CN117458551B - 一种适用于石油钻机的能量管理系统及其控制方法 - Google Patents

一种适用于石油钻机的能量管理系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于石油钻机的能量管理系统及其控制方法，属于石油钻机技术领域，该能量管理系统并接于石油钻机电控系统的直流母线DC‑BUS上，并对发电机输出的电流和电压，以及直流母线电压等参数进行实时采集，在绞车起下钻工况时，通过连接到直流母线DC‑BUS上的双向DC/DC变换器给超级电容充放电，从而控制能量的储存和释放，实现下放钻机的部分势能的回收再利用和平滑发电机的功率输出的功能。

Description

一种适用于石油钻机的能量管理系统及其控制方法
技术领域
本发明属于石油钻机技术领域，尤其涉及一种适用于石油钻机的能量管理系统及其控制方法。
背景技术
目前，在石油钻机上，基本采用柴油机发电机组供电，关于泥浆泵、绞车等设备，大多数采用变频电机驱动，并采用交-直-交变频驱动的方式。在石油钻机完成一定井深的钻井作业后，需要将井内的钻机（钻杆）分成一簇一簇的提出来，然后将套管一段一段的下放到井内完成固井作业，最后再将连接好钻头的钻杆一簇一簇的下放到井内，直到井底，继续进行钻进作业。以上多次反复提升和下放钻机的过程即为起下钻工况。绞车作为石油钻机的提升设备，在起下钻工况时，需带动钻机反复上提和下放，在此过程中，存在以下问题：
（1）当带动钻机下放时，重物的势能由变频电机、变频器转化为电能，回馈到直流母线上，通过连接在直流母线上制动单元和制动电阻，将势能转化为热能消耗掉，导致一定的能量损失；
（2）当绞车带动钻机上提加减速时，瞬时功率变化较大，由于发电机响应较慢，不能及时响应绞车的功率变化，造成发电机冒黑烟、速度波动大等现象，从而导致供电电压和频率的波动，严重时还会导致发电机跳闸停机。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种适用于石油钻机的能量管理系统及其控制方法，解决了上述的问题。
本发明的技术方案为：一种适用于石油钻机的能量管理系统，所述能量管理系统并接于石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上，其包括：
能量管理控制单元，用于采集发电机的电流电压信息，并根据当前超级电容电压以及采集的电流电压信息，对能量的存储和释放进行控制，并监控能量管理系统的运行状态；
双向DC/DC变换器，用于根据能量存储和释放的控制指令，对超级电容进行充放电，所述双向DC/DC变换器连接在石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上；
超级电容组，用于储存与释放能量；所述超级电容组包括多个串联和并联方式组合的超级电容。
本发明的有益效果是：本发明提供的能量管理系统连接到石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上，并对发电机输出的电流和电压，以及直流母线DC-BUS电压等参数进行实时采集，在绞车起下钻工况时，通过连接到直流母线DC-BUS上的双向DC/DC变换器给超级电容充放电，从而控制能量的储存和释放，实现下放钻机的部分势能的回收再利用和平滑发电机的功率输出的功能。
进一步地，所述双向DC/DC变换器包括：
控制器，用于通过数据总线接收能量管理控制单元的充放电指令；
功率变换器，用于根据充放电指令对超级电容进行充放电；
隔离开关，用于断开和接通双向DC/DC变换器和直流母线DC-BUS；
预充电回路，用于将超级电容的电压预充至设置的最低工作电压值；
电抗器，用于平缓充、放电电流。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用双向DC/DC变换器，实现该能量管理系统和石油钻机电控系统之间的能量双向传递，其具有预充电回路，当能量管理系统首次接入到石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上时，能将超级电容电压预充到设置的最低工作电压值。
再进一步地，所述超级电容组包括：
放电回路，用于检修或断电时，释放超级电容存储的能量；
