抽油機(jī)混合PWM變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的研究*

曹 雪 付光杰 趙子明 林雨晴 喬永娜

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.國網(wǎng)鶴崗供電公司；3.上海電科船用電氣事業(yè)部)

抽油機(jī)混合PWM變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的研究*

曹 雪1付光杰1趙子明2林雨晴3喬永娜1

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.國網(wǎng)鶴崗供電公司；3.上海電科船用電氣事業(yè)部)

介紹三電平SVPWM技術(shù)和SHEPWM技術(shù)的原理，并結(jié)合SVPWM和SHEPWM的優(yōu)點(diǎn)提出了混合PWM變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)。在抽油機(jī)用三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：混合PWM變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)可有效降低能耗，能在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的同時(shí)提高轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度。

混合調(diào)制技術(shù) 抽油機(jī) SVPWM技術(shù) SHEPWM技術(shù) 節(jié)能

國民經(jīng)濟(jì)的增長離不開石化行業(yè)的發(fā)展[1]，我國作為石油生產(chǎn)大國，現(xiàn)有抽油機(jī)的總量超過10萬臺(tái)，每年的耗電總量高達(dá)150億 kW·h。相比于國外30.05%的抽油機(jī)平均效率，我國僅為25.96%[2]。現(xiàn)役的游梁式抽油機(jī)作為油田生產(chǎn)的耗電大戶，其耗電量約占油田生產(chǎn)總用電量的30%～40%[3]。為此，變頻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，20世紀(jì)80年代，變頻技術(shù)開始被應(yīng)用于石油驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)[4]，極大地降低了石油開采成本，因此被公認(rèn)為新一代鉆井裝備四大新技術(shù)之一[5]。

我國大慶油田、勝利油田等多個(gè)油田的實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果均表明，變頻技術(shù)的應(yīng)用減少了電氣能耗，提高了抽油機(jī)的工作效率。目前，變頻技術(shù)正向著更廣、更深的方向發(fā)展[3]，傳統(tǒng)的控制策略急需改善。為此，在傳統(tǒng)空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技術(shù)的基礎(chǔ)上將它與特定諧波消去脈寬調(diào)制(Selected Harmonic Elimination Pulse Width Modulation,SHEPWM)技術(shù)相結(jié)合，充分利用SVPWM所具有的優(yōu)勢(較高的直流電壓利用率、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制)，同時(shí)在中高頻引入SHEPWM技術(shù)，利用SHEPWM技術(shù)消除特定次數(shù)的諧波，從而克服SVPWM高頻諧波特性較差和SHEPWM在低頻時(shí)因采用較多開關(guān)角度致使存儲(chǔ)量較大的缺點(diǎn)。將混合式PWM技術(shù)應(yīng)用于抽油機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，以達(dá)到減少控制系統(tǒng)電氣能耗、減少電流脈動(dòng)[6]、進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速控制精度和啟動(dòng)平穩(wěn)度的目的。

1 三電平SVPWM技術(shù)

游梁式抽油機(jī)多為異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中一般采用電壓型逆變器，通過脈寬調(diào)制信號(hào)控制開關(guān)管的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)逆變功能并為異步電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓。在低頻段采用SVPWM技術(shù)，設(shè)低頻段范圍為0～40Hz。三電平SVPWM的空間矢量圖如圖1所示，共包括6個(gè)大扇區(qū)(Ⅰ～Ⅵ)，每個(gè)大扇區(qū)又細(xì)分為6個(gè)小扇區(qū)，如圖2所示。圖2為圖1中的第Ⅰ扇區(qū)，空間矢量合成依據(jù)最近三矢量合成原則，當(dāng)參考矢量位于圖2中的第3小扇區(qū)時(shí)，在一個(gè)采樣周期Ts中有：

VrefTs=V1T1+V3T3+V4T4

(1)

