用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统及其控制方法，供电系统包括AC/DC整流器、逆变单元、DC/DC双向直流变换器和钛酸锂电池，AC/DC整流器的交流侧和电网相连，AC/DC整流器的直流侧通过直流母线分别与逆变单元的直流侧、DC/DC双向直流变换器的一个直流侧相连，逆变单元的交流侧与电机相连，DC/DC双向直流变换器的另一个直流侧和钛酸锂电池相连；控制方法包括分别根据修井起钻杆作业、悬停作业和下钻杆作业控制钛酸锂电池的充放电状态。本发明能够实现大功率电动机在低容量变压器下满负荷甚至超负荷工作，稳定电网电压，减少频繁启动对电网造成的干扰的作用，能够降低设备能耗，方便移植推广应用到其它起重等工程设备上使用。

权利要求

1.一种用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统，其特征在于：包括AC/DC整流器(1)、逆变单元(2)、DC/DC双向直流变换器(3)和钛酸锂电池(4)，所述AC/DC整流器(1)的交流侧和电网相连，所述AC/DC整流器(1)的直流侧通过直流母线分别与逆变单元(2)的直流侧、DC/DC双向直流变换器(3)的一个直流侧相连，所述逆变单元(2)的交流侧与电机(5)相连，所述DC/DC双向直流变换器(3)的另一个直流侧和钛酸锂电池(4)相连。

2.根据权利要求1所述的用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统，其特征在于：所述逆变单元(2)的直流侧还连接有电阻消耗支路(6)。

3.根据权利要求2所述的用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统，其特征在于：所述电阻消耗支路(6)包括串联连接的制动单元(61)和制动电阻(62)，所述逆变单元(2)的直流侧依次通过制动单元(61)、制动电阻(62)接地。

4.根据权利要求3所述的用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统，其特征在于：所述DC/DC双向直流变换器(3)为Buck/Boost拓扑结构。

5.一种权利要求1～4中任意一项所述用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统的控制方法，其特征在于步骤包括：

1)在修井起钻杆作业前处于网电充电模式，通过AC/DC整流器(1)、DC/DC双向直流变换器(3)为钛酸锂电池(4)充电；

2)在修井起钻杆作业开始后处于协同放电模式，通过AC/DC整流器(1)、逆变单元(2)为电机(5)供电，同时钛酸锂电池(4)放电并通过DC/DC双向直流变换器(3)、逆变单元(2)为电机(5)供电；

3)在修井起钻杆作业完成后处于浮动充电模式，通过AC/DC整流器(1)、逆变单元(2)为电机(5)供电，同时检测电网功率以及修井机辅助设备消耗功率，当电网功率超于预设阈值或者修井机辅助设备消耗功率小于预设阈值时，则通过AC/DC整流器(1)、DC/DC双向直流变换器(3)为钛酸锂电池(4)浮动充电；

4)在修井下钻杆作业开始、电机(5)输出负功率时，则将电机(5)输出负功率通过DC/DC双向直流变换器(3)为钛酸锂电池(4)充电。

6.根据权利要求5所述的用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4)还包括检测钛酸锂电池(4)充电状态的步骤，如果钛酸锂电池(4)已经充满电，则将电机(5)输出负功率通过电阻消耗支路(6)进行放电消耗。

说明书

用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石油设备领域，具体是涉及一种用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统及其控制方法。

背景技术

[0002] 修井机是油田广泛采用的一种油水井修井作业设备，如图1所示。目前，我国的传统修井机动力采用柴油发动机，存在修井作业高能耗，高噪音，高污染等三高问题。为解决这些问题，近年国内研发的网电修井机以低能耗、低噪音、低污染展示了较强的优越性。但网电修井机取电受到油田井场供电条件限制。

[0003] 油田现有井场供电条件是为抽油机用电需求而设计，抽油机电机额电功率一般不超过60KW。而修井机修井作业需100KW以上的功率匹配，才能满足正常提升管柱重量与速度的要求，达到传统作业机的提升能力与水平。现有网电作业机的主动力电机有围绕井场现有供电条件而设计为50KW左右，作业速度低于传统作业速度，影响作业时效；也有电机功率设计为100KW以上，但需要架设高压变压器。因此，有必要在网电作业机产品上采用电池蓄能技术，利用油田井场50KW左右的供电容量，满足100KW以上的电机用电需求。