监测单元，用于对超级电容的参数进行实时监测，并通过数据总线将监测数据传送至能量管理控制单元。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用超级电容作为载体，充放电速度快，充电次数多。超级电容采用多个串、并联的方式组合起来，以达到一定的电压和容量，具有强制放电回路，能迅速将超级电容上的电能释放，以便断电检修等操作。
再进一步地，所述能量管理系统的工作模式包括能量吸收和存储模式、能量释放和功率补偿模式、等待状态模式、预充电模式以及强制放电模式；
所述能量吸收和存储模式，用于针对绞车下放钻机时，通过检测直流母线DC-BUS上的电压和超级电容电压确定是否具备充电条件，当超级电容充电时，直流母线DC-BUS上的电压通过变流器将电压转换为超级电容所需的充电电压，对超级电容进行充电，以对能量进行存储；当绞车上提钻机处于减速阶段时，吸收绞车回馈的能量；
所述能量释放和功率补偿模式，用于当绞车上提钻机处于加速段时，将超级电容中存储的能量通过双向DC/DC变换器传递至直流母线DC-BUS上，补偿绞车上提钻机加速过程中的瞬时功率需求；当绞车上提钻机处于匀速段时，将超级电容中存储的能量释放至绞机，补偿绞车上提钻机时的瞬时功率需求，并为超级电容下一次充电作准备；
等待状态模式，用于根据当前超级电容电压以及采集的发电机的电流电压，确定能量管理系统需进入的工作模式；且在等待状态模式时，超级电容不充电也不放电；
预充电模式，用于针对能量管理系统初次上电时，将超级电容电压预充至最低工作电压；
强制放电模式，用于检修或断电时，释放超级电容存储的能量。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过能量管理系统的工作模式能有效的、动态的管理石油钻机在绞车起下钻工况时的能量回收和释放，达到减小冲击性负载对发电机组的正常使用，从而降低发电机输出电源电压和频率的波动，使发电机组很好地适应石油钻机起下钻工况，并能实现下放钻具的部分势能的回收利用，达到节能降耗。
本发明提供了一种适用于石油钻机的能量管理系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、分别对发电机输出的电流电压以及直流母线DC-BUS的电压进行实时采集；
步骤S2、根据实时采集的信息，在石油钻机起下钻工况时，通过连接于直流母线DC-BUS上的双向DC/DC变换器对超级电容进行充放电，控制能量的储存与释放。
本发明的有益效果是：本发明提供的能量管理系统连接到石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上，并对发电机输出的电流和电压，以及直流母线电压等参数进行实时采集，在绞车起下钻工况时，通过连接到直流母线DC-BUS上的双向DC/DC变换器给超级电容充放电，从而控制能量的储存和释放，实现下放钻机的部分势能的回收再利用和平滑发电机的功率输出的功能。
进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S201、设置发电机功率变化率上限为ΔPm，并对发电机输出的电流电压进行实时采集，计算一个采样周期前后两次发电机的瞬时有功功率，得到变化量ΔP；
步骤S202、初次上电，进入预充电模式，将超级电容电压预充至最低工作电压；
步骤S203、进入等待状态模式，并判断是否接收到电机运行信号，若是，则进入步骤S204，否则，返回步骤S202；
步骤S204、判断绞机是否下放钻机，若是，则进入步骤S205，否则，绞机上提钻机，并进入步骤S205；
步骤S205、针对绞机下放钻机时，若实时检测的直流母线DC-BUS的电压上升，且电压上升值大于预设的第一阈值，以及若变化量ΔP为负，且变化量ΔP的绝对值大于发电机功率变化率上限ΔPm，则进入步骤S206，针对绞机上提钻机时，若实时检测的直流母线DC-BUS的电压下降，且电压下降值大于预设的第二阈值，以及若变化量ΔP为正，且变化量ΔP的绝对值大于发电机功率变化率上限ΔPm，则进入步骤S208；
步骤S206、进入能量吸收和存储模式，对超级电容进行充电，并实时计算直流母线DC-BUS的电压上升值，通过不同的电压上升值由DC/DC变换器控制不同的充电电流，其中，在持续充电过程中，若超级电容的电压值达到最高工作电压时，则停止充电，并通过钻机上的制动电阻消耗剩余能量；
步骤S207、在能量吸收和存储模式中，当绞车下放钻机结束或停止时，判断直流母线DC-BUS电压上升值是否为零，且接收到电机停止运行指令，若是，则进入等待状态模式，返回步骤S203，否则，进入能量吸收和存储模式，返回步骤S206；
