超級電容儲能型修井機的控制模式分析

2017-11-01 06:11:52馬偉

化工自動化及儀表 2017年5期

馬偉

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠)

超級電容儲能型修井機的控制模式分析

馬偉

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠)

對幾種修井機儲能驅動控制系統的控制模式做了闡述和對比。

控制模式網電修井機超級電容永磁同步驅動

目前中國部分油田的電網系統已較為發達，為減少柴油機驅動帶來的環境污染并利用電能進行驅動，逐步研發出可接入油田高壓網電的交流變頻驅動的雙動力修井機。該類修井機已在多個油田使用，司鉆利用變頻驅動可實現對絞車的無極平滑調速，后期將電控氣、電控液等系統逐步加入電控房內，實現集成電控操作。雙動力修井機也逐步配備了自動化工具，整個系統高度電控集成，可實現在司鉆房的電子化操作。

超級電容具有功率密度大、充放電效率高即循環壽命長等特點[1]。隨著超級電容控制技術的成熟，在油田修井機上配置超級電容已經成為節能環保、綠色發展的趨勢。超級電容在油田修井機電控系統中的配置主要解決了兩個問題[2,3]：一是避免了利用高壓網電接入網電修井機作業帶來的種種不便和成本升高問題，油田就近利用抽油機的小容量低壓變壓器接入修井機電控系統供電，而抽油機的變壓器容量有限，當修井深度比較深時，無法滿足絞車提升的功率供給，為此需要利用超級電容儲能動力一起給控制系統供電；二是修井機在修井作業過程中，一般下放主要采取兩種方法[4]——一種是為了追求好的下放速度，采用脫開動力的方式下放，這樣負載帶動游動系統自由落體，制動回饋能量由剎車制動的形式消耗，另一種是采用絞車反方向給定速度下放，將機械勢能轉化為電能回饋到變頻器的直流母線，靠制動電阻以熱能的形式消耗，在這兩種做法中，制動回饋能量均以熱能形式消耗，造成了很大的浪費，為此，可以將超級電容掛在直流母線端，實現能量的回收。

現在根據油田的不同需求，在加入超級電容新技術和永磁同步驅動技術的基礎上，出現了雙動力加儲能方式的修井機、純電動驅動加儲能方式的修井機及加入永磁同步驅動技術的雙動力修井機等幾種類型。

1 雙動力+超級電容+DC/DC儲能型控制系統

雙動力+超級電容+DC/DC儲能型控制系統是在原有雙動力修井機中加入了帶DC/DC控制的超級電容儲能控制系統[5]，系統主要包括：高/低壓變壓器、PWM整流器、雙向DC/DC、超級電容、制動單元和制動電阻、逆變器和變頻電機以及PLC控制系統(圖1)。

圖1 雙動力+超級電容+DC/DC儲能型修井機拓撲圖

系統電能通過油田高壓網電接入，通過高低壓變壓器轉換為交流400V，通過PWM整流器整流，輸出0～750V可調的直流電壓，同時PWM整流通過控制可以提高低壓側功率因數[6]，提高系統效率。

井深不深輕載的情況下，當修井機作業于下鉆、打鉆、下套管工況時，PLC控制系統采集當前懸重數據，預測提升的速度和高度等進行能量分配計算，自動調節充電和放電的能量分配。提升時主要有兩種方式：一是通過PLC總線控制DC/DC變換器工作在Boost變換器模式[7]，超級電容處于放電狀態，同時控制電網整流PWM的輸出，通過直流母線共同出力，使逆變器驅動變頻電機；二是通過PLC總線控制DC/DC變換器工作在Boost變換器模式，超級電容處于放電狀態，關閉電網整流PWM的輸出，使超級電容單獨為直流母線供電帶動逆變器驅動變頻電機。這兩種方式都是為了極大地利用超級電容回收的勢能來做絞車提升，從而使下次充電充足。下放時變頻電機處于發電狀態，通過逆變器反向回饋至直流母線，主要有兩種情況：一是當反饋發電的能量小于超級電容的充電容量時，通過PLC總線控制DC/DC變換器工作在Buck 變換器模式，超級電容處于充電狀態，能夠完全吸收反饋發電的能量；二是當反饋發電的能量大于超級電容的充電容量時，通過PLC總線控制DC/DC變換器工作在Buck 變換器模式，超級電容處于充電狀態，當超級電容處于充滿關閉狀態時，開啟PWM整流器的可逆變模式，將多余的勢能反饋至電網，一方面可帶動井場其他交流用電設備，另外也可通過變壓器進行低壓到高壓的變換送到電網使用。

