电动钻机并网机组功率均衡控制研究

刘晋雷，朱奇先，李永国，代炳晓，王玉明

（1.上海海洋石油局钻井分公司物资装备部，上海201206；2.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020；3.渤海钻探塔里木钻井分公司设备科，新疆库尔勒841000；4.渤海钻探第五钻井工程分公司设备科，河北河间062465）

1 引言

在石油钻探装备行业，电动钻机指以电能为动力驱动绞车、转盘／顶驱、泥浆泵的成套机械装备。所用电能可以取自电网，也可以取自配套的自备电站。自备电站一般由3 到5 台并网的柴油发电机组构成。这些机组可以是相同或不同的型号、相同或不同的功率规格，无论相同与否，为了保护设备，要求机组并网后按能力比例分摊功率。本文就电动钻机并网机组功率的均衡（分摊）控制进行研究。

2 自备电站

2.1 电站构成

自备电站的电力参数目前绝大多数为3 相3线600V、50Hz 或60Hz，容量随钻机的大小而不同，一台7000m 电驱动钻机电站的标准配置如图1所示。

图1 7000m 电驱动钻机电站标准配置

图中GEN＃1－GEN＃4 为柴油发电机组，1500rpm、1310kW为柴油机的额定转速和输出功率；1714kVA、0.7PF 为发电机的额定容量和功率因数；AF、AT数值为与电网接通、断开的断路器的框架和实际电流。

2.2 负载特性

电站的负载60%以上为电力电子变速装置，其余为异步电机以及极少量的电阻性负载。由于变速装置中电力电子器件的非线性和异步电机工作时需要滞后励磁电流的特性，造成电网中电流滞后于电压一个电角度φ。为了准确反映电功率的实际情况，通常以有功功率P1＝U·Ⅰ·cosφ 和无功功率P2＝U·Ⅰ·sinφ 来表示φ 的影响。因此钻机运行时电网中既有有功功率，也有滞后的无功功率，且其大小随井深和钻井工艺的不同而不同，两种功率变化迅速、范围很大。

3 功率控制

3.1 有功控制

电网的有功（也就是发电机的有功输出）功率等于柴油机的有效输出功率。根据柴油机的负荷特性和调速特性，由输出功率表达式（其中pe、vh、n、i分别为每缸平均有效压力、工作容积、柴油机转速、汽缸数）可知，只要控制了速度的大小，就可以有效控制输出功率；而要控制速度，只要控制燃油的供应量即可，因此有功功率的控制是通过控制供油量实现。

3.2 无功控制

电网的无功也就是发电机的无功输出。滞后于电压的负载电流流过发电机的定子线圈时，无功部分将产生与励磁磁通相反的去磁磁通，由发电机感应电势表达式Ee＝Ce·φ·ne（其中Ce、φ、ne分别为结构常数、合成磁通量、转子额定转速）可知，这将导致输出电压降低，在正常工况下，无功功率与输出电压之间有着确定的比例关系，而输出电压又与励磁电压（对应于磁通）有着确定的比例关系，因此无功功率的控制是通过控制励磁电压实现的。

4 均衡必要性

每台柴油发电机组可以有不同的频率和电压，当符合并网条件（电压、频率、相序、初相角）并网后，网上将只有一个频率、一个电压。根据上节描述，并网前转速高的机组将承担较大的有功，电压高的机组将承担较大的无功，转速、电压偏差越大，有功、无功的偏差也相应越大。当偏差超过允许的限度后，特别是大负载剧烈变化的过程中，如果没有功率的均衡控制，将造成重／轻载的柴油机熄火／飞车或发电机失磁／过磁而脱网，不但影响钻机的正常工作，也将造成机组寿命的不平衡。因此对并网的机组必须要同时进行有功和无功的动、静态控制使其功率均衡。

