一種應用于修井機上的儲能裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型是有關一種應用于修井機上的儲能裝置，包括儲能設備、儲能監控設備以及雙向DC/DC變流器，儲能設備分別連接儲能監控設備和雙向DC/DC變流器，儲能監控設備連接雙向DC/DC變流器，雙向DC/DC變流器分別連接變頻器直流母線側和儲能設備，變頻器直流母線側分別連接電機、儲能監控設備和雙向DC/DC變流器，儲能設備包括超級電容器組，儲能監控設備包括DSP電路、高壓側電流電壓采集單元、低壓側電流電壓采集單元、A/D轉換電路、CMS電容信息處理單元、IGBT驅動電路、顯示屏以及報警電路。本實用新型可實時判斷當前工況負荷及供電能力，充分利用作業過程中減速、下放階段向儲能設備充電，提高作業效率。
【專利說明】—種應用于修井機上的儲能裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及修井機上的儲能裝置，特別是涉及一種應用于由柴油發電機組或者電網提供動力的修井機(如車載修井機)的儲能裝置。
【背景技術】
[0002]修井機是保證油井、氣井或者水井等多種類型的井正常運轉的不可或缺的維護施工設備。目前的修井機普遍利用柴油發電機組或者電網(市電電網)為其提供動力。
[0003]本發明人在實踐中發現:1、利用柴油發電機組時，柴油發電機組工作效率低，存在能源浪費，使修井機的作業成本增加；2、利用市電電網時，由于修井機的作業場所通常比較偏遠(如靠近農村)，電能需求量較大，對供電質量和可靠性的要求也較高，而偏遠地方的電網容量有限，因此，可能會給修井機的作業造成一定的麻煩。
[0004]有鑒于現有的為修井機提供動力的方式存在的問題，本發明人基于從事此類產品設計制造多年豐富的實務經驗以及專業知識，并配合學理的運用，積極加以研究創新，以期創設一種新型結構的應用于修井機上的儲能裝置，能夠避免現有的為修井機提供動力的方式存在的問題，使其更具有實用性。經過不斷的研究設計，并經過反復試作樣品及改進，終于創設出確具實用價值的本實用新型。
【發明內容】
[0005]本實用新型的主要目的在于，克服現有的為修井機提供動力的方式存在的問題，而提供一種新型結構的應用于修井機上的儲能裝置，所要解決的技術問題是實時判斷當前工況負荷及供電能力，充分利用作業過程減速、下放階段向儲能設備充電，有效解決電網供需不平衡的問題，提高修井效率和電網穩定性。
[0006]本實用新型的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。
[0007]依據本實用新型提出的一種應用于修井機上的儲能裝置，包括:儲能設備、儲能監控設備以及雙向DC/DC變流器，儲能設備分別連接儲能監控設備和雙向DC/DC變流器，儲能監控設備連接雙向DC/DC變流器，雙向DC/DC變流器分別連接變頻器直流母線側和儲能設備，變頻器直流母線側分別連接電機、儲能監控設備和雙向DC/DC變流器；所述儲能設備包括:超級電容器組；所述儲能監控設備包括:DSP電路、高壓側電流電壓采集單元、低壓側電流電壓采集單元、A/D轉換電路、CMS電容信息處理單元、IGBT驅動電路、顯示屏以及報警電路，高壓側電流電壓采集單元一端通過A/D轉換電路與DSP電路連接，另一端連接變頻器直流母線側，低壓側電流電壓采集單元一端通過A/D轉換電路與DSP電路連接，另一端連接儲能設備的超級電容器組，CMS電容信息處理單元一端通過Modbus總線連接DSP電路，另一端連接儲能設備的超級電容器組，IGBT驅動電路通過光纖連接DSP電路，顯示屏和報警電路分別通過Modbus總線連接DSP電路。
[0008]本實用新型的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
[0009]較佳的，前述的應用于修井機上的儲能裝置，其中所述儲能設備的超級電容器組內置超級電容過壓保護電路以及超級電容過溫保護電路，該過壓保護電路和該過溫保護電路分別與儲能監控設備的CMS電容信息處理單元連接，該過壓保護電路是被動均壓電路。
[0010]較佳的，前述的應用于修井機上的儲能裝置，其中所述儲能設備中超級電容器組的每個電容組內均設有多個串聯的電容，電容組之間是串聯或者并聯。
