本发明是有关于一种钻/修井机储能电控系统，尤其是关于一种带直流微网与势能回收的钻/修井机储能电控系统。
背景技术：
石油、天然气是国民经济发展的重要能源，为保证国家生产生活能源供应，需要进行石油、天然气钻机作业，对于已开发油井、气井，由于常年开采使用，为了保证这些井能够稳产正常工作，需要对其进行清污和保养处理。所以钻/修井机是保证多种类型的井开采和正常运转不可或缺的设备。目前的钻/修井机普遍利用柴油发电机组或者电网(市电电网)为其提供动力。
发明人在实现本发明过程中发现，柴油发电机组工作效率低，怠速或空载时能源白白消耗，应对绞车这种冲击性负载时存在严重的不完全燃烧现象，导致能源严重浪费，这会使钻/修井机的作业成本增加；燃气机发电机组特性比较软，应对绞车这种冲击性负载时会导致燃气机发电机组熄火或飞车；利用市电电网为其提供动力的情况下，由于钻/修井机的作业场所通常比较偏远(如靠近农村)，且其电能需求量较大，钻/修井机电控系统不能够满负荷运行；年久的井口附近多半是居民区，修井作业时柴油机噪音和污染大，引发民事纠纷，延误工期。
有鉴于现有的为电动钻/修井机提供动力的方式存在的问题，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验以及专业知识，并配合合理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构一种带直流微网和势能回收的钻/修井机储能电控系统，能够避免现有的为电动钻/修井机提供动力的方式存在的问题，使其更具有实用性。经过不断的研究设计，并经过反复试作样品及改进，终于创设出确具实用价值的本发明。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，实现不同种类的交流电源在直流侧并网；降低发电机组的装机容量；进行势能回收和能量分配；实现直流微网中清洁电源(如市电电网)优先输出；实现储能电容大功率快速充放电；实时判断当前工况负荷及电源供电能力，保证钻/修井作业的效率，提高响应速度，避免对电网的冲击。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。本发明提出一种带直流微网与势能回收的钻/修井机储能电控系统,其应用于石油钻/修井机，其包括：多个scr整流器，每一scr整流器包括：交流进线电源、第一主控制器、触发放大电路、第一采样电路、第一监控单元、以及功率单元组件，第一采样电路连接于功率单元组件的直流输出端与第一主控制器之间，并将从直流输出端采集的电压和电流信号经a/d转换反馈给第一主控制器，第一监控单元分别连接交流进线电源和dp总线，将交流进线电源信息传输到dp总线上，第一主控制器依次连接触发放大电路、功率单元组件，功率单元组件的输入端与交流进线电源连接、其输出端与公共直流母线连接，其中，多个scr整流器的交流进线电源为不同种类的电源，该些不同种类的电源在直流侧并网，并且优先输出市电电网；双向dc/dc模块，其包括：第二主控制器、上位机、第二采样电路、以及第二igbt功率单元组件，第二采样电路与第二igbt功率单元组件连接，第二主控制器分别与第二采样电路、第二igbt功率单元组件、上位机、dp总线连接，第二ibgt功率单元组件的高压侧与公共直流母线连接，双向dc/dc模块对储能电容快速大功率充放电；储能电容，其包括：超级电容模组、cms模块，超级电容模组与双向dc/dc模块的第二igbt功率单元组件的低压侧连接，cms模块的采样回路与超级电容模组连接，cms模块还和dp总线连接；vfd逆变单元，其包括第三主控制器、第三采样电路、第三igbt功率单元组件、制动单元、速度编码器、以及绞车电机，第三主控制器分别与第三采样电路、第三igbt功率单元组件、dp总线连接，第三采样电路与第三igbt功率单元组件连接，制动单元分别与第三igbt功率单元组件、公共直流母线连接，速度编码器分别与第三采样电路、绞车电机连接，第三igbt功率单元组件的输出端与绞车电机连接；能量回馈单元，其包括：第四主控制器、igbt逆变模块组件、相序检测器、第四采样电路、配电负载、隔离变压器，第四主控制器分别与igbt逆变模块组件、相序检测器、第四采样电路、dp总线连接，相序检测器与配电负载的供电电源连接，第四采样电路与配电负载连接，igbt逆变模块组件的输入端与公共直流母线连接，igbt逆变模块组件的输出端依次连接隔离变压器、配电负载，所述多个scr整流器的交流进线电源电气联锁后与配电负载连接；以及网络通讯设备，其包括：plc模块、工控机、辅助控制模块，plc模块分别与工控机、辅助控制模块、dp总线连接，辅助控制模块与绞车传感器连接，网络通讯设备自动识别和分配当前需要充电或放电的功率和能量大小。
