超級電容儲能型修井機(jī)的控制模式分析

馬 偉

(中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠)

超級電容儲能型修井機(jī)的控制模式分析

馬 偉

(中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠)

對幾種修井機(jī)儲能驅(qū)動控制系統(tǒng)的控制模式做了闡述和對比。

控制模式 網(wǎng)電修井機(jī) 超級電容 永磁同步驅(qū)動

目前中國部分油田的電網(wǎng)系統(tǒng)已較為發(fā)達(dá)，為減少柴油機(jī)驅(qū)動帶來的環(huán)境污染并利用電能進(jìn)行驅(qū)動，逐步研發(fā)出可接入油田高壓網(wǎng)電的交流變頻驅(qū)動的雙動力修井機(jī)。該類修井機(jī)已在多個油田使用，司鉆利用變頻驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)對絞車的無極平滑調(diào)速，后期將電控氣、電控液等系統(tǒng)逐步加入電控房內(nèi)，實(shí)現(xiàn)集成電控操作。雙動力修井機(jī)也逐步配備了自動化工具，整個系統(tǒng)高度電控集成，可實(shí)現(xiàn)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(huán)壽命長等特點(diǎn)[1]。隨著超級電容控制技術(shù)的成熟，在油田修井機(jī)上配置超級電容已經(jīng)成為節(jié)能環(huán)保、綠色發(fā)展的趨勢。超級電容在油田修井機(jī)電控系統(tǒng)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(wǎng)電接入網(wǎng)電修井機(jī)作業(yè)帶來的種種不便和成本升高問題，油田就近利用抽油機(jī)的小容量低壓變壓器接入修井機(jī)電控系統(tǒng)供電，而抽油機(jī)的變壓器容量有限，當(dāng)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(tǒng)供電；二是修井機(jī)在修井作業(yè)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(fù)載帶動游動系統(tǒng)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(jī)械勢能轉(zhuǎn)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(fèi)，為此，可以將超級電容掛在直流母線端，實(shí)現(xiàn)能量的回收。

現(xiàn)在根據(jù)油田的不同需求，在加入超級電容新技術(shù)和永磁同步驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了雙動力加儲能方式的修井機(jī)、純電動驅(qū)動加儲能方式的修井機(jī)及加入永磁同步驅(qū)動技術(shù)的雙動力修井機(jī)等幾種類型。

1 雙動力+超級電容+DC/DC儲能型控制系統(tǒng)

雙動力+超級電容+DC/DC儲能型控制系統(tǒng)是在原有雙動力修井機(jī)中加入了帶DC/DC控制的超級電容儲能控制系統(tǒng)[5]，系統(tǒng)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(jī)以及PLC控制系統(tǒng)(圖1)。

圖1 雙動力+超級電容+DC/DC儲能型修井機(jī)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)電能通過油田高壓網(wǎng)電接入，通過高低壓變壓器轉(zhuǎn)換為交流400V，通過PWM整流器整流，輸出0～750V可調(diào)的直流電壓，同時PWM整流通過控制可以提高低壓側(cè)功率因數(shù)[6]，提高系統(tǒng)效率。

井深不深輕載的情況下，當(dāng)修井機(jī)作業(yè)于下鉆、打鉆、下套管工況時，PLC控制系統(tǒng)采集當(dāng)前懸重?cái)?shù)據(jù)，預(yù)測提升的速度和高度等進(jìn)行能量分配計(jì)算，自動調(diào)節(jié)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(tài)，同時控制電網(wǎng)整流PWM的輸出，通過直流母線共同出力，使逆變器驅(qū)動變頻電機(jī)；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(tài)，關(guān)閉電網(wǎng)整流PWM的輸出，使超級電容單獨(dú)為直流母線供電帶動逆變器驅(qū)動變頻電機(jī)。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(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過逆變器反向回饋至直流母線，主要有兩種情況：一是當(dāng)反饋發(fā)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(tài)，能夠完全吸收反饋發(fā)電的能量；二是當(dāng)反饋發(fā)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(tài)，當(dāng)超級電容處于充滿關(guān)閉狀態(tài)時，開啟PWM整流器的可逆變模式，將多余的勢能反饋至電網(wǎng)，一方面可帶動井場其他交流用電設(shè)備，另外也可通過變壓器進(jìn)行低壓到高壓的變換送到電網(wǎng)使用。

井深較深重載的情況下，當(dāng)修井機(jī)作業(yè)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(tài)，同時控制電網(wǎng)整流PWM的輸出，通過直流母線共同出力，使逆變器驅(qū)動變頻電機(jī)。下放時變頻電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過逆變器反向回饋至直流母線，有兩種情況：一是當(dāng)反饋發(fā)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(tài)，當(dāng)超級電容處于充滿關(guān)閉狀態(tài)時，開啟PWM整流器的可逆變模式，將多余的勢能反饋至電網(wǎng)；二是當(dāng)反饋發(fā)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(tài)，開啟PWM整流器的可逆變模式，將多余的勢能反饋至電網(wǎng)，同時，制動單元開啟將多余能量在制動電阻上進(jìn)行消耗。

當(dāng)修井機(jī)作業(yè)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(tài)，同時控制電網(wǎng)整流PWM的輸出，通過直流母線共同出力，使逆變器驅(qū)動變頻電機(jī)。下放時變頻電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，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(tài)。

2 純電動+超級電容儲能型控制系統(tǒng)

