超级电容储能型修井机的控制模式分析

2017-11-01马伟

化工自动化及仪表 2017年5期

关键词：修井变频储能

马伟

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂)

超级电容储能型修井机的控制模式分析

马伟

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂)

对几种修井机储能驱动控制系统的控制模式做了阐述和对比。

控制模式网电修井机超级电容永磁同步驱动

目前中国部分油田的电网系统已较为发达，为减少柴油机驱动带来的环境污染并利用电能进行驱动，逐步研发出可接入油田高压网电的交流变频驱动的双动力修井机。该类修井机已在多个油田使用，司钻利用变频驱动可实现对绞车的无极平滑调速，后期将电控气、电控液等系统逐步加入电控房内，实现集成电控操作。双动力修井机也逐步配备了自动化工具，整个系统高度电控集成，可实现在司钻房的电子化操作。

超级电容具有功率密度大、充放电效率高即循环寿命长等特点[1]。随着超级电容控制技术的成熟，在油田修井机上配置超级电容已经成为节能环保、绿色发展的趋势。超级电容在油田修井机电控系统中的配置主要解决了两个问题[2,3]：一是避免了利用高压网电接入网电修井机作业带来的种种不便和成本升高问题，油田就近利用抽油机的小容量低压变压器接入修井机电控系统供电，而抽油机的变压器容量有限，当修井深度比较深时，无法满足绞车提升的功率供给，为此需要利用超级电容储能动力一起给控制系统供电；二是修井机在修井作业过程中，一般下放主要采取两种方法[4]——一种是为了追求好的下放速度，采用脱开动力的方式下放，这样负载带动游动系统自由落体，制动回馈能量由刹车制动的形式消耗，另一种是采用绞车反方向给定速度下放，将机械势能转化为电能回馈到变频器的直流母线，靠制动电阻以热能的形式消耗，在这两种做法中，制动回馈能量均以热能形式消耗，造成了很大的浪费，为此，可以将超级电容挂在直流母线端，实现能量的回收。

现在根据油田的不同需求，在加入超级电容新技术和永磁同步驱动技术的基础上，出现了双动力加储能方式的修井机、纯电动驱动加储能方式的修井机及加入永磁同步驱动技术的双动力修井机等几种类型。

1 双动力+超级电容+DC/DC储能型控制系统

双动力+超级电容+DC/DC储能型控制系统是在原有双动力修井机中加入了带DC/DC控制的超级电容储能控制系统[5]，系统主要包括：高/低压变压器、PWM整流器、双向DC/DC、超级电容、制动单元和制动电阻、逆变器和变频电机以及PLC控制系统(图1)。

图1 双动力+超级电容+DC/DC储能型修井机拓扑图

系统电能通过油田高压网电接入，通过高低压变压器转换为交流400V，通过PWM整流器整流，输出0～750V可调的直流电压，同时PWM整流通过控制可以提高低压侧功率因数[6]，提高系统效率。

井深不深轻载的情况下，当修井机作业于下钻、打钻、下套管工况时，PLC控制系统采集当前悬重数据，预测提升的速度和高度等进行能量分配计算，自动调节充电和放电的能量分配。提升时主要有两种方式：一是通过PLC总线控制DC/DC变换器工作在Boost变换器模式[7]，超级电容处于放电状态，同时控制电网整流PWM的输出，通过直流母线共同出力，使逆变器驱动变频电机；二是通过PLC总线控制DC/DC变换器工作在Boost变换器模式，超级电容处于放电状态，关闭电网整流PWM的输出，使超级电容单独为直流母线供电带动逆变器驱动变频电机。这两种方式都是为了极大地利用超级电容回收的势能来做绞车提升，从而使下次充电充足。下放时变频电机处于发电状态，通过逆变器反向回馈至直流母线，主要有两种情况：一是当反馈发电的能量小于超级电容的充电容量时，通过PLC总线控制DC/DC变换器工作在Buck 变换器模式，超级电容处于充电状态，能够完全吸收反馈发电的能量；二是当反馈发电的能量大于超级电容的充电容量时，通过PLC总线控制DC/DC变换器工作在Buck 变换器模式，超级电容处于充电状态，当超级电容处于充满关闭状态时，开启PWM整流器的可逆变模式，将多余的势能反馈至电网，一方面可带动井场其他交流用电设备，另外也可通过变压器进行低压到高压的变换送到电网使用。

