基于超級電容的抽油機制動能量回收系統研究

王建元，王智文，謝天才

(東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

游梁式抽油機因其構造簡單、工藝成熟可靠，且便于維護，是油田進行機械采油的首選[1].在我國，游梁式抽油機的數量已達10萬多臺，總裝機容量超過3 500 MW，年耗電量接近百億千瓦時[2].然而，游梁式抽油機因其自身構造及負載特性導致工作周期的某個階段出現“倒發電”現象[3-4]，產生的制動能量傳輸到變頻器直流側的濾波電容上，形成泵升電壓，若不加以處理，持續升高的電壓會損壞濾波電容器及功率開關管，甚至破壞電機的絕緣.針對抽油機系統的“倒發電”現象，目前大多采取在變頻器直流母線上并接制動電阻，通過電阻以熱能的形式耗散到周圍環境中，即電阻能耗制動.這種方式雖然限制了泵升電壓，但會造成嚴重的能源浪費，降低抽油機系統的整體效率，而且釋放到周圍環境中的熱量會造成溫度升高，影響系統正常運行.

為解決上述問題，工業和學術界開展了大量的研究工作.文獻[5]利用超越離合器只能單向傳遞動力的特性，在抽油機電機即將產生負轉矩的瞬間，超越離合器內部的棘輪脫開，完成瞬態超越，此時電機空載運行，消除了“倒發電”現象，提高了系統效率，但超越離合器故障率較高且壽命較短.文獻[6]采用四象限變頻器取代普通變頻器，將抽油機電機產生的制動能量回饋電網，但電機在抽油機拖動下轉速不穩定，所產生的電能質量不高，存在很大的諧波，會污染電網，而且結構復雜，目前較難推廣.文獻[7]提出斷續供電控制方法，在電機處于空載及發電工況期間對其進行“斷電”處理，文獻[8]在此基礎上給出了斷續供電節能技術斷電時刻的準確判斷方法，但斷續供電存在斷電后再通電時損耗增大及伴隨機電沖擊等問題.

隨著超級電容儲能技術的興起，其在抽油機系統節能上的應用成為新的研究熱點.超級電容器循環壽命長、功率密度大、溫度適應性好、容量配置靈活且安全無污染[9-10]，在電力系統、軌道交通、電動汽車及電梯等領域已經得到了應用[11]，然而在抽油機系統上的應用國內尚處于理論研究階段.

基于上述背景，為進一步促進抽油機系統節能技術的發展，文章研究并設計了基于超級電容的抽油機制動能量回收系統.首先對抽油機制動能量回收系統進行整體結構設計；以一臺37 kW異步電機拖動的游梁式抽油機[12]為研究對象，根據其高功率峰值，低制動能量的負荷特性，提出基于功率-容量約束的超級電容器模組參數配置方法，該方法以提高超級電容儲能系統性價比為目標，對儲能系統的初始充電電壓進行優化；以抽油機再生制動能量的有效回收和及時釋放為前提，并限制超級電容器的電壓和電流處于合理區間，制定儲能系統控制策略.

1 制動能量回收系統結構方案

抽油機制動能量回收系統的整體設計方案如圖1所示，系統由380 V交流電源、交直交變頻器、儲能單元及負荷幾部分構成[13-14].其中380 V交流電源是供電網接入點，為抽油機電機的運行提供動力，同時也為抽油機制動能量回收系統的控制電路提供電能.交直交變頻器為兩象限變頻器，由整流器、直流環節和逆變器三部分組成，其中整流器為二極管整流橋，直流環節包括濾波電容和能耗電路.儲能單元由超級電容器模組和Buck-Boost型雙向DC/DC變換器組成[15-16]，相較于直接將超級電容器模組并聯到變頻器直流母線的方式，經DC/DC變換器后與變頻器直流側相連，能顯著減小超級電容器模組成本，同時便于對超級電容進行充放電控制.

