基于Z源网络的电动钻机井场供配电系统设计研究

＊刘海龙 张奇志 闫梓涵

（1.西安石油大学电子工程学院 陕西 710065 2.陕西省油气井测控技术重点实验室 陕西 710065）

电动钻机平台的主要电力负载为各种类型的电动机，其功率分布在几千瓦到几千千瓦之间。目前这些电动机中，大功率电机如泥浆泵等已全部实现了变频驱动，而中等及以下功率电机如风机等负载，采用的都是电网直接驱动、定频恒速运行。现有科研成果可以证明，变频驱动可以节约能源20%以上[1]。为此，美国NOV公司于2020年推出的顶部驱动钻机，已经采用永磁同步电机进行调速运行[2]。然而现有钻机平台中MCC各负载仍然采用常规的定速运行，其原因主要有二：第一，目前的电动钻机智能化程度不高，各负载运行方式采用的仍是粗放式联动，未能实现多电机协调控制；第二，目前的变频器仍不理想，其效率和可靠性有待进一步提高[3]。深入研究安全可靠且高效的井场供配电技术能够为电动钻机智能化与智慧化发展提供重要的理论基础和技术支撑。

近年来学者们提出的基于Z源网络的逆变技术为井场供配电网络的优化设计提供了一种新的思路[4]。Z源逆变器具有独特的升压-降压能力，可以通过调整直通占空比来控制直流母线电压，并且其独特的上下桥臂直通特性，能提高系统的可靠性，因此在分布式发电、风力发电、燃料电池供电以及电机驱动等领域都有着广泛的应用前景[5]。理论上，将Z源网络引入电动钻机井场配电网络，设计相应的变频控制模块，既可以充分发挥Z源逆变器的优势，又可以提高系统的效率，降低系统能耗，增强系统的可靠性和安全性，对于电动钻机智能化和智慧化发展具有重要的现实意义。

1.传统的电动钻机井场供配电系统

传统的电动钻机典型井场配电系统通常采用双电源供电方式：主变压器和辅助发电机。系统示意图如图1所示。

图1 传统的电动钻机典型井场配电系统图

根据电动钻机型号不同，设备和数量略有不同。以某ZJ90DB钻机系统MCC中的电机负载为例，系统中大型负载有加重泵、灌注泵、供液泵、剪切泵等，均为75kW；中型负载有重晶石回收泵（37kW）、绞车风机电机（15kW）、补给泵与润滑油泵（11kW）等；小型负载有各类型的液压泵、风机等共27台，其功率在1kW～7.5kW之间，均采用交流母线电源直供，恒频定速运行。

2.基于Z源网络的电动钻机井场供配电系统设计

综上所述，根据负载的大小，可以分别设计相应的Z源逆变器。本文以某一类型选取单个电机的方式进行供电电路的设计，可以提高系统的标准化和模块化，类似电机采用相同系统驱动。

(1)大型负载采用级联型Z源逆变器

级联型Z源逆变器有电容级联型和二极管级联型等网络，本文采用二极管级联型Z源逆变器设计大型负载供配电系统，系统如图2所示。

图2 基于级联型Z源逆变器的中大型负载供电系统图

级联型Z源逆变器的升压因子为B=1/（1-4D），在相同的直通占空比（D）调节下可以获得更高的升压倍数。反之，当需要同样的升压倍数时，级联型Z源逆变器可以使用更小的直通占空比，从而可以获得更高的调制度，这不仅可以降低开关器件的电压应力，还可以有效地提高电压利用率，有利于改善输出电能的质量[5]。

基于级联型Z源逆变器的电动钻机平台中大型设备驱动系统可以采用输出电压全线性化调制的SVPWM控制算法，通过调整直通占空比实时调节直流母线电压，从而动态调节基本电压矢量，增大输出的合成电压矢量，使得参考电压矢量始终被包围在基本电压矢量组成的正六边形的内切圆之内，消除了传统的过调制区。该策略能跟随系统负载变化，使得输出电压始终保持为正弦波，避免了常规过调制算法的输出饱和及输出电压严重畸变问题，可以简化系统控制算法。必要时采用级联Z源逆变器三次谐波注入最大升压控制法，还可以进一步增强系统输出能力，这对电动钻机在钻进过程中负载突变时保持系统平稳运行、提高应变能力具有重要的意义[6]。

(2)中小型负载采用准Z源逆变器

电动钻机平台的MCC系统中，液压泵、喷淋泵、风机等中小型设备常常不间断工作，其对电流的连续性、电网的电能质量要求较高。

准Z源逆变器有带抽头电感型准Z-源、Quasi-Z型等网络[7]，本文采用Quasi-Z型Z源逆变器设计中小型负载供配电系统，系统示意图如图3所示。

图3 基于Quasi-Z型Z源逆变器小型负载供电系统图

Quasi-Z源逆变电路不仅保留了Z-源逆变电路的所有优点，并且在相同网络参数的前提下，当采用抑制Z-源逆变器母线电压跌落的SVPWM方法进行Quasi-Z源逆变器控制时，可以避免二极管电流断续导致的直流母线电压跌落现象的发生，进而保证Quasi-Z源逆变电路的输入电流是连续的，而且能够降低对无源器件的电压应力，满足中小型设备的系统设计要求[8]。

3.总结

本文在深入研究前期研究成果的基础上，设计了基于Z源网络的电动钻机井场配电系统，并进行了理论和控制算法分析，为工程化实践做了一些积极探索。理论上，采用基于Z源网络的变频技术后，MCC系统能耗可以降低10%～20%，相应负载的电压利用率可以提高8%，具有明显的节能降耗效果[9]。但是由于目前Z源逆变器的机理尚未完全研究透彻，理论体系也未完全建立，单一的Z源网络应用范围有限，通用型的Z源网络还需要进一步研究设计，针对大功率负载的应用研究也还不成熟，Z源逆变器在电流抗扰动、电压抗跌落、特定谐波消除等方面的优势还待进一步探索。