CN113852174A - 一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，属于电源电路控制技术领域，包括柴油机发电机，还包括动力电池组、功率模块和旁路模块，动力电池组提供电能的存储；功率模块完成整流、逆变、充放电功能；旁路模块是功率开关接口，包括来电检测器、切换开关、旁路开关、主电路开关、电容组和操作屏；人工按下启动按钮后，系统上电，控制器工作，发闭合控制继电器的命令，松开按钮后系统仍得电；三相逆变器输出采用三相四线制，N线接于直流支撑电容的中点，N线上设置有切换继电器，常闭触点，利用切换开关的线圈来联动控制，与切换开关互补切换，解决了现有柴油发电机不具备自动充放电转换能力，直接不平衡输出必须带变压器的问题。

Description

一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统
技术领域
本发明属于电源电路控制技术领域，具体涉及一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统。
背景技术
油田钻井队常年在野外工作、野外生活，通常每个队拥有数个集装箱组成工作和生活场所。生活和办公用电由一台68KW的柴油发电机提供。发电机轻载时效率低下、油耗较大、噪音大，不宜24小时连续开。柴油发电机体积大，转运不便，使用维护成本高，影响了队员们的工作效率和生活品质，需要进行改进。
发明内容
本发明提供一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，目的是解决现有柴油发电机供电时不能24小时连续开机、油耗较大、使用维护成本高的问题。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，配合柴油机发电机使用，还包括动力电池组、功率模块和旁路模块，动力电池组提供电能的存储；功率模块完成整流、逆变、充放电功能；旁路模块是功率开关接口，包括来电检测器、切换开关、旁路开关、主电路开关、电容组和操作屏；柴油发电机三相四线制进线通过航空插头接到切换开关上，通过切换开关后接到功率模块上，功率模块输出两根直流线，接到动力电池组，旁路模块是一个互锁三相开关，并联在切换开关前端，直联到发电机输入上。柴油机发电机开时，系统检测到来电，进入充电模式；充电模式时，柴油发电机关闭，系统检测到没电，关机，然后放电开机；柴油发电机机关时，系统检测到没电，进入放电模式；放电模式时，柴油发电机打开，系统检测到来电，关机，然后充电开机；独立移动式油田储能电源系统中，人工按下启动按钮后，系统上电，控制器工作，发闭合控制继电器的命令，松开按钮后系统仍得电；独立移动式油田储能电源系统的三相逆变器输出采用三相四线制，N线接于直流支撑电容的中点，N线上设置有切换继电器，常闭触点，利用切换开关的线圈来联动控制，与切换开关互补切换，充电时，切换开关闭合，切换继电器断开，N线与直流中性点分离，不影响充电功能；放电时，切换开关断开，切换继电器闭合，N线接到直流中性点，防止单相负载时中性点漂移。
进一步地，动力电池组为一组共25度电的动力锂电池，独立移动式油田储能电源系统的控制电由动力电池组提供，在电池继电器的前端，即电池的主电，直接接入功率模块内的辅助电源上，为功率模块控制器和BMS提供控制电。
进一步地，来电检测器是并联于发电机输入端的继电器模块，继电器模块接入到控制板上的干节点，再通过DO数字输入口接到控制器；没电时，继电器模块断开，DO输入为高；来电时，继电器模块闭合，DO输入为低；控制器通过检测DO数字输入口的电平判断是否来电，实现智能检测。
进一步地，功率模块分为前级和后级，前级是AC/DC，包括一个IPM、三相电感和三相交流滤波电容，后级是DC/DC，包括一个IPM、三相电感和三相直流滤波电容组，中间是直流母线，设置有大容量直流支撑电容；功率模块中DC/DC部分的IPM采用三相桥并联技术，充电时，上管与下管的二极管组成BUCK电路，为电池充电；放电时，上管的二极管与下管组成BOOST电路，将电池电压升压到直流母线上。
进一步地，独立移动式油田储能电源系统充电时，电能从发电机到动力电池组，切换开关闭合，发电机的电进入功率模块；前级是整流器，通过IPM三相桥的并联二极管将发电机的三相交流电整流成540V的直流电到直流母线上，后级IPM的三相桥及电感、滤波电容并联成一个BUCK降压电路，后级的控制器是一个电流环，可以按设定的电流给动力电池组充电；同时，发电机的电经过开关模块的自动旁路开关供给负载；放电时，电能从动力电池组到负载，切换开关断开；后级IPM三相桥及电感、滤波电容并联成一个BOOST升压电路，后级控制器是一个电压环，将动力电池组的200V电压升到600V的直流电压到直流母线上；前级IPM工作于逆变状态，生成三相交流电供给负载。