步骤S208、进入能量释放和功率补偿模式，由超级电容通过DC/DC变换器对直流母线DC-BUS进行放电，并实时计算直流母线DC-BUS的电压下降值，通过不同的电压下降值由DC/DC变换器控制不同的放电电流，将超级电容中的能量释放至直流母线DC-BUS上，补偿绞车处于上提加速阶段的瞬时功率需求；
步骤S209、在能量释放和功率补偿模式中，当实时检测的直流母线DC-BUS电压趋于稳定值时，则绞车处于上提匀速阶段，利用DC/DC变换器，将超级电容中存储的能量向直流母线DC-BUS放电，补偿绞车上提钻机时的瞬时功率需求，同时释放能量，为超级电容下一次充电作准备；
步骤S2010、在能量释放和功率补偿模式中，在绞车处于上提减速阶段时，若减速时间最短，直流母线DC-BUS的电压呈上升状态，则进入等待状态，返回步骤S203；
步骤S2011、在能量释放和功率补偿模式中，在绞车处于上提减速阶段时，若直流母线DC-BUS的电压上升且电压上升值大于预设的第一阈值时，则进入能量吸收和存储模式，并返回步骤S205，对能量进行吸收；
步骤S2012、在能量释放和功率补偿模式中，若绞车上提钻机结束或中途停止时，在减速阶段未出现直流母线DC-BUS电压上升状态，则保持能量释放和功率补偿模式，并针对直流母线DC-BUS的电压无变化时，接收到电机停止运行的信号，则进入等待状态模式，并返回步骤S203。
上述进一步方案的有益效果是：当绞车下放钻机时，产生的势能通过绞车电机和变频器转化为电能，传输到直流母线DC-BUS上，再通过连接到直流母线DC-BUS上的双向DC/DC变换器给超级电容充电，从而实现能量的储存；当绞车提升钻机时，超级电容又通过连接到直流母线DC-BUS上的双向DC/DC变换器将能量传递到直流母线DC-BUS上，绞车变频器利用这部分能量参与驱动绞车电机运转，从而帮助绞车提升钻机。在石油钻机起下钻工况，绞车如此往复提升和下放钻机，能量管理系统也如此往复的储存和释放能量，从而达到节能降耗和减小对发电机组冲击的目的。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的方法流程图。
图3为绞车提升钻机时对发电机的功率补偿和缓冲示意。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种适用于石油钻机的能量管理系统，所述能量管理系统并接于石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上，其包括：
能量管理控制单元，用于采集发电机的电流电压信息，并根据当前超级电容电压以及采集的电流电压信息，对能量的存储和释放进行控制，并监控能量管理系统的运行状态；双向DC/DC变换器，用于根据能量存储和释放的控制指令，对超级电容进行充放电，所述双向DC/DC变换器连接在石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上；超级电容组，用于储存与释放能量；所述超级电容组包括多个串联和并联方式组合的超级电容。
所述双向DC/DC变换器包括：控制器，用于通过数据总线接收能量管理控制单元的充放电指令；功率变换器，用于根据充放电指令对超级电容进行充放电；隔离开关，用于断开和接通双向DC/DC变换器和直流母线DC-BUS；预充电回路，用于将超级电容的电压预充至设置的最低工作电压值；电抗器，用于平缓充、放电电流。
所述超级电容组包括：放电回路，用于检修或断电时，释放超级电容存储的能量；监测单元，用于对超级电容的参数进行实时监测，并通过数据总线将监测数据传送至能量管理控制单元。
所述能量管理系统的工作模式包括能量吸收和存储模式、能量释放和功率补偿模式、等待状态模式、预充电模式以及强制放电模式；
所述能量吸收和存储模式，用于针对绞车下放钻机时，通过检测直流母线DC-BUS上的电压和超级电容电压确定是否具备充电条件，当超级电容充电时，直流母线DC-BUS上的电压通过变流器将电压转换为超级电容所需的充电电压，对超级电容进行充电，以对能量进行存储；当绞车上提钻机处于减速阶段时，吸收绞车回馈的能量；
所述能量释放和功率补偿模式，用于当绞车上提钻机处于加速段时，将超级电容中存储的能量通过双向DC/DC变换器传递至直流母线DC-BUS上，补偿绞车上提钻机加速过程中的瞬时功率需求；当绞车上提钻机处于匀速段时，将超级电容中存储的能量释放至绞机，补偿绞车上提钻机时的瞬时功率需求，并为超级电容下一次充电作准备；
