CN220086959U - 一种钻机直流微网系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钻机直流微网系统，包括发电机组、整流模块、直流母线、电池模块、中央控制器、逆变单元、驱动电机组、制动单元、制动电阻和变流器；发电机组中整流模块连接到直流母线上；中央控制器的信号控制端分别连接到每个整流模块的受控端，中央控制器的电池控制端连接到电池模块的受控端；电池模块的输线端连接到直流母线上，直流母线通过多组依次连接的逆变单元和驱动电机组为负载供能；直流母线上还连接有制动单元和变流器，制动单元还连接制动电阻；根据负载情况，调整系统供电能力，满足不同负载下的稳定供电，且响应速度满足钻井任何突变工况，使得发电机组始终工作在高效区。

Description

一种钻机直流微网系统

技术领域

本实用新型涉及石油钻井装备技术领域，尤其涉及一种钻机直流微网系统。

背景技术

石油钻机是用于石油天然气钻井的专业机械，是由多台设备组成的一套联合机组。主要包括动力机组、动力传动机组、提升设备、旋转设备、循环设备、仪器仪表及控制系统等。电动钻机动力机组由数台发电机并网发电，传动机组采用直流传动或交流变频传动的方式驱动机械设备。

目前，石油钻井生产作业过程中，内燃机发电机组大部分时间不能够满负荷运转，偏离高效区，导致发电机组运行效率低，造成燃油/燃气消耗增高。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。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种钻机直流微网系统，能够根据负载情况，调整系统供电能力，满足不同负载下的稳定供电，使得发电机组始终工作在高效区，且响应速度满足钻井任何突变工况。

本实用新型采用的技术方案为：

一种钻机直流微网系统，包括发电机组、整流模块、直流母线、电池模块、中央控制器、逆变单元、驱动电机组、制动单元、制动电阻和变流器；所述的发电机组中的每组发电机通过一个整流模块连接到直流母线上；所述的中央控制器的信号控制端分别连接到每个整流模块的受控端，中央控制器的电池控制端连接到电池模块的受控端；电池模块的输线端连接到直流母线上，所述的电池模块采用动力电池组，电池组依次通过快熔熔断器和主断路器连接到直流母线上；中央控制器、整流模块与电池模块构成直流微网控制系统；所述的直流母线通过多组依次连接的逆变单元和驱动电机组为负载供能；所述的直流母线上还连接有制动单元和变流器，制动单元还连接制动电阻。

所述的发电机组由多台并联的永磁同步发电机构成。

所述的整流模块包括多台并联的整流控制器，整流控制器连接在发电机组与直流母线之间的供电线路上，每个流控制器的供电线路上还串联主断路器。

所述的逆变单元与直流母线之间有预充回路和快熔熔断器。

所述的变流器为井场交流400V电源供电。

本实用新型专利与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。本实用新型专利至少具有下列优点及有益效果：

1、本实用新型专利能够根据负载实现发电机组自动启、停，使发电机组始终工作在高效区，相比传统钻机，单位能耗更低，节能效果明显。

2、本实用新型专利能够由电池快速承担系统冲击负载，响应更快避免冲击负载造成发电机组运行不稳定。

3、本实用新型专利能够匹配更多种类的发电机组，例如多台天然气发电机组、多台柴油发电机组或柴油发电机组和天然气发电机组混合使用等。

4、本实用新型专利能够在发电机组发生故障时，一定时间内为系统提供直流电源，增加系统的可靠性和稳定性，保证系统的工作效率。

综上所述，本实用新型专利在技术上有显著的优势，在石油钻井装备领域具有革命性进步意义。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括发电机组1、整流模块2、直流母线3、电池模块4、中央控制器5、逆变单元6、驱动电机组7、制动单元8、制动电阻9和变流器10。所述的发电机组1中的每组发电机通过一个整流模块2连接到直流母线3上；直流母线33为负载传动组供能，负载传动组包括绞车传动负载、转盘（顶驱）传动负载和泥浆泵传动负载，负载传动组的受能端均连接到直流母线3上。

所述的中央控制器5的信号控制端分别连接到每个整流模块2的受控端，中央控制器5的电池控制端连接到电池模块4的受控端；电池模块4的输线端连接到直流母线3上，中央控制器5、整流模块2与电池模块4构成直流微网控制系统。中央控制器5采用CCU控制单元，通过CAN通讯分别连接整流模块2及电池模块4，系统可根据工况及负载大小自动控制启停发电机组1，保证发电机组1始终运行在高效区，且合理分配电池模块4及发电机组1的功率输出。

所述的直流母线3通过多组依次连接的逆变单元6和驱动电机组7为负载供能；所述的直流母线3上还连接有制动单元8和变流器10，所述的变流器10为井场交流400V电源供电，制动单元8还连接制动电阻9。所述的逆变单元6与直流母线3之间有预充回路和快熔熔断器。驱动电机一般采用交流变频永磁同步电机。

所述的发电机组1由多台永磁同步发电机构成。发电机组1采用柴油发电机机组或者是天然气发电机组1，，发动机自带调速系统，可以预设目标转速。克服发电机配套成本高的缺点，发电机组1的选择上范围更加的宽扩。