本发明的目的还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，前述的电控系统,其中所述的scr整流器还包括：输入滤波电抗器、输出滤波电抗器，该输入滤波电抗器连接于所述交流进线电源与功率单元组件之间，该输出滤波电抗器连接于所述功率单元组件输出端与公共直流母线之间。
较佳的，前述的电控系统,其中所述的能量回馈单元还包括：直流emi滤波器、lcl滤波器、交流emi滤波器，该直流emi滤波器连接于所述igbt逆变模块组件的输入端与公共直流母线之间，该lcl滤波器连接于所述igbt逆变模块组件的输出端与隔离变压器之间，该交流emi滤波器连接于所述隔离变压器与配电负载之间。
较佳的，前述的电控系统，其中所述的双向dc/dc模块的第二igbt功率单元组件包括并联的两个igbt功率单元组件，该两个ibgt功率单元组件的高压侧并联后与公共直流母线连接、低压侧并联后与储能电容的超级电容模组连接，该igbt功率单元组件包括驱动电路、硬件保护电路。
较佳的，前述的电控系统，其中，当绞车上提时，将储能电容中的能量通过双向dc/dc模块快速大功率补充到公共直流母线上；绞车下放时，通过采样电路自动计算识别重力势能，将负载势能转化成电能回馈到公共直流母线，通过双向dc/dc模块快速大功率储存到储能电容或通过能量回馈单元将电能实时反馈给400v配电负载。
较佳的，前述的电控系统，其中所述的双向dc/dc模块采用同步触发和错相控制的方式。
借由上述技术方案，本发明带直流微网与势能回收的钻/修井机储能电控系统至少具有下列优点及有益效果：
1、本发明充分利用井场的电网和其它清洁电源，并且使清洁电源(市电电网)优先供电使用，达到减排的效果。
2、本发明使所有种类的交流电源通过scr整流器与双向dc/dc模块控制储能电容在公共直流母线并网，组成直流微网系统，有效解决不同种类电源交流侧难以并网的问题。
3、本发明降低整套系统的发电机组装机容量。
4、本发明充分利用了电动钻/修井机作业过程中的势能，电机处于发电状态时，系统有效的将势能转换成电能进行存储和分配，一部分存入储能电容，一部分通过能量回馈单元就地利用，达到了节能降耗的目的。
5、本发明在绞车上提时，储能电容补充能量，绞车下放时为储能电容充电，解决了电源容量不足的问题，减小对电源的冲击，起到了削峰补谷的效果。
6、本发明的储能电容具有体积小、安装简单、效率高以及充放电速度快等特点，为大容量的储能提供了可靠的条件。
7、本发明采用了智能控制系统，网络通讯设备，多样化采样，可以对相应的信号进行处理、运算以及连续自动输出，具有自诊断功能，方便人员操作，从而使设备具有可靠性、稳定性以及安全性等特点。
8、本发明通过势能回收与再利用，减小了发电机和电网的输出功率，降低了系统的装机功率，实现了节能。
9、本发明的直流微网技术、势能回收与能量分配技术、快速储能充放电技术有机结合并首次在石油钻/修井机上使用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
【主要元件符号说明】
1、2、3：scr整流器11、21、31：第一主控制器
12、22、32：第一监控单元13、23、33：触发放大电路
14、24、31：第一采样电路15、25、35：功率单元组件
16、26、36：交流进线电源17、27、37：输入滤波电抗器
18、28、38：输出滤波电抗器4：双向dc/dc模块
41：第二主控制器42：上位机
43：第二采样电路44、45：第二igbt功率单元组件
5：储能电容51：超级电容模组
52：cms管理系统6：vfd逆变单元
61：第三主控制器62：第三igbt功率单元组件
63：第三采样电路64：制动单元
65：速度编码器66：绞车电机
7：能量回馈单元71：第四主控制器
72：igbt逆变模块组件73：相序检测器
74：第四采样电路75：配电负载
