劉晉雷，朱奇先，李永國(guó)，代炳曉，王玉明

（1.上海海洋石油局鉆井分公司物資裝備部，上海201206；2.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020；3.渤海鉆探塔里木鉆井分公司設(shè)備科，新疆庫(kù)爾勒841000；4.渤海鉆探第五鉆井工程分公司設(shè)備科，河北河間062465）

1 引言

在石油鉆探裝備行業(yè)，電動(dòng)鉆機(jī)指以電能為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤／頂驅(qū)、泥漿泵的成套機(jī)械裝備。所用電能可以取自電網(wǎng)，也可以取自配套的自備電站。自備電站一般由3 到5 臺(tái)并網(wǎng)的柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成。這些機(jī)組可以是相同或不同的型號(hào)、相同或不同的功率規(guī)格，無(wú)論相同與否，為了保護(hù)設(shè)備，要求機(jī)組并網(wǎng)后按能力比例分?jǐn)偣β?。本文就電?dòng)鉆機(jī)并網(wǎng)機(jī)組功率的均衡（分?jǐn)偅┛刂七M(jìn)行研究。

2 自備電站

2.1 電站構(gòu)成

自備電站的電力參數(shù)目前絕大多數(shù)為3 相3線600V、50Hz 或60Hz，容量隨鉆機(jī)的大小而不同，一臺(tái)7000m 電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)電站的標(biāo)準(zhǔn)配置如圖1所示。

圖1 7000m 電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)電站標(biāo)準(zhǔn)配置

圖中GEN＃1－GEN＃4 為柴油發(fā)電機(jī)組，1500rpm、1310kW為柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和輸出功率；1714kVA、0.7PF 為發(fā)電機(jī)的額定容量和功率因數(shù)；AF、AT數(shù)值為與電網(wǎng)接通、斷開(kāi)的斷路器的框架和實(shí)際電流。

2.2 負(fù)載特性

電站的負(fù)載60%以上為電力電子變速裝置，其余為異步電機(jī)以及極少量的電阻性負(fù)載。由于變速裝置中電力電子器件的非線性和異步電機(jī)工作時(shí)需要滯后勵(lì)磁電流的特性，造成電網(wǎng)中電流滯后于電壓一個(gè)電角度φ。為了準(zhǔn)確反映電功率的實(shí)際情況，通常以有功功率P1＝U·Ⅰ·cosφ 和無(wú)功功率P2＝U·Ⅰ·sinφ 來(lái)表示φ 的影響。因此鉆機(jī)運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)中既有有功功率，也有滯后的無(wú)功功率，且其大小隨井深和鉆井工藝的不同而不同，兩種功率變化迅速、范圍很大。

3 功率控制

3.1 有功控制

電網(wǎng)的有功（也就是發(fā)電機(jī)的有功輸出）功率等于柴油機(jī)的有效輸出功率。根據(jù)柴油機(jī)的負(fù)荷特性和調(diào)速特性，由輸出功率表達(dá)式（其中pe、vh、n、i分別為每缸平均有效壓力、工作容積、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、汽缸數(shù)）可知，只要控制了速度的大小，就可以有效控制輸出功率；而要控制速度，只要控制燃油的供應(yīng)量即可，因此有功功率的控制是通過(guò)控制供油量實(shí)現(xiàn)。

3.2 無(wú)功控制

電網(wǎng)的無(wú)功也就是發(fā)電機(jī)的無(wú)功輸出。滯后于電壓的負(fù)載電流流過(guò)發(fā)電機(jī)的定子線圈時(shí)，無(wú)功部分將產(chǎn)生與勵(lì)磁磁通相反的去磁磁通，由發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)表達(dá)式Ee＝Ce·φ·ne（其中Ce、φ、ne分別為結(jié)構(gòu)常數(shù)、合成磁通量、轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速）可知，這將導(dǎo)致輸出電壓降低，在正常工況下，無(wú)功功率與輸出電壓之間有著確定的比例關(guān)系，而輸出電壓又與勵(lì)磁電壓（對(duì)應(yīng)于磁通）有著確定的比例關(guān)系，因此無(wú)功功率的控制是通過(guò)控制勵(lì)磁電壓實(shí)現(xiàn)的。

4 均衡必要性

每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組可以有不同的頻率和電壓，當(dāng)符合并網(wǎng)條件（電壓、頻率、相序、初相角）并網(wǎng)后，網(wǎng)上將只有一個(gè)頻率、一個(gè)電壓。根據(jù)上節(jié)描述，并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速高的機(jī)組將承擔(dān)較大的有功，電壓高的機(jī)組將承擔(dān)較大的無(wú)功，轉(zhuǎn)速、電壓偏差越大，有功、無(wú)功的偏差也相應(yīng)越大。當(dāng)偏差超過(guò)允許的限度后，特別是大負(fù)載劇烈變化的過(guò)程中，如果沒(méi)有功率的均衡控制，將造成重／輕載的柴油機(jī)熄火／飛車或發(fā)電機(jī)失磁／過(guò)磁而脫網(wǎng)，不但影響鉆機(jī)的正常工作，也將造成機(jī)組壽命的不平衡。因此對(duì)并網(wǎng)的機(jī)組必須要同時(shí)進(jìn)行有功和無(wú)功的動(dòng)、靜態(tài)控制使其功率均衡。

