油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法及系统与流程

本发明涉及油田钻井机械装备电气控制，特别是涉及一种油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法及系统。

背景技术：

1、油田钻井绞车是钻机系统的核心动力设备，主要用于起下钻具、悬持钻柱和控制钻压。在正常钻井作业循环中，钻具起升和下放交替进行，整个过程势能巨大，4000米井深势能功率可达兆瓦级别，能耗占比高。

2、当前油田钻井绞车采用变频器驱动交流电机，在钻具下放过程中，电机处于发电制动状态，产生大量再生电能。这部分再生电能普遍采用制动电阻以热能形式消耗，不仅造成能量浪费，还带来散热、空间占用等问题。制动电阻投入/切除过程造成直流母线电压剧烈波动，影响变频器和其他设备的安全运行；频繁的负载突变还会对供电造成冲击。

3、目前部分改进方案中尝试引入能量回馈装置将制动能量回送电网，但现有回馈控制策略未结合钻井绞车的工况特点设置合理的回馈阈值，要么因阈值设置不合理导致能量回馈量偏低，节能效果达不到预期，要么因过度回馈影响直流母线电压稳定性，干扰钻井绞车的正常制动控制，导致母线电压波动大、回馈效率低且谐波抑制能力不足，无法兼顾能量回馈与电能质量治理的协同优化效果，难以适配油田钻井复杂多变的作业工况。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法及系统，通过控制回馈功率，实现制动能量回馈与储能缓冲的协同控制，在保障绞车制动稳定可靠前提下，最大化回收制动产生的势能并转化为电能回馈电网，提升油田钻井作业的节能效果，同时兼顾电网电能质量治理。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法，包括：

4、获取绞车处于制动工况时的直流侧电压和交流侧电压；

5、当直流侧电压大于或等于设定的回馈启动电压阈值且小于设定的回馈储能电压阈值，以及交流侧电压小于或等于设定的交流电压阈值时，将制动能量逆变回馈至电网；

6、当直流侧电压大于或等于回馈储能电压阈值，或者交流侧电压大于交流电压阈值时，将剩余的制动能量进行存储，直至制动结束或直流侧电压下降至设定的最佳工作电压阈值，释放储存的制动能量并逆变回馈至电网；

7、其中，逆变回馈的过程中，根据回馈启动电压阈值与最佳工作电压阈值的压差确定电压补偿量，结合逆变调制波形、有功电流指令以及谐波和无功电流补偿量，调节逆变器回馈功率。

8、作为可选择的实施方式，当直流侧电压小于回馈启动电压阈值时，仅进行电能质量治理，不进行制动能量回馈。

9、作为可选择的实施方式，将电压补偿量叠加到逆变调制波形峰值处，以调整逆变输出信号。

10、作为可选择的实施方式，将电压补偿量叠加到有功电流指令中，包括将绞车制动对应的制动能量功率，换算为有功电流基准后，叠加电压补偿量。

11、作为可选择的实施方式，将电压补偿量叠加到谐波和无功电流补偿量中，包括接收电能质量控制指令，电能质量控制指令是交流侧的三相电流和三相电压，从电能质量控制指令中提取谐波和无功电流，以此生成等幅值且相位相反的补偿量，并叠加电压补偿量。

12、第二方面，本发明提供一种油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制系统，包括：控制单元以及与控制单元连接的逆变回馈单元和储能单元；

13、所述控制单元被配置为：

14、获取绞车处于制动工况时的直流侧电压和交流侧电压；

15、当直流侧电压大于或等于设定的回馈启动电压阈值且小于设定的回馈储能电压阈值，以及交流侧电压小于或等于设定的交流电压阈值时，控制启动逆变回馈单元，以通过逆变回馈单元将制动能量逆变回馈至电网；

16、当直流侧电压大于或等于回馈储能电压阈值，或者交流侧电压大于交流电压阈值时，控制启动储能单元，可以通过储能单元将剩余的制动能量进行存储，直至制动结束或直流侧电压下降至设定的最佳工作电压阈值，释放储存的制动能量并逆变回馈至电网；