井深较深重载的情况下，当修井机作业于下钻、打钻、下套管工况时，提升时通过PLC总线控制DC/DC变换器工作在Boost变换器模式[6]，超级电容处于放电状态，同时控制电网整流PWM的输出，通过直流母线共同出力，使逆变器驱动变频电机。下放时变频电机处于发电状态，通过逆变器反向回馈至直流母线，有两种情况：一是当反馈发电的能量小于超级电容和逆变最大容量时，通过PLC总线控制DC/DC变换器工作在Buck 变换器模式，超级电容处于充电状态，当超级电容处于充满关闭状态时，开启PWM整流器的可逆变模式，将多余的势能反馈至电网；二是当反馈发电的能量大于超级电容和逆变最大容量时，超级电容处于充电状态，开启PWM整流器的可逆变模式，将多余的势能反馈至电网，同时，制动单元开启将多余能量在制动电阻上进行消耗。

当修井机作业于起钻工况时，提升时通过PLC总线控制DC/DC变换器工作在Boost变换器模式[6]，超级电容处于放电状态，同时控制电网整流PWM的输出，通过直流母线共同出力，使逆变器驱动变频电机。下放时变频电机处于发电状态，通过逆变器反向回馈至直流母线，通过PLC总线控制DC/DC变换器工作在Buck 变换器模式，超级电容处于充电状态。

2 纯电动+超级电容储能型控制系统

纯电动+超级电容储能型系统(图2)的最大亮点是取消了DC/DC的超级电容控制环节，将超级电容直接搭接在直流母线上。系统绞车的驱动采用纯电机驱动方式，车台搭载等容量的发电机，低压电网和车台发电机通过双电源切换开关实现对系统的供电，通过AC/DC整流器的整流，输出0～750V可调直流电压。

图2 纯电动+超级电容储能型修井机拓扑图

方案一不配置制动单元和制动电阻，整流器采用不可回馈整流(图2虚线框)。此方式是为了满足井场的小容量变压器驱动而研制的，主要通过井场抽油机的变压器低压侧输出接入控制系统，通过超级电容和低压电网共同驱动变频电机，实现绞车的起升，最终解决了小电网驱动的问题，取消了井场高压电网的接入和拆除，节省了修井作业时间，方便了用户作业。为了提高作业效率，系统采用了脱开离合器下放的方式，不对势能进行回收。系统主要包括：AC/DC整流器、超级电容及其管理系统、逆变器、变频电机和PLC控制系统。

当修井机绞车处于提升状态时，PLC控制系统采集当前悬重数据，预测提升的速度和高度等进行能量分配计算，提示当前超级电容的储存能量能否满足提升能量需求。提升时主要有两种情况：当处于轻载时，PLC控制AC/DC整流输出，带动逆变器驱动变频电机提升，当有多余的能量时，会自动根据超级电容的状态进行充电；当处于重载时，PLC控制AC/DC满额输出，此时超级电容会自动快速投入放电，两部分电能共同使逆变器驱动变频电机。

当修井机绞车处于上扣和上管柱或下放状态时，因为是脱开滚筒离合下放，不存在能量回收，此时，PLC控制AC/DC以最大容量输出到直流母线，超级电容自动进行充电操作。

方案二配置制动单元和制动电阻，整流器采用可回馈整流。此方式不仅能满足井场的小容量变压器驱动，而且能带电机的下放操作，实现势能的回馈，并且配置可回馈的AC/DC整流单元可将多余能量向电网回馈。系统主要包括：AC/DC可回馈整流器、超级电容及其管理系统、制动单元和制动电阻、逆变器、变频电机和PLC控制系统。

