一種新型電動修井機控制系統設計

韓 菊 (渤海石油職業學院石油工程教學部，河北 任丘 062552)

一種新型電動修井機控制系統設計

韓 菊 (渤海石油職業學院石油工程教學部，河北 任丘 062552)

設計一種配置蓄能器的新型電動修井機控制系統，分析了該系統的功能需求，介紹了系統總體架構，并闡述控制系統各組成部分(包括AC/DC PWM整流器、DC/AC逆變器、電容蓄能器系統、DC/DC變換器、系統控制器等)的功能?，F場施工表明，該系統能夠較好地實現修井機原動力“油改電”的目標，從而滿足環保和節能減排要求，可以在各油田推廣應用。

修井機；控制系統；整流器；逆變器；電容蓄能器

修井機是油田修井作業的主要設備，大部分以柴油機作為原動力。隨著油田環保和節能減排要求的不斷提高，出現了以交流變頻技術為基礎的電動修井機，由此實現修井機原動力“油改電”。下面，筆者對一種新型電動修井機控制系統進行了設計研究。

1 系統功能需求分析

修井作業的能量消耗主要是油管提升過程，其包括提升、懸停、卸扣、排放油管、摘掉卡、掛吊卡等。上述步驟的耗費功率不同，其中最大功率需求主要出現在油管提升工況，其余步驟耗費功率較小。根據修井機的工作特點，可在井場變壓器容量較小的情況下，利用蓄能器技術實現油管提升功率補償，滿足作業時效的要求。為此，電動修井機控制系統重點解決以下2個問題：①為了提高作業時效，配置高功率密度蓄能器，并具有蓄能器在線快速充放電、智能診斷的功能；②井場電網和蓄能器共同為修井機供電時，針對井場配置的不同容量變壓器，控制系統能自動負載分配控制，最大限度地應用井場電網電能，延長蓄能器壽命。

2 系統設計

圖1 修井機控制系統總體架構圖

修井機控制系統包括AC/DC PWM整流器、DC/AC逆變器、電容蓄能器系統、電容DC/DC變換器、備用電池系統、電池DC/DC變換器、系統控制器、其他用電設備等(見圖1)。

修井機修井作業時，由井場電網、電容蓄能器構成的電-電混合系統為整個系統供電。根據井場電網變壓器容量的大小，系統控制器合理分配井場電網、電容蓄能器能量的輸出，最大限度地使用井場電能，同時在修井作業負荷輕的時間段內，快速完成蓄能器充電，為下一個提升作業周期儲備能量。

為了提高系統的安全性，配備了備用電池系統。當井場電網出現故障時，可由電容器蓄能器和備用電池系統組成混合供電系統供電，從而保證修井作業過程順利進行。

控制系統采用DP總線的網絡結構，系統控制器為主站，AC/DC PWM整流器、DC/AC逆變器和電容蓄能器系統均有DP總線接口，電容DC/DC變換器、電池DC/DC變換器帶有RS485通訊接口，通過485轉ProfibusDP模塊連接到DP網絡上。

2.1AC/DCPWM整流器

AC/DC PWM整流器可以將井場變壓器提供的交流電轉化為直流電，從而為系統提供直流電源。同時，根據修井機作業特點，對電容器進行恒壓、恒流充電控制，快速補充能量。該整流器采用雙閉環控制結構，其外環為直流母線電壓環，內環為電流環，通過對電源電壓的相位檢測和坐標變換以及PI調節器的調節作用，實現對電網輸入電流的有功分量和無功分量的獨立控制。根據修井機的工作特點，AC/DC PWM整流器存在3種工作模式，即恒壓控制、恒流控制和電容器充電控制。

1)恒壓控制模式 當電機負載功率低于井場變壓器容量時，該整流器按照恒壓控制模式運行，將380V三相交流電轉換為穩定的直流電壓，由此作為一個可控的直流電壓源為系統提供能量(見圖2(a))。

2)恒流控制模式 當電機負載功率高于井場變壓器容量時，該整流器按照恒流控制模式運行，即為直流母線提供恒定的直流電流，恒定電流為井場變壓器提供的最大電流，其余能量由電容蓄能器提供，由此充分利用井場電網能源(見圖2(b))。

3) 恒流、恒壓控制模式 當修井機輕負荷作業時，利用整流器的恒壓、恒流控制模式，可以實現對電容蓄能器的恒流、恒壓充電功能(見圖2(c))。

圖2 PWM整流器工作模式圖

2.2DC/AC逆變器

DC/AC逆變器驅動電機運轉，實現電動機的恒轉矩、恒功率控制。DC/AC逆變器采用雙閉環控制結構，其外環為速度環，內環為電流環，通過檢測電動機的定子電流，并經過坐標變換得到同步旋轉坐標系上的電動機定子電流的轉矩分量和勵磁分量，然后再經過電流調節器的調節作用、兩相同步旋轉坐標到兩相靜止坐標的變換以及PWM脈沖調制控制，實現了對電動機的快速、精確調速控制。

