车载式直流供电装置及压裂系统

技术领域

本发明一般地涉及供电领域。更具体地，本发明涉及一种车载式直流供电装置和压裂系统。

背景技术

随着国内外油田、天然气或煤矿等领域勘探开发的深入，油、气和水井的深度和开发难度不断增加，应用压裂作业的施工规模越来远大，使用的压裂车也越来越多。然而，现有技术中用于直流供电的电驱变频压裂车的供电装置都是一对一设计。对于例如国内某些地区的油田勘探开发至少需要12辆压裂车的场景，则需要相对多的直流供电装置。如此大量的供电装置不仅占地面积大，而且会占用比较多的运输车辆。进一步，针对大多数供电装置采用撬装设计，存在供电装置运输到应用现场后需要对其进行卸车、吊装和转移等工作，从而给供电装置的应用带来极大不便。另外，现有技术中应用的直流供电装置，通常只能支持国内电源10KV/50Hz的输入电源应用，无法直接应用于类似于北美市场的高电压和高频率的输入电源的应用。

发明内容

为了解决上述背景技术中所描述的问题，在一个方面中，本发明提供了一种车载式直流供电装置，其布置于运载车上并且包括具有各自防护柜体的高压输入单元、整流单元和输出控制单元，其中：

所述高压输入单元布置于所述运载车的车盘部，其用于对外部输入的电源执行降压操作，并且向所述整流单元输出降压后的电压；

所述整流单元布置于所述运载车的鹅颈部，其用于对从高压输入单元输入的电压执行整流滤波操作，以便形成多路直流电压；以及

所述输出控制单元布置于所述运载车的鹅颈部和车盘部之间，其用于将所述多路直流电源向外输出。

在一个实施例中，所述输出控制单元与所述高压输入单元通信连接，以用于对所述外部输入电源的控制和防护。

在另一个实施例中，所述高压输入单元包括：

接线腔，其用于接入外部输入电源；

高压配电模块，其用于导通或关断所述接线腔接入的外部输入电源，并对输入的电压和/或电流进行监控和收集保护信息；

变压器和变压器散热模块，其中所述变压器用于对外部输入电源执行降压操作，以输出交流电压和多路辅助电源，所述变压器散热模块用于对工作时的变压器进行散热；以及

变压器输出模块，其与所述整流单元电连接以用于将所述交流电压输出至所述整流单元。

在又一个实施例中，整流单元包括：

整流模块，其用于对所述变压器输出模块输出的所述交流电压执行整流操作以形成直流电压；

整流散热模块，其用于对所述整流单元执行散热操作；以及

滤波输出模块，其用于对所述整流模块输出的直流电压执行平滑滤波与分路输出操作，以便输出多路直流电源。

在一个实施例中，所述滤波输出模块包括：

滤波电路，其用于对所述整流模块输出的直流电压执行平滑滤波操作；以及

短路保护电路，其包括多路保护电路，以用于对所述直流滤波回路进行短路保护并且输出多路直流电源。

在另一个实施例中，所述输出控制单元包括：

电源输出模块，其分别与所述滤波输出模块和变压器电连接，以用于输出多路直流电源和多路辅助电源；以及

控制模块，其与所述高压配电模块电连接，用于根据接收的外部指令来控制所述高压配电模块执行导通或关断所述外部输入电源，并且接收来自于所述高压配电模块的保护信息，以用于发送至远端上位控制系统。

在一个实施例中，所述接线腔具有接线端，其用于接入多种电压和频率的外部输入电源。

在另一个实施例中，所述外部输入电源包括13.8KV/60Hz或10KV/50Hz的电源。

在又一个实施例中，所述多路直流电源包括多路额定电压4800V且额定功率3350KW的直流电源。

在另一个方面中，本发明提供一种压裂系统，包括：

变频压裂车；以及

前述方面及其多个实施例的直流供电装置，其用于对所述变频压裂车进行供电。

通过上面的描述，可以理解本发明所提供的车载式直流供电装置可以布置于运载车上，从而避免了撬装式直流供电装置运输至应用现场进行的卸车、吊装和转移等工作，显著降低了安装的难度。进一步，本发明的直流供电装置可以输出多路直流电源，以便同时给多辆变频压裂车供电，从而解决了现有技术中“一对一”供电设计存在的供电装置众多且占地面积大的问题。另外，本发明的方案既可以应用于北美市场13.8KV/60Hz的输入电源，也可以向下兼容类似于国内10KV/50Hz输入电源的应用，从而扩展了应用场景。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示出根据本发明实施例的车载式直流供电装置的示意图；