所述的整流模块2包括多台并联的整流控制器，整流控制器连接在发电机组1与直流母线3之间的供电线路上，每个冷整流控制器的供电线路上还串联主断路器。多台整流模块2采用并联方式进行组网，对每一台直流模块输出端进行电压后端检测抬升控制，达到电压一致的条件且与预设值相近，从而实现功率均衡分配，控制相对交流并网更加容易。即多台并联的整流控制器采用闭环电压抬升控制方式进行直流并网，实现电压和功率均衡。通过检测电池模块4的SOC电压与直流母线3上的电压，中央控制器5在组网时实现自动调整电压。

所述的电池模块4采用动力电池组，电池组依次通过快熔熔断器和主断路器连接到直流母线3上。电池模块4与直流母线3直挂连接，为提供动能可以更快速响应。电池模块4工作在充电和放电两种模式下，发电机组1功率富余时，电池模块4工作在充电模式，使发电机组1大功率输出，保持在高效区，降低单位油耗；发电机组1功率不足时，电池模块4工作在放电模式，为系统提供电能；冲击性负载到来时，可利用电池模块4快速响应，承担冲击性载荷，负载平稳后再缓慢分配到发电机组1。

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。

如图1所示，发电机组1中的每组发电机连接一个整流模块2的受电端，整流模块2的输电端与直流母线3进行连接，整流模块2再通过快熔和直流断路器连接到直流母线3上，快熔和直流断路器为系统提供过流，短路，隔离保护，对线路起到更好的保护作用；所述的中央控制器5的信号控制端分别连接到每个整流模块2的受控端，中央控制器5的电池控制端连接到电池模块4的受控端；电池模块4的输线端连接到直流母线3上，中央控制器5、整流模块2与电池模块4构成直流微网控制系统；所述的直流母线3通过多组依次连接的逆变单元6和驱动电机组7为负载供能；所述的直流母线3上还连接有制动单元8和变流器10，制动单元8还连接制动电阻9。

其中，电池模块4与直流母线3连接方式采用直挂，反应速度更快，具备ms级功率动态调节能力，实现直流微网短时功率的动态补偿，从而保证了系统的快速有功、无功功率交换，有效降低电压波动、电压暂降，电压电流波形畸变及闪变等。当发电机组1功率富余时，油耗较高，此时电池模块4工作在充电模式，从直流母线3吸收电能为电池模块4充电；电池模块4电量充满后，可以减少发电机组1的运行数量，由电池模块4配合剩余发电机组1运行，降低发电机组1的燃油消耗。起下钻工况时，绞车传动装置驱动负载上提和下放，负荷变化速度快且变化幅度大，电池模块4能够快速响应，可以承担系统的冲击性负载，避免发电机组1受到冲击。

电池模块4与发电机组1及整流模块2共同组成直流微网，整流模块采用pwm整流方式，电压满足无极可调，避免了主回路断路器直接合闸的冲击电流，电气耦合上整流电源做电流源，电池模块4做电压源，保证直流微网的电压稳定。电池模块4既可以与发电机组1耦合为系统提供动能，当发电机组1出现故障时动力不会瞬间失去，更加保障了系统的可靠性，同样可以单独供电，电池模块4可以一定时间内单独为系统供电，可作为系统备用电源使用。并且，电池模块4本身配有管理系统用于检测和保护，这都属于现有的成熟技术，在此不再赘述。

逆变器及制动单元8连接，对钻井工况进行远程控制及实时监测，例如：启停命令、正反转、输出电压、电流、功率，当下钻工况时，能量通过逆变单元6进行回馈，抬高母线上的电压，根据电池模块44SOC状态进行充电，当检测到逆变单元6回馈电流大于电池模块4允许充电的最大电流时，制动单元8投入，制动电阻9消耗系统回馈能量，保证了电池模块4的安全充电及系统稳定性。

逆变单元6和驱动电机组7成负载传动组的动力输送线路，包括绞车传动负载、转盘传动负载和泥浆泵传动负载，负载传动组的受能端均连接到直流母线3上，用于为钻机绞车、转盘和泥浆泵提供动力。

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 (5)

1.一种钻机直流微网系统，其特征在于：包括发电机组、整流模块、直流母线、电池模块、中央控制器、逆变单元、驱动电机组、制动单元、制动电阻和变流器；所述的发电机组中的每组发电机通过一个整流模块连接到直流母线上；所述的中央控制器的信号控制端分别连接到每个整流模块的受控端，中央控制器的电池控制端连接到电池模块的受控端；电池模块的输线端连接到直流母线上，所述的电池模块采用动力电池组，电池组依次通过快熔熔断器和主断路器连接到直流母线上；中央控制器、整流模块与电池模块构成直流微网控制系统；所述的直流母线通过多组依次连接的逆变单元和驱动电机组为负载供能；所述的直流母线上还连接有制动单元和变流器，制动单元还连接制动电阻。

2.根据权利要求1所述的钻机直流微网系统，其特征在于：所述的发电机组由多台并联的永磁同步发电机构成。

3.根据权利要求2所述的钻机直流微网系统，其特征在于：所述的整流模块包括多台并联的整流控制器，整流控制器连接在发电机组与直流母线之间的供电线路上，每个流控制器的供电线路上还串联主断路器。

4.根据权利要求3所述的钻机直流微网系统，其特征在于：所述的逆变单元与直流母线之间有预充回路和快熔熔断器。

5.根据权利要求4所述的钻机直流微网系统，其特征在于：所述的变流器为井场交流400V电源供电。