在修井机绞车处于提升状态时，与方案一的控制工艺一致。

当修井机绞车处于下放状态时，绞车电机处于发电状态，超级电容(起升过程中能量消耗后)自动进入充电状态，当超级电容充满后，PLC控制系统控制AC/DC可回馈整流器，对电网实现电能回馈，当回馈容量超过电网变压器容量时，制动单元自动开启，制动电阻将会把多余的电能消耗掉。

3 双动力+永磁同步驱动+超级电容储能型控制系统

双动力+永磁同步驱动+超级电容储能型控制系统加入了两个逆变器，利用直流母线逆变驱动组合液压站，取消了DC/DC控制环节，将超级电容直接搭接在直流母线上，不需要配置制动电阻和制动单元。系统主要包括：可逆整流单元、超级电容和放电电阻、逆变器和永磁同步电机、逆变器和液压站电机、PLC控制系统(图3)。系统利用油田就近的低压网电，采用可逆回馈整流单元向直流电网提供可调直流电。

图3 永磁同步驱动+超级电容储能型修井机拓扑图

当修井机作业于下钻、打钻或下套管工况时，电机反转带动绞车下放，逆变器工作于第4象限，电机处于发电状态，此时，能量不仅直接逆变驱动用于组合液压站工作，同时，开始向超级电容充电，当超级电容电充满后，可逆整流单元反馈电源到电网，供交流侧电网使用。这样的优点在于，对于井深不是很深的修井作业，反发电的量可以直接用于组合液压站工作，取消了制动单元和制动电阻。同时，该方案中加入永磁同步驱动方式，提高了系统的工作效率，提升了低速的扭矩性能，并且永磁同步电机可工作在较大的过载状态，促进了系统更好地作业。

当修井机作业于起钻工况时，在这种方案下，一般势能的回收大于电机提升所需的能量，此时PLC控制AC/DC整流输出，带动逆变器驱动变频电机提升，同时可利用超级电容放电带动组合液压站工作，这样就能够很好地利用超级电容的能量，避免回收多利用少的情况，造成下次回收能量无处储存的状况。同时，该方案中取消了DC/DC的电容控制器，超级电容直接搭载在直流母线上，不但减少了控制环节，而且加快了超级电容的投入速度，能很好地起到消峰补谷的作用。

4 结束语

3种储能型修井机控制系统的方案，从油田电源端的实际出发，以解决小电网驱动和节能环保的切身问题为主题，在几个关键地方采用了不同的控制方式。有以采用高压电网为主电源的，也有以油田低压端变压器为主电源的，同时还有配备发电机为备用电源的。整流模块有采用整流回馈方式的，也有只整流简单二极管方式的。在主要储能控制技术方面，有采用DC/DC控制环节的，也有通过控制直接将超级电容搭载在直流母线上的。在电能的消耗利用端有的情况必须要求配备制动电阻，有的就不需要，只需巧妙地将直流母线搭载工作设备。这一系列的从电源端到整流再到储能、制动消耗和逆变传动的不同选择和组合，还可以延伸出多种方案。但是，不论哪种方案，都必须从油田实际和修井机配置本身出发，选择最优的组合作为储能型控制系统。

[1] 武伟，谢少军，张曌，等.基于MMC双向DC_DC变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计[J].电源学报，2016，43(3):4568～4575.

[2] 王志国.超级电容储能技术在网电修井机中的应用[J].石油机械，2015， 43(5)：104～106.

[3] 冯志鹏，常玉连，付海龙，等. 石油修井机地锚桩振动特性与抗拔承载力研究[J].化工机械，2015,42(6)：798～780.

[4] 陈健.基于超级电容储能的钻修机绞车电控系统[J].化工自动化仪表，2016,43(5)：526～529.

[5] 徐峻涛，郭蕾，王霞，等.基于PLC的电动修井机电气控制系统设计[J].石油机械，2012,40(5)：105～107.

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

[7] 严仰光.双向直流变换器[M].南京：江苏科学技术出版社，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