等待状态模式，用于根据当前超级电容电压以及采集的发电机的电流电压，确定能量管理系统需进入的工作模式；且在等待状态模式时，超级电容不充电也不放电；
预充电模式，用于针对能量管理系统初次上电时，将超级电容电压预充至最低工作电压；
强制放电模式，用于检修或断电时，释放超级电容存储的能量。
本实施例中，本发明提供的能量管理系统并接在石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上，通过双向DC/DC变换器和超级电容完成对能量的存储和释放控制，系统框图如图1所示，图1中GEN表示发电机，AC表示交流，DC表示 交流，AC-BUS表示交流母线，DC-BUS表示直流母线，BU表示制动单元，R表示制动电阻，M表示绞车电机，I表示电流采集，V表示电压采集。
本发明的原理是：本发明提供的能量管理系统并接于石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上，发电机GEN与交流母线AC-BUS连接，能量管理系统的能量管理单元采集交流母线AC-BUS上的电流、电压信息和直流母线DC-BUS上电压信息，并根据当前超级电容电压以及采集的电流电压信息（如图1中I电流采集和V电压采集），对能量的存储和释放进行控制，并监控能量管理系统的运行状态。当绞车下放钻机时，产生的势能通过绞车电机M和变频器DC/AC转化为电能，传输到直流母线DC-BUS上，若未接入本发明提供的能量管理系统，则转化的电能将通过连接在直流母线DC-BUS上制动单元BU传输到制动电阻R上，以热能的形式消耗掉。若接入了本发明提供的能量管理系统，部分转化的电能通过连接到直流母线DC-BUS上的双向DC/DC变换器给超级电容组中的超级电容充电，从而实现能量的储存；当绞车提升钻机时，超级电容又通过连接到直流母线DC-BUS上的双向DC/DC变换器将能量传递到直流母线DC-BUS上，变频器DC/AC利用这部分能量参与驱动绞车电机M运转，从而帮助绞车提升钻机。在石油钻机起下钻工况，绞车如此往复提升和下放钻机，“能量管理系统”也如此往复的储存和释放能量，从而达到节能降耗和减小对发电机组冲击的目的。
本实施例中，超级电容组中超级电容是实现能量储存的主要载体，超级电容采用多个串、并联的方式组合起来，以达到一定的电压和容量。超级电容组包含放电回路，用于检修时对电容进行完全放电，确保安全；超级电容组的监测单元对超级电容的温度和电压等参数进行实时监测，通过数据总线将数据传送到能量管理控制单元。
本实施例中，双向DC/DC变换器用于对超级电容进行充放电，主要包括隔离开关、预充电回路、功率变换器、电抗器和DC/DC控制单元；DC/DC控制单元通过数据总线接收来自能量管理控制单元充放电命令，驱动功率变换器完成对超级电容的充放电，从而实现能量的储存和释放，并能实现对发电机瞬时功率的补偿和缓冲。
本实施例中，能量管理控制单元，用于信号采集和数据分析，根据实际工况对能量的存储和释放进行控制，同时监控整个系统的运行状态。
本实施例中，能量管理系统通过实时数据采集，对发电机运行参数进行计算，并根据实际工况以及实时检测数据，推断出当前的工作模式。工作模式和对应的功能如下：
（1）工作模式1：能量吸收和存储
绞车下放钻机时，钻机的势能由变频电机、变频器转变为电能，并回馈到直流母线DC-BUS上，系统通过检测石油钻机电控系统直流母线DC-BU电压和超级电容的电压判断是否具备充电条件；超级电容充电时，直流母线DC-BUS上的直流电压通过变流器将电压转换为超级电容需要的充电电压，并对超级电容进行充电，以实现能量的存储，从而达到节省能源的目的，此时双向DC/DC变换器工作在降压模式。
在当绞车上提钻机处于减速阶段时，石油钻机电控系统提供给绞车的功率迅速变小，由于发电机不能及时响应其负载的功率变化，需要能量管理系统将绞车回馈的能量迅速吸收，以免造成对发电机的冲击。
（2）工作模式2：能量释放和功率补偿
绞车上提钻机过程分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，当绞车处于加速阶段时，超级电容中存储的能量通过双向DC/DC变换器能迅速传递到直流母线DC-BUS上，以补充绞车上提钻机加速过程中的瞬时功率需求，从而减小对发电机的冲击，使发电机功率缓慢上升。当绞车上提钻机处于匀速阶段时，超级电容持续放电，将超级电容中存储的能量释放给绞车，以补充绞车上提钻机时的功率需求，同时为下一次充电做好准备。