[0011]較佳的，前述的應用于修井機上的儲能裝置，其中所述儲能監控設備有啟動/關閉儲能裝置的投入/切除開關和運行/故障指示燈。
[0012]較佳的，前述的應用于修井機上的儲能裝置，其中所述儲能監控設備還包括有硬件保護電路。
[0013]較佳的，前述的應用于修井機上的儲能裝置，其中所述雙向DC/DC變流器包括兩種工作模式:Buck模式和Boost模式。
[0014]較佳的，前述的應用于修井機上的儲能裝置，其中所述雙向DC/DC變流器內置功率單元組件、功率單元驅動組件、過溫保護電路、短路保護電路以及防雷擊保護電路。
[0015]較佳的，前述的應用于修井機上的儲能裝置，其中所述修井機包括:車載式修井機。
[0016]借由上述技術方案，本實用新型應用于修井機上的儲能裝置至少具有下列優點以及有益效果:
[0017]1、本實用新型充分利用了修井機作業過程中的勢能，在減速和下放階段，向儲能設備充電，如在電機減速階段，電機處于發電狀態，儲能設備立即啟動充電，有效存儲轉換成的電能，對于柴油發電機供電而言，可以節約燃油，降低能耗，例如，可以節約60%左右的能源；
[0018]2、本實用新型充分利用了作業過程向儲能設備充電，在上提階段釋放儲能設備的電能，為修井機供電，有效解決了電網供需不平衡的問題，提高了修井效率和電網穩定性；
[0019]3、本實用新型的超級電容器組具有體積小、安裝簡單、效率高以及充放電速度快等特點，為大容量的儲能提供了可靠的條件；
[0020]4、本實用新型采用了智能控制系統，儲能監控設備可以對相應的信號進行處理、運算以及連續自動輸出；在儲能裝置出現故障后，可以實現自動報警(如采用指示燈、電鈴以及蜂鳴器等進行報警)，并可以同步記錄故障信息，從而使儲能裝置具有可靠性、穩定性以及安全性等特點。
[0021]綜上所述，本實用新型在技術上有顯著的進步，并具有明顯的積極技術效果，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
[0022]上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本實用新型的上述和其他目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本實用新型應用于修井機上的儲能裝置的結構示意圖。
[0024]圖2是本實用新型儲能監控設備釋放電能的流程圖。
[0025]圖3是本實用新型應用于修井機上的儲能裝置的操作流程圖。
[0026]【主要元件符號說明】
[0027]1:儲能設備11:超級電容器組
[0028]2:儲能監控設備21:DSP電路
[0029]22:高壓側電流電壓采集單元23: A/D轉換電路
[0030]24:低壓側電流電壓采集單元25: A/D轉換電路[0031 ]26: CMS電容信息處理單元27:1GBT驅動電路
[0032]28:顯示屏29:報警電路
[0033]3:雙向DC/DC變流器4:變頻器
[0034]5:電機
【具體實施方式】
[0035]為更進一步闡述本實用新型為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本實用新型提出的應用于修井機上的儲能裝置的【具體實施方式】、結構、特征及其功效，詳細說明如后。
[0036]本實用新型的核心設計思想是，在修井機作業過程中，游車減速、下放階段，電網向儲能設備充電，上提階段，將儲能設備中存儲的電能釋放到變頻器，為修井機提供電能，本實用新型充分利用作業過程為儲能裝置充電，實時判斷當前工況負荷及電網供電能力，為電網補充電能，有效解決修井機的電網供需不平衡的問題，提高修井效率和電網穩定性。
[0037]本實用新型應用于修井機上的儲能裝置一個實施例的結構示意圖如圖1所示。
[0038]圖1中，本實用新型應用于修井機(如車載式修井機)上的儲能裝置主要包括:儲能設備1、儲能監控設備2以及雙向DC/DC變流器3，儲能設備I分別連接儲能監控設備2和雙向DC/DC變流器3，儲能監控設備2連接雙向DC/DC變流器3，雙向DC/DC變流器3分別連接變頻器4直流母線側和儲能設備1，變頻器4直流母線側分別連接電機5、儲能監控設備2和雙向DC/DC變流器。
