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        基于Z源網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)鉆機(jī)井場供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

        2021-12-17 03:40:46劉海龍張奇志閆梓涵
        當(dāng)代化工研究 2021年22期
        關(guān)鍵詞:井場供配電級(jí)聯(lián)

        *?jiǎng)⒑}?張奇志 閆梓涵

        (1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西 710065 2.陜西省油氣井測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 710065)

        電動(dòng)鉆機(jī)平臺(tái)的主要電力負(fù)載為各種類型的電動(dòng)機(jī),其功率分布在幾千瓦到幾千千瓦之間。目前這些電動(dòng)機(jī)中,大功率電機(jī)如泥漿泵等已全部實(shí)現(xiàn)了變頻驅(qū)動(dòng),而中等及以下功率電機(jī)如風(fēng)機(jī)等負(fù)載,采用的都是電網(wǎng)直接驅(qū)動(dòng)、定頻恒速運(yùn)行?,F(xiàn)有科研成果可以證明,變頻驅(qū)動(dòng)可以節(jié)約能源20%以上[1]。為此,美國NOV公司于2020年推出的頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī),已經(jīng)采用永磁同步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行[2]。然而現(xiàn)有鉆機(jī)平臺(tái)中MCC各負(fù)載仍然采用常規(guī)的定速運(yùn)行,其原因主要有二:第一,目前的電動(dòng)鉆機(jī)智能化程度不高,各負(fù)載運(yùn)行方式采用的仍是粗放式聯(lián)動(dòng),未能實(shí)現(xiàn)多電機(jī)協(xié)調(diào)控制;第二,目前的變頻器仍不理想,其效率和可靠性有待進(jìn)一步提高[3]。深入研究安全可靠且高效的井場供配電技術(shù)能夠?yàn)殡妱?dòng)鉆機(jī)智能化與智慧化發(fā)展提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

        近年來學(xué)者們提出的基于Z源網(wǎng)絡(luò)的逆變技術(shù)為井場供配電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新的思路[4]。Z源逆變器具有獨(dú)特的升壓-降壓能力,可以通過調(diào)整直通占空比來控制直流母線電壓,并且其獨(dú)特的上下橋臂直通特性,能提高系統(tǒng)的可靠性,因此在分布式發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池供電以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景[5]。理論上,將Z源網(wǎng)絡(luò)引入電動(dòng)鉆機(jī)井場配電網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)相應(yīng)的變頻控制模塊,既可以充分發(fā)揮Z源逆變器的優(yōu)勢,又可以提高系統(tǒng)的效率,降低系統(tǒng)能耗,增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性,對(duì)于電動(dòng)鉆機(jī)智能化和智慧化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        1.傳統(tǒng)的電動(dòng)鉆機(jī)井場供配電系統(tǒng)

        傳統(tǒng)的電動(dòng)鉆機(jī)典型井場配電系統(tǒng)通常采用雙電源供電方式:主變壓器和輔助發(fā)電機(jī)。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

        圖1 傳統(tǒng)的電動(dòng)鉆機(jī)典型井場配電系統(tǒng)圖

        根據(jù)電動(dòng)鉆機(jī)型號(hào)不同,設(shè)備和數(shù)量略有不同。以某ZJ90DB鉆機(jī)系統(tǒng)MCC中的電機(jī)負(fù)載為例,系統(tǒng)中大型負(fù)載有加重泵、灌注泵、供液泵、剪切泵等,均為75kW;中型負(fù)載有重晶石回收泵(37kW)、絞車風(fēng)機(jī)電機(jī)(15kW)、補(bǔ)給泵與潤滑油泵(11kW)等;小型負(fù)載有各類型的液壓泵、風(fēng)機(jī)等共27臺(tái),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(yùn)行。

        2.基于Z源網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)鉆機(jī)井場供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        綜上所述,根據(jù)負(fù)載的大小,可以分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的Z源逆變器。本文以某一類型選取單個(gè)電機(jī)的方式進(jìn)行供電電路的設(shè)計(jì),可以提高系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化,類似電機(jī)采用相同系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。

