油田抽油機組變頻能量回饋系統研究

摘 要：本文對抽油機能源回饋原因進行了分析，闡述了能量回饋現象對系統的影響和常規變頻器在處理該問題時的不足，提出了在常規變頻器基礎上增加回饋單元并采用共直流母線的能量回饋解決方案，具有很強的實用性。

關鍵詞：能量反饋；變頻器；回饋單元；直流母線

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 24-0000-02

游梁式抽油機運動為反復上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自電動機帶動的兩個重量相當大的鋼質滑塊，當滑塊提升時，類似杠桿作用，將采油機桿送入井中；滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，由于電動機轉速一定，滑塊下降過程中，負荷減輕，電動機拖動產生的能量無法被負載吸收，勢必會尋找能量消耗的渠道，導致電動機進入再生發電狀態，將多余能量反饋到電網，引起主回路母線電壓升高，勢必會對整個電網產生沖擊，導致電網供電質量下降，功率因數降低的危險；頻繁的高壓沖擊會損壞電動機，造成生產效率降低、維護量加大，極不利于抽油設備的節能降耗，給企業造成較大經濟損失[1]。為了避免這種情況的發生，目前各油田使用的游梁式抽油機變頻調速系統都采用動力制動方法，即電動機發電狀態時在變頻器直流側接入大功率能耗電阻，使機械負載的動能迅速的轉化為電能，在大功率電阻上得以耗散。盡管這種方法簡單，但能量浪費嚴重。

本文在常規變頻器的基礎上，加入有源逆變回饋單元，并采用共直流母線的多逆變器接線方式，使不同變頻器之間實現了能源共享，使電動機所發出的再生電能適合地被其他變頻器使用，從而減少能源的浪費和對電網的沖擊。

一、共直流母線多逆變器系統主電路原理

共直流母線多逆變系統方案，即多臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器，將其直流母線聯接在一起。因各臺抽油機能量回饋時段不可能完全相同，從而將某一臺變頻器的回饋能量作為其它變頻器的動力，其系統主電路如下圖1：

圖1 具有公用直流母線的多逆變器系統主電路圖

當游梁式抽油機工作于電動狀態時，網側三相交流電經過整流器整流成直流電后，進入中間直流環節濾波；濾波后的直流電再經過逆變器逆變成電機運行所需要頻率的三相交流電。在整個過程中，能量都是從電網側輸入，然后傳送到游梁式抽油機端。通過有源逆變的方法將再生能量及時高效的回饋到整流器的輸入側，既節能降耗，又可解決泵升電壓的問題

當游梁式抽油機制動時進入發電狀態，能量在主電路的傳輸方向發生反轉，電能由電機輸出進入中間直流環節，對中間直流環節上的電容器進行充電。隨著充電過程的持續，電容兩端電壓不斷上升。當電壓上升超過閾值后，直流環節通過回饋單元反向網側整流器輸出能量。

二、游梁式抽油機能量回饋單元的主電路

圖2 能量回饋單元主電路

游梁式抽油機能量回饋裝置的主電路主要由三相逆變橋和一些外圍電路組成。逆變橋的輸出端通過三個扼流電抗器La、Lb、Lc與變頻器輸入端子R、S、T相連，輸入端則通過兩個隔離二極管VD1、VD2接變頻器的直流側P、N端，以保障能量在變頻器→有源逆變橋→電網方向上的單向流動。圖2中，開關K、電阻R和電容C為緩沖電路。扼流電抗器La、Lb、Lc的作用是平衡壓差、限流以及濾波。其工作過程是：當電機電動運行時，逆變器開關管VT1～VT6全被封鎖，處于關斷狀態；當電動機處于再生發電狀態時，能量由電機側回饋直流側，導致直流母線電壓升高。當直流母線電壓超過電網線電壓峰值時，整流橋由于承受反壓而關斷；當直流母線電壓繼續升高并超過啟動逆變器工作電壓VDLH時，逆變器開始工作，將能量從直流側回饋電網。當直流母線電壓下降到關閉逆變器工作電壓VDLL時，關閉逆變器。