[0039]上述儲能設備I主要包括:超級電容器組11。
[0040]上述儲能監控設備2主要包括:DSP電路21、高壓側電流電壓采集單元22(也即針對變頻器4直流母線的電流電壓采集單元)、低壓側電流電壓采集單元24 (也即針對儲能設備I超級電容器組11的電流電壓采集單元)、A/D轉換電路23和25、CMS電容信息處理單元26、IGBT驅動電路27、顯示屏28、報警電路29等，高壓側電流電壓采集單元22 —端通過A/D轉換電路23與DSP電路21連接，另一端連接變頻器4直流母線，低壓側電流電壓采集單元24 —端通過A/D轉換電路25與DSP電路21連接，另一端連接儲能設備I的超級電容器組11，CMS電容信息處理單元26 —端通過Modbus總線連接DSP電路21，另一端連接儲能設備I的超級電容器組11，IGBT驅動電路27通過光纖連接DSP電路21，顯示屏28和報警電路29分別通過Modbus總線連接DSP電路21。
[0041]下面對儲能設備1、儲能監控設備2以及雙向DC/DC變流器3進行詳細說明。
[0042]1、儲能設備
[0043]儲能設備I主要用于在減速階段和下放階段存儲來自電網的電能，上提階段釋放儲能設備I中的電能。
[0044]儲能設備放電時，采用電壓電流雙閉環控制方法限功率、穩電壓，輸出功率根據電網負荷自動調節。具體方法是，放電時設定電壓啟動停止閾值，作為系統給定，電壓傳感器檢測當前直流母線電壓值作為電壓反饋，以上構成電壓外環，電壓環的輸出作為電流環的給定，電流傳感器檢測當前輸出電流值，作為電流環的反饋信號，電流環的輸出控制占空比實現電壓輸出的穩定，同時各電壓給定值下的占空比限制實現了輸出功率的限制。
[0045]儲能設備I的超級電容器組11主要用于存儲來自電網的電能，并在需要時釋放其存儲的電能。超級電容器組11包括至少一個電容組，通常情況下，超級電容器組11包括多個電容組，每個電容組均設有多個串聯的電容(如電解電容)，且兩個電容組之間可以采用串聯或者并聯的方式連接，電容組串聯可以滿足電壓等級要求，電容組并聯可以滿足更高的功率需求。
[0046]儲能設備I的超級電容器組11內置超級電容過壓保護電路，過壓保護電路與儲能監控設備2的CMS電容信息處理單元26連接，CMS電容信息處理單元26實時監測、讀取過壓保護電路的電容單元電壓信號，并通過Modbus總線將采集到的電壓信號傳輸給DSP電路21，該電壓信號經由DSP電路21處理并用于保護單元電容不被損壞。所述過壓保護電路是被動均壓電路，當電壓高于電容組工作電壓值時，電路啟動放電功能，將多余電能釋放至釋放電阻上，系統設計工作電壓低于超級電容最大電壓值，過壓保護電路工作不頻繁，相比于主動均壓回路，節省了電能，降低了系統功耗。
[0047]儲能設備I的超級電容器組11內置超級電容過溫保護電路，過溫保護電路中的溫度傳感器與儲能監控設備2的CMS電容信息處理單元26連接。過溫保護電路主要用于實時監測、采集當前儲能設備I超級電容器組11的溫度，并通過Modbus總線將采集到的溫度信號傳輸給DSP電路21，該溫度信號經由DSP電路21處理并用于保護單元電容不被損壞。
[0048]儲能設備I的超級電容器組11與雙向DC/DC變流器3連接，當超級電容器組11儲能時，雙向DC/DC變流器3在儲能監控設備2中DSP電路21的控制下，工作于Buck電路模式，通過PWM脈寬調制調節脈寬的占空比，將儲能設備I充電到預定電壓；當超級電容器組
11釋能時，雙向DC/DC變流器3在儲能監控設備2中DSP電路21的控制下，工作于Boost電路模式，將儲能設備I中的電能升壓供給修井機變頻器4直流母線，以維持直流母線的電壓穩定。
[0049]2、儲能監控設備
[0050]儲能監控設備2的主要功能是，實時采集各個數據信號，并對雙向DC/DC變流器3和儲能設備I進行實時監控。儲能監控設備2中設有投入/切除開關，用戶決定是否啟用儲能裝置。儲能監控設備2中還有運行/故障指示燈，便于觀察裝置的運行情況。
