CN204905885U - 钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网 - Google Patents

Abstract

<b>本实用新型涉及电源装置技术领域，是一种钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其包括能量转换单元、电源接入配出转换母联单元、主变换单元、超级电容储能单元、负载回路用电转换及母联单元、主控单元。本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，其采用多路电源或多种电源，最大可能地利用现场资源，实现能量互补，综合利用；超级电容储能单元由多个主变换模块的整流器提供充电电流，实现容量共享；采用多个主变换单元，结合用电负载特性，实现分段供电；采用余功发电装置或采用内燃机预热发电装置，动态调整和平衡系统功率，减少系统的振荡次数以及负荷功率曲线的峰谷差值，具有安全、省力、简便、高效的特点。</b>

Description

钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网

技术领域

本实用新型涉及电源装置技术领域，是一种钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，诸多智能化、网络化、自动化设备被广泛应用。然而，由于诸多原因，许多高污染、高耗能、低效率的老旧设备还在继续使用，尤其是以柴油机为动力的机械钻机设备，超期服役并运行在恶劣的环境当中，由于生产设备含有大功率起重牵引设备、大惯量旋转设备，这些设备运行时功率波动又往往很大，每个单台设备在启、停瞬间对机械传动系统、电力系统造成冲击，因此，不得不配置更大功率的柴油机来应对冲击性负载，正常运行时实际消耗功率只占柴油机额定功率的30-40%，没能充分发挥出其应有的工作效能。在节能减排、市场竞争的环境下，企业内部、设备制造商及其他机构均积极采取不同的技术措施来解决该问题。但是因设备配置、工况、环境及使用要求不同，服务范围和规模受到了限制，没能大范围推广和应用，其中陆地用石油机械钻机最具有代表性，其采取的节能减排措施为：

1、“油改电”，其方法是利用国家电网供电系统供电，电动机取代柴油机。这种方法存在如下问题：石油钻井作业地点大多偏远，基本无供电能力或无法承受钻机用电负荷对电网的冲击，当电网供电系统满足钻井作业供电要求时，必须考虑在作业时间内，一般为30天至90天，节能降耗所节约的费用与输电线路建设成本、变配电设备运行费用基本持平，才能实施。

2、“气代油”，其方法是用燃气发动机取代柴油发动机。这种方法存在如下问题：石油钻井作业地点大多偏远，无法保证天然气的不间断供应，同时由于燃气发动机的机械特性较软，在负载突增猛减时反应较慢，容易导致载荷突然增加，燃气发动机功率输出不足被逼熄火而停机，关键设备的意外终止对于连续运转的生产流程是致命的，除了会造成严重的经济损失，有时甚至会引发重大的安全事故。

3、柴油机富余动力发电：其方法就是将发电机接入原有动力传动系统中，利用柴油发动机富余动力驱动发电机发电。柴油机的“富余动力”，只是柴油机的额定功率与实际输出功率在某一时刻的比较，在实际生产过程中，因地层结构、施工设计及工况的不同，负荷会发生无规律变化，在大功率负载启动或突加负荷的冲击下，柴油机的“富余动力”并不富裕，不能将传动系统的转速维持在发电机允许的范围内，使发电机的电能质量不能满足用电要求，造成电压跌落、持续低电压、电涌高压、频率震荡和漂移，烧毁电气设备，严重影响生产，为此不得不重新投入柴油发电机组发电，而柴油机富余动力发电只能在较稳定的小负荷时段使用，利用率不足10%。显然，使用柴油发电机组发电，运行可靠、稳定，可以满足用电要求，但是必须适应用电负荷变化的随机性、突变性，按最大用电负荷需求投运柴油发电机组，柴油消耗量大、运行维护成本高。

通过以上分析发现，负荷变化的随机性、突变性，作业地点及时间的不确定性，作业工况的多变性，是限制以上方法规模化应用的主要原因。

发明内容

本实用新型提供了一种钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有陆地用石油机械钻机采取的节能减排措施存在的负荷变化的随机性、突变性、作业地点及时间的不确定性、作业工况的多变性、存在安全隐患的问题。

