本发明专利技术公开了一种用于钻机电网的储能补偿方法及其装置，尤其是用于采用电动钻机进行油气勘探开发领域、专门针对以纯燃气发电机组为钻井主动力的钻机电网在突加负载时频率和电压降低较大、从而通过超级电容提前储存能量进行瞬时补偿来支撑电网达到稳定电压和频率的方法及其装置。包括电网供电控制系统，用于检测实时检测监控燃气发电机、钻井负荷、超级电容器、并网逆变器的运行状态和参数、控制钻机电网和并网逆变器动作；并网逆变器，用于对交流电流的大小和相位进行控制而进行交流和直流电的转化储放；LCL滤波器，用于滤除输出交流电流中的谐波并能降低输出电流的THD值的LCL滤波器；超级电容器用于从电网获取电能储存或向其补充储存的电能从燃气发电网获取电能储存或向其补充储存电能。本发明专利技术按照野营房尺寸设计，总体装置安装在一栋移动式房体内，方便跟随电动钻机一起运输；配置录波设备、人机交互、移动式大容量存储卡等设备。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于钻机电网的储能补偿方法及其装置，尤其是用于采用电动钻机进行油气勘探开发领域、专门针对以纯燃气发电机组为钻井主动力的钻机电网在突加负载时频率和电压降低较大、从而通过超级电容提前储存能量进行瞬时补偿来支撑电网达到稳定电压和频率的方法及其装置。
技术介绍
电动石油钻机是目前进行深井石油勘探开发的主要钻机类型，主要包括直流驱 动电动钻机和交流变频驱动电动钻机，交流变频钻机具有低转速、恒扭矩的特点，逐渐成为电动钻机首选的驱动模式，在未来的石油勘探进程中将会长期占据重要位置，电动钻机将是未来陆地乃至海洋钻井的首选。不论是交流变频钻机还是直流钻机，他们的动力目前依然来自柴油发电机组，全部是以柴油作为主燃料。由于钻井消耗的柴油量巨大，而目前国际上柴油价格突飞猛涨，使得钻井行业成本越来越高，利润率越来越低，同时带来了非常严重的环境污染。柴油燃烧排放出大量的有毒有害物质及气体N0; N02; HC; CO; S02及碳烟等等，都会导致民众日益关注的环境污染问题。研究表明，发动机以天然气为燃料比以柴油为燃料产生的废气中，烃类发散物降低3 8 %，C O降低4 6 %，N O X降低8 %，颗粒物降低2 9%。因此，使用天然气比使用柴油，其排放的废气污染物量大大降低。。我国国民经济和社会发展“十二五”规划明确要求推进页岩气等非常规油气资源开发利用。国务院已经正式批准页岩气成为我国第172个矿种，加快推进页岩气开采步伐，加大天然气在我国国民生产生活能源消费中的比重。在钻井行业推广使用天然气做为主燃料是顺应国家的发展，也是改善能源结构的有力举措。为了降低柴油消耗量及钻井成本，已经提出了各种针对减少柴油使用量的双燃料发电机和纯燃料发电机。例如某钻井公司实施“使用双燃料发动机组在钻井上的应用研究”，取得了一些技术上的突破，但双燃料发动机的使用存在工况差、容易爆缸、天然气替代率低等问题。燃气发电机组由于其外特性较差的缺点，在负载突增猛减时反应较慢，容易导致载荷突然增加较大时功率输出不足被逼熄火而停机，甚至发生严重的爆缸、熄火、飞车等故障和生产事故，无法满足电动钻井生产中突变载荷对电网冲击时发电机组稳定输出的要求。在2003年I月10日公开的申请号为03114836. O的专利技术专利申请中披露了一种车用动力电源超级电容器，其超级电容器芯子由烧结式氧化镍正极片、涂覆特定材料的发泡镍基负极片和折叠式连续化隔膜构成。在2007年10月25日公开的申请号为200710165637. 6的专利技术专利公开了一种用于超级电容器中的集电极及其表面处理方法，采用铬酸混合液处理方法对集流体表面进行化学处理，不仅能有效去除集流体的铝箔在贮存和运输过程中表面沾了一些灰尘，而且能有效去除铝箔在加工过程中表面存在的防腐油或防粘剂，并增加活性官能团，使处理后的集流体涂布电极材料分布均匀、一致，提高电极薄膜的粘合强度，降低电极的内阻，增加比表面积，适宜规模化生产。近年来超级电容制造使用技术趋于成熟，已经广泛应用于电子类、工业用电器、光电、太阳能、航天、运输、交通能源、军工等领域。本专利技术采用燃气发电机组作为钻机主动力，具备机组启动快、运行平稳、燃料成本低、节能减排的优点，同时配备能进行精确计算投切时机和投切量、自动控制、并网逆变和滤波功能的瞬时能量储存补偿装置，保证电网电压和频率瞬时趋于稳定。该方法和装置的优点 I、可以使电动钻机完全使用天然气，改变一直使用柴油的状况，改变钻井队的能源需求结构，增大钻井队能源适应范围，避免单一的能源需求模式。2、由于全部使用纯燃气作为燃料进行发电，为钻井队节省了钻井成本，提高钻井队的综合竞争力。3、由于全部使用天然气替代柴油作为燃料，有效地降低了对环境的污染，是节能减排的有效措施。4、该专利技术符合国家能源开发战略，推动使用天然气的进程。
