一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法技术

本发明专利技术涉及能量吸收与回馈技术领域，尤其涉及一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法,包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC1变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC2变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、滤波电感L1，本发明专利技术将双向DC/DC变换器输出与主储能单元串联在一起，通过调节双向DC/DC变换器输出电流，实现直流母线和储能单元之间的能量流动。直流母线电压与储能单元电压之差在一定的合理范围内（20‑30%），双向DC/DC变换器+只需要输出其差值电压即可。所以，双向DC/DC变换器的变换功率较通用的全功率结构方式有极大降低，变换功率是经典结构变换功率的20‑30%,实现产品制造成本降低，提高系统总体效率。

【技术实现步骤摘要】
一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法
本专利技术涉及能量吸收与回馈
，尤其涉及一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法。
技术介绍
在油田钻井过程当中，存在着多种工况，在提升钻杆工况时，在提杆瞬间，所需功率极大（800KW以上），对于钻井供电微网系统来说，负载冲击会引起供电电压跌落和发电机发电频率降低。为了应对这种负载冲击，通常配备大容量供电系统，形成大马拉小车情况，以降低负载冲击对电网供电的影响。油田钻井负载冲击主要作用在顶驱大钩的电机上。顶驱电机一般为直流电机，采用晶闸管调速系统控制。在冲击负载发生时，由储能单元提供部分能量给直流电机，可以降低对电网的影响。基于超级电容（或其他储能电池组）的储能型冲击负载补偿方式能够实现全功率范围内的冲击能量补偿,且超级电容放电速度快,功率密度高,温度范围宽等优点,最能符合冲击补偿时间短,功率大的特点,是目前储能补偿系统的重要研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种钻机冲击负载补偿结构，1、包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC1变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC2变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、滤波电感L1；所述的双向DC/DC1变换器1的A+和A-端与所述的主储能电单元串联；所述的双向DC/DC1变换器1的B+和B-端与所述的辅助储能电单元并联；所述的双向DC/DC1变换器1由VT1-VT4和L2组成，VT1集电极接A+端，VT1发射极和VT2集电极相连后，接L2，VT2发射极接参考地A-端，VT3集电极接B+端，VT3发射极和VT4集电极相连后，接L2另一端，VT4发射极接参考地B-端；所述的双向DC/DC1变换器1为BOOST/BUCK升降压变换器结构，即储能系统吸收直流母线能量时，若U2＞U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BUCK状态下,若U2＜U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BOOST状态下；储能系统回馈能量时,若U2＜U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BUCK状态下，若U2＞U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BOOST状态下；所述的双向DC/DC2变换器2由VT5、VT6、VT7、VT8、L3、及C3构成；VT5、VT6、VT7、VT8四个开关器件串联，VT5集电极接L1,VT6与VT7连接点接L3，L3另一端接C+端，VT5与VT6连接点接电容C3，C3另一端接VT7与VT8连接点接，VT8发射极接参考地。进一步的，所述的开关器件VT1-VT8为IGBT或MOSFET，内部带有二极管。进一步的，所述控制单元实现对双向DC/DC1变换器1的A+端电流I1控制，实现交流电频率稳定在设定值上。进一步的，所述控制单元实现对双向DC/DC2变换器2的C+端和C-端电压控制。进一步的，所述双向DC/DC1变换器1和双向DC/DC2变换器2可由n组相同结构的DC/DC变换器并联，实现功率扩展，并联后，各组DC/DC变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制，均流控制方式。一种钻机冲击负载补偿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构造一种自举串联式DC/DC变换器结构，以较小的变换功率控制储能模组向直流母线转移能量向以及直流母线能量补充到储能模组上；S2、通过控制双向DC/DC变换器的输出电流来实现储能单元与直流母线之间能量的流动；冲击负载突然出现时，对于发动机来讲，当负载转矩突然增加，发动机来不及响应，发动机转速相应的会降低，引起发电机发出的交流电频率降低，同时电压值也会降低；由于发电机励磁调节作用，电压值下降时刻延后，交流电频率降低先于电压降低；S3、控制电路采集电网频率f、Ubus电压，U1及U2电压，通过频率外环,电流内环的控制方式实现冲击负载补偿；S4、吸收能量时，双向DC/DC变换器输入能量来自直流母线，而输出能量储存在辅助储能单元内；在吸收能量时，主储能单元和辅助储能单元均进行储能工作；S5、回馈能量时，双向DC/DC变换器输入能量来自辅助储能单元，而输出能量经主储能单元回馈到直流母线上，在回馈能量时，主储能单元和辅助储能单元均进行释放能量工作；S6、双向DC/DC变换器解决辅助储能单元容量与主储能单元容量匹配问题；S7、双向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器可由n组相同结构的DC/DC变换器串联或并联，实现功率扩展；串联或并联后，各组DC/DC变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制，均流均压控制方式。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术对钻机冲击负载提出了一种补偿结构，解决了油田供电容量配备问题，无需考虑冲击负载的容量，极大降低了钻井平台供电容量需求，降低供电配置成本。2、本专利技术将双向DC/DC1变换器1输出与主储能单元串联在一起，通过调节双向DC/DC1变换器1输出电流，实现直流母线和储能单元之间的能量流动。直流母线电压与储能单元电压之差在一定的合理范围内（20-30%），双向DC/DC1变换器1只需要输出其差值电压即可。所以，双向DC/DC变换器的变换功率较通用的全功率结构方式有极大降低，变换功率是经典结构变换功率的20-30%。实现产品制造成本降低，提高系统总体效率。3、由于双向DC/DC1变换器1功率降低，输出电压降低，因此，功率器件选择范围变宽。变换器开关频率可大幅度增加，达到20kHz以上。减小DC/DC变换器体积。附图说明图1为本专利技术所述的一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法结构图；图2为实例1所提供的能量吸收电路模型（BUCK模式）；图3为实例1所提供的能量吸收电路模型（BOOST模式）；图4为实例1所提供的能量回馈电路模型（BUCK模式）；图5为实例1所提供的能量回馈电路模型（BOOST模式）；图6为实例1所提供的双向DCDC变换器2驱动波形图；图7为实例1所提供的辅助储能单元充电电路模型（VT5开通）；图8为实例1所提供的辅助储能单元充电电路模型（VT6开通）；图9为实例1所提供的辅助储能单元放电电路模型（VT8开通）；图10为实例1所提供的辅助储能单元放电电路模型（VT7开通）。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例1本实施例1提供了一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法。结构框图如图1所示，它包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC1变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC2变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、L1。输入开关保险单元起过流保护及开关隔离作用。主储能单元和辅助储能单元，可由超级电容或锂电池组成。双向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钻机冲击负载补偿结构，其特征在于，包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC1变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC2变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、滤波电感L1；/n所述的双向DC/DC1变换器1的A+和A-端与所述的主储能电单元串联；/n所述的双向DC/DC1变换器1的B+和B-端与所述的辅助储能电单元并联；/n所述的双向DC/DC1变换器1由VT1-VT4和L2组成，VT1集电极接A+端，VT1发射极和VT2集电极相连后，接L2，VT2发射极接参考地A-端，VT3集电极接B+端，VT3发射极和VT4集电极相连后，接L2另一端，VT4发射极接参考地B-端；/n所述的双向DC/DC1变换器1为BOOST/BUCK升降压变换器结构，即储能系统吸收直流母线能量时，若U2＞U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BUCK状态下,若U2＜U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BOOST状态下；/n储能系统回馈能量时,若U2＜U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BUCK状态下，若U2＞U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BOOST状态下；/n所述的双向DC/DC2变换器2由VT5、VT6、VT7、VT8、L3、及C3构成；VT5、VT6、VT7、VT8四个开关器件串联，VT5集电极接L1,VT6与VT7连接点接L3，L3另一端接C+端，VT5与VT6连接点接电容C3，C3另一端接VT7与VT8连接点接，VT8发射极接参考地。/n...

