基于動態(tài)補償?shù)挠吞锍橛蜋C節(jié)能研究

魯義寬

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

基于動態(tài)補償?shù)挠吞锍橛蜋C節(jié)能研究

魯義寬

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

為提高油田抽油機的功率因子，降低抽油機能耗，提出了一種基于動態(tài)補償?shù)某橛蜋C節(jié)能控制方法。以油梁式抽油機為研究對象，介紹了其結(jié)構(gòu)并分析了電路無功補償基本原理。以DSP為核心搭建動態(tài)無功補償裝置，實現(xiàn)電壓和電流數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換，通過控制繼電器并利用軟開關(guān)技術(shù)投切補償電容器，參考負(fù)載變化對動態(tài)無功功率進行實時補償。采用TMS320LF2407芯片搭建相應(yīng)控制系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，動態(tài)補償后，配電系統(tǒng)的功率因數(shù)大幅度提升，降低了抽油機能量損耗。

抽油機；動態(tài)補償；節(jié)能控制；DSP

國內(nèi)油田和采油區(qū)大多數(shù)使用游梁式抽油機，該設(shè)備耗電量非常大，往往占整個作業(yè)區(qū)耗電量80%以上?？紤]到抽油機的交變工作荷載特性，其驅(qū)動電機在設(shè)計、選配過程中通常選取足夠的輸出轉(zhuǎn)矩，才能確保起動轉(zhuǎn)矩以及減輕抽油機沖程負(fù)荷波動。不過同樣需要解決一些問題，例如：如果抽油機排量過剩，其會長期運行在無功抽取狀態(tài)，甚至?xí)霈F(xiàn)空泵、空抽狀態(tài)，導(dǎo)致無功抽取時間進一步增加，負(fù)荷率進一步降低，只有20%～30%。導(dǎo)致能源浪費、功率因數(shù)低、效率低，采油區(qū)用電成本居高不下。

針對所述問題，大多采油設(shè)備基于固定無功補償實現(xiàn)功率補償。電容器可在一定程度上降低諧波的影響，但是補償設(shè)備參數(shù)的設(shè)置比較復(fù)雜，如果參數(shù)選擇不當(dāng)，會大大縮短電容器使用壽命。另外，若采用固定無功補償，負(fù)載變化太大容易出現(xiàn)過補償情況，進一步影響設(shè)備正常運行。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文提出一種油田抽油機動態(tài)補償方法，并基于DSP設(shè)計相應(yīng)控制系統(tǒng)，通過試驗驗證所述方法可以提高用電效率。

1 游梁式抽油機及無功補償原理

1.1 游梁式抽油機

游梁式抽油機種類較多，但是基本結(jié)構(gòu)和原理相差不大，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常情況下，抽油機主要包括游梁—連桿—曲柄機構(gòu)、減速裝置、動力設(shè)備以及輔助裝置等。

游梁式抽油機工作過程可簡要描述為：電動機輸出軸與減速箱輸入軸聯(lián)接；電機高速旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)中間機構(gòu)減速處理后由減速箱輸出，輸出軸可帶動曲柄作低速旋轉(zhuǎn)運動。曲柄通過連桿帶動油梁后端上下擺動。油梁前端配有驢頭，活塞上部液柱、抽油桿等載荷均通過懸繩器加載到驢頭上。驢頭和油梁一起上下擺動，可實現(xiàn)活塞的垂直往復(fù)運動，將原油抽出井筒。

圖1 油梁式抽油機結(jié)構(gòu)

1.2 無功補償原理

圖2 抽油機供電電路

抽油機常用供電電路如圖2所示。對于無功功率計算，本文以正弦交流電路為研究對象，對應(yīng)的電壓、電流瞬時值可表示為：

式(2)中P表示電阻元件消耗的有功功率；ip、iq分別表示各相電流分量。

另外，系統(tǒng)無功功率可表示為：

式(3)代表uiq項幅度變化。如果一個周期內(nèi)此項積分為0，則表明其并不消耗能量，儲能元件和電源之間只進行能量交換。三相電路的無功功率可表示成各相電路的無功功率之和，即：

2 節(jié)能動態(tài)補償

本文所述動態(tài)無功補償裝置以DSP為核心進行搭建，可實現(xiàn)電流、電壓等數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換。通過繼電器控制，基于軟開關(guān)技術(shù)完成補償電容器投切；同時參考負(fù)載變化實時補償動態(tài)無功功率。容抗計算過程如下。

