超級電容儲能模塊在抽油機中的設(shè)計研究

邵現(xiàn)振，劉 鵬，趙 闖，李柏濤，張 龍，張永平

(1.河口采油廠工藝所，山東 東營 257000；2.山東愛特機電技術(shù)有限責任公司，山東 東營 257000)

0 引言

隨著油田的不斷開發(fā)，近年來，我國大部分油田已進入開發(fā)中后期，機械采油尤其是抽油機采油占據(jù)主導地位。抽油機具有結(jié)實可靠、使用方便、成本較低等許多優(yōu)點，但對于位能性負載，當負載下行時，電機經(jīng)常會進入倒發(fā)電狀態(tài)，當電機與電網(wǎng)直接相連時，電能被反饋回電網(wǎng)，如果倒發(fā)電功率較大，會引起末端電網(wǎng)電壓波動。當電動機通過變頻器驅(qū)動時，倒發(fā)電能量被注入直流側(cè)，導致直流側(cè)電壓升高，為防止電壓過高造成器件損壞，必須對倒發(fā)電能量進行處理。對此，現(xiàn)有的解決方式主要有3種：(1)回饋電網(wǎng)需要使用四象限整流器，成本高，且會對電網(wǎng)造成沖擊。(2)就地消耗大部分以電阻發(fā)熱形式進行，易造成能量浪費。(3)儲存抽油機饋能是最有可能實現(xiàn)節(jié)能與安全兼顧的方法。

課題組研究了一種具備饋能回收功能的抽油機變頻控制裝置：一方面，應用超級電容儲能技術(shù)儲存抽油機過剩能量，實現(xiàn)節(jié)能，避免“倒發(fā)電”影響供配電的安全、穩(wěn)定運行；另一方面，集成應用變頻控制技術(shù)，實現(xiàn)對抽油機電機的軟啟停，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低線損，優(yōu)化供配電網(wǎng)絡容量配置[1]。

1 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

應用基于高速總線技術(shù)的自動控制系統(tǒng)，建立與外接變頻單元、功率平衡系統(tǒng)、模組系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)的實時主從通信，實現(xiàn)對抽油機電動機提升下放抽油桿作業(yè)時能量循環(huán)利用的實時自動控制，研究自校驗算法實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的高可靠性與高效率，同時，編制配套控制軟件及組態(tài)人機界面。自動控制系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 自動控制系統(tǒng)框架

2 抽油機超級電容儲能功率平衡系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)井場變壓器容量以及抽油機作業(yè)的不同階段所需的不同功率，基于瞬時功率平衡控制策略，研究應用功率平衡單元，包括：信號采集單元、信息處理單元和功率分配單元。針對抽油機上提作業(yè)時變壓器單獨供電與抽油機下放作業(yè)時混合供電的不同工況，合理分配儲能系統(tǒng)和井口變壓器的能量，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全、協(xié)調(diào)、最優(yōu)化運行[2]。

傳統(tǒng)變頻器采用用二極管組成的不可控整流橋，利用充電電阻限制充電電流。并接超級電容后，直流側(cè)電容量相比傳統(tǒng)變頻器大大增加。由于超級電容容量大，充電電流大，持續(xù)時間長，如果再用充電電阻，需要安裝大功率電阻且發(fā)熱嚴重，并且充電時間長。因此，在設(shè)計中不能采用傳統(tǒng)變頻器中不可控整流+充電電阻方式，本團隊改用由晶閘管組成的三相全控整流橋，輸出直流電壓與交流輸入和觸發(fā)角的關(guān)系：

Ud=2.34U2cosα

(1)

其中，Ud為直流電壓，U2為輸入相電壓有效值，α為觸發(fā)角，因此，可以通過控制觸發(fā)角的大小控制輸出電壓。當電網(wǎng)電壓異常偏高時，通過改變觸發(fā)角的大小控制直流側(cè)電壓，解決了電網(wǎng)停電恢復后由于電壓偏高造成變頻器大面積損壞的問題。濾波電抗器可以使輸入電流更加平滑，降低電流諧波。主電路框架如圖2所示。