5 均衡控制

5.1 有功均衡

由于有功与柴油机的转速相对应，而转速又与电网的频率相对应。为了满足电力电子装置对输入电压频率变化范围的要求，在电动钻机对柴油机按调速特性使用时，电控系统一般对其设置有控制器来保证柴油机的速度稳定，控制结构为有功负反馈内环和速度负反馈外环的双闭环PID 自动控制，其输出的电压或电流信号控制供油装置。因此有功的均衡控制有两种思路。

图2 有功及并网均衡控制框图

第一种思路，所有并网机组用一个速度控制器控制以保证转速一致，而其余机组只有有功控制器工作，但都接收已工作速度控制器的输出以保证有功一致，即所谓的主从控制模式。早期的ROSS HILL 及其变种如IPS、M＆I 的电控系统都采用了这个模式，其控制框图如图2所示。

主从控制逻辑为：第一个上网机组的主从控制器将速度和有功控制器连接，以后的机组主从控制器将速度控制器输出断开、有功设定接口连通；当并网机组从网上解列时，主从控制器断开有功接口与本机组的连接，但仍然提供与其他机组的连接通路，解列机组的速度控制器与有功控制器恢复连接。

第二种思路，各机组按常规控制，每个机组设置均衡控制器，其作用是并网后将本机功率与网上的比较，用差值对本机速度设置进行微调以保证速度（有功）基本一致。GE 的μ3000 电控系统和WOODWARD2301 系列调速器都采用了这个模式，控制框图如图3所示。

均衡控制器工作逻辑为：第一台机组上网时不工作，也不与其他机组的连接，第二台以后的每个机组上网时，控制器工作并相互连通，每从网上解列一个，断开相应连接并停止控制器工作。

5.2 无功均衡

由于无功与发电机的输出电压相对应，为了满足电力电子装置以及其他负载对输入电压变化范围的要求，为保证电压的稳定，电控系统一般对其设置有控制器，控制结构为无功负反馈内环和电压负反馈外环的双闭环PID 自动控制，其输出的电压或电流信号控制励磁装置。因此无功的均衡控制也有两种思路。第一，所有并网机组用一个电压控制器控制以保证电压一致，而其余机组只有无功控制器工作，但都接收已工作电压控制器的输出以保证无功一致，即所谓的主从控制模式。第二，各机组按常规控制，每个机组设置均衡控制器，其作用是并网后将本机无功与网上的比较，用差值对本机电压设置进行微调以保证电压（无功）基本一致。控制思路和基本结构与有功控制完全一致，只是由于从励磁电压到无功之间存在铁磁材料的非线性和磁通回路的饱和影响，控制思路大多数采用第二种，具体框图和工作逻辑与有功一致不再赘述。

6 特殊应用

图3 有功及并网均衡控制框图

上述内容为电站内各机组为同一型号规格时并网的情况，但在实际钻井工作中，也经常遇到型号规格不同、功率等级不同、甚至电压也不相同（但所有机组的频率相同）的机组要求并网的情况。为了保护装备、均衡装备寿命，也需要功率的均衡控制。不同电压为了并网需要变压器匹配。对于这些情况下的均衡控制，一般采用第二种思路，即设置均衡控制器。需要特别注意的是，根据各机组对速度、电压设置信号（电流型、电压型、大小范围等）的要求，在均衡控制器的输出信号与设定信号连接点之间，要配置信号匹配控制器。

7 结束语

根据钻机电网负载的特性，对由自备电站供电的钻机，指出了控制有功、无功的途径和功率均衡的思路，给出了不同规格、型号、电压的机组之间并网时需要注意的事项，对钻机电控系统的设计及旧钻机动力系统的工程改造具有一定的参考意义。

［1］济南柴油机厂编.柴油机结构与使用［M］.北京：石油工业出版社，1990.

［2］塔里木石油勘探开发指挥部装备处编.电动钻机电气控制系统［M］.西安：西北工业大学出版社，1994.

［3］廖佩金主编.内燃机［M］.北京：石油工业出版社，1999.

［4］天津电气传动设计研究所编.电气传动自动化技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2005.