同時(shí)，根據(jù)伏秒平衡原理，T1、T3、T4還應(yīng)滿足：

圖1 三電平SVPWM的空間矢量圖

圖2 第Ⅰ扇區(qū)空間矢量合成示意圖

(2)

由此可以得到各矢量的作用時(shí)間為：

(3)

2 三電平SHEPWM技術(shù)

SHEPWM技術(shù)的核心是選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)時(shí)刻控制逆變器的電壓波形，使輸出電壓中的特定諧波分量被消除[7]。由于線電壓中不存在3次及其整數(shù)倍的諧波分量，因此SHEPWM消去諧波分量的主要對(duì)象是非3的整數(shù)倍的諧波分量。單極性SHEPWM生成的相電壓波形如圖3所示，其中VA為相電壓，αk為第k個(gè)開關(guān)角度。

圖3 單極性SHEPWM生成的相電壓波形

由圖3可知，在半個(gè)周期內(nèi)共有k個(gè)脈沖，將相電壓展開為傅里葉級(jí)數(shù)的形式，有：

(4)

(5)

三相三電平NPC逆變器重點(diǎn)消除的諧波次數(shù)為5，7，11，…，6i-1[7]。設(shè)M為需要消除的最高次諧波次數(shù)，則有：

(6)

其中，BM為傅里葉系數(shù)，m為選定的基波幅值。對(duì)于式(6)這一非線性超越方程組，可以采用牛頓迭代法或智能尋優(yōu)算法求取開關(guān)角度，從而實(shí)現(xiàn)三電平逆變器的控制，以消除某些特定的低次諧波，減小畸變率。

3 SVPWM技術(shù)與SHEPWM技術(shù)的轉(zhuǎn)換

根據(jù)抽油機(jī)實(shí)際工作情況，設(shè)定低、中高的切換頻率值為40Hz，即調(diào)頻范圍在40Hz以下時(shí)選用SVPWM技術(shù)，大于40Hz時(shí)切換至SHEPWM技術(shù)。其中SHEPWM技術(shù)的開關(guān)點(diǎn)數(shù)為7，消除的目標(biāo)為700Hz以內(nèi)的低次(5、7、11、13次)諧波。

由于兩種技術(shù)在相位上存在偏差，導(dǎo)致切換瞬間將產(chǎn)生相位躍變。為此，采用固定角度切換法實(shí)現(xiàn)調(diào)制方式的轉(zhuǎn)換，角度切換區(qū)間為0～36°。SVPWM技術(shù)的開關(guān)頻率是600Hz，對(duì)于切換時(shí)的參考矢量頻率40Hz而言，在一個(gè)周期內(nèi)(即360°空間范圍內(nèi))參考矢量將被采樣15次，這15次中必將有一次在角度切換區(qū)內(nèi)，此時(shí)將SVPWM技術(shù)切換至SHEPWM技術(shù)即可。當(dāng)從SHEPWM技術(shù)切換回SVPWM技術(shù)時(shí)，判斷SHEPWM技術(shù)的A相電壓是否進(jìn)入設(shè)定角度切換區(qū)內(nèi)，若進(jìn)入轉(zhuǎn)換區(qū)域則進(jìn)行調(diào)制技術(shù)方式轉(zhuǎn)換。切換區(qū)間的固定使得控制方式的相互切換具有可重復(fù)性，因此可以推廣到其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證SVPWM技術(shù)和SHEPWM技術(shù)之間可以實(shí)現(xiàn)有效切換，在抽油機(jī)用三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中具有減少抽油機(jī)桿機(jī)械沖擊、降低電氣能耗的作用，并能實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)和調(diào)速，在額定功率為20kW、額定轉(zhuǎn)速為1 000r/min、額定電壓為380V、極對(duì)數(shù)為3的抽油機(jī)用三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其控制系統(tǒng)為具有32位高性能ARM Cortex-M4處理器的STM32F4微控制器。