        (1)大型負(fù)載采用級(jí)聯(lián)型Z源逆變器

        級(jí)聯(lián)型Z源逆變器有電容級(jí)聯(lián)型和二極管級(jí)聯(lián)型等網(wǎng)絡(luò),本文采用二極管級(jí)聯(lián)型Z源逆變器設(shè)計(jì)大型負(fù)載供配電系統(tǒng),系統(tǒng)如圖2所示。

        圖2 基于級(jí)聯(lián)型Z源逆變器的中大型負(fù)載供電系統(tǒng)圖

        級(jí)聯(lián)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(diào)節(jié)下可以獲得更高的升壓倍數(shù)。反之,當(dāng)需要同樣的升壓倍數(shù)時(shí),級(jí)聯(lián)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(diào)制度,這不僅可以降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)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(zhì)量[5]。

        基于級(jí)聯(lián)型Z源逆變器的電動(dòng)鉆機(jī)平臺(tái)中大型設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以采用輸出電壓全線性化調(diào)制的SVPWM控制算法,通過調(diào)整直通占空比實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)直流母線電壓,從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)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(nèi)切圓之內(nèi),消除了傳統(tǒng)的過調(diào)制區(qū)。該策略能跟隨系統(tǒng)負(fù)載變化,使得輸出電壓始終保持為正弦波,避免了常規(guī)過調(diào)制算法的輸出飽和及輸出電壓嚴(yán)重畸變問題,可以簡化系統(tǒng)控制算法。必要時(shí)采用級(jí)聯(lián)Z源逆變器三次諧波注入最大升壓控制法,還可以進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)輸出能力,這對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中負(fù)載突變時(shí)保持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行、提高應(yīng)變能力具有重要的意義[6]。

        (2)中小型負(fù)載采用準(zhǔn)Z源逆變器

        電動(dòng)鉆機(jī)平臺(tái)的MCC系統(tǒng)中,液壓泵、噴淋泵、風(fēng)機(jī)等中小型設(shè)備常常不間斷工作,其對(duì)電流的連續(xù)性、電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求較高。

        準(zhǔn)Z源逆變器有帶抽頭電感型準(zhǔn)Z-源、Quasi-Z型等網(wǎng)絡(luò)[7],本文采用Quasi-Z型Z源逆變器設(shè)計(jì)中小型負(fù)載供配電系統(tǒng),系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

        圖3 基于Quasi-Z型Z源逆變器小型負(fù)載供電系統(tǒng)圖

        Quasi-Z源逆變電路不僅保留了Z-源逆變電路的所有優(yōu)點(diǎn),并且在相同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的前提下,當(dāng)采用抑制Z-源逆變器母線電壓跌落的SVPWM方法進(jìn)行Quasi-Z源逆變器控制時(shí),可以避免二極管電流斷續(xù)導(dǎo)致的直流母線電壓跌落現(xiàn)象的發(fā)生,進(jìn)而保證Quasi-Z源逆變電路的輸入電流是連續(xù)的,而且能夠降低對(duì)無源器件的電壓應(yīng)力,滿足中小型設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[8]。

        3.總結(jié)

        本文在深入研究前期研究成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于Z源網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)鉆機(jī)井場配電系統(tǒng),并進(jìn)行了理論和控制算法分析,為工程化實(shí)踐做了一些積極探索。理論上,采用基于Z源網(wǎng)絡(luò)的變頻技術(shù)后,MCC系統(tǒng)能耗可以降低10%~20%,相應(yīng)負(fù)載的電壓利用率可以提高8%,具有明顯的節(jié)能降耗效果[9]。但是由于目前Z源逆變器的機(jī)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍有限,通用型的Z源網(wǎng)絡(luò)還需要進(jìn)一步研究設(shè)計(jì),針對(duì)大功率負(fù)載的應(yīng)用研究也還不成熟,Z源逆變器在電流抗擾動(dòng)、電壓抗跌落、特定諧波消除等方面的優(yōu)勢還待進(jìn)一步探索。

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