CN216290197U - 一种应用于石油钻机的直流微网输电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用于石油钻机的直流微网输电系统，包括发电整流单元、中央控制器、储能单元、公共直流母线、制动单元和负载单元；发电整流单元连接到公共直流母线上，储能单元连接到公共直流母线上，中央控制器的控制端分别连接发电整流单元和储能单元的受控端，制动单元和负载单元并联在公共直流母线上；本系统解决了井场动力装置交流谐波污染问题，大大提高电机效率及设备使用寿命，而且电网质量好，无需治理费用；同时配置储能装置在负载突变时承担冲击负载，维持直流母线电压稳定，保证系统正常运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及石油钻机输电技术领域，尤其涉及一种应用于石油钻机的直流微网输电系统。
背景技术
传统的石油钻机电控系统动力源大多数采用2—5台大型发电机组交流并网，或在井场专架公共电网线路经过变压器得到所需的低压交流电源。根据驱动电机类别不同又分为SCR系统和VFD系统。
SCR系统是通过发电机交流并网或公共电网变压得到动力电源，采用六脉波可控整流装置（直流调速器）改变晶闸管触发角度来调压调速，一拖一或一拖二的方式驱动直流电机，存在谐波大（≥20％），电机效率低、功率因数低的问题。VFD系统是通过发电机交流并网或公共电网变压得到动力电源，采用变频器装置矢量控制进行变频调速，驱动交流异步电机，同样存在谐波大（≥20％），电机效率相对低、功率因数相对低的问题。动力电源采用柴油发电机交流并网需要满足发电机组与母线的电压大小、电压相位、频率和相序都要相同或接近的条件，控制技术复杂；同时其使用的调压调速及并网单元为一般为Basler,woodward等国外品牌，存在价格昂贵，核心技术不能自主等缺陷。在钻井生产作业过程中，发电机组大部分时间不能够满负荷运转，导致发电机组运行效率低，生产成本升高。起下钻工况时，为了应对冲击性负载，通常需要多开一台发电机组，造成能源的浪费。无论是交流变频钻机还是直流电动钻机，使用过程中都会产生大量的无功电流，石油钻机配套时不得不选择大功率、低功率因数的发电机组，导致配套成本大幅升高。动力电源采用公共电网存在铺设成本高，更换井位搬家周期较长等缺陷。针对以上两者谐波污染，能源浪费的问题，治理成本又大大提高。有鉴于传统动力电源及控制系统存在的问题，本实用新型人提供一种应用于石油钻机的直流微网供电系统。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种应用于石油钻机的直流微网输电系统，解决了井场动力装置交流谐波污染问题，大大提高电机效率及设备使用寿命，而且电网质量好，无需治理费用；同时配置储能装置在负载突变时承担冲击负载，维持直流母线电压稳定，保证系统正常运行。
本实用新型采用的技术方案为：
一种应用于石油钻机的直流微网输电系统，包括发电整流单元、中央控制器、储能单元、公共直流母线、制动单元和负载单元；发电整流单元连接到公共直流母线上，储能单元连接到公共直流母线上，中央控制器的控制端分别连接发电整流单元和储能单元的受控端，制动单元和负载单元并联在公共直流母线上。
所述的发电整流单元包括多组永磁同步发电机组和PWM整流组，每组设有一个发动机、永磁同步电机和PWM整流模块串联组合运行。
所述的发电整流单元包括多组12相发电机组和24脉波整流组，每组设有一个发动机、12相发电机组和24脉波整流模块串联组合运行。
所述的储能单元包括储能电池和储能控制装置，所述的储能电池采用动力电池、超级电容或飞轮电池，储能控制装置的受控端连接中央处理器。
本实用新型至少具有下列优点及有益效果：
1. 传统电动钻机无论是SCR可控硅直流驱动还是VFD交流变频驱动，其整流环节均采用六脉波整流技术，谐波≥20％，因此需要对谐波进行治理，增加成本；而本实用新型采用PWM整流或24脉波整流技术，能够保持直流纹波系数在3.4‰以下，解决了井场主要动力装置交流谐波污染问题，大大提高电机效率及设备使用寿命，而且电网质量好，不需要治理费用；同时为直流母线上配置储能装置提供了良好的条件；
2. 传统钻机为了应对钻井工况的大功率冲击性负载，需要配备大功率发电机组，而且通常需要多开一台机组，保证有能力应对负载冲击，这导致机组长期在低效工作区运行，能耗高；而本实用新型由储能单元负责抵抗系统冲击负载，发电机组仅需要提供稳定的功率输出即可保证钻井作业正常运行，因此对于发动机，可以选用小功率内燃机，同时可选择用多种燃料的内燃机；通过控制发电机组启停数量以及与储能电池进行功率分配，可以保证发电机组始终工作在高效区，相比传统钻机，能耗更低，节能效果明显；
3. 传统钻机使用的大功率柴油机仅可达到非道路移动机械用柴油机污染物排放第二阶段要求，难以满足目前国家政策的排放要求，而本实用新型可选用小功率柴油机，排放可达到非道路移动机械用柴油机污染物排放第三阶段，甚至采用车用柴油机直接满足重型柴油车污染物排放国六标准，减排效果显著；同时，本实用新型发动机长期工作在高效区，相比传统发动机长期工作在低效区，其排放量会进一步大幅减少；
4. 本实用新型采用直流并网，只需要控制直流电压，控制更加简单，可靠性更高；采用直流输电，不存在集肤效应、无功损耗及涡流损耗，传输效率高。
5. 本实用新型将发电与整流装置集中布置，逆变控制器与负载电机集中布置，去除了传统电动钻机的电控房，节省井场空间，降低了购置成本。
附图说明
图1为本实用新型的实施例一的电路原理框图；
图2为本实用新型的实施例二的电路原理框图。
具体实施方式
本实用新型包括包括发电整流单元1、中央控制器2、储能单元3、公共直流母线4、制动单元5和负载单元6；发电整流单元1连接到公共直流母线4上，储能单元3连接到公共直流母线4上，中央控制器2的控制端分别连接发电整流单元1和储能单元3的受控端，制动单元5和负载单元6并联在公共直流母线4上。
所述的发电整流单元1包括多组永磁同步发电机组和PWM整流组，每组设有一个发动机1-1、永磁同步电机1-2和PWM整流模块1-3串联组合运行。
所述的发电整流单元1包括多组12相发电机组1-4和24脉波整流组，每组设有一个发动机1-1、12相发电机组1-4和24脉波整流模块1-5串联组合运行。
所述的储能单元3包括储能电池3-1和储能控制装置3-2，所述的储能电池3-1采用动力电池、超级电容或飞轮电池，储能控制装置3-2的受控端连接中央处理器2.