三、游梁式抽油機能量回饋系統的控制電路和同步電路設計

能量回饋的本質是有源逆變，主要目的是將電動機制動時轉子部分能量回饋到電網中實現節能，盡量避免對電網的污染。一個完善的能量回饋控制系統應滿足相位、電壓、電流等三方面的控制條件[2]，即要求回饋過程必須與電網相位保持同步關系；只有直流母線電壓超過一定值時才啟動有源逆變裝置；系統應該能夠控制回饋電流的大小，從而可以控制電機的制動轉矩，實現精密制動。根據幅相控制策略，系統控制回路組成如圖3所示。

圖3 系統控制回路組成

控制電路除了幅相控制算法及逆變器驅動信號產生部分外，還主要包含同步電路、電壓檢測與控制電路和故障檢測與保護電路等部分。同步是實現有源逆變的基礎和關鍵。對于能量回饋系統，所謂同步就是要使回饋電網的電流與電網電壓同頻反相，以實現單位功率因數（cosθ=1）回饋。回饋不同步輕則造成無功電流增大，污染電網，重則產生系統環流，甚至破壞系統中的功率器件。

四、游梁式抽油機能量回饋系統的扼流電抗器設計

扼流電抗器在電路中除了起平衡壓差和限流作用外，還起到濾波的作用。其主要參數有兩個：電感量和允許電流值。若電感量大，則會引起系統動態響應速度較慢且體積大，制作成本高；電感量小，則回饋電流的紋波較大且高頻諧波增加，可能會造成電網波形畸變從而影響其他用電設備。因此，電抗器參數的正確計算和選擇是一個很關鍵的環節。

（一）扼流電感計算

該電抗器需承受直流母線電壓和電網電壓的差值。設直流母線上最高電壓Vh，電網電壓U1m，則電抗器承受的正向電壓△V=Vh-U1m， ，在△V的作用下，用回饋電流IL1上升到IL2的時間為ton，每個電抗器的電感為L，則有：

△V ton=2L（IL2-IL1）

ton=2L（IL2-IL1）/△V

當回饋電流達到IL2時，母線電流電壓回到設定電壓VDr，回饋裝置中逆變器停止工作。由上式可知，在允許電壓差△V、開關時間ton、最大及最小回饋電流IL2和IL1確定后，即可確定出電感量L的值[3]。

△Vmax=VDS-U1m

△Vmin=VDr-U1m

式中，VDS為設定電壓VDr允許的最大值。

扼流電感按下式取值：

△Vmin ton/2（IL2—IL1）< L < △Vmax ton /2（IL2-IL1）

（二）回饋電流計算

設系統最大回饋功率為Pf，則交流側回饋線電流有效值為If為：If=Pf/3Eλ

其中，λ代表總功率因數，是電流波形畸變因數λ和相移因數cosθ的乘積，即：λ=φcosθ

該系統采用SPWM的控制方式，產生的回饋電流畸變較小，φ可近似取1。由相幅控制特性，靜態相移因數近似為1，動態不為1，cosθ可取0.9以上。

五、結束語

綜上所述，本能量回饋系統設計方案在處理游梁式抽油機能量回饋問題上是切實可行的。該方案不同變頻器之間實現了能源共享，電動機能量回饋產生的再生電能通過回饋單元直接回饋到整流器輸入側通過整流器后被其他變頻器使用，從而大大減少了能源的浪費和對電網的沖擊；不必每一口井都配備變頻器和回饋單元，多臺逆變器接入同一直流母線上不僅能實現信息共享和集中管理，同時大大的降低了生產成本。

參考文獻：

[1]朱益飛，楊梅，史紅芳，楊幫順.變頻技術與能量回饋控制在游梁式抽油機上的應用[J].電力需求側管理，2013（04）.

[2]張崇巍.整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3]孫正貴，游梁式抽油機節能控制技術[M].北京：中國石油大學出版社，2008.

[作者簡介]代祥（1985.12-），男，湖北天門人，碩士研究生，碩士，研究方向：電力電子。