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

＊劉海龍 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)重點實驗室 陜西 710065）

電動鉆機(jī)平臺的主要電力負(fù)載為各種類型的電動機(jī)，其功率分布在幾千瓦到幾千千瓦之間。目前這些電動機(jī)中，大功率電機(jī)如泥漿泵等已全部實現(xiàn)了變頻驅(qū)動，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、定頻恒速運行?，F(xiàn)有科研成果可以證明，變頻驅(qū)動可以節(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)動鉆機(jī)，已經(jīng)采用永磁同步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速運行[2]。然而現(xiàn)有鉆機(jī)平臺中MCC各負(fù)載仍然采用常規(guī)的定速運行，其原因主要有二：第一，目前的電動鉆機(jī)智能化程度不高，各負(fù)載運行方式采用的仍是粗放式聯(lián)動，未能實現(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)能夠為電動鉆機(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)計提供了一種新的思路[4]。Z源逆變器具有獨特的升壓-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)引入電動鉆機(jī)井場配電網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計相應(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，對于電動鉆機(jī)智能化和智慧化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1.傳統(tǒng)的電動鉆機(jī)井場供配電系統(tǒng)

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

根據(jù)電動鉆機(jī)型號不同，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，其功率在1kW～7.5kW之間，均采用交流母線電源直供，恒頻定速運行。

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

綜上所述，根據(jù)負(fù)載的大小，可以分別設(shè)計相應(yīng)的Z源逆變器。本文以某一類型選取單個電機(jī)的方式進(jìn)行供電電路的設(shè)計，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。

(1)大型負(fù)載采用級聯(lián)型Z源逆變器

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

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

級聯(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，級聯(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]。

基于級聯(lián)型Z源逆變器的電動鉆機(jī)平臺中大型設(shè)備驅(qū)動系統(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)整直通占空比實時調(diào)節(jié)直流母線電壓，從而動態(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。必要時采用級聯(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，這對電動鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中負(fù)載突變時保持系統(tǒng)平穩(wěn)運行、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

電動鉆機(jī)平臺的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，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，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)計了基于Z源網(wǎng)絡(luò)的電動鉆機(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，針對大功率負(fù)載的應(yīng)用研究也還不成熟，Z源逆變器在電流抗擾動、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。