電動鉆機并網(wǎng)機組功率均衡控制研究

劉晉雷，朱奇先，李永國，代炳曉，王玉明

（1.上海海洋石油局鉆井分公司物資裝備部，上海201206；2.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；3.渤海鉆探塔里木鉆井分公司設備科，新疆庫爾勒841000；4.渤海鉆探第五鉆井工程分公司設備科，河北河間062465）

1 引言

在石油鉆探裝備行業(yè)，電動鉆機指以電能為動力驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)、泥漿泵的成套機械裝備。所用電能可以取自電網(wǎng)，也可以取自配套的自備電站。自備電站一般由3 到5 臺并網(wǎng)的柴油發(fā)電機組構成。這些機組可以是相同或不同的型號、相同或不同的功率規(guī)格，無論相同與否，為了保護設備，要求機組并網(wǎng)后按能力比例分攤功率。本文就電動鉆機并網(wǎng)機組功率的均衡（分攤）控制進行研究。

2 自備電站

2.1 電站構成

自備電站的電力參數(shù)目前絕大多數(shù)為3 相3線600V、50Hz 或60Hz，容量隨鉆機的大小而不同，一臺7000m 電驅(qū)動鉆機電站的標準配置如圖1所示。

圖1 7000m 電驅(qū)動鉆機電站標準配置

圖中GEN＃1－GEN＃4 為柴油發(fā)電機組，1500rpm、1310kW為柴油機的額定轉(zhuǎn)速和輸出功率；1714kVA、0.7PF 為發(fā)電機的額定容量和功率因數(shù)；AF、AT數(shù)值為與電網(wǎng)接通、斷開的斷路器的框架和實際電流。

2.2 負載特性

電站的負載60%以上為電力電子變速裝置，其余為異步電機以及極少量的電阻性負載。由于變速裝置中電力電子器件的非線性和異步電機工作時需要滯后勵磁電流的特性，造成電網(wǎng)中電流滯后于電壓一個電角度φ。為了準確反映電功率的實際情況，通常以有功功率P1＝U·Ⅰ·cosφ 和無功功率P2＝U·Ⅰ·sinφ 來表示φ 的影響。因此鉆機運行時電網(wǎng)中既有有功功率，也有滯后的無功功率，且其大小隨井深和鉆井工藝的不同而不同，兩種功率變化迅速、范圍很大。

3 功率控制

3.1 有功控制

電網(wǎng)的有功（也就是發(fā)電機的有功輸出）功率等于柴油機的有效輸出功率。根據(jù)柴油機的負荷特性和調(diào)速特性，由輸出功率表達式（其中pe、vh、n、i分別為每缸平均有效壓力、工作容積、柴油機轉(zhuǎn)速、汽缸數(shù)）可知，只要控制了速度的大小，就可以有效控制輸出功率；而要控制速度，只要控制燃油的供應量即可，因此有功功率的控制是通過控制供油量實現(xiàn)。

3.2 無功控制

電網(wǎng)的無功也就是發(fā)電機的無功輸出。滯后于電壓的負載電流流過發(fā)電機的定子線圈時，無功部分將產(chǎn)生與勵磁磁通相反的去磁磁通，由發(fā)電機感應電勢表達式Ee＝Ce·φ·ne（其中Ce、φ、ne分別為結構常數(shù)、合成磁通量、轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速）可知，這將導致輸出電壓降低，在正常工況下，無功功率與輸出電壓之間有著確定的比例關系，而輸出電壓又與勵磁電壓（對應于磁通）有著確定的比例關系，因此無功功率的控制是通過控制勵磁電壓實現(xiàn)的。

4 均衡必要性

每臺柴油發(fā)電機組可以有不同的頻率和電壓，當符合并網(wǎng)條件（電壓、頻率、相序、初相角）并網(wǎng)后，網(wǎng)上將只有一個頻率、一個電壓。根據(jù)上節(jié)描述，并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速高的機組將承擔較大的有功，電壓高的機組將承擔較大的無功，轉(zhuǎn)速、電壓偏差越大，有功、無功的偏差也相應越大。當偏差超過允許的限度后，特別是大負載劇烈變化的過程中，如果沒有功率的均衡控制，將造成重／輕載的柴油機熄火／飛車或發(fā)電機失磁／過磁而脫網(wǎng)，不但影響鉆機的正常工作，也將造成機組壽命的不平衡。因此對并網(wǎng)的機組必須要同時進行有功和無功的動、靜態(tài)控制使其功率均衡。

