一种用于钻机的直流供电系统及其控制方法
专利汇可以提供一种用于钻机的直流供电系统及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于钻机的直流供电系统，包括直流供电 母线 (30)和第一发 电机 （11）、第一 整流器 （21）、第二发电机（12）、第二整流器（22）、第一逆变器（51）和顶驱电机（71）、第二逆变器（51）和泥浆 泵 电机（72）、第三逆变器（51）和绞车电机（71）、第四逆变器（51）和其它电机（74）、第五逆变器（51）和生活用电等其它负荷（75）、储能（80）、 电阻 制动 单元（90）、与各个发电机、整流器、逆变器、储能、制动电阻单元相耦合的 控制器 （100）。本 发明 既可以提高钻机供电系统的工作效率和可靠性，又可以减小需要配置的储能容量，提高供电系统性价比。，下面是一种用于钻机的直流供电系统及其控制方法专利的具体信息内容。
1.一种用于钻机的直流供电系统，其特征在于：所述的直流供电系统包括直流供电母线(30)和第一发电机（11）、第一整流器（21）、第二发电机（12）、第二整流器（22）、第一逆变器（51）和顶驱电机（71）、第二逆变器（52）和泥浆泵电机（72）、第三逆变器（53）和绞车电机（71）、第四逆变器（54）和其它负载电机（74）、第五逆变器（55）和生活用电负荷（75）、储能（80）、电阻制动单元（90），以及与各个发电机、整流器、逆变器、储能、制动电阻单元相耦合的控制器（100）；
第一发电机（11）的输出端连接第一整流器（21）的交流侧；第二发电机（12）的输出端连接第二整流器（22）的交流侧；第一逆变器（51）的交流侧连接顶驱电机（71）；第二逆变器（52）的交流侧连接泥浆泵电机（72）；第三逆变器（53）的交流侧连接绞车电机（71）；第四逆变器（54）的交流侧连接其它负载电机（74）；第五逆变器（55）的交流侧连接生活用电等其它负荷（75）；第一整流器（21）的直流侧、第二整流器（22）的直流侧、第一逆变器（51）的直流侧、第二逆变器（52）的直流侧、第三逆变器（53）的直流侧、第四逆变器（54）的直流侧，以及第五逆变器（55）的直流侧均连接直流供电母线（30）上；储能系统（80）和电阻制动单元（90）连接到直流供电母线（30）上；所述的电阻制动单元（90）包含制动用电阻器和半桥开关电路或DC/DC变流器；所述的制动用电阻器通过半桥开关电路或DC/DC变流器连接到直流供电母线（30）上；所述的直流供电母线(30)分成多段，通过隔离开关或母线连接器相连。
2.根据权利要求1所述的直流供电系统，其特征在于：所述的储能系统（80）的储能介质与直流母线（30）之间包含DC/DC变流器或AC/DC变流器。
3.根据权利要求1所述的直流供电系统，其特征在于：发电机侧故障时由其所连接的整流器（21）停止工作来实现故障的隔离；电机或负荷侧故障时，由所连接的逆变器来实现故障的隔离。
4.根据权利要求1所述的所述的直流供电系统，其特征在于：所述的绞车电机（73）与直流母线正极（117）、直流电机负极（118）之间通过绞车对应DC/AC变流器（116）与绞车对应DC/DC变流器（115）连接；全控器件（108）的集电极与电感的一端连接，电感的另一端与直流母线的正极（117）连接，全控器件（108）的发射极与二极管的阴极连接，二极管的阳极与直流母线的负极（118）连接。
5.根据权利要求1所述的所述的直流供电系统，其特征在于：所述的储能系统（80）包括储能介质（121）、双向DC/DC变流环节（132）和滤波环节（129）；
双向DC/DC变流环节(132)的第一引出端子（134）与储能介质（121）的正极连接，双向DC/DC变流环节（132）的第二引出端子（135）与储能介质（121）的负极连接；双向DC/DC变流环节（132）的第三引出端子（136）与滤波环节（129）的正极连接后作为储能系统（80）的第一引出端子（130）与直流电网的正极线路连接；双向DC/DC变流环节（132）的第四引出端子（133）与滤波环节（129）的负极连接后作为储能系统（80）的第二引出端子（131）与直流电网的负极线路连接；