76：直流emi滤波器77：lcl滤波器
78：隔离变压器79：交流emi滤波器
8：网络通讯设备81：plc模块
82：工控机83：辅助控制模块
9：dp总线10：公共直流母线
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种带直流微网与势能回收的钻/修井机储能电控系统的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1，是本发明的一实施例的结构框图。本发明的带直流微网与势能回收的钻/修井机储能电控系统主要包括：scr整流器1、2、3，双向dc/dc模块4，储能电容5，vfd逆变单元6，能量回馈单元7，以及网络通讯设备8。需要说明的是，本发明的scr整流器可以为多个，而不限于图1中三个的情形。
scr整流器1、2、3，其主要包括：第一主控制器11、21、31，第一监控单元12、22、32(主要分别监控三台scr整流器的交流进线电源)，触发放大电路13、23、33，第一采样电路14、24、34，功率单元组件15、25、35，交流进线电源16、26、36，输入滤波电抗器17、27、37，输出滤波电抗器18、28、38等。第一采样电路14、24、34分别连接功率单元组件15、25、35的直流输出端与第一主控制器11、21、31之间采集电压和电流信号，将采样结果经a/d转换分别反馈给第一主控制器11、21、31；第一监控单元12、22、32分别连接各自的交流进线电源16、26、36和dp总线9，将进线电源信息传输到dp总线9上；第一主控制器11、21、31分别连接触发放大电路13、23、33，再分别连接功率单元组件15、25、35；交流进线电源16、26、36分别连接输入滤波电抗器17、27、38，再与功率单元组件15、25、35输入端分别连接；功率单元组件15、25、35输出端分别与输出滤波电抗器18、28、38连接，再与公共直流母线10连接。
scr整流器1、2、3主要用于控制几种不同或者相同种类的交流进线电源16、26、36在直流侧并网，根据负荷进行功率分配。第一主控制器11、21、31采用反馈+前馈的闭环控制方案，将触发信号发送给触发放大电路12、22、32，从而驱动晶闸管整流，将交流电变成直流电。该控制方法对系统调节过程中进行动态补偿，提高了晶闸管整流的响应速度。在多级并联scr整流器控制中，每台scr整流器允许接入相同种类的电源(如：同型号的发电机组，电源特性相同)；也可以接入不同种类的电源(如：电网和发电机组，电源特性不同)，通过彼此通讯，控制每台scr整流器按照预设值同比例输出，实现在公共直流母线上并网；还可以使某一种或几种电源优先输出(如：使廉价环保的电源先行供电)，当达到预设值时其它电源再自动输出补充，例如：太阳能(风力)发电功率50kw，电网功率100kw，天然气发电功率200kw,就可以通过多级并联scr整流器，在直流侧并网，与储能电容配合工作形成一个直流微网系统，该系统中可以使太阳能(风力)发电优先输出或按一定比例输出，当容量不足时再由网电补充，最后再由燃气机组补充；也可以按预设值同比例输出(如：预设80％，则每种电源同时同比例输出)同时达到最大值。第一监控单元12、22、32实时采集交流进线电源16、26、36的信息，将信息发送到dp总线9上，第一主控制器11、21、31通过各自的第一采样电路14、24、34和从dp总线9收发的信息控制触发放大电路13、23、33，从而驱动功率单元组件15、25、35将交流进线电源16、26、36整流成直流电在公共直流母线10并网。
双向dc/dc模块4，其主要包括:第二主控制器41，上位机42，第二采样电路43，第二igbt功率单元组件44、45(igbt功率单元组件部分包括驱动电路，硬件保护电路，图1中未示出)。第二采样电路43与第二igbt功率单元组件44、45连接，第二主控制器41分别与第二采样电路43、第二igbt功率单元组件44、45、上位机、dp总线9连接；第二ibgt功率单元组件44、45的高压侧并联与公共直流母线10连接；第二igbt功率单元组件44、45的低压侧并联与储能电容5的超级电容模组51连接。第二主控制器41是双向dc/dc模块4中的核心元件，第二采样电路43将第二igbt功率单元组件44、45输入输出的电压电流等信号反馈给第二主控制器41，第二主控制器41接收dp总线9的信息，并向第二igbt功率单元组件44、45发送控制命令，实现对超级电容模组51的充放电控制控制。