井深較深重載的情況下，當修井機作業于下鉆、打鉆、下套管工況時，提升時通過PLC總線控制DC/DC變換器工作在Boost變換器模式[6]，超級電容處于放電狀態，同時控制電網整流PWM的輸出，通過直流母線共同出力，使逆變器驅動變頻電機。下放時變頻電機處于發電狀態，通過逆變器反向回饋至直流母線，有兩種情況：一是當反饋發電的能量小于超級電容和逆變最大容量時，通過PLC總線控制DC/DC變換器工作在Buck 變換器模式，超級電容處于充電狀態，當超級電容處于充滿關閉狀態時，開啟PWM整流器的可逆變模式，將多余的勢能反饋至電網；二是當反饋發電的能量大于超級電容和逆變最大容量時，超級電容處于充電狀態，開啟PWM整流器的可逆變模式，將多余的勢能反饋至電網，同時，制動單元開啟將多余能量在制動電阻上進行消耗。

當修井機作業于起鉆工況時，提升時通過PLC總線控制DC/DC變換器工作在Boost變換器模式[6]，超級電容處于放電狀態，同時控制電網整流PWM的輸出，通過直流母線共同出力，使逆變器驅動變頻電機。下放時變頻電機處于發電狀態，通過逆變器反向回饋至直流母線，通過PLC總線控制DC/DC變換器工作在Buck 變換器模式，超級電容處于充電狀態。

2 純電動+超級電容儲能型控制系統

純電動+超級電容儲能型系統(圖2)的最大亮點是取消了DC/DC的超級電容控制環節，將超級電容直接搭接在直流母線上。系統絞車的驅動采用純電機驅動方式，車臺搭載等容量的發電機，低壓電網和車臺發電機通過雙電源切換開關實現對系統的供電，通過AC/DC整流器的整流，輸出0～750V可調直流電壓。

圖2 純電動+超級電容儲能型修井機拓撲圖

方案一不配置制動單元和制動電阻，整流器采用不可回饋整流(圖2虛線框)。此方式是為了滿足井場的小容量變壓器驅動而研制的，主要通過井場抽油機的變壓器低壓側輸出接入控制系統，通過超級電容和低壓電網共同驅動變頻電機，實現絞車的起升，最終解決了小電網驅動的問題，取消了井場高壓電網的接入和拆除，節省了修井作業時間，方便了用戶作業。為了提高作業效率，系統采用了脫開離合器下放的方式，不對勢能進行回收。系統主要包括：AC/DC整流器、超級電容及其管理系統、逆變器、變頻電機和PLC控制系統。

當修井機絞車處于提升狀態時，PLC控制系統采集當前懸重數據，預測提升的速度和高度等進行能量分配計算，提示當前超級電容的儲存能量能否滿足提升能量需求。提升時主要有兩種情況：當處于輕載時，PLC控制AC/DC整流輸出，帶動逆變器驅動變頻電機提升，當有多余的能量時，會自動根據超級電容的狀態進行充電；當處于重載時，PLC控制AC/DC滿額輸出，此時超級電容會自動快速投入放電，兩部分電能共同使逆變器驅動變頻電機。

當修井機絞車處于上扣和上管柱或下放狀態時，因為是脫開滾筒離合下放，不存在能量回收，此時，PLC控制AC/DC以最大容量輸出到直流母線，超級電容自動進行充電操作。

方案二配置制動單元和制動電阻，整流器采用可回饋整流。此方式不僅能滿足井場的小容量變壓器驅動，而且能帶電機的下放操作，實現勢能的回饋，并且配置可回饋的AC/DC整流單元可將多余能量向電網回饋。系統主要包括：AC/DC可回饋整流器、超級電容及其管理系統、制動單元和制動電阻、逆變器、變頻電機和PLC控制系統。