17、其中，逆变回馈的过程中，根据回馈启动电压阈值与最佳工作电压阈值的压差确定电压补偿量，结合逆变调制波形、有功电流指令以及谐波和无功电流补偿量，调节逆变器回馈功率。

18、作为可选择的实施方式，所述逆变回馈单元包括相连的电容组和三相电压型pwm逆变器，电容组通过防反二极管连接熔断器，熔断器连接绞车变频器直流侧，三相电压型pwm逆变器接入电网侧，实现绞车制动能量的单方向流动，且将绞车制动能量逆变为与电网同频同相的交流电后回馈至电网。

19、作为可选择的实施方式，所述储能单元包括相连的双向dc/dc变换器和超级电容组；双向dc/dc变换器通过防反二极管连接熔断器，熔断器连接绞车变频器直流侧。

20、作为可选择的实施方式，控制系统通过熔断器fu1和熔断器fu2分别与绞车变频器直流侧正负端相连；熔断器fu1连接防反二极管d1的正极，熔断器fu2连接防反二极管d2的负极，防反二极管d1的负极和防反二极管d2的正极接入控制系统。

21、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令。所述计算机指令被处理器运行时，实现如第一方面所述的方法。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

23、本发明提出了一种油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法及系统，当直流侧电压大于或等于设定的回馈启动电压阈值且小于设定的回馈储能电压阈值，以及交流侧电压小于或等于设定的交流电压阈值时，将制动能量逆变回馈至电网；当直流侧电压大于或等于回馈储能电压阈值，或者交流侧电压大于交流电压阈值时，将剩余的制动能量进行存储，通过引入储能缓冲机制，在回馈受限或电网异常时可自动切换至储能模式，有效避免母线电压骤升及电网冲击，保障系统安全并提升电能质量；在逆变回馈过程中，结合闭环矢量控制策略动态调整回馈功率，优化逆变输出波形，降低谐波含量，平抑直流母线电压波动，在保障电能质量的同时提升能量回馈效率，提升系统运行稳定性与制动安全性。同时，本发明系统结构紧凑、控制灵活，无需额外配置大容量制动电阻，显著降低设备体积与维护成本，具有显著经济效益与广阔的工程应用前景。

24、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践得到了解。

1.油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法，其特征在于，当直流侧电压小于回馈启动电压阈值时，仅进行电能质量治理，不进行制动能量回馈。

3.如权利要求1所述的油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法，其特征在于，将电压补偿量叠加到逆变调制波形峰值处，以调整逆变输出信号。

4.如权利要求1所述的油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法，其特征在于，将电压补偿量叠加到有功电流指令中，包括将绞车制动对应的制动能量功率，换算为有功电流基准后，叠加电压补偿量。

5.如权利要求1所述的油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制方法，其特征在于，将电压补偿量叠加到谐波和无功电流补偿量中，包括接收电能质量控制指令，电能质量控制指令是交流侧的三相电流和三相电压，从电能质量控制指令中提取谐波和无功电流，以此生成等幅值且相位相反的补偿量，并叠加电压补偿量。

6.油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制系统，其特征在于，包括：控制单元以及与控制单元连接的逆变回馈单元和储能单元；

7.如权利要求6所述的油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制系统，其特征在于，所述逆变回馈单元包括相连的电容组和三相电压型pwm逆变器，电容组通过防反二极管连接熔断器，熔断器连接绞车变频器直流侧，三相电压型pwm逆变器接入电网侧，实现绞车制动能量的单方向流动，且将绞车制动能量逆变为与电网同频同相的交流电后回馈至电网。

8.如权利要求6所述的油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制系统，其特征在于，所述储能单元包括相连的双向dc/dc变换器和超级电容组；双向dc/dc变换器通过防反二极管连接熔断器，熔断器连接绞车变频器直流侧。

9.如权利要求7或8所述的油田钻井绞车制动能量回馈储能一体化控制系统，其特征在于，控制系统通过熔断器fu1和熔断器fu2分别与绞车变频器直流侧正负端相连；熔断器fu1连接防反二极管d1的正极，熔断器fu2连接防反二极管d2的负极，防反二极管d1的负极和防反二极管d2的正极接入控制系统。

10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，实现如权利要求1-5任一项所述的方法。