第二igbt功率单元组件44、45采用半桥式电路，且在每一时刻，第二igbt功率单元组件44、45只工作于一种工作模式，即buck电路模式或者boost电路模式。充电时工作于buck电路模式，放电时工作于boost电路模式。充放电控制过程采用“软启动”的方式，减小对进线电源的冲击。充放电控制过程具有“软退出”功能。双向dc/dc模块4主要用于控制储能电容5的充放电，当绞车上提需要大功率输出时，控制储能电容5向直流母线侧补充能量，当绞车下放或静止时控制储能电容5充电。为保证双向dc/dc模块4能够提供足够大的功率，可以独立支撑绞车上提工作，采用第二igbt功率单元组件44、45多级联的方式，当绞车下放或静止时可以快速将超级电容模组51充满电，提高作业效率。
储能电容5，主要包括：超级电容模组51，cms模块52。超级电容模组51与双向dc/dc模块4的第二igbt功率单元组件44、45的低压侧连接；cms模块52的采样回路与超级电容模组51连接；cms模块52和dp总线9连接。储能电容5主要用于储存电能。cms模块52采集每个超级电容模组51的电压和温度，模组间互相通讯，控制超级电容模组51内电容单体主动均衡电压，提高超级电容模组的使用寿命。同时cms模块52将采样信息经dp总线9传输到双向dc/dc模块4的第二主控制器41，采集信息经主控制器41处理并保护超级电容模组51不被损坏。储能电容5通过双向dc/dc模块4在无其它电源投入的情况下，能够单独支撑绞车以最大功率输出一段时间；同时还可以支撑能量回馈单元7持续工作一段时间，起到了续流电源的作用。储能电容5充电时，自动识别计算scr整流器1、2、3工作状态和势能回收能量，控制双向dc/dc模块4工作在buck电路模式下，通过pwm脉宽调制调节脉宽的占空比，向储能电容5充电。储能电容5放电时，自动识别计算scr整流器1、2、3工作状态、绞车输出功率，控制双向dc/dc模块4工作在boost电路模式下，将储能电容5中的电能升压供给公共直流母线10。
vfd逆变单元6，主要包括：第三主控制器61、第三采样电路62、第三igbt功率单元组件63、制动单元64、速度编码器65、以及绞车电机66。第三主控制器61分别与第三采样电路62、第三igbt功率单元组件63、dp总线9连接；制动单元64和第三igbt功率单元组件63、公共直流母线10连接；速度编码器65与第三采样电路63和绞车电机66连接；第三igbt功率单元组件63的输出端与绞车电机66连接。vfd逆变单元6主要用于为绞车电机66提供动力和绞车下放时通过电机将重力势能转换成电能后回馈到公共直流母线10。第三主控制器61接收速度编码器65和绞车电机66的电流信号，采用n/f全闭环的矢量控制方式，使电机调速更加精确。当绞车拖动重物下放时让电机工作于发电状态，将重力势能回收转换成电能，再通过vfd逆变单元6将电能反馈到公共直流母线10上，这些能量大部分被储能电容吸收，一部分就地利用，通过能量回馈单元7给400v配电负载供电(如：照明、空调等)。第三采样电路62采集vfd逆变单元6的输出电流信号和速度编码器65的转速信号反馈给第三主控制器61，第三主控制器61收发dp总线9上的数据并控制第三igbt功率单元组件63的工作状态，当绞车上提时，vfd逆变单元6输出能量，绞车下放时vfd逆变单元6向公共直流母线反馈能量，制动单元64可以消除能量回馈时的尖峰电压，保护vfd逆变单元6和其它设备不被损坏。
能量回馈单元7，主要包括：第四主控制器71、igbt逆变模块组件72、相序检测器73、第四采样电路74、400v配电负载75、直流emi滤波器76、lcl滤波器77、隔离变压器78、交流emi滤波器79。第四主控制器71与igbt逆变模块组件72、相序检测器73、第四采样电路74、dp总线9连接；相序检测器73与400v配电负载75供电电源连接；第四采样电路74与400v配电负载75连接；igbt逆变模块组件72输入端与直流emi滤波器76连接，再与公共直流母线连接；igbt逆变模块组件72输出端与lcl滤波器77连接，再与隔离变压器78连接，再与交流emi滤波器79连接；交流emi滤波器79与400v配电负载75连接；三种交流进线电源16、26、36电气联锁后与400v配电负载75连接。