5 均衡控制

5.1 有功均衡

由于有功與柴油機的轉(zhuǎn)速相對應，而轉(zhuǎn)速又與電網(wǎng)的頻率相對應。為了滿足電力電子裝置對輸入電壓頻率變化范圍的要求，在電動鉆機對柴油機按調(diào)速特性使用時，電控系統(tǒng)一般對其設置有控制器來保證柴油機的速度穩(wěn)定，控制結構為有功負反饋內(nèi)環(huán)和速度負反饋外環(huán)的雙閉環(huán)PID 自動控制，其輸出的電壓或電流信號控制供油裝置。因此有功的均衡控制有兩種思路。

圖2 有功及并網(wǎng)均衡控制框圖

第一種思路，所有并網(wǎng)機組用一個速度控制器控制以保證轉(zhuǎn)速一致，而其余機組只有有功控制器工作，但都接收已工作速度控制器的輸出以保證有功一致，即所謂的主從控制模式。早期的ROSS HILL 及其變種如IPS、M＆I 的電控系統(tǒng)都采用了這個模式，其控制框圖如圖2所示。

主從控制邏輯為：第一個上網(wǎng)機組的主從控制器將速度和有功控制器連接，以后的機組主從控制器將速度控制器輸出斷開、有功設定接口連通；當并網(wǎng)機組從網(wǎng)上解列時，主從控制器斷開有功接口與本機組的連接，但仍然提供與其他機組的連接通路，解列機組的速度控制器與有功控制器恢復連接。

第二種思路，各機組按常規(guī)控制，每個機組設置均衡控制器，其作用是并網(wǎng)后將本機功率與網(wǎng)上的比較，用差值對本機速度設置進行微調(diào)以保證速度（有功）基本一致。GE 的μ3000 電控系統(tǒng)和WOODWARD2301 系列調(diào)速器都采用了這個模式，控制框圖如圖3所示。

均衡控制器工作邏輯為：第一臺機組上網(wǎng)時不工作，也不與其他機組的連接，第二臺以后的每個機組上網(wǎng)時，控制器工作并相互連通，每從網(wǎng)上解列一個，斷開相應連接并停止控制器工作。

5.2 無功均衡

由于無功與發(fā)電機的輸出電壓相對應，為了滿足電力電子裝置以及其他負載對輸入電壓變化范圍的要求，為保證電壓的穩(wěn)定，電控系統(tǒng)一般對其設置有控制器，控制結構為無功負反饋內(nèi)環(huán)和電壓負反饋外環(huán)的雙閉環(huán)PID 自動控制，其輸出的電壓或電流信號控制勵磁裝置。因此無功的均衡控制也有兩種思路。第一，所有并網(wǎng)機組用一個電壓控制器控制以保證電壓一致，而其余機組只有無功控制器工作，但都接收已工作電壓控制器的輸出以保證無功一致，即所謂的主從控制模式。第二，各機組按常規(guī)控制，每個機組設置均衡控制器，其作用是并網(wǎng)后將本機無功與網(wǎng)上的比較，用差值對本機電壓設置進行微調(diào)以保證電壓（無功）基本一致。控制思路和基本結構與有功控制完全一致，只是由于從勵磁電壓到無功之間存在鐵磁材料的非線性和磁通回路的飽和影響，控制思路大多數(shù)采用第二種，具體框圖和工作邏輯與有功一致不再贅述。

6 特殊應用

圖3 有功及并網(wǎng)均衡控制框圖

上述內(nèi)容為電站內(nèi)各機組為同一型號規(guī)格時并網(wǎng)的情況，但在實際鉆井工作中，也經(jīng)常遇到型號規(guī)格不同、功率等級不同、甚至電壓也不相同（但所有機組的頻率相同）的機組要求并網(wǎng)的情況。為了保護裝備、均衡裝備壽命，也需要功率的均衡控制。不同電壓為了并網(wǎng)需要變壓器匹配。對于這些情況下的均衡控制，一般采用第二種思路，即設置均衡控制器。需要特別注意的是，根據(jù)各機組對速度、電壓設置信號（電流型、電壓型、大小范圍等）的要求，在均衡控制器的輸出信號與設定信號連接點之間，要配置信號匹配控制器。

7 結束語

根據(jù)鉆機電網(wǎng)負載的特性，對由自備電站供電的鉆機，指出了控制有功、無功的途徑和功率均衡的思路，給出了不同規(guī)格、型號、電壓的機組之間并網(wǎng)時需要注意的事項，對鉆機電控系統(tǒng)的設計及舊鉆機動力系統(tǒng)的工程改造具有一定的參考意義。

［1］濟南柴油機廠編.柴油機結構與使用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990.

［2］塔里木石油勘探開發(fā)指揮部裝備處編.電動鉆機電氣控制系統(tǒng)［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，1994.

［3］廖佩金主編.內(nèi)燃機［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［4］天津電氣傳動設計研究所編.電氣傳動自動化技術手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.