超级电容放电时，超级电容电压通过DC/DC变换器升压到直流母线DC-BUS电压给负载提供能量，此时双向DC/DC变换器工作在升压模式。
（3）工作模式3：等待状态
此模式系统处于闲置状态，超级电容既不充电也不放电。能量管理控制单元根据当前超级电容电压及采集的电压、电流信号，可提前预判下一阶段需要进入的模式。
（4）工作模式4：预充电模式
能量管理系统初次上电，需要将超级电容电压预充至最低工作电压。
（5）工作模式5：强制放电模式
当需要能量管理系统断电或需要检修时，需要将超级电容存储的能量释放，以确保人生安全。在超级电容组旁并接一套放电回路装置，在需要时，通过按钮启动放电回路装置，对超级电容进行强制放电。当系统正常工作时，放电回路装置处于旁路状态。
本实施例中，系统运行控制方法：
由于在起下钻工况时，绞车都是往复式的上提和下放，如果上一动作是上提，那么下一动作必然是下放；如果上一动作是下放，那么下一动作必然是上提。能量管理系统的运行状态和控制方法如下：
（1）运行状态1：
绞车处于静止未动状态，能量管理系统工作在工作模式3：等待状态。如果上一动作是上提钻具，则此时，超级电容中的能量已经释放或部分释放，超级电容的电压值接近或等于最低工作电压值；如果上一动作是下放钻具，则此时，超级电容中存储了一定能量，超级电容的电压值接近或等于最高工作电压值。
当绞车开始下放钻具时，石油钻机电控系统传输一个电机运行和运转方向信号给能量管理系统，能量管理系统进入运行状态2；
当绞车开始上提钻具时，石油钻机电控系统传输一个电机运行和运转方向信号给能量管理系统，能量管理系统进入运行状态3。
（2）运行状态2：
能量管理系统通过实时检测的直流母线DC-BUS电压，若直流母线DC-BUS电压上升并大于预设的第一阀值（系统初始设置参数，可修改），则进入运行状态4。
（3）运行状态3：
能量管理系统通过实时检测的直流母线DC-BUS电压，若直流母线DC-BUS电压下降并大于预设的第二阀值（系统初始设置参数，可修改），则进入运行状态5。
（4）运行状态4：
能量管理系统进入工作模式1：能量吸收和存储，对超级电容进行充电，并通过实时检测的直流母线DC-BUS电压计算直流母线DC-BUS的电压上升值。通过不同的电压上升值，DC/DC变换器控制不同的充电电流，上升值越大，表明绞车反馈的能量越多，DC/DC变换器需采用较大的充电电流对超级电容进行充电，用以快速的将能量吸收掉。
同时，能量管理系统还需实时检测超级电容的电压，在连续充电过程中，若超级电容的电压值接近或达到最高工作电压时，则停止充电，绞车反馈的多余能量只能通过钻机上的制动电阻消耗掉。
此运行状态下，若绞车下放钻具结束或中途停止，检测到直流母线DC-BUS的电压无变化，并接收到石油钻机电控系统传输来的一个电机停止运行信号，则系统进入运行状态1。
（5）运行状态5：
能量管理系统进入工作模式2：能量释放和功率补偿，超级电容通过DC/DC变换器对直流母线DC-BUS进行放电，并通过实时检测的直流母线DC-BUS的电压计算直流母线DC-BUS的电压下降值。通过不同的电压下降值，DC/DC变换器控制不同的放电电流，下降值越大，表明绞车提升钻具需要的瞬时功率越大，DC/DC变换器则采用较大的放电电流将超级电容中的能量迅速释放到直流母线DC-BUS上，用以补偿绞车加速段的瞬时功率需求，以免造成对发电机的冲击。当检测到直流母线DC-BUS电压趋于一个稳定值时，可以判断出此时绞车处于上提匀速阶段，超级电容中存储的能量可通过DC/DC变换器持续向直流母线DC-BUS放电，用以补偿绞车上提钻具时的功率需求，同时释放能量也为下一次充电做准备。
在绞车提升钻具减速时，如果减速时间较短，直流母线DC-BUS的电压会呈现上升情况，则系统进入运行状态2，当判断到直流母线DC-BUS电压上升并大于预设的第一阀值，再进入运行状态4，对此部分能量进行吸收，即控制DC/DC变换器对超级电容进行充电。
若绞车上提钻具结束或中途停止，在减速阶段未出现上面的直流母线DC-BUS电压上升情况，则保持在运行状态5，停止后检测到直流母线DC-BUS电压无变化，并接收到石油钻机电控系统传输来的一个电机停止运行信号，则系统进入运行状态1。
（6）发电机功率变化率对充放电电流的控制