[0051]儲能監控設備2的核心元件是DSP電路21，DSP電路21主要包括可以運行程序代碼的元件(如DSP等)以及相關外圍電路等，它是儲能設備I與儲能監控設備2之間進行信息交互的重要元件，是本實用新型的核心控制部件，主要用于控制儲能設備I處于儲能狀態、停止狀態或者釋能狀態等，采集電流電壓信號等信息，并向雙向DC/DC變流器3發送控制命令，使雙向DC/DC變流器3等元件執行相應的操作，實現儲能監控設備2對儲能設備I的控制。
[0052]DSP電路21內部設置有儲能設備I的控制程序，DSP電路21在接收到多種采集信號(如變頻器4直流母線的電流電壓信號、儲能設備I超級電容器組11的電流電壓信號、超級電容器組11的溫度信號等)后，根據這些采集信號進行判斷，以確定應如何對儲能設備I進行具體控制。
[0053]DSP電路21可以通過Modbus總線與CMS電容信息處理單元26、顯示屏28、報警電路29進行信息交互，如基于Modbus RTU通訊協議實現信息交互。
[0054]儲能監控設備2的高壓側電流電壓采集單元22 —端通過A/D轉換電路23與DSP電路21連接，另一端與修井機變頻器4的直流母線連接，以采集直流母線的電流電壓信號，高壓側電流電壓采集單元22將采集到的直流母線的電流電壓信號傳輸給A/D轉換電路23，并由A/D轉換電路23將電流電壓信號傳輸給DSP電路21。
[0055]儲能監控設備2的低壓側電流電壓采集模塊24 —端通過A/D轉換電路25與DSP電路21連接，另一端與儲能設備I的超級電容器組11連接，以采集超級電容器組11的電流電壓信號，低壓側電流電壓采集模塊24將采集到的超級電容器組11的電流電壓信號傳輸給A/D轉換電路25，并由A/D轉換電路25將電流電壓信號傳輸給DSP電路21。
[0056]儲能監控設備2中的顯示屏28通過Modbus總線與DSP電路21連接，顯示屏28主要用于為用戶提供友好的人機界面，使用戶能夠對儲能裝置進行有效的控制，且可直觀反應出儲能裝置的實時工作狀態，如當前儲能設備I中的可充電電量、可放電電量，雙向DC/DC變流器3的工作狀態、儲能監控設備2的報警記錄等。
[0057]顯示屏28可以是觸控顯示屏，以便進行系統參數的設置等操作，顯示故障診斷信息。顯示屏28顯示的畫面可以包括:模擬量顯示畫面、運行記錄以及運行狀態參數等。另夕卜，顯示屏28也可以實現儲能裝置的報警功能。
[0058]儲能監控設備2的報警電路29通過導線與DSP電路21連接。報警電路29可以包括:指示燈、蜂鳴器以及電鈴等報警元件。報警電路29主要用于根據DSP電路21的控制發出報警信號，如進行聲/光報警等。
[0059]除上述儲能裝置本身的保護功能外，儲能監控設備2控制板上還包括有硬件保護電路，具有電能釋放功能，保證運行安全。具體方法如圖2所示，首先進行系統自檢，如果當前系統存在故障，那么系統處于等待狀態。待故障排除系統正常后，可啟動電能釋放功能，如果滿足放電條件，那么啟動放電功能，當電壓低于安全電壓時，放電完成。
[0060]3、雙向DC/DC變流器
[0061]雙向DC/DC變流器3與變頻器4的直流母線以及儲能設備I的超級電容器組11分別連接，即雙向DC/DC變流器2是變頻器4和儲能設備I的超級電容器組11的連接接口。
[0062]雙向DC/DC變流器3內置功率單元組件、功率單元驅動組件、過溫保護電路以及短路保護電路，保證系統運行的穩定可靠。雙向DC/DC變流器還設有浪涌抑制及防雷擊保護電路，與變頻器直流母線連接，當變頻器直流母線電壓高于750V時，防雷擊電路自動導通，將多余電能釋放掉，防止造成對設備的損壞。
[0063]雙向DC/DC變流器3主要用于在儲能監控設備2的控制下，在修井機下放的過程中，工作于Buck電路模式，以便將變頻器4直流母線上的電能提供給儲能設備I的超級電容器組11，為儲能設備I的超級電容器組11充電；在需要釋放電能以平衡電能需求時，工作于Boost電路模式，以便將超級電容器組11存儲的電能傳輸至變頻器4直流母線中，為修井機提供電能。
[0064]雙向DC/DC變流器3采用三橋臂交錯并聯運行。三橋臂交錯開通和關斷，采用這種方法的優點是，電網紋波系數小，變流器各橋臂工作周期變短，利于變流器散熱。雙向DC/DC變流器3可以具體采用半橋式電路，且在每一時刻，雙向DC/DC變流器3只工作于一種工作模式，即Buck電路模式或者Boost電路模式。為避免半橋式電路的上、下兩個開關管直通，雙向DC/DC變流器3的采樣電感電流在Boost電路模式為正，在Buck電路模式為負，因此，電感電流也需要進行雙向保護，本實用新型采用數字電路來實現半橋式電路上、下兩個開關管的驅動管理。
