一种油电两用双模驱动压裂泵橇系统的制作方法

本发明涉及石油天然气压裂装备橇装设备，具体涉及一种油电两用双模驱动压裂泵橇系统。

背景技术：

1、电驱压裂装备是页岩油气及致密油气开发的关键设备，用于将压裂液高压注入地层，形成人工裂缝以提高油气采收率。随着非常规油气勘探开发力度的增大，电驱压裂装备以其环保性、大排量优势被越来越多地应用。当前电驱压裂装备的供电架构、驱动形式及设备集成方式直接影响压裂作业的能耗成本、作业效率、环境适应性及现场部署便捷性。

2、目前，公告号为cn118793418a的专利申请公开了一种电驱压裂泵注设备及机组供电系统，包括多个电驱压裂泵注设备，每一个电驱压裂泵注设备设置在一个纯电重载底盘车上，每个电驱压裂泵注设备各自通过直流母线与开关柜连接，开关柜通过直流母线与变压整流单元一端连接，变压整流单元另一端外接有高压电源。电驱压裂泵注设备包括储能单元、变频一体电机、传动轴和压裂泵，储能单元通过电缆分别与纯电重载底盘车和变频一体电机相连，储能单元包含相互连接的电池组、bms管理系统和充电单元。压裂作业时，外接高压电源通过变压整流单元转换为直流电输送到直流母线上，为变频一体电机供电，储能单元挂载于直流母线上作为补充电源。

3、然而，上述现有电驱压裂泵注设备在实际应用中仍存在以下不足：

4、对外部电网依赖性强，无电网工况下无法作业。现有电驱压裂泵注设备及机组供电系统完全依赖外部高压电源供电，其能量来源单一，仅通过变压整流单元将外接电网交流电转换为直流电供给变频一体电机。当压裂井场位于偏远山区、丘陵地带等无电网覆盖区域时，该设备无法正常作业，严重制约了电驱压裂装备的推广应用范围。虽然储能单元可在网电故障时提供应急电源，但受限于储能容量，无法支撑大功率、长时间的压裂作业，仅能作为短时备用电源使用，不具备独立自发电能力。

5、压裂泵冲击性负载导致母线电压剧烈波动，影响系统稳定性。压裂泵在启停、加压、卸压过程中呈现典型的冲击性负载特性，负载功率急剧变化。现有技术中的储能单元虽然挂载于直流母线上，但其控制策略主要为简单的电能补充，缺乏针对负载波动的快速响应和平抑机制。当负载突增时，母线电压骤降，可能导致变频一体电机欠压保护停机；当负载突减时，母线电压骤升，可能造成电气设备过压损坏，严重影响系统运行可靠性。

6、设备集成度低，现场部署与搬迁成本高。现有技术的电驱压裂泵注设备及机组供电系统中，变频一体电机虽集成了变频功能，但整个电驱系统仍需配置独立的变压整流单元、开关柜等设备，设备数量多、占地面积大，现场安装、电缆连接和调试工作量大。同时，设备布置于纯电重载底盘车上，虽具备移运性，但整体体积庞大、重量重，在山地、丘陵等井场可用面积受限的区域，设备布置和转运极为困难。

7、供电功率拓展性差，无法灵活适配不同功率等级的压裂工况。现有技术中每一台电驱压裂泵注设备配置一台变频一体电机和一台压裂泵，单台设备的驱动功率固定。当压裂作业需要更大功率时，只能通过增加电驱压裂泵注设备的数量来实现功率扩容，无法在单台设备层面灵活调整驱动功率配置，难以满足不同井况、不同压裂工艺对驱动功率的多样化需求。

8、电机能效偏低，长期运行能耗成本高。现有技术采用变频一体电机，但未明确采用永磁同步技术。常规变频一体电机多为异步电机，功率因数低、低速转矩特性差，在压裂泵重载低速工况下效率偏低，长期运行能耗成本显著增加。

9、因此，亟需一种具备自发电能力、可脱离电网独立作业、母线电压稳定、设备高度集成且电机能效高的油电两用双模驱动压裂泵橇系统，以克服上述现有技术的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种油电两用双模驱动压裂泵橇系统，解决现有电驱压裂装备完全依赖外部电网供电、因压裂泵冲击性负载导致直流母线电压剧烈波动、设备集成度低、单台设备驱动功率固定以及采用异步电机导致功率因数低的问题。

2、为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种油电两用双模驱动压裂泵橇系统，包括：

4、发电矩阵单元，所述发电矩阵单元包括多台发电机组，用于在无外接电源工况下产生交流电；

5、交流汇流单元，所述交流汇流单元与所述发电矩阵单元及外接交流电源可选择地连接，用于将选定的一路交流电源进行汇流；

6、整流单元，所述整流单元与所述交流汇流单元连接，用于将交流电转换为直流电；

7、直流配电单元，所述直流配电单元与所述整流单元连接，形成直流母线；

8、储能单元，所述储能单元并联接入所述直流母线，用于平抑负载波动；

9、驱动电机，所述驱动电机与所述直流母线连接，用于将电能转换为机械能；

10、压裂泵，所述压裂泵与所述驱动电机传动连接，用于对压裂液增压；

11、控制单元，所述控制单元与所述发电矩阵单元、所述整流单元、所述储能单元及所述驱动电机信号连接，用于控制各单元协调运行。

12、优选的，所述发电矩阵单元中的各所述发电机组分别配置有发电机控制器，各所述发电机控制器的直流输出端并联接入所述直流母线，实现多机直流侧并联并网。

13、优选的，所述储能单元包括电池组和电池管理系统，所述电池管理系统用于监测所述电池组的状态并根据所述控制单元的指令控制所述电池组的充放电，以平抑所述直流母线的电压波动。

14、优选的，所述驱动电机为永磁同步电机，所述永磁同步电机集成有逆变驱动单元，所述逆变驱动单元用于将所述直流母线的直流电转换为驱动所述永磁同步电机的交流电。

15、优选的，所述驱动电机的数量为多台，多台所述驱动电机分别通过独立的电机控制器与所述直流母线连接，多台所述驱动电机的输出端经合流机构耦合后共同驱动所述压裂泵。

16、优选的，所述控制单元根据负载功率需求动态计算各所述发电机组的分配功率，并分别向各所述发电机组下发功率指令，使各所述发电机组按分配功率运行。

17、优选的，当负载功率低于预设阈值时，所述控制单元控制部分所述发电机组停止运行，其余所述发电机组在高效率区间运行。

18、优选的，所述交流汇流单元设有切换开关，所述切换开关具有第一输入端和第二输入端及一个输出端，所述第一输入端与所述发电矩阵单元连接，所述第二输入端用于与外接交流电源连接，所述切换开关用于选择性地将所述第一输入端或所述第二输入端与所述输出端连通。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、本发明通过构建共直流母线架构并集成储能双向变流器，解决了完全依赖外部电网供电的局限，使得电网与储能协同互补供电、降低了对外部电网容量需求。

21、利用储能单元对压裂泵冲击性负载的快速功率追踪与动态补偿，解决了直流母线电压剧烈波动的难题，将母线电压动态波动抑制在5%以内、确保各单元稳定运行。

22、通过将整流、储能与变频驱动模块化挂接于母线，解决了设备集成度低的问题，能够简化配电结构、显著节省占地空间。

23、采用多个变频驱动单元并联输出，解决了单台驱动功率固定的问题，使得功率柔性扩展、适配不同压裂工况。

24、采用永磁同步电机替代异步电机并配合矢量控制，解决了功率因数低的问题，使得功率因数接近单位功率因数、大幅降低线路损耗。