以上在任何状态都需实时采集发电机电压、电流参数；
对充放电电流的控制如下：
设置发电机功率变化率上限为ΔPm；能量管理系统对发电机输出电流和电压进行实时采集，计算出一个采样周期前后两次的发电机瞬时有功功率P1和P2，计算变化量ΔP=P2-P1；若变化量ΔP为正，并且变化量ΔP的绝对值|ΔP|>ΔPm,则进入运行状态5，启动工作模式2：能量释放和功率补偿，用以缓冲功率需求迅速增加对发电机的冲击。若变化量ΔP为负，并且变化量ΔP的绝对值|ΔP|>ΔPm,则进入运行状态4，启动工作模式1：能量吸收和存储，用以缓冲功率需求迅速减少对发电机的冲击。
本实施例中，在石油钻机在起下钻工况时，需要往复多次的提升和下放钻具，在绞车空钩下行或带动钻具下放过程中，都会产生势能，这些势能基本都是先转化为电能，再通过制动电阻转化为热能消耗掉。本发明采用超级电容作为载体可将部分势能转化为的电能储存起来，超级电容相较于蓄电池，具有充放电速度快，循环次数多的特点，特别适用于绞车起下钻工况。双向DC/DC变换器可以工作在降压和升压模式，能很好的控制超级电容的充电和放电，从而实现能量的储存和释放。绞车提升钻具时，对发电机的功率补偿和缓冲如图3所示，图中，纵坐标表示功率P，横坐标表示时间t，负载所需功率为图中所指曲线；发电机功率为图中所指曲线；超级电容补偿能量为图中所指阴影部分面积；超级电容吸收能量为图中所指阴影部分面积，匀速段超级电容持续放电，补偿部分能量需求为图中所指的部分面积。
当绞车带动钻具上提加减速时（速度由0加速到最高速或最高速减速回0，通常3~5秒），发电机无法响应如此快的功率需求变化，通常出现发电机转速波动大，燃油不能完全燃烧，造成的冒黑烟现象，为抑制这种现象的发生，采用超级电容对绞车加速所需功率进行补充，或对发电机突降功率时进行能量吸收，平滑发电机的功率输出。
基于双向DC/DC变换器和超级电容储能技术的能量管理系统，有效的、动态的管理石油钻机在绞车起下钻工况时的能量回收和释放，达到减小冲击性负载对发电机组的正常使用，从而降低发电机输出电源电压和频率的波动，使发电机组很好地适应石油钻机起下钻工况，并能实现下放钻具的部分势能的回收利用，达到节能降耗。
实施例2
如图2所示，本发明提供了一种适用于石油钻机的能量管理系统的控制方法，其实现方法如下：
步骤S1、分别对发电机输出的电流电压以及直流母线DC-BUS的电压进行实时采集；
步骤S2、根据实时采集的信息，在石油钻机起下钻工况时，通过连接于直流母线DC-BUS上的双向DC/DC变换器对超级电容进行充放电，控制能量的储存与释放，其实现方法如下：
步骤S201、设置发电机功率变化率上限为ΔPm，并对发电机输出的电流电压进行实时采集，计算一个采样周期前后两次发电机的瞬时有功功率，得到变化量ΔP；
步骤S202、初次上电，进入预充电模式，将超级电容电压预充至最低工作电压；
步骤S203、进入等待状态模式，并判断是否接收到电机运行信号，若是，则进入步骤S204，否则，返回步骤S202；
步骤S204、判断绞机是否下放钻机，若是，则进入步骤S205，否则，绞机上提钻机，并进入步骤S205；
步骤S205、针对绞机下放钻机时，若实时检测的直流母线DC-BUS的电压上升，且电压上升值大于预设的第一阈值，以及若变化量ΔP为负，且变化量ΔP的绝对值大于发电机功率变化率上限ΔPm，则进入步骤S206，针对绞机上提钻机时，若实时检测的直流母线DC-BUS的电压下降，且电压下降值大于预设的第二阈值，以及若变化量ΔP为正，且变化量ΔP的绝对值大于发电机功率变化率上限ΔPm，则进入步骤S208；
步骤S206、进入能量吸收和存储模式，对超级电容进行充电，并实时计算直流母线DC-BUS的电压上升值，通过不同的电压上升值由DC/DC变换器控制不同的充电电流，其中，在持续充电过程中，若超级电容的电压值达到最高工作电压时，则停止充电，并通过钻机上的制动电阻消耗剩余能量；
步骤S207、在能量吸收和存储模式中，当绞车下放钻机结束或停止时，判断直流母线DC-BUS电压上升值是否为零，且接收到电机停止运行指令，若是，则进入等待状态模式，返回步骤S203，否则，进入能量吸收和存储模式，返回步骤S206；
步骤S208、进入能量释放和功率补偿模式，由超级电容通过DC/DC变换器对直流母线DC-BUS进行放电，并实时计算直流母线DC-BUS的电压下降值，通过不同的电压下降值由DC/DC变换器控制不同的放电电流，将超级电容中的能量释放至直流母线DC-BUS上，补偿绞车处于上提加速阶段的瞬时功率需求；