[0065]本實用新型應用于修井機上的儲能裝置一個實施例的具體操作流程如圖3所示。
[0066]圖3中，修井機的電控系統上電后進行系統自檢，顯示DSP電路21中存儲的信息和相應的系統參數，通過觸控顯示屏可以對相應的參數進行設置。電控系統的電流電壓通過其電流互感器和電壓互感器輸入到本實用新型儲能設備I所在的電控柜，該電控柜內產生的采集信號被傳輸至DSP電路21，DSP電路21通過內部計算判斷是否允許投切儲能設備
I。如果當前系統存在故障，系統處于等待狀態。系統正常后可啟動雙向DC/DC變流器3，系統首先判斷是否滿足充電條件，如滿足充電條件，DSP電路21控制雙向DC/DC變流器3工作于Buck電路模式，啟動充電功能，經雙向DC/DC變流器3給儲能設備I的超級電容器組11充電，將超級電容器組11充電到預定電壓。系統充電過程中實時判斷是否存在故障，故障發生時，立即停止充電，進入待機狀態，故障消失后自動復位。當需要放電如提升游車大鉤時，DSP電路21控制雙向DC/DC變流器3工作于Boost電路模式，超級電容器組11放電，以便維持變頻器4直流母線的電壓穩定，向變頻器4回饋能量。
[0067]以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本實用新型，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術方案的范圍內。
【權利要求】
1.一種應用于修井機上的儲能裝置，其特征在于，包括:儲能設備、儲能監控設備以及雙向DC/DC變流器，儲能設備分別連接儲能監控設備和雙向DC/DC變流器，儲能監控設備連接雙向DC/DC變流器，雙向DC/DC變流器分別連接變頻器直流母線側和儲能設備，變頻器直流母線側分別連接電機、儲能監控設備和雙向DC/DC變流器； 所述儲能設備包括:超級電容器組； 所述儲能監控設備包括:DSP電路、高壓側電流電壓采集單元、低壓側電流電壓采集單元、A/D轉換電路、CMS電容信息處理單元、IGBT驅動電路、顯示屏以及報警電路，高壓側電流電壓采集單元一端通過A/D轉換電路與DSP電路連接，另一端連接變頻器直流母線側，低壓側電流電壓采集單元一端通過A/D轉換電路與DSP電路連接，另一端連接儲能設備的超級電容器組，CMS電容信息處理單元一端通過Modbus總線連接DSP電路,另一端連接儲能設備的超級電容器組，IGBT驅動電路通過光纖連接DSP電路，顯示屏和報警電路分別通過Modbus總線連接DSP電路。
2.根據權利要求1所述的應用于修井機上的儲能裝置，其特征在于，所述儲能設備的超級電容器組內置超級電容過壓保護電路以及超級電容過溫保護電路，該過壓保護電路和該過溫保護電路分別與儲能監控設備的CMS電容信息處理單元連接，該過壓保護電路是被動均壓電路。
3.根據權利要求1所述的應用于修井機上的儲能裝置，其特征在于，所述儲能設備中超級電容器組的每個電容組內均設有多個串聯的電容，電容組之間是串聯或者并聯。
4.根據權利要求1所述的應用于修井機上的儲能裝置，其特征在于，所述儲能監控設備有啟動/關閉儲能裝置的投入/切除開關和運行/故障指示燈。
5.根據權利要求1所述的應用于修井機上的儲能裝置，其特征在于，所述儲能監控設備還包括有硬件保護電路。
6.根據權利要求1所述的應用于修井機上的儲能裝置，其特征在于，所述雙向DC/DC變流器包括兩種工作模式=Buck模式和Boost模式。
7.根據權利要求1所述的應用于修井機上的儲能裝置，其特征在于，所述雙向DC/DC變流器內置功率單元組件、功率單元驅動組件、過溫保護電路、短路保護電路以及防雷擊保護電路。
8.根據權利要求1所述的應用于修井機上的儲能裝置，其特征在于，所述修井機包括:車載式修井機。
【文檔編號】H02J3/28GK203933165SQ201420330433
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】張正輝, 朱文琪, 張超平, 高賀, 鄭永利, 趙建平 申請人:北京中興天傳電氣技術有限公司