大功率隨鉆渦輪發電機的性能仿真與試驗*

李 飛 程李浩 趙文軒

(西安石油大學電子工程學院；中海油集團測井與定向鉆井重點實驗室定向鉆井分室)

0 引 言

隨著我國油氣勘探逐步向豐富但探明率低的非常規油氣資源過渡，鉆井開發技術和關鍵裝備的技術能力受到越來越嚴峻的挑戰[1]。旋轉導向裝備代表了當今世界井下導向工具發展的先進水平，是推進非常規油氣資源規?；_發的高端裝備之一[2-3]。隨著旋轉導向技術的更新迭代，旋轉導向工具的功能愈發強大，井下地質參數測量、數據通信及導向控制電子倉越來越復雜，使井下供電系統的輸出功率和續航時間面臨更大的挑戰。

鋰電池和渦輪發電機是井下儀器供電的2種主要方式。采用鋰電池供電成本高、續航能力有限且受井下高溫影響，經常因電池耗盡或高溫爆炸而被迫起下鉆，從而影響整個鉆井生產過程[4]。隨鉆渦輪發電機利用高速流動的鉆井液動能循環發電，是旋轉導向工具持續工作的電能保障，已成為隨鉆測量和鉆井系統的主電源[5-6]。相比鋰電池供電，隨鉆渦輪發電機具有壽命長、抗高溫、空間利用率高、續航能力強及輸出功率大等優勢，是旋轉導向系統(Rotary Steering System，RSS)、隨鉆測量工具(Measurement While Drilling，MWD)和隨鉆測井工具(Logging While Drilling，LWD)的標準配置[7-8]。為保證井下工具運行的可靠性，絕大多數旋轉導向系統采用無源整流的方式，然而對于在實際鉆井作業中運行的旋轉導向工具而言，寬范圍的鉆井液流量變化和動態負載將會導致輸出的整流電壓不穩定，存在以下危害：①在渦輪鉆井液排量變化和動態載荷下，易引起發電機交流端電壓波動大，使導向電機產生明顯的轉矩脈動，從而影響系統的閉環控制性能和導向功能；②DC直流總線電壓定義范圍大，使下游部件普遍選型過大，不僅增加了控制電子倉的尺寸，而且加大了各電路板的設計難度；③極為有限的功率管理，無功功率產生的附加損耗，縮短了旋轉導向工具的使用壽命。

為解決以上問題，國內外學者開展了相關研究，取得了一定的成果，并進行了相關應用。YE L.Z.等[9]設計了3.3 kW隨鉆凸極型混合勵磁發電機，基于有限元分析了發電機在給定勵磁電流下的輸出特性，電壓調整率為±8%。劉克強[10]針對“一趟鉆”鉆井技術，分析了旋轉導向系統、高效鉆頭、長壽命螺桿及MWD供電技術的技術現狀。王智明等[11]設計了1.5 kW井下混合勵磁渦輪發電機，研究了高溫、鉆井泵排量及渦輪型式對發電機性能的影響。呂官云等[12]為縮短渦輪的研制周期，利用流體動力學仿真軟件對井下渦輪進行全三維數值模擬和力學性能預測，并通過合理調整相關參數，使之滿足流道、葉片型線和喉部折轉角的檢驗要求，以達到理論設計的預期結果。楊安林等[13]通過相量法建立永磁同步發電機的內阻抗數學模型，研究了內阻抗特性等對電壓調整率的影響。王聞濤等[14]提出了渦輪發電機的技術要求，并設計了渦輪發電機性能試驗系統，對渦輪發電機進行了性能試驗、清水循環及泵排量適應范圍試驗。根據旋轉導向發電整流系統的技術要求，混合勵磁發電機相比于永磁同步發電機具有空間利用率高、調速范圍寬及輸出電壓穩定等優勢。國內外學者們對井下渦輪發電機進行了一定的研究，但對大功率隨鉆渦輪發電機性能的研究較少，在勵磁控制方面均以有限元分析和給定勵磁電流研究發電機的穩壓控制特性。在旋轉導向工具的實際運行作業中，整個井下發電系統為閉環控制，隨鉆渦輪發電機的輸出電壓和勵磁電流控制受鉆井液排量變化、負載的變化和工具行為的影響。

為使在寬鉆井液排量變化范圍內隨鉆渦輪發電機輸出電壓得到補償和穩定，筆者通過建立隨鉆渦輪發電機及勵磁控制Simulink模型，研究渦輪轉速、負載變化及工具行為對發電機輸出電壓、輸出功率和勵磁控制的影響。在此基礎上，設計井下勵磁控制電路板并開展系統試驗，經仿真和試驗，分析發電機的發電特性和勵磁控制性能。通過仿真和試驗結果對比，驗證隨鉆渦輪發電機勵磁控制模型的準確性，為后續旋轉導向工具的水力循環測試和實際鉆井作業提供數據支持。

