[发明专利]井下发电系统及其优化功率控制方法

说明书

本发明公开一种井下发电系统，其包括涡轮发电机系统。涡轮发电机系统包括涡轮机、与涡轮机连接并具有AC‑DC整流器的发电机以及优化功率控制单元。涡轮机由井下流体的流动驱动旋转。发电机将来自涡轮机的旋转能转换为电能并输出直流电压。涡轮发电机系统通过优化功率控制单元连接到负载。优化功率控制单元控制去调节发电机的输出电压，并将调节后的输出电压提供给负载，从而使得涡轮发电机系统具有优化的功率输出。本发明还公开了一种用于井下发电系统的优化功率控制方法。

技术领域

本发明大体涉及发电系统，尤其涉及一种井下发电系统及一种用于井下发电系统的优化功率控制方法。

背景技术

井下钻探或传感系统被使用在油气勘探和生产井中。一些用于压裂监控和长期生产监测的井下传感器、井下数据通讯模块以及其他井下负载经常被应用于井下钻探或传感系统中用于执行其各自的功能。这些井下负载需要功率来运转。在本领域中众所周知的是使用涡轮发电机系统。利用井下流体的流动，例如生产流体来驱动涡轮发电机系统的涡轮机旋转并产生旋转能。涡轮发电机系统使用发电机将来自涡轮机的旋转能转换为电能，因此能够将功率提供给这些井下负载。

然而，井下具有非常恶劣的环境，例如高温、高压和泥沙堆积。而且，由于井下流体的复杂性和井下流体的流动的多变性，井下流体的流量并不是恒定的。在涡轮发电机系统由具有不同流量的井下流体驱动的条件下，涡轮发电机系统将具有不同的输出特性。

因此，有鉴于此，一种如何优化涡轮发电机系统在井下流体的任一流量下的功率输出的需求正变得越来越迫切。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种井下发电系统。所述井下发电系统包括涡轮发电机系统。所述涡轮发电机系统包括涡轮机、与所述涡轮机连接并具有AC-DC整流器的发电机以及优化功率控制单元。所述涡轮机由井下流体的流动驱动以旋转。所述发电机将来自所述涡轮机的旋转能转换为电能并输出直流电压。所述涡轮发电机系统通过所述优化功率控制单元连接到负载。所述优化功率控制单元控制以调节所述发电机的输出电压，并将调节后的输出电压提供给所述负载，从而使得所述涡轮发电机系统具有优化的功率输出。

本发明的另一个方面在于提供一种用于井下发电系统的优化功率控制方法。所述优化功率控制方法包括：经由一个或多个涡轮发电机系统中的一个或多个涡轮机收集来自井下流体的流动中的动能；通过所述一个或多个涡轮发电机系统中的具有AC-DC整流器的一个或多个发电机将来自所述一个或多个涡轮机的一个或多个旋转能转换为一个或多个电能，并输出一个或多个直流电压；控制以调节所述一个或多个发电机中的每一个的输出电压；以及将每一个发电机的调节后的输出电压提供给负载，从而使得所述一个或多个涡轮发电机系统中的每一个具有优化的功率输出。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是使用涡轮发电机系统的井下发电系统的示意图；

图2是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的输出功率相对于转速的特性曲线；

图3是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的输出电压相对于转速的特性曲线；

图4是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的输出功率相对于输出电压的特性曲线；

图5是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的输出功率相对于输出电压与开路电压的比的特性曲线；

图6是图1的涡轮发电机系统在井下流体的不同流量下的系统效率相对于输出电压与开路电压的比的特性曲线；

图7是根据本发明的一个具体实施方式的井下发电系统的示意图；