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。
下面，对两种发电及整流方式分别进行说明：
实施例一
如图1所示，永磁同步发电机组配置PWM整流控制装置：发动机1-1旋转带动永磁同步发电机组1-2发出交流电，再通过PWM整流控制装置1-3输出直流电到公共直流母线4，储能单元3通过储能控制装置3-2并联在公共直流母线4上，公共直流母线4为负载单元6提供直流电，驱动钻井设备运行。中央控制器2与PWM整流控制装置1-3和储能控制装置3-2建立通信，公共直流母线4为负载单元6的逆变控制器提供直流电，驱动负载单元6运行；制动单元5在需要时消耗母线上的多余电能。
为实现直流微网在稳态和动态都正常运行，中央控制器2与各发电单元的PWM整流控制装置1-3以及储能单元3的储能控制装置3-2之间建立通信， PWM整流装置1-3和储能控制装置3-2采用市购产品，在此不再赘述。构建电流环，根据其额定输出功率以及线路的具体情况自适应调节下垂系数，使得各控制装置的等效输出阻抗与其额定输出功率匹配，当各个控制器的输出特性调整完毕后，下垂系数适应了微网系统，不再变化，即使发生负载突变，电流仍可按照额定输出功率进行动态分配，这样就实现了稳态和动态的均流。
储能单元3具备较大额定输出功率，在负载突变时承担冲击负载，与发电机组进行合理功率分配；同时，各控制装置构建电压环，利用各控制装置的输出电压信息，自主完成输出电压抬升，从而维持直流母线电压稳定；突变负载结束后，发电机组为大功率放电后的储能单元3充电；在下一次突变负载来临时重复上述的功率分配过程，保证系统正常运行。制动单元5在需要时消耗公共直流母线4上的多余电能。
实施例二
如图2所示，12相发电机组1-4配置24脉波整流装置1-5，所述的12相发电机1-4和24脉波整流装置1-5采用市购产品，在此不再赘述。发动机1-1带动12相发电机1-4运转，12相发电机1-4发出交流电，经过24脉波整流装置1-5整流，输出直流电并联到公共直流母线4，储能单元3并联在公共直流母线4上，中央控制器2与各12相发电机以及储能控制装置3-2建立通信，公共直流母线4为负载单元6逆变器提供直流电。
为实现直流微网在稳态和动态都正常运行，中央控制器2协调发电单元及储能单元3实现功率分配，12相发电机组1-4根据负载通过励磁调节调整输出功率，储能单元3具备较大额定输出功率，在负载突变时承担冲击负载，维持直流母线电压稳定；突变负载结束后，发电机组为大功率放电后的储能单元3充电；在下一次突变负载来临时重复上述的功率分配过程，保证系统正常运行。制动单元5在需要时消耗公共直流母线4上的多余电能。
综上所述，本发明采用永磁同步发电机组1-2与PWM整流装置1-3组合方式，或者12相发电机组1-4与24脉波整流装置1-5组合方式，两种方式均能输出直流电到公共直流母线4，储能单元3加挂在公共直流母线4上，公共直流母线4直流输电为逆变控制器供电，驱动负载电机；直流微网中各发电单元及储能单元3的控制装置等分布式电源采用自适应下垂法进行负载分配，储能单元3具备较大额定输出功率，用以承担冲击负载，与发电机组进行合理功率分配，维持直流母线电压稳定，保证系统正常运行。该系统的发电机组与控制装置集中安装在发电房，逆变控制器与负载电机在钻井设备端集中布置，去除了传统电动钻机的电控房，克服现有石油钻机动力及控制系统交流并网技术复杂，谐波大，系统效率低问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种应用于石油钻机的直流微网输电系统，其特征在于：包括发电整流单元、中央控制器、储能单元、公共直流母线、制动单元和负载单元；发电整流单元连接到公共直流母线上，储能单元连接到公共直流母线上，中央控制器的控制端分别连接发电整流单元和储能单元的受控端，制动单元和负载单元并联在公共直流母线上；所述的储能单元包括储能电池和储能控制装置，所述的储能电池采用动力电池、超级电容或飞轮电池，储能控制装置的受控端连接中央处理器。
2.根据权利要求1所述的应用于石油钻机的直流微网输电系统，其特征在于：所述的发电整流单元包括多组永磁同步发电机组和PWM整流组，每组设有一个发动机、永磁同步电机和PWM整流模块串联组合运行。
3.根据权利要求1所述的应用于石油钻机的直流微网输电系统，其特征在于：所述的发电整流单元包括多组12相发电机组和24脉波整流组，每组设有一个发动机、12相发电机组和24脉波整流模块串联组合运行。
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