1 勵磁控制工作原理

圖1為指向式旋轉導向工具的發電系統基本結構。在定向鉆井工具鉆進時，鉆井液有效沖擊渦輪葉片，葉片將鉆井液的動能轉換為驅動渦輪旋轉的機械能，渦輪增速后帶動發電機轉子旋轉，旋轉的轉子磁鋼產生旋轉磁場，定子繞組線圈在磁場作用下切割磁感線產生電能。

由圖1可知，混合勵磁發電機的永磁磁路與勵磁磁路相互獨立，永磁體產生主磁通，勵磁線圈在勵磁電流作用下產生輔助磁通。勵磁線圈控制電路通過調節勵磁電流的大小和方向實現對永磁體主磁通的增磁、弱磁及輸出電壓的調節，以此使發電機適應更寬的鉆井液流量范圍。發電機輸出的三相交流電經無源整流轉換成直流電，直流電一部分為導向電機和勵磁線圈控制電路板供電，另一部分經升降壓電路為定向鉆井工具的主控制電路板、信號處理電路板、導向電機驅動電路板及姿態傳感器等供電。隨鉆渦輪發電機的基本參數如表 1所示。

表1 隨鉆渦輪發電機基本參數Table 1 Basic parameters of turbogenerator while drilling

1.1 數學模型

由于混合勵磁發電機永磁磁路與勵磁磁路相互獨立，故對永磁部分進行數學模型推導。在三相ABC靜止坐標系中，發電機各變量耦合性強且求解困難，利用Clark、Park變換，可得永磁部分d-q同步旋轉坐標系的電壓方程[15-17]：

(1)

(2)

式中：Vd、Vq為d-q軸定子電壓，V；Ld、Lq為d-q軸電感，mH；Rs為定子繞組電阻，Ω；Id、Iq為d-q軸電流，A；t為時間，s；ω為電角速度，rad/s；ψf為磁鏈，Wb。

電磁轉矩方程：

(3)

機械運動方程：

(4)

式中：Tm為渦輪的輸出扭矩，N·m；Tem為發電機的電磁扭矩，N·m；P為發電機的極對數；f為阻尼系數，kg·m2/s；v為渦輪的機械轉速，rad/s；J為發電機的轉動慣量，kg·m2。

1.2 勵磁控制系統設計要求

混合勵磁發電機的輔助磁通由勵磁線圈產生，通過勵磁控制系統調節勵磁線圈電流的大小和方向，改變勵磁線圈產生的輔助磁通的強弱，實現對永磁部分主磁通的調節。依據旋轉導向工具的電源管理系統，勵磁電流與整流電壓(HVM)的設計要求如圖 2所示。

由圖2可以看出：當整流電壓約為100 V時，勵磁線圈增壓電流開啟；整流電壓約為195 V時，勵磁線圈增壓電流減??；整流電壓約為255 V時，增壓電流減小至0；當整流電壓約為290 V時，勵磁線圈降壓電流開始產生；整流電壓為340 V時，勵磁線圈降壓電流最大。當整流電壓>380 V時，發電機處于制動狀態，制動電阻以熱耗散方式消耗制動產生的能量，并對發電機的輸出電壓進行限制。依據設計曲線和勵磁調節的基本思想，發電機勵磁控制系統如圖 3所示。

圖2 勵磁電流與整流電壓的設計要求Fig.2 Design requirements for exciting current and rectified voltage

圖3 發電機勵磁控制系統Fig.3 Excitation control system of generator

隨鉆渦輪發電機勵磁系統工作的3種狀態如圖 4所示。

由圖4a可見，當整流電壓<255 V時，勵磁電流>0，勵磁系統工作在增磁BOOST狀態?？刂七壿嬍箞鲂躋2、Q4導通，采樣電阻R1對增壓勵磁電流進行采樣，采樣的信號與參考信號進行邏輯比較，產生邏輯控制信號，邏輯控制信號經功率驅動電路實現對場效應管的開關控制。Q4連續導通，當勵磁電流略高于參考信號時，Q2截止，Q1導通；當勵磁電流略低于參考信號時，Q2導通，Q1截止。