5 均衡控制

5.1 有功均衡

由于有功與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)，而轉(zhuǎn)速又與電網(wǎng)的頻率相對(duì)應(yīng)。為了滿足電力電子裝置對(duì)輸入電壓頻率變化范圍的要求，在電動(dòng)鉆機(jī)對(duì)柴油機(jī)按調(diào)速特性使用時(shí)，電控系統(tǒng)一般對(duì)其設(shè)置有控制器來(lái)保證柴油機(jī)的速度穩(wěn)定，控制結(jié)構(gòu)為有功負(fù)反饋內(nèi)環(huán)和速度負(fù)反饋外環(huán)的雙閉環(huán)PID 自動(dòng)控制，其輸出的電壓或電流信號(hào)控制供油裝置。因此有功的均衡控制有兩種思路。

圖2 有功及并網(wǎng)均衡控制框圖

第一種思路，所有并網(wǎng)機(jī)組用一個(gè)速度控制器控制以保證轉(zhuǎn)速一致，而其余機(jī)組只有有功控制器工作，但都接收已工作速度控制器的輸出以保證有功一致，即所謂的主從控制模式。早期的ROSS HILL 及其變種如IPS、M＆I 的電控系統(tǒng)都采用了這個(gè)模式，其控制框圖如圖2所示。

主從控制邏輯為：第一個(gè)上網(wǎng)機(jī)組的主從控制器將速度和有功控制器連接，以后的機(jī)組主從控制器將速度控制器輸出斷開(kāi)、有功設(shè)定接口連通；當(dāng)并網(wǎng)機(jī)組從網(wǎng)上解列時(shí)，主從控制器斷開(kāi)有功接口與本機(jī)組的連接，但仍然提供與其他機(jī)組的連接通路，解列機(jī)組的速度控制器與有功控制器恢復(fù)連接。

第二種思路，各機(jī)組按常規(guī)控制，每個(gè)機(jī)組設(shè)置均衡控制器，其作用是并網(wǎng)后將本機(jī)功率與網(wǎng)上的比較，用差值對(duì)本機(jī)速度設(shè)置進(jìn)行微調(diào)以保證速度（有功）基本一致。GE 的μ3000 電控系統(tǒng)和WOODWARD2301 系列調(diào)速器都采用了這個(gè)模式，控制框圖如圖3所示。

均衡控制器工作邏輯為：第一臺(tái)機(jī)組上網(wǎng)時(shí)不工作，也不與其他機(jī)組的連接，第二臺(tái)以后的每個(gè)機(jī)組上網(wǎng)時(shí)，控制器工作并相互連通，每從網(wǎng)上解列一個(gè)，斷開(kāi)相應(yīng)連接并停止控制器工作。

5.2 無(wú)功均衡

由于無(wú)功與發(fā)電機(jī)的輸出電壓相對(duì)應(yīng)，為了滿足電力電子裝置以及其他負(fù)載對(duì)輸入電壓變化范圍的要求，為保證電壓的穩(wěn)定，電控系統(tǒng)一般對(duì)其設(shè)置有控制器，控制結(jié)構(gòu)為無(wú)功負(fù)反饋內(nèi)環(huán)和電壓負(fù)反饋外環(huán)的雙閉環(huán)PID 自動(dòng)控制，其輸出的電壓或電流信號(hào)控制勵(lì)磁裝置。因此無(wú)功的均衡控制也有兩種思路。第一，所有并網(wǎng)機(jī)組用一個(gè)電壓控制器控制以保證電壓一致，而其余機(jī)組只有無(wú)功控制器工作，但都接收已工作電壓控制器的輸出以保證無(wú)功一致，即所謂的主從控制模式。第二，各機(jī)組按常規(guī)控制，每個(gè)機(jī)組設(shè)置均衡控制器，其作用是并網(wǎng)后將本機(jī)無(wú)功與網(wǎng)上的比較，用差值對(duì)本機(jī)電壓設(shè)置進(jìn)行微調(diào)以保證電壓（無(wú)功）基本一致?？刂扑悸泛突窘Y(jié)構(gòu)與有功控制完全一致，只是由于從勵(lì)磁電壓到無(wú)功之間存在鐵磁材料的非線性和磁通回路的飽和影響，控制思路大多數(shù)采用第二種，具體框圖和工作邏輯與有功一致不再贅述。

6 特殊應(yīng)用

圖3 有功及并網(wǎng)均衡控制框圖

上述內(nèi)容為電站內(nèi)各機(jī)組為同一型號(hào)規(guī)格時(shí)并網(wǎng)的情況，但在實(shí)際鉆井工作中，也經(jīng)常遇到型號(hào)規(guī)格不同、功率等級(jí)不同、甚至電壓也不相同（但所有機(jī)組的頻率相同）的機(jī)組要求并網(wǎng)的情況。為了保護(hù)裝備、均衡裝備壽命，也需要功率的均衡控制。不同電壓為了并網(wǎng)需要變壓器匹配。對(duì)于這些情況下的均衡控制，一般采用第二種思路，即設(shè)置均衡控制器。需要特別注意的是，根據(jù)各機(jī)組對(duì)速度、電壓設(shè)置信號(hào)（電流型、電壓型、大小范圍等）的要求，在均衡控制器的輸出信號(hào)與設(shè)定信號(hào)連接點(diǎn)之間，要配置信號(hào)匹配控制器。

7 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)鉆機(jī)電網(wǎng)負(fù)載的特性，對(duì)由自備電站供電的鉆機(jī)，指出了控制有功、無(wú)功的途徑和功率均衡的思路，給出了不同規(guī)格、型號(hào)、電壓的機(jī)組之間并網(wǎng)時(shí)需要注意的事項(xiàng)，對(duì)鉆機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及舊鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的工程改造具有一定的參考意義。

［1］濟(jì)南柴油機(jī)廠編.柴油機(jī)結(jié)構(gòu)與使用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990.

［2］塔里木石油勘探開(kāi)發(fā)指揮部裝備處編.電動(dòng)鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994.

［3］廖佩金主編.內(nèi)燃機(jī)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［4］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所編.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.