[0004] 采用现有驱动装置的修井机，主要存在以下缺点：

[0005] (1)现有柴油修井机能源转换效率低，油耗费成本高，噪声和废气污染大；

[0006] (2)电动修井机受井场变压器容量限制，所配备电机功率较小，作业时效的存在不足：

[0007] (3)新兴的基于超级电容为储能装置的网电修井机成本高昂，能量密度低，端电压分布不均，可靠性较差。

发明内容

[0008] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够实现大功率电动机在低容量变压器下满负荷甚至超负荷工作，稳定电网电压，减少频繁启动对电网造成的干扰的作用，能够降低设备能耗，方便移植推广应用到其它起重等工程设备上使用的用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统及其控制方法。

[0009] 本发明提供一种用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统，包括AC/DC整流器、逆变单元、DC/DC双向直流变换器和钛酸锂电池，所述AC/DC整流器的交流侧和电网相连，所述AC/DC整流器的直流侧通过直流母线分别与逆变单元的直流侧、DC/DC双向直流变换器的一个直流侧相连，所述逆变单元的交流侧与电机相连，所述DC/DC双向直流变换器的另一个直流侧和钛酸锂电池相连。

[0010] 优选地，所述逆变单元的直流侧还连接有电阻消耗支路。

[0011] 优选地，所述电阻消耗支路包括串联连接的制动单元和制动电阻，所述逆变单元的直流侧依次通过制动单元、制动电阻接地。

[0012] 优选地，所述DC/DC双向直流变换器为Buck/Boost拓扑结构。

[0013] 本发明还提供一种前述用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统的控制方法，步骤包括：

[0014] 1)在修井起钻杆作业前处于网电充电模式，通过AC/DC整流器、DC/DC双向直流变换器为钛酸锂电池充电；

[0015] 2)在修井起钻杆作业开始后处于协同放电模式，通过AC/DC整流器、逆变单元为电机供电，同时钛酸锂电池放电并通过DC/DC双向直流变换器、逆变单元为电机供电；

[0016] 3)在修井起钻杆作业完成后处于浮动充电模式，通过AC/DC整流器、逆变单元为电机供电，同时检测电网功率以及修井机辅助设备消耗功率，当电网功率超于预设阈值或者修井机辅助设备消耗功率小于预设阈值时，则通过AC/DC整流器、DC/DC双向直流变换器为钛酸锂电池浮动充电；

[0017] 4)在修井下钻杆作业开始、电机输出负功率时，则将电机输出负功率通过DC/DC双向直流变换器为钛酸锂电池充电。

[0018] 优选地，所述步骤4)还包括检测钛酸锂电池充电状态的步骤，如果钛酸锂电池已经充满电，则将电机输出负功率通过电阻消耗支路进行放电消耗。

[0019] 本发明用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统具有下述优点：

[0020] 1、本发明包括AC/DC整流器、逆变单元、DC/DC双向直流变换器和钛酸锂电池，AC/DC整流器的交流侧和电网相连，AC/DC整流器的直流侧通过直流母线分别与逆变单元的直流侧、DC/DC双向直流变换器的一个直流侧相连，逆变单元的交流侧与电机相连，DC/DC双向直流变换器的另一个直流侧和钛酸锂电池相连，能够实现大功率电动机在低容量变压器下满负荷甚至超负荷工作，稳定电网电压，减少频繁启动对电网造成的干扰的作用，能够降低设备能耗，方便移植推广应用到其它起重等工程设备上使用。

[0021] 2、本发明采用钛酸锂电池作为修井起钻杆作业时的能量补充能源设备，大幅降低储能装置成本，增加单次的储备电能，提高可靠性，而且钛酸锂电池在低温性能、使用寿命、安全性、能量密度都具有综合优势，非常适合作为电-电混合动力修井机的动力电源。

[0022] 3、本发明包括AC/DC整流器、逆变单元、DC/DC双向直流变换器和钛酸锂电池，采用模块化设计，方便移植推广应用到其它起重等工程设备上使用。

[0023] 本发明用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统的控制方法具有下述优点：本发明用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统的控制方法根据修井机作业状态(起下钻杆、悬停)与修井机负荷变化自动控制钛酸锂电池的充放电，这种控制方式，可在井场变压器容量较小的情况下，利用钛酸锂电池的功率补偿功能实现油管提升时功率输入倍增，满足作业时效的要求，同时充分利用井场电网能量，电能持续均衡输入；修井下放作业时，钛酸锂电池工作在充电状态，可以吸收下放作业时再生电能，达到最大限度节能目的，从而达到均衡井场电能、减少电压波动，提高功率因数的最终目标。

附图说明

[0024] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0025] 图1是本发明实施例钛酸锂电池储能供电系统的驱动单线图。