2.1 電動機處于運行狀態(tài)

2.2 電動機處于發(fā)電狀態(tài)

綜上所述，在選擇電容大小時，不應(yīng)該僅僅考慮功率因數(shù)，特別是諧波較大的情況。實際上，首先選擇不同數(shù)值的C，然后計算出對應(yīng)的P，最后經(jīng)比較后確定電容大小。

3 動態(tài)補償控制器設(shè)計

目前無功補償控制器大多采用單片機系統(tǒng)搭建，往往集成信號采集、數(shù)據(jù)處理、控制信號生成和輸出等功能，容易導(dǎo)致單片機負(fù)擔(dān)過重。另外，單片機硬件資源有限、實時性較差，很難適應(yīng)抽油機的復(fù)雜工況。

為解決此問題，本文所選DSP芯片型號為TMS320LF2407。與51系列單片機相比，DSP芯片實時處理速度快、運算量大，非常適合于一些工業(yè)領(lǐng)域中的高性能控制系統(tǒng)。從硬件資源考慮，TMS320LF2407集成了SPI模塊、SCI模塊、40個多功能復(fù)用輸入輸出引腳、A/D轉(zhuǎn)換器。可通過事件管理器觸發(fā)八通道A/D轉(zhuǎn)換器。同時DSP編程指令比較獨特，能夠簡化程序設(shè)計過程，縮短程序執(zhí)行時間，提升數(shù)據(jù)處理能力。因此，該芯片比較適合諧波分析和傅里葉運算。

靜止無功補償裝置的電容器投切執(zhí)行元件多采用接觸器。其存在一些弊端，包括投切過程瞬時電壓過大、沖擊電流大、噪聲較大、觸頭易燒壞甚至熔焊。另外，投切過程比較耗時，無法滿足分級、分相、跟蹤、補償?shù)纫?。另外，無功功率補償系統(tǒng)多選用晶閘管作為執(zhí)行元件，取得了比較理想的補償效果，補償過程安全、快速。但是其邏輯觸發(fā)電路十分繁瑣，直接影響系統(tǒng)可靠性。

本文則選用了一種過零型固態(tài)繼電器，基于過零觸發(fā)技術(shù)，該繼電器具有零電流斷開、零電壓接通等特性。利用其實現(xiàn)電容器投切，可有效地避免電路中du/dt和di/dt的產(chǎn)生且完美兼容TTL、HTL、COMS等集成電路，大大提高了動態(tài)補償效果。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用實例

為評估整套裝置的節(jié)能效果，在搭建補償裝置后，并將其用于某油田采油隊。電容器總共4組，具體編碼方式為8421，容量依次為8、16、32、64kvar。試驗中設(shè)定投切門限為14 kvar、投切間隔為0.2s、門限值設(shè)定為4kvar。補償前后分別在變壓器的低壓側(cè)進行相關(guān)計量。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果

通過試驗結(jié)果可以看出：補償前后電流、無功功率和功率因數(shù)均發(fā)生了明顯變化。電流由94.10A 變?yōu)?7.80A；無功功率由61.41kvar變?yōu)?2.43kvar；功率因數(shù)則由0.419提高到0.917。

綜上所述，系統(tǒng)經(jīng)動態(tài)無功補償后，整個裝置的功率因數(shù)有了大幅度的提升；補償后，電流有效值降幅同樣較大；說明該動態(tài)無功補償裝置可以降低變壓器和輸電線的損耗，實現(xiàn)了配電系統(tǒng)無功功率的有效補償。補償后，電能質(zhì)量改善明顯，配電網(wǎng)電壓降大幅減小。

5 結(jié)語

油田抽油機周邊環(huán)境十分復(fù)雜、負(fù)荷比較特殊，因此如何解決其節(jié)能問題一直比較棘手，傳統(tǒng)節(jié)能裝置往往無法取得理想效果。相對而言，動態(tài)無功補償裝置可以適應(yīng)抽油機負(fù)載變化，可靠性高、測試簡單、成本低。文中闡述了動態(tài)補償方法以及相應(yīng)控制系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明：配電系統(tǒng)的功率因數(shù)大幅度提升，降低了輸電線和變壓器損耗，節(jié)能效果比較理想。

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TE933.1

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0060-03

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目項目計劃編號：NJZY16495。