一种蓄能电动修井机电控系统技术方案

本发明专利技术涉及一种蓄能电动修井机电控系统，包括四象限PWM整流器、储能电池或超级电容、储能管理系统、变频逆变器、主电动机、控制器、车上负载液压系统和气动系统，其中：四象限PWM整流器与井场变压器连接，用于进行恒流输出；变频逆变器与四象限PWM整流器连接，用于驱动主电动机负载运行；储能电池或超级电容直接连接于变频逆变器与四象限PWM整流器之间的直流母线上；车上负载液压系统和气动系统连接于四象限PWM整流器与井场变压器之间的交流母线上，用于作为负载；控制器用于连接四象限PWM整流器、变频逆变器、储能电池或超级电容、储能管理系统，用于检测各个部件的参数信息并控制各个部件的运行。本发明专利技术可以解决现有技术存在的谐波问题，负载功率最优协调分配问题及能量回馈等问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及油田作业设备，具体涉及一种蓄能电动修井机电控系统。
技术介绍
修井机是对油田井下管柱或井身进行维修的专业化机械设备，主要用于油管、抽油杆和抽油泵的提升与下放等作业。目前，柴油机是修井机作业的主要动力来源。柴油修井机因以下缺点越来越不令人满意：(1)随着柴油价格的不断攀升，使得修井作业的成本大幅度提高；(2)柴油燃烧会产生大量的有害气体，造成环境污染，这既不符合国家节能减排的产业政策，也不符合环境保护的要求；(3)柴油修井机仅将柴油燃烧所产生热能的30％转化为机械能，导致柴油修井机耗能高；(4)通常柴油修井机的机械传动路径长，传动效率仅为0.6左右，造成修井机工作效率比较低。因此，需要廉价清洁能源取代柴油作为修井机的主要动力源。目前，能替代柴油修井机且最具有发展潜力的是电动修井机，它的核心动力源来自于清洁的电网。与柴油修井机相比，电动修井机的优点是：(1)电网能源价格相对较低；(2)电动修井机在电能转换的过程中，耗散能量均以热量的形式散发到空气中，不会对环境造成污染；(3)电动修井机中的电力电子装备的能量利用率均非常高，均能到达90％以上，所以在能量传递过程中耗能少；(4)电动修井机的传动效率提高到80％。但是，由于井场配电系统容量是根据油田抽油机所需能量进行配置的，一般容量为30KW～150KW，不能满足修井机进行油管、抽油杆和抽油泵的提升与下放作业时所需功率；如果另配置大容量井场变压器以满足修井使用要求，一方面，将会加大设备管理难度和投资成本；另一方面，因修井作业是临时性的工作，配置大容量井场变压器，在抽油机的正常运行中将会出现“大马拉小车”而造成变压器损耗过大的局面。因此，需要一种能源装置作为辅助电源，辅助井场变压器进行作业，为修井作业的正常运行提供能量来源。专利电动修井机作业车(专利号：ZL 01250405.X)给出了一种电动修井机方案，电源取自井场变压器。该专利虽然解决了上述电动修井机问题，但是，如果井场电源容量小或者停电，电动修井机不能正常工作。专利电动修井机电力系统(专利号：ZL 200920107125.9)给出了一种电动储能修井机方案，在变频器的直流母线上直接并入储能电池或超级电容。该专利虽然解决了上述电动储能修井机问题，但是还存在很多问题：(1)谐波问题。变频器的二极管整流模块采用的是不可控整流，在变频器工作的过程中，对电网造成严重的谐波污染，总谐波畸变率达到24.25％。(2)负载功率最优协调分配问题。储能电池或超级电容直接挂接到变频器的直流母线上，相当于两个不可控电压源并联，共同为主电动机变频调速运行供电。根据电路原理，两个不可控电压源并联运行会使负载功率分配不合理。当负载较大时将会导致某一个电压源过载而另一电压源欠载运行，降低整个电控系统的可靠性。如果井场变压器过载，井场变压器供电不安全；如果储能电池或超级电容不过载，就需要设计容量大的储能电池或超级电容组。因此，负载功率变化应由控制器实现储能电池或超级电容和井场电源最优协调分配。(3)能量回馈问题。储能电池或超级电容被直接挂接到变频器的直流母线上，当电动修井机回放重物工作时，将产生很大的回馈电能。如果直接存储到储能电池或超级电容中，需要增加储能电池或超级电容的容量而投资过大。现有技术将其用于电阻制动消耗，造成电能浪费。专利技术专利一种电动修井机电控系统(专利号：ZL 201210123654.4)彻底解决了现有技术存在的以上问题，给出了四象限PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)和DC/DC控制的储能电池或超级电容的较好解决方案。本专利技术专利又给出了一个更好的解决方案，可以称之为方案中的精品。