本实用新型的技术方案是通过以下措施来实现的：一种钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，包括能量转换单元、电源接入配出转换母联单元、主变换单元、超级电容储能单元、负载回路用电转换及母联单元、主控单元，能量转换单元的输出端与电源接入配出转换母联单元的第一输入端电连接，电源接入配出转换母联单元的第一输出端与主变换单元的第一输入端电连接，主变换单元的第一输出端与超级电容储能单元的第一输入端电连接，主变换单元的第二输出端与负载回路用电转换及母联单元的第一输入端电连接，电源接入配出转换母联单元的第二输出端与负载回路用电转换及母联单元的第二输入端电连接，超级电容储能单元的输出端与主变换单元的第二输入端电连接；主控单元的第一输出端与能量转换单元的输入端电连接，主控单元的第二输出端与电源接入配出转换母联单元的第二输入端电连接，主控单元的第三输出端与超级电容储能单元的第二输入端电连接，主控单元的第四输出端与主变换单元的第三输入端电连接，主控单元的第五输出端与负载回路用电转换及母联单元的第三输入端电连接。

下面是对上述实用新型技术方案的进一步优化或/和改进：

上述能量转换单元包括至少一个内燃机发电机组。

上述能量转换单元还包括新能源发电装置，新能源发电装置包括内燃机余热发电装置或/和余功发电装置。

上述能量转换单元还包括大网电供电装置。

上述主变换单元包括至少一组主变换模块，每一组主变换模块包括AC/DC整流器、DC/DC变换器、DC/AC逆变器，AC/DC整流器输出端的直流母线上连接DC/DC变换器和DC/AC逆变器，DC/DC变换器与超级电容储能单元电连接，DC/AC逆变器与负载回路用电转换及母联单元电连接。

上述钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网还包括分别与主控单元电连接的信息采集单元、数据采集调理电路、信号预处理单元、内燃机发电机组发动机ECU、新能源发电装置的智能监控单元、电源接入配出转换母联单元的智能监控单元、超级电容储能单元的智能监控单元、主变换单元的控制器、负载回路用电转换及母联单元的智能监控单元。

本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，其采用多路电源或多种电源，最大可能地利用现场资源，实现能量互补，综合利用；超级电容储能单元由多个主变换模块的整流器提供充电电流，实现容量共享；采用多个主变换单元，结合用电负载特性，实现分段供电；采用余功发电装置或采用内燃机预热发电装置，动态调整和平衡系统功率，减少系统的振荡次数以及负荷功率曲线的峰谷差值；采用大网电供电装置时，可大幅减小对电网的负荷冲击，增加使用大网电的范围，如果出现供电能力不足时，由内燃机发电机组发电，弥补功率缺口；如果无法供电时，可任意组合4台不同类型及容量的发电机组发电，实现机型、容量优化且不受限制；采用内燃机发电机组供电时，可减少发电机组投运数量或减小发电机组额定容量；动态平衡和调整传动系统的负载并平稳运行，提供高质量电能，具有安全、省力、简便、高效的特点。

附图说明

附图1为本实用新型最佳实施例的结构框图。

附图2为本实用新型最佳实施例的结构原理示意图。

附图中的编码分别为：1为能量转换单元，2为电源接入配出转换母联单元，3为主变换单元，4为超级电容储能单元，5为负载回路用电转换及母联单元，6为主控单元，7为负载单元，8为新能源发电装置，9为内燃机余热发电装置，10为余功发电装置，11为大网电供电装置，12为第一内燃机发电机组，13为第二内燃机发电机组，14为第一主动力内燃发动，15为第四主动力内燃发动，16为传动系统，17为第一机械动力直驱机械负载，18为第二机械动力直驱机械负载，19为直流升压降压耦合装置，20为AC/DC整流器，21为第一主变换模块，22为第二主变换模块，23为第三主变换模块，24为DC/DC变换器，25为DC/AC逆变器，26为第一负载，27为第二负载，28为转盘电机，29为安防、制动和液压系统，30为生活用电、井场照明和检修用电，31为泥浆搅拌、加重泵和振动筛。

具体实施方式

本实用新型不受下述实施例的限制，可根据本实用新型的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本实用新型中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步描述：

