基于Z源網絡的電動鉆機井場供配電系統設計研究

＊劉海龍 張奇志 閆梓涵

（1.西安石油大學電子工程學院 陜西 710065 2.陜西省油氣井測控技術重點實驗室 陜西 710065）

電動鉆機平臺的主要電力負載為各種類型的電動機，其功率分布在幾千瓦到幾千千瓦之間。目前這些電動機中，大功率電機如泥漿泵等已全部實現了變頻驅動，而中等及以下功率電機如風機等負載，采用的都是電網直接驅動、定頻恒速運行。現有科研成果可以證明，變頻驅動可以節約能源20%以上[1]。為此，美國NOV公司于2020年推出的頂部驅動鉆機，已經采用永磁同步電機進行調速運行[2]。然而現有鉆機平臺中MCC各負載仍然采用常規的定速運行，其原因主要有二：第一，目前的電動鉆機智能化程度不高，各負載運行方式采用的仍是粗放式聯動，未能實現多電機協調控制；第二，目前的變頻器仍不理想，其效率和可靠性有待進一步提高[3]。深入研究安全可靠且高效的井場供配電技術能夠為電動鉆機智能化與智慧化發展提供重要的理論基礎和技術支撐。

近年來學者們提出的基于Z源網絡的逆變技術為井場供配電網絡的優化設計提供了一種新的思路[4]。Z源逆變器具有獨特的升壓-降壓能力，可以通過調整直通占空比來控制直流母線電壓，并且其獨特的上下橋臂直通特性，能提高系統的可靠性，因此在分布式發電、風力發電、燃料電池供電以及電機驅動等領域都有著廣泛的應用前景[5]。理論上，將Z源網絡引入電動鉆機井場配電網絡，設計相應的變頻控制模塊，既可以充分發揮Z源逆變器的優勢，又可以提高系統的效率，降低系統能耗，增強系統的可靠性和安全性，對于電動鉆機智能化和智慧化發展具有重要的現實意義。

1.傳統的電動鉆機井場供配電系統

傳統的電動鉆機典型井場配電系統通常采用雙電源供電方式：主變壓器和輔助發電機。系統示意圖如圖1所示。

圖1 傳統的電動鉆機典型井場配電系統圖

根據電動鉆機型號不同，設備和數量略有不同。以某ZJ90DB鉆機系統MCC中的電機負載為例，系統中大型負載有加重泵、灌注泵、供液泵、剪切泵等，均為75kW；中型負載有重晶石回收泵（37kW）、絞車風機電機（15kW）、補給泵與潤滑油泵（11kW）等；小型負載有各類型的液壓泵、風機等共27臺，其功率在1kW～7.5kW之間，均采用交流母線電源直供，恒頻定速運行。

2.基于Z源網絡的電動鉆機井場供配電系統設計

綜上所述，根據負載的大小，可以分別設計相應的Z源逆變器。本文以某一類型選取單個電機的方式進行供電電路的設計，可以提高系統的標準化和模塊化，類似電機采用相同系統驅動。

(1)大型負載采用級聯型Z源逆變器

級聯型Z源逆變器有電容級聯型和二極管級聯型等網絡，本文采用二極管級聯型Z源逆變器設計大型負載供配電系統，系統如圖2所示。

圖2 基于級聯型Z源逆變器的中大型負載供電系統圖

級聯型Z源逆變器的升壓因子為B=1/（1-4D），在相同的直通占空比（D）調節下可以獲得更高的升壓倍數。反之，當需要同樣的升壓倍數時，級聯型Z源逆變器可以使用更小的直通占空比，從而可以獲得更高的調制度，這不僅可以降低開關器件的電壓應力，還可以有效地提高電壓利用率，有利于改善輸出電能的質量[5]。

基于級聯型Z源逆變器的電動鉆機平臺中大型設備驅動系統可以采用輸出電壓全線性化調制的SVPWM控制算法，通過調整直通占空比實時調節直流母線電壓，從而動態調節基本電壓矢量，增大輸出的合成電壓矢量，使得參考電壓矢量始終被包圍在基本電壓矢量組成的正六邊形的內切圓之內，消除了傳統的過調制區。該策略能跟隨系統負載變化，使得輸出電壓始終保持為正弦波，避免了常規過調制算法的輸出飽和及輸出電壓嚴重畸變問題，可以簡化系統控制算法。必要時采用級聯Z源逆變器三次諧波注入最大升壓控制法，還可以進一步增強系統輸出能力，這對電動鉆機在鉆進過程中負載突變時保持系統平穩運行、提高應變能力具有重要的意義[6]。

(2)中小型負載采用準Z源逆變器

電動鉆機平臺的MCC系統中，液壓泵、噴淋泵、風機等中小型設備常常不間斷工作，其對電流的連續性、電網的電能質量要求較高。

準Z源逆變器有帶抽頭電感型準Z-源、Quasi-Z型等網絡[7]，本文采用Quasi-Z型Z源逆變器設計中小型負載供配電系統，系統示意圖如圖3所示。

圖3 基于Quasi-Z型Z源逆變器小型負載供電系統圖

Quasi-Z源逆變電路不僅保留了Z-源逆變電路的所有優點，并且在相同網絡參數的前提下，當采用抑制Z-源逆變器母線電壓跌落的SVPWM方法進行Quasi-Z源逆變器控制時，可以避免二極管電流斷續導致的直流母線電壓跌落現象的發生，進而保證Quasi-Z源逆變電路的輸入電流是連續的，而且能夠降低對無源器件的電壓應力，滿足中小型設備的系統設計要求[8]。

3.總結

本文在深入研究前期研究成果的基礎上，設計了基于Z源網絡的電動鉆機井場配電系統，并進行了理論和控制算法分析，為工程化實踐做了一些積極探索。理論上，采用基于Z源網絡的變頻技術后，MCC系統能耗可以降低10%～20%，相應負載的電壓利用率可以提高8%，具有明顯的節能降耗效果[9]。但是由于目前Z源逆變器的機理尚未完全研究透徹，理論體系也未完全建立，單一的Z源網絡應用范圍有限，通用型的Z源網絡還需要進一步研究設計，針對大功率負載的應用研究也還不成熟，Z源逆變器在電流抗擾動、電壓抗跌落、特定諧波消除等方面的優勢還待進一步探索。