在修井機絞車處于提升狀態時，與方案一的控制工藝一致。

當修井機絞車處于下放狀態時，絞車電機處于發電狀態，超級電容(起升過程中能量消耗后)自動進入充電狀態，當超級電容充滿后，PLC控制系統控制AC/DC可回饋整流器，對電網實現電能回饋，當回饋容量超過電網變壓器容量時，制動單元自動開啟，制動電阻將會把多余的電能消耗掉。

3 雙動力+永磁同步驅動+超級電容儲能型控制系統

雙動力+永磁同步驅動+超級電容儲能型控制系統加入了兩個逆變器，利用直流母線逆變驅動組合液壓站，取消了DC/DC控制環節，將超級電容直接搭接在直流母線上，不需要配置制動電阻和制動單元。系統主要包括：可逆整流單元、超級電容和放電電阻、逆變器和永磁同步電機、逆變器和液壓站電機、PLC控制系統(圖3)。系統利用油田就近的低壓網電，采用可逆回饋整流單元向直流電網提供可調直流電。

圖3 永磁同步驅動+超級電容儲能型修井機拓撲圖

當修井機作業于下鉆、打鉆或下套管工況時，電機反轉帶動絞車下放，逆變器工作于第4象限，電機處于發電狀態，此時，能量不僅直接逆變驅動用于組合液壓站工作，同時，開始向超級電容充電，當超級電容電充滿后，可逆整流單元反饋電源到電網，供交流側電網使用。這樣的優點在于，對于井深不是很深的修井作業，反發電的量可以直接用于組合液壓站工作，取消了制動單元和制動電阻。同時，該方案中加入永磁同步驅動方式，提高了系統的工作效率，提升了低速的扭矩性能，并且永磁同步電機可工作在較大的過載狀態，促進了系統更好地作業。

當修井機作業于起鉆工況時，在這種方案下，一般勢能的回收大于電機提升所需的能量，此時PLC控制AC/DC整流輸出，帶動逆變器驅動變頻電機提升，同時可利用超級電容放電帶動組合液壓站工作，這樣就能夠很好地利用超級電容的能量，避免回收多利用少的情況，造成下次回收能量無處儲存的狀況。同時，該方案中取消了DC/DC的電容控制器，超級電容直接搭載在直流母線上，不但減少了控制環節，而且加快了超級電容的投入速度，能很好地起到消峰補谷的作用。

4 結束語

3種儲能型修井機控制系統的方案，從油田電源端的實際出發，以解決小電網驅動和節能環保的切身問題為主題，在幾個關鍵地方采用了不同的控制方式。有以采用高壓電網為主電源的，也有以油田低壓端變壓器為主電源的，同時還有配備發電機為備用電源的。整流模塊有采用整流回饋方式的，也有只整流簡單二極管方式的。在主要儲能控制技術方面，有采用DC/DC控制環節的，也有通過控制直接將超級電容搭載在直流母線上的。在電能的消耗利用端有的情況必須要求配備制動電阻，有的就不需要，只需巧妙地將直流母線搭載工作設備。這一系列的從電源端到整流再到儲能、制動消耗和逆變傳動的不同選擇和組合，還可以延伸出多種方案。但是，不論哪種方案，都必須從油田實際和修井機配置本身出發，選擇最優的組合作為儲能型控制系統。

[1] 武偉，謝少軍，張曌，等.基于MMC雙向DC_DC變換器的超級電容儲能系統控制策略分析與設計[J].電源學報，2016，43(3):4568～4575.

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[3] 馮志鵬，常玉連，付海龍，等. 石油修井機地錨樁振動特性與抗拔承載力研究[J].化工機械，2015,42(6)：798～780.

[4] 陳健.基于超級電容儲能的鉆修機絞車電控系統[J].化工自動化儀表，2016,43(5)：526～529.

[5] 徐峻濤，郭蕾，王霞，等.基于PLC的電動修井機電氣控制系統設計[J].石油機械，2012,40(5)：105～107.

[6] 謝晨.可逆PWM整流器及其控制策略研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[7] 嚴仰光.雙向直流變換器[M].南京：江蘇科學技術出版社，2004.

AnalysisofControlModesofWorkoverRigwithCapacitiveEnergyStorage

MA Wei

(SJ Petroleum Machinery Co., Sinopec Oilfield Equipment Corporation)

The control modes of workover rig’s several energy storage-driven control systems were described and compared.

control mode, electrified workover rig, super-capacitor, permanent magnet synchronous drive