圖6 高壓調理電路Fig.6 High voltage conditioning circuit

圖8 H功率橋和采樣電路Fig.8 H power bridge and sampling circuit

由圖4b可見，當255 V≤整流電壓≤290 V時，勵磁電流為0，勵磁系統不工作，此時發電機系統運行狀態與永磁同步發電機等效。

由圖4c可見，當整流電壓>290 V時，勵磁電流<0，勵磁系統工作在降磁BUCK狀態?？刂七壿嬍箞鲂躋1、Q3導通，采樣電阻R2對降壓勵磁電流進行采樣，將采樣的信號與參考信號邏輯比較，產生邏輯控制信號，邏輯控制信號經功率驅動電路實現對場效應管的開關控制。Q1連續導通，當勵磁電流略高于參考信號時，Q3截止，Q4導通；當勵磁電流略低于參考信號時，Q3導通，Q4截止。

1.3 仿真模型設計

由于混合勵磁發電機的永磁磁路與勵磁線圈相互獨立，當勵磁電流If=0時，混合勵磁發電機可等效為永磁發電機?；诎l電機的數學模型和勵磁系統的控制要求，為更準確模擬隨鉆渦輪發電機的工作特性，分別對永磁發電機和勵磁控制系統進行模型搭建，采用Simulink搭建的系統仿真模型如圖 5所示。

2 勵磁控制電路設計與測試

2.1 勵磁控制電路設計

依據定向鉆井工具的電源管理系統，勵磁控制電路工作在井下150 ℃的高溫環境。為提高控制電路工作的可靠性和穩定性，采用模擬電路控制方式。勵磁控制電路主要由高壓調理電路、參考電路、采樣電路、邏輯控制電路、功率驅動電路及H功率橋電路組成。

高壓調理電路對整流電壓HVM進行采樣，電阻R7和R10分壓后經跟隨器OP221緩沖隔離后，生成HVM的采樣信號ALT_HVM_LOCAL和ALT_HVM_SENSE。ALT_HVM_LOCAL用于勵磁電流采樣電路的BOOST和BUCK控制信號的生成；ALT_HVM_SENSE將輸出至旋轉導向工具的主控器，經主控器傳輸至上位機界面，以便于實時監測整流電壓HVM。高壓調理電路原理如圖 6所示。

參考電路的主要作用是生成與勵磁電流采樣信號進行邏輯比較的參考信號DESIRED_V，以滿足勵磁控制的電壓要求。參考電路原理如圖 7所示。

以英飛凌IR2130S為驅動H橋電路的核心，當勵磁系統工作在增磁BOOST狀態時，Q2和Q4導通，BOOST邏輯信號為高電平，BUCK邏輯信號為低電平，通過采樣電路實現對增磁電流的采樣，得到增磁電流采樣信號BOOST_I_SEN；當勵磁系統工作在降磁BUCK狀態時，Q3和Q1導通，BOOST邏輯信號為低電平，BUCK邏輯信號為高電平，通過采樣電路實現對降磁電流的采樣，得到降磁電流采樣信號BUCK_I_SEN。H橋電路和采樣電路如圖 8所示。

2.2 勵磁控制電路測試

勵磁控制電路測試流程圖如圖 9所示。該測試平臺主要有直流高壓電源、勵磁控制電路板、勵磁線圈及數據采集系統組成。

為測試勵磁控制系統模型和電路設計的可靠性及穩定性，當整流電壓HVM=100～400 V時，仿真模型和實際電路的勵磁電流測試曲線如圖 10所示。

由圖10可知，設計的勵磁控制系統Simulink模型和電路滿足要求，即：當100 V340 V，降壓勵磁電流約為-1.07 A，降壓勵磁性能最強。通過仿真模型和控制電路的測試，二者的勵磁調節性能幾乎一致，達到設計要求。

圖10 勵磁電流測試曲線Fig.10 Exciting current test curve

圖11 樣機測試流程圖Fig.11 Prototype testing flowchart

圖12 樣機試驗測試平臺Fig.12 Prototype testing platform

3 系統測試及分析

3.1 隨鉆渦輪發電機仿真與試驗

樣機測試流程如圖 11所示。測試平臺主要由原動機、隨鉆渦輪發電機、無源整流電路板、濾波電容及電子負載組成，如圖 12所示。

為驗證所建立模型和勵磁控制方案的有效性，當渦輪轉速分別為2 000、4 000及6 000 r/min時，對模型和樣機性能進行測試分析，勵磁電流為0。仿真模型和樣機的整流電壓HVM和負載功率曲線如圖13～圖15所示。

圖13 轉速2 000 r/min時仿真模型和樣機試驗性能Fig.13 Simulation model and prototype test performance at rotation speed of 2 000 r/min

圖14 轉速4 000 r/min時仿真模型和樣機試驗性能Fig.14 Simulation model and prototype test performance at rotation speed of 4 000 r/min