图2是示出根据本发明实施例的车载式直流供电装置的结构示意图；

图3是示出根据本发明实施例的车载式直流供电装置的详细示意图；以及

图4是示出根据本发明实施例的直流供电装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

下面结合附图来详细描述本公开的具体实施方式。

图1是示出根据本发明实施例的车载式直流供电装置100的示意图。如图1所示，本发明提供一种车载式直流供电装置100，其可以布置于一辆运载车(例如拖车或挂车)上。在一个实施例中，所述直流供电装置100可以包括具有各自防护柜体的高压输入单元110、整流单元120和输出控制单元130。在一个应用场景中，本发明的车载式直流供电装置可以依据拖车的当前结构，并且根据所述直流供电装置各单元的特点及连接关系来对各单元进行有益的布置。基于这样的考虑，本发明提出例如图1所示出的布置于拖车上的直流供电装置。该拖车可以包括鹅颈部和车盘部，并且鹅颈部靠近牵引车的车头部(图中未示出)。具体地，该拖车的左侧布置有所述整流单元120的部分为鹅颈部，而该拖车的右侧布置有所述高压输入单元110的部分为车盘部。根据本发明的方案，所述控制输出单元130被布置于所述鹅颈部和车盘部之间。

从图1中可以看出，所述鹅颈部的水平位置略高于所述车盘部。由于所述高压输入单元整体结构与所述整流单元整体结构相比，固定后具有相对高的高度。为了便于运输的目的，尽可能地将前述两个单元固定后的整体结构的高度差值保持相对小的差距。因此，本发明提出将整流单元布置于水平位置相对高的鹅颈部。另外，由于所述高压输入单元还要外接输入电源，并且与所述整流单元相比可能会有相对多的日常维护操作。鉴于此，本发明提出将高压输入单元布置于所述车盘部，以便后续维护操作。进一步，由于所述输出控制单元需要分别与所述高压输入单元和整流单元电连接，为了整体结构的紧凑并且便于操作人员对所述输出控制单元进行外部接线操作，本发明提出将其布置于所述鹅颈部和车盘部之间(即整流单元和高压输入单元之间)。

为了便于理解所述直流供电装置的整体架构关系，图2示出其各单元之间的连接关系。从图2可以看出，外部输入电源接入所述高压输入单元110。所述高压输入单元、整流单元和输出控制单元顺序电连接。所述输出控制单元与高压输入单元电连接，二者之间有交互的信息和控制信号(或控制指令)。具体地，外部输入电源(例如13.8KV/60Hz或10KV/50Hz的交流电源)可以从所述高压输入单元接入，为本发明的直流供电装置提供工作电源。接着，所述高压输入单元对所述外部输入电源执行降压操作，并且向所述整流单元输出降压后的电压。然后，所述整流单元对从所述高压输入单元输入的电压执行整流滤波操作，以便形成多路(例如6路)直流电压。最终，将所述整流单元形成的多路直流电压通过所述输出控制单元向外输出，以用于为多个外部设备(例如变频压裂车)提供直流供电电源。

图3示出根据本发明实施例的车载式直流供电装置的详细示意图。图3上图示出的是图1所示出的车载式直流供电装置的背面图。所述高压输入单元110可以包括接线腔111，其为具有内腔的防护柜体，并且布置于所述高压输入单元的背面。在一个应用场景中，所述接线腔具有多个接线端。可以利用13.8KV接线腔中的多个接线端将13.8KV/60Hz的外部输入电源接入所述高压输入单元。

如图3下图所示，布置于车盘部的所述高压输入单元110可以包括高压配电模块112，其可以用于导通或关断所述接线腔接入的外部输入电源，或者也可以对所述外部输入电源的电压和/或电流进行监控与收集相关故障防护信息。在一个实施例中，高压配电模块(例如13.8KV)可以包括开关电路和控制保护电路。所述开关电路可以根据接收到的控制信号(稍后结合图3描述)来导通或关断所述外部输入电源。所述控制保护电路可以用于对主电路进行分断故障电流保护、过电压防护(例如防雷击)和过电流保护，以及实时监控采集相关故障信息。在一个应用场景中，当所述开关电路导通将所述外部输入电源接入后，当所述控制保护电路检测到所述外部输入电源短路时，可以控制所述开关电路关断所述外部输入电源。

在接入外部输入电源后，所述高压输入单元110还可以包括变压器113、固定于变压器上部的变压器散热模块114和变压器输出模块115。所述变压器(例如干式移相整流变压器)可以用于对外部输入电源执行降压操作，以输出交流电压和多路辅助电源(稍后结合图4描述)。

在一些应用场景中，为了便于拆装和散热的目的，可以将变压器固定于撬体底座上，并且连同撬体底座固定于所述高压输入单元的防护柜体内。所述变压器散热模块固定于变压器上部，例如可以用离心风机对工作时的变压器进行散热。为了散热的目的，所述变压器散热模块的防护柜体可以具有防护通风的柜体结构。另外，结合图1所示出的所述变压器部分的防护柜体的下半部分，也可以具有防护通风的柜体结构。进一步，所述变压器输出模块与所述整流单元电连接，可以用于将所述变压器降压后的所述交流电压输出至所述整流单元。

