CN108683385A - 一种多相电动压裂泵电控装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种多相电动压裂泵电控装置，移相变压器实现直流输出电流均流；多电平逆变器的主电路与多相变频电动机连接，控制电路与矢量控制PWM计算器和磁链/速度观测器连接，实现对多相变频电动机的均衡控制和不对称控制；矢量控制PWM计算器，与转子位置检测和电流控制器连接，将电流控制器计算产生的控制电压参数和磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数进行计算处理；磁链/速度观测器，计算转子磁链角度；速度控制器，计算后产生转矩电流输出，并作为电流控制器的电流给定；电流控制器作为矢量控制PWM计算器的电压给定。本发明能够确保***不停机继续正常可靠运行，同时提高作业运行效率，从真正意义上实现节能。

Description

一种多相电动压裂泵电控装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及油气田油气增产作业领域，特别涉及到适用于压裂作业的一种多相电动压裂泵电控装置及控制方法。
背景技术：
我国页岩气已经实现规模化开发，合理的压裂作业模式是实现高效率、低成本开发的关键。已经实施的区块压裂施工特征体现在工作压力高、压裂施工规模大的特点，且发展趋势在逐步的扩大。我国自主研发的2500-3000型成套压裂装备在“井工厂”大型压裂施工中发挥出重要的功效。面对深层页岩气大型压裂工程，机组功率储备率下降、燃料和易损件消耗高、超高压力施工风险大、噪音和环境污染等问题更显突出。另一方面，我国压裂装备动力等核心部件长期依赖国外进口，严重制约国内基础产业和创新产品的发展。近几年，随着国内外各油田的电网发展，加上电网无噪音、无油污、节能环保等特点，国内已有厂家开发出了电动压裂泵，主要采用传统变频驱动方式，虽然具有一定的节能效果，但从现场应用情况来看，可靠性不高、效率较低，如果施工作业过程中有一台压裂泵出现故障，就要新投入另一台压裂泵参与运行确保压裂液排量满足施工要求,这大大降低了***的可靠性和工作效率。
为了提高压裂泵作业的可靠性、使设备高效运行，现有的多相驱动电动压裂泵电控装置主要是在***出现缺相或者某相出现故障时，能够确保***不停机继续正常可靠运行；现有的多相永磁同步变频电动机主要是在压裂泵作业时提高作业运行效率，从真正意义上实现节能。
发明内容：
本发明的目的在于：提供一种多相电动压裂泵电控装置及控制方法，通过多相电动压裂泵电控装置实现在***出现缺相或者某相出现故障时，能够确保***不停机继续正常可靠运行，同时提高作业运行效率，从真正意义上实现节能。
本发明是通过如下技术方案来实现上述目的：
一种多相电动压裂泵电控装置, 其特征在于，所述装置包括：移相变压器、二极管整流器、多电平逆变器、矢量控制PWM计算器、磁链/速度观测器、速度控制器、电流控制器、多相变频电动机，其中：
移相变压器为四个二次绕组与四个二极管整流器连接，四个二次绕组通过星型、三角形及延边三角形接法形成移相角，使得四个整流桥产生的5, 7, 11, 13, 17 及 19次6个主要谐波相互抵消，二极管整流器为每两个二极管整流器串联后各与一台多电平逆变器连接，实现直流输出电流均流；
多电平逆变器的主电路与多相变频电动机连接，控制电路与矢量控制PWM计算器和磁链/速度观测器连接，通过矢量控制PWM计算器将电流控制器计算产生的控制电压参数、磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数进行计算处理后控制多电平逆变器的输出电压，实现对多相变频电动机的均衡控制和不对称控制；
矢量控制PWM计算器，与转子位置检测和电流控制器连接，将电流控制器计算产生的控制电压参数和磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数进行计算处理；
磁链/速度观测器，与多电平逆变器连接，通过采集多电平逆变器输出的电流、电压值，计算出励磁反馈电流、转矩反馈电流以及电机的空间矢量位置，即转子磁链角度；
速度控制器，与速度给定、速度反馈连接，通过转速给定输入和电机测量得到的反馈转速进行比较，由速度控制器计算后产生转矩电流输出，并作为电流控制器的电流给定；
电流控制器，与速度控制器和磁链/速度观测器连接，通过磁链/速度观测器计算出的反馈电流与速度控制器计算出的给定电流比较，出现的偏差值通过电流控制器处理后产生控制电压，作为矢量控制PWM计算器的电压给定。
房体，将两台压裂泵所需的移相变压器、二极管整流器、多电平逆变器集成在一个房子内，实现对这些设备的保护，确保这些设备不会受到外界破坏、也不会受到风雨冰雪的影响。