【技术特征摘要】
1.一种钻机冲击负载补偿结构，其特征在于，包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC1变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC2变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、滤波电感L1；
所述的双向DC/DC1变换器1的A+和A-端与所述的主储能电单元串联；
所述的双向DC/DC1变换器1的B+和B-端与所述的辅助储能电单元并联；
所述的双向DC/DC1变换器1由VT1-VT4和L2组成，VT1集电极接A+端，VT1发射极和VT2集电极相连后，接L2，VT2发射极接参考地A-端，VT3集电极接B+端，VT3发射极和VT4集电极相连后，接L2另一端，VT4发射极接参考地B-端；
所述的双向DC/DC1变换器1为BOOST/BUCK升降压变换器结构，即储能系统吸收直流母线能量时，若U2＞U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BUCK状态下,若U2＜U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BOOST状态下；
储能系统回馈能量时,若U2＜U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BUCK状态下，若U2＞U3时，双向DC/DC1变换器1工作在BOOST状态下；
所述的双向DC/DC2变换器2由VT5、VT6、VT7、VT8、L3、及C3构成；VT5、VT6、VT7、VT8四个开关器件串联，VT5集电极接L1,VT6与VT7连接点接L3，L3另一端接C+端，VT5与VT6连接点接电容C3，C3另一端接VT7与VT8连接点接，VT8发射极接参考地。


2.根据权利要求1所述的一种钻机冲击负载补偿结构，其特征在于，所述的开关器件VT1-VT8为IGBT或MOSFET，内部带有二极管。


3.根据权利要求1所述的一种钻机冲击负载补偿结构，其特征在于，所述控制单元实现对双向DC/DC1变换器1的A+端电流I1控制，实现交流电频率稳定在设定值上。


4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：国海峰，孙力，刘青山，赵克，段建东，王帅，
申请(专利权)人：国海峰，孙力，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23