抽油機(jī)節(jié)能裝置系統(tǒng)設(shè)計

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)計了一種提高直流電壓利用率的回饋系統(tǒng)實驗裝置，實現(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)，實驗仿真結(jié)果表

2、明該系統(tǒng)設(shè)計合理，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)量保守估計有10以：能量回饋DSP SV變頻器上，在實際使用上，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，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，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，全橋逆變器 V1-V6 全部處于關(guān)斷狀態(tài)，此時沒有能量流入電網(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，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現(xiàn)10。圖 2 控制系統(tǒng)框圖實驗?zāi)M實驗?zāi)M基于上述設(shè)計與仿真圖 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)境下能量回饋實驗裝置。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)實驗?zāi)M3.2 仿真實驗抽油機(jī)能量回饋仿真模型如圖 3.2.1 所示，使用設(shè)計的抽油機(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,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

9、-Phase Activeer FilterJ，vol.22,No.1,Jan, IEEETranions onower Electronics,2007, pp.237-2468，, 2003，整流器及其控制M.:機(jī)械工業(yè)9. 再生能源回饋電網(wǎng)的電力電子技術(shù)方案的研究J，電子技術(shù)應(yīng)用, 2002,4(6): 38-44.作者簡介：（生），男，研究方向為電力電子、檢測技術(shù)與自動化裝置，地址：。穆向陽 （1969 年生），男，教授，主要研究方向為工程檢測技術(shù)與智能機(jī)器，地址：mu。（1990 年生），男，地址：，研究方向為電力電子與電力傳動，。（1957 年生），男，博士，主要研究方向為電力電子與電力傳動，地址：zh。68710MP Kazmierkowski，L Malesani.Curre