參考矢量頻率為40Hz時(shí)三電平SVPWM和SHEPWM混合調(diào)制作用下的輸出線電壓VAB以及給定轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)抽油機(jī)用異步電動(dòng)機(jī)定子A相電流IA的實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。可以看出，從SVPWM向SHEPWM切換時(shí)線電壓不存在明顯躍變，且轉(zhuǎn)換為SHEPWM后逆變器輸出線電壓諧波畸變率由27.81%降為23.67%；抽油機(jī)用異步電動(dòng)機(jī)相電流雖有擾動(dòng)但很快恢復(fù)平穩(wěn)，并且調(diào)制模式轉(zhuǎn)換后相電流波形更加平滑。

圖4 輸出線電壓與相電流的實(shí)驗(yàn)波形

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，可以看出，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間約1.7s，上升速度較快且超調(diào)量小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度得到了保證。

圖5 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)波形

該技術(shù)在大慶油田某廠區(qū)抽油機(jī)井進(jìn)行了試運(yùn)行，結(jié)果表明，SVPWM和SHEPWM混合調(diào)制技術(shù)應(yīng)用前后抽油機(jī)功率因數(shù)分別為0.347 6、0.637 3，百米噸液有功耗電量分別為1.87、1.25kW·h/(102m·t)，有功節(jié)電率為33.16%，有效降低了電氣能耗。

5 結(jié)束語

筆者對(duì)抽油機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了介紹，在三電平SVPWM和SHEPWM技術(shù)的基礎(chǔ)上研究了兩者的混合調(diào)制逆變技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用于抽油機(jī)用異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)有助于降低抽油機(jī)用異步電動(dòng)機(jī)的百米噸液有功耗電量，提高功率因數(shù)，降低輸出電壓畸變率，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度也得到了有力保證。同時(shí)，該混合PWM技術(shù)也可以廣泛應(yīng)用于其他工業(yè)領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

[1] 耿向忠.淺談?dòng)吞锍橛蜋C(jī)的節(jié)能方式[J].化工機(jī)械,2012,39(1):110～112.

[2] 王艷春.一種基于DSP的抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(1):89～92.

[3] 徐向前.游梁式抽油機(jī)采油系統(tǒng)矢量控制節(jié)能方法研究[D].西安:長安大學(xué),2013.

[4] 杜永軍,于嘉驥.抽油機(jī)游梁平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械,2017,44(1):52～53.

[5] 蘇憲龍,李山,苗亮亮,等.變頻調(diào)速在油田抽油機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(11):123～126.

[6] 張永昌,趙爭鳴,張穎超,等.三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)SVPWM和SHEPWM混合調(diào)制方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007, 27(16):72～77.

[7] 張志剛,黃守道,胡存剛,等.三電平SHEPWM與SVPWM混合控制策略及其矢量平滑切換方法的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015, 30(14):342～349.

StudyonTechnologiesforPumpingUnitHybridPWMVariableFrequencyControlandEnergyConservation

CAO Xue1, FU Guang-jie1, ZHAO Zi-ming2, LIN Yu-qing3,QIAO Yong-na1

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity;2.StateGridHegangElectricPowerSupplyCompany; 3.ShanghaiSEARIMarineElectricalDivision)

The tri-level SVPWM and SHEPWM modulation technologies were introduced and considering their advantages, a hybrid PWM frequency control technology was proposed and verified on a test platform for three-phase asynchronous motor. The results show that, the hybrid PWM frequency control technology can reduce energy consumption effectively and enable motor start smoothly and enhance speed’s steady accuracy simultaneously.

hybrid modulation technology, pumping unit, SVPWM technology, SHEPWM technology, energy conservation

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474069)。

曹雪(1984-)，講師，從事電力電子與電力傳動(dòng)的研究。

聯(lián)系人付光杰(1962-)，教授，從事電力傳動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)和電力電子器件應(yīng)用與控制技術(shù)的研究，fgjmhw@163.com。

TH865；TE933

B

1000-3932(2017)10-0921-04

2017-06-07，

2017-09-04)