純電動+超級電容儲能型系統(tǒng)(圖2)的最大亮點(diǎn)是取消了DC/DC的超級電容控制環(huán)節(jié)，將超級電容直接搭接在直流母線上。系統(tǒng)絞車的驅(qū)動采用純電機(jī)驅(qū)動方式，車臺搭載等容量的發(fā)電機(jī)，低壓電網(wǎng)和車臺發(fā)電機(jī)通過雙電源切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的供電，通過AC/DC整流器的整流，輸出0～750V可調(diào)直流電壓。

圖2 純電動+超級電容儲能型修井機(jī)拓?fù)鋱D

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(qū)動而研制的，主要通過井場抽油機(jī)的變壓器低壓側(cè)輸出接入控制系統(tǒng)，通過超級電容和低壓電網(wǎng)共同驅(qū)動變頻電機(jī)，實(shí)現(xiàn)絞車的起升，最終解決了小電網(wǎng)驅(qū)動的問題，取消了井場高壓電網(wǎng)的接入和拆除，節(jié)省了修井作業(yè)時間，方便了用戶作業(yè)。為了提高作業(yè)效率，系統(tǒng)采用了脫開離合器下放的方式，不對勢能進(jìn)行回收。系統(tǒng)主要包括：AC/DC整流器、超級電容及其管理系統(tǒng)、逆變器、變頻電機(jī)和PLC控制系統(tǒng)。

當(dāng)修井機(jī)絞車處于提升狀態(tài)時，PLC控制系統(tǒng)采集當(dāng)前懸重?cái)?shù)據(jù)，預(yù)測提升的速度和高度等進(jìn)行能量分配計(jì)算，提示當(dāng)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(dāng)處于輕載時，PLC控制AC/DC整流輸出，帶動逆變器驅(qū)動變頻電機(jī)提升，當(dāng)有多余的能量時，會自動根據(jù)超級電容的狀態(tài)進(jìn)行充電；當(dāng)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(qū)動變頻電機(jī)。

當(dāng)修井機(jī)絞車處于上扣和上管柱或下放狀態(tài)時，因?yàn)槭敲撻_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(jìn)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(qū)動，而且能帶電機(jī)的下放操作，實(shí)現(xiàn)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(wǎng)回饋。系統(tǒng)主要包括：AC/DC可回饋整流器、超級電容及其管理系統(tǒng)、制動單元和制動電阻、逆變器、變頻電機(jī)和PLC控制系統(tǒng)。

在修井機(jī)絞車處于提升狀態(tài)時，與方案一的控制工藝一致。

當(dāng)修井機(jī)絞車處于下放狀態(tài)時，絞車電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，超級電容(起升過程中能量消耗后)自動進(jìn)入充電狀態(tài)，當(dāng)超級電容充滿后，PLC控制系統(tǒng)控制AC/DC可回饋整流器，對電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電能回饋，當(dāng)回饋容量超過電網(wǎng)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(qū)動+超級電容儲能型控制系統(tǒng)

雙動力+永磁同步驅(qū)動+超級電容儲能型控制系統(tǒng)加入了兩個逆變器，利用直流母線逆變驅(qū)動組合液壓站，取消了DC/DC控制環(huán)節(jié)，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(tǒng)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(jī)、逆變器和液壓站電機(jī)、PLC控制系統(tǒng)(圖3)。系統(tǒng)利用油田就近的低壓網(wǎng)電，采用可逆回饋整流單元向直流電網(wǎng)提供可調(diào)直流電。

圖3 永磁同步驅(qū)動+超級電容儲能型修井機(jī)拓?fù)鋱D

當(dāng)修井機(jī)作業(yè)于下鉆、打鉆或下套管工況時，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動絞車下放，逆變器工作于第4象限，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，此時，能量不僅直接逆變驅(qū)動用于組合液壓站工作，同時，開始向超級電容充電，當(dāng)超級電容電充滿后，可逆整流單元反饋電源到電網(wǎng)，供交流側(cè)電網(wǎng)使用。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于，對于井深不是很深的修井作業(yè)，反發(fā)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(qū)動方式，提高了系統(tǒng)的工作效率，提升了低速的扭矩性能，并且永磁同步電機(jī)可工作在較大的過載狀態(tài)，促進(jìn)了系統(tǒng)更好地作業(yè)。

當(dāng)修井機(jī)作業(yè)于起鉆工況時，在這種方案下，一般勢能的回收大于電機(jī)提升所需的能量，此時PLC控制AC/DC整流輸出，帶動逆變器驅(qū)動變頻電機(jī)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(huán)節(jié)，而且加快了超級電容的投入速度，能很好地起到消峰補(bǔ)谷的作用。

4 結(jié)束語

3種儲能型修井機(jī)控制系統(tǒng)的方案，從油田電源端的實(shí)際出發(fā)，以解決小電網(wǎng)驅(qū)動和節(jié)能環(huán)保的切身問題為主題，在幾個關(guān)鍵地方采用了不同的控制方式。有以采用高壓電網(wǎng)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(fā)電機(jī)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(shù)方面，有采用DC/DC控制環(huán)節(jié)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(shè)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(shí)際和修井機(jī)配置本身出發(fā)，選擇最優(yōu)的組合作為儲能型控制系統(tǒng)。

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[7] 嚴(yán)仰光.雙向直流變換器[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)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

TH865

A

1000-3932(2017)05-0495-04

馬偉(1986-)，工程師，從事石油鉆修機(jī)電控制系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)，mw111110@126.com。

2016-11-08，

2017-03-22)