一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法与流程

本发明涉及能量吸收与回馈技术领域，尤其涉及一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法。

背景技术：

在油田钻井过程当中，存在着多种工况，在提升钻杆工况时，在提杆瞬间，所需功率极大（800kw以上），对于钻井供电微网系统来说，负载冲击会引起供电电压跌落和发电机发电频率降低。为了应对这种负载冲击，通常配备大容量供电系统，形成大马拉小车情况，以降低负载冲击对电网供电的影响。

油田钻井负载冲击主要作用在顶驱大钩的电机上。顶驱电机一般为直流电机，采用晶闸管调速系统控制。在冲击负载发生时，由储能单元提供部分能量给直流电机，可以降低对电网的影响。

基于超级电容（或其他储能电池组）的储能型冲击负载补偿方式能够实现全功率范围内的冲击能量补偿,且超级电容放电速度快,功率密度高,温度范围宽等优点,最能符合冲击补偿时间短,功率大的特点,是目前储能补偿系统的重要研究方向。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种钻机冲击负载补偿结构，1、包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向dc/dc1变换器1，辅助储能单元，双向dc/dc2变换器2，控制单元，滤波电容c1、c2、滤波电感l1；

所述的双向dc/dc1变换器1的a+和a-端与所述的主储能电单元串联；

所述的双向dc/dc1变换器1的b+和b-端与所述的辅助储能电单元并联；

所述的双向dc/dc1变换器1由vt1-vt4和l2组成，vt1集电极接a+端，vt1发射极和vt2集电极相连后，接l2，vt2发射极接参考地a-端，vt3集电极接b+端，vt3发射极和vt4集电极相连后，接l2另一端，vt4发射极接参考地b-端；

所述的双向dc/dc1变换器1为boost/buck升降压变换器结构，即储能系统吸收直流母线能量时，若u2＞u3时，双向dc/dc1变换器1工作在buck状态下,若u2＜u3时，双向dc/dc1变换器1工作在boost状态下；

储能系统回馈能量时,若u2＜u3时，双向dc/dc1变换器1工作在buck状态下，若u2＞u3时，双向dc/dc1变换器1工作在boost状态下；

所述的双向dc/dc2变换器2由vt5、vt6、vt7、vt8、l3、及c3构成；vt5、vt6、vt7、vt8四个开关器件串联，vt5集电极接l1,vt6与vt7连接点接l3，l3另一端接c+端，vt5与vt6连接点接电容c3，c3另一端接vt7与vt8连接点接，vt8发射极接参考地。

进一步的，所述的开关器件vt1-vt8为igbt或mosfet，内部带有二极管。

进一步的，所述控制单元实现对双向dc/dc1变换器1的a+端电流i1控制，实现交流电频率稳定在设定值上。

进一步的，所述控制单元实现对双向dc/dc2变换器2的c+端和c-端电压控制。

进一步的，所述双向dc/dc1变换器1和双向dc/dc2变换器2可由n组相同结构的dc/dc变换器并联，实现功率扩展，并联后，各组dc/dc变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制，均流控制方式。

一种钻机冲击负载补偿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1、构造一种自举串联式dc/dc变换器结构，以较小的变换功率控制储能模组向直流母线转移能量向以及直流母线能量补充到储能模组上；

s2、通过控制双向dc/dc变换器的输出电流来实现储能单元与直流母线之间能量的流动；冲击负载突然出现时，对于发动机来讲，当负载转矩突然增加，发动机来不及响应，发动机转速相应的会降低，引起发电机发出的交流电频率降低，同时电压值也会降低；由于发电机励磁调节作用，电压值下降时刻延后，交流电频率降低先于电压降低；

s3、控制电路采集电网频率f、ubus电压，u1及u2电压，通过频率外环,电流内环的控制方式实现冲击负载补偿；

s4、吸收能量时，双向dc/dc变换器输入能量来自直流母线，而输出能量储存在辅助储能单元内；在吸收能量时，主储能单元和辅助储能单元均进行储能工作；

s5、回馈能量时，双向dc/dc变换器输入能量来自辅助储能单元，而输出能量经主储能单元回馈到直流母线上，在回馈能量时，主储能单元和辅助储能单元均进行释放能量工作；

s6、双向dc/dc变换器解决辅助储能单元容量与主储能单元容量匹配问题；

s7、双向dc/dc变换器和双向dc/dc变换器可由n组相同结构的dc/dc变换器串联或并联，实现功率扩展；串联或并联后，各组dc/dc变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制，均流均压控制方式。