[0026] 图2为本发明实施例中钛酸锂电池和其他电池的参数比较图。

[0027] 图3为电动修井机作业功率曲线。

[0028] 图4为本发明实施例中预备阶段的能流示意图。

[0029] 图5为本发明实施例中起钻杆阶段的能流示意图。

[0030] 图6为本发明实施例中悬浮阶段的能流示意图。

[0031] 图7为本发明实施例中下钻杆阶段的能流示意图。

[0032] 附图标记说明：1、AC/DC整流器；2、逆变单元；3、DC/DC双向直流变换器；4、钛酸锂电池；5、电机；6、电阻消耗支路；61、制动单元；62、制动电阻。

具体实施方式

[0033] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

[0034] 如图1所示，本实施例的用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统包括AC/DC整流器1、逆变单元2、DC/DC双向直流变换器3和钛酸锂电池4，AC/DC整流器1的交流侧和电网相连，AC/DC整流器1的直流侧通过直流母线分别与逆变单元2的直流侧、DC/DC双向直流变换器3的一个直流侧相连，逆变单元2的交流侧与电机5相连，DC/DC双向直流变换器3的另一个直流侧和钛酸锂电池4相连。

[0035] 本实施例中采用钛酸锂电池4作为修井起钻杆作业时的能量补充能源设备，大幅降低储能装置成本，增加单次的储备电能，提高可靠性，参见图2，钛酸锂电池在低温性能、使用寿命、安全性、能量密度都具有综合优势，非常适合作为电-电混合动力修井机的动力电源。

[0036] 本实施例中，逆变单元2的直流侧还连接有电阻消耗支路6。

[0037] 本实施例中，电阻消耗支路6包括串联连接的制动单元61和制动电阻62，逆变单元2的直流侧依次通过制动单元61、制动电阻62接地。

[0038] 本实施例中，DC/DC双向直流变换器3为Buck/Boost拓扑结构。

[0039] 参见图3，修井机的每一次修井作业的作业周期约60s，依次包括：预备阶段、起钻杆阶段、悬浮阶段、下钻杆阶段。针对上述作业周期，本实施例用于修井机的钛酸锂电池储能供电系统的控制方法，步骤包括：

[0040] 1)在修井起钻杆作业前(预备阶段)处于网电充电模式，通过AC/DC整流器1、DC/DC双向直流变换器3为钛酸锂电池4充电，参见图4；本实施例中，网电功率45kw，预备阶段充电15min，钛酸锂电池4蓄电10kwh；

[0041] 2)在修井起钻杆作业开始后处于协同放电模式，通过AC/DC整流器1、逆变单元2为电机5供电，同时钛酸锂电池4放电并通过DC/DC双向直流变换器3、逆变单元2为电机5供电，参见图5；本实施例中，网电功率45kw，钛酸锂电池4的放电功率45kw，起钻杆作业的总功率≥90kw；

[0042] 3)在修井起钻杆作业完成后(悬浮阶段)处于浮动充电模式，通过AC/DC整流器1、逆变单元2为电机5供电，同时检测电网功率以及修井机辅助设备消耗功率，当电网功率超于预设阈值或者修井机辅助设备消耗功率小于预设阈值时，则通过AC/DC整流器1、DC/DC双向直流变换器3为钛酸锂电池4浮动充电，参见图6；本实施例中，当网电功率≥45kw或辅助设备消耗功率≤45kw，网电单独供电，钛酸锂电池4根据负载情况进入浮动充电模式。

[0043] 4)在修井下钻杆作业开始、电机5输出负功率时，则将电机5输出负功率通过DC/DC双向直流变换器3为钛酸锂电池4充电，参见图7。

[0044] 本实施例中，电机5的功率90kw，下钻杆作业时电机5为负功率输出，即有效发电功率45kw。当连续下钻杆作业时，钛酸锂电池4充满电，为了确保对电机5负功率的有效消耗，本实施例步骤4)还包括检测钛酸锂电池4充电状态的步骤，如果钛酸锂电池4已经充满电，则将电机5输出负功率通过电阻消耗支路6进行放电消耗。综上所述，本实施例根据修井机作业状态(起下钻杆、悬停)与修井机负荷变化自动控制钛酸锂电池的充放电，从而对主机的补偿功率在45～50kw之间，实现了大功率电动机在低容量变压器下满负荷甚至超负荷工作，稳定电网电压，减少变频器频繁启动对电网造成的干扰的作用，而且这种控制方式，可在井场变压器容量较小的情况下，利用钛酸锂电池的功率补偿功能实现油管提升时功率输入倍增，满足作业时效的要求，同时充分利用井场电网能量，电能持续均衡输入；修井下放作业时，钛酸锂电池工作在充电状态，可以吸收下放作业时再生电能，达到最大限度节能目的，从而达到均衡井场电能、减少电压波动，提高功率因数的最终目标。

[0045] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。