互为交流600V接入形式。
储能装置释能：在钻机载荷突然增大时，飞轮储能装置对电网放电，放电时刻和放电功率跟随采集的电网负载变化数据而按比例进行，确保放电功率不会因放电功率不足和响应滞后，导致频率下降；同时不会放电功率过大，对燃油(气)发电机组造成扰动。
释能控制公式如下：
K：根据电网载荷变化的大小不同而改变
储能装置储能：在动力微电网载荷功率小于额定容量的90％(在网机组容量之和)，或钻具势能回收时，控制储能装置以燃油(气)发电机组组成的微电网可接受的变化率储能。
电网侧储能公式如下：
PFW＝K×PN·FW×n
势能回收储能公式如下：
PFW＝K×PDW×n PFW≤n×250kW
钻机智能微电网控制系统采用基于绞车功率追踪差值补偿法，调节飞轮储能装置平滑钻机电网功率的并网控制流程，控制流程如图10。
基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统的原理如下：
由于钻机作业过程负载功率变化快，动力电站(多台小型发电机组)响应速度慢，电站瞬态输出功率不足，造成电网电压、频率瞬态调整率增大的问题，是原系统设计的固有顽疾，也是造成机组故障率居高不下的主要原因，仅凭目前已有的技术方案改进是难以克服的。钻机突加负载功率变化曲线如图6所示。红线与绿线分别代表发电机组输出功率百分比不同时的功率曲线。图中蓝线与绿线之间的区域即为缺少能量的数量，就是这部分能量缺失，造成钻机频率、电压瞬时调整率过大，机组工作在极端条件下。
鉴于钻机的突加负载时间短(0-3秒之间)，需补偿能量小(3.8KW·H)；柴油发电机组响应时间3-4s，功率输出25％额定；需要引入一种过渡型的能量补偿装置，进行快速的、可控的能量补偿，以弥补动力电网的不足，即引入储能装置，解决柴油发电机组功率输出响应时间和钻井负荷变化之间不协调问题。
储能装置是指通过介质或者设备，利用化学或者物理的方法把能量存储起来，根据应用的需求以特定能量形式释放的过程。储能技术主要有物理储能、电化学储能和电磁储能等三大类。各种储能技术方案优缺点比较如图7。根据各种储能技术的优缺点以及电动钻机运行过程中的负载变化特性，使用飞轮储能或超级电容储能装置能够解决钻机负载与动力电站不匹配的问题。具有如下共同特点：
①快速充/放电特性可快速补偿负载突变需要.
②能量/功率密度大，体积小
③可模块化设计，方便组合使用和维修
④生命周期长达20年。
飞轮储能装置技术指标如下表1：
表1 飞轮储能装置技术指标
| 序号 | 检测项目 | 技术指标 |
| 1 | 充电效率 | 95％ |
| 2 | 放点效率 | 95％ |
| 3 | 充放电切换时间 | ＜20ms |
| 4 | 额定充电功率 | 250kW |
| 5 | 额定放电功率 | 250kW |
| 6 | 储电量 | 3kWh |
| 7 | 轮体自损耗 | ＜1kW |
| 8 | 额定转速 | 10500 |
| 9 | 最高转速 | 11000 |
| 10 | 输出可用储量 | 2.55kWh |
| 11 | 放电深度 | 85％(10500-4000rpm) |
| 12 | 电机运行温度 | ＜120℃ |
可多台飞轮装置并联运行，以增大容量，超级电容储能装置性能指标与飞轮装置一致。
直流SCR电动钻机绞车加载功率、响应时间试验结论：
①从钻机脚踏压下，到电流开始突然增大时间：4s
②从电流开始突然增大，到电流达到最大值上升时间：1.9s
③功率上升从6kW到最大功率494kW，时间：2.2s。
交流VFD电动钻机绞车加载功率、响应时间试验结论：
①从钻机脚踏压下，到电流开始突然增大时间：4s
②从电流开始突然增大，到电流达到最大值上升时间：9s
③功率上升从6kW到最大功率1558kW，时间：10s。
单台柴油发电机组加载功率、响应时间试验结论：
500KW柴油发电机组50％加载动态特性如下表2：
表2 500KW柴油发电机组50％加载动态特性
1000KW柴油发电机组25％加载动态特性如图8。
储能装置充/放电功率、响应时间试验结论：
飞轮放电曲线：放电过程Iq(红色)和Id(绿色)的实时波形如图9，飞轮储能装置放电切换时间5毫秒之内。
1)储能装置的放电时间是毫秒级；钻机负载变化率是秒级的；无论大型或者小型柴油发电机组响应都是秒级，控制电路运算时间一般在10毫秒内(PLC系统运行周期)，所以，通过一体化设计构建的智能微电网，利用储能装置对钻机动力电站进行“削峰填谷”补偿调节，能量流动的时间是可行的。
2)引入储能装置，重新构建电动钻机动力电站，形成智能微电网电站，既可以降低柴油发电机组输出功率变化率，也可以满足钻机负载快速加载的需要。
3)通过合理的控制技术，可以达到大/小型柴油(燃气)发电机组按各种不同机组的不同参数，配置系统，使机组输出功率限制在25％以内，达到保护机组，延长机组寿命，降低设备维修成本，提高钻井安全性的目的。
目前国内在用电动钻机850台及海洋平台数量70台，且每年新增钻机50到60台钻机，每台钻机按需用机组3-5台计算，总计需要4000台进口柴油发电机组。卡特柴油发电机组380万/台，国产大型发电机组130万/台，国产小型发电机组60万/台，使用国产小功率或大功率柴油发电机组对新配套电动钻机以及现存电动钻机进行替代进口大型柴油发电机组，可带来明显的经济效益和良好的社会效益，节省费用数以亿计，市场应用前景广阔。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，其特征在于，包括智能微电网能源管理系统、钻机微电网系统、飞轮储能装置、电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心，智能微电网能源管理系统通过信息流向飞轮储能装置、电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心发送信息，钻机微电网系统通过能源流与电能变换装置、钻机负载装置及MCC配电中心进行能量传递，飞轮储能装置与电能变换装置进行能量传递。
2.如权利要求1所述的基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，其特征在于，智能微电网系统系统还包括发电机组，多个发电机组连接于交流600V母排，交流600V母排引出动力电缆一部分到飞轮储能装置，另一部分到驱动变流器和变压器，变压器经过600/400的变压比将交流600V转化为交流400V通过交流400V母排供给电机控制中心。
3.如权利要求2所述的基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，其特征在于，驱动变流器设置三个，每个分部连接DW电机、RT电机、MP电机。
4.如权利要求1所述的基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，其特征在于，还包括控制系统，控制系统包括操作显示终端、智能微电网PLC、钻机PLC和交换机，操作显示终端与智能微电网PLC连接，智能微电网PLC通过现场总线与钻机PLC连接，智能微电网PLC还与交换机连接。
5.如权利要求4所述的基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，其特征在于，所述交换机通过自动化总线与磁轴承控制器、电机侧变流器、网侧变流器连接。
6.如权利要求1所述的基于国产发电机组替代进口发电机组的智能微电网系统，其特征在于，还包括控制算法，钻机智能微电网控制系统采用基于绞车功率追踪差值补偿法，调节飞轮储能装置、平滑钻机电网功率。
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2020
- 2020-08-10 CN CN202010798839.XA patent/CN112350355A/zh active Pending
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