双向DC/DC变流（132）中：第一电感（122）的一端（134）作为双向DC/DC变流环节的第一引出端子，第一电感（122）的另一端（137）与第一全控开关（124）的发射极和第二全控开关（123）的集电极连接；第二电感（128）的一端（136）作为双向DC/DC变流环节的第二引出端子，第二电感（128）的另一端（138）与第三全控开关（126）的发射极和第四全控开关（125）的集电极连接，第一全控（124）集电极和第三全控开关（126）的集电极与中间电容（127）的正极（139）连接，第二全控开关（123）的发射极与第四全控开关(125)的发射极与中间电容（127）的负极连接。
6.一种权利要求1所述的直流供电系统的控制方法，其特征在于：通过所述控制器（100）的控制，绞车电机（73）在制动时产生的制动能量，优先供给其它负载电机（74）、生活用电等其它负荷（75）、顶驱电机（71）、泥浆泵电机（72），以及绞车电机（73）使用；若绞车电机（73）制动能量的功率大于负荷的总用电功率，将由储能系统（80）吸收和存储剩余功率；若储能系统（80）已经存满，或者制动能量存在短时大功率的情形，将启动电阻制动单元（90）进行消耗；通过储能系统（80）的充放电调节发电机（11）的输出功率，减小其爬坡率，并配合发电机（11）的控制系统提高发电机的工作效率。
7.根据权利要求6所述的直流供电系统的控制方法，其特征在于：所述的发电机（11）的控制系统以发电机效率最优为控制目标，跟踪所述的直流供电系统的控制器（100）发来的输出功率信号，调节发电机发出的电力的频率和幅值；发电机（11）的输出功率信号由所述直流供电系统的所有负荷功率经过平滑处理后并乘以一个裕量系数得到。
8.根据权利要求6所述的直流供电系统的控制方法，其特征在于：对储能系统（80）的控制通过直流供电系统控制器（100）的第一调节器（1）、第二调节器（2）、第一限幅单元（1）、第二限幅单元（2）实现；其中，储能系统（80）的充放电电流（Is）等于第一调节器（1）与第二调节器（2）输出之和；第一调节器（1）的输入为直流供电母线（30）电压的额定值U0与直流供电母线（30）电压的实时值U1之差；第二调节器（2）的输入为设定的储电比例D0与当前时刻的储能系统储能介质的储电比例D1之差，所述储电比例为储能量占储满电量的百分比；第一调节器（1）的功能是使直流供电母线（30）的电压稳定在额定值U0附近，第二调节器（2）的功能是使当前时刻储能系统储能介质的储电比例D1趋向于设定的储电比例D0；
第一调节器（1）与第二调节器（2）的输出相加后得到第一限幅单元（1）的输入（IS1），第一限幅单元（1）的输入（IS1）经过第一限幅单元（1）限幅得到中间变量（IS2），中间变量（IS2）经过第二限幅单元（2）限幅得到储能系统（80）的充放电电流（Is）；第一限幅单元（1）的输入为（Is1），输出为（Is2），第一限幅单元1的主要功能是根据储能系统（80）的储能介质当前的储电比例D1大小进行限幅；当储能介质当前的储电比例D1低于第一储电量阈值时停止放电；当储能介质当前的储比例D1高于第二储电量阈值时，储能系统（80）停止充电；第一储电量阈值设置为储能介质额定储电量的95%，第二储电量阈值设置为储能介质额定储电量的25%；第二限幅单元（2）的输入为中间变量（Is2），输出为充放电电流（Is），第二限幅单元（2）的主要功能是限制充放电电流（IS）的幅值；DC/DC变流器（82）的最大充放电值的设定根据供电系统负荷的功率特性，并考虑电阻制动单元（90）的工作能力得到；变流器（82）设定的最大充放电值通常小于绞车电机（73）的最大制动功率与生活用电负荷（75）的功率之差；
所述的直流供电系统的控制器（100）以直流供电母线的电压（U1）和储能系统的储电比例为输入，通过一定的控制策略得到充放电电流（Is），调节器的主要功能为维持直流供电母线的电压U1稳定，并使得储能系统的储电比例D1趋向于一设定的储电比例D0，所述的控制器内设置第一储电量阈值为储能介质额定储电量的95%，设置第二储电量阈值为储能介质额定储电量的25%；当第一限幅单元（1）的输出Is2大于一给定的充电电流阈值Iref1时，充放电电流（Is）被限制为该充电电流阈值（Iref1）；当第一限幅单元（1）的输出（Is2）小于一给定的充电电流阈值（Iref2）时，控制器输出即储能系统的充电电流（Is）被限制为该给定的充电电流阈值（Iref2）。
9.根据权利要求6所述的直流供电系统的控制方法，其特征在于：所述的控制器内设置第一电压阈值为直流供电系统允许的直流母线电压上限值，设置第二电压阈值为直流供电系统允许的直流母线电压下限值；所述的电阻制动单元（90）根据直流供电母线（30）电压的高低来决定其是否动作，当直流供电母线（30）的电压高于第一电压阈值时电阻制动单元（90）启动工作，当直流供电母线（30）的电压低于第二电压阈值时电阻制动单元（90）停止工作。