技术实现思路
本专利技术认识到有关柴油发电机和双燃料发电机供电系统的工作原理、结构组成以及该系统在钻井工作中的各种前述的和其他的限制因素和缺陷，同时认识到有关燃气发电机供电系统的工作原理、结构组成以及该系统在钻井工作中的各种前述的和其他的限制因素和缺陷。因此，本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于以纯燃气发电机为主动力的钻机电网储能补偿方法及其装置，它不仅可以根据电网参数、钻井负荷、储能及其变动情况自动储存燃气发电机电网上的冗余电能，自动选择适当的投切时机和适当的投切量向电网补充电能，支撑电网达到稳定频率的目的，完全满足燃气发电时电动钻井复杂工况的需要，而且还可以降低功耗，节省能源消耗，减少污染物的排放。为解决上述技术问题，本专利技术用于燃气发电的钻机电网储能补偿方法，提供给钻机电网的主动力是由一个或数个燃气发电机组并网与供电控制系统控制的补偿电能电网并网组成，而补偿电能是先由电网逆变器整流成直流电，储存在超级电容中，再经电网逆变器逆变成交流电，然后由滤波器有效滤除掉该交流电中的谐波后反馈到电网中。其特征是上述电网逆变器和滤波器均由供电控制系统控制，逆变器经差动放大器控制正弦脉冲的输出宽度，使逆变器响应和持续工作时间都在豪秒量级，并与燃气发电机组电网瞬时电压和频率下降的持续时间相同。这种实现瞬时电能电压和频率补偿的装置包括用于检测电网频率、电容状态并且控制储能补偿装置各部分动作的供电控制系统、用于电网与电容器之间直流电和交流电相互转换的并网逆变器、用于滤除反馈电网中的谐波并降低输出电流THD值的LCL滤波器、用于从电网获取电能储存及向其补充储存电能的超级电容器。作为本专利技术的一种优选方案，该补偿装 置选用的超级电容器也称双电层电容器，是基于双电层原理工作的、兼具普通电容器功率密度高和蓄电池能量密度高等优点的电容器。超级电容器的充放电循环次数高达50万次以上，其寿命长。超级电容器属于物理储能器件，其充放电过程实质上就是导电离子在电极上的吸附和脱附过程，电极材料巨大的表面积使得这一过程没有任何障碍，其充放电过程不受限制，因而具有很高的功率密度和充放电效率。作为本专利技术的另一种优选方案，该补偿装置选用的并网逆变器是随着全控式开关器件(例如IGBT)的实用化而发展起来的斩控式可逆变流器，采用正弦脉宽调制模式(SPWM)0它既可以作为整流器工作(给电容充电)，也可作用逆变器工作(向电网提供能量)。由于采用了自关断器件IGBT，通过恰当的SPWM模式，可对交流电流的大小和相位进行控制，并通过前端的各滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波。系统采用了先进的数字同步锁相技术，确保设备可靠运行。作为本专利技术的又一种优选方案，该补偿装置选用的滤波器选用的是LCL滤波器，因为在逆变器向电网输出交流电流时，会有大量的谐波产生，该谐波对现有的设备可能带来致命的冲击，为了有效滤除掉反馈电网中的谐波，降低输出电流的THD值，特选用LCL滤波器。 作为本专利技术的进一步优选方案，该补偿装置选用的供电控制系统，可以实时检测电网电压的相位和频率，以控制并网逆变器，使其输出电流与电网电压相位及频率保持同步，即同步锁相。同步锁相是并网系统的一项关键技术，其控制精确度直接影响到系统的并网运行性能。倘若锁相环电路不可靠，在逆变器与电网并网工作切换中会产生逆变器与电网之间的环流，对设备造成冲击，缩短设备使用寿命，严重时还将损坏设备。作为本本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于钻机电网的储能补偿方法，其特征在于：提供给钻机电网的主动力是由一个或数个燃气发电机组并网与供电控制系统控制的补偿电能电网并网组成，而补偿电能是先由电网逆变器整流成直流电，储存在超级电容中，再经电网逆变器逆变成交流电，然后由滤波器有效滤除掉该交流电中的谐波后反馈到电网中。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘永，汪岩，刘俊，杜永彬，
申请(专利权)人：中国石油集团长城钻探工程有限公司工程服务公司，
类型：发明
国别省市：
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