本发明的有益效果是：

1、本发明对钻机冲击负载提出了一种补偿结构，解决了油田供电容量配备问题，无需考虑冲击负载的容量，极大降低了钻井平台供电容量需求，降低供电配置成本。

2、本发明将双向dc/dc1变换器1输出与主储能单元串联在一起，通过调节双向dc/dc1变换器1输出电流，实现直流母线和储能单元之间的能量流动。直流母线电压与储能单元电压之差在一定的合理范围内（20-30%），双向dc/dc1变换器1只需要输出其差值电压即可。所以，双向dc/dc变换器的变换功率较通用的全功率结构方式有极大降低，变换功率是经典结构变换功率的20-30%。实现产品制造成本降低，提高系统总体效率。

3、由于双向dc/dc1变换器1功率降低，输出电压降低，因此，功率器件选择范围变宽。变换器开关频率可大幅度增加，达到20khz以上。减小dc/dc变换器体积。

附图说明

图1为本发明所述的一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法结构图；

图2为实例1所提供的能量吸收电路模型（buck模式）；

图3为实例1所提供的能量吸收电路模型（boost模式）；

图4为实例1所提供的能量回馈电路模型（buck模式）；

图5为实例1所提供的能量回馈电路模型（boost模式）；

图6为实例1所提供的双向dcdc变换器2驱动波形图；

图7为实例1所提供的辅助储能单元充电电路模型（vt5开通）；

图8为实例1所提供的辅助储能单元充电电路模型（vt6开通）；

图9为实例1所提供的辅助储能单元放电电路模型（vt8开通）；

图10为实例1所提供的辅助储能单元放电电路模型（vt7开通）。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例1提供了一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法。

结构框图如图1所示，它包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向dc/dc1变换器1，辅助储能单元，双向dc/dc2变换器2，控制单元，滤波电容c1、c2、l1。

输入开关保险单元起过流保护及开关隔离作用。主储能单元和辅助储能单元，可由超级电容或锂电池组成。双向dc/dc1变换器1和双向dc/dc2变换器2为非隔离buck/boost结构。控制单元实现对双向dc/dc1变换器1和双向dc/dc2变换器2的控制,采用pwm控制。

直流母线正极（ubus+）通过输入开关保险单元连接主储能单元正极，主储能单元负极连接双向dc/dc1变换器1的a+极，双向dc/dc1变换器1的a-极接参考地。

滤波电容c2并联到双向dc/dc1变换器1的a+极和a-极两端。

双向dc/dc1变换器1的b+极接辅助储能单元正极，双向dc/dc1变换器1的b-极和辅助储能单元负极接参考地。

双向dc/dc2变换器2的c+极接辅助储能单元正极，双向dc/dc2变换器2的c-极接参考地。

双向dc/dc2变换器2的d+极接电感l1一端，电感l1另一端接主储能单元正极。双向dc/dc2变换器2的d-极接参考地。

的双向dc/dc1变换器1由vt1-vt4和l2组成。vt1集电极接a+端，vt1发射极和vt2集电极相连后，接l2，vt2发射极接参考地（a-端）。vt3集电极接b+端，vt3发射极和vt4集电极相连后，接l2另一端，vt4发射极接参考地（b-端）。

的双向dc/dc2变换器2由vt5、vt6、vt7、vt8、l3、及c3构成。vt5、vt6、vt7、vt8四个开关器件串联，vt5集电极接l1,vt6与vt7连接点接l3，l3另一端接c+端，vt5与vt6连接点接电容c3，c3另一端接vt7与vt8连接点接，vt8发射极接参考地。

滤波电容c1并联到双向dc/dc2变换器2的d+极和d-极两端。

本发明实施例1的一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法中，通过控制dc/dc变换器1a+端电流i1来实现直流母线与储能单元之间的能量流动。

当钻机负载突减或补偿（回馈）完毕后，需要需要吸收直流母线能量时ubus≥(u1+u2)。控制单元采集f、ubus,u1,u2及u3电压，控制双向dc/dc1变换器1工作在buck或boost模式，vt1或vt4以pmw控制方式工作，调节i1电流（按图1标记为负值）的大小，将直流母线上多余能量吸收存储在主储能单元和辅助储能单元内。

(ubus-u1)＞u3时，双向dc/dc1变换器1工作buck模式。vt1工作，电路模型如图2所示。vt1导通，直流母线电流经开关保险单元、主储能单元、vt1、l2、vt3内部二极管、辅助储能单元回到直流母线。vt1关断时，电感l2电流经vt3内部二极管、辅助储能单元、vt2内部二极管续流。