10.根据权利要求6所述的直流供电系统的控制方法，其特征在于：所述的储能系统（80）的充放电电流（Is）等于第一调节器（1）与第二调节器（2）输出之和；第一调节器（1）的输入为直流供电母线（30）的电压（U1）；第二调节器（2）的输入为储能系统一设定的储电比例D0与储能系统当前时刻的储电比例D1之差；所述第一调节器（1）的功能为使得直流供电母线（30）电压的实时值U1信号跟踪直流供电母线（30）电压的额定值U0，第二调节器（2）的功能为使得储能系统当前时刻的储电比例D1信号跟踪储能系统一设定的储电比例D0。
一种用于钻机的直流供电系统及其控制方法
技术领域
背景技术
发明内容
第二调节器的输入为设定的储能系统储能介质的储电比例D0与当前时刻的储能系统储能介质的储电比例D1之差，所述储电比例为储能量占储满电量的百分比；第一调节器的功能是使直流供电母线的电压稳定在直流供电母线电压的额定值U0附近。第二调节器的功能是使当前时刻储能系统的储电比例D1趋向于设定的储电比例D0；第一调节器与第二调节器的输出相加后得到第一限幅单元的输入IS1，第一限幅单元的输入IS1经过第一限幅单元限幅得到中间变量IS2，中间变量IS2经过第二限幅单元限幅得到储能系统的充放电电流Is；第一限幅单元的输入为Is1，输出为Is2，第一限幅单元的主要功能是根据当前时刻储能系统储能介质的储电比例D1大小进行限幅。当当前时刻储能系统储能介质的储电比例D1低于第二储电量阈值时停止放电；当储能介质的储比例D1高于第一储电量阈值时，储能系统停止充电。第一储电量阈值和第二储电量阈值用于保护储电介质不至于过充电和过放电，一般第一储电量阈值可设置为储能介质额定储电量的95%，第二储电量阈值可设置为储能介质额定储电量的25%。第二限幅单元的输入为中间变量Is2，输出为充放电电流Is，主要功能是限制充放电电流IS的幅值，使其不超出充放电电流IS的设计值。IS的设计值需要综合考虑储电介质的最大充放电电流，也需要考虑串接在储能介质与直流供电母线30之间的DC/DC变流器设定的最大充放电值，需要同时满足二者的要求。第二限幅单元既要限制充放电电流IS的取值不超过其正的设定值，也要限制IS的取值不小于负的设定值，即既要限制充放电电流IS的最大充电电流，也要限制充放电电流IS的最大放电电流。DC/DC变流器的最大充放电值的设定根据供电系统负荷的功率特性，并考虑电阻制动单元的工作能力得到。DC/DC变流器设定的最大充放电值通常小于绞车电机的最大制动功率与生活用电等其它负荷的功率之差，因为制动功率的尖峰可由电阻制动单元消耗。
具体实施方式
当有逆变器、整流器或DC/DC变流器发生故障时，则闭锁发生故障的变流器，然后返回开始步骤。如果逆变器、整流器或DC/DC变流器没有发生故障，则直接返回开始步骤。
4得到储能系统80的充放电功率Is。第一限幅单元3的输入为Is1，输出为Is2，第一限幅单元3的主要功能是根据当前时刻储能系统储能介质的储电比例D1大小进行限幅。当储能介质的储电比例D1低于第一储电量阈值时，储能系统停止放电；当储能介质的储电比例D1高于第二储电量阈值时，储能系统80停止充电。第一储电量阈值和第二储电量阈值用于保护储电介质不至于过充电和过放电，一般第一储电量阈值可设置为储能量占储满电量的95%，第二储电量阈值可设置为储能量占储满电量的25%。第二限幅单元4的输入为第一限幅单元3的输出Is2，第二限幅单元4的输出为储能系统充放电电流Is，主要功能是限制储能系统80充放电电流IS的幅值，使其不超出储能系统充放电电流IS的设计值。储能系统充放电电流IS的设计值需要综合考虑储电介质的最大充放电电流，也需要考虑DC/DC变流器82设定的最大充放电值，需要同时满足二者的要求。第二限幅单元4既要限制储能系统充放电电流IS的取值不超过其正的设定值，也要限制储能系统充放电电流IS的取值不小于负的设定值，也就是说，既要限制储能系统充放电电流IS的最大充电电流，也要限制储能系统充放电电流IS的最大放电电流。DC/DC变流器82的最大充放电值的设定根据供电系统负荷的功率特性，并考虑电阻制动单元90的工作能力得到。变流器82设定的最大充放电值通常小于绞车电机73的最大制动功率与生活用电等其它负荷75的功率之差，因为制动功率的尖峰可由电阻制动单元90消耗。
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