步骤S209、在能量释放和功率补偿模式中，当实时检测的直流母线DC-BUS电压趋于稳定值时，则绞车处于上提匀速阶段，利用DC/DC变换器，将超级电容中存储的能量向直流母线DC-BUS放电，补偿绞车上提钻机时的瞬时功率需求，同时释放能量，为超级电容下一次充电作准备；
步骤S2010、在能量释放和功率补偿模式中，在绞车处于上提减速阶段时，若减速时间最短，直流母线DC-BUS的电压呈上升状态，则进入等待状态，返回步骤S203；
步骤S2011、在能量释放和功率补偿模式中，在绞车处于上提减速阶段时，若直流母线DC-BUS的电压上升且电压上升值大于预设的第一阈值时，则进入能量吸收和存储模式，并返回步骤S205，对能量进行吸收；
步骤S2012、在能量释放和功率补偿模式中，若绞车上提钻机结束或中途停止时，在减速阶段未出现直流母线DC-BUS电压上升状态，则保持能量释放和功率补偿模式，并针对直流母线DC-BUS的电压无变化时，接收到电机停止运行的信号，则进入等待状态模式，并返回步骤S203。
本发明提供的提供能量管理系统，该系统并接在石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上，通过双向DC/DC变换器和超级电容完成对能量的存储和释放控制，本发明提供的提供能量管理系统及其控制方法，可以解决以下两点问题：
（1）在绞车下放钻机时，对部分势能的回收利用：在绞车起下钻工况时，反复的下放钻机产生的势能都是通过制动电阻转化为热能消耗掉，造成一定的能量损失。当接入该能量管理系统后，当绞车下放钻机时，产生的势能转化为电能后，可通过能量管理系统中的超级电容存储起来，随后供绞车提升钻机时使用，即实现了在绞车下放钻机时，对部分势能的回收利用，从而达到节能降耗的目的。
（2）平滑发电机的功率输出：石油钻机在绞车起下钻工况时，往复式的上提、下放钻机，在加减速时对功率的需求变化较大，这种周期性变化负载给发电机输出功率带来长期的恶劣的脉冲冲击，由于发电机输出功率响应较慢，不能及时响应负载的瞬时功率变化，常常出现“冒黑烟”、转速波动大等现象，导致输出电源电压和频率不稳定。当接入能量管理系统后，通过双向DC/DC变换器和超级电容储能技术，有效的解决了绞车在上提、下放钻机时，对发电机的冲击，平滑了发电机的功率输出，使得发动机在高效率工况下的平稳运行。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于石油钻机的能量管理系统，其特征在于，所述能量管理系统并接于石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上，其包括：
能量管理控制单元，用于采集发电机的电流电压信息，并根据当前超级电容电压以及采集的电流电压信息，对能量的存储和释放进行控制，并监控能量管理系统的运行状态；
双向DC/DC变换器，用于根据能量存储和释放的控制指令，对超级电容进行充放电，所述双向DC/DC变换器连接在石油钻机电控系统的直流母线DC-BUS上；
超级电容组，用于储存与释放能量；所述超级电容组包括多个串联和并联方式组合的超级电容；
所述能量管理系统的工作模式包括能量吸收和存储模式、能量释放和功率补偿模式、等待状态模式、预充电模式以及强制放电模式；
所述能量吸收和存储模式，用于针对绞车下放钻机时，通过检测直流母线DC-BUS上的电压和超级电容电压确定是否具备充电条件，当超级电容充电时，直流母线DC-BUS上的电压通过变流器将电压转换为超级电容所需的充电电压，对超级电容进行充电，以对能量进行存储；当绞车上提钻机处于减速阶段时，吸收绞车回馈的能量；
所述能量释放和功率补偿模式，用于当绞车上提钻机处于加速段时，将超级电容中存储的能量通过双向DC/DC变换器传递至直流母线DC-BUS上，补偿绞车上提钻机加速过程中的瞬时功率需求；当绞车上提钻机处于匀速段时，将超级电容中存储的能量释放至绞机，补偿绞车上提钻机时的瞬时功率需求，并为超级电容下一次充电作准备；
等待状态模式，用于根据当前超级电容电压以及采集的发电机的电流电压，确定能量管理系统需进入的工作模式；且在等待状态模式时，超级电容不充电也不放电；
预充电模式，用于针对能量管理系统初次上电时，将超级电容电压预充至最低工作电压；
强制放电模式，用于检修或断电时，释放超级电容存储的能量。