圖1 抽油機制動能量回收系統結構圖

2 基于功率-容量約束的超級電容器模組配置方法

2.1 功率約束

超級電容器是抽油機制動能量回收系統的關鍵組成部分，而現階段超級電容器成本較高，故超級電容器模組的功率及容量配置是否合理直接影響儲能系統的經濟效益.以一臺37 kW異步電機拖動的游梁式抽油機典型功率曲線為例，如圖2所示，對抽油機用超級電容器模組進行優化配置.圖中P1>0表示電網經變頻器向抽油機電機輸出功率；而P1<0則表示這時抽油機拖動電機的轉速超過同步轉速，電動機處于再生發電狀態，產生的電能經變頻器逆變側回饋到直流母線.而圖中陰影區域的面積代表儲能系統可吸收回饋能量的多少，其下邊緣的直線l為儲能系統的額定功率

PscN=UscmaxIscmax

(1)

圖2 游梁式抽油機電機典型功率曲線

公式中：Uscmax為超級電容器模組額定電壓；Iscmax為超級電容器模組最大持續電流.由超級電容器的工作原理可知，在進行充放電時，超級電容器兩端的電壓是動態變化的，通常情況下設計其工作電壓為額定電壓的一半到額定電壓之間，而最大持續充電電流在超級電容器模組已配置完成的情況下保持不變，因此超級電容器模組的最大充電功率是動態變化的，基于此種方法設計的超級電容器模組可吸收功率遠小于預期吸收功率，且超級電容器模組的最大充電功率滿足

(2)

公式中：U0為超級電容器模組初始充電電壓；Csc為超級電容器模組等效電容量；t為超級電容器模組充電時間.通過以上分析可知，超級電容器模組要想完全吸收圖2中陰影區域所對應的抽油機電機制動能量，則超級電容器模組的最大充電功率必須始終滿足

Pscmax≥PL

(3)

公式中：PL為直線l所對應的功率，即期望吸收功率.由于在充電過程中，超級電容模組兩端的電壓逐漸升高，根據公式(2)可知，只需令儲能系統的初始最大充電功率Pscmax0滿足公式(4)，則公式(3)一定成立.

Pscmax0=U0Iscmax=PL

(4)

2.2 容量約束

當抽油機電機處于再生發電狀態時，產生的再生電能經變頻器逆變側回饋至直流母線，然后在經雙向DC/DC變換器被儲能系統儲存，在此過程中必然伴隨著能量的損耗，則要完全吸收陰影區域的制動能量E，需滿足

(5)

公式中：Uscmax為超級電容器模組最高工作電壓；η為考慮變頻器、雙向DC/DC變換器以及超級電容器模組充放電效率在內的等效效率，取值0.9.

2.3 基于功率-容量約束的超級電容器模組參數配置

游梁式抽油機通常采用380 V工頻電源，通過二極管整流橋整流后的直流母線電壓為54 0V，而超級電容器單體的耐壓值卻很低，通常只有2.5 V～3.3 V，即使經雙向DC/DC變流器對變頻器直流側電壓進行降壓后，低壓側的超級電容器仍會承受上百伏的電壓，因此需要將超級電容器單體串聯起來構成能夠滿足高壓需求的超級電容器模組.設儲能系統的工作電壓范圍為Uscmin～Uscmax，則儲能系統中超級電容器串聯數為

(6)

公式中：UC為超級電容器單體額定電壓.

由公式(4)可知，儲能系統的最大持續電流為

(7)

進而可得儲能系統中并聯支路數為

(8)

公式中：IC為超級電容器單體最大持續電流.實際應用時，需對計算得到的m、n進行向上取整.

根據公式(6)～公式(8)可得超級電容器模組等效電容量為

(9)

進而可得超級電容器模組的最大充電功率為

(10)

公式(6)和公式(8)表明，對于抽油機系統，當變頻器的直流母線電壓等級及DC/DC變流器變比確定后，儲能系統中超級電容器串聯數m也就唯一確定下來，而并聯數n除與超級電容器單體最大持續電流IC和初始最大充電功率Pscmax0相關外，還與初始充電電壓U0有關.同時，由式(10)可知，在儲能系統的初始最大充電功率Pscmax0等參數確定的情況下，超級電容器模組的最大充電功率Pscmax與充電時間t成一次函數關系，且隨著初始充電電壓U0的增大其斜率減小，儲能系統的功率利用率增大.綜上分析，初始充電電壓U0的取值為儲能系統容量優化的關鍵.

將公式(9)代入公式(5)可得

(11)

對公式(11)作進一步分析，可得滿足功率-容量約束的儲能系統初始充電電壓范圍為

(12)

公式中：D=CCUCPscmax0/(UscmaxIC).

與其它儲能裝置相比，超級電容器擁有諸多優點，但其缺點同樣突出，即成本較高，因此要盡可能提高儲能系統的經濟效益.以超級電容器儲能系統的性價比為目標函數，經量化

(13)

公式中：m、n分別為超級電容模組的串聯數和并聯數，如公式(6)、公式(8)所示；p為超級電容器單體的容量；k為kJ超級電容器模組及其配套儲能裝置的造價.