如附图1、2所示，该钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网包括能量转换单元1、电源接入配出转换母联单元2、主变换单元3、超级电容储能单元4、负载回路用电转换及母联单元5、主控单元6，能量转换单元1的输出端与电源接入配出转换母联单元2的第一输入端电连接，电源接入配出转换母联单元2的第一输出端与主变换单元3的第一输入端电连接，主变换单元3的第一输出端与超级电容储能单元4的第一输入端电连接，主变换单元3的第二输出端与负载回路用电转换及母联单元5的第一输入端电连接，电源接入配出转换母联单元2的第二输出端与负载回路用电转换及母联单元5的第二输入端电连接，超级电容储能单元4的输出端与主变换单元3的第二输入端电连接；主控单元6的第一输出端与能量转换单元1的输入端电连接，主控单元6的第二输出端与电源接入配出转换母联单元2的第二输入端电连接，主控单元6的第三输出端与超级电容储能单元4的第二输入端电连接，主控单元6的第四输出端与主变换单元3的第三输入端电连接，主控单元6的第五输出端与负载回路用电转换及母联单元5的第三输入端电连接。在使用过程中，主控单元6根据作业现场条件，选择能量转换单元1中合适的能量源，能量转换单元1输出的电能输入到电源接入配出转换母联单元2进行分配，电源接入配出转换母联单元2将一部分电能输送给主变换单元3，主变换单元3将电能进行变换后输送到超级电容储能单元4中或输送给负载回路用电转换及母联单元5，超级电容储能单元4用于在负载较小时储存电能，同时，超级电容储能单元4可以在负载较大时通过主变换单元3向负载回路用电转换及母联单元5供电；电源接入配出转换母联单元2将另一部分电能直接输送给负载回路用电转换及母联单元5，负载回路用电转换及母联单元5向负载分配电力。该钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网的能量转换单元1采用混合能源，环境适应性更强；同时，该钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网中含有超级电容储能单元4，可以在负载较小时吸收储存能量，并在负载较大时通过主变换单元3向负载回路用电转换及母联单元5供电，实现了能量缓冲，达到动态平衡生产过程中传动系统16功率小幅低频脉动变化的目的。

可根据实际需要，对上述钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网作进一步优化或/和改进：

如附图1、2所示，上述钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网还包括负载单元7，负载单元7的信号输出端与主控单元6的信号输入端电连接，负载回路用电转换及母联单元5的输出端与负载单元7的输入端电连接。负载单元7至少包括第一负载26和第二负载27，负载单元7可以是转盘电机28，安防、制动和液压系统29，生活用电、井场照明和检修用电30，泥浆搅拌、加重泵和振动筛31。

如附图1、2所示，上述能量转换单元1还包括新能源发电装置8，新能源发电装置8包括内燃机余热发电装置9和余功发电装置10。内燃机预热发电装置可以利用内燃机的预热进行发电，节能减排；余功发电装置10可以利用传动系统16的余功进行发电，达到动态平衡生产过程中传动系统16功率小幅低频脉动变化的目的。

如附图1、2所示，上述能量转换单元1还包括大网电供电装置11。大网电供电装置11可以是国家电网提供的电力。

如附图1、2所示，上述钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网还包括分别与主控单元6电连接的信息采集单元、数据采集调理电路、信号预处理单元、内燃机发电机组发动机ECU、新能源发电装置8的智能监控单元、电源接入配出转换母联单元2的智能监控单元、超级电容储能单元4的智能监控单元、主变换单元3的控制器、负载回路用电转换及母联单元5的智能监控单元。能量管理系统包括主控单元6、信息采集单元、数据采集调理电路、信号预处理单元、内燃机发电机组发动机ECU、新能源发电装置8智能监控单元、电源接入配出转换母联单元2的智能监控单元、超级电容储能单元4智能监控单元、主变换单元3控制器、负载回路用电转换及母联单元5智能监控单元，通过通讯总线方式收发讯息或直接连接至主控单元6，共同组成能源管理系统，根据系统设定的投切逻辑和控制策略，完成状态实时监测和协调管理。

如附图1、2所示，上述主变换单元3包括至少一组主变换模块，每一组主变换模块包括AC/DC整流器20、DC/DC变换器24、DC/AC逆变器25，AC/DC整流器20输出端的直流母线上连接DC/DC变换器24和DC/AC逆变器25，DC/DC变换器24与超级电容储能单元4电连接，DC/AC逆变器25与负载回路用电转换及母联单元5电连接。AC/DC整流器20是将频率电压变化的交流电源转换成直流电的全控桥整流器；DC/DC变换器24控制超级电容储能单元4和发电系统之间的能量交换；DC/AC逆变器25将直流母线上的直流电能转换成不同用电需求的交流电。如附图1、2所示，该主变换单元3包括第一主变换模块21、第二主变换模块22、第三主变换模块23。

该钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网具有如下优点：采用多路电源或多种电源，最大可能地利用现场资源，实现能量互补，综合利用；超级电容储能单元由多个主变换模块的整流器提供充电电流，实现容量共享；采用多个主变换单元，结合用电负载特性，实现分段供电；采用余功发电装置或采用内燃机预热发电装置，动态调整和平衡系统功率，减少系统的振荡次数以及负荷功率曲线的峰谷差值；采用大网电供电装置时，可大幅减小对电网的负荷冲击，增加使用大网电的范围，如果出现供电能力不足时，由内燃机发电机组发电，弥补功率缺口；如果无法供电时，可任意组合4台不同类型及容量的发电机组发电，实现机型、容量优化且不受限制；采用内燃机发电机组供电时，可减少发电机组投运数量或减小发电机组额定容量；动态平衡和调整传动系统的负载并平稳运行，提供高质量电能。