圖2 主電路框架

3 超級電容模組選型設(shè)計

通過研究抽油機負載特性、超級電容器的充放電原理及特性、影響超級電容器儲能的主要因素等，確定適應于抽油機負荷特點的超級電容器儲能模塊的組成方式、容量配置。

首先，按照倒發(fā)電以及倒發(fā)電時功率要求確定超級電容額定電流。雖然抽油機配置電機額定功率比較大，但其負載率比較低，而且經(jīng)過變頻器降頻之后，實際瞬時功率一般不大于20 kW，正常工作時，母線電壓約540 V，則直流側(cè)電流約為37 A，電流主要由整流電路提供，超級電容與電解電容均起到濾波作用。當?shù)拱l(fā)電時，倒發(fā)電能量主要存儲到超級電容，但倒發(fā)電功率小于20 kW；倒發(fā)電結(jié)束后，超級電容電壓高于電網(wǎng)電壓幅值，由超級電容提供能量，但由于此時電壓較高，電流相對較小。因此，選擇額定電流30～40 A的超級電容，即可滿足要求[3]。

其次，按照逆變器直流側(cè)電壓工作范圍確定超級電容器電壓。對于逆變單元，當直流側(cè)電壓不大于720 V時，均可正常工作，因此，電容器組需要滿足720 V直流電壓要求。選擇額定電壓每組的過壓值設(shè)定為90 V，再用8組進行串聯(lián)，每組設(shè)置過壓、過熱檢測輸出。

最后，按照倒發(fā)電能量選擇電容器容量。逆變器正常工作時，直流側(cè)電壓約為540 V，最高電壓為720 V，出于安全考慮，允許最高電壓按700 V計算，超級電容器電壓由540 V升高至700 V所增加的能量為：

W1=(U22-U12)*C/2=(7002-5402)*C/2=99200*C(J)

(2)

抽油機倒發(fā)電功率一般不大于10 kW，倒發(fā)最長電時間按照10 s計算，則一個沖次的倒發(fā)電能量為：

W2=P*Δt=10*(10/3600)=1/36 kW·H=100 000 J

(3)

為保證系統(tǒng)的安全，超級電容所能儲存的能量要大于抽油機一個沖次倒發(fā)電能量，即：

W1>W2

99200*C>100000

C>1.008F

(4)

最終采用90V/10F電容器8組串聯(lián)后，總電容值為1.25F。

4 實施效果分析

經(jīng)過研究、設(shè)計、組裝、室內(nèi)實驗后，安裝到現(xiàn)場運行，經(jīng)過現(xiàn)場檢測，設(shè)備運行穩(wěn)定、可靠，平均功率因數(shù)大于0.9，滿足現(xiàn)場實際生產(chǎn)需要。通過對油井抽油機功率損耗、節(jié)約線損和變壓器容量費的計算，單井年節(jié)約資金在1.6萬元左右，同時，減少油井空抽運行時間，改善了油井工況，延長油井檢泵周期[4-5]。

5 結(jié)語

如何解決游梁式抽油機的各種問題、提高整體的系統(tǒng)效率是一個重大問題。油田采取了各種措施提高效率，降低能耗，變頻技術(shù)應用最成功、最廣泛，但也存在一些問題，因此，本項目在變頻的基礎(chǔ)上融入了超級電容儲能技術(shù)，進一步提高了系統(tǒng)效率。一方面，改善了抽油機電機的工作狀態(tài)，解決了游梁式抽油機電機由于“大馬拉小”而帶來的功率因數(shù)和效率較低的問題；另一方面，針對抽油機由于不平衡饋能而造成的電機再生倒發(fā)電問題，通過超級電容儲能，對能量回收再利用，最終達到提高抽油機電機的功率因數(shù)、節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本的目的。整流單元可控制直流側(cè)電壓，當電網(wǎng)電壓異常升高時，可控制直流電壓保證設(shè)備安全，不影響生產(chǎn)。