由公式(13)可知，儲能系統的性價比除了與超級電容器單體參數、待吸收制動能量E、初始最大充電功率Pscmax0等參數有關外，還與其初始充電電壓U0相關，且成正比關系，結合式(12)可得，當U0由Uscmin逐漸增大至U*的過程中，S也增大.因此，在滿足功率-容量約束的條件下，存在初始充電電壓值U*使得儲能系統的性價比最高，即當U0=U*時，S取得最大值，此時超級電容器儲能系統的容量最小，性價比最高.

2.4 基于功率-容量約束的超級電容器模組參數匹配流程

在進行超級電容器模組的參數匹配過程中，首先由變頻器的直流母線電壓等級及雙向DC/DC變換器兩側電壓比確定超級電容器模組的工作電壓范圍Uscmin～Uscmax；根據電機的功率曲線計算并確定超級電容器模組的初始最大充電功率Pscmax0及可吸收制動能量E；根據超級電容器單體參數、可吸收制動能量E、初始最大充電功率Pscmax0等參數，利用式(12)計算出最優初始充電電壓U*；最后結合公式(6)～公式(8)完成對超級電容器模組的最優化配置，如圖3所示.

圖3 超級電容器模組參數匹配流程

3 儲能單元控制策略

儲能單元的整體控制策略遵循如下原則：當抽油機變頻器直流母線電壓大于充電閥值Udcmax時，儲能單元進行充電；當抽油機電機處于電動狀態時，儲能單元保持實時最大功率運行，以緩解電網供電壓力.由于游梁式抽油機是典型的周期性勢能負載[17-18]，抽油機電機回饋制動能量過程頻繁，要想實現再生制動能量的有效回收，必須保證超級電容器存儲能量的及時釋放，避免“存而不用”的現象發生，因此，抽油機電機電動狀態的確定是實現制動能量有效回收和及時釋放的關鍵，儲能系統的整體控制流程如圖4所示.

在圖4中，P1為抽油機變頻器輸出功率，可通過對直流母線電壓和電流的檢測計算得到，可以看出儲能系統與抽油機變頻器之間不需要繁復的通訊與協調.通過此控制策略不僅可以使儲能單元的SOC穩定在合理的區間，延長儲能單元的使用壽命，而且可以最大限度發揮超級電容器的存儲能力，達到節能的目的.

至于能耗電路，一般情況抽油機變頻器內置制動電阻，通過實時監測直流母線電壓對能耗電路進行控制，并且制動電阻的投入和切出的閥值電壓應為一滯環.

4 算例分析

4.1 參數設置

抽油機變頻器直流母線電壓為540 V，設置當直流母線電壓大于550 V時儲能系統回收制動能量(圖4中Udcmax)，當直流母線電壓高于600 V時能耗電路啟動.為使雙向DC/DC變換器具有較高的工作效率，兩側電壓比不能過高[19]，選擇儲能系統的工作電壓范圍為200 V～400 V，即儲能系統的最高工作電壓Uscmax為400 V.

抽油機電機的功率曲線采用圖2所示的功率曲線，為了確定儲能系統的初始最大充電功率Pscmax0及可吸收制動能量E，如圖5所示.圖中可吸收制動能量E的計算公式為

(14)

其中：

(15)

公式中：T為游梁式抽油機的工作周期.

由圖5可知，在儲能系統的初始最大充電功率Pscmax0較小時，隨著Pscmax0的增大，儲能系統的可回收制動能量E迅速增加；當Pscmax0增大到一定程度后，E的增大速度逐漸變緩；當Pscmax0增大到10 kW以后，E不在增加，此時，儲能系統已可以吸收所有的制動能量.在現場應用時，可根據油井工況、抽油機平衡狀態及優化目標的不同對Pscmax0進行靈活配置.

圖5 儲能單元功率與可吸收制動能量關系圖

由于圖2中的負載功率曲線經過理想化處理，致使圖5中的初始最大充電功率Pscmax0與可吸收制動能量E的關系曲線的拐點并不明顯，故文中選擇吸收所有制動能量，即Pscmax0=10 kW，E=18.6 kJ，并選用美國Maxwell公司XP系列的BCAP0005型超級電容器進行容量配置，該系列超級電容器可在油田多風沙、溫差大的惡劣環境下穩定運行，其主要參數如下：額定容量為5F，額定電壓為2.7 V，最大持續電流為2.3 A，由公式(12)可計算得到超級電容器模組的最優初始電壓U*為290 V(為了降低超級電容器的電壓應力，計算時令額定電壓為2.5 V)，則根據文中提出的基于功率-容量約束的超級電容器模組參數配置方法及傳統配置方法得到的配置結果如表1所示.