技术实现思路
本专利技术提供一种蓄能电动修井机电控系统，以解决现有技术的电动修井机电控系统存在的技术问题。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种蓄能电动修井机电控系统，所述蓄能电动修井机电控系统包括：脉冲宽度调制四象限PWM整流器、储能电池或超级电容、储能管理系统、变频逆变器、主电动机、控制器、车上负载液压系统和气动系统，其中：所述四象限PWM整流器，与井场变压器连接，用于在四象限PWM控制策略的作用下，进行恒压输出，或进行恒流输出(可预先设定最大工作电流或参考电流值)；所述变频逆变器，通过直流母线与四象限PWM整流器连接，用于驱动主电动机负载运行；所述储能电池或超级电容，直接连接于变频逆变器与四象限PWM整流器之间的直流母线上，其中，变频逆变器和四象限PWM整流器均用于控制储能电池或超级电容的充放电功能，进行双向稳压输出；所述储能管理系统，对储能电池或超级电容系统内部的充放电状态(温度、电压等信息)进行监测；所述主电动机，接在变频逆变器的输出端，用于驱动修井机的机械提升系统做功；所述车上负载液压系统和气动系统，连接于四象限PWM整流器与井场变压器之间的交流母线上，用于作为车上附加负载；所述控制器，用于连接四象限PWM整流器、变频逆变器、储能电池或超级电容、储能管理系统，用于检测各个部件的电压、电流参数信息，并发出指令信息控制各个部分的运行。优选的是，所述蓄能电动修井机电控系统还包括电源进线主开关，所述电源进线主开关：位于连接于四象限PWM整流器与井场变压器之间的交流母线上，与所述控制器相连，控制四象限PWM整流器与井场变压器之间的开关，以控制电动修井机是否使用井场电源。在上述任一技术方案中优选的是，在本专利技术技术方案中所述电动修井机处于轻载电动状态：当控制器判断储能电池或超级电容荷电状态SOC(state ofcharge)达到1.0时，将四象限PWM整流器作为可控的恒流源单独运行，为变频逆变器提供直流电源，其中，四象限PWM整流器的在线电流应等于变频逆变器所需要的电流；或，当控制器判断储能电池或超级电容荷电状态SOC未达到1.0时，将四象限PWM整流器作为可控的恒流源为变频逆变器提供直流电源的同时，直接为储能电池或超级电容进行恒流充电，其中。四象限PWM整流器的在线电流大于变频逆变器所需要的电流。在上述任一技术方案中优选的是，在本专利技术技术方案中中所述电动修井机处于重载电动状态：当控制器判断储能电池或超级电容电量充足时，将四象限PWM整流器和超级电容两者并联运行为变频逆变器提供电能：将四象限PWM整流器按恒流模式运行而其电流为其参考电流值，储能电池或超级电容按恒压模式运行，负载电流值与参考电流值之间差值部分由储能电池或超级电容提供；或，当四象限PWM整流器按恒流运行模式运行而其电流为参考电流值时，当控制器判断储能电池或超级电容电量不足以提供负载电流值与参考电流值之间差值时，电动修井机应停止作业，可将四象限PWM整流器按恒压或恒流模式运行，直接为储能电池或超级电容进行充电，充电后继续工作。