(ubus-u1)＜u3时，双向dc/dc1变换器1工作boost模式。vt4工作（vt1长通），电路模型如图3所示。vt4导通，直流母线电流经开关保险单元、主储能单元、vt1、l2、vt4回到直流母线。vt4关断时，直流母线电流经开关保险单元、主储能单元、vt1、l2、vt3内部二极管、辅助储能单元回到直流母线。

当冲击负载发生时，需要向直流母线回馈能量时，控制双向dc/dc1变换器1工作在boost或buck模式，vt2或vt3以pmw控制方式工作，调节i1电流（按图1标记为正值）的大小，将主储能单元和辅助储能单元内能量回馈到直流母线上，将交流电频率控制在一定最小值上。

(ubus-u1)＜u3时，双向dc/dc1变换器1工作buck模式。vt3工作，电路模型如图4所示。vt3导通，辅助储能单元电流经vt3、l2、vt1内部二极管、开关保险单元回馈到直流母线。vt3关断时，电感l2电流经vt1内部二极管、主储能单元、开关保险单元、vt4内部二极管续流。

(ubus-u1)＞u3时，双向dc/dc1变换器1工作boost模式。vt2工作（vt3长通），电路模型如图5所示。vt2导通，辅助储能单元能量经vt3、l2、vt2释放，l2储能。vt2关断时，辅助储能单元能量经vt3、l2、vt1内部二极管、主储能单元、开关保险单元回馈到直流母线。

本发明实施例1的一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法中，通过双向dc/dc2变换器2，形成辅助储能单元与直流母线之间的能量交换。

vt5-vt8构成的双向dc/dc变换器驱动波形入图6所示。因u3＜ubus/2，驱动占空比＜0.5。

驱动信号规则为：vt5与vt6驱动信号占空比相同，但相差180°，vt5与vt8驱动信号反相，vt6与vt7驱动信号反相。

当辅助储能单元的能量过低时，双向dc/dc2变换器2工作在buck模式，vt5与vt6以pmw控制方式工作，将直流母线能量传递到辅助储能单元上，以保持u3的稳定。

t0-t1：当vt5开通时，电路模型如图7所示。直流母线电流经开关保险单元、vt5、c3、vt7内部二极管、l3、辅助储能单元回到直流母线地线。给电容c3和辅助储能单元充电。

t1-t2：当vt5关断时，电感l3电流经辅助储能单元、vt7和vt8内部二极管续流。

t2-t3：当vt6开通时，电路模型如图8所示。电容c3电流经vt6、l3、辅助储能单元、vt8内部二极管回到电容c3。电容c3放电。

t3-t4：当vt6关断时，电感l3电流经辅助储能单元、vt7和vt8内部二极管续流。

辅助储能单元充电时电感l3电流如图7所示，为脉动直流。

当辅助储能单元的能量过高时，双向dc/dc2变换器2工作在boost模式，vt7和vt8以pmw控制方式工作，将辅助储能单元上多余能量回馈到直流母线上，以保持u3的稳定。

t1-t2：当vt7和vt8同时导通，电路模型如图9所示。辅助储能单元经电感l3、vt7和vt8放电，电感l3存储能量。

t2-t3：当vt7关断,vt8导通时，电感l3电流经辅助储能单元、vt6内部二极管、c3电容、vt8续流。给电容c3充电。

t3-t4：当vt7和vt8同时导通，电路模型如图10所示。辅助储能单元经电感l3、vt7和vt8放电，电感l3存储能量。

t4-t0：当vt8关断,vt7导通时，电感l3电流经辅助储能单元、vt7、c3、vt5内部二极管、滤波电感l1、开关保险单元回馈到直流母线。

辅助储能单元和电容c3放电。

辅助储能单元放电时电感l3电流如图7所示，为脉动直流。

本发明实施例1的一种钻机冲击负载补偿结构及控制方法中，双向dc/dc1变换器1和双向dc/dc2变换器2可由n组相同结构的dc/dc变换器并联，实现功率扩展。

并联后，各组dc/dc变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制等均流控制方式。

对于600v油田供电系统，设定ubusmax=800v，ubusmin=500v。控制电压上线为800v。为此，主储能单元电压400v，辅助储能单元电压500v。双向dc/dc1变换器1功率pdc=（800-400）*i1=400*i1。而经典技术方案pdc1=800*i1。双向dc/dc1变换器1功率只为经典技术方案变换器功率的50%。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。