进一步地，独立移动式油田储能电源系统具有动力电池组防过放保护功能，防过放保护算法为：BMS检测动力电池组的单体电压，单体电压小于预设最低电压时认为是过放，延时后断掉电源继电器，控制电断掉，动力电池组不再有任何消耗。
进一步地，预设最低电压为2.7V，断掉电源继电器的延时为2分钟。
进一步地，独立移动式油田储能电源系统的充电PWM发波前设置有一个自举电路的工作过程，给上管驱动的自举充好电，以使正常PWM发波时上管能及时开通，自举即是开通下管，给自举回路充电回路。
进一步地，独立移动式油田储能电源系统采用智能充技术，当SOC≥50％时，慢充；当SOC＜50％时，快充；节省了人工干预时间。
进一步地，独立移动式油田储能电源系统还采用了旁路自切断技术，当设备故障时，不影响用户用发电机供电，系统输出设计联动开关，自动旁路开关与手动旁路开关互补联动，只能择一闭合。
本发明所取得的有益技术效果是：
采用动力电池组并自动切换充放电，可以提供安静且效率高的电源，满足生活和办公用电需求。储能电源自动化运行，无需人工干预。与现有技术相比，实现了24小时供电，静音、节能降耗，不用带变压器也可以带平衡负载，降低了成本。
附图说明
图1是本发明其中一种具体实施例的系统原理图；
图2是本发明其中一种具体实施例的功率模块图；
图3是本发明其中一种具体实施例的控制电原理图；
图4是本发明其中一种具体实施例的自举工作过程流程框图；
图5是本发明其中一种具体实施例的智能切换充放电过程流程框图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明要求保护的范围。
一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统的具体实施例，包括动力电池组、功率模块和旁路模块，本具体实施例中动力电池组为一组共25度电的动力锂电池，提供电能的存储；功率模块完成整流、逆变、充放电功能；旁路模块是功率开关接口，包括来电检测器、切换开关、旁路开关、主电路开关、电容组和操作屏。本具体实施例中油田储能电源系统的系统原理如图1所示，其中功率模块的结构如图2所示。
本具体实施例中来电检测器是并联于发电机输入端的继电器模块，接入到控制板上的干节点，再通过DO数字输入口接到控制器。没电时，继电器模块断开，DO输入为高；来电时，继电器模块闭合，DO输入为低；控制器通过检测此接口电平来判断是否来电，实现智能检测来电。
本具体实施例中功率模块分为前级和后级，前级是AC/DC，由一个IPM和三相电感、三相交流滤波电容组成，后级是DC/DC，也是一个IPM组成和三相电感、三相直流滤波电容组成，中间是直流母线，有大容量直流支撑电容。
本具体实施例中由动力电池组提供控制电，无需外部控制电源，使储能电源可以单独工作，独立带负载。本具体实施例中控制电原理如图3所示，系统的控制电由动力电池组提供，在电池继电器的前端，即电池的主电200V左右，直接接入功率模块内的辅助电源上，为功率模块控制器、BMS提供控制电。
图3中，Btn是一个按钮，Kp是一个继电器。人工按下后，系统上电，控制器工作，发闭合Kp的命令，松开按钮系统仍得电。本具体实施例中Btn还有一个反馈给控制器，再次按下后，控制器断开Kp，则系统失电，目的是起到紧急关机的作用。
本具体实施例中设计了动力电池组防过放保护功能，控制电直接接到动力电池组，在故障、长时间待机等特殊情况下，有可能将动力电池组耗尽，造成动力电池组损坏。本具体实施例中设计的防过放保护算法为：BMS检测动力电池组的单体电压，单体电压小于2.7V认为是过放，定时2分钟后断掉电源继电器，控制电断掉，动力电池组不再有任何消耗。定时2分钟是因为给下次开发电机后有上电开机的时间，可以进行充电，具体时长可根据实际需要进行调整。
本具体实施例中DC/DC部分的IPM采用三相桥并联技术，充电时，上管与下管的二极管组成BUCK电路，为电池充电；放电时，上管的二极管与下管组成BOOST电路，将电池电压升压到直流母线上。这样，AC/DC和DC/DC部分都使用相同型号的IPM，前后级的主电路完全相同，镜像布置，大大简化了设计、调试与维护。