在上述任一技术方案中优选的是，在本专利技术技术方案中中所述电动修井机处于倒发电状态：当控制器判断电动修井机主电动机处于倒发电状态时，电动修井机主电动机倒发电电流小于储能电池或超级电容充电电流限制且储能电池或超级电容荷电状态SOC未达到1.0时，四象限PWM整流器处于休眠状态，将变频逆变器直接给储能电池或超级电容充电；或，当控制器判断电动修井机主电动机处于倒发电状态时，电动修井机主电动机倒发电电流大于储能电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蓄能电动修井机电控系统，其特征在于，所述蓄能电动修井机电控系统包括：脉冲宽度调制四象限PWM整流器、储能电池或超级电容、储能管理系统、变频逆变器、主电动机、控制器、车上负载液压系统和气动系统，其中：所述四象限PWM整流器，与井场变压器连接，用于在四象限PWM控制策略的作用下，进行恒压输出，或进行恒流输出；所述变频逆变器，通过直流母线与四象限PWM整流器连接，用于驱动主电动机负载运行；所述储能电池或超级电容，直接连接于变频逆变器与四象限PWM整流器之间的直流母线上，其中，变频逆变器和四象限PWM整流器均用于控制储能电池或超级电容的充放电功能，进行双向稳压输出；所述储能管理系统，对储能电池或超级电容系统内部的充放电状态进行监测；所述主电动机，接在变频逆变器的输出端，用于驱动修井机的机械提升系统做功；所述车上负载液压系统和气动系统，连接于四象限PWM整流器与井场变压器之间的交流母线上，用于作为车上附加负载；所述控制器，用于连接四象限PWM整流器、变频逆变器、储能电池或超级电容、储能管理系统，用于检测各个部件的电压、电流参数信息，并发出指令信息控制各个部分的运行。

【技术特征摘要】
1.一种蓄能电动修井机电控系统，其特征在于，所述蓄能电动修井机电控系统包括：脉冲宽度调制四象限PWM整流器、储能电池或超级电容、储能管理系统、变频逆变器、主电动机、控制器、车上负载液压系统和气动系统，其中：所述四象限PWM整流器，与井场变压器连接，用于在四象限PWM控制策略的作用下，进行恒压输出，或进行恒流输出；所述变频逆变器，通过直流母线与四象限PWM整流器连接，用于驱动主电动机负载运行；所述储能电池或超级电容，直接连接于变频逆变器与四象限PWM整流器之间的直流母线上，其中，变频逆变器和四象限PWM整流器均用于控制储能电池或超级电容的充放电功能，进行双向稳压输出；所述储能管理系统，对储能电池或超级电容系统内部的充放电状态进行监测；所述主电动机，接在变频逆变器的输出端，用于驱动修井机的机械提升系统做功；所述车上负载液压系统和气动系统，连接于四象限PWM整流器与井场变压器之间的交流母线上，用于作为车上附加负载；所述控制器，用于连接四象限PWM整流器、变频逆变器、储能电池或超级电容、储能管理系统，用于检测各个部件的电压、电流参数信息，并发出指令信息控制各个部分的运行。2.如权利要求1所述蓄能电动修井机电控系统，其特征在于，所述蓄能电动修井机电控系统还包括电源进线主开关，所述电源进线主开关：位于连接于四象限PWM整流器与井场变压器之间的交流母线上，与所述控制器相连，控制四象限PWM整流器与井场变压器之间的开关，以控制电动修井机是否使用井场电源。3.如权利要求1或2所述蓄能电动修井机电控系统，其特征在于，所述蓄能电动修井机处于轻载电动状态：当控制器判断储能电池或超级电容荷电状态SOC达到1.0时，将四象限PWM整流器作为可控的恒流源单独运行，为变频逆变器提供直流电源，其中，四象限PWM整流器的在线电流应等于变频逆变器所需要的电流；或，当控制器判断储能电池或超级电容荷电状态SOC未达到1.0时，将四象限PWM整流器作为可控的恒流源为变频逆变器提供直流电源的同时，直接为储能电池或超级电容进行恒流充电，其中，四象限PWM整流器的在线电流大于变频逆变器所需要的电流。4.如权利要求1或2所述蓄能电动修井机电控系统，其特征在于，所述蓄能电动修井机处于重载电动状态：当控制器判断储能电池或超级电容电量充足时，将四象限PWM整流器和超级电容两者并联运行为变频逆变器提供电能：将四象限PWM整流器按恒流模式运行而其电流为其参考电流值，储能电池或超级电容按恒压模式运行，负载电流值与参考电流值之间差值部分由储能电池或超级电容提供；或，当四象限PWM整流器按恒流运行模式运行而其电流为参考电流值时，当控制器判断储能电池或超级电容电量不足以提供负载电流值与参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁志珊，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11