由于電動修井機系統采用的是雙速電動機，因而DC/AC逆變器具有以下功能：①能夠保存2組電動機參數，即在電機變極對數切換后，不必重新輸入電動機的參數，該逆變器便能快速調出變極對數后的電動機參數，從而進行相應的控制。②啟動預轉矩補償功能。為確保修井機的安全運行，啟動時逆變器驅動電動機輸出軸上具有大于等于負載轉矩的輸出轉矩。③直流制動懸停功能。為確保修井機的安全運行，制動停車時逆變器驅動電動機的輸出軸上具有大于等于負載轉矩的輸出轉矩，并持續足夠的時間。

2.3電容蓄能器

電容蓄能器包括超級電容器組、均壓單元、管理單元等，能夠在修井機提升油管時補償電網的輸出功率，保證作業時效，并在其他作業時間內由井場電網補充電能，為下一作業儲備能量。與電池組和普通電容器相比，超級電容具有功率密度大、循環壽命長、應用溫度范圍寬的優點，可快速充放電，適合修井機作業的工作特點。

圖3 電容蓄能器均壓原理圖

由于單支超級電容器的額定電壓很低，在應用中需要進行大量串聯以構成超級電容器組，但由此帶來的問題是電容器中各單體電壓不一致，造成超級電容器組的儲能下降或得不到充分利用，而在大電流快速充電時，其充電單體峰電壓又容易超過額定電壓，這會縮短超級電容器組的壽命。均壓單元可以解決大電流充放電導致各個單體電容器上電壓不一致的問題，具體設計如下：將若干支電容串聯后作為一個單元，均壓單元采用直流電源，管理單元測量每單元電容電壓值，并控制均壓電源對每組電容進行恒流充電，達到規定的最低電壓后均壓電源停止充電，剩余能量由AC/DC PWM整流器大電流充電完成(見圖3)。

2.4DC/DC變換器

DC/DC變換器包括電容DC/DC變換器、電池DC/DC變換器，兩者的工作原理相同，能夠實現電容(電池)到直流母線、直流母線到電容(電池)的雙向能量流動，從而完成對電容器(電池)的快速充放電。

圖4 DC/DC變換器拓撲結構圖

DC/DC變換器采用的是兩相交錯并聯雙向Buck-Boost拓撲結構，開關管采用IGBT。兩相并聯可以減小流過開關管的電流等級，錯相控制可以有效減小等效電感值和輸出電流波紋。DC/DC變換器拓撲結構圖如圖4所示。V1側為PWM整流器的直流母線側，V2側為超級電容側。正常工作時，V1電壓高于V2電壓，這樣有利于提高超級電容器的利用率，在滿足正常運行所需的條件下盡量減小超級電容器的數量，從而提高儲能的經濟性。電容器充電時，能量從V1側流向V2側，變換器工作在Buck變換器模式。電容器放電時，能量從V2側流向V1側，變換器工作在Boost變換器模式。

3 基于Profibus-DP總線的修井機控制系統數字化平臺

圖5 基于Profibus-DP總線的修井機控制系統數字化平臺結構圖

修井機控制系統為模塊化設計，由各個獨立的電氣模塊單元組成，各模塊單元通過Profibus-DP現場總線進行數據通訊，從而構成修井機控制系統數字化平臺(見圖5)。系統控制器是修井機控制系統的控制中心，為DP 總線上的主站，用于實現整個修井機控制系統的安全、協調的運行；整流器、逆變器、電容蓄能器管理單元為總線的從站，電容DC/DC、電池DC/DC通過485轉Profibus網橋連接到DP總線上。主站根據操作面板的輸入命令，通過網絡與各從站進行數據通訊，通過讀寫狀態字、控制字獲得各設備的運行狀態，并控制各設備的運行。

4 結 語

為了滿足油田環保和節能減排的要求，設計了一種電動修井機控制系統?，F場應用表明，該系統能夠較好地解決了修井機原動力“油改電”的問題。例如，將該系統運用在1500m左右井深油井的施工作業后，其生產成本只占常規柴油動力修井機的70%左右，取得了較好的經濟效益和社會效益。

[1]嚴仰光.雙向直流變換器[M].江蘇：江蘇科學技術出版社，2004.

[2]陳堅.電力電子學[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]徐峻濤.基于 PLC 的電動修井機電氣控制系統設計[J].石油機械，2012，25(5)：105-107.

2013-06-14

中國石油天然氣集團公司重大科技項目(2011B-1707) 。

韓菊(1972-)，女，碩士，講師，現主要從事石油化工設備方面的教學與研究工作。

TE935

A

1673-1409(2013)28-0070-04

[編輯] 李啟棟