自举电路是给功率管的驱动电源，借用主电路的下管回路，使用少许无源器件即可实现上三管驱动的独立供电。但是充电模式时，上管发波时因为刚开始自举回路未开能，上管驱动没电，造成上管不能开通，不能给电感正向电能，而因为电池有电，再开下管时，相当于电池短路，会造成严重故障。所以，充电PWM发波前要有一个自举电路的工作过程，给上管驱动的自举充好电，以使正常PWM发波时上管能及时开通。自举即是开通下管，给自举回路充电回路。本具体实施例中自举工作过程如图4所示。
本具体实施例不仅用于生活和办公供电，而且是一个小型微网，有大量的单相负载，甚至有可能出现单相满载，另两相空载的情况。三相逆变器输出采用三相四线制，单相不平衡时，会造成中性点的严重漂移，有载一相电压会降低，空载两相电压则会升高至360V，产生烧坏电器的严重后果，必须采取措施解决不平衡时的中性点漂移。
本具体实施例中将N线接于直流支撑电容的中点，抑制中性点漂移问题，N线接于直流支撑电容的中点后，工作于充电模式时，交流有电时，有单相回路，K1一合闸，电容相当于短路，甚至会炸毁IPM。N线保护策略是：设计了N线继电器Kn，常闭触点，利用切换开关K3的线圈来联动控制，与K3互补切换。充电时，K3闭合，Kn断开，N线与直流中性点分离，不影响充电功能；放电时，K3断开，Kn闭合，N线接到直流中性点，防止单相负载时中性点漂移。
本具体实施例中还采用了智能充技术，当SOC≥50％时，慢充；当SOC＜50％时，快充；节省了人工干预时间。
本具体实施例中还采用了旁路自切断技术，当设备故障时，不影响用户用发电机供电，系统输出设计联动开关，自动旁路开关与手动旁路开关互补联动，任何时候只能闭合一个，目的是既可以让发电机单独供电，又能避免因操作失误而引起的故障。
本具体实施例中智能切换充放电逻辑控制如图5所示，按一下门上按钮，系统上电，再点击屏幕上开机即可完成系统开机。根据实际需要，也可以设置为上电自动开机。
本具体实施例中柴油机发电机开时，系统检测到来电，进入充电模式；充电模式时，柴油发电机关闭，系统检测到没电，关机，然后放电开机。柴油发电机机关时，系统检测到没电，进入放电模式；放电模式时，柴油发电机打开，系统检测到来电，关机，然后充电开机。整个过程自动化完成，储能电源开机即进入全自动化运行，不需要人工干预。
充电时，电能从发电机到动力电池组。切换开关闭合，发电机的电进入功率模块。前级是整流器，通过IPM三相桥的并联二极管将发电机的三相交流电整流成540V的直流电到直流母线上。后级IPM的三相桥及电感、滤波电容并联成一个BUCK降压电路，后级的控制器是一个电流环，可以按设定的电流给动力电池组充电；同时，发电机的电经过开关模块的自动旁路开关供给负载。
放电时，电能从动力电池组到负载。切换开关断开。后级IPM三相桥及电感、滤波电容并联成一个BOOST升压电路，后级控制器是一个电压环，将动力电池组的200V左右的电压升到600V的直流电压到直流母线上；前级IPM工作于逆变状态，生成三相交流电供给负载。
本具体实施例所取得的有益技术效果是：
1、储能电源采用动力电池组并自动切换充放电，可以提供安静且效率高的电源，供油田井队进行生活和办公用电。
2、运用来电自动切换技术，使储能电源自动化运行，无需人工干预。
3、采用交错并联技术，与现有技术相比，体积减小了约8％，减少了成本。
4、采用自举电路，减少了独立电源的数量，降低了成本。
5、采用抑制中性点漂移技术及N线保护技术，不用带变压器也可以带平衡负载，大大减少了成本。

Claims (10)

1.一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，配合柴油机发电机使用，其特征在于，包括动力电池组、功率模块和旁路模块，所述动力电池组提供电能的存储；所述功率模块完成整流、逆变、充放电功能；所述旁路模块是功率开关接口，包括来电检测器、切换开关、旁路开关、主电路开关、电容组和操作屏；
柴油发电机三相四线制进线通过航空插头接到切换开关上，通过切换开关后接到功率模块上，功率模块输出两根直流线，接到动力电池组，旁路模块是一个互锁三相开关，并联在切换开关前端，直联到发电机输入上。
柴油机发电机开时，系统检测到来电，进入充电模式；充电模式时，柴油发电机关闭，系统检测到没电，关机，然后放电开机；
柴油发电机机关时，系统检测到没电，进入放电模式；放电模式时，柴油发电机打开，系统检测到来电，关机，然后充电开机；
所述独立移动式油田储能电源系统中，人工按下启动按钮后，系统上电，控制器工作，发闭合控制继电器的命令，松开按钮后系统仍得电；