两台多电平逆变器与一台多相变频电动机连接，一方面通过对两套逆变器的均衡控制实现多相变频电动机的两套绕组同步运行，另一方面在出现缺相时通过不对称运行控制实现多相变频电动机的缺相运行。速度控制器与速度给定、速度反馈、电流控制器连接，通过转速给定输入和电机测量得到的反馈转速进行比较，由速度控制器计算后产生电流给定作为电流控制器的电流给定。磁链/速度观测器分别与转子位置检测、多电平逆变器、电流控制器连接，两个磁链/速度观测器分别检测到电动机转子速度和各自的多电平逆变器的输出电压电流值后计算出转子磁链角度和励磁转矩电流，其中励磁转矩电流作为反馈电流反馈给电流控制器与给定电流进行比较处理。矢量控制PWM计算器分别与多电平逆变器、转子位置检测、电流控制器连接，将电流控制器计算产生的控制电压参数、磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数反馈给矢量控制PWM计算器进行计算处理后控制多电平逆变器的输出电压，实现对多相变频电动机的均衡控制和不对称控制。
本发明的积极效果为：
1. 电动压裂泵采用了永磁同步多相电动机，转子中不需要励磁电流，电机的功率因数高，减少定子电流和定子铜耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以使总损耗降低，而减小风扇容量甚至去掉风扇，从而减小甚至省去了相应的风摩损耗。和异步电动机比较，节能效果更好。额定负载时，变频永磁同步电动机比变频异步电机效率高2%～5%。
2. 电动压裂泵电动机定子绕组采用了不对称绕组多三相结构，由于电机相数增加，输出转矩脉动减小、脉动频率增加，所以驱动***低速特性得到很大的改善，振动和噪音大大减小。
3. ***整体可靠性提高。由于相数冗余，当多相电机驱动***中的电机或者多相逆变器的一相甚至几相发生故障时，可以将其断开，***仍可降载运行而不必停车，可靠性得到了提高。
4. 电动压裂泵采用了24脉移相整流方法，由于变压器的四个二次绕组中任相邻两个绕组的线电压之间都有一定角度的相移，使得四个整流桥产生的5, 7, 11, 13, 17及 19次等6个主要谐波相互抵消，这样可使得变压器一次侧线电流近似正弦波，大大降低了对电网谐波的干扰。
附图说明：
图1是本发明框图；
图2是本发明实施例变流器一个桥臂故障时调整后的六相变频电机矢量控制方法示意图。
具体实施方式：
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域其他技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1所示，为本发明实施例一种多相电动压裂泵电控装置及控制方法示意图，所述多相电动压裂泵电控装置及控制方法包括：移相变压器、二极管整流器、多电平逆变器、矢量控制PWM计算器、磁链/速度观测器、速度控制器、电流控制器、多相变频电动机、房体，其中：
移相变压器，四个二次绕组与四个二极管整流器连接，变压器的四个二次绕组通过星型、三角形及延边三角形接法形成移相角，使得四个整流桥产生的5, 7, 11, 13, 17 及19次等6个主要谐波相互抵消，这样可使得变压器一次侧线电流近似正弦波，大大降低了对电网谐波的干扰。
二极管整流器，每两个二极管整流器串联后各与一台多电平逆变器连接，有效的实现直流输出电流均流。
多电平逆变器控制电路与2相/5相脉冲分配器连接，经由2相/5相脉冲分配器将相应故障桥臂脉冲信号封锁，并保持其它桥臂信号畅通，同时使得多电平逆变器畅通桥臂输出电压电流仍然是正弦波，保证多相电动机电流幅值和相位达到新的平衡，实现多相变频电动机的不对称运行和降功率运行。
矢量控制PWM计算器，与转子位置检测、电流控制器和多电平逆变器连接，将电流控制器计算产生的Uq和Ud控制电压参数和磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数进行计算处理后控制多电平逆变器的输出电压，实现对多相变频电动机的均衡控制。
磁链/速度观测器，与多电平逆变器连接，通过采集多电平逆变器输出的电流、电压值，计算出励磁反馈电流、转矩反馈电流以及电机的空间矢量位置（即转子磁链角度）。
速度控制器，与速度给定、速度反馈连接，通过转速给定输入和电机测量得到的反馈转速进行比较，由速度控制器计算后产生转矩电流输出，并作为电流控制器的电流给定。
电流控制器，与速度控制器和磁链/速度观测器连接，电流控制器包括励磁电流控制器和转矩电流控制器，转矩电流控制器是将磁链/速度观测器计算出的转矩反馈电流与速度控制器计算出的给定转矩电流比较，出现的偏差值通过转矩电流控制器处理后产生Uq控制电压；励磁电流控制器在额定转速以下时励磁电流给定为0，在额定电压以上时励磁电流给定为负值，通过磁链/速度观测器计算出的励磁反馈电流与给定的励磁电流比较，出现的偏差值通过励磁电流控制器处理后产生Ud控制电压。Uq和Ud控制电压作为矢量控制PWM计算器的电压给定。
房体，通过合理布局将两台压裂泵所需的移相变压器、二极管整流器、多电平逆变器等部件集成在一个房子内，实现对这些设备的保护，确保这些设备不会受到外界破坏、也不会受到风雨冰雪的影响。
上述多相电动压裂泵电控装置的运行模式及控制方法如下：