2.根据权利要求1所述的适用于石油钻机的能量管理系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器包括：
控制器，用于通过数据总线接收能量管理控制单元的充放电指令；
功率变换器，用于根据充放电指令对超级电容进行充放电；
隔离开关，用于断开和接通双向DC/DC变换器和直流母线DC-BUS；
预充电回路，用于将超级电容的电压预充至设置的最低工作电压值；
电抗器，用于平缓充、放电电流。
3.根据权利要求1所述的适用于石油钻机的能量管理系统，其特征在于，所述超级电容组包括：
放电回路，用于检修或断电时，释放超级电容存储的能量；
监测单元，用于对超级电容的参数进行实时监测，并通过数据总线将监测数据传送至能量管理控制单元。
4.一种执行权利要求1-3任一所述的适用于石油钻机的能量管理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、分别对发电机输出的电流电压以及直流母线DC-BUS的电压进行实时采集；
步骤S2、根据实时采集的信息，在石油钻机起下钻工况时，通过连接于直流母线DC-BUS上的双向DC/DC变换器对超级电容进行充放电，控制能量的储存与释放；
所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S201、设置发电机功率变化率上限为ΔPm，并对发电机输出的电流电压进行实时采集，计算一个采样周期前后两次发电机的瞬时有功功率，得到变化量ΔP；
步骤S202、初次上电，进入预充电模式，将超级电容电压预充至最低工作电压；
步骤S203、进入等待状态模式，并判断是否接收到电机运行信号，若是，则进入步骤S204，否则，返回步骤S202；
步骤S204、判断绞机是否下放钻机，若是，则进入步骤S205，否则，绞机上提钻机，并进入步骤S205；
步骤S205、针对绞机下放钻机时，若实时检测的直流母线DC-BUS的电压上升，且电压上升值大于预设的第一阈值，以及若变化量ΔP为负，且变化量ΔP的绝对值大于发电机功率变化率上限ΔPm，则进入步骤S206，针对绞机上提钻机时，若实时检测的直流母线DC-BUS的电压下降，且电压下降值大于预设的第二阈值，以及若变化量ΔP为正，且变化量ΔP的绝对值大于发电机功率变化率上限ΔPm，则进入步骤S208；
步骤S206、进入能量吸收和存储模式，对超级电容进行充电，并实时计算直流母线DC-BUS的电压上升值，通过不同的电压上升值由DC/DC变换器控制不同的充电电流，其中，在持续充电过程中，若超级电容的电压值达到最高工作电压时，则停止充电，并通过钻机上的制动电阻消耗剩余能量；
步骤S207、在能量吸收和存储模式中，当绞车下放钻机结束或停止时，判断直流母线DC-BUS电压上升值是否为零，且接收到电机停止运行指令，若是，则进入等待状态模式，返回步骤S203，否则，进入能量吸收和存储模式，返回步骤S206；
步骤S208、进入能量释放和功率补偿模式，由超级电容通过DC/DC变换器对直流母线DC-BUS进行放电，并实时计算直流母线DC-BUS的电压下降值，通过不同的电压下降值由DC/DC变换器控制不同的放电电流，将超级电容中的能量释放至直流母线DC-BUS上，补偿绞车处于上提加速阶段的瞬时功率需求；
步骤S209、在能量释放和功率补偿模式中，当实时检测的直流母线DC-BUS电压趋于稳定值时，则绞车处于上提匀速阶段，利用DC/DC变换器，将超级电容中存储的能量向直流母线DC-BUS放电，补偿绞车上提钻机时的瞬时功率需求，同时释放能量，为超级电容下一次充电作准备；
步骤S2010、在能量释放和功率补偿模式中，在绞车处于上提减速阶段时，若减速时间最短，直流母线DC-BUS的电压呈上升状态，则进入等待状态，返回步骤S203；
步骤S2011、在能量释放和功率补偿模式中，在绞车处于上提减速阶段时，若直流母线DC-BUS的电压上升且电压上升值大于预设的第一阈值时，则进入能量吸收和存储模式，并返回步骤S205，对能量进行吸收；
步骤S2012、在能量释放和功率补偿模式中，若绞车上提钻机结束或中途停止时，在减速阶段未出现直流母线DC-BUS电压上升状态，则保持能量释放和功率补偿模式，并针对直流母线DC-BUS的电压无变化时，接收到电机停止运行的信号，则进入等待状态模式，并返回步骤S203。
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