所述独立移动式油田储能电源系统的三相逆变器输出采用三相四线制，N线接于直流支撑电容的中点，N线上设置有切换继电器，常闭触点，利用切换开关的线圈来联动控制，与切换开关互补切换，充电时，切换开关闭合，切换继电器断开，N线与直流中性点分离，不影响充电功能；放电时，切换开关断开，切换继电器闭合，N线接到直流中性点，防止单相负载时中性点漂移。
2.根据权利要求1所述的一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，其特征在于：所述动力电池组为一组共25度电的动力锂电池，所述独立移动式油田储能电源系统的控制电由动力电池组提供，在电池继电器的前端，即电池的主电，直接接入功率模块内的辅助电源上，为功率模块控制器和BMS提供控制电。
3.根据权利要求2所述的一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，其特征在于：所述来电检测器是并联于发电机输入端的继电器模块，继电器模块接入到控制板上的干节点，再通过DO数字输入口接到控制器；
没电时，继电器模块断开，DO输入为高；来电时，继电器模块闭合，DO输入为低；控制器通过检测DO数字输入口的电平判断是否来电，实现智能检测。
4.根据权利要求3所述的一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，其特征在于：所述功率模块分为前级和后级，前级是AC/DC，包括一个IPM、三相电感和三相交流滤波电容，后级是DC/DC，包括一个IPM、三相电感和三相直流滤波电容组，中间是直流母线，设置有大容量直流支撑电容；
所述功率模块中DC/DC部分的IPM采用三相桥并联技术，充电时，上管与下管的二极管组成BUCK电路，为电池充电；放电时，上管的二极管与下管组成BOOST电路，将电池电压升压到直流母线上。
5.根据权利要求4所述的一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，其特征在于：所述独立移动式油田储能电源系统充电时，电能从发电机到动力电池组，切换开关闭合，发电机的电进入功率模块；前级是整流器，通过IPM三相桥的并联二极管将发电机的三相交流电整流成540V的直流电到直流母线上，后级IPM的三相桥及电感、滤波电容并联成一个BUCK降压电路，后级的控制器是一个电流环，可以按设定的电流给动力电池组充电；同时，发电机的电经过开关模块的自动旁路开关供给负载；
放电时，电能从动力电池组到负载，切换开关断开；后级IPM三相桥及电感、滤波电容并联成一个BOOST升压电路，后级控制器是一个电压环，将动力电池组的200V电压升到600V的直流电压到直流母线上；前级IPM工作于逆变状态，生成三相交流电供给负载。
6.根据权利要求1～5其中任意一项权利要求所述的一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，其特征在于：所述独立移动式油田储能电源系统具有动力电池组防过放保护功能，防过放保护算法为：BMS检测动力电池组的单体电压，单体电压小于预设最低电压时认为是过放，延时后断掉电源继电器，控制电断掉，动力电池组不再有任何消耗。
7.根据权利要求6所述的一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，其特征在于：所述预设最低电压为2.7V，断掉电源继电器的延时为2分钟。
8.根据权利要求1～5其中任意一项权利要求所述的一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，其特征在于：所述独立移动式油田储能电源系统的充电PWM发波前设置有一个自举电路的工作过程，给上管驱动的自举充好电，以使正常PWM发波时上管能及时开通，自举即是开通下管，给自举回路充电回路。
9.根据权利要求1～5其中任意一项权利要求所述的一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，其特征在于：所述独立移动式油田储能电源系统采用智能充技术，当SOC≥50％时，慢充；当SOC＜50％时，快充；节省了人工干预时间。
10.根据权利要求1～5其中任意一项权利要求所述的一种用于野外环境的独立移动式油田储能电源系统，其特征在于：所述独立移动式油田储能电源系统还采用了旁路自切断技术，当设备故障时，不影响用户用发电机供电，系统输出设计联动开关，自动旁路开关与手动旁路开关互补联动，只能择一闭合。
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