以上技术特征构成了本实用新型的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

本实用新型最佳实施例的使用过程：

在生产运行过程中，负载单元7的负荷无规律小幅低频脉动变化，传动系统16转速及内燃机动力源也发生脉动变化，内燃机动力源包括第一主动力内燃发动14至第四主动力内燃发动15。机械负载包括第一机械动力直驱机械负载17和第二机械动力直驱机械负载18，当机械负载减小时，传动系统16转速上升，能源管理系统将检测到的余功发电装置10发出的电源频率信号、大功率用电负载电压电流信号进行分析、判断并按照设定的控制策略发出指令，使超级电容储能单元4进入充电状态吸收能量，通过增加余功发电装置10的动力需求，间接增加机械负载总量，抑制机械负载下降速度。当机械负载增加时，传动系统16转速下降，能源管理系统将检测到的余功发电装置10发出的电源频率信号、大功率用电负载电压电流信号进行分析、判断并按照设定的控制策略发出指令，使超级电容储能单元4放电释放能量，通过减少余功发电装置10的动力需求，间接减少机械负载总量，抑制机械负载增加，达到动态平衡生产过程中传动系统16功率小幅低频脉动变化的目的。

设备启动时，机械负载突然增加，内燃机动力源的输出功率出现短时缺额，传动系统16转速下降，能源管理系统将检测到的余功发电装置10发出的电源频率信号、大功率用电负载电压电流信号进行分析、判断并按照设定的投切逻辑和控制策略发出指令，使超级电容储能单元4快速放电输出电能，同时通过负载回路用电转换及母联单元5、汇流分段母线联合作用，短时放弃或调速运行一部分电气负载，如泥浆搅拌、加重泵和振动筛31，从而减少余功发电装置10的动力需求，快速降低机械负载总量，达到降低启动峰值负载，减少内燃机动力源的输出功率缺额的目的。

内燃机发电机组包括第一内燃机发电机组12和第二内燃机发电机组13，当出现内燃机动力源的动力富裕量不大且对生产有影响时，启动内燃机发电机组发电，能源管理系统将检测到的余功发电装置10电参量信号，进行分析、判断并按照设定的投切逻辑和控制策略发出指令通过电源接入配出转换母联单元2，将来自内燃机发电机组电压、频率变化的电源送入主变换模块的AC/DC整流器20输入端、补充电能缺口，从而减少余功发电装置10的动力需求，降低机械负载总量。

设备停机时负荷突然减少，内燃机动力源的输出功率出现短时过剩，传动系统16转速上升，能源管理系统将检测到的余功发电装置10发出的电源频率信号、大功率用电负载电压电流信号进行分析、判断并按照设定的控制策略发出指令，使超级电容储能单元4进入充电状态吸收能量，通过增加余功发电装置10的动力需求，间接增加机械负载总量，平衡负载。

当出现内燃机动力源停止运行或余功发电装置10无法供电时，能源管理系统按照设定的控制策略发出指令，启动内燃机发电机组发电，通过电源接入配出转换母联单元2，根据所需用电功率的不同，实现内燃机发电机组单台或多台、恒速或变速的组合运行,使内燃机发电机组始终自动运行在最经济的转速—功率特性曲线附近。

内燃机发电机组功率匹配应用实施例：根据内燃发电机特性曲线，以经济性为控制目标，在生产运行过程中，采用单台或多台内燃机发电机组发电，小负荷时投运1台内燃机发电机组发电或运行在变速状态，利用超级电容储能单元4进行能量缓冲，使内燃机发电机组跟随用电负荷的变化输出匹配的动力。在大负荷时投运1台或2台内燃机发电机组发电，其中1台内燃机发电机组运行在恒速状态，另1台内燃机发电机组运行在变速状态，利用超级电容储能单元4进行能量缓冲，使内燃机发电机组跟随用电负荷的变化输出匹配的动力。使内燃机发电机组始终自动运行在最经济的转速—功率特性曲线附近且与用电负荷保持功率匹配。