在所述高压输入单元完成对所述外部输入电源的降压操作后，降压后的电压可以作为所述整流单元的输入电压。所述整流单元120可以包括整流模块121和整流散热模块122。所述整流模块120可以用于对所述变压器输出模块输出的所述交流电压执行整流操作以形成直流电压。所述整流散热模块122可以用于对所述整流单元执行散热操作。例如，整流散热模块可以采用空水冷的方式对所述整流单元的功率器件进行散热。类似地，所述整流散热模块部分的防护柜体也可以采用具有防护通风的柜体结构。

在一个实施例中，所述整流单元120还可以包括滤波输出模块123，其用于对所述整流模块输出的直流电压执行平滑滤波与分路输出操作，以便输出多路直流电源。所述滤波输出模块可以包括滤波电路1232和短路保护电路1231。所述滤波电路可以用于对所述整流模块输出的直流电压执行平滑滤波操作。所述短路保护电路可以包括多路保护电路。多路保护电路中的每路可以用于对所述直流滤波回路输出的直流电压进行短路保护并且输出多路直流电源。在一个应用场景中，本发明的方案可以输出6路3350KW/4800V的直流电源。基于此，本发明的车载式直流供电装置可以在施工现场同时给3辆双泵变频压裂车供电时。当每两路可以给一辆变频压裂车供电，则只需要两套本方案的直流供电装置即可完成供电。可以看出，本发明的车载直流供电装置的设计完全避免了现有技术中“一对一”供电设计所导致的占用运输车辆多和占地面积大的问题。

进一步，为了避免6路直流电源的总功率不超载而单路超载的情形，本发明还提出针对6路直流电源中的每路来布置直流熔断器以进行短路保护，从而避免单路功率超载的情形。另外，本领域技术人员应当理解的是，结合图1-图3中所描述的布置于拖车上的车载式供电装置的结构仅仅是示例性的而非限制性的，本领域技术人员也可以根据实际需要将其布置于其他类型的运载车上，或者使用其他方式来实现本发明的各模块或单元的空间布置。

上文结合图1-图3对车载式直流供电装置的整体结构布局及高压输入单元和整流单元的功能进行了详细描述，下文将结合图4对输出控制单元130的结构功能进行示例性说明。

图4是示出根据本发明实施例的直流供电装置的结构示意图。图4示出的直流供电装置是基于图1-图3示出的车载式直流供电装置的架构。因此，结合图1-图3所描述的直流供电装置的技术细节同样适用于图4，此处将不再赘述。

如图4所示，外部输入电源经过接入腔111进入高压配电模块112。所述高压配电模块112与所述输出控制单元130电连接。所述输出控制单元可以包括控制模块132，其与所述高压配电模块电连接。在一个实施例中，该控制模块可以根据从远端上位控制系统接收到的外部指令形成控制信号(或控制指令)，并且根据该控制信号控制所述高压配电模块执行导通或关断所述外部输入电源的操作。附加地或可选地，该控制模块也可以接收来自于所述高压配电模块对所述外部输入电源的实时监控信息(例如过压或过流保护信息)，并且发送至所述上位控制系统。

在一个实施例中，所述输出控制单元还可以包括电源输出模块131，其分别与所述滤波输出模块123和所述变压器113电连接。如前所述，所述外部输入电源接入后，利用所述高压输入单元和整流单元，经所述滤波输出模块输出多路直流电源。进一步，所述多路直流电源经所述电源输出模块131向外输出，以用于给外部设备(例如变频压裂车)供电。另外，所述变压器的二次侧电压除了输出前述整流单元的输入电压之外，还可以形成多路辅助电源。所述多路辅助电源(例如6路380V交流电源)可以通过所述电源输出模块直接输出，以用于为外部设备的辅助设备供电。

在一个应用场景中，当外部输入电源为13.8KV/60Hz时。根据本发明的方案，为了输出6路额定电压4800V且额定功率为3350KW的直流电源，可以使用13.8KV接线腔和额定电压13.8KV的高压配电模块，以及容量19500KVA且频率60Hz的变压器。进一步，所述高压输入单元不仅可以支持特定的高压和高频率的输入电源(例如13.8KV/60Hz)，或者也可以向下兼容不同的电压和/或频率的输入电源(例如10KV/50Hz)。

另外，基于上文的描述，本领域技术人员也可以理解本发明实际上也公开了一种压裂系统，其可以包括变频压裂车和直流供电装置(如图1-图3中所示出的)。所述直流供电装置可以用于对多辆变频压裂车供电。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本发明的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本发明方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。