表1 基于Maxwell BCAP0005型超級電容器參數配置

由表1可知，采用文中提出的超級電容器模組參數匹配方法能夠在滿足抽油機制動能量回收需求的條件下，有效減小超級電容器模組中并聯支路數，從而降低儲能系統的投入成本.

4.2 仿真驗證

按圖1在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建抽油機制動能量回收系統仿真模型，對文中所述超級電容器模組參數配置方法及儲能系統控制策略進行仿真驗證，仿真結果如圖6、圖7所示.

圖6 無超級電容儲能系統時直流母線電壓

圖7 無超級電容儲能系統時抽油機、電網功率

圖6和圖7為抽油機系統未安裝超級電容儲能裝置時的仿真波形，在0 s～3.2 s和6.1 s～12 s內，抽油機電機處于電動狀態，需要從電網吸收大量電能，直流母線電壓為525 V～540 V.在3.2 s～6.1 s內，抽油機電機處于再生發電狀態，向直流母線回饋電能，為了限制“泵升電壓”，能耗電路開始工作，直流母線電壓在580 V～600 V之間波動，580 V和600 V分別為制動電阻退出和投入的閥值，為一滯環.

圖7、圖9和圖10為加入超級電容儲能系統并且采用文中所提參數配置方法及控制策略時的仿真波形，在3.2 s時抽油機電機開始向直流母線回饋電能，直流母線電壓升高，當直流母線電壓達到充電閥值550 V，并且超級電容器模組端電壓小于400 V時，超級電容開始回收制動能量，使直流母線電壓穩定在545 V～550 V，此處仍為一滯環，545 V和550 V分別為雙向DC/DC電路降壓模式關閉和開啟的閥值；6.1 s時，抽油機電機開始處于電動狀態，超級電容向抽油機電機供電，6.1 s～7 s，超級電容最大放電功率大于電機所需功率，由超級電容承擔全部功率，直流母線電壓維持在540 V左右；7 s～8 s時，超級電容最大放電功率小于電機所需功率，超級電容作為輔助電源，提供部分功率，直流母線電壓降低；8s時，超級電容端電壓下降到最優初始充電電壓290 V，超級電容停止放電，此時電機運行需要的功率全部由電網提供，直流母線電壓為525 V～540 V.

圖8 有超級電容儲能系統時直流母線電壓

圖9 有超級電容儲能系統時抽油機、電網、超級電容功率

圖10 超級電容器模組電壓、電流波形

在抽油機系統的一個工作周期內，超級電容器模組的端電壓由最優初始充電電壓290 V經充電上升至385 V，對應于圖2中抽油機電機功率曲線的發電區域，之后抽油機電機進入電動階段，超級電容器模組的端電壓經放電又回到最優初始充電電壓290 V，此階段對應于圖2中抽油機電機功率曲線的電動區域，整個過程實現了工作周期內能量的歸零；超級電容模組的充放電電流及功率的峰值在整個工作周期內均接近但未超過的最大持續電流Iscmax和初始最大充電功率Pscmax0，儲能系統的功率利用率得到有效提高，且系統運行性能穩定.

由上述分析可知，超級電容儲能系統能夠在滿足較高性價比的基礎上實現對抽油機電機制動能量的存儲與再利用，證明了本文所提超級電容器模組參數配置方法及控制策略的正確性和有效性.

5 結 論

針對抽油機系統的“倒發電”現象，設計了基于超級電容的抽油機制動能量回收系統，并以提升超級電容儲能系統的性價比為目標，提出了基于功率-容量約束的超級電容器模組參數匹配方法以及儲能系統協調控制策略.仿真驗證表明，文章所提超級電容器模組參數匹配方法能夠實現儲能系統功率和容量對節能量的最佳性價比配置，滿足節能效果與系統成本雙優的目的；儲能單元能夠實現抽油機電機制動能量的有效回收和及時釋放，荷電狀態及電流處于合理區間，且采用獨立的充放電控制電路，并未對抽油機系統原有控制電路做改動.

文章所提超級電容器模組參數配置方法及控制策略未考慮超級電容器電壓、電流及溫度對其壽命的影響，后續研究可以以此切入點進行改進.