当***没有出现缺相故障时，主电路由移相变压器将电网电压降压到***所需的电压后，变压器四个副边以一定的移相角度分别将电源输送给四个二极管整流器，形成24脉移相整流，通过24脉移相整流可消除5, 7, 11, 13, 17 及 19等6个主要的谐波。每两个二极管整流器串联后分别将整流后的直流电输送给多电平逆变器，有效的实现直流输出电流均流，继而通过两台多电平逆变器驱动多相变频电动机的两套绕组同步运行。控制电路通过转速给定输入和电机测量得到的反馈转速进行比较，由速度控制器计算后产生电流给定作为电流控制器的电流给定。磁链/速度观测器检测到多电平逆变器的输出电压电流值后计算出励磁转矩电流，励磁转矩电流作为反馈电流反馈给电流控制器与给定电流进行比较处理，将电流控制器计算产生的控制电压参数、磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数反馈给矢量控制PWM计算器进行计算处理后控制多电平逆变器的输出电压，实现对多相变频电动机的均衡控制。
参见图2，当***出现其中某一相缺相故障时，***将判断其余桥臂正常运行可行性，确定其余桥臂可以正常工作时，自动由其中一套磁链/速度观测器接管两台多电平逆变器的电流电压检测，并将磁链/速度观测器检测到多电平逆变器的输出电压电流值后计算出励磁转矩电流，励磁转矩电流作为反馈电流反馈给电流控制器与给定电流进行比较处理，将电流控制器计算产生的控制电压参数、磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数反馈给矢量控制PWM计算器进行计算处理后，经由2相/5相脉冲分配器将相应故障桥臂脉冲信号封锁，并保持其它桥臂信号畅通，同时使得多电平逆变器畅通桥臂输出电压电流仍然是正弦波，保证多相电动机电流幅值和相位达到新的平衡，实现多相变频电动机的不对称运行和降1/6功率运行。

Claims (3)

1.一种多相电动压裂泵电控装置, 其特征在于：所述装置包括：移相变压器、二极管整流器、多电平逆变器、矢量控制PWM计算器、磁链/速度观测器、速度控制器、电流控制器、多相变频电动机，其中：
移相变压器为四个二次绕组与四个二极管整流器连接，四个二次绕组通过星型、三角形及延边三角形接法形成移相角，使得四个整流桥产生的5, 7, 11, 13, 17 及 19次6个主要谐波相互抵消，二极管整流器为每两个二极管整流器串联后各与一台多电平逆变器连接，实现直流输出电流均流；
多电平逆变器的主电路与多相变频电动机连接，控制电路与矢量控制PWM计算器和磁链/速度观测器连接，通过矢量控制PWM计算器将电流控制器计算产生的控制电压参数、磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数进行计算处理后控制多电平逆变器的输出电压，实现对多相变频电动机的均衡控制和不对称控制；
矢量控制PWM计算器，与转子位置检测和电流控制器连接，将电流控制器计算产生的控制电压参数和磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数进行计算处理；
磁链/速度观测器，与多电平逆变器连接，通过采集多电平逆变器输出的电流、电压值，计算出励磁反馈电流、转矩反馈电流以及电机的空间矢量位置，即转子磁链角度；
速度控制器，与速度给定、速度反馈连接，通过转速给定输入和电机测量得到的反馈转速进行比较，由速度控制器计算后产生转矩电流输出，并作为电流控制器的电流给定；
电流控制器，与速度控制器和磁链/速度观测器连接，通过磁链/速度观测器计算出的反馈电流与速度控制器计算出的给定电流比较，出现的偏差值通过电流控制器处理后产生控制电压，作为矢量控制PWM计算器的电压给定。
2.根据权利要求1所述的一种多相电动压裂泵电控装置, 其特征在于：还包括房体，将两台压裂泵所需的移相变压器、二极管整流器、多电平逆变器集成在一个房子内，实现对设备的保护。
3.如权利要求1-2所述的多相电动压裂泵电控装置的控制方法，其特征在于：将两台多电平逆变器与一台多相变频电动机连接，一方面通过对两套逆变器的均衡控制实现多相变频电动机的两套绕组同步运行，另一方面在出现缺相时通过不对称运行控制实现多相变频电动机的缺相运行，速度控制器与速度给定、速度反馈、电流控制器连接，通过转速给定输入和电机测量得到的反馈转速进行比较，由速度控制器计算后产生电流给定作为电流控制器的电流给定，磁链/速度观测器分别与转子位置检测、多电平逆变器、电流控制器连接，两个磁链/速度观测器分别检测到电动机转子速度和各自的多电平逆变器的输出电压电流值后计算出转子磁链角度和励磁转矩电流，其中励磁转矩电流作为反馈电流反馈给电流控制器与给定电流进行比较处理，矢量控制PWM计算器分别与多电平逆变器、转子位置检测、电流控制器连接，将电流控制器计算产生的控制电压参数、磁链/速度观测器检测计算出的转子磁链角度参数反馈给矢量控制PWM计算器进行计算处理后控制多电平逆变器的输出电压，实现对多相变频电动机的均衡控制和不对称控制。
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