圖15 轉速6 000 r/min時仿真模型和樣機試驗性能Fig.15 Simulation model and prototype test performance at rotation speed of 6 000 r/min

由圖13～圖15可知：當勵磁電流為0時，若發電機渦輪轉速一定，隨著負載的增大，發電機輸出功率減小，整流輸出電壓HVM增大；發電機負載一定，隨著轉速的增大，發電機輸出功率和整流輸出電壓呈線性增加。

模型仿真和試驗測試表明，建立的隨鉆渦輪發電機Simulink模型與試驗樣機的輸出特性幾乎一致，輸出電壓HVM的范圍滿足旋轉導向工具正常運行需求，在額定轉速范圍內，輸出功率均達到4 kW。

3.2 隨鉆渦輪發電機及勵磁控制系統仿真與試驗

隨鉆渦輪發電機及勵磁控制系統測試平臺如圖 16所示。該平臺由原動機、隨鉆渦輪發電機、無源整流電路板、勵磁控制電路板、電子負載及數據采集儀器組成。

為測試隨鉆渦輪發電機勵磁控制系統的閉環調節特性，在圖16所示的測試平臺進行試驗。勵磁控制電路板對發電機內置勵磁線圈進行控制。當轉速為2 000 r/min，負載為20Ω時，系統處于BOOST升壓增磁狀態，勵磁電流>0，仿真模型和試驗測試數據如表 2所示。

圖16 隨鉆渦輪發電機勵磁控制系統測試平臺Fig.16 Test platform for excitation control system of turbogenerator while drilling

由表2可知，當發電機轉速為2 000 r/min，負載20 Ω時，測試隨鉆渦輪發電機勵磁控制系統的BOOST升壓增磁狀態實時調節性能。首先，斷開勵磁控制電路，勵磁電流為0，隨鉆渦輪發電機的運行狀態等效于永磁發電機，仿真模型和樣機的輸出電壓幾乎一致，約140 V；其次，連接勵磁控制電路，與發電機構成閉環控制系統，當發電機達到設定轉速時，勵磁系統工作在BOOST狀態，勵磁電流為0.73 A，勵磁調節后仿真模型和樣機的輸出電壓幾乎一致，約170 V，升壓率約為20%。

表2 2 000 r/min負載20 Ω 勵磁BOOST狀態Table 2 BOOST state of excitation at rotation speed of 2 000 r/min and load of 20 Ω

表3 6 000 r/min負載100 Ω 勵磁BUCK狀態Table 3 BUCK state of excitation at rotation speed of 6 000 r/min and load of 100 Ω

當轉速為6 000 r/min，負載為100 Ω時，系統處于BUCK降壓弱磁狀態，勵磁電流<0，仿真模型和樣機試驗測試數據如表 3所示。

由表 3可知，當發電機轉速為6 000 r/min，負載100 Ω時，測試隨鉆渦輪發電機勵磁控制系統的BUCK降壓弱磁實時調節性能。首先，斷開勵磁控制電路，勵磁電流為0，隨鉆渦輪發電機的運行狀態等效于永磁發電機，仿真模型和樣機的輸出電壓幾乎一致，約470 V；其次，連接勵磁控制電路，與發電機構成閉環控制系統，當發電機達到設定轉速時，勵磁系統工作在BUCK降壓弱磁狀態，勵磁電流為-1.05 A，勵磁調節后仿真模型和樣機的輸出電壓幾乎一致，約383 V，降壓率約為19%。

4 結 論

(1)當勵磁電流為0時，研究了隨鉆渦輪發電機在不同轉速和負載下仿真模型和樣機的輸出特性，仿真結果與實測數據基本一致，輸出電壓的范圍滿足旋轉導向工具正常運行的需求。在額定轉速范圍內，發電機的輸出功率達到4 kW，有效解決了目前隨鉆渦輪發電機輸出功率小的問題。

(2)勵磁控制系統模型和控制電路的調節性能基本一致，滿足旋轉導向工具電源管理系統的設計要求，升降壓勵磁電流達到預期設計指標要求。

(3)隨鉆渦輪發電機勵磁控制系統有效地解決了寬流量范圍內發電機穩壓補償的問題，當系統在BOOST升壓增磁狀態和BUCK降壓弱磁狀態工作時，仿真模型和試驗系統的勵磁調節電壓幾乎一致，電壓調整率約為-19%～20%。

(4)隨鉆渦輪發電機勵磁控制系統Simulink仿真模型與井下實際發電系統性能一致。模型具備良好的靈活性和準確性，為旋轉導向工具的水力循環測試、實際鉆井作業和車間維保提供了數據支持，降低了旋轉導向工具的測試成本和復雜程度。