抽油機(jī)節(jié)能裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、中國高校電力電子與電力傳動學(xué)術(shù)年會 (SPEED 2016)集抽油機(jī)節(jié)能裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)穆向陽(陜西省油氣井測控技術(shù)西安石油大學(xué)電子陜西西安 710065)摘要：抽油機(jī)是油氣井開采過程必不可少的重要設(shè)備之一，因其正常工作中的部分時(shí)間處于發(fā)電狀態(tài)造成大量的電能浪費(fèi)，目前成為油氣田的耗能大戶之一。為響應(yīng)國家節(jié)能降耗綠色環(huán)保的國策，針對上述問題，選用 TMS320F2812 為控制器，采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制（ Space VectorPulse Width Modulation，SV）技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種提高直流電壓利用率的回饋系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動抽油機(jī)的變頻器的能量回饋。研制模擬樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表

2、明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，不僅能夠提高能量回饋逆變電路對直流電壓的利用率, 而且可減少逆變電能總諧波失真。系統(tǒng)可以推廣應(yīng)用到油氣田抽油機(jī)的節(jié)能降耗裝置中。圖 1.1主電路拓?fù)鋵ξ覈壳暗某橛蜋C(jī)數(shù)量保守估計(jì)有10以：能量回饋DSP SV變頻器上，在實(shí)際使用上，大約有65%的電或空載狀況下工作，存在所謂的“大經(jīng)常在輕載小車”狀態(tài)。1. 引言抽油機(jī)都使用變頻器來驅(qū)動電機(jī)。通常變頻器為電壓型 AC/DC/AC 變頻器，在正常工作時(shí)，電機(jī)有兩種工作狀態(tài)：電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)的，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的再生電能會不斷的積累在直流測的濾波電容上面，從而產(chǎn)生泵升電壓。過高的泵升電特別是驅(qū)動有桿采油泵的游抽油機(jī)的電，

3、它，工采用的驅(qū)動電絕大部分為鼠籠式異步電作時(shí)承受周期性變化的負(fù)荷，平均負(fù)荷率一般為30%以下，有的甚至更低。負(fù)載的變化周期在520秒內(nèi)不等?？紤]到啟動負(fù)荷以及復(fù)雜地質(zhì)狀況等的影的額定功響，大部分游抽油機(jī)選用是驅(qū)動電壓會損壞器件，到變頻器1。最傳統(tǒng)的率是工作周期輸出功率的23倍左右。圖1.2為抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖。方法是通過能耗制動來消除泵升電壓，但是能耗制動也存在制動電阻體積大，散熱重的缺點(diǎn)2。，而且能量浪費(fèi)嚴(yán)為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗綠色環(huán)保一般使用能量回饋法。抽油機(jī)能量回饋裝置的主要工作是將電在發(fā)電狀態(tài)時(shí)在電容 C1 上產(chǎn)生的泵升電壓逆變成交流電，最終回饋給電網(wǎng)3。其主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示，主要由

4、三相逆變橋、儲能電容、濾波電感等電路4。當(dāng)電工作在電動狀態(tài)時(shí)，全橋逆變器 V1-V6 全部處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)沒有能量流入電網(wǎng)；當(dāng)抽油機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的能量會使變頻器直流母線側(cè)電容電壓泵升，若檢測到直流母線側(cè)電壓超過啟動全橋有源逆變器的工作電壓，抽油機(jī)能量回饋裝置開始工作，將電能回饋至電網(wǎng)。隨著電容能圖1 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖2.系統(tǒng)控制方案與控制策略為了保證三相逆變器能夠準(zhǔn)確、有效地將直流電逆變成交流電，并回饋至電網(wǎng)，需要對輸入的電壓、電流進(jìn)行精確控制。首先,要控制電流，保證電流為正弦，并且要與電壓同相或反相。其次，要控制電壓，保證逆變器輸出端的電壓與電網(wǎng)同頻率、同相位、同量的，直流母線電壓逐

5、漸下降，若小于啟動逆變的電壓時(shí)，回饋裝置停止工作5。685中國高校電力電子與電力傳動學(xué)術(shù)年會 (SPEED 2016)集，電網(wǎng)才能保證不被污染7。幅值。為了能夠準(zhǔn)確地控制逆變器的工作，需要安裝控制系統(tǒng)。目前，在逆變控制中，常用的控制算法是正弦脈寬調(diào)制（ S）和電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SV）。與 S相比較，SV脈寬調(diào)制圖 3.1控制系統(tǒng)仿真模型具有電壓利用率高、諧波小、易于控制的優(yōu)點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)中使用 SV技術(shù)8。為了使逆變器具有快速限流能力，本系統(tǒng)采閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為逆變器電流環(huán)，外環(huán)為負(fù)荷電壓環(huán)9。如圖 2-1，外環(huán)控制負(fù)荷電壓（Uload ）跟qd隨 50Hz 三相平衡參考電壓（U re

6、f ）變化，并產(chǎn)生逆qd變器參考電流 Icmd ，并對其進(jìn)行限幅。內(nèi)環(huán)相應(yīng)地qd圖 4 能量回饋系統(tǒng)仿真模型產(chǎn)生流變化。參考電壓，控制逆變器電流跟隨其參考電參考電壓采型的電壓空間矢量算法實(shí)現(xiàn)10。圖 2 控制系統(tǒng)框圖實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)?zāi)M基于上述設(shè)計(jì)與仿真圖 5 線電壓仿真波形搭建了模擬，圖3.1.1 是搭建的低壓環(huán)境下能量回饋實(shí)驗(yàn)裝置。圖 6 回饋電壓電流波形4.結(jié)論以TI 的TMS320F2812 微控制器為圖 3 低壓微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M3.2 仿真實(shí)驗(yàn)抽油機(jī)能量回饋仿真模型如圖 3.2.1 所示，使用設(shè)計(jì)的抽油機(jī)能量回饋系統(tǒng)，采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制SV的方式產(chǎn)生來驅(qū)動逆變電路工作并將（SV）整流器

7、定頻控制的方案，可以使系統(tǒng)直逆變產(chǎn)生的電能回饋到三相交流電網(wǎng)，逆變產(chǎn)生的線電壓波形如圖 3.2.2 所示，圖 3.2.3 為回饋的電壓電流波形。流電壓利用率高，諧波失真率小，有效地提高能量回饋的效率。686等 抽油機(jī)節(jié)能裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)1 單棟梁，中，等， 能量回饋式電壓型流器的研究J . 電氣工礦自動化, 2010, 36(6):77-80.整2 Zhenyu Yu. Space-VectorWith TMS320C24x/F24xUsing Hardware and Software Determined SwitchingPatternsR. Texas Instruments Li

8、terature Number SPRA524.3 ，鄭瓊林. 基于網(wǎng)壓的單相整流器比例諧振控制J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(5):45-51.電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的研究及其實(shí)現(xiàn)D .南昌: 南昌大學(xué), 2005.45,械工業(yè). 電子電子變流技術(shù)M. 第 3 版., 1993.: 機(jī)6，關(guān)于我國抽油機(jī)發(fā)展的幾點(diǎn)思考,石油礦場機(jī)械J, 2008,37(1):24-277 A. Gar-Cerra. Pinzon-Ardila， V. Feliu-B le，P.Roncero-Sanchez.Application of a Repetitive Controller fora Three

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