能量回馈单元7主要用于给400v配电负载供电，消耗一部分势能回收的能量就地利用，提高能量利用率。能够完成不同功率的回馈功能，稳定前级直流电压，配置相序检测器73和第四采样电路74，控制能量回馈单元7的并网功率，防止回馈能量逆变颠覆等危险情况。通过第四采样电路74计算出400v配电负载75的功率，通过相序检测器73检测400v配电负载75的供电电源相序，功率信号和相序信号发送给第四主控制器71，同时第四主控制器71接收dp总线9的数据，控制igbt逆变模块组件72，当处于势能回收状态时，优先利用这部分能量给400v配电负载75供电，较少能量转换损失，提高能量利用率。
网络通讯设备8，主要包括：plc模块81，工控机82，辅助控制模块。plc模块81分别和工控机82、辅助控制模块、dp总线9连接；辅助控制模块83分别与绞车传感器(例如绞车位置传感器和绞车悬重传感器)连接。plc模块81采集整个系统的逻辑信号和模拟信号经过运算处理后控制设备启动停止等功能，工控机82接收系统运行数据进行显示和处理一些设置参数，辅助控制模块83采集绞车位置信号和绞车悬重信号发送给plc模块81。网络通讯设备8主要用于系统状态信息监控和系统逻辑控制处理，使通讯总线上的数据进行交换。
以下涉及本发明应用于电动修井机上的带直流微网与势能回收的储能电控系统的一个具体操作过程：
本系统交流进线电源为三种，分别为太阳能(风能)发电、网电、天然气发电机组。三台scr整流器1、2、3分别接入太阳能(风力)发电、网电、天然气发电机组三种交流电源，在工控机82上分别设置三种电源的额定电流、直流母线稳压值等参数，配合双向dc/dc模块4和储能电容5组成直流微网系统。在双向dc/dc模块4的上位机42设置直流微网系统中太阳能(风能)发电(50kw)优先供电，当容量不足时网电(80kw)自动开始投入，最大按照额定容量100％输出，天然气发电机组(200kw)按照额定功率的80％最后输出；设置储能电容5的补偿电压点；设置能量回馈单元7是工作电压区间等参数。正常工作时，400v配电负载75由三种交流电源中的一种供电，且三种交流电源做有电气联锁。能量回馈单元7的采样电路74和相序检测器73实时检测400v配电负载75的功率和供电电源相序，当有能量回馈到公共直流母线10，直流母线电压抬升到能量回馈单元7的工作电压区间时，能量回馈单元7根据检测信息控制吸收直流能量逆变成交流电与当前400v配电负载75供电电源并网，将回馈能量就地利用。能量回馈单元7的最大输出功率不会超过400v配电负载用电功率，最大输出能量不会超过系统分配的能量比例。绞车上提时发出“上提信号”vfd逆变单元6驱动绞车电机66(600kw)工作，随着绞车输出功率逐渐加大，太阳能(风能)、电网已经满载输出，双向dc/dc模块4控制储能电容5快速开始放电补充能量，避免冲击交流进线电源，绞车负载功率信号实时传送给双向dc/dc模块4的第二主控制器41，动态调整放电功率。当储能电容5的能量不足时，双向dc/dc模块4控制放电功率“软退出”，将绞车负载功率平稳过渡到天然气发电机组上，以免冲击天然气发电机组。当绞车提升到顶时进行解卡等辅助作业，此时双向dc/dc模块4控制储能电容从直流母线吸收能量以保证下一工作循环正常运行。绞车在顶部时，网络通讯设备8中的辅助控制模块83计算出可回收能量，结合当前400v配电负载75的功率，将可回收能量按比例分配给400v配电负载75和储能电容5，能量分配信息由通讯系统下发到双向dc/dc模块4的第二主控制器41和能量回馈单元7的第四主控制器71。双向dc/dc模块4控制储能电容5在辅助作业过程中不完全充满电，预留容量吸收再生能量。辅助作业完成后，绞车开始下放，发出“下放信号”，vfd逆变单元6控制绞车电机66反转，使电机工作在发电状态，将重力势能转换成电能回馈到公共直流母线10上，直流母线电压被抬升，公共直流母线10上连接的scr整流器由于“直流顶端效应”(直流电的特性是电压高的先输出)停止供电，双向dc/dc模块4控制储能电容5和能量回馈单元7按照回收能量比例信息进行吸收和就地利用。制动单元64用于消耗尖峰电压保护设备。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。