大网电供电装置11应用实施例：在生产运行过程中，采用大网电供电装置11供电，将电能接入端子经馈线接至双回路转换开关，其中一路为网电旁通回路，如果供电能力能满足使用要求，直接向负载单元7提供电能，如果不能满足或限额供电，则可转换至其它馈电回路。利用超级电容储能单元4进行能量缓冲，减少突变负荷对大网电供电装置11的冲击。当大网电供电装置11限负荷供电时，设定变换模块输入电流限值完成限量用电，同时投运内燃机发电机组，满足负荷用电要求。

新能源发电应用实施例：在生产过程中，内燃机动力源输出动力的同时，都会产生余热，利用余热或温差发出电能，经升直流升压降压耦合装置19，连接于主变换模块的AC/DC整流器20输出端的直流母线上，提供直流电能。由内然机废热为能量源，通过转化输出电能，如果提供交流电源则通过馈线与其它馈线连接，如果提供直流电则与直流电流投切单元隔离开关连接，本装置提供2套驳接端口，此投切装置由2套升压、降压及主变换装置连接偶合转换调控单元，以适应不同的直流电源。

Claims (10)

1.一种钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于包括能量转换单元、电源接入配出转换母联单元、主变换单元、超级电容储能单元、负载回路用电转换及母联单元、主控单元，

能量转换单元的输出端与电源接入配出转换母联单元的第一输入端电连接，电源接入配出转换母联单元的第一输出端与主变换单元的第一输入端电连接，主变换单元的第一输出端与超级电容储能单元的第一输入端电连接，主变换单元的第二输出端与负载回路用电转换及母联单元的第一输入端电连接，电源接入配出转换母联单元的第二输出端与负载回路用电转换及母联单元的第二输入端电连接，超级电容储能单元的输出端与主变换单元的第二输入端电连接；

主控单元的第一输出端与能量转换单元的输入端电连接，主控单元的第二输出端与电源接入配出转换母联单元的第二输入端电连接，主控单元的第三输出端与超级电容储能单元的第二输入端电连接，主控单元的第四输出端与主变换单元的第三输入端电连接，主控单元的第五输出端与负载回路用电转换及母联单元的第三输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于能量转换单元包括至少一个内燃机发电机组。

3.根据权利要求2所述的钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于能量转换单元还包括新能源发电装置，新能源发电装置包括内燃机余热发电装置或/和余功发电装置。

4.根据权利要求1或2或3所述的钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于能量转换单元还包括大网电供电装置。

5.根据权利要求1或2或3所述的钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于主变换单元包括至少一组主变换模块，每一组主变换模块包括AC/DC整流器、DC/DC变换器、DC/AC逆变器，AC/DC整流器输出端的直流母线上连接DC/DC变换器和DC/AC逆变器，DC/DC变换器与超级电容储能单元电连接，DC/AC逆变器与负载回路用电转换及母联单元电连接。

6.根据权利要求4所述的钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于主变换单元包括至少一组主变换模块，每一组主变换模块包括AC/DC整流器、DC/DC变换器、DC/AC逆变器，AC/DC整流器输出端的直流母线上连接DC/DC变换器和DC/AC逆变器，DC/DC变换器与超级电容储能单元电连接，DC/AC逆变器与负载回路用电转换及母联单元电连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网还包括分别与主控单元电连接的信息采集单元、数据采集调理电路、信号预处理单元、内燃机发电机组发动机ECU、新能源发电装置的智能监控单元、电源接入配出转换母联单元的智能监控单元、超级电容储能单元的智能监控单元、主变换单元的控制器、负载回路用电转换及母联单元的智能监控单元。

8.根据权利要求4所述的钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网还包括分别与主控单元电连接的信息采集单元、数据采集调理电路、信号预处理单元、内燃机发电机组发动机ECU、新能源发电装置的智能监控单元、电源接入配出转换母联单元的智能监控单元、超级电容储能单元的智能监控单元、主变换单元的控制器、负载回路用电转换及母联单元的智能监控单元。

9.根据权利要求5所述的钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网还包括分别与主控单元电连接的信息采集单元、数据采集调理电路、信号预处理单元、内燃机发电机组发动机ECU、新能源发电装置的智能监控单元、电源接入配出转换母联单元的智能监控单元、超级电容储能单元的智能监控单元、主变换单元的控制器、负载回路用电转换及母联单元的智能监控单元。

10.根据权利要求6所述的钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网，其特征在于钻机用混合能源能量缓冲平衡型微电网还包括分别与主控单元电连接的信息采集单元、数据采集调理电路、信号预处理单元、内燃机发电机组发动机ECU、新能源发电装置的智能监控单元、电源接入配出转换母联单元的智能监控单元、超级电容储能单元的智能监控单元、主